Drahtlose Kommunikation in der Internet-Infrastruktur

Elektromagnetische Strahlung ist überall um uns herum. Sie umgibt uns buchstäblich, ob sie nun natürlichen Ursprungs ist oder durch menschliche Tätigkeit entsteht. Mit elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Wellenlängen geschieht eigentlich alles. Die ganze Geschichte zu erzählen würde jedoch mehrere Kapitel einer Fortsetzungsreihe füllen, die bei Michael Faraday im Jahr 1832 beginnen und bei der Nanoelektronik enden würde, die in der Kommunikation von Nanorobotern eingesetzt wird, welche in der diagnostischen Medizin zum Einsatz kommen.

Also zurück auf den Boden der Tatsachen, und schauen wir uns das uns nächstliegende Universum der Telekommunikation an.

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Versuchen Sie es ohne Kabel, lieber Marconi

Das bekannte Bonmot beschreibt den enormen Fortschritt nicht ausreichend, den die Menschheit dank der schlichten Aussendung von Impulsen aus Funkstationen an der Meeresküste und der Möglichkeit der wechselseitigen Kommunikation zwischen fahrenden Schiffen erreicht hat. Damals wurden niedrige Frequenzen und enorme Leistungen verwendet, die den Antennensystemen zugeführt wurden. Entscheidend war die Reichweite; die Kommunikation verlief langsamer als das gesprochene Wort und war auch auf der anderen Seite des Planeten empfangbar. Die Erdkrümmung war kein Hindernis, denn die Wellen wurden an den Schichten der Stratosphäre reflektiert.

Mit der Zeit begann der Bedarf zu wachsen, mehr Daten zu übertragen. Wie so oft war das Militär die Grundlage des Fortschritts. Für die Übertragung höherer Kapazitäten ist eine höhere Trägerfrequenz erforderlich. Die Erzeugung von Zentimeterwellen mithilfe von Magnetrons ermöglichte wiederum die Detektion mittels Funkwellen; die Erfindung des Radars veränderte das Kräfteverhältnis zu Beginn des Zweiten Weltkriegs völlig. Nach dem Krieg ermöglichte es die Entwicklung der zivilen Luftfahrt. Und in der Telekommunikation erschien für die Menschheit eine grundlegende Neuerung – die Funk-Datenverbindung. Mithilfe von Richtantennen war es möglich, auch über große Entfernungen Informationen über die Gefechtslage zu übertragen, die Logistik der Versorgung sich bewegender Armeen zu steuern und die beschädigte Telekommunikationsinfrastruktur befreiter Länder zu ersetzen. Damals entdeckte die Welt den wahren Zauber der drahtlosen Kommunikation.

Mit dem Fortschreiten der Zeit entwickelte sich die elektronische Kommunikation weit über die Möglichkeiten teuer vergrabener metallischer Kabel hinaus, und ein großer Teil der alltäglichen zivilen Kommunikation begann, sich auf Funkverbindungen zu stützen. Erinnern Sie sich an die riesigen Parabolantennen auf den Sendern von Český radiokomunikace? Mit solchen Antennen übertrug das tschechoslowakische Fernsehen (Československá televize) seine Sendungen von Anfang an.

Die Möglichkeiten von Datenverbindungen sind stark gewachsen

Die übertragenen Kapazitäten nahmen zu, die Notwendigkeit, Funkverbindungen über große Entfernungen zu nutzen, verschwand fast, und die Sendeleistung solcher Geräte sank auf einen Bruchteil der ursprünglichen Marconi-Werte. 1945 arbeitete die US Army mit einem analogen Übertragungssystem, das mehrere parallele Telefongespräche übertrug. 1950 begann die Zeit des massiven Einsatzes von Funkverbindungen im Telefonnetz Nordamerikas, doch der sowjetische Block blieb nicht lange zurück. In der Tschechoslowakei stellte TESLA hochwertige Geräte her, die nicht nur in die RGW-Länder, sondern in die ganze Welt exportiert wurden. Im Wettbewerb mit westlichen Firmen begann der östliche Block erst beim Übergang zur Digitalisierung des Übertragungssystems zurückzufallen.

Seit den neunziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlebt die digitale Kommunikation eine unglaubliche Beschleunigung. Der Übergang von Zwei-Zustands-Frequenzmodulationsverfahren zur Modulation mit 1024 Zuständen bei einer um ein Mehrfaches größeren Bandbreite dauerte nicht einmal 20 Jahre. Dank des Fortschritts in der Halbleitertechnik, der Integration früher umfangreicher Baugruppen in winzige integrierte Schaltkreise und der Nutzung der enormen Rechenleistung von Signalprozessoren können heutige Funkverbindungen durchaus 10 Gbit/s pro Sekunde übertragen.

Funkverbindungen teilen wir am häufigsten nach den verwendeten Frequenzbändern und der Art der Nutzung ein. Die grundlegendste Einteilung betrifft Geräte für die Verbindung zwischen zwei Punkten des Netzes. Dem gewöhnlichen Internetnutzer zu Hause liegt näher, die Kommunikation zwischen einer Basisstation und vielen Teilnehmern zu verstehen. Ein typisches Beispiel für eine solche Punkt-zu-Mehrpunkt-Funkübertragung ist die Verbindung eines Mobiltelefons mit einer Basisstation. Oder ein heimischer WLAN-Router. Dem Prinzip einer solchen Mehrfachkommunikation werden wir uns in einem anderen Artikel widmen.

