Wie funktioniert Telefonieren? – Die Physik des Mobilfunks

Jeder nutzt sie, doch nur wenige wissen was dahintersteckt: die drahtlose Kommunikation. Ob beim Telefonieren oder Radiohören, wir alle nutzen sie im alltäglichen Leben.

Zunächst lässt sich die drahtlose Kommunikation in verschiedene Kategorien einteilen. Am besten bekannt ist wahrscheinlich die mobile Telekommunikation, die Handys zum Empfangen und Übertragen von Daten nutzen. Aber auch schnurlose Telefone, also drahtlose Haustelefone, W-LAN und das immer häufiger genutzte Digitalradio zählen dazu. Die Polizei stellt ihren Polizeifunk momentan auch auf eine digitale Version um, da der alte Polizeifunk sehr leicht abgehört werden kann, während sich eine digitale Version leichter verschlüsseln lässt. Aber auch in der mobilen Telekommunikation gibt es mehrere Techniken: das GSM, das UMTS und das LTE. Diese verschiedenen Mobilfunknetze und ihre Eigenheiten haben einen Einfluss darauf, wie gut der Empfang des Handys ist. Im Handy macht sich dies durch verschiedene Buchstaben wie G, E, H oer L bemerkbar. Wir wollen uns nun damit beschäftigen, wie die unterschiedlichen Netze funktionieren und natürlich die Frage klären, welches das beste Netz ist und warum.

Schema einer elektromagnetischen Welle

Am Anfang steht die Welle

Um dies nun aber zu verstehen, muss man zunächst einmal ganz vorne anfangen. Drahtlose Kommunikation funktioniert mithilfe elektromagnetischer Wellen. Auch Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen. Wellen drahtloser Kommunikation bestehen aus für uns unsichtbarem Licht, da unser Auge nur bestimmte Wellenlängen sehen kann. Diese elektromagnetischen Wellen lassen sich relativ einfach erklären: Bei einer klassischen Welle geraten Teilchen in Schwingungen und bewegen sich von oben nach unten und versetzen dabei auch benachbarte Teilchen in Schwingung, sodass eine Welle entsteht. Bei einer elektromagnetischen Welle sind die Erzeuger die Elektronen, die von einer Antenne in Schwingung versetzt werden. Durch die sich wechselnden Ladungen wird ein elektrisches Feld erzeugt. Wenn das elektrische Feld wiederum wechselt, wird ein magnetisches Feld erzeugt. Die elektromagnetische Welle ist also ein Wechselspiel zwischen elektronischen und magnetischen Feldern. Beim Empfänger, auch einer Antenne, die ebenfalls Elektronen enthält, werden diese wieder in Bewegung versetzt und in Daten umgewandelt, die wir verstehen können. Die Kommunikation zwischen einer Antennen und der Elektronik, die sie steuert, verläuft hingegen leitungsgebunden, also mit Kabeln.

Die Wellenausbreitung ist im freien Raum geradlinig in alle Richtungen, wie man das von auch von sichtbarem Licht kennt. Die Empfangsleistung elektromagnetischer Wellen nimmt mit steigender Entfernung ab. Zudem wird die Empfangsleistung beeinflusst von Abschattungen, Spiegelungen, Brechungen und Streuungen durch Hindernisse. Durch die Hindernisse vervielfältigen sich die Signale, das heißt sie kommen zeitlich verteilt über mehrere Wege beim Empfänger an. Dieser Effekt kann zwei Auswirkungen haben: Wenn beide Signale die gleiche Phasenlage haben, also zum Beispiel beide Wellen mit einem Wellenberg ankommen, addieren sich diese und die Empfangsleistung verbessert sich. Wenn die Signale sich jedoch in unterschiedlichen Phasenlagen befinden, dann subtrahieren sich die Signale und der Empfang verschlechtert sich. Davon lässt sich ableiten, dass mobile Datenkommunikation deutlich höhere Fehlerraten hat als leitungsgebundene Kommunikation, weshalb mehrere Kanäle genutzt werden, um die Daten zu übertragen.

Große Zellen für viele Nutzer

Ein typischer Mobilfunkmast

Die Größe der Zellen, dem Zuständigkeitsbereich einer Mobilfunkstation, ist beschränkt durch die Anzahl der Nutzer und durch die Reichweite der Antennen. So muss man in Stadtgebieten die Antennen in geringerem Abstand anbringen, da es dort viele Nutzer gibt und der Empfang durch enge Bebauung relativ stark gestört ist. In ländlichen Gebieten kann eine Mobilfunkzelle bis zu 35km groß sein, da es wenige Nutzer gibt und wenig Bebauung im Weg liegt. Elektromagnetische Wellen haben in der Gesellschaft oft den Ruf, gesundheitsschädlich zu sein. Deshalb fürchten sich Menschen vor den Mobilfunkstationen, die notwendig für die Bereitstellung eines großflächigen Mobilfunknetzes sind und wollen sogar deren Bau verhindern.

