Mobilfunk-Grundlagen

Mobilfunknetze gibt es bereits seit 1958. Die ersten analogen Netze A, B und C waren rein auf Sprachkommunikation ausgelegt. Das C-Netz wurde im Jahr 2000 als letztes abgeschaltet.

Seit 1998 mit den 2G-Technologien findet ca. alle 10 Jahre ein größerer Entwicklungsschritt bei Mobilfunk statt. Das D- und E-Netz sind die ersten digitalen Netze die auch für die Industrie interessant wurden, durch die Option der Datenübertragung.
Seit 2010 mit 4G-Technologie und 2020 beginnt die 5G Ära. Dabei werden die möglichen Anwendungsgebiete deutlich erweitert, die Leistung, die Verfügbarkeit und Netzqualität wird  kontinuierlich verbessert.

Physik

Sprache und Daten werden durch Modulation über Funkwellen übertragen. Dabei wird ein Frequenz- und Zeitmultiplexing verwendet um sich das gemeinsame Medium zu teilen.

Für GSM/GPRS/EDGE wird der Frequenzbereich um 900 Megahertz und um 1.800 Megahertz genutzt. 

UMTS verwendet den Frequenzbereich zwischen 1.900 und 2.100 Megahertz. 

LTE-Mobilfunknetze nutzen Frequenzen in den Bereichen 800 Megahertz, 1,8 Gigahertz und 2,6 Gigahertz. Künftig kommen LTE-Netze im 700-Megahertz-Bereich hinzu.

5G nutzt Frequenzen im Bereich 700 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz und 3600 MHz. Je niedriger die Frequenz umso höher die Reichweite aber auch je geringer der Datendurchsatz. Hohe Frequenzen sind ehr in Ballungsgebieten zu finden, niedrige eher in ländlichen Bereichen.

Die Mobilfunk Infrastruktur wird von verschiedenen Mobilfunkanbietern bereitgestellt. Die Infrastruktur besteht aus Funkzellen mit einem Empfangs- und Sendemasten. Die Größe der Zellen richtet sich nach der benötigten Teilnehmer-Kapazität, kann daher von einigen hundert Metern auch 5 bis 10 km betragen. Die Zellen bilden zusammen ein Waben-förmiges Netz. Ein Verbund von Zellen nennt sich Location-Area. Die Übergabe von Teilnehmern zwischen den Zellen funktioniert unterbrechungsfrei. Die Übergabe wird auf Basis der Übertragungsqualität anhand eines Schwellenwertes entschieden.

Einflussfaktoren für den Empfang sind Dämpfung, Reflektion und Abschattung.

Antennentechnik ist für die Mobilfunkübertragung ein wichtiges Thema.

Topologie

Global Systems for mobile Communications (GSM) ist die zweite Generation der Mobilfunktechnik.
Im ersten Schritt war diese nur für Sprachübertragung entwickelt worden.
GPRS (General Paket Radio Service) auch Generation 2.5 (2.5G) genannt, und EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) stellen nur eine Erweiterung für den bestehenden GSM-Standard für die Datenübertragung dar. Die Datenübertragung wird hier nur bei Bedarf aktiviert.

Die dritte Generation der Mobilfunktechnik (3G) umfasst UMTS 
(Universal Mobile Telecommunication System) und die Erweiterungen HSPA und HSPA+.

UMTS kann nach zwei verschiedenen Duplex-Verfahren arbeiten:

  • Beim Frequency Devision Duplex (FDD) wird der Upload und Download in verschiedene Frequenzbereiche aufgeteilt. Dies ermöglicht eine Datenrate von 384 kBit/s.
  • Im Time Division Duplex Verfahren (TDD) wird werden Upload und Download auf denselben Frequenzen, aber zu verschiedenen Zeiten (Zeitslots) übertragen. Dabei ist eine Datenrate von 1920 kBit/s möglich. Das TDD Verfahren wurde von den Mobilfunkanbietern in Deutschland nicht umgesetzt.

Die Erweiterung High Speed Paket Access (HSPA) nutzt neue Techniken zur Modulation und Kodierung, HSPA unterteilt sich in folgende Standards:

  • High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) verbesserte die Download-Geschwindigkeit für mobile Teilnehmer wie Smartphones, Tablets, etc. Die Nutzung mehrerer gleichzeitiger Kanäle anstatt einem erhöht die Datenrate enorm. Eine Funkzelle mit HSPA kann flexibel bis zu 15 Kanäle auf die Teilnehmer verteilen. Die Anzahl der Kanäle die ein Teilnehmer zugeteilt bekommt ist abhängig von der Anzahl der Teilnehmer in einer Funkzelle und dessen Empfangsqualität.
  • High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) verbessert die Upload-Geschwindigkeit deutlich. Hier musste eine andere Technik eingesetzt werden da als bei HSDPA da die Sendeleistung eines Teilnehmers deutlich geringer als die der Funkzelle ausfällt. Durch eine Erhöhung Kodier-Rate und das verkleinern der Kanäle wird die Übertragung zwar Störanfälliger aber auch deutlich schneller. Die möglichen Datenraten sind stark abhängig davon wie nah sich der Teilnehmer an der Basisstation der Funkzelle befindet.

