Mobilfunkstandards – Von den Anfängen bis heute

Worum geht’s in diesem Artikel?

Wenn es um Mobilfunktechnologie bzw. –standards geht, herrscht manchmal Verwirrung. Was bedeuten diese Bezeichnungen mit „G“? Oder, was ist zum Beispiel der Unterschied zwischen 3G und UMTS? Die Antwort auf die letzte Frage ist ganz einfach: Es ist dasselbe. Aber der Reihe nach.

Das „G“ steht für Generation

Die Mobilfunktechnologie vollzog und vollzieht ihre Entwicklung in Generationen. Dafür steht das „G“. Innerhalb einer Generation kann es mehrere Zwischenstufen geben. Im Folgenden wird die Entwicklung der Mobilfunkstandards von den Anfängen bis heute betrachtet; es gibt praktische Beispiele, einen Ausblick auf die Zukunft sowie aktuell verfügbare Delock Artikel als Beispiele.

Inhalt

Mobilfunk-Generationen im Überblick

Bevor die Generationen 1 bis 5 im Detail betrachtet werden, im Folgenden ein Überblick. Bei den Jahreszahlen ist zu bedenken, dass sie als Richtwerte zu nehmen sind, weil es unterschiedliche Ansichten über exakte Zeitpunkte gibt und auch die Entwicklung in den jeweiligen Ländern sich unterscheidet.

  • 1G ab 1978: analoges Kabelnetz; nur Telefonie möglich
  • 2G ab 1993: Technologien GSM, GPRS, EDGE; SMS senden möglich
  • 3G ab 2003: Technologien UMTS, HSPA, HSPA+; Daten senden / empfangen + WWW möglich
  • 4G ab 2012: Technologien LTE, LTE Advanced, LTE Advanced Pro; alle aktuell bekannten Daten-Operationen möglich (Stand Mitte 2022)
  • 5G ab 2019: aufbauend auf LTE; Datenübertragung in Echtzeit angepeilt
  • 6G - Zukunftsmusik: Einführung für 2030 geplant

Analoge Anfänge, digitale Gegenwart: Mobilfunk-Generationen im Detail

Die Geburtsstunde des Mobilfunks, also der drahtlosen Kommunikation zwischen zwei Orten, kann im Jahr 1879 lokalisiert werden. Damals führte David Edward Hughes an der Akademie der Naturwissenschaften das Phänomen der elektromagnetischen Wellen vor.

Die ersten analogen Mobilfunksysteme in Deutschland

Die ersten Mobilfunknetze in Deutschland waren analoge Systeme auf der Basis des US-amerikanischen Standards AMPS (Advanced Mobile Phone System), der zur ersten Generation = 1G gehört. Erstmals 1952 konnte man in Deutschland von einem mobilen Endgerät aus einen Teilnehmer im Festnetz anrufen. Entstehende Funksysteme waren lokaler Natur, versorgten also nur eine Stadt. Es gab keine separate Vorwahl für Mobiltelefone.

Der Anrufer musste den Aufenthaltsort der angerufenen Person kennen, denn er konnte den gewünschten Gesprächspartner nur über die Vorwahl der Stadt, in der sich dieser befand, mobil erreichen. Die Verbindung kam nur via Handvermittlung zustande. Die mobilen Geräte konnten nur im passenden Netz verwendet werden. Der Angerufene durfte sich nicht großartig bewegen, denn bei Verlassen der entsprechenden Funkzelle brach die Verbindung ab.

Die erste Generation: 1G und sein A-Netz, B-Netz und C-Netz

Das A-Netz

Das A-Netz entstand 1958 in Deutschland mit handvermittelter Verbindungsaufnahme. Die riesigen mobilen Geräte wurden im Auto verbaut. Während des Telefonats musste der Motor laufen, damit die Autobatterie nicht leer wurde. So ein Gerät kostete rund 15.000 DM. Jede Basisstation war für jedes Funktelefon nutzbar.

