Wie funktioniert Mobilfunk?

Ein Videotelefonat von unterwegs – und Fotos aus dem Zug verschicken: Das ist Alltag. Aber wie funktioniert mein Smartphone eigentlich? Wir erläutern die Grundlagen des Mobilfunks und was das Besondere an der aktuellen Generation 5G ist.

Wer die Technik hinter 5G-Mobilfunk verstehen will, muss bei den Grundlagen anfangen. Jedes Mobilfunknetz besteht aus

• dem Kernnetz des Netzbetreibers: Das ist die „Schaltzentrale“ mit Anbindung ans Internet.
• dem Transportnetz: Das ist die Verbindung zwischen Kernnetz und dem funkbasierten Zugangsnetz.
• dem Zugangsnetz: Damit sind im Wesentlichen Basisstationen mit ihren Antennen gemeint.
• den Endgeräten, also vielen Millionen Smartphones, Tablets, vernetzten Sensoren und Maschinen.

Das Gebiet, das von der Antenne einer Basisstation abgedeckt wird, nennt man Funkzelle. Die Stationen verfügen meist über mehrere Antennen. Eine Basisstation, also ein Standort, versorgt meistens drei oder sechs Funkzellen. In diesem Bereich können Nutzerinnen und Nutzer mobil telefonieren und das mobile Internet nutzen. Kurz: Sie haben Netz.

Funkzellen sind unterschiedlich groß

Der Radius von Mobilfunkzellen ist – je nach Einsatzgebiet – sehr unterschiedlich. Ausschlaggebend dafür sind unter anderem die Sendeleistung, die verwendete Frequenz und vor allem die Bebauung des versorgten Gebietes.

Gebäude stellen sich den Funkwellen buchstäblich in den Weg. Deshalb ergibt es Sinn, dass Funkzellen in Städten deutlich kleiner sind und deshalb mehr Basisstationen benötigt werden. Natürlich ist auch die Zahl der Nutzerinnen und Nutzer viel höher. Die Netzbetreiber müssen also viele Antennenstandorte haben, um ausreichend Kapazität anbieten zu können.

An stark frequentierten Orten wie Fußgängerzonen, Flughäfen oder Messen sind die Funkzellen in der Regel besonders klein. Hier sind sie nur wenige hundert Meter oder sogar nur einige Dutzend Meter groß. Teilweise bauen die Netzbetreiber die Antennen für Kleinzellen in Straßenlaternen oder Litfaßsäulen ein. In Gebieten mit vergleichsweise geringer Nutzung haben die Zellen einen Radius von bis zu sechs Kilometern.

Aus Texten werden Signale, aus Signalen wieder Texte

Am Beispiel einer Mitteilung lässt sich vereinfacht darstellen, wie eine Information von einem Handy zum anderen gelangt:

Handys funken auf festgelegten Frequenzen

Um mobile Daten ohne Kabel zwischen Gerät und Basisstation zu übertragen, werden elektromagnetische Wellen mit bestimmten Frequenzen benötigt. Frequenzen braucht es nicht nur für den Mobilfunk, sondern auch für alle anderen Funksysteme wie zum Beispiel für WLAN, Radio und Fernsehen via Rundfunk, Satellitenfunk, das Babyphone oder den Garagentoröffner. Die Bundesnetzagentur kümmert sich um die Vergabe der Frequenzen.

Vor 5G nutzte der Mobilfunk Frequenzen im Bereich zwischen 700 Megahertz und 2,6 Gigahertz (abgekürzt: GHz). Mit 5G kamen weitere Bereiche in höheren Frequenzen dazu: 3,4 bis 3,8 GHz. Vereinzelt genutzt wird auch der wesentlich höhere Frequenzbereich von 24,25 bis 27,5 GHz, der sogenannte 26-Gigahertz-Bereich. Eine typische Anwendung für diese hohen Frequenzen sind Campusnetze: lokal begrenzte, private Mobilfunknetze auf dem Gelände von Unternehmen oder Hochschulen.