Die vierte Generation der Mobilfunktechnik nennt sich Long Term Evolution (LTE).
Genau genommen wurden erst mit der Erweiterung LTE-Advanced (LTE-A) die Anforderungen an 4G umgesetzt. Aber die erste Version von LTE mit 4G zu bezeichnen hat sich etabliert und stellt in der Praxis kein Problem dar. Das Ziel der neuen Technologie war ein geringerer Energieverbrauch für Batteriebetriebene Teilnehmer, höhere Reichweite und Datenraten.

LTE kommt mit dem Mehrfachzugriffsverfahren Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA - M) und bereits von UMTS eingesetzten FDD- und TDD-Techniken genutzt werden. Bei LTE kommt MIMO mit Unterstützung auch mehrerer Antennen zum Einsatz. Es wird eine IP-basierte Steuer- und Netzwerkarchitektur verwendet.

Ursprünglich war LTE nur für Datenübertragung konzeptioniert worden, aber mit dem VoLTE (VoIP over LTE) wird nun auch die Sprachkommunikation digital als IP-Telefonie übertragen. Damit ist die Verwendung von GSM nicht mehr erforderlich.

Um den Anforderungen verschiedener Geräte (z.B. Router, Smartphone, Tablet, Sensor,..), die Mobilfunk nutzen, bzgl. der benötigten Datenraten, gerecht zu werden, wurden die Geräte im LTE-Standard in Gerätekategorien unterteilt. Dies erleichtert die Verwaltung der Ressourcen einer Funkzelle. Das LTE-Netz ist engmaschiger dies ist unter anderem durch kompaktere Basisstationen möglich da diese nicht mehr zusätzlich noch GSM- und GPRS-Technik abdecken müssen.

Die Erweiterung LTE-Advanced erhöht die Datenübertragungsraten dank verbesserter MIMO-Technik, Carrier Aggregation und Verbesserung am Rand der Funkzellen (enhanced Inter-cell Interference Coordination – eICIC).


Die Erwartungen und Anforderungen an die fünfte Generation der Mobilfunktechnologie (5G) sind hoch;

Datenübertragungsraten von bis zu 20 Gbit/s bei niedrigen Latenzzeiten und eine große Anzahl an Teilnehmern pro Funkzelle.

In Deutschland werden derzeit 4 unterschiedliche Frequenzbereiche genutzt:
Die Bänder n1 (2100 MHz, ehemalig 3G), n3 (1800 MHz, ehemalig 2G, n7 (2600 MHz 4G) und n78 (3600 MHz); die Bandnummern entsprechen denen für LTE, die 5G Nutzung wird durch das vorangestellte „n“ (NewRadio) gekennzeichnet. Bei den ersten 3 Frequenzbereichen erfolgt derzeit nur der Download über 5G, der Upload erfolgt über 4G. n78 ist der Leistungsträger im 5G Netz, hier besteht das 3,5 GHz Netz nicht aus gepaarten Frequenzen (FDD, Frequenz Division Duplex) sondern aus einem gemeinsamen Band für Sende- und Empfangsbetrieb. Nur über die Nutzung eines breiten Frequenzbereiches lässt sich die Datenrate von 1 GBit/s erreichen.

Verbessertes MIMO wird über eine hohe Anzahl an Antennenfelder der Funkmasten realisiert um viele gleichzeitige Verbindungen zu ermöglichen, in Kombination mit Beam-Forming (Strahlformung) kann die Sendeleistung gezielt auf Teilnehmer ausgerichtet werden.

Aktuell sind 5G Funkzellen in Ballungsgebieten und vielen ländlichen Bereichen verfügbar.

5G-Technologie in der Industrie macht da Sinn, wo niedrige Latenzzeiten zwingend erforderlich oder eine große Anzahl an Geräten in einem kleinen Areal eingesetzt werden (bis zu 1 Million Geräte pro Quadratkilometer sollen möglich sein). Hohe Bandbreiten sind hier meist nicht erforderlich.

Geplant sind auch Modelle eines privaten Betriebes von 5G, für zum Beispiel mobile Maschinen auf einem Firmengelände, die nicht in öffentliche Netze eingebunden werden sollen. Gerade in Fällen wo WLAN-Technik an seine Grenzen kommt.

Übersicht der Datenraten und Latenzzeiten:

Mobilfunk-
technik
GSM (2G)UMTS (3G)LTE (4G)5G
GPRSEDGEUMTSHSPAHSPA+LTELTE-ALTE-AP 
Downlink
Datenrate in Mbit/s max.
0,05360,2560,3847,242300
150 (DE)
600
500 (DE)
1.00020.000
geplant
(Aktuell ca. 500)
Uplink
Datenrate Mbit/s max.
0,0270,2370,3845,811,575
50 (DE)
75
50 (DE) 
50010.000
geplant
(Aktuell ca. 150)
Latenz in ms500300-400150-17060-7060-7010-4010-4010-401
geplant
(Aktuell 10)

Es handelt sich um theoretisch erreichbare Werte. In Deutschland können die Mobilfunkanbieter aktuell nicht die vollen theoretischen Übertragungsraten erreichen. Die möglichen Raten sind zusätzlich abhängig von verschiedenen Faktoren wie Empfangsstärke und –Qualität, sowie die Netzwerkauslastung der Funkzelle. Auch der Hardware-Stand des Mobilfunkmodems des jeweiligen Teilnehmers wie Smartphone, Tablets,.. sind entscheidend.

