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Mobilfunkstandards: Die Entwicklung von GSM bis zu 5G

Mobilfunkstandards Die Mobilfunktechnik
revolutioniert das Nutzerverhalten

Der Wandel der Mobilfunkstandards von analog zu digital

2G, 3G, 4G, 5G. Was wie die Wegstrecke eines Bauern beim Schach klingt ist in Wahrheit Technologie. Mobilfunktechnologie. Bald 30 Jahre ist es her, dass das Zeitalter der digitalen Mobilfunknetze in Deutschland ausgerufen worden ist. Wegweisend war der damals neue GSM-Standard. Er stellt bis heute die Grundlage jeglicher Mobilfunkgenerationen dar; und auch das in den nächsten Jahren entstehende 5G-Netz basiert auf dem GSM-Standard.

Die Geburtsstunde des Mobilfunks als solche, war dabei nochmal mehrere Jahre vorher. Das darf man sich allerdings nicht wie heute vorstellen. So war zu Beginn des Mobilfunkzeitalters lediglich eine analoge Sprachübertragung möglich. Dies galt im Jahr 1958 sowohl für das sogenannte A-Netz als auch dessen Technologie-Nachfolger, dem B-Netz. