2G – Durchbruch für die mobile Kommunikation

Der Mobilfunkstandard der zweiten Generation (2G) brachte in Deutschland den Durchbruch für die mobile Kommunikation. Zwar existieren schon zuvor mobile Kommunikationsnetze wie das B- oder das C-Netz, doch erst mit 2G konnten sich Handys und andere Mobilfunkgeräte im Massenmarkt durchsetzen. Eine andere Bezeichnung für 2G ist GSM (Global System for Mobile Communications). Der GSM-Standard definiert eine Mobilfunktechnik, mit der das Telefonieren, die leitungsvermittelte und paketvermittelte Datenübertragung sowie SMS-Kurzmitteilungen möglich sind. In Deutschland wurde GSM 1992 eingeführt und hatte eine schnelle Verbreitung von Mobiltelefonen in den 90er-Jahren zur Folge.

Weltweit ist 2G in über 200 Ländern verfügbar und der am häufigsten genutzte Standard für digitale Mobilfunknetze. Neben der Telefonie war es mit 2G erstmals möglich, Daten mit akzeptabler Geschwindigkeit über das mobile Telefonnetz zu übertragen. Damit wurden mobile Internetanwendungen attraktiv. Allerdings konnten sich das mobile Internet aufgrund von Bandbreitebeschränkungen, teuren Tarifen und wenig leistungsfähigen Endgeräten noch nicht im Massenmarkt etablieren.

Für die schnelle Datenübertragung wurden für GSM rasch Erweiterungen wie GPRS (General Packet Radio Service) und EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) geschaffen. GPRS erreicht im 2G-Netz Geschwindigkeiten von bis zu 56 Kilobit pro Sekunde und EDGE bis zu 220 Kilobit pro Sekunde. In Deutschland beträgt die Flächendeckung mit 2G nahezu hundert Prozent. In Regionen, in denen keine neueren Mobilfunkstandards und damit weder eine 3G-Verbindung noch eine 4G-Verbindung zur Verfügung stehen, können die mobilen Endgeräte wie Handys oder Smartphone meist auf das GSM-Netz zurückgreifen.

UMTS – Die Erfolgsgeschichte des Mobilfunkstandards der dritten Generation

Der Startschuss für den Mobilfunkstandard der dritten Generation (3G), auch UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) genannt, begann in Deutschland mit der Versteigerung der UMTS-Lizenzen im Jahr 2000. Die Frequenzbereiche, die für den Betrieb von schnellen 3G-Netzen notwendig waren, wurden für rund 50 Milliarden Euro an insgesamt sechs Provider vergeben. Diese sechs Anbieter waren Vodafone D2, T-Mobile Deutschland, ein Konsortium aus E-Plus und Hutchison, o2, Mobilcom und Group 3G.

Da Mobilcom seine Lizenz freiwillig zurück gab und die Group 3G mit dem Ausstieg aus dem deutschen Markt seine Lizenz 2002 verlor, begannen nur die vier Provider T-Mobile, Vodafone, E-Plus und o2 mit dem Aufbau eigener Handy-3G-Netze. Aufgrund der hohen Kosten für die Ersteigerung der Lizenzen verlief der Ausbau der 3G-Netze zu Beginn sehr schleppend, da hohen Investitionen damit verbunden waren. Zudem fehlten zu Beginn der 2000er-Jahre noch UMTS-fähige Endgeräte, mit denen der leistungsfähigere und schnellere 3G-Standard überhaupt nutzbar war. Die Mobilfunkanbieter versuchten mit hohen Mobilfunkgebühren einen Teil der enormen Lizenzkosten wieder einzunehmen. Dies verschlechterte die Attraktivität von UMTS-Tarifen zusätzlich.

Die erste Nutzung von 3G-Netzen in Deutschland war für wenige Firmenkunden ab dem Jahr 2003 möglich. Ab 2004 war das UMTS-Netz auch für private Kunden nutzbar. Die 3G-Verfügbarkeit in Deutschland stieg in den folgenden Jahren kontinuierlich. Nachdem 3G zu Beginn von Privatkunden aufgrund der hohen Kosten und fehlender Endgeräte oder Anwendungen zunächst gemieden wurde, entwickelte sich UMTS mit der Verfügbarkeit von Smartphones zu einer echten Erfolgsgeschichte. Die hohe 3G-Netz-Geschwindigkeit bei der mobilen Datenübertragung war ein wesentlicher Erfolgsfaktor für den Siegeszug der Smartphones, der etwa ab dem Jahr 2008 begann.

Technische Merkmale des UMTS-Mobilfunks und seine 3G-Geschwindigkeiten

Der 3G-Standard bietet gegenüber GSM einige wesentliche Vorteile. Er lässt mehrere unterschiedliche Zugangs- und Modulationsverfahren wie TDMA (Time Division Multiple Access) und WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) zu und beherrscht sowohl Frequency Division Duplex (FDD) als auch Time Division Duplex (TDD). Mit Wideband CDMA erreicht UMTS im Vergleich zum Vorgängerstandard wesentlich höhere Übertragungsraten. Zudem ist es möglich, dass 3G-Endgeräte mehrere unterschiedliche Datenströme empfangen und senden. Anwender können daher gleichzeitig telefonieren und Daten wie E-Mails übertragen.

