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Definition Was ist eine Funkzelle?

Eine Funkzelle ist ein räumlich begrenzter Bereich, in dem funkbasiert arbeitende Endgeräte mit dem zum Senden und Empfangen von Informationen benötigten Funksignal versorgt werden. Für die funktechnische Ausleuchtung der Zelle sorgt die Basisstation. Mobilfunknetze bestehen aus vielen einzelnen Funkzellen, zwischen denen sich Mobilfunkteilnehmer frei bewegen können.

Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
Die wichtigsten IT-Fachbegriffe verständlich erklärt.
(Bild: © aga7ta - stock.adobe.com )

In der Funktechnik steht der Begriff Funkzelle für einen räumlich begrenzten Bereich, in dem Funkteilnehmer von einer Basisstation (Base Station) mit dem für die drahtlose Kommunikation benötigten Funksignal versorgt werden.

Die Basisstation leuchtet die Funkzelle in verschiedene Raumrichtungen aus. Sie kann zentral in der Mitte einer Funkzelle installiert sein oder sich bei der Ausleuchtung in eine bestimmte Raumrichtung am Rand einer Zelle befinden. Je weiter sich ein Teilnehmer von der Basisstation in Richtung des Funkzellenrands bewegt, desto schlechter werden die funktechnische Versorgung und die Übertragungsqualität.

Die Base Station selbst ist per kabelbasierter Technik, Richtfunktechnik oder mobiler Funktechnik an das Kernnetz des Netzbetreibers angebunden (Backhaul). Funkzellen werden in Netzen auf Basis von drahtlosen Übertragungstechnologien wie TETRA, WiMAX, GSM, UMTS, LTE oder 5G eingesetzt. In den verschiedenen Mobilfunknetzen bilden viele einzelne, sich überlappende Funkzellen das Gesamtnetz.

Die verfügbaren Funkfrequenzen werden von den Netzbetreibern so verwendet, dass die Funkzellen mit gleichen Frequenzen einen ausreichend großen Abstand haben. Je nach örtlichen Gegebenheiten und Anwenderdichte haben die Funkzellen unterschiedliche Größen und Kapazitäten. Die räumliche Ausdehnung einer Funkzelle reicht von wenigen Metern bis hin zu vielen Kilometern.

Beim Übergang eines mobilen Teilnehmers von einer Funkzelle zur anderen entscheidet die Netztechnik anhand der Qualität der Verbindung, welche Basisstation genutzt wird. Der Wechsel der Basisstation bleibt für den Teilnehmer in der Regel unbemerkt. Er wird Handover genannt und führt nicht zum Abbruch der Daten- oder Sprachverbindung. Handys oder Smartphones sind im eingeschalteten Zustand ständig mit einer verfügbaren Basisstation verbunden. Über die so genannte Funkzellenauswertung ist es möglich, den ungefähren Standort eines Endgeräts zu ermitteln.

Abhängigkeit der Funkzellengröße von verschiedenen Einflussfaktoren

Die tatsächliche Größe und räumliche Ausdehnung der Funkzellen ist von verschiedenen Einflussfaktoren abhängig. Diese Einflussfaktoren sind:

  • die Sendeleistung der Basisstation
  • die Aufbauhöhe und der Typ der Antennen
  • der unterstützte Mobilfunkstandard
  • die verwendeten Funkfrequenzen
  • die geografischen Gegebenheiten
  • die vorhandene Teilnehmerzahl
  • die Bebauung oder Bepflanzung des Versorgungsbereichs

Je höher die Sendeleistung ist, desto größer ist der Radius, der mit Funksignalen versorgt werden kann. Die verwendeten Funkfrequenzen und ihre Ausbreitungseigenschaften bestimmen ebenfalls die Funkzellengröße. Niedrigere Frequenzen mit größeren Wellenlängen werden in ihrer Ausdehnung weniger von externen Einflüssen gestört und ermöglichen größere Versorgungsradien. Allerdings ist ihre Kapazität beschränkt, weshalb in Gebieten mit hoher Bevölkerungsdichte höhere Frequenzen mit kürzeren Wellenlängen zum Einsatz kommen. Typische Funkzellengrößen für UMTS- oder LTE-Funkzellen sind einige hundert Meter bis zehn oder 20 Kilometer.

Anordnung von Funkzellen für eine lückenlose Versorgung mit Mobilfunkdiensten

Um eine flächendeckende Mobilfunkversorgung sicherzustellen, überlappen sich benachbarte Funkzellen. Endgeräte sind jeweils in die Funkzelle mit der besten Funkversorgung eingebucht. Mobilen Endgeräten mit einer aktiven Verbindung kann das Netz eine neue Funkzelle zuweisen. Die Kommunikationsverbindung lässt sich unterbrechungsfrei übergeben (Handover). Die Überlappung bietet zudem die Möglichkeit, dass beim Ausfall einer Funkzelle benachbarte Funkzellen die Versorgung dieses Bereichs mit übernehmen.

Jede Mobilfunkzelle kann nur eine bestimmte Anzahl Endgeräte versorgen. Je höher die Bevölkerungsdichte ist, desto kleiner werden die Funkzellengrößen von den Netzbetreibern gewählt. In Innenstadtbereichen oder an Orten wie Bahnhöfen oder Flughäfen sind viele kleine Zellen vorzufinden.

Funkzellen in Mobilfunknetzen der fünften Generation

5G-Mobilfunknetze unterstützen einen riesigen Frequenzbereich von Frequenzen kleiner einem Gigahertz bis hin zu Millimeterwellen von bis zu 100 Gigahertz. Dementsprechend variabel sind die Funkzellengrößen zu wählen. Hohe Nutzfrequenzen erfordern ein sehr dichtes Netz mit vielen kleinen Funkzellen.

In Ballungsräumen kann es daher notwendig werden, viele hundert oder tausend kleine Funkzellen (Small Cells) mit geringer Sendeleistung und Reichweite zu installieren. Die Small Cells sind kabelbasiert oder über Funktechnik mit dem Netz verbunden (Backhaul). Die Luftschnittstelle 5G New Radio verwendet Techniken wie Massive MIMO (Mehrantennentechnik) und Beamforming, weshalb einzelne Funkzellen mit wesentlich mehr Antennen ausgestattet werden müssen als bei den Vorgängertechnologien 3G und 4G üblich. Auch Verkehrswege wie Autobahnen und Straßen sind für Anwendungen wie autonomes Fahren flächendeckend mit 5G-Funkzellentechnik auszustatten.

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