Wir leben in einer Zeit, in der ein Leben ohne unsere Mobiltelefone, gelinde gesagt, sehr ungewöhnlich erscheint. Einem Bericht von Ericsson (Ericsson Mobility Report Nov 2019) zufolge gab es im dritten Quartal 2019 rund 8 Milliarden Mobilfunkverträge, was bedeuten könnte, dass es auf dieser Welt bereits mehr Mobilfunkverträge als Menschen gibt. In den frühen 1980er Jahren, als alles begann, waren Mobiltelefone eher ein Luxusgegenstand für diejenigen unter uns, die unterwegs wichtige Telefonate führen mussten. Damals gab es noch Festnetztelefone, aber die Nachfrage nach Mobilität wuchs beständig, von der reinen Sprachkommunikation in den frühen 80er Jahren bis hin zu praktisch jeder Art von Kommunikation heute. Das Aufkommen der Smartphones war der eigentliche Wendepunkt, der unsere Mobiltelefone in Minicomputer verwandelte, in denen Sprachanrufe nur eine der vielen verfügbaren Optionen sind.
Die Entwicklung der mobilen Geräte mag zwar eine offensichtliche Rolle gespielt haben, aber es sind die technologischen Fortschritte im gesamten Ökosystem der mobilen Kommunikation, die all dies möglich gemacht haben. Die Mobilfunknetze haben seit ihrer Einführung erhebliche Verbesserungen erfahren, um die wichtigsten Herausforderungen in Bezug auf Leistungsfähigkeit, Qualität und Sicherheit zu bewältigen. Sie haben sich kontinuierlich weiterentwickelt, von der ersten Generation (1G) der Mobilfunknetze in den frühen 1980er Jahren bis zur fünften Generation (5G), die wir heute haben. Sie können mehr über 5G in einem anderen Beitrag erfahren, indem Sie auf diesen Link klicken.
Waren Mobilfunknetze schon immer digital?
In der heutigen Welt wird das Wort „Digitalisierung“ recht häufig von Mobilfunkbetreibern und anderen Kommunikationsdienstleistern verwendet. Angesichts der bereits verfügbaren 5G-Netze, die potenziell viele Branchen digitalisieren können, ist es schwer vorstellbar, dass es eine Zeit gab, in der die Mobilfunknetze selbst nicht digital waren. Die erste Generation von Mobilfunknetzen (1G) war analog und nutzte das Frequenzmultiplexverfahren (Frequency Division Multiple Access, FDMA) als Luftschnittstelle, um drahtlose Konnektivität zu ermöglichen. Das digitale Zeitalter der Mobilfunknetze begann in den frühen 90er Jahren mit der Einführung von Netzen der zweiten Generation (2G), die sicherer waren. Die Schlüsseltechnologien, die 2G ermöglichten, waren GSM (Global System for Mobile Communications) und D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System). Mehr über digitale und analoge Netze erfahren Sie in diesem Beitrag.
2G
Mit der zweiten Generation (2G) der Mobilfunknetze wurden zwei neue Zugangstechnologien eingeführt: TDMA (Time Division Multiple Access) und CDMA (Code Division Multiple Access). Der Einfachheit halber ist die Zugangstechnologie das, was ein Mobiltelefon mit dem Mobilfunknetz verbindet, indem es drahtlos Signale über die Luftschnittstelle sendet und empfängt.
GSM war der am weitesten verbreitete Standard für die zweite Generation von Mobilfunknetzen. Er verwendet eine Kombination aus FDMA und TDMA, um mobile Kommunikationsdienste anzubieten. Bei GSM wird das verfügbare Frequenzspektrum zunächst in kleinere Frequenzkanäle und dann weiter in Zeitschlitze aufgeteilt. Das ursprüngliche Frequenzband für GSM-Netze reichte von 890 MHz bis 915 MHz für den Uplink und 935 MHz bis 960 MHz für den Downlink. Dieses Frequenzband wird als primäres GSM-Band oder P-GSM bezeichnet. Das primäre GSM-Band wurde später erweitert, um 10 MHz sowohl für den Uplink als auch für den Downlink hinzuzufügen.
GPRS oder General Packet Radio Service war eine Erweiterung des bestehenden GSM-Netzes, um mobile Datendienste effizient bereitstellen zu können. GPRS konnte Spitzengeschwindigkeiten im Downlink von bis zu 171,2 kbit/s bieten. Später gab es eine weitere Erweiterung namens EDGE (Enhanced Data for Global Evolution), die die Spitzengeschwindigkeiten im Downlink auf 384 kbit/s erhöhte. GPRS und EDGE werden manchmal auch als 2,5G bzw. 2,75G bezeichnet. Mehr über GSM erfahren Sie in unserem Beitrag über GSM, indem Sie hier klicken.