Die Frequenzbereiche für das Senden liegen zwischen 1,900 und 2,025 Gighahertz und für das Empfangen zwischen 2,110 und 2,200 Gigahertz. Die Upstream- und Downstreamfrequenzen sind zusätzlich unterteilt in Bereiche für die FDD- und die TDD-Übertragung. Die ersten Implementierungen von UMTS erreichten bereits Übertragungsraten von 384 Kilobit pro Sekunde. Dies stellt gegenüber den maximal möglichen 220 Kilobit pro Sekunde bei EDGE oder den maximal 56 Kilobit pro Sekunde bei GPRS eine deutliche Verbesserung dar. Aufbauend auf diesen ersten UMTS-Standards entstanden schnell Erweiterungen, die die Leistungsfähigkeit der Mobilfunknetze der dritten Generation weiter steigerten.

Die Erweiterung von 3G- zu 3.5G-Mobilfunknetzen

Mit den ursprünglich möglichen 384 Kilobit pro Sekunde waren die technischen Möglichkeiten von UMTS noch lange nicht ausgeschöpft. Es fand eine schnelle Weiterentwicklung von 3G statt, die eine rasante Steigerung der Übertragungsraten mit sich brachte. Die technischen Entwicklungen in diesem Zusammenhang werden oft als 3.5G-Standard bezeichnet. Hierzu gehören die paketvermittelten Übertragungstechniken High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) und High Speed Downlink Packet Access (HSDPA).

Schon im Jahr 2006 begannen Vodafone und T-Mobile HSDPA in ihren UMTS-Netzen einzuführen. Auch o2 und E-Plus zogen schnell nach und etablierten diese Technik in ihren Netzen. High Speed Packet Access (HSPA) folgte anschließend HSPA+, das ebenfalls in die Mobilfunknetze der deutschen Provider Einzug hielt. Mit 3.5G waren zunächst Geschwindigkeiten von bis zu 7,2 Megabit pro Sekunde im Download erreichbar.

Mittlerweile bieten die Provider in ihren UMTS-Netzen Übertragungsraten von bis zu 21,1 oder 42,2 Megabit pro Sekunde im Download. Durch den Einsatz von HSPA+ steigert sich zudem die maximale Datenrate für das Senden von Daten (Upload). Diese Geschwindigkeit lässt sich auf bis zu 5,8 Megabit pro Sekunde im 3G-Netz steigern. Alle deutschen Provider bieten in ihren Netzen sowohl HSDPA als auch HSUPA an. Die Mobilfunktechnik hat sich aufgrund dieser hohen Übertragungsraten zu einer Alternative zu Festnetzanschlüssen, die beispielsweise auf DSL basieren, entwickelt. Eine Verbindung mit 3G beziehungsweise 3.5G kann über einen Surfstick auch von einem Laptop oder PC hergestellt werden und erzielt eine vergleichbare Performance wie ein Festnetz-Internetanschluss

LTE – der Mobilfunkstandard der vierten Generation

Kaum hatten sich UMTS mit HSDPA richtig etabliert, stand mit LTE der Mobilfunkstandard der vierten Generation (4G) vor der Einführung. Der Startschuss für 4G fiel mit der ersten Frequenzauktion der Bundesnetzagentur im Jahr 2010. Im Gegensatz zu UMTS dauerte es anschließend nicht mehr lange, bis 4G für die Kunden in Deutschland nutzbar wurde. Noch im Jahr 2010 nahmen die Deutsche Telekom und Vodafone erste Basisstationen mit der modernen LTE-Technik in Betrieb. Die beiden anderen Provider o2 und E-Plus, die LTE-Frequenzen ersteigerten, folgten relativ zügig.

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LTE bietet im Vergleich zu UMTS zwei wesentliche Vorteile. Zum einen sind sehr viel höhere Übertragungsraten möglich, zum anderen lässt sich mit einem 4G-Funkmast ein größerer Bereich abdecken. Vor allem in schlecht versorgten ländlichen Regionen schafft 4G daher eine Alternative zu leitungsbasierten Internetanschlüssen. Ein einziger LTE-Funkmast kann einen Umkreis von bis zu zehn Kilometer mit schnellem Internet versorgen. Die LTE-Verfügbarkeit in Deutschland ist inzwischen sehr gut.

Durch die Fusion der beiden Anbieter o2 und E-Plus zu Telefonica sind am deutschen Markt LTE-Netze von den drei Providern Deutsche Telekom, Vodafone und Telefonica (o2) verfügbar. Die Netzabdeckung wird von den Mobilfunkanbietern kontinuierlich verbessert. In einer weiteren Frequenzauktion im Jahr 2015 erhielten die Mobilfunkanbieter zusätzliche Frequenzbereiche für den Ausbau der Netze. Diese Frequenzen nutzen die Anbieter auch, um durch Frequenzbündelung noch höhere Übertragungsraten zur Verfügung zu stellen. Je nach Netzausbau und eingesetzter Technik erreichen die Provider in Deutschland mit 4G und der Bündelung mehrerer LTE-Frequenzen maximale Übertragungsraten von 50, 75, 225, 375, 500 Megabit pro Sekunde oder sogar 1 Gigabit pro Sekunde.