Mobilfunknetze

Mobilfunknetze bieten drahtlose Weitbereichskonnektivität, indem sie eine Region in Zellen unterteilen, die von Basisstationen versorgt werden, und diese über ein Kernnetz verbinden. Sie haben sich von sprachzentrierten Systemen zu den paketbasierten 4G- und 5G-Mobilfunkbreitbandnetzen entwickelt, die das heutige mobile Internet tragen.

Definition

Ein Mobilfunknetz ist ein drahtloses Weitverkehrsnetz, das sein Versorgungsgebiet in Zellen unterteilt, von denen jede von einer Basisstation versorgt wird, und diese Basisstationen über ein Kernnetz verbindet, das Authentifizierung, Mobilität und Konnektivität zu externen Netzen wie dem Internet handhabt.

Scope

Dieses Thema behandelt die Architektur und den Betrieb von Mobilfunkdatennetzen: das zellulare Konzept von Zellen, Basisstationen und Frequenzwiederverwendung; die Organisation des Funkzugangsnetzes und des Kernnetzes; die Entwicklung von früheren Generationen über 4G LTE und 5G, einschließlich der Umstellung auf All-IP-Paketvermittlungskerne; und die hochrangigen Fähigkeiten, die 5G anstrebt, wie höhere Kapazität, geringere Latenz und massive Gerätedichte. Es behandelt Mobilität und Handoff auf einer Übersichts-Ebene, wobei das detaillierte Mobilitätsmanagement einem eigenen Thema überlassen wird.

Core questions

• Was ist das zellulare Konzept, und warum werden Versorgungsgebiete in Zellen unterteilt?
• Wie erhöht die Frequenzwiederverwendung die Kapazität eines Mobilfunksystems?
• Wie sind das Funkzugangsnetz und das Kernnetz organisiert?
• Wie haben sich Mobilfunknetze von sprachzentrierten zu All-IP 4G und 5G entwickelt?
• Welche neuen Funktionen, wie geringe Latenz und massive Konnektivität, soll 5G bieten?

Key concepts

• Zellen und Basisstationen
• Frequenzwiederverwendung
• Funkzugangsnetz
• Mobilfunk-Kernnetz
• 4G LTE
• 5G
• All-IP-Paketkern
• mobiles Breitband
• Handoff (Übersicht)

Key theories

Das zellulare Konzept und die Frequenzwiederverwendung

Die Unterteilung eines Dienstgebietes in Zellen und die Wiederverwendung derselben Frequenzen in nicht benachbarten Zellen ermöglicht es, dass ein begrenztes Spektrum viele Benutzer bedienen kann; kleinere Zellen erhöhen die Kapazität auf Kosten von mehr Basisstationen und häufigeren Handoffs.

Trennung von Funkzugangs- und Kernnetz

Mobilfunksysteme trennen ein Funkzugangsnetz von Basisstationen, die die drahtlose Verbindung verwalten, von einem Kernnetz, das Benutzer authentifiziert, Sitzungen und Mobilität verwaltet und den Verkehr zu und von externen Netzen leitet, eine Struktur, die über Generationen hinweg verfeinert wurde.

Generationenübergreifende Entwicklung zu All-IP

Mobilfunknetze entwickelten sich von analoger Sprache (1G) über digitale Sprache und begrenzte Daten zu paketvermittelten, All-IP 4G LTE und 5G, wobei sie zunehmend Internetverkehr transportieren und sich Ende-zu-Ende in die IP-Vernetzung integrieren.

Clinical relevance

Mobilfunknetze liefern mobiles Internet an Milliarden von Geräten und sind in weiten Teilen der Welt die primäre Form der Konnektivität. Die Umstellung auf All-IP-4G- und 5G-Kerne integriert Mobilfunk- und Internettechnologie eng, und die Ziele von 5G für geringe Latenz und massive Gerätedichte untermauern Anwendungen von mobilem Video bis hin zu industrieller Automatisierung und dem Internet der Dinge, wodurch die Mobilfunkarchitektur für die moderne Konnektivitätsplanung von zentraler Bedeutung ist.

History

Die Mobiltelefonie begann mit analogen 1G-Systemen, dann mit digitalen 2G-Systemen (wie GSM), die Text und begrenzte Daten hinzufügten. Paketdaten wuchsen über 2.5G/3G, und 4G LTE führte eine All-IP-Paketvermittlungsarchitektur ein, die für Daten optimiert war. 5G folgte mit neuen Funktechnologien und einem dienstbasierten Kern, der auf höheren Durchsatz, geringere Latenz und die Unterstützung einer großen Anzahl verbundener Geräte abzielte.

Key figures

• James F. Kurose
• Keith W. Ross
• Andrew S. Tanenbaum

Seminal works

• kurose2021
• tanenbaum2010

Frequently asked questions

Warum sind Mobilfunknetze in Zellen unterteilt?

Das Spektrum ist begrenzt, so dass ein einzelner Sender, der eine ganze Region abdeckt, nur wenige Benutzer bedienen könnte. Die Unterteilung des Gebiets in Zellen, jede mit ihrer eigenen Basisstation, und die Wiederverwendung von Frequenzen in ausreichend weit voneinander entfernten Zellen ermöglicht es, dass dasselbe Spektrum viel mehr Benutzer gleichzeitig bedienen kann, was die Kapazität erheblich erhöht.

Was unterscheidet 5G von 4G?

5G verwendet neue Funktechnologien und einen neu gestalteten Kern, um höhere Spitzendatenraten, geringere Latenz und die Unterstützung von weitaus mehr gleichzeitigen Geräten als 4G zu bieten. Diese Verbesserungen zielen nicht nur auf schnellere Telefone ab, sondern auch auf neue Anwendungen wie Echtzeitsteuerung, dichte Internet-der-Dinge-Bereitstellungen und festes drahtloses Breitband.