Im Wesentlichen gibt es zwei Gruppen von Frequenzbereichen mit jeweils unterschiedlichen Vorteilen:

Frequenzbereiche unter 1 GHz:

• Die Funkwellen haben eine hohe Reichweite.
• Die Funkwellen können viele Materialien durchdringen, was den Handyempfang innerhalb von Gebäuden ermöglicht.
• Für die Übertragung großer Datenmengen sind sie weniger geeignet.
• Diese Frequenzen eignen sich aber besonders, um Funklöcher in dünn besiedelten Regionen zu schließen.

Frequenzbereich höher als 1 GHz:

• Die Funkwellen haben eine geringere Reichweite als bei den Frequenzen unterhalb von 1 GHz.
• Die Funkwellen verhalten sich fast wie Licht: Sie können von vielen Materialien absorbiert und auch reflektiert werden. Dieser Effekt nimmt mit steigender Frequenz zu.
• Je höher der Frequenzbereich, desto mehr Frequenzbandbreite und Datenrate stehen zur Verfügung. Höhere Frequenzen ermöglichen also eine höhere Geschwindigkeit in der Datenübertragung.
• Mobilfunkfrequenzen ab 2,5 GHz eignen sich – insbesondere wegen der geringen Reichweite – für Städte und Industriestandorte.

5G nutzt zum Teil auch „alte“ Frequenzbänder, die früher für andere Technologien verwendet wurden. So wird eine flächendeckende und bedarfsgerechte Abdeckung mit dem neuen 5G-Mobilfunkstandard möglich. Technische Innovationen wie die aktive Antennentechnik (Beamforming) und die Aufteilung eines Netzes in mehrere Netze für spezifische Anwendungen (Network-Slicing) verbessern die Versorgung mit mobilem Internet zusätzlich. Einen Vergleich der Mobilfunkgenerationen und weitere Informationen finden Sie in diesem Artikel. Und unser kurzes Video erläutert noch einmal, wie 5G-Mobilfunk funktioniert:

Welche Möglichkeiten bietet der 5G-Mobilfunk?

Der Mobilfunkstandard der fünften Generation, kurz 5G, ist eine Weiterentwicklung des bisherigen Mobilfunks. Seit 2019 kann er in Deutschland genutzt werden. Er ist der Nachfolger der Standards GSM (2G), UMTS (3G) und LTE (4G). Die Unterschiede thematisiert ein eigener Artikel. Das 5G-Netz wurde teilweise auf der Infrastruktur des LTE-Netzes aufgebaut. Deshalb ist 5G nicht gleich 5G – es gibt sozusagen Abstufungen, die der hier verlinkte Artikel erläutert. Die Netzbetreiber bauen aber nach und nach mehr eigenständige 5G-Standorte auf.

Wo macht der Mobilfunkstandard 5G einen Unterschied? Die neue Technologie setzt neue Maßstäbe mit

• höheren Datenraten,
• niedriger Latenz (schnellere Reaktionszeit),
• höherer Zuverlässigkeit,
• höherer Nutzermobilität,
• höherer Netzkapazität und
• besserer Datensicherheit.

Ob 5G-Mobilfunk verfügbar ist, ist von der Netzplanung des jeweiligen Mobilfunknetzbetreibers abhängig. Alle vier Betreiber bauen ihre Kapazitäten kontinuierlich aus. Wo sie welche Technologie anbieten, können alle Bürgerinnen und Bürger auf den Karten des Gigabit-Grundbuchs sehen. Und wo die nächste Mobilfunkantenne in der Nachbarschaft steht, zeigt die EMF-Karte der Bundesnetzagentur.

Links und weiterführende Informationen

1. Bundesamt für Strahlenschutz (BfS). Elektromagnetische Felder – Strahlenschutz beim Mobilfunk. [31.05.2024].
2. Bundesamt für Strahlenschutz (BfS). Mobilfunk: Fragen und Antworten. [31.05.2024].
3. Deutsche Telekom. Was ist 5G? Grundwissen zum Mobilfunkstandard. [31.05.2024].
4. Telefónica Germany. So kommt 5G zum Funkmast: Glasfaser und Richtfunk sorgen für schnellen 5G-Ausbau. [06.11.2023].
5. Vodafone GmbH. 5G: Das Echtzeit-Netz für die Zukunft. [09.05.2023].
6. Deutsche Telekom. Mobilfunk und Gesundheit.  [17.06.2024].