Drahtlose Kommunikation in Internet-Netzinfrastrukturen

Elektromagnetische Strahlung ist überall um uns herum. Sie umgibt uns buchstäblich, ob die natürliche oder die durch menschliche Tätigkeit entstehende. Mit elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Wellenlängen geschieht eigentlich alles. Die ganze Geschichte zu erzählen würde aber ein mehrteiliges Lesestück füllen, das wir 1832 bei Michael Faraday beginnen und bei der Nanoelektronik enden würden, die in der Kommunikation der Nanoroboter zum Einsatz kommt, die in der diagnostischen Medizin verwendet werden.

Also zurück auf den Boden, schauen wir uns das uns am nächsten liegende Telekommunikationsuniversum an.

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Versuchen Sie es kabellos, lieber Marconi

Diese klassische Bemerkung beschreibt nicht hinreichend den enormen Fortschritt, den die Menschheit dank des einfachen Sendens von Impulsen von Funkstationen an der Meeresküste und der Möglichkeit zweiseitiger Kommunikation zwischen fahrenden Schiffen erzielt hat. Damals verwendete man niedrige Frequenzen und enorme Leistungen, die in die Antennensysteme eingespeist wurden. Wichtig war die Reichweite, die Kommunikation lief langsamer als gesprochenes Wort und war auch auf der anderen Seite des Planeten empfangbar. Die Erdkrümmung störte nicht, die Wellen reflektierten an Stratosphärenschichten.

Mit der Zeit wuchs die Notwendigkeit, mehr Daten zu übertragen. Wie üblich war Grundlage des Fortschritts das Militärwesen. Für die Übertragung höherer Kapazitäten ist eine höhere Trägerfrequenz nötig. Die Erzeugung von Zentimeterwellen mit Magnetrons ermöglichte die Detektion mit Hilfe von Radiowellen, die Erfindung des Radars veränderte das Kräfteverhältnis zu Beginn des 2. Weltkriegs vollständig. Nach dem Krieg ermöglichte sie wiederum die Entwicklung der zivilen Luftfahrt. In der Telekommunikation erschien für die Menschheit eine grundlegende Neuheit – die Funk-Datenverbindung. Mit Richtantennen war es möglich, auch über lange Entfernungen Informationen über die Kampflage zu übertragen, die Versorgung sich bewegender Armeen zu steuern und beschädigte Telekommunikationsinfrastruktur in befreiten Ländern zu ersetzen. Damals entdeckte die Welt den wahren Zauber drahtloser Kommunikation.

Mit der Zeit überholte die Entwicklung der elektronischen Kommunikation die Möglichkeiten teurer vergrabener Metallleitungen bei Weitem, und ein großer Teil der normalen zivilen Kommunikation begann sich auf Funkverbindungen zu verlassen. Erinnern Sie sich an die riesigen Parabolantennen auf den Sendern der Tschechischen Funkkommunikation? Solche Antennen übertrugen das Programm bereits in den frühen Anfängen des Tschechoslowakischen Fernsehens.

Die Möglichkeiten der Datenverbindungen sind deutlich gewachsen

Die übertragenen Kapazitäten wuchsen, die Notwendigkeit, Funkverbindungen über lange Entfernungen einzusetzen, 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 einige parallele Telefongespräche übertrug. 1950 begann die Ära der massiven Nutzung von Funkverbindungen im Telefonnetz in Nordamerika, der Sowjetblock blieb jedoch nicht lange zurück. In der Tschechoslowakei stellte TESLA Spitzengeräte her, die nicht nur in RGW-Länder, sondern in die ganze Welt exportiert wurden. Im Wettbewerb mit westlichen Firmen begann der Ostblock erst beim Übergang zur Digitalisierung des Übertragungssystems zurückzufallen.

Seit den neunziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlebt die digitale Kommunikation eine unglaubliche Zeitbeschleunigung. Der Übergang von zweizustandbasierten Frequenzmodulationsschemata zu einer Modulation mit 1024 Zuständen bei mehrfacher Bandbreite dauerte nicht einmal 20 Jahre. Dank des Fortschritts der Halbleitertechnik, der Integration früher umfangreicher Blöcke in winzige integrierte Schaltkreise und der enormen Rechenleistung von Signalprozessoren können heutige Funkverbindungen mühelos 10 Gb pro Sekunde übertragen.

Funkverbindungen selbst werden meist nach den verwendeten Frequenzbändern und der Art der Nutzung unterteilt. Die grundlegendste Unterscheidung ist das Gerät zur Verbindung zwischen zwei Punkten des Netzes. Dem normalen Heim-Internet-Nutzer näher ist die Kommunikation zwischen einer Basisstation und vielen Teilnehmern. Typischer Vertreter einer solchen Punkt-zu-Multipunkt-Funkübertragung ist die Verbindung des Mobiltelefons mit der Basisstation. Oder ein heimischer WiFi-Router. Dem Prinzip dieser Mehrfachkommunikation widmen wir uns in einem anderen Artikel.