Das B-Netz

Das B-Netz für Deutschland, Österreich, Niederlande und Luxemburg wurde 1972 eingeführt. Roaming zwischen teilnehmenden Ländern sowie die automatische Vermittlung von einkommenden und abgehenden Anrufen war jetzt möglich. Der Anrufer musste aber wissen, wo sich der Zielgesprächspartner befand. Für jedes Gespräch musste man mit einem Gerät, das einem Radio ähnelte, eine freie Frequenz suchen, dann das „Fräulein vom Amt“ anrufen, damit sie mit dem Teilnehmer verbinden konnte. Der Verbindungsaufbau war sehr zeitaufwendig.

Das C-Netz

In Deutschland wurde das C-Netz am 1. Mai 1986 eingeführt. Jetzt war die automatische Weitervermittlung eines mobilen Gerätes zwischen den Funkzellen einer Basisstation möglich, die manuelle Vermittlung somit obsolet geworden. Der Standort des Mobilfunkgerätes wurde durch die automatische Mobilitätsverwaltung ständig aktualisiert, so dass der eingehende Anruf nicht manuell vermittelt werden musste.

Im Gegensatz zum B-Netz war das C-Netz auf Deutschland beschränkt. In Europa entstanden in den 80er Jahren viele dieser Mobilfunksysteme, die nicht kompatibel zueinander waren.

Die zweite Generation: 2G

Wegweisend: Der GSM Standard

Der neue GSM Standard (Global System for Mobile Communication) wurde Anfang der 1990er eingeführt (1992 in Deutschland), nun konnten auch SMS versendet werden. Die Datentransferrate lag bei maximal 9,6 Kbit/s, was fürs Text versenden ausreichte. Mobil telefonieren war teuer, die Geräte groß. Das ca. 2 kg schwere Telefon Siemens P2 kostete über 3000 DM. Rund ein Jahr nach dem Start gab es ca. 200.000 Menschen mit einem GSM Mobiltelefon (zum Vergleich: das A-Netz hatte ca. 11.000 Teilnehmer). Der Standard GSM war wegweisend und ist die Technologie geblieben, auf dem jede weitere Generation aufbaut.

Weiterentwicklungen

So wurde aus GSM zunächst GPRS (General Packet Radio Service) entwickelt. Die Datenrate erhöhte sich auf max. 54 Kbit/s, was zwar einen Fortschritt zu GSM bedeutete. Aber der Versand beispielsweise eines Fotos oder eines Songs war eher nur theoretisch möglich. Ein Foto von 2 MB z. B. dauerte etwa 5 Minuten, auch kam es bei Übertragungen meist zu einem Abbruch. GPRS wurde weiterentwickelt zu EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution). Mit EDGE war immerhin die Datenrate viermal höher (max. 220 Kbit/s), also die Übertragung viermal schneller. Für kleine Datenmengen wie E-Mail oder SMS war EDGE ausreichend. GPRS wird auch als 2.5G, und EDGE als 2.75G bezeichnet.

Noch heute findet das 2G Netz in manchen Gegenden Anwendung. Kommt man in Deutschland in einen Teil, wo die Statusleiste des Smartphones z.B. E für Edge anzeigt, weiß man, dass man sich jetzt auf WhatsApp beschränken sollte; eine komplexere Website zu laden dauert extrem lange.

Generationen / Generationslevel und maximale Datenraten

GENERATION TECHNOLOGIE MAX. BANDBREITE
2G GSM 9,6 KBit/s
2.5G GPRS 54 KBit/s
2.75G EDGE 220 KBit/s
3G UMTS 384 KBit/s
3.5G HSPA 7,2 MBit/s
- HSPA+ 42 MBit/s
3.9G LTE (bis CAT 4) 150 MBit/s
4G LTE Advanced 300 MBit/s
4.5G LTE Advanced Pro 600 MBit/s
5G baut auf LTE auf, Network Slicing 10 GBit/s

Die dritte Generation: 3G

Eine neue Ära dank UMTS-Standard

Das mobile Internet, wie man es gegenwärtig versteht, hatte mit der Einführung des UMTS-Standards 2000 / 2001 seinen Durchbruch. UMTS steht für Universal Mobile Telecommunications System. Jetzt konnten kleinere und größere Datenmengen zugleich versendet und empfangen werden. Die neue Technologie versprach ein riesiges Potential in den Augen der Mobilfunkanbieter.