Der Short Message Service (SMS) bedient sich dem GSM als Basis.
SMS-Nachrichten können auch z.B. zum Steuerung von Geräten genutzt werden und nicht nur zur Alarmierung bzw. Benachrichtigung. Eine Nachricht hat eine maximale Länge von 160 Zeichen. Von aktuellen Geräten werden längere Texte automatisch auf mehrere Nachrichten aufgeteilt. Es erfolgt zwar eine Empfangsbestätigung von Netzbetreiber, aber keine Übertragungsbestätigung zum Zielgerät. Falls ein Zielgerät vorübergehen nicht erreichbar ist, speichert die jeweilige Kurzmitteilungszentrale die Nachricht zwischen. SMS-Gateways sind Dienste der Mobilfunkanbieter oder auch anderer Anbieter im Internet um SMS-Nachrichten z.B. in eine E-Mail oder Sprachnachricht zu konvertieren.

​​​​​​​Konfiguration

Um die jeweilige Mobilfunk-Technologie nutzen zu können wird ein Mobilfunkvertrag benötigt der diese entsprechend abdeckt.

Die meisten Geräte benötigen nach wie vor eine SIM-Karte, die sogenannte eSIM (embedded SIM-Karte) ist bei industriellen Produkten noch wenig verbreitet. Bei der Wahl der SIM-Karte sollte der vom Gerät benötigte Formfaktor berücksichtigt werden (Mini-SIM, Micro-SIM, Nano-SIM). Das üblichste Format ist Micros-SIM. Es gibt vereinzelt noch sehr alte SIM-Karten die eine 5 V Spannungsversorgung benötigen, die aktuelle Geräte nicht liefern, da SIM-Karten aktuell mit 1,8 V oder 3 V Spannung arbeiten. Ab der Nutzung 3G oder neueren Technologien wird ein APN, Benutzername und Passwort benötigt.

Vor der Inbetriebnahme Vor-Ort macht es Sinn sich über entsprechende Netzabdeckungspläne der Anbieter des jeweiligen Landes zu informieren, ob am gewünschten Standort Mobilfunkempfang möglich ist und mit welcher Technologie. Es gibt auch günstige Mobilfunk-Analyser mit denen man Vor-Ort vor einer Installation Messungen bzgl. der verfügbaren Anbieter, Technologie, Empfangsstärke und Qualität durchführen kann.

LTE-fähige Mobilfunkmodems lassen sich oft auch konfigurieren, bzgl. welche Technologie (2G, 3G oder 4G/LTE) verwendet werden soll. Bei sehr schlechtem LTE-Empfang ist es sinnvoller das Modem auf den entsprechenden Standard zu konfigurieren. Üblicherweise geben die Modems Informationen über Signalstärke und Signalqualität aus.

Anwendungsgebiete

Ideal für eine Datenübertragung von mobilen Maschinen über das Internet. Auch die Anbindung für abgelegene Standorte ohne kabelgebundene Internetanbindung ist über Mobilfunk machbar. Die Unabhängigkeit lokaler IT-Systeme ist eine weitere mögliche Anwendung.

Varianten / Versionen

NarrowBand-IoT (NB-IoT) basiert auf LTE, nutzt die 800 bis 900 MHz Frequenzbänder und hat damit eine verbesserte Durchdringung von Gebäuden und Flächenabdeckung.

Long Term Evolutions for Machines (LTE-M) ist eine Variante von LTE speziell für Anbindung von Maschinen z.B. für IIoT and Mobilfunknetze für deren spezielle Anforderungen. Die Datenübertragungsrate ist zwar auf 1 Mbit/s reduziert, dafür ist die Technologie auf Reichweite und Batterielaufzeit ausgelegt.

 LTE-MNB-IoT
Datenrate1.000 kBit/s200 kBit/s
Latenz15 ms10.000 ms
Reichweite15 km15 km

LTE-M und NB-IoT werden weltweit als Nachfolgetechnik zu den 2G Technologien genannt (GSM, GPRS, EDGE). Beide Technologien ermöglichen einfache und kostengünstige Funkmodule, die sich ideal für IoT-Anwendungen eignen.

Unser Mobilfunk-Portfolilo:

Fernwartung

Kompakt-Router Ewon-Cosy & modular aufgebaute Fernwartungs- und M2M-Router Ewon Flexy für Fernwartung und Datendienste

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Einfacher, komfortabler Alarmmelder für Statusmeldungen direkt auf ihr Handy.
Verwendung eines Quad-Band GSM/ GPRS-Modul (2G)

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