Selbst heute, fast 30 Jahre nach der ersten Einführung, gibt es noch GSM-Handys. Wenn man GSM aus der Sicht des Mobilfunks betrachtet, dann ist es besser, ein Smartphone zu kaufen, das 2G/3G/4G unterstützt. Wenn Sie GSM jedoch als Alternative zu Ihrem Festnetztelefon betrachten, können Sie immer noch ein gut aussehendes GSM-Telefon kaufen und es als Haustelefon für Sprachanrufe verwenden. Es gibt ein GSM-Telefon von Easyfone, das mit einer Ladestation geliefert wird und fast wie ein schnurloses Telefon aussieht. Da es sich um ein GSM-Telefon handelt, können Sie es außerhalb Ihres Hauses mitnehmen und sogar auf Reisen verwenden, ohne sich Sorgen um einen Verbindungsverlust machen zu müssen, solange es eine GSM-Abdeckung gibt. Sie können dieses Telefon auf der Website von Amazon hier oder auf der Website von Amazon UK hier finden.
D-AMPS oder Digital AMPS war der andere 2G-Standard, der ebenfalls eine Kombination aus FDMA und TDMA für die Luftschnittstelle verwendete. Der Zeitplan für D-AMPS ähnelte dem von GSM, d. h. den frühen 1990er Jahren. D-AMPS verwendet dasselbe Frequenzband für die Kommunikation wie sein 1G-Gegenstück AMPS (Advanced Mobile Phone System), nämlich 824 MHz bis 894 MHz. Mehr über D-AMPS und AMPS erfahren Sie in unserem Beitrag hier. Im gleichen Zeitraum wurde eine dritte Technologie namens Interim Standard 1995 (IS-95) eingeführt, die CDMA (Code Division Multiple Access) als Luftschnittstelle verwendete. Einzelheiten zu IS-95 finden Sie in unserem Beitrag zu diesem Thema hier.
3G
Für die dritte Generation von Mobilfunknetzen (3G) gab es zwei Hauptrichtungen, und beide basierten auf Code Division Multiple Access (CDMA). Der erste Weg war Universal Mobile Telecommunications Systems (UMTS), das für die Migration von GSM-Netzen zu 3G verwendet wurde. Die andere Schiene war CDMA2000, die IS-95 (cdmaOne) sowie D-AMPS die Migration zu 3G ermöglichte.
UMTS basierte auf Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) und konnte Spitzengeschwindigkeiten von bis zu 2 Mbit/s im Downlink bieten. Da GSM, GPRS und EDGE eine andere Funkzugangstechnologie verwendeten, mussten bei der UMTS-Migration die Funkbasisstationen für die Unterstützung von WCDMA aufgerüstet werden. UMTS-Netze verwendeten den gleichen paketvermittelten Ansatz wie GPRS und EDGE und nutzten SGSN und GGSN im Kernnetz zur Unterstützung mobiler Datendienste. Da die UMTS-Netze für die Koexistenz mit den GSM-Netzen ausgelegt waren, wurden sie gut integriert, um sicherzustellen, dass technologieübergreifende Übergaben (IRAT – Inter Radio Access Technology) stattfinden können. Die High-Level-Architektur der WCDMA-basierten UMTS-Netze ist im folgenden Diagramm dargestellt. Wenn Sie sich für die detaillierten Designaspekte von WCDMA-Netzen interessieren, empfehlen wir Ihnen die Lektüre des WCDMA Design Handbook auf der Website von Amazon hier oder auf der Website von Amazon UK hier.
Für die Kunden bedeutete dies neue 3G/UMTS-fähige Mobiltelefone, die sowohl die neue Zugangstechnologie als auch die neuen Frequenzen der UMTS-Netze unterstützen konnten. So wie die GPRS- und EDGE-Technologien als Erweiterungen von GSM eingeführt wurden, wurde HSPA (High-Speed Packet Access) als Erweiterung der UMTS-Netze eingeführt. Diese Erweiterung konzentrierte sich darauf, die Datengeschwindigkeiten der 3G-Netze noch weiter zu erhöhen. HSPA ist eine Kombination aus HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) und HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access). Es bietet Spitzengeschwindigkeiten im Downlink von bis zu 14,4 Mbit/s und im Uplink von bis zu 5,76 Mbit/s. Mit der weiteren Verbesserung in Form von HSPA+ haben sich diese Geschwindigkeiten auf 42 Mbit/s und 11,5 Mbit/s erhöht. Wenn Sie weitere Informationen zu HSPA und HSPA+ benötigen, können Sie sich unseren Beitrag zu diesem Thema ansehen, indem Sie hier klicken.
