Wie drahtlose Kommunikation funktioniert: Die Technik hinter WLAN, LTE und Co.
Beginnend mit dem elektromagnetischen Spektrum, erläutert der Analyst Craig Mathias die Grundlagen und Funktionsweise drahtloser Kommunikation.
Dies ist der erste Teil einer dreiteiligen Artikel-Serie, die sich mit den Grundlagen und der Funktionsweise von drahtlosen Netzwerken beschäftigt.
Selbst für jemanden, der bereits mehr als zwei Jahrzehnte mit drahtlosen Technologien arbeitet, ist es immer noch wie ein Wunder. Wir haben Informationen einem Ort und ohne erkennbare physikalische Verbindung zwischen zwei oder mehreren Punkten, lassen sich diese Daten an einem anderen Ort betrachten. Von den ersten Radioempfängern bis zu den Multi-Gigabit-Systemen von heute – die Technologie dahinter hat immer noch etwas magisches.
Natürlich ist drahtlose Kommunikation keine Magie. Es sind vielmehr hochentwickelte Lösungen, die auf grundlegenden Prinzipien der Physik basieren. Im Laufe der folgenden drei Artikel werde ich erklären, wie drahtlose Technik funktioniert. Ich verspreche, dass ich es so einfach wie möglich halte, damit auch Nicht-Physiker die Faszination dahinter erkennen.
Grundlagen drahtloser Technologie
Es gibt eine Eigenschaft des bekannten Universums, die Physiker als „elektromagnetisches Spektrum“ bezeichnen. Dies sind die Träger von elektromagnetischen Wellen, die sich mit einem relativ einfachen Gerät erzeugen lassen, welches „Oszillator“ heißt. Ein Oszillator emittiert Sinuswellen (die Sie wahrscheinlich noch aus dem Mathematikunterricht kennen) und lässt sich so konfigurieren, dass er Wellen in einer speziellen Frequenz erzeugt: Je schneller die erzeugten Wellen vibrieren beziehungsweise schwingen, desto stärker sind die Wellen.
Diese Frequenzen sind durch bestimmte Vorschriften beschränkt, die in Deutschland beispielsweise durch die Bundesnetzagentur festgelegt werden. Zu diesen Regeln zählt etwa, welche Spanne von Frequenzen des elektromagnetischen Spektrums für welchen Zweck und unter welchen Umständen eingesetzt wird (zum Beispiel Frequenzen für Mobilfunk oder Radio). Dabei sind die rechtlichen Fragen häufig komplexer als die zugrundeliegende Physik und Technik.
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Sobald eine Sinuswelle erzeugt wurde, besteht die nächste Aufgabe darin, die zu übertragenden Informationen darauf zu kodieren. Dies wird als „Modulation“ bezeichnet und dadurch erreicht, indem die physikalischen Eigenschaften der Welle verändert werden. So lässt sich die Amplitude (zum Beispiel beim Mittelwellenrundfunk), die Frequenz (zum Beispiel beim UKW-Rundfunk) oder die Phasen der Welle verändern. Zudem lassen sich diese kombinieren. Ein Beispiel ist die Quadraturamplitudenmodulation, eine Kombination aus Amplitudenmodulation und Phasenmodulation, die beispielsweise in der Satellitenkommunikation, modernen Wifi-Systemen und Mobilfunksystemen wie LTE zum Einsatz kommt.
Je ausgefeilter Netzwerkspezialisten bei der Modulation sind, desto mehr Daten-Bits lassen sich in einer Welle übertragen. Dies führt zu einer Form der Datenkomprimierung und somit höherer Leistung, die man als „spektrale Effizienz“ bezeichnet. Der letzte erforderliche Schritt, um dieses modulierte Signal zu versenden ist, das Signal zu verstärken und es über eine Antenne zu verschicken (mehr zum Thema Antennen erläutere ich im nächsten Teil dieser Artikel-Serie).
Weitere Faktoren der drahtlosen Kommunikationen
Funktechnik besteht allerdings nicht nur aus Sinuswellen und elektromagnetische Spektren. Das Kernproblem ist, sobald man ein Signal überträgt, tritt es in den „Funkkanal“ ein. Dies ist die Eigenschaft des Universums, die es einer elektromagnetischen Welle ermöglicht, von Punkt A zu Punkt B zu gelangen. Doch an dieser Stelle wird es kompliziert. Radiowellen verlieren exponentiell an Leistung (auch als „Flat Fading“ bekannt) im Verhältnis zur Entfernung im Quadrat. Das bedeutet, selbst Hochleistungssignale werden schnell sehr schwach. Daher muss der Empfänger am anderen Ende so empfindlich wir möglich sein, um das Signal zu erfassen - vorausgesetzt das Signal ist stark genug und erreicht den Empfänger. Wenn das Signal zu schwach ist, wird lediglich ein Rauschen wahrgenommen. Das Ziel ist ein Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen, das so hoch wie möglich ist.
Außerdem werden Funkwellen durch feste Objekte („Shadow Fading“), Echos und Reflexionen des Primärsignals („Multipath Fading“) oder durch beabsichtigte („Jamming“, vor allem beim Militär) oder unbeabsichtigte Störungen blockiert. Wifi und ähnliche Systeme, die in gemeinsamen lizenzfreien Frequenzbändern funktionieren, müssen eine Vielzahl von Techniken verwenden, um nicht von anderen Signalen verdrängt zu werden, die gleichzeitig lizenzfreie Frequenzbänder nutzen. Aber nicht nur das: Diese Systeme müssen zudem Störungen vermeiden, die durch Signale von wichtigeren, lizenzierten Frequenzbändern entstehen können (zum Beispiel Flug- oder Betriebsfunk). Die häufigste Technik, um Störungen zu vermeiden, ist die Nutzung verschiedener Formen des Streuspektrum-Funks, der das Signal buchstäblich auf eine große Breite von Frequenzen versteut, so dass die Zuverlässigkeit und spektrale Effizienz verbessert wird.
Die Zukunft der drahtlosen Kommunikation
Doch wenn man Glück hat - was statistisch häufig vorkommt - erreicht das Signal den gewünschten Empfänger, wo es verstärkt, demoduliert und zurück in die ursprüngliche Form konvertiert wird. Die meisten drahtlosen Kommunikationstechnologien sind heute digital, was bedeutet, dass wir nur noch 1en und 0en versenden, wodurch die Verbesserung der Zuverlässigkeit und Leistung relativ einfach wird. Dies erklärt zumindest teilweise, warum heutige drahtlose Systeme so günstig und gleichzeitig leistungsfähig sind. Dabei erscheint zum Beispiel der Datendurchsatz von 1,3 Gbps bei aktuellen 802.11ac Wireless-LAN-Produkten sehr viel, doch es ist noch eine deutlich höhere Geschwindigkeit möglich. Das verdanken wird letztlich der Fähigkeit, zuverlässige und kostengünstige digitale Funksysteme zu entwerfen und zu bauen, die auf einigen einfachen Gesetzen der Physik basieren.
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