Mobilfunkmasten bestehen aus verschiedenen Komponenten wie Antennen, Basissendeempfängerstationen, Masten und Bodenausrüstung, die eine effiziente Mobilfunkkommunikation ermöglichen, indem sie Signale von mobilen Geräten steuern. Der Unterschied zwischen 4G- und 5G-Masten besteht in der höheren Geschwindigkeit, Kapazität und der niedrigeren Latenz, die die 5G-Technologie bietet. Mithilfe umfassender Tests werden optimale Leistung und Zuverlässigkeit dieser Mobilfunkmasten gewährleistet.

Unsere Welt ist vernetzter denn je und es erfordert eine enorme Menge an Ressourcen, um die Netzwerke, auf die wir uns alle verlassen, stabil zu halten. Mobilfunkmasten, auch Mobilfunkstandorte oder Basissendeempfängerstationen genannt, sind wesentliche Bestandteile moderner Telekommunikationssysteme. Die für das Senden und Empfangen von Funksignalen für eine bestimmte „Zelle“ oder ein bestimmtes Gebiet erforderlichen Geräte sind in der physischen Anlage untergebracht. Mobilfunkmasten ermöglichen die drahtlose Kommunikation zwischen mobilen Geräten und dem Netz. Diese Anlagen spielen eine unverzichtbare Rolle im drahtlosen Kommunikationsökosystem und ermöglichen es uns, mit unseren mobilen Geräten zu telefonieren, Textnachrichten zu senden und auf das Internet zuzugreifen. Sie müssen jedoch intensiv getestet werden.

Durch die Bereitstellung flexibler, skalierbarer und kostengünstiger Lösungen für das Testen neuer, komplexer Technologien leistet NI einen wichtigen Beitrag zum Aufbau zuverlässiger drahtloser Infrastrukturen. Da sich drahtlose Technologien weiterentwickeln und immer komplexer werden, insbesondere mit Blick auf die zukünftige Einführung von 6G, helfen innovative Lösungen Testingenieuren dabei, ein fortgeschrittenes Verständnis für das Netzdesign und die Testtechnologie zu entwickeln, die erforderlich sind, um die Betriebsbereitschaft von Mobilfunkmasten zu gewährleisten.

Wenn Sie den Horizont beobachten, ist es fast sicher, dass Sie einen Mobilfunkmast entdecken, auch wenn Sie ihn nicht sofort erkennen. Basissendeempfängerstationen gibt es in vielen verschiedenen Größen, von den bekannten hohen Mobilfunkmasten bis hin zu kleinen Geräten, die nicht viel größer als ein Rauchmelder sind. Die Größe hängt ganz von der benötigten Abdeckung und der Verkehrsdichte im jeweiligen Gebiet ab.

Aber wie sieht ein Mobilfunkmast aus? Mobilfunkmasten sind hohe, vertikale Masten, die mit Antennenarrays ausgestattet sind. Diese Arrays sind in der Regel in drei oder vier Richtungen unterteilt, was Mobilfunkmasten eine unverwechselbare Silhouette gibt. Allerdings heben sich nicht alle Mobilfunkmasten so deutlich hervor. Getarnte Masten sind eher versteckt, ihrer Umgebung angepasst und diskret in bestehende Bauwerke wie Dächer oder sogar Kirchtürme integriert. Unabhängig davon, ob sie sofort erkennbar sind oder sich subtil in ihre Umgebung einfügen, sind diese hoch aufragenden Anlagen mit einer Reihe von wichtigen Geräten ausgestattet, die eine nahtlose Mobilfunkverbindung in dem von ihnen versorgten Gebiet gewährleisten.

Obwohl jeder Mobilfunkmast je nach Netzwerkanforderungen und Abdeckungsbereich leichte Unterschiede aufweisen kann, sind die folgenden Komponenten normalerweise in den meisten Anlagen vorhanden:

• Antennen: Antennen sind für das Senden und Empfangen von Signalen an und von mobilen Geräten innerhalb einer bestimmten Zelle von entscheidender Bedeutung. Es gibt zwei Haupttypen von Antennen für Mobilfunkmasten:

             Panel-Antennen: Hierbei handelt es sich um flache, rechteckige Antennen, die einen großen Bereich abdecken. Sie sind vielseitig und können in verschiedenen Konfigurationen angeordnet werden, um die gewünschte Abdeckung und Kapazität zu erreichen. Sie können die MIMO-Technologie (Multiple Input, Multiple Output) nutzen, bei der die Kapazität durch die Übertragung mehrerer Datenströme über denselben Kanal erhöht wird.

