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UMTS, LTE, 5G: Was sich hin­ter den Mobil­funk­stan­dards verbirgt

Mobilfunk ist heutzutage alltäglich. Von 1G bis 4G hat diese Technik eine enorme Entwicklung durchlaufen.

Ja, das macht Spaß: Unter­wegs zu sein und trotz­dem auf dem Smart­pho­ne oder Tablet ruck­el­frei mit 4G Fil­me im Inter­net gucken. 4G? Viel­leicht wis­sen Sie, dass Sie dann die der­zeit schnells­te Mobil­funk-Daten­über­tra­gung nut­zen. Doch was bedeu­tet das kon­kret? Wir erklä­ren die unter­schied­li­chen Mobil­funk­stan­dards und geben einen Aus­blick auf die Zukunft.

1G: Die ana­lo­ge Sprachübertragung

Schon seit über 50 Jah­ren gibt es in Deutsch­land öffent­li­chen Mobil­funk, der mit dem Buch­sta­ben “G” gekenn­zeich­net ist. Die davor­ste­hen­de Zif­fer kenn­zeich­net die jewei­li­ge tech­ni­sche Genera­ti­on. Inso­fern war 1G die ers­te Genera­ti­on. Sie über­trug Spra­che in ana­lo­ger Form und wur­de vor­nehm­lich für Auto­te­le­fo­ne genutzt. Die Ent­wick­lung lief über drei Stufen:

Das hat es mit den LTE-Bän­dern auf sich

Wenn Sie ein LTE-fähi­ges End­ge­rät kau­fen, fin­den Sie auf der Ver­pa­ckung und bei den tech­ni­schen Daten in der Bedie­nungs­an­lei­tung manch­mal die Anga­be “Unter­stützt LTE Band” und danach meh­re­re Zif­fern. Was bedeu­tet das? LTE ist kom­pa­ti­bel mit meh­re­ren Fre­quen­zen, welt­weit wer­den dafür fast 40 Fre­quen­zen genutzt. Das bedeu­tet bei­spiels­wei­se: Ein in den USA gekauf­tes LTE-Smart­pho­ne ist mög­li­cher­wei­se nicht in Deutsch­land zu betrei­ben, weil die Län­der unter­schied­li­che Fre­quen­zen verwenden.

Die stan­dard­set­zen­de Orga­ni­sa­ti­on 3GPP hat des­we­gen eine Kate­go­ri­sie­rung der MHz-Berei­che in ver­schie­de­ne Bän­der vor­ge­nom­men. In Deutsch­land und Euro­pa wer­den bei­spiels­wei­se die Fre­quenz­be­rei­che 700, 800, 2.600 und 1.800 Mega­hertz benutzt. Das ent­spricht den Bän­dern 28, 20, 7 und 3. Ste­hen die­se Zif­fern bei Ihrem LTE-Gerät, kön­nen Sie es also in einem euro­päi­schen LTE-Netz benut­zen. Wenn aber zum Bei­spiel die Bän­der 8, 12, 13, 14 oder 17 auf­ge­führt sind, wäre das ungüns­tig: Mit so einem Gerät hät­ten Sie nur in Ame­ri­ka eine Verbindung. 

  • A‑Netz (1958): Mit ca. 10.500 Teil­neh­mern und Gerä­ten mit einem Gewicht bis zu 16 Kilo­gramm bei Stück­kos­ten von bis 15.000 D‑Mark eine exklu­si­ve Tech­nik. Die Ver­bin­dung muss­te manu­ell durch einen Ver­mitt­lungs­dienst erfolgen.
  • B‑Netz (1972) mit Selbst­wahl der Teilnehmer
  • C‑Netz (1986), das akti­ve Ver­bin­dun­gen von Funk­ze­l­le zu Funk­ze­l­le wei­ter­lei­ten konn­te. Mit dem C‑Netz begann der Über­gang vom rei­nen Auto­te­le­fon zum trag­ba­ren Mobiltelefon.