So kam es, dass die Bundesnetzagentur, die jeweils die verschiedenen Frequenzen an die Mobilfunkanbieter versteigert, mit einer historisch einmaligen Investitionssumme von 50 Mrd. Euro bedacht wurde. Das Geld ging in den Bundeshaushalt. Später zeigte sich, dass es besser in den Netzausbau geflossen wäre, da die Netzbetreiber für große Investitionen kein Geld mehr hatten. Noch heute ist die Netzabdeckung in Deutschland alles andere als ideal, eine Spätfolge der gigantischen Lizenzkosten.

Weiterentwicklungen

Mit der Erweiterung HSPA, das auch als 3.5G bezeichnet wird, stieg die Datenrate auf 7,2 MB/s. Darauf folgte HSPA+, das bereits 42 MB pro Sekunde schaffte. Zum Vergleich: Bei Einführung von UMTS betrug die Datenrate lediglich 384 Kbit/s.

Die vierte Generation: 4G

Der Riesensprung mit LTE

Die vierte Generation des Mobilfunknetzes, ab 2012, ist auch als LTE – Long Term Evolution bekannt. Die Datentransferrate ist nun auf bis zu 300 MB/s gestiegen, bei gesunkenen Latenzzeiten. Das bedeutet einen deutlich schnelleren Datenaustausch. Mit LTE ist die Datenübertragung jetzt mit häuslichen Breitband-Internetzugängen vergleichbar. Ein weiterer Vorteil von 4G besteht in einem besseren Empfang und einer gesunkenen Störanfälligkeit, da die Frequenzbänder flexibler einsetzbar sind.

Das Übertragungsprotokoll Voice over LTE (VoLTE) verbessert die Sprachqualität zusätzlich. Mittlerweile ist auch nicht mehr der PC oder das Notebook das häufigste Zugangsgerät zum Internet, sondern das Mobiltelefon bzw. Smartphone. Mit dem Standard LTE Advanced Pro (LTE-AP ab CAT 11) steigt die Datenrate auf max. 600 MB/s. Diese Technologie wird auch als 4.5G bezeichnet.

Die fünfte Generation: Das neueste 5G

Atemberaubende Progression der Datenraten

Im Juni 2019 schloss die Bundesnetzagentur die Auktion für die 5G-Frequenzen ab. Sie gingen an Telekom, Vodafone, O2 und 1&1 Drillisch. Als Anbieter dieses Mobilfunknetzes gestalten sie dessen benötigte (physische) Infrastruktur. Eine flächendeckende Verfügbarkeit ist noch nicht gegeben, aber in Arbeit.

Natürlich wird sich 5G in der Datenübertragungsgeschwindigkeit vom Vorgänger unterscheiden: So sind Raten von mindestens dem 10-fachen wie bei LTE genannt. Ein GB bis zehn GB pro Sekunde sollen ermöglicht werden. Solche Geschwindigkeiten sind nicht im Festnetzbereich verfügbar, was den enormen Technologiefortschritt bei 5G zeigt. Fast kann von Datenübertragung in Echtzeit gesprochen werden, so gering sind die Reaktions- und Latenzzeiten.

5G ermöglicht das "Internet der Dinge"

Eine tragende Rolle wird 5G in der Machine-to-Machine (M2M) Kommunikation, und generell im Internet of Things ("Internet der Dinge") spielen. Milliarden von Geräten werden zunehmend vernetzt. Nicht nur Computer, Tablets und Smartphones, auch immer mehr Geräte und Maschinen aus dem häuslichen Bereich (Stichwort Smart Home), Industriemaschinen, sog. Wearables (Geräte zur Überwachung von Gesundheitsdaten) und Fahrzeuge werden miteinander vernetzt. (näheres hierzu siehe Delock Infothek > IoT).

Für die private Nutzung wird das 4G Netz, also der LTE Standard bzw. dessen Infrastruktur, weiterhin optimiert. Für private Zwecke ist die Technologie mehr als ausreichend. 5G ist vor Allem für die Industrie von zukünftiger Bedeutung.

Die Generationen - Fazit

Lebenszyklen der Mobilfunk-Generationen

So lange "leben" verschiedene Mobilfunkstandards

Neben dem ursprünglichen Zweck, dem mobilen Telefonieren, hat sich schon lange der Datentransfer als Zweck von Mobilfunktechnologie etabliert. Mit jeder Mobilfunk-Generation, und auch innerhalb jeder Generation, wird die Datenübertragung verbessert. Das heißt, es entstehen immer höhere Datenraten bei verbesserten Latenzzeiten. Zugleich erfahren Netzabdeckung und Netzkapazität Steigerungen, z. B. werden sogenannte Funklöcher kleiner.