             Sektor-Antennen: Diese werden oft in Gruppen von drei oder vier Antennen auf einem Mobilfunkmast angeordnet und sind so konzipiert, dass sie eine Abdeckung in eine bestimmte Richtung oder in einem bestimmten „Sektor“ bieten. Diese Segmentierung dient der Erweiterung des Gesamtabdeckungsbereichs und reduziert Interferenzen zwischen Signalen. Sektor-Antennen sind oft in einer geometrischen Konfiguration angeordnet und bieten eine 360-Grad-Abdeckung.

• Basissendeempfängerstation (Base Transceiver Station, BTS): In der BTS befinden sich die Funk-Transceiver, die HF-Signale empfangen und senden. Jeder Transceiver oder Kanal unterstützt eine bestimmte Anzahl gleichzeitiger Aufrufe. Die BTS umfasst auch Geräte zur Ver- und Entschlüsselung der Kommunikation, Tools zur spektralen Filterung, Duplexer und Verstärker.

• Turm oder Mast: An diesem hohen Bauwerk sind oben die Antennen befestigt. Es handelt sich meist um eine Stahlkonstruktion. Die Höhe ist von strategischer Bedeutung: Je höher die Antennen angebracht sind, desto größer ist das Gebiet, das sie abdecken können. Die Konstruktion muss auch Umwelteinflüssen wie Wind sowie dem Gewicht der Ausrüstung standhalten können.

• Bodenausrüstung: Hierzu gehören Kästen, in denen sich verschiedene Hilfssysteme wie Stromsysteme für den Mobilfunkmast (oft Notstromversorgungen mit Batterien), HLK-Systeme zur Temperaturregelung und Basisbandempfänger zur Verarbeitung von Anrufdaten befinden.

• Mikrowellenantennen: Für Mobilfunkmasten, die nicht über ein physisches Kabel mit dem Telekommunikationsnetz verbunden sind (in der Regel an abgelegenen Standorten), werden Mikrowellenantennen für Backhaul-Verbindungen verwendet. Diese Antennen ermöglichen die Punkt-zu-Punkt-Kommunikation mit anderen Mobilfunkmasten oder einem Netzwerkknoten. Sie werden oft an den Seiten des Masts verwendet und sind besonders nützlich in Bereichen, in denen die Verlegung von Kabeln unpraktisch ist.

• Verkabelung: Die Verkabelung verbindet alle Komponenten des Mobilfunkmasts, sodass sie miteinander kommunizieren können. Es gibt verschiedene Arten von Verkabelungen, wie z. B. Koaxialkabel, Wellenleiter für die Mikrowellenübertragung und Glasfaserkabel. HF-Kabel verlaufen von der BTS zu den Antennen und Netzwerkkabeln zur Datenübertragung.

Die nahtlose Orchestrierung dieser Mobilfunkmastkomponenten bildet das Rückgrat drahtloser Kommunikationsnetzwerke.

Mobilfunkmasten fungieren als Vermittler zwischen mobilen Geräten und dem Telekommunikationsnetz. Einfach ausgedrückt empfangen Mobilfunkmasten Signale von Ihrem mobilen Gerät, wandeln diese Signale in ein digitales Format um und senden sie dann an ihr Ziel, entweder zu einem anderen Telefon oder ins Internet. Bei eingehenden Anrufen oder Daten wird der Prozess umgekehrt. Das hört sich vielleicht einfach an, umfasst aber viele Schritte und Geräte. Lassen Sie uns ins Detail gehen.

Der Kommunikationsprozess beginnt, wenn ein mobiles Gerät, z. B. ein Mobiltelefon, ein Signal sendet. Dieses Signal ist eine elektromagnetische Welle, genauer gesagt eine HF-Welle, die im Wesentlichen eine modulierte Version der Stimme oder der Daten des Benutzers darstellt. Das Signal wird von einer der am Mast montierten Antennen empfangen. Diese Antennen können die MIMO-Technologie nutzen. Hierbei werden zur Erhöhung der Kapazität mehrere Datenströme über denselben Kanal übertragen.

Nachdem die Antenne das Signal empfangen hat, wird es durch eine Reihe von Hochfrequenz-Koaxialkabeln oder Wellenleitern zur BTS geleitet, die sich am Fuß des Masts befindet. Die BTS wandelt das HF-Signal in ein digitales Format um, das vom Netzwerk verarbeitet werden kann. Das verarbeitete Signal wird dann über Backhaul-Verbindungen an die Mobilfunkvermittlungsstelle (Mobile Switching Center, MSC) gesendet. Je nach Standort und Infrastruktur kann diese Verbindung physischer (z. B. Glasfaserkabel in städtischen oder vorstädtischen Gebieten) oder drahtloser (z. B. Mikrowellenverbindungen in abgelegenen Gebieten) Natur sein.