Auf Punkt-zu-Punkt-Verbindungen verlassen sich alle Basisstationen des Mobilfunknetzes und die Zugangspunkte der Internetanbieter. Damit die Verbindung zum Hochgeschwindigkeitsinternet zuverlässig funktioniert und Telefongespräche bei Bewegung nicht unterbrochen werden, muss eine hohe Dichte von Zugangspunkten erreicht werden. Eines Tages, vielleicht in einigen Jahrzehnten, werden alle solchen Punkte in der Landschaft mit einem optischen Netz verbunden sein. Mit einem sarkastischen Lächeln im Gesicht würde ich gerne über die bürokratische Falle bei der Errichtung von allem in diesem Land schreiben, wo „wir nicht reden, wir tun“, aber damit würde ich Sie um die Beschreibung der verwendeten Frequenzbänder bringen.

Funkkommunikation in der Infrastruktur verwendet Frequenzen von 4 GHz bis 80 GHz. Je niedriger die Frequenz der Funkverbindung, desto geringer der Verlust ausgestrahlter Energie bei Regen und in der Umgebung. Im Gegensatz dazu wächst mit höherer Frequenz der Gewinn der Antennen, da hohe Frequenzen von Parabolantennen effizienter in einen Energiekegel gerichtet werden. Der Gewinn einer Antenne mit 60 cm Durchmesser beträgt im verwendeten 6-GHz-Band 29,5 dBi, während eine gleich große Parabolantenne im Millimeterband 80 GHz einen Gewinn von 51 dBi hat. Für einen Laien macht diese Zahl keinen Eindruck, aber wer sich noch an die Schulphysik 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 CEPT auf europäischer Ebene und ČTÚ auf nationaler Ebene legen verbindliche Regeln für den Betrieb solcher Netze fest. Die Regulatoren müssen einen ungestörten Betrieb nicht nur für Telekommunikationszwecke, sondern auch für die erwähnten militärischen und zivilen Radare, den Satellitenbetrieb und die Verkehrsleitung sicherstellen. Der Regulierung unterliegt alles mit der Möglichkeit des Sendens, einschließlich RC-Spielzeug oder Schlüsselanhänger der Zentralverriegelung von Autos. In höheren Bändern ist es frei, da wir erst kürzlich gelernt haben, sie zu nutzen. Hier ist genug Platz für hohe Datenübertragungskapazitäten, ohne dass es zu gegenseitiger Störung von Funkverbindungen kommt. Vorteilhaft ist auch die Begrenzung der Entfernungen für den Aufbau einer solchen Verbindung. Beispielsweise verschwindet die Energie im Band 60 GHz nach einigen hundert Metern vollständig. So kann es nicht zu gegenseitiger Beeinflussung im Funkverkehr kommen. Bei Betriebstests einer Verbindung zwischen dem Netz Újezd.Net und der Firma Eurosignal erreichten wir eine Verbindung mit einer Kapazität von 2,5 Gb pro Sekunde, bei gleicher Qualität, wie sie über Glasfaser möglich wäre, auf einer Entfernung von rund 2 km. Wir verwendeten die Verbindung CERAGON IP20E für das Band 80 GHz.

Eine weitere, nicht-technische Unterteilung von Funkverbindungen erfolgt nach der Art der Berechtigung zur Nutzung dieser Frequenzbänder. Das Tschechische Telekommunikationsamt vergibt Lizenzen zur Nutzung der Bänder. Für manche müssen recht hohe Gebühren entrichtet werden, sie müssen sorgfältig untereinander koordiniert und die gegenseitige Beeinflussung im Spektrumbetrieb auf komplizierte Weise berechnet werden. Das ist eine logische Maßnahme, besonders wenn Sie weit entfernte Standorte per Funk verbinden möchten. Verbindungen für andere Bänder müssen wiederum mit niedriger Leistung betrieben werden, und eine Gebühr für die gegenseitige Koordinierung wird nicht erhoben. Mit steigender Frequenz, wie ich bereits erwähnte, ist eine gegenseitige Störung nicht zu befürchten, und gleichzeitig kann der Telekommunikationsanbieter ein Vielfaches der Übertragungskapazitäten übertragen. Der Vergleich solcher professionellen Verbindungen mit einer optischen Leitung hinkt überhaupt nicht. Solche Verbindungen nutzen vollen Duplexbetrieb, sie verwenden für die Kommunikation zwei Frequenzpaare. Jedes für eine Übertragungsrichtung.

Die Abhängigkeit von der verwendeten Frequenz, die genutzten Datenübertragungskapazitäten und die Lizenzbedingungen sehen Sie in Tabelle 1. Ich beschreibe nicht alle Bänder.

Der gesamte Telekommunikationssektor nutzt Funkverbindungen. Am Ende jeder Glasfaser ist wahrscheinlich irgendein solches Funkgerät angeschlossen, das Daten zu weiteren Netzkunden transportiert. Oft fragen Menschen mich nach der Zuverlässigkeit einer solchen Verbindung bei Regen oder Nebel. Die Berechnung einer Funkstrecke und ihrer Zuverlässigkeit beherrscht heute jeder Student einer Elektroindustrie-Hochschule. Hersteller liefern Werkzeuge zur Streckenplanung, nach der Norm ITU-R P.530 wird auch mit Niederschlagsstatistiken im Einsatzgebiet der Verbindung gerechnet. Berechnungen für ein konkretes Gerät bestimmen zuverlässig, ob die Verbindung selbst bei einem apokalyptischen Wolkenbruch funktionieren wird. Erinnern Sie sich, wann Sie das letzte Mal im Regen nicht vom Mobiltelefon aus anrufen konnten?

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Autor: Jakub Moník

Aktualisierung 16.2.2024