2G: Der digi­ta­le GSM-Standard

Ab 1992 hielt mit dem D‑Netz die digi­ta­le Sprach­über­tra­gung Ein­zug in Deutsch­land. Der Stan­dard “GSM” (Glo­bal Sys­tem for Mobi­le Com­mu­ni­ca­ti­on) ist heu­te welt­weit der am meis­ten ver­brei­te­te Mobil­funk-Stan­dard und bie­tet eine lei­tungs­ver­mit­tel­te Über­tra­gung. Dabei wird für die Nach­rich­ten­ver­mitt­lung ein Über­tra­gungs­ka­nal mit kon­stan­ter Datenübertragungsrate/Bandbreite (9,6 oder 14,4 Kilobit/Sekunde) exklu­siv für die­se Ver­bin­dung geschal­tet. Mit der Zeit wur­de GSM für eine Beschleu­ni­gung der Daten­über­tra­gung immer wie­der erweitert.

GPRS (2.5G) oder EDGE (2.6G) sind bekann­te Bei­spie­le dafür. GPRS arbei­tet bereits paket­ver­mit­telt. Hier wer­den die Nach­rich­ten nicht mehr kom­plett über eine Lei­tung geschickt, son­dern in Daten­pa­ke­te zer­legt. Im Ver­bin­dungs­netz rei­sen sie dann als unab­hän­gi­ge und eigen­stän­di­ge Ein­hei­ten, die sich in den Ver­bin­dungs­kno­ten zwi­schen­spei­chern las­sen. Der Vor­teil ist unter ande­rem eine bes­se­re Netz­nut­zung, weil kei­ne Lei­tung mehr exklu­siv belegt wird und daher meh­re­re Kom­mu­ni­ka­tio­nen gleich­zei­tig mög­lich sind.

Das 2001 ein­ge­führ­te GPRS erreicht so durch die Bün­de­lung von GSM-Kanä­len Band­brei­ten bis 55 Kilobit/Sekunde, EDGE (seit 2006) sogar bis zu 150 Kilobit/Sekunde. Die GSM-Fre­quenz­nut­zungs­rech­te für die Mobil­funk­dienst­leis­ter lau­fen bis 2033.

3G: UMTS für gleich­zei­ti­ges Sen­den und Empfangen

3G oder UMTS (Uni­ver­sal Mobi­le Telecom­mu­ni­ca­ti­ons Sys­tems) wur­de 2004 als drit­te Mobil­funk­ge­nera­ti­on ein­ge­führt. Die­ser Stan­dard ermög­licht erst­mals das gleich­zei­ti­ge Sen­den und Emp­fan­gen von Daten – bei­spiels­wei­se gleich­zei­tig Tele­fo­nie­ren und E‑Mail-Emp­fang. iPho­nes zei­gen die­se Ver­bin­dung übri­gens direkt als “3G” an, wäh­rend bei Android-Gerä­ten ein “H+” zu sehen ist. Mit einer Band­brei­te von zunächst bis 384 Kilobit/Sekunde wur­de die Leis­tung gegen­über EDGE mehr als verdoppelt.
Schon zwei Jah­re spä­ter folg­te die Erwei­te­rung HSPA (High Speed Packet Access) mit einem rie­si­gen Band­brei­ten-Sprung auf 42.000 Kilobit/Sekunde. Seit­dem wird die Band­brei­te in Mega­bit ange­ge­ben (HSPA: 42 Megabit/Sekunde).

4G: Der Daten­tur­bo LTE

Der aktu­ell schnells­te und moderns­te Stan­dard ist seit 2010 LTE (Long Term Evo­lu­ti­on). Das ist aller­dings eher eine Mar­ke­ting-Bezeich­nung, denn tech­nisch setzt LTE auf UMTS auf. Kor­rekt wäre eigent­lich 3.9G. LTE bie­tet Band­brei­ten bis zu 300 Megabit/Sekunde. Theo­re­tisch sind durch Fre­quenz­band-Bün­de­lun­gen bis zu 500 Megabit/Sekunde erreichbar.

Im Ver­gleich zu UMTS/HSPA hat LTE nicht nur eine höhe­re Daten­ra­te, son­dern auch deut­lich kür­ze­re Daten­pa­ket-Lauf­zei­ten: statt 60 bis 120 Mil­li­se­kun­den nur 30 bis 60. Ein gro­ßes Plus, wenn Sie schnell im Web sur­fen wol­len oder gro­ße Daten­men­gen wie Fil­me laden.