Die Vermittlungsstelle, das Herzstück eines Mobilfunknetzes, leitet den Anruf oder die Daten dann an das richtige Ziel weiter, beispielsweise an ein anderes mobiles Gerät oder einen Server im Internet. Bei einem eingehenden Anruf oder eingehenden Daten läuft der Prozess genau umgekehrt ab. Die Vermittlungsstelle sendet das Signal an die BTS, die es dann wieder in ein HF-Signal konvertiert. Dieses HF-Signal wird dann von den Antennen des Mobilfunkmasts an das vorgesehene mobile Gerät übertragen.

Ein Mobilfunkmast kann in ländlichen Gebieten Signale an Telefone senden, die bis zu 30 Kilometer entfernt sind. In dicht besiedelten Städten mit vielen physischen Hindernissen wie Gebäuden kann die Reichweite auf ein oder zwei Kilometer reduziert sein. Mobilfunkmasten können Tausende von Anrufen oder Internetverbindungen gleichzeitig verarbeiten.

Die Reichweite von Mobilfunkmasten (technischer Fachbegriff: Zellradius) kann durch mehrere Faktoren erheblich beeinflusst werden. Hochfrequenzsignale, wie sie typischerweise in 5G-Netzen verwendet werden, haben in der Regel kürzere Reichweiten, aber auch höhere Kapazitäten. Niedrigere Frequenzen, wie sie in ländlichen Gebieten häufig für 4G LTE verwendet werden, haben zwar eine größere Reichweite, übertragen aber weniger Daten. Die Höhe und der Typ der Antenne spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Abdeckung. Höhere Antennen können Hindernisse überwinden und einen größeren Bereich abdecken. Antennentypen wie Sektor-Antennen können zur gezielten Abdeckung in bestimmte Richtungen verwendet werden, während Panel-Antennen eine breite Abdeckung bieten. Mithilfe von Beamforming, einer Technik, die in fortschrittlichen MIMO-Konfigurationen eingesetzt wird, kann das Signal ebenfalls auf bestimmte Benutzer ausgerichtet werden, um die Reichweite zu erhöhen und die Signalqualität zu verbessern.

Um Tausende gleichzeitige Anfragen abzudecken, wird in modernen Mobilfunkmasten mithilfe ausgeklügelter Technologien die Anzahl paralleler Anrufe oder Datensitzungen maximiert. MIMO ermöglicht das gleichzeitige Senden und Empfangen mehrerer Datenströme, wodurch die Kapazität effektiv vervielfacht wird, ohne dass zusätzliche Bandbreite erforderlich ist. Fortgeschrittene Techniken zur Steigerung der spektralen Effizienz, wie die Quadraturamplitudenmodulation (QAM), werden ebenfalls eingesetzt, um mehr Bits pro Hertz an Bandbreite zu übertragen. Die Kapazität hängt von der eingesetzten Technologie ab. So ermöglicht die mmWave-Technologie höhere Bandbreiten und damit auch eine höhere Kapazität. Darüber hinaus kann sich der Bereich der Frequenzen, die der Mobilfunknutzung in einem bestimmten Gebiet zugewiesen sind – auch als verfügbares Spektrum bezeichnet –, auf die Kapazität auswirken.

Bei der drahtlosen Kommunikation bezieht sich die Sichtverbindung auf den direkten, ungehinderten Weg, den Funkwellen von der Sendeantenne, z. B. einem Mobilfunkmast, zur Empfangsantenne, z. B. einem Smartphone, zurücklegen.

Für eine optimale Signalstärke und ‑qualität ist eine ungehinderte Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger nötig. Hindernisse wie Gebäude, Bäume, Hügel oder auch atmosphärische Bedingungen können zu einer Signaldämpfung oder ‑abschwächung und einer Mehrwegeausbreitung führen, bei der Signale von Oberflächen abprallen und zu unterschiedlichen Zeiten beim Empfänger ankommen, was zu Interferenzen und Leistungsminderungen führen kann.

