Mobil telefonieren - Wie funktioniert das?

Die Mehrheit der Schweizer Bevölkerung besitzt mittlerweile ein Handy. Über 18000 Basisstationen für den Mobilfunk stellen sicher, dass wir damit fast überall im Inland telefonieren und Daten übertragen können.


1. Aufschwung des Mobilfunks

Nach 1993 hat der damals eingeführte Mobilfunkstandard GSM das bestehende Natel-C-Netz allmählich abgelöst und so wesentlich zum Aufschwung der Mobiltelefonie beigetragen. In der Schweiz werden aktuell vier Mobilfunkstandards (GSM, UMTS, LTE, TETRAPOL) eingesetzt, welche in sechs Frequenzbändern (400, 800, 900, 1800, 2100 und 2600 MHz) betrieben werden können.

Als Folge des ständig erweiterten Angebots und der wachsenden Nachfrage im Bereich des Mobilfunks nimmt aber auch die Belastung der Umwelt mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen zu.

Im Gegensatz zur Stromversorgung, wo die Strahlung ein unerwünschtes Nebenprodukt ist, dient sie beim Mobilfunk als bewusst eingesetztes Transportmittel zur drahtlosen Übertragung von Informationen.

GSM: Der Mobilfunkstandard "Global System for Mobile Communications" ist in der Schweiz seit 1993 in Betrieb.  

UMTS: Das "Universal Mobile Telecommunications System" ist der Standard der dritten Mobilfunkgeneration. Im Vergleich zu GSM lässt sich mit UMTS eine grössere Datenmenge übertragen, sodass zum Beispiel auch die Übermittlung von bewegten Bildern möglich ist.

LTE: Der Datenverkehr in Schweizer Mobilfunknetzen nimmt sehr stark zu. Um den Bedürfnissen nach höherer Kapazität und damit höheren Datenraten zu entsprechen, hat die Industrie das neue Mobilfunksystem Long Term Evolution (LTE) entwickelt - ein Nachfolger der Mobilfunktechnologien UMTS, HSPA und HSPA+.

TETRAPOL: Bündelfunksystem für Sicherheitsorgane: Tetrapol ist ein digitales, zellulares Bündelfunksystem für Sprach- und Datenübertragung. Es wurde speziell für die Anforderungen und Bedürfnisse der Sicherheitskräfte entwickelt.

Mobifunkentwicklung in der Schweiz:


2. Netzstruktur

Ein Mobilfunknetz besteht aus vielen Funkzellen. Zu jeder Zelle gehört eine Antenne (Bild links), die via Funk Verbindung zu den Mobiltelefonen in ihrer näheren Umgebung herstellt. Üblicherweise werden von einem Standort aus mehrere Zellen versorgt. Alle Antennen an diesem Standort bilden eine so genannte Basisstation.

Die Basisstationen sind mit Glasfaserleitungen oder über Richtfunk (Bild links: runde Antenne) mit einer Telefonzentrale verbunden. Von dort empfangen sie Anrufe, die sie an ein Mobiltelefon in ihren Zellen weiterleiten müssen. Umgekehrt übermitteln sie dorthin auch Gespräche, die mit einem Handy in ihrem Versorgungsgebiet geführt werden.

Jede Basisstation kann nur eine begrenzte Datenmenge übermitteln. Die Grösse einer Funkzelle wird somit durch die Intensität der Nutzung bestimmt. In ländlichen Gegenden mit kleiner Mobiltelefondichte haben die Zellen einen Radius von mehreren Kilometern. Dagegen sind es in städtischen Gebieten nur einige hundert Meter.

Noch kleiner sind die häufig in Innenstädten verwendeten Mikrozellen. Sie kommen dort zum Einsatz, wo das Verkehrsaufkommen besonders hoch oder die Funkabdeckung auf Grund der dichten Bauweise schwierig ist. Schliesslich gibt es noch Picozellen mit einem beschränkten Radius von einigen dutzend Metern. Sie stellen die Versorgung innerhalb von Gebäuden sicher.

Die Sendeleistung einer Antenne muss so stark sein, dass die zu übermittelnden Funksignale die Mobiltelefone auch am Rand der Zelle noch erreichen. Sie darf aber nicht zu intensiv sein, weil sonst die Signale in anderen Zellen gestört würden. Da Antennen von kleinen Zellen mit einer tieferen Sendeleistung operieren, erzeugen sie eine geringere Strahlenbelastung. Obwohl es dafür mehr Antennen braucht, wird die von allen Anlagen insgesamt abgestrahlte Leistung - zumindest in städtischen Gebieten - nicht grösser, sondern kleiner. Ein feinmaschiges Netz kann mit einer insgesamt geringeren Sendeleistung sogar mehr Daten übertragen.

Standorte von Sendeanlagen


3. Wie Mobiltelefone und Basisstationen senden

Damit in einer Zelle mehrere Personen gleichzeitig telefonieren können, teilen sich beim GSM-System bis zu acht Benutzer den gleichen Frequenzkanal. Jeder von ihnen erhält einen Achtel der Zeit (sog. Zeitschlitz) für die Übertragung zugewiesen. Die Information wird in einzelne Pakete von 577 Mikrosekunden (µs) Dauer aufgeteilt, die in Intervallen von 4,6 Millisekunden (ms) abgesetzt werden (s. Grafik 1). Das Mobiltelefon gibt aus diesem Grund eine gepulste Strahlung mit einer Wiederholungsrate von 217 Pulsen pro Sekunde ab.

Mobiltelefone des GSM-Standards sind mit einer dynamischen Leistungsregelung ausgestattet. Beim Aufbau einer Gesprächsverbindung sendet das Telefon jeweils mit maximaler Leistung. Anschliessend wird diese so weit reduziert, dass gerade noch eine genügend gute Verbindung mit der Basisstation aufrechterhalten bleibt.

Die Basisstation ihrerseits sendet auf einem Steuerkanal (BCCH, Broadcast Control Channel) und auf Verkehrskanälen (TCH, Traffic Channel).

Der Steuerkanal (BCCH) strahlt alle acht Zeitschlitze mit voller Leistung aus (s. Grafik 2). Zwischen den einzelnen Zeitschlitzen wird kurz ausgetastet. In einem Zeitschlitz werden technische Informationen übertragen, die zum Beispiel für den Verbindungsaufbau oder die Aufrechterhaltung der Verbindung notwendig sind. Die übrigen Zeitschlitze des BCCH werden zur Übertragung von Gesprächen verwendet oder künstlich mit Leerinformation gefüllt.

Wenn die Kapazität des BCCH zur Gesprächsübertragung nicht mehr ausreicht, werden Verkehrskanäle zugeschaltet. Diese emittieren nur in den tatsächlich benötigten Zeitschlitzen Strahlung und sind so reguliert, dass möglichst wenig Leistung abgestrahlt wird (s. Grafik 3). Je nach Anzahl der übertragenen Gespräche und je nach Verbindungsqualität sieht das zeitliche Sendemuster eines Verkehrskanals verschieden aus. Im Beispiel sind die Zeitschlitze 2 bis 4 mit je unterschiedlicher Sendeleistung belegt, die Zeitschlitze 1 sowie 5 bis 8 sind nicht aktiv.

Zeitliches Sendemuster von Mobiltelefon (oben) und Basisstation (Mitte: Steuerkanal; unten: Verkehrskanal). Beim Pegel in dB handelt es sich um logarithmische Einheiten: Ein Unterschied von 20 bedeutet Faktor 100 in der Sendeleistung und Faktor 10 in der Feldstärke (zum Vergrössern, Bild anklicken).

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Letzte Änderung 18.07.2018

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