Auf Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verlassen sich alle Basisstationen des Mobilfunknetzes und die Zugangspunkte der Internetanbieter. Damit ein Anschluss an das Hochgeschwindigkeitsinternet zuverlässig funktioniert und Telefonate bei Bewegung nicht unterbrochen werden, ist eine hohe Dichte von Zugangspunkten erforderlich. Vielleicht werden wir in einigen Jahrzehnten alle diese Punkte in der Landschaft durch ein Glasfasernetz verbunden haben. Mit einem sarkastischen Lächeln würde ich mich gern über die bürokratische Falle beim Bauen in diesem Land auslassen, in dem wir nicht reden, sondern anpacken – doch dann würde ich Sie um die Beschreibung der genutzten Frequenzbänder bringen.

Die Funkkommunikation in der Infrastruktur nutzt Frequenzen von 4 GHz bis 80 GHz. Je niedriger die Frequenz einer Funkverbindung ist, desto geringer ist die Dämpfung der abgestrahlten Energie bei Regen und in der Umgebung. Dagegen steigt bei höherer Frequenz der Antennengewinn, weil die hohe Frequenz von einer Parabolantenne effizienter in die Energiekeule gebündelt wird. Der Gewinn einer Antenne mit einem Durchmesser von 60 cm beträgt im verwendeten 6-GHz-Band 29,5 dBi, während dieselbe Parabolantenne im Millimeterwellenbereich bei 80 GHz einen Gewinn von 51 dBi hat. Für Laien sagt eine solche Zahl nicht viel aus, wer sich aber noch an den Physikunterricht der Mittelschule erinnert, sieht eine Verbesserung um mehrere Größenordnungen.

In den niedrigen Kommunikationsbändern ist es wegen ihrer historischen Belastung, der technischen Entwicklung und der physikalischen Gesetze ziemlich voll. Regulierungsbehörden wie die CEPT auf europäischer Ebene und die Tschechische Telekommunikationsbehörde (ČTÚ) auf nationaler Ebene legen verbindliche Regeln für den Betrieb solcher Netze fest. Die Regulierer müssen einen störungsfreien Betrieb nicht nur für telekommunikative Zwecke sicherstellen, sondern auch für die genannten militärischen und zivilen Radare, den Betrieb von Satelliten und die Verkehrssteuerung. Reguliert wird alles, was senden kann, einschließlich RC-Spielzeug oder Funkschlüssel für Zentralverriegelungen von Autos. In höheren Bändern, die wir erst seit kurzem zu nutzen gelernt haben, ist dagegen Platz vorhanden. Es gibt genügend Raum für hohe Datenübertragungskapazitäten, ohne dass sich Funkstrecken gegenseitig stören. Vorteilhaft ist auch die Begrenzung der Entfernungen für den Aufbau einer solchen Verbindung. Im 60-GHz-Band zum Beispiel verliert sich die Energie nach einigen hundert Metern vollständig. Eine gegenseitige Beeinflussung im Funkbetrieb kann somit nicht entstehen. Bei Betriebstests der Verbindung zwischen dem Netz Újezd.Net und der Firma Eurosignal erreichten wir eine Verbindung mit einer Kapazität von 2,5 Gbit/s pro Sekunde, bei einer Qualität, wie sie auch über eine Glasfaser erreichbar wäre, auf einer Entfernung von etwa 2 km. Wir haben die Funkstrecke CERAGON IP20E für das 80-GHz-Band eingesetzt.

Eine weitere, nichttechnische Einteilung der Funkverbindungen erfolgt nach der Art der Berechtigung zur Nutzung dieser Frequenzbänder. Die Tschechische Telekommunikationsbehörde (ČTÚ) vergibt Lizenzen für die Nutzung der Bänder. Für einige davon sind recht hohe Gebühren zu entrichten; sie müssen sorgfältig untereinander koordiniert werden, und die gegenseitige Beeinflussung im Spektrum ist aufwendig zu berechnen. Das ist eine logische Maßnahme, besonders wenn Sie per Funk weit voneinander entfernte Standorte verbinden möchten. Verbindungen in anderen Bändern müssen dagegen mit niedriger Leistung arbeiten, und für die gegenseitige Koordinierung wird keine Gebühr erhoben. Mit steigender Frequenz muss man sich, wie bereits erwähnt, nicht vor gegenseitiger Störung fürchten, und gleichzeitig kann der Telekommunikationsbetreiber ein Vielfaches an Übertragungskapazität bereitstellen. Der Vergleich solcher professionellen Verbindungen mit einer Glasfaserstrecke ist durchaus zutreffend. Solche Verbindungen arbeiten im Vollduplexbetrieb und nutzen für die Kommunikation zwei Frequenzpaare, jeweils eines für eine Übertragungsrichtung.

Die Abhängigkeit von der verwendeten Frequenz, den genutzten Datenübertragungskapazitäten und den Lizenzbedingungen sehen Sie in Tabelle 1. Nicht alle Bänder werden beschrieben.

Die gesamte Telekommunikationsbranche nutzt Funkverbindungen. Am Ende jeder Glasfaser ist wahrscheinlich ein solches Funkgerät angeschlossen, das Daten zu den weiteren Kunden des Netzes transportiert. Oft werde ich von Leuten nach der Zuverlässigkeit einer solchen Verbindung bei Regen oder Nebel gefragt. Die Berechnung einer Funkstrecke und ihrer Zuverlässigkeit beherrscht heutzutage jeder Student einer Fachschule für Elektrotechnik. Hersteller liefern Werkzeuge zur Streckenplanung; nach der Norm ITU-R P.530 werden auch die Statistiken der Regenniederschläge im Einsatzgebiet der Verbindung berücksichtigt. Die Berechnungen für konkrete Geräte zeigen zuverlässig, ob die Verbindung auch bei einem apokalyptischen Wolkenbruch funktionieren wird. Erinnern Sie sich, wann Sie das letzte Mal im Regen nicht mit dem Handy telefoniert haben?

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Autor: Jakub Moník

Aktualisierung: 16. Februar 2024