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Technik – Mobilkommunikation
Funknetze
Mobilfunknetze bestehen aus einzelnen Funkzellen, die untereinander koordiniert sind. Jede Funkzelle hat ihre eigenen Funkfrequenzen, damit sie Nachbarzellen nicht stört. Wenn ein Mobiltelefonbenützer beim Zugfahren eine Funkzelle verlässt und in eine Nachbarzelle kommt, wird das Gespräch automatisch an diese Zelle weitergereicht (Figur). Dabei werden dem Handy von der neuen Basisstation die notwendigen Verbindungsinformationen mitgeteilt, welche das Gerät dann einstellt. Häufig besitzt eine Basisstation drei Sektorantennen. Jede Antenne strahlt in einen eigenen Bereich. Zusammen wird meist der ganze Raum um eine Basisstation funktechnisch abgedeckt, je nach Dichte des Funknetzes in einem Radius bis einige Hundert Meter oder einige (wenige) Kilometer. Für Basisstationen der fünften Generation (5G) ist vorgesehen, sog. Antennenarrays einzusetzen, um damit die Strahlung zu bündeln und gezielt an die einzelnen Nutzer zu „schicken“ statt, wie bei Sektorantennen, „diffus“ ein ganzes Empfangsgebiet abzudecken (siehe massive MIMO unter Antennencharakteristik).
Die von einer Basisstation genutzten Frequenzfenster sind häufig zweigeteilt. Ein Teil wird für die Kommunikation vom Handy zur Basisstation (Uplink), der andere Teil für die Kommunikation von der Basisstation zum Handy (Downlink) benutzt. Die Uplink-Frequenzen liegen in der Regel im unteren Teil, die Downlink Frequenz im oberen Teil der Frequenzbänder (Figur, linker Teil). Ein Frequenzband kann auch für Up- und Downlink gleichzeitig genutzt werden, wenn die Verbindungen zeitlich gestaffelt erfolgen (Figur, rechter Teil). Der Mobilfunkstandard (GSM, UMTS, LTE, 5G) legt die Art des Zugriffs auf die Frequenzen fest (TDMA, CDMA, FDMA, OFDMA; siehe Kommunikation zwischen Handy und Basisstation).
MIMO = Multiple Input Multiple Output. Die neuen Funkgenerationen verwenden Mehrfachantennen, um damit die Kapazität zu steigern (im Bild ein W-LAN Access Point mit 4 Antennen). Zum Senden und Empfangen kommen sowohl bei der Basisstation als auch beim Endgerät mehrere Antennen gleichzeitig zum Einsatz. Als eine Art Vorläufer dieser Technik gilt MISO (Multiple Input Single Output) und SIMO (Single Input Multiple Output), wo jeweils nur Sender oder Empfänger mehrere Antennen haben. Mit MISO und SIMO lässt sich ein räumlicher Diversitätsgewinn erzeugen:
Wenn mehrere Antennen (jeweils im Abstand von ca. einer halben Wellenlänge) zum Empfangen eines Signals verwendet werden, ist die Chance sehr gross, dass eine der Antennen einen guten Empfang aufweist und nicht gerade in einem „Interferenzloch“ sitzt (siehe fading). Das bedeutet: mit mehreren Antennen können höhere Bitraten erreicht werden, weil das Signal besser detektiert wird. Grundsätzlich kann dasselbe auch erreicht werden, wenn man statt mehrerer Empfangsantennen mehrere räumlich versetzte Sendeantennen verwendet (von denen jede entsprechend schwächer sendet als eine einzige Antenne).
Werden sowohl empfänger- als auch senderseitig mehrere Antennen eingesetzt (MIMO), lässt sich ein zusätzlicher Gewinn (räumlicher Multiplex) erreichen. Die moderne Signalverarbeitung kann aus dem Summensignal zweier (oder mehrerer) Einzelsignale auf derselben Frequenz die Einzelsignale herausrechnen, wenn sie das Summensignal in zwei (oder mehreren) „Versionen“ erhält. Die Versionen unterscheiden sich in der Phase. Der Phasenunterschied stellt sich automatisch ein, wenn ein Signal von zwei räumlich versetzten Antennen abgesendet wird (aufgrund der unterschiedlich langen Laufwege wird das Signal zeitlich versetzt empfangen). Somit ist es möglich mit MIMO auf derselben Frequenz mit derselben Sendeleistung bei gegebener Bandbreite mehr Daten zu verschicken also mit nur einer Antenne (ungefähr lineare Zunahme mit Anzahl Antennen). MIMO Systeme haben dank der hochentwickelten Signalverarbeitung ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis als Einzelantennen.