Die 4G / LTE Technologie wird für die Nutzer auch die nächsten Jahre der Standard bleiben. Die weitere Entwicklung der Mobilfunktechnologie geht in Richtung Datenübertragung in Echtzeit. Damit eröffnen sich enorme Anwendungsgebiete in einer vernetzten Industrie, in der Fertigung, im medizinischen und humanitären Bereich sowie im Verwaltungssektor und im Dienstleistungsbereich (Vgl. Delock Infothek > IoT).

Nutzerfrage: Welchen Standard nutzt mein Smartphone?

Delock antwortet:

Das hängt von drei Punkten ab: 1. wofür das Smartphone ausgelegt ist, 2. dem jeweiligen Mobilfunkvertrag, und 3. welcher Standard im jeweiligen Bereich der Nutzung verfügbar ist. Daraus wählt dann das Smartphone den besten Standard aus und zeigt ihn oben neben dem Balken für die Netzqualität an. So sieht der Smartphone-Nutzer je nach Wahl des Smartphones verschiedene Angaben – jeweils aber nur, sofern Mobile Daten eingeschaltet sind.

Vor 2021 waren zum Beispiel die Bezeichnungen G, GPRS, O oder E in der Statusleiste zu sehen: Verschiedene Stufen von 2G. Zu 3G gab es die Angaben 3G, H, 3.5G, 3G+ oder H+. 2021 wurde das UMTS-Netz (= 2G und 3G) von den Inhabern Telekom, Telefónica und Vodafone abgestellt, um die Frequenzen für die Standards 4G und 5G nutzen zu können. So werden aktuell (Stand Mitte 2022) Varianten von 4G in der Statuszeile des Smartphones angezeigt, also 4G, LTE, 4G+, LTE-A und LTE+.

Wieso ist die Netzgeschwindigkeit so wichtig?

Ein praktisches Nutzerbeispiel: Ein Spielfilm in HD-Qualität

Im Grunde wurde auf die Frage nach der Geschwindigkeit schon bei der Erläuterung der Generationen eingegangen: Je höher der Datendurchsatz, desto mehr (potentieller) Nutzen. Wirklich nachvollziehbar wird dies am Beispiel eines Videos bzw. Filmes, der am Smartphone heruntergeladen werden soll. Denn Videos benötigen besonders viel Datenvolumen. Wie viel im Detail, hängt natürlich von der Qualität des Filmes ab.

Mit 3G ein Video zu schauen, ist kein Vergnügen bzw. überhaupt schlecht möglich. Mit 4G (LTE) hingegen, sieht das schon ganz anders aus. Hier können Filme in HD ohne Unterbrechung angeschaut werden werden. Um den extremen Fortschritt von Generation zu Generation zu verdeutlichen, sind die jeweiligen Ladezeiten für das Beispiel „Videofilm“ in folgender Grafik dargestellt.

Beispiel: Download-Dauer eines HD-Videofilms
Beispiel: Download-Dauer eines HD-Videofilms

Erläuterung der Grafik

Das Beispiel geht von einem Spielfilm in HD aus, mit einer Größe von 4,5 GB. Um im 2G Netz diesen Film schauen zu können, hätte man sieben Tage und 17 Stunden benötigt, um ihn erst einmal zu laden. Hinzu kommt, dies wäre ein theoretischer Wert, da vorher ganz sicher etliche Übertragungsabbrüche stattgefunden hätten.

Im 3G Netz, genauer gesagt mit UMTS, dauert der Download des Filmes nur noch eine Stunde und 23 Minuten. Schon innerhalb von 3G, mit dem Standard HSPA, verkürzt sich die Ladezeit auf 12 Minuten. Mit LTE aus 4G steht der Film nach zwei Minuten und 40 Sekunden zur Verfügung. Im 5G Netz ist der Film nach unvorstellbar schnellen vier Sekunden heruntergeladen.

Artikelbeispiele von Delock

Antennen 4G

Antennen 5G

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