Mobilfunktechnologien

Die Entwicklung des Mobilfunks kann in der Form von "Mobilfunk-Generationen" beschrieben werden. Eine Generation kennzeichnet jeweils eine bestimmte Technologie. Die Zählung wird üblicherweise mit "2G" begonnen. Mit "2G" begann die Entwicklung des Mobilfunks im heutigen Sinn. Aber auch bereits zuvor gab es Mobilfunknetze ‒ zuerst die analogen B- und C-Netze und das etwas stärker verbreitete D-Netz. Diese analogen Netze könnten aus heutiger Sicht als Netze der ersten Generation bezeichnet werden.


2G - GSM

GSM war die erste Mobilfunktechnologie bei der die Sprache digital übertragen wurde. GSM wurde ab Ende 1993 eingeführt und löste die früheren analogen Netze ab. GSM-Geräte konnten neben Sprache auch Daten übertragen. Diese sehr langsame Datenübertragung war ursprünglich verbindungsorientiert, es wurde das Verhalten eines Wählleitungsmodems nachgebildet. Damit war auch die mobile Übertragung von Fax möglich. GPRS (General Packet Radio Service), ein Dienst innerhalb von GSM ermöglichte ab ca. 1999 erstmals die Übertragung von paketorientierten Daten.

Heute geht die Nutzung von GSM kontinuierlich zurück. Sprache kann mit moderneren Technologien in besserer Qualität und Daten können mit viel höherer Geschwindigkeit übertragen werden. Trotzdem hat GSM auch noch heute Bedeutung. Die GSM-Netze haben immer noch die höchste Reichweite, GSM ist weiterhin fast weltweit verbreitet und kann daher für Roaming genutzt werden. Dazu kommt eine Vielzahl einfacher Geräte (zB. Getränkeautomaten, Fahrzeuge) welche GSM für die Übertragung von Maschine-zu-Maschine (M2M) nutzen.

GSM nutzt in Europa die 900 und 1800 MHz Bänder. Diese Bänder sind heute jedoch nicht mehr exklusiv für GSM reserviert. Vielmehr teilt sich GSM diese Bänder mit moderneren Technologien, damit wird die für GSM verfügbare Funkbandbreite im Lauf der Zeit geringer.

Die Abkürzung GSM war ursprünglich die Bezeichnung der Arbeitsgruppe zur Standardisierung der Technologie (GSM - Groupe Spécial Mobile), später wurde GSM zur Abkürzung von "Global System for Mobile Communications" erklärt.


3G - UMTS

Die anfänglichen Erwartungen in die Technologie der dritten Generation UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) waren hoch, wie oft, wenn neue Technologien einführt werden. 3G sollte Videotelefonie und schnelle Datenübertragung ermöglichen. Doch die Erwartungen in 3G-Videotelefonie wurden nicht erfüllt. Das mag einerseits an der geringen Datenrate (64kBit/s), anfänglich geringer Endgerätequalität wie auch -dichte gelegen haben. Auch die Datenübertragung mit anfänglich nur circa 144kBit/s erfüllte die Anforderungen an mobiles Breitband nicht. Die Situation änderte sich erst mit der Einführung von HSPA (High Speed Packet Access). Diese in mehreren Schritten eingeführte Verbesserung von 3G ermöglichte Datenraten von bis ca. 30 MBit/s im Downlink und ca. 5 MBit/s im Uplink. Damit war die für Smartphones (ab ca. 2008) notwendige Breitband-Technologie geschaffen, die Basis für einen grundlegenden Wandel der Nutzung des Internets.

UMTS wurde ab circa 2001 im 2100 MHz Band eingeführt. Heute wird diese Band zunehmend für LTE (siehe unten) genutzt, 3G wird heute aber auch im 900 MHz Band genutzt. Damit wird eine an GSM annähernd hohe Reichweite erzielt.


4G - LTE

Der (späte) Erfolg von 3G führte zur Frage, wie Mobilfunk weiter verbessert werden kann. Eine Studie mit dem Titel "Long Term Evolution (LTE)" führte letztlich zur Standardisierung der vierten Generation des Mobilfunks. Ziele waren höhere spektrale Effizienz, höhere Peak-Datenraten wie auch geringere Latenz. Das Netz sollte nur mehr paketorientierte Datenübertragung ermöglichen, damit konnte Sprachtelefonie erst deutlich verspätet als VoLTE (Voice over LTE) eingeführt werden. Die Technologie CDMA (Code Division Multiple Access) - ein tragendes Element von 3G wurde durch OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) ersetzt. Das Ergebnis war ein System das schnelle Datenübertragung mit geringer Latenz ermöglicht. Die Frequenzkanäle sind bis zu 20 MHz breit, mehrere Frequenzkanäle, auch in unterschiedlichen Frequenzbändern können gemeinsam genutzt werden (CA, carrier aggregation). Heutige Mobilfunkterminals ermöglichen damit Datenraten von über 1GBit/s. Diese Datenraten setzen natürlich eine Aggregation einer Vielzahl an 20 MHz-Kanälen und sehr gute Versorgung voraus. Aber auch in der Praxis sind Datenraten von über 100 MBit/s problemlos erreichbar.


5G - NR

Während 4G ein großer Erfolg war, so ist die Technologie in ihrer Konzeption heute bereits mehr als 10 Jahre alt. Als fünfte Generation wurde die Nachfolgetechnologie NR (new radio) entwickelt. NR soll im Vergleich zu LTE höhere Datenraten, geringere Verzögerung wie auch höhere Effizienz (dh. geringeren Stromverbrauch) ermöglichen. Neue Technologien, wie insbesondere massive MIMO (Multiple Input Multiple Output) ermöglichen höhere Effizienz. Die Netzfunktionen setzen auf Virtualisierung, NR erlaubt auch Spezialisierung wie z.B. höhere Robustheit. Die Funkbandbreite wurde von 20 MHz bei LTE im NR auf 100 MHz erhöht.

Neue Technologien können entweder bestehende Technologien ablösen (Refarming von bestehenden Mobilfunkfrequenzen) oder neue Mobilfunkbänder nutzen. Während UMTS im 2100 MHz-Band, LTE in den 2600 MHz und 800 MHz-Bändern startete, wird NR im 3400 MHz-Band und im 700 MHz Band eingeführt werden. Darüber hinaus können auch bisherige Bänder für NR genutzt werden - so wie das 900 MHz-Band heute nicht (nur) für GSM, sondern auch für LTE und UMTS genutzt wird.

In der Vergangenheit nutzte Mobilfunk Frequenzen im Bereich von mehreren hundert MHz bis zu wenigen GHz. NR möchte darüber hinausgehen und auch deutlich höhere Frequenzen nutzen, wenn auch mit deutlich niedrigeren Reichweiten. In Europa steht dazu das 26 GHz-Band zur Verfügung.

Informationen zu 5G finden sich auch auf der Webseite des BMLRT.

Ein Cartoon der französischen Regulierungsbehörde ARCEP thematisiert Netzneutralität im Licht von 5G.