Sie sind längst unverzichtbare Begleiter im Alltag und werden trotzdem selten beachtet. Kaum klingelt das Smartphone, ziehen wir es aus der Tasche und telefonieren. Niemand macht sich im Alltag groß Gedanken, wie die Geräte funktionieren. Oder was alles an technischen Voraussetzungen entwickelt werden musste, um mobil zu telefonieren oder zu surfen. Dabei versteckt sich hinter jedem Handy eine jahrzehntelange Entwicklungsgeschichte. Dass immer noch nicht alles rund läuft, bemerken wir spätestens, wenn die Verbindung beim Telefonieren abbricht oder die Datenübertragung im Schneckentempo abläuft. Wie funktioniert Mobilfunk? Und warum ist es in manchen Regionen immer noch schwierig, eine stabile Versorgung auf die Beine zu stellen?

1. Physikalische Grundlagen

Wer Mobilfunk und Handynetze verstehen will, kommt an den technischen und physikalischen Grundlagen nicht vorbei. Hier handelt es sich nicht etwa um staubtrockene Physik. Funktechnik kann ein durchaus spannendes Feld sein.

Die Grundlage der gesamten mobilen Kommunikation – egal, ob es sich hier um ein Telefongespräch oder eine SMS und das Surfen im mobilen Internet handelt – sind Funkwellen. Diese elektromagnetischen Wellen haben eine Frequenz (Kennzahl für die Häufigkeit der Wiederholung von Schwingungen). Über die Frequenz bzw. deren Modulation lassen sich Informationen transportieren.

Damit basieren Handynetze auf der klassischen Funktechnik. Entscheidend dafür, wie leistungsfähig solche Netze am Ende sind, ist die Frequenz. Eine niedrige Frequenz bedeutet, dass sich beispielsweise nur wenige Informationen über die Wellen übertragen lassen. Hohe Frequenzen bringen eine deutlich bessere Leistung mit. Ein Aspekt, den ihr als Nutzer zu Hause nachvollziehen könnt. Router fürs WLAN haben heute ein 2,4 GHz und ein 5 GHz Band. Letzteres erreicht deutlich höhere Übertragungsraten.

Reichweite der Funkwellen

Dass Informationen in Handynetzen über Funkwellen mit einer festgelegten Frequenz übertragen werden, ist eine Seite der Medaille. Wenn ihr euch intensiver damit beschäftigt, werdet ihr eines schnell bemerken: Für ein Handynetz reicht nicht einfach an Sendemast. Moderne Mobilfunknetz-Betreiber haben ein Netzwerk von Sendemasten aufgebaut. Hier zeigt sich eine Eigenschaft der Funkwellen: Deren Reichweite sind Grenzen gesetzt.

Ein aus der Physik bekanntes Phänomen. Wellen werden an undurchdringlichen Oberflächen zurückgeworfen oder teils absorbiert. Durch Interferenz kann das Signal schwächer oder verändert werden. Aus diesem Grund setzen Netzbetreiber auf Sendemasten und Funkzellen. Hiermit setzt sich das „Signal“ quasi immer fort, kann per Richtfunk weitergeschickt oder ins Festnetz eingespeist werden.

Auf diese Weise entstehen die modernen Handynetze, in denen sich Nutzer nicht nur innerhalb einer Region, sondern rund um den Globus einfach über das Handy miteinander verständen – als stünden sie direkt nebeneinander.

2. Mobilfunk an und für sich

Heute wirkt es selbstverständlich unterwegs zu telefonieren. Vor 30 Jahren hat die breite Masse nicht einmal gewusst, dass es entsprechende Möglichkeiten schon gibt. Die Geräte – sprich Handy – waren einfach zu teuer. Dabei gab es bereits Gräte, welche die Bezeichnung Handy verdienten. Eines der ersten kommerziellen Geräte dieser Form war das DynaTAC 8000X.

Einige werden vielleicht noch die Bezeichnung „Knochen“ kennen – einfach aufgrund der Form. Allerdings ist diese Bezeichnung eher für das Motorola International 3200 gebräuchlich. Die Abkürzung DynaTAC stand für Dynamic Adaptive Total Area Coverage. Das Gerät wurde im September 1983 zugelassen. Allerdings reicht die Entwicklungsarbeit deutlich weiter zurück. Motorola arbeitete ungefähr 10 Jahre an dessen Entwicklung.

Mit 4.000 USD war das DynaTAC recht teuer. Angesichts dieser Rahmenbedingungen überrascht, dass innerhalb kurzer Zeit hunderttausende der Geräte einen Abnehmer fanden. Die Entwicklung, Fertigung und der Vertrieb von Handys ist am Ende nur eine Seite der Medaille. Ohne die Funkstandards kein Handynetz.

Mobilfunk beginnt als Zugfunk

Im ersten Moment liegt der Gedanke nahe, beim Mobilfunk handelt es sich um eine moderne Erfindung. Allerdings reichen die Wurzeln der mobilen Telefonie deutlich weiter zurück. Erste gedankliche Konstrukte finden sich in Sci-Fi-Romanen. Hier wird über Kommunikationsgeräte zum unterwegs telefonieren bereits im frühen 20. Jahrhundert spekuliert.

Wenige Jahre später wird das Telefonieren dann wirklich mobil. Allerdings anders als zuerst gedacht. Vorreiter ist an dieser Stelle die Bahn. Im Zug Berlin nach Hamburg gab es ab Mitte der 1920er Jahre eine Fernsprechzelle, die ans öffentliche Netz angeschlossen war.

Von einem wirklichen Mobilfunk kann allerdings erst sehr viel später gesprochen werden. Ende der 1950er Jahre geht das A-Netz an den Start. Betreiber dieses Netzes war die Deutsche Bundespost. Als öffentlicher beweglicher Landfunkdienst (öbL) bezeichnet, existierte dieses Netz bis 1977. Die Verbindungen wurden noch handvermittelt. Das A-Netz kam nicht über einige tausend Teilnehmer hinaus.

Das erste wirklich selbsttätige Mobilfunknetz mit dem modernen Zellenprinzip entstand 1986 als C-Netz. Mit dem D-Netz wurde der mobile Netzverkehr auf die digitale Kommunikationstechnik umgestellt. Nachfolgend entstanden weitere Mobilfunknetz-Generationen – wie:

• das E-Netz
• UMTS
• LTE

Kennzeichen der neuen Netzgenerationen war immer ein deutlicher Sprung in der Übertragungsqualität. Mit UMTS und LTE haben sich hohe Datenvolumina über das Mobilfunknetz transportieren lassen – was die Funktion der modernen Smartphones als Schnittstelle in der Kommunikation erst möglich gemacht hat.

Übertragungsgeschwindigkeiten im Überblick:

• UMTS (Universal Mobile Telecommunications System; 3G) Datenübertragungsrate mit HSPA+ bis zu 42 Mbit/s
• EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) Datenübertragungsrate bis 59,2 kbit/s
• LTE (Long Term Evolution) Datenübertragungsrate bis 500 Mbit/s

Mobilfunk in der Praxis – die Funkzellen

Ein wichtiges Element bei der praktischen Umsetzung des Mobilfunks sind die sogenannten Funkzellen. Das System dahinter ist recht einfach. Jeder für den Aufbau des Netzes nötige Sendemast hat eine bestimmte Frequenz, mit welcher sich ein definiertes Gebiet abdecken lässt. Nutzer haben nur innerhalb dieses Sendebereichs Empfang.

Die Größe einer solchen Zelle schwankt und kann einige Meter – meist aber mehrere Kilometer – betragen. Kleinere Zellen sind eher in der Stadt üblich. Auf dem Land kann die einzelne Funkzelle deutlich größer ausfallen. Hintergrund: In urbanen Räumen müssen viele Nutzer gleichzeitig mit Datenströmen versorgt werden. Im ländlichen Raum ist die Netzabdeckung sehr viel wichtiger.

Über das „Einloggen“ in eine Funkzelle lassen sich Nutzer im Netz auch verfolgen. Jede Funkzelle hat eigens eine Cell-ID. Damit kann geprüft werden, wo sich Nutzer gerade befinden – was für die Vermittlung von Gesprächen wichtig ist. Ohne Sendemasten also keine Funkzellen. Und ohne diese Zellen auch kein Mobilfunknetz. Übrigens müssen die Masten nicht immer direkt zu erkennen sein.

Für deren Installation greifen die Netzbetreiber inzwischen auch auf Tricks zurück. Neben dem Hochhaus als idealem Standort „mieten“ sich Netzbetreiber inzwischen auch in Kirchtürmen oder anderen historischen Gebäuden mit einer ähnlichen Substanz ein. Trotzdem existieren bei vielen Anbietern immer noch kleine weiße Flecken auf der Netzabdeckungskarte, in denen das Mobilfunknetz so gut wie gar nicht oder nur sehr eingeschränkt funktioniert. Aus diesem Grund ist es für dich als Nutzer vor einem Vertragsabschluss immer wichtig, die Netzabdeckung des jeweiligen Anbieters zu checken.

Mobilfunk vs. Walkie-Talkie

Wenn ihr Nachwuchs habt, bist du vielleicht im Besitz einfacher Junior Walkie-Talkies. Und hast dir die Frage gestellt, warum ein Handy nicht einfach genauso funktionieren kann? Es gibt zwischen beiden Geräten Gemeinsamkeiten – aber auch große Unterschiede. Auf den ersten Blick verbindet beide, dass mit ihnen über gewisse Entfernungen kommuniziert werden kann.

Am Ende überwiegen immer die Unterschiede. Beispiel: Um mit dem Walkie-Talkie miteinander sprechen zu können, braucht es immer ein bestimmtes Frequenzband. Auf dieses müssen auch beide Geräte eingestellt sein. Andernfalls ist nur Rauschen zu hören. Beim Handy kann ein Gespräch geführt werden, wenn Nutzer in verschiedenen Funknetzen und Frequenzen unterwegs sind.

Ein zweiter Unterschied ist die Entfernung. Walkie-Talkies kommen selten auf mehr als 2 Kilometer Sendeleistung. Die Antenne und Sendeeinheit sind nicht darauf ausgelegt, eine höhere Reichweite zu erzielen. Entsprechend werden Walkie-Talkies auch meist nur zur Nahbereichskommunikation verwendet. Ein Beispiel ist die Bauwirtschaft, um sich auf Baustellen verständigen zu können. Aber: Einen riesigen Vorteil hat das Walkie-Talkie gegenüber dem Handy: Es funktioniert netzunabhängig. Sobald in einem Smartphone keine SIM Karte eingelegt oder keine Funkzelle verfügbar ist, wird das Handy einfach zu einem netten, technisch hochgerüsteten Spielzeug.

Mobilfunk setzt auf technische Hilfsmittel

Funkwellen sind störungsanfällig. Nur über Funkwellen eine Kommunikation herzustellen, ist technisch anspruchsvoll. Aus diesem Grund greifen Netzbetreiber immer wieder in die Trickkiste – wie einer Kombination aus Handy- und kabelgebundenen Netzen.

Grundsätzlich basiert die Weiterleitung der Gespräche in einem Mobilfunknetz aus einer direkten Verbindung zwischen Handy und Funkmast. Dieser steht wiederum mit einer entsprechenden Basisstation in Verbindung. Letztere steuern das Gespräch und dessen Weiterleitung zum Angerufenen. Hierfür setzen die Betreiber der Mobilfunknetze auf zwei Systeme – Richtfunk und kabelgebundene Weiterleitung.

Richtfunk basiert auf großen Richtantennen, mit deren Hilfe Gespräche im Gigahertz-Bereich auch bis zu einigen hundert Kilometern übertragbar sind. Allerdings braucht es direkte „Sichtverbindungen“ zwischen den einzelnen Richtantennen, um die Signale aufzunehmen. Häufig sind die überbrückten Distanzen aus diesem Grund geringer. Von der empfangenden Richtantenne und der Basisstation wird das Signal zum Sendemast des angerufenen Teilnehmers übertragen. Dessen Identifikation ist über verschiedenen Kennparameter möglich.

Sofern das Gespräch nicht an ein Smartphone übermittelt wird, sondern angerufene Teilnehmer ans Festnetz angebunden sind, erfolgt aus der Basisstation die Einspeisung direkt ins Festnetz – mit anschließender Weiterleitung zum angerufenen Telefonanschluss.

Ablauf eines Mobilfunkgesprächs: Das passiert, wenn du eine Nummer anrufst

Im Mobilfunknetz telefonieren stellt die Betreiber vor einige Herausforderungen. Das Ganze läuft in etwas folgendermaßen ab:

Sobald eine Nummer mit dem Handy angewählt wird, passieren mehrere Dinge:

1. Die Gesprächsanfrage wandert zur Vermittlungsstelle. Diese prüft in einem ersten Schritt, ob Handy und SIM-Karte das Gespräch führen dürfen.
2. Von hier geht das Gespräch weiter zu einer zentralen Vermittlungsstelle. Diese kennt die Nutzer des Handynetzes und kann deren Aufenthalt im Bereich einer bestimmten Vermittlungsstelle erkennen.
3. Anschließend wird über die lokale Vermittlungsstelle ein Signal abgesetzt, über welches das angerufene Gerät erkennt, dass ein Gespräch vorliegt. Sofern das Zielgerät mit der SIM-Karte validiert wird, kann der Anruf durchgestellt werden. Sobald in andere Netze telefoniert wird, geht das Gespräch über spezielle Gateway Mobile Switching Center.

Bei der Nutzung von Datendiensten sieht der Ablauf so aus:

1. Dass Einwählen ins Internet baut nicht sofort eine Verbindung ins Web auf. Zuerst wird in ein Core Netzwerk eingewählt. Unter anderem prüft das Netz, ob Nutzer überhaupt zum Surfen berechtigt sind.
2. Anschließend geht auch hier die Verbindung wieder über eine Vermittlungsstelle.
3. Um sich letztlich durchs Internet zu bewegen und Seiten aufzurufen, muss dem Handy noch eine öffentliche IP zugewiesen werden – was nach einigen Zwischenschritten erfolgt.
4. Anschließend kannst du als Seiten aufrufen oder Medieninhalte herunterladen.

3. Die großen Schwierigkeiten im Mobilfunk

Eigentlich könnte alles so einfach sein: Handy aus der Tasche ziehen, surfen und telefonieren. In der Praxis gibt es eine ganze Reihe an Hürden. Einige Stolpersteine sind technischer Natur. Die Übertragungsnetze sind einfach nur auf eine bestimmte Teilnehmerzahl ausgelegt. Auf der anderen Seite gibt es – und dies bekommen Nutzer immer wieder zu spüren – Schwierigkeiten durch die Topografie und Gebäude.

Eines der besonders schwierig zu lösenden Probleme betrifft aber den grenzüberschreitenden Mobilfunk. Hintergrund: Funkwellen machen natürlich an keinem Schlagbaum Halt. Allerdings geht jedes Land auf recht unterschiedliche Weise mit den Funkfrequenzen für den Mobilfunk um. Selbst, wenn ein Netzbetreiber im Nachbarland Österreich ein Netz unterhält, wird es immer wieder teuer – Stichwort Roaming. Wie lösen Provider und Politik dieses Dilemma?

Netzausbau weiter vorantreiben

Die Qualität des Mobilfunknetzes hängt immer von dessen Ausbaustufe ab. In Ballungszentren gibt es selten Probleme. Hier kann fest jeder Netzbetreiber ein Hochgeschwindigkeitsnetz unterhalten. Deutlich schwerer haben es Nutzer im ländlichen Raum. Besonders in Mittelgebirgen und den Alpen gibt es immer noch „weiße Flecken“.

Diese entstehen einerseits durch einen schleppenden Ausbau der Netze. Auf der anderen Seite unterstreichen Täler, dass Funkwellen nur eine begrenzte Reichweite und Schwierigkeiten bei der Durchdringung haben – was auch für Gebäude gilt. Wessen Büro im Erdgeschoss eine Stahlbeton-Bürokomplexes liegt, kann das Handy eigentlich gleich ausschalten.

Wie weit ist der Netzausbau in Deutschland eigentlich inzwischen vorangekommen? Hier hilft ein Blick auf den Breitband-Atlas der Bundesregierung. Dieser enthält nicht nur Infos rund um das kabelgebundene Netz. Über entsprechende Filter kann jeder Nutzer herausfinden, wie gut die Netzabdeckung zu Hause ist.