Einen Nach­teil gibt es jedoch: LTE bie­tet kei­nen sepa­ra­ten Kanal für ver­zö­ge­rungs­frei­es Tele­fo­nie­ren. Die Tele­fo­nie im LTE-Netz ist rei­ne Inter­net-Tele­fo­nie (Voice over IP). Das bedeu­tet: Für ein Tele­fo­nat muss sich ein LTE-Han­dy erst aus die­sem Netz abmel­den und dann in einem 2G/3G-Netz neu anmel­den. Die­ser Wech­sel kos­tet beim Ruf­auf­bau eini­ge Sekun­den. Die Netz­be­trei­ber arbei­ten mit dem Pro­jekt VoL­TE (Voice over LTE) schon an einer Lösung die­ses Problems.

Die Zukunft: Was bringt 5G?

Die Ein­füh­rung der fünf­ten Genera­ti­on der Mobil­funk­tech­nik ist für 2020 geplant. Kon­kre­te Leis­tungs­da­ten lie­gen noch nicht vor, an der Defi­ni­ti­on des Stan­dards wird noch gear­bei­tet. Das chi­ne­si­sche Unter­neh­men Hua­wei, das als Vor­rei­ter in die­ser Tech­no­lo­gie gilt, will den­noch schon 2019 das ers­te 5G-Smart­pho­ne auf den Markt brin­gen. Nach des­sen Anga­ben könn­te 5G unter ande­rem fol­gen­de Eigen­schaf­ten haben:

  • 100-fach höhe­re Daten­ra­te als LTE
  • 1000-fach nied­ri­ge­rer Strom­ver­brauch po über­tra­ge­nem Bit
  • Extrem schnel­le Reak­ti­on (Latenz­zeit unter einer Millisekunde)

5G soll zudem nicht nur für Daten­diens­te und Tele­fo­nie die­nen. Die Pla­nun­gen bezie­hen sich auf ein uni­ver­sel­les Netz, das die Kom­mu­ni­ka­ti­on zwi­schen Gerä­ten aller Art ermög­li­chen kann (“Inter­net der Dinge”).

Aller­dings: Ein der­ar­ti­ges Netz braucht nicht nur geeig­ne­te End­ge­rä­te, son­dern auch die dazu pas­sen­de Infra­struk­tur. Neue Fre­quenz­bän­der mit gro­ßem Spek­trum, ein mas­si­ver Aus­bau der Mobil­funk­sta­tio­nen und deren Ver­net­zung mit Hoch­ge­schwin­dig­keits­ver­bin­dun­gen wie Glas­fa­ser­ka­beln und eini­ges mehr sind nötig. Das dürf­te immense Inves­ti­tio­nen erfor­dern. Inso­fern ist abzu­war­ten, ob, wann und in wel­cher Form 5G kom­men wird.

Mobil­funk: Eine Erfolgs­ge­schich­te mit rapi­der Entwicklung

Mobil­funk, mobi­le Tele­fo­nie und Daten­über­tra­gung sind in Zei­ten von Smart­pho­nes und Tablets eben­so all­täg­li­che wie unver­zicht­ba­re Tech­no­lo­gien. Wie Sie gese­hen haben, hat sich die Tech­nik in den Jahr­zehn­ten ihres Bestehens kon­ti­nu­ier­lich und umfas­send wei­ter­ent­wi­ckelt. Seit dem ers­ten digi­ta­len Stan­dard 1996 stieg bei­spiels­wei­se die ver­füg­ba­re Band­brei­te von 0,0096 Megabit/Sekunde auf bis zu 500 Megabit/Sekunde. Ein Ende ist nicht in Sicht. Soll­te der zukünf­ti­ge Stan­dard 5G die geplan­ten Mög­lich­kei­ten haben und tat­säch­lich bei­spiels­wei­se die LTE-Daten­ra­te 100-fach über­tref­fen, könn­te in der Erfolgs­ge­schich­te Mobil­funk ein voll­kom­men neu­es Kapi­tel auf­ge­schla­gen werden.

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