Die Sichtverbindung wird besonders in höheren Frequenzbändern wichtig, wie denen in 5G-Netzen, die kürzere Wellenlängen haben und anfälliger dafür sind, von Hindernissen absorbiert oder reflektiert zu werden. Die Sichtverbindung ist der Grund, warum Mobilfunkmasten meist hoch über den Boden ragen und warum Technologien wie Beamforming eingesetzt werden, um das Funksignal in Richtung des Empfängers zu bündeln.

Mobilfunkmasten unterscheiden sich je nach Bauweise, Standort und der Art der eingesetzten Technologie. Zu den gängigsten Masttypen gehören Monopol-Masten, Gittermasten, abgespannte Masten, getarnte Masten, auf Dächern platzierte Masten und Small Cells.

Der einfachste Typ von Mobilfunkmast ist auch derjenige, der am häufigsten verwendet wird, insbesondere in städtischen Gebieten. Ein Monopol-Mast ist ein einzelner, freistehender Mast, der in der Regel 15 bis 60 Meter hoch ist. Die Antennen befinden sich meistens oben in einem Gehäuse oder sind außen angebracht.

Diese Mobilfunkmasten sind oft auf dem Land oder entlang von Autobahnen zu sehen. Sie sind robuster als Monopol-Masten, können mehr Ausrüstung tragen und erreichen größere Höhen. Gittermasten sind freistehend und verfügen über einen Rahmen aus horizontalen und diagonalen Stäben, die einen Gittereffekt erzeugen. 

Diese Mobilfunkmasten sind oft auf dem Land oder entlang von Autobahnen zu sehen. Sie sind robuster als Monopol-Masten, können mehr Ausrüstung tragen und erreichen größere Höhen. Gittermasten sind freistehend und verfügen über einen Rahmen aus horizontalen und diagonalen Stäben, die einen Gittereffekt erzeugen. 

Wie der Name schon sagt, sind getarnte oder verborgene Mobilfunkmasten so konstruiert, dass sie sich in ihre Umgebung einfügen. Sie können so gestaltet sein, dass sie Bäumen (häufig als „Monopines“ bezeichnet), Uhrtürmen, Fahnenmasten oder Kirchtürmen ähneln. Alternativ können Sie in Gebäude, Beschilderungen oder andere bestehende Bauwerke integriert werden.

In dicht besiedelten städtischen Gebieten ist es unter Umständen nicht praktikabel oder möglich, einen freistehenden Mobilfunkmast zu errichten. In diesen Fällen können die Antennen auf Dächern von Gebäuden oder anderen bereits vorhandenen Bauwerken installiert werden. Diese Anlagen können viel niedriger sein als herkömmliche Mobilfunkmasten, müssen aber oft dichter platziert werden, um eine ausreichende Abdeckung zu gewährleisten.

Mit Einführung der 5G-Technologie kommen Small Cells immer häufiger vor. Diese kleinen Zellen, die als Mikro-, Pico- oder Femto-Zellen bezeichnet werden, haben eine kürzere Reichweite, können aber schnell große Datenmengen übertragen. Small Cells werden oft an Straßenlaternen, Strommasten oder Gebäuden in Ballungsräumen angebracht.

Diese verschiedenen Typen von Mobilfunkmasten dienen alle dem gleichen Zweck, nämlich dem Senden und Empfangen von Signalen mobiler Geräte. Welcher Typ Mast genau verwendet wird, hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. den geografischen Begebenheiten, der Bevölkerungsdichte und den spezifischen Anforderungen des Mobilfunknetzes.

Die Hauptunterschiede zwischen 4G- und 5G-Mobilfunkmasten bestehen in den technologischen Änderungen, die sich auf die Geschwindigkeit, Kapazität und Latenz des drahtlosen Netzwerks auswirken. 4G-Netze werden in der Regel in niedrigeren Frequenzbändern von bis zu 2,5 GHz betrieben, während die 5G-Technologie auf ein breiteres Frequenzspektrum mit höheren Frequenzbändern von bis zu 100 GHz ausgelegt ist. Durch die Nutzung dieser höheren Frequenzen, insbesondere der Millimeterwellen-Bänder über 24 GHz, kann eine schnellere Netzübertragung ermöglicht werden, allerdings mit geringerer Reichweite.

Einer der bemerkenswertesten Unterschiede sind die Datenübertragungsraten. 5G-Mobilfunkmasten ermöglichen erheblich höhere Datengeschwindigkeiten als ihre 4G-Pendants. Zur Einordnung: 4G-LTE-Netze bieten Spitzengeschwindigkeiten von etwa 100 Mbit/s, während 5G-Netze theoretisch Geschwindigkeiten von bis zu 10 Gbit/s unterstützen. Das entspricht einer Steigerung um das Hundertfache.

