Immer und überall erreichbar

Mit unseren Handys tauschen wir heute tagtäglich alle möglichen Informationen mit anderen Menschen aus. Telefonieren, simsen, surfen an jedem beliebigen Ort zu jeder beliebigen Zeit ist für uns eine Selbstverständlichkeit. Und wenn wir für einmal keinen Empfang mehr haben, empfinden wir das inzwischen schon fast als Zumutung. Dabei geht leicht vergessen, dass die Ingenieure einige Knacknüsse lösen mussten, damit das Telefonieren mit Handys überhaupt möglich wurde.

Dank unseren Handys sind wir heute permanent erreichbar. Ermöglicht wird dies durch eine raffinierte Technik. Sie sorgt im Hintergrund dafür, dass Daten und Gespräche zuverlässig zum richtigen Empfänger übermittelt werden. Bild: wrangler/Shutterstock.com

Wo ist das Handy?

Eine erste Herausforderung besteht darin, dass beim Mobilfunk das Netz nicht ohne weiteres weiss, wo sich der Empfänger gerade befindet – ein wichtiger Unterschied zum Festnetz. «Jedes Handy meldet sich beim Einschalten mit einem kurzen Signal bei der nächstgelegenen Basisstation an», erklärt Pascal Leuchtmann, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Feldtheorie und Höchstfrequenztechnik der ETH Zürich. «Das Netz weiss dann, über welche Basisstation es das Handy erreichen kann – und damit auch, wo es sich ungefähr befindet.»

Bewegt sich der Handybesitzer an einen anderen Ort, merkt das Handy anhand der Signale, welche die Basisstationen ständig aussenden, wenn es in den Einflussbereich einer anderen Station gerät. Es sendet dann sofort ein weiteres Signal aus, um sich bei der neuen Basisstation anzumelden. Daraufhin wird die Datenbank, in der alle eingeschalteten Handys registriert sind, automatisch aktualisiert. «Durch diesen Prozess, der für den Nutzer unbemerkt im Hintergrund abläuft, wird sichergestellt, dass wir auch auf einer Reise stets erreichbar bleiben», erläutert Leuchtmann.

Der lange Weg vom Reden zum Hören

Die eigentliche Kommunikation zwischen Basisstation und Handy beginnt, wenn die Benutzerin oder der Benutzer beispielsweise eine andere Person anruft. Basisstation und Empfänger senden nun Signale mit einer bestimmten Frequenz aus. Während des Anrufs wird nun die gesprochene Sprache vom Handy zuerst in ein digitales elektrisches Signal umgewandelt und danach in kleine Datenpakete aufgeteilt. Jedes Datenpaket wird für jedes Handy individuell verschlüsselt, mit einer Adresse versehen und über die Handyantenne verschickt.

Die Basisstation filtert dann aus allen Signalen, die sie empfängt, die Pakete mit der passenden Adresse heraus und leitet sie über ein Festnetzkabel an einen zentralen Rechner weiter. Von dort aus werden die Daten zu derjenigen Basisstation weitergeleitet, bei welcher der Gesprächspartner gerade angemeldet ist. Die zweite Basisstation wiederum sendet nun die Datenpakete, die sie bekommen hat, in Form von elektromagnetischen Wellen aus. Diese werden dann vom Empfängerhandy aufgenommen und wiederum in verständliche Sprachsignale umgewandelt.

Der Austausch der Datenpakete zwischen Basisstation und Handy erfolgt je nach Netz auf etwas andere Weise. Beim älteren GSM-Netz werden die Signale der einzelnen Handys zeitversetzt übermittelt. Das führt dazu, dass nur relativ limitierte Datenmengen übermittelt werden können. Beim neueren UMTS-Netz hingegen senden alle aktiven Teilnehmer gleichzeitig. Damit können die Netzbetreiber auf den Frequenzen, die ihnen zur Verfügung stehen, viel grössere Datenmengen übermitteln.

Elektromagnetische Wellen

Elektromagnetische Wellen kommen in der Natur in verschiedenen Formen vor. Sie unterscheiden sich einzig durch ihre Wellenlänge bzw. ihre Frequenz und werden dementsprechend in verschiedene Kategorien eingeteilt. Die bekannteste und für uns wichtigste Form ist das sichtbare Licht, die einzige Form von elektromagnetischen Wellen, die wir mit unseren Sinnesorganen direkt wahrnehmen können. Auch das UV-Licht, vor dem wir uns beim Sonnenbad schützen müssen, die Röntgenstrahlen oder die Infrarotstrahlung, die wir als Wärme wahrnehmen, sind elektromagnetische Wellen. Längerwellige elektromagnetische Wellen werden für unterschiedlichste technische Anwendungen eingesetzt, so etwa bei Radargeräten, um den Flugverkehr zu überwachen, oder in Mikrowellenöfen, um Lebensmittel zu erwärmen. Beim Rundfunk und in der Mobiltelefonie spielen elektromagnetische Wellen eine zentrale Rolle, weil sie sich besonders gut eignen, um Informationen sehr rasch – nämlich mit Lichtgeschwindigkeit – über längere Distanzen zu übermitteln. Ähnlich wie man mit einer Taschenlampe durch Ein- und Ausschalten Morsesignale übermitteln kann, tauschen auch Handys und Basisstationen mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen Informationen aus. Dabei werden die Stärke und die Frequenz der ausgesandten Wellen gezielt verändert.

Text: SATW / Samuel Schläfli
Quelle: Technoscope 3/10: Mobile Kommunikation. Technoscope ist das Technikmagazin der SATW für Jugendliche.

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