Ein als Baum getarnter Mobilfunkmast

Ab und zu kommt es deshalb vor, dass diese als Baum oder als Kreuz auf einer Kirche getarnt waren. Doch weitaus weniger Menschen wissen, dass selbst die Strahlung des schnurlosen Haustelefons höher ist als die Strahlung dieser Stationen. Um möglichst viele Nutzer in einer Zelle unterzubringen, gibt es verschiedene Techniken. Zum einen bekommt jeder Nutzer Zeitschlitze zugewiesen. Dies bedeutet, dass er nicht die ganze Zeit Daten empfängt, sondern nur etwa alle 10 Millisekunden ein Datenbündel. Das Eintreffen dieser Datenbündel lässt sich auch gelegentlich hören, wenn man ein Handy neben Lautsprecher legt. Eine andere Methode ist das Aufteilen in mehrere Kanäle, was sich ebenfalls mit dem Radio vergleichen lässt, bei dem je nach Frequenz verschiedene Sender empfangen werden.

Verschiedene Netze, verschiedene Qualität

Um die Daten zu übermitteln, werden sie zuerst in das binäre System umgeschrieben, in eine Zahlenabfolge aus 0 und 1. Bei der ersten Form des digitalen Mobilfunknetzes, dem GSM, werden daraus jeweils Päckchen aus zwei Zahlen gebildet. Damit gibt es vier verschiedene Päckchen – 10, 11, 01 und 00. Jedem dieser Päckchen wird ein Platz in einem Koordinatensystem zugewiesen. Nun denkt man sich einen Pfeil, der jeweils auf das Päckchen zeigt, das als nächstes verschickt werden soll. Der Wechsel von Päckchen zu Päckchen ergibt dann die Welle. Dabei entspricht jede Winkeländerung einer Phase der Welle, die Pfeillänge dem Ausschlag, der Amplitude der Welle. Auf dem Handy wird die Nutzung von GSM mit einem G angegeben. Es gibt zwei unterschiedliche Arten des GSM. Das erste wird GSM 900 genannt, da es mit einer Frequenz von 900 MHz Bereich gesendet wird, genauer in einer Bandbreite von 880-960 MHz. Es wird üblicherweise im D-Netz verwendet. Das Zeichen Hz steht für Hertz, eine Einheit welche die Anzahl der Wellenschwingungen in einer Sekunde beschreibt. In diesem Beispiel bedeutet es, dass ungefähr 900 000 000 Wellen pro Sekunde erzeugt werden. Dabei werden die Frequenzen 880-915 MHz für den Uplink, die Datenübertragung vom Handy zur Mobilfunkstation, genutzt. Die Frequenzen 925-960 MHz werden für den Downlink, der Datenübertragung von der Mobilfunkstation zum Handy genutzt. Diese Trennung ermöglicht das gleichzeitige Senden und Empfangen von Daten und verhindert, dass sie sich überlagern. Eine ähnliche Aufteilung gibt es auch bei GSM 1800, das die Frequenzen 1725-1876 MHz nutzt und hauptsächlich im E-Netz genutzt wird. Das Problem von GSM 1800 ist aber, das die Dämpfung durch Wände größer und somit auch die Reichweite geringer ist. Verwendet das Handy dieses Netz, wird dies im Display in der Regel mit den Buchstaben E, D oder G angezeigt.

Martin Cooper gilt als Erfinder des Mobiltelefons

Nach demselben Prinzip arbeitet auch die moderne Version des Mobilfunknetzes, das UMTS. Auch dabei wird mit dem binären System gearbeitet, nur sind die Datenpakete größer, womit mehr Informationen auf einmal versendet werden können. Größere Datenpakete bedeuten auch, dass es eine größere Zahl verschiedener Datenpakete gibt. Der Pfeil hat also mehr mögliche Positionen, was bei schlechtem Empfang schneller zu Datenverlust führt, da die Welle genauer empfangen werden muss, um aus ihr alle Daten richtig zu lesen. Deshalb wird bei schlechterem Empfang auf das GSM zurückgegriffen, da die Datenpakete kleiner sind und die Übertragung damit besser. Damit die Daten sich nicht mit denen des GSM stören, nutzt das UMTS Frequenzen um 2100 MHz. Das LTE, das neueste Mobilfunknetz, baut wiederum auf dem UMTS auf. Um jedoch eine bessere Übertragungssicherheit garantieren zu können, wird nicht nur eine einzige leistungsstarke, sondern mehrere kleine Antennen genutzt. Diese tasten die Umgebung ständig nach Hindernissen ab. Die Antenne, die dann zu einem Handy die beste Übertragung hat, wird dann stärker genutzt. Damit wird eine bis zu 50 Prozent bessere Leistung erreicht. Diese Netze sind durch die Buchstaben 3G, H, 4G, und L gekennzeichnet und bieten meist einen deutlich besseren Empfang.