Die Latenz, d. h. die Verzögerung bei der Datenübertragung nach einer Anweisung zur Datenübertragung, ist ein weiterer Bereich, in dem 5G sich auszeichnet. Im Vergleich zur typischen Latenz von etwa 50 Millisekunden bei 4G-Netzen soll durch 5G die Latenz auf nur wenige Millisekunden reduziert werden. Dies ist besonders in Echtzeitanwendungen relevant, etwa beim Betrieb autonomer Fahrzeuge. Die 5G-Technologie erfordert aufgrund der kürzeren Reichweite der höheren Frequenzen eine höhere Dichte an Mobilfunkmasten, insbesondere in Gebieten mit hoher Bevölkerungsdichte oder für die Abdeckung in Innenräumen. Um diese Herausforderung zu lösen, werden mithilfe von Small Cells Abdeckung und Kapazität erhöht.

Im Vergleich zu 4G-Masten kann ein einzelner 5G-Mast eine viel größere Anzahl an Antennen aufnehmen (Massive MIMO), um die Kapazität und Effizienz des Netzes zu steigern. Außerdem wird das sogenannte Beamforming eingesetzt, bei dem das Funksignal in eine bestimmte Richtung gebündelt wird, anstatt es wie bei 4G-Mobilfunkmasten wahllos in alle Richtungen zu senden. Dieser Ansatz trägt dazu bei, die Signalstärke von Mobilfunkmasten zu steigern und Interferenzen zu reduzieren.

Trotz ihrer Unterschiede ist anzumerken, dass sich die 4G- und die 5G-Technologien nicht gegenseitig ausschließen. Die meisten 5G-Netze teilen sich ihre Backhaul-Verbindungen und die gesamte Netzstruktur mit 4G und unterscheiden sich lediglich hinsichtlich der Funkschnittstelle. Diese Arten von Bereitstellungen werden in der Regel als NSA-Netzwerke (Non-Stand Alone) bezeichnet. NSA-Netzwerke sind vor allem deshalb so beliebt, weil alle Komponenten mit Ausnahme der Basisstation wiederverwendet werden können, wodurch die Kosten für den Netzwerkaufbau gesenkt werden. Es gibt auch SA-Netzwerke (Stand-Alone), die möglicherweise eine höhere Kapazität bieten könnten, aber für diese sind komplett neue Netzwerkkomponenten erforderlich, was den Aufbau erheblich teurer macht. Daher können die meisten Geräte in NSA-Netzwerken je nach Bedarf zwischen 4G und 5G wechseln.

Tests sind für die Zuverlässigkeit von Mobilfunkmasten von entscheidender Bedeutung, da sie die Erkennung und Behebung potenzieller Probleme ermöglichen und optimale Leistung, kontinuierliche Betriebszeit sowie die Bereitstellung robuster, nahtloser drahtloser Konnektivität für die Benutzer gewährleisten. Der O-RAN-Test, mit dem die Leistung und Interoperabilität von Open-Radio-Access-Network-Komponenten bewertet wird, ist besonders wichtig, um die reibungslose Funktionsfähigkeit fortschrittlicher Mobilfunknetze sicherzustellen. 

NI übernimmt eine zentrale Rolle beim Testen der Komponenten von Mobilfunkmasten, indem es flexible, skalierbare und kostengünstige Lösungen bereitstellt. Angesichts der Weiterentwicklung und steigenden Komplexität von drahtlosen Technologien, insbesondere mit Blick auf 6G, besteht eine hohe Nachfrage nach innovativen Testlösungen. NI reagiert auf diesen gestiegenen Bedarf, indem es hochwertige HF-Messungen und seine umfassende Erfahrung bei Tests im Bereich der drahtlosen Kommunikation gewinnbringend zusammenführt.

In letzter Zeit hat die Verlagerung von proprietären Protokollen hin zu Standardschnittstellen im Rahmen der Disaggregation der Basisstationskomponenten spezialisierte In-the-Loop-Tests und Emulationen erforderlich gemacht. NI kommt dieser Nachfrage mit dem Angebot entsprechender spezialisierter Tests entgegen, die durch hochwertige HF-Messungen unterstützt werden. Eine Partnerschaft mit NI gewährleistet robuste Testlösungen, die auf jahrzehntelanger Erfahrung in der Mobilfunkbranche basieren. Erfahren Sie mehr über die Entwicklung von schnellen und vernetzten drahtlosen Infrastrukturen.