Wenn Sie einen schnellen Überblick über UMTS-Netze erhalten möchten, sehen Sie sich dieses 3-minütige Video an.
Die 3G-Migration für die beiden anderen 2G-Technologien D-AMPS und IS-95 ging einen anderen Weg und verwendete CDMA2000. CDMA2000, auch bekannt als CDMA2000 1xRTT oder IS-2000, ist ein Nachfolger des früheren Standards IS-95 (cdmaOne) und bietet 3G-Mobilfunkdienste gemäß IMT2000 (International Mobile Telecommunication Specifications for the Year 2000). CDMA2000 ist abwärtskompatibel mit seinem Vorgänger IS-95, was den Wechsel von IS-95 zu CDMA2000 einfach und nahtlos macht. Es nutzt dieselbe Trägerbandbreite von 1,25 MHZ und ist sowohl leitungsvermittelt als auch paketvermittelt. So wie HSPA eingeführt wurde, um die Datengeschwindigkeiten in den UMTS-Netzen zu verbessern, wurde in CDMA2000 eine Technologie namens EVDO (Evolved Data Optimized) eingeführt, um höhere Datengeschwindigkeiten zu ermöglichen. EVDO bietet Spitzengeschwindigkeiten im Downlink von bis zu 14,7 Mbit/s und im Uplink von bis zu 5,4 Mbit/s. Wenn Sie daran interessiert sind, können Sie sich unseren Beitrag über IS-95 und CDMA2000 ansehen, indem Sie hier klicken. Wir haben auch einen Beitrag über EVDO, den Sie hier finden können.
4G
Die vierte Generation von Mobilfunknetzen (4G) wurde durch eine neue Technologie namens LTE ermöglicht, die für Long Term Evolution (von Mobilfunknetzen) steht. LTE ist der 4G-Migrationspfad für wichtige 3G-Technologien wie Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) und CDMA2000. Eine andere Technologie, WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access), kann ebenfalls einen 4G-Upgrade-Pfad bieten, aber LTE ist die primäre Technologie, die weltweit für den Aufbau von 4G-Netzen verwendet wird.
Im Gegensatz zu GSM und UMTS verwendet LTE getrennte Mehrfachzugriffstechnologien für die Abwärtsstrecke (Basisstation zu Mobiltelefon) und die Aufwärtsstrecke (Mobiltelefon zu Basisstation). Es verwendet orthogonales FDMA (OFDMA) für den Downlink und Single-Carrier FDMA (SC-FDMA) für den Uplink. LTE ist sehr viel effizienter als die früheren 3G-Technologien und verringert auch die Latenzzeit bei der Datenübertragung. Die erreichbaren Datenraten hängen von der jeweiligen LTE-Variante ab, aber die folgenden Spitzendatenraten können erreicht werden:
- LTE – bis zu 300 Mbps im Downlink
- LTE Advanced – bis zu 1 Gbps im Downlink
- LTE Advanced pro – bis zu 3 Gbps im Downlink
Wie Sie sich vielleicht denken können, sind diese Geschwindigkeiten im wirklichen Leben fast nie erreichbar, da es sich um Spitzengeschwindigkeiten handelt. In diesem Beitrag finden Sie die tatsächlichen Durchschnittsgeschwindigkeiten, die Sie mit 4G-LTE-Netzen erreichen können.
Mehr über LTE erfahren Sie in unserem speziellen Beitrag, indem Sie hier klicken. Wenn Sie nach einer ausführlichen Referenz zu LTE Advanced suchen, empfehlen wir Ihnen LTE-Advanced: A Practical Systems Approach to Understanding 3GPP LTE Releases 10 and 11 Radio Access Technologies. Sie finden dieses Buch auf der Website von Amazon hier oder auf der Website von Amazon UK hier.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass GSM, UMTS und LTE jeweils für 2G-, 3G- und 4G-Mobilfunktechnologien stehen. GSM steht für Global System for Mobile Communications, UMTS steht für Universal Mobile Telecommunications System und LTE steht für Long Term Evolution (of Mobile Networks). GSM verwendet TDMA und FDMA für seine Luftschnittstelle, UMTS verwendet WCDMA, und LTE verwendet eine Kombination aus OFDMA und SC-FDMA.
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