Mobilfunk für Dummies:

Was wäscht "Weiße Flecken" weg?

Wie funktioniert ein Mobilfunknetz?

Foto: CC BY 2.0 Flickr User Tobias Nordhausen. Bildname: Auf dem Frauenberg. Ausschnitt bearbeitet.

Mobilfunk beruht auf der Übertragung von Informationen durch elektromagnetische Wellen von einem Sender (Basisstation) zu einem Empfänger (z.B. Handy, Tablet, IoT-Device). Das Prinzip ist dasselbe wie bei Radio oder Fernsehen, bei dem die zu übertragende Information (Töne und Bilder) am Sender in elektro-magnetische Wellen verwandelt wird (Modulation) und am Empfänger wieder in die ursprüngliche Information zurückverwandelt wird (Demodulation). Im Gegensatz zu Radio und Fernsehen funktioniert das im Mobilfunk jedoch in beide Richtungen, das heißt, auch das Handy muss – zum Beispiel beim Verschicken von Fotos oder bei einem Telefonat – als Sender fungieren, die Basisstation ist dann der Empfänger. Eine besondere Herausforderung ist dabei die Mobilität. Verlässt ein Autoradio den Empfangsbereich eines Senders, muss im Bereich des benachbarten Senders eine neue Frequenz gewählt werden, um dasselbe Radioprogramm empfangen zu können. Bei modernen Autoradios passiert das im Allgemeinen automatisch, ohne dass der Hörer den Wechsel wahrnimmt. Dies muss auch im Mobilfunk funktionieren, damit beispielsweise Telefonate oder Video-Streams beim Wechsel von einer auf eine andere Basisstation nicht abreißen, sondern ein sogenannter Handover stattfindet. In Städten finden solche Wechsel dabei öfter statt als auf dem Land, da in Städten die Basisstationen normalerweise in einem Abstand von wenigen 100 m stehen, auf dem Land dagegen im Abstand mehrerer Kilometer

Warum funktioniert das Mobilfunknetz nicht überall?

Es gibt drei Faktoren, die den Ausbau von Mobilfunknetzen limitieren:

  1. Jede Basisstation hat eine gewisse Reichweite. Diese hängt ab von der Sendeleistung, aber auch von der Frequenz der elektromagnetischen Wellen. Als Faustregel gilt hier: Eine Verdopplung der Trägerfrequenz (beispielsweise von 900 MHz auf 1800 MHz) geht mit einer Halbierung der Reichweite einher. Die Sendeleistung darf nicht beliebig erhöht werden, damit regulatorische Grenzwerte zum Schutz der Bevölkerung und der Umwelt nicht überschritten werden. Der Empfangsbereich einer Basisstation darf zudem nur so groß sein, dass das Signal eines Endgeräts (z.B. Handy) am Rand einer Mobilfunkzelle noch von der Basisstation empfangen werden kann – und das bei erheblich geringerer Sende- und Empfangsleistung des Endgeräts.
  2. Eine Basisstation kann nur eine begrenzte Anzahl von Nutzern gleichzeitig mit Mobilfunkzugang versorgen. Trägerfrequenzen unterhalb von 1000 MHz sind zwar für die Erschließung größerer Flächen geeignet, können jedoch deutlich weniger Nutzer gleichzeitig versorgen als Spektrum in höheren Frequenzbereichen. Je mehr Nutzer eines Mobilfunknetzes sich üblicherweise innerhalb eines Areals befinden, desto höher wird das Erfordernis, zusätzliche Kapazitäten durch den Bau weiterer Basisstationen zu erreichen.
  3. Je  durchfurchter die Topographie einer Landschaft ist, desto mehr Basisstationen sind erforderlich, um eine Fläche lückenlos mit Mobilfunk zu erschließen, denn Berghänge und Talflanken führen oft  zu Abschattungen.
Foto: Informationszentrum Mobilfunk

Um eine Fläche einer bestimmten Größe (Dorf, Viertel, Stadt, Landkreis etc.) mit Mobilfunk zu versorgen, ist also abhängig von den verwendeten Frequenzen, aber auch von der Topografie und der Bevölkerungsdichte, eine bestimmte Anzahl von Basisstationen nötig. Hier spielen bei den privatwirtschaftlichen Mobilfunkunternehmen auch wirtschaftliche Erwägungen eine Rolle. So wird eine Basisstation eher da gebaut, wo sie besonders viele Haushalte und damit potenzielle Kunden versorgen wird. Gebiete mit wenig Bevölkerung und wenig stark frequentierten Straßen oder Bahnlinien sind aus wirtschaftlichen Überlegungen heraus weniger attraktiv für den Ausbau, da hier einer Investition in entsprechende Infrastruktur nur ein begrenzter Nutzen gegenübersteht.

Warum ist der Empfang manchmal besser und manchmal schlechter?

Neben begrenzter Reichweite, begrenzter Anzahl der Nutzer und der Topographie gibt es noch einen weiteren Faktor, der den Empfang in eigentlich gut versorgten Gebieten stören kann: die Dämpfung. Innerhalb des Empfangsbereichs einer Mobilfunkzelle kann es dazu kommen, dass das Signal einer Basisstation zu schwach ist, um vom Endgerät empfangen zu werden. Dies kann vor allem durch natürliche Abschattung, beispielsweise durch Berge oder dichte Wälder sowie durch künstliche Abschattung wie Häuser, Tunnel oder sonstige Bauwerke verursacht werden. Bei der Durchdringung von Häuserwänden verlieren elektro-magnetische Wellen viel Energie, so dass sie im inneren von Häusern grundsätzlich schlechter empfangen werden können. Dies gilt besonders für moderne Bürogebäude, deren große Glasflächen aus bau- und klimatechnischen Gründen mit dünnen Metallschichten bedampft sind. Hier hilft oft nur eine eigene Mobilfunkanlage mit Antennen im Gebäude, da Signale von außen zu stark gedämpft werden. Auch beim Mobilfunkempfang in modernen Zügen ist das ein großes Problem, weswegen viele Züge in Deutschland sukzessive mit sogenannten Repeatern ausgestattet werden, also kleinen Sendeanlagen, die das Mobilfunksignal in den Zügen verstärken. Aber auch natürliche Phänomene wie starker Regen oder sogar die saisonale Belaubung von Bäumen können sich auf den Mobilfunkempfang auswirken.

Warum kann man sogar bei gutem Empfang manchmal nicht telefonieren?

Aber auch wenn der Empfang gut ist (beispielsweise alle Empfangsbalken auf dem Handy angezeigt werden), kann es sein, dass Telefonate nicht geführt werden können, Videos einfrieren oder Webseiten nicht aufgerufen werden können. Grund hierfür ist, dass sich alle Nutzer einer Mobilfunkzelle deren Ressourcen, also die für Telefonate oder Datenverbindungen zur Verfügung stehende Kapazität, teilen müssen. Es handelt sich um ein sogenanntes „Shared Medium“, ein Konzept, das so auch beispielsweise von öffentlichen WLAN-Hotspots bekannt ist: Sind zuviele Nutzer in einem Hotspot gleichzeitig online und aktiv, sinkt die für den einzelnen Nutzer zur Verfügung stehende Datenrate. Solche temporären Kapazitätsengpässe gibt es auch im Mobilfunk. Durchfährt beispielsweise ein Pendler-Zug oder eine S-Bahn ein ländliches Gebiet , kann es passieren, dass in einer sonst wenig ausgelasteten Mobilfunkzelle plötzlich und für kurze Zeit viele Nutzer gleichzeitig aktiv sind, was zu entsprechenden Einbußen bei der vom einzelnen Nutzer erfahrenen Leistungsfähigkeit des Netzes führt.