Was hier auffällt: 3G – also UMTS, mit dem bis zu 42 Mbit/s möglich waren – ist inzwischen weitgehend vom Netz gegangen. Hierauf hatte sich die Mobilfunkbetreiber geeinigt, um Frequenzen freizumachen. Allerdings gibt es selbst im 2G Netz immer noch diverse Lücken. Diese speziell in Gebirgen wie:

• Harz
• Schwarzwald
• Erzgebirge
• den Alpen

auf. Außerdem sind auf der Karte auch im ländlichen Raum diverse weiße Flecken zu entdecken. Beim 4G Netz ist die Situation noch schlechter. Hier ist Deutschland bei allen Netzbetreibern nach wie vor ein Flickenteppich – allerdings ohne erkennbares Muster.

Durchdringung – Funkwellen werden abgeschirmt

Zu den Problemen im Aufbau der Handynetze gehört nicht nur die Netzabdeckung. Jede Funkwelle trifft auf Hindernisse. Im urbanen Bereich geht es um Gebäude, welche aus unterschiedlichen Baustoffen hergestellt werden. Sobald vom ländlichen Raum die Rede ist, schirmt die Morphologie Funkwellen ab. Es entstehen Verschattungsbereiche, in denen Nutzer einfach keinen oder einen nur sehr eingeschränkten Empfang haben.

Gerade die Durchdringung verschiedener Materialien kann in der Praxis ein nicht zu unterschätzendes Problem werden. Eine sehr geringe Hemmwirkung haben:

• Holzdecken
• Zwischenwände im Trockenbau
• Fensterscheiben und Glasfronten.

Deutlich erhöht werden Durchdringungsschwierigkeiten durch Wände aus mineralischen Baustoffen wie Ziegelsteinen. Noch einmal sehr viel stärker in der Abschirmwirkung sind Metallkonstruktionen. Hierzu gehören unter anderem:

• Stahlbetonwände
• Aufzugsschächte
• Brandschutzanlagen

Besonders Metall hemmt die Durchdringung der Funkwellen deutlich. Je stärker solche Bausubstanz in einem Bereich eingesetzt wird, desto schwieriger ist hier auch der Handyempfang. Teilweise sind solche Konstruktionen absichtlich im Einsatz – als technische Barriere in sicherheitsrelevanten Bereichen. Dass Funkwellen so stark gehemmt werden, führt im urbanen Raum dazu, dass die einzelnen Funkzellen meist sehr klein sind.

Begrenzte Leistung der Sendemasten

Und schon wieder kein Empfang mehr! Als Nutzer kennst du diese Situation. Obwohl der nächste Sendemast gar nicht so weit weg ist, will es mit der Datenverbindung einfach nicht funktionieren. Besitzer eines Handys müssen sich folgenden Sachverhalt vor Augen halten: Jeder Sendemast hat immer nur eine bestimmte Kapazität.

Diese ist darauf ausgelegt, immer eine bestimmte Zahl an Nutzern mit festgelegten Datenströmen zu versorgen. Entscheidend sind hier der Aufbau und Frequenzstandard des Sendemastes. Beim LTE reden wir über hunderte aktive Teilnehmer. Aber: Es gibt das Phänomen Cell Breathing. Bei hoher Beanspruchung schrumpft der Zellradius. Sind weniger Teilnehmer aktiv, erweitert sich das abgedeckte Areal wieder.

Zusammenfassung und Fazit: Mobilfunk ist ein technisches Wunderwerk

Beim Griff zum Smartphone denken wir heute nicht mehr darüber nach, wie das Gespräch eigentlich aufgebaut wird oder welche technischen Hilfsmittel es in der Gesprächsvermittlung braucht. Handys sind einfach selbstverständlich geworden. Viele Nutzer werden nicht einmal wissen, wo in unmittelbarer Nähe der nächste Sendemast des Netzbetreibers steht. Dabei greifen – um auch nur eine Gesprächsminute realisieren zu können – viele Bausteine ineinander. Angefangen vom Sendemast der Funkzelle über die Basisstationen bis zum Richtfunk. Deutschland hat in den letzten Jahren für den Netzausbau viel Geld ausgegeben. Trotzdem gibt es immer noch einige weiße Flecken auf der Landkarte, welche die Netzbetreiber in den kommenden Jahren flicken müssen.

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Titelbild @ Kara – 73784058 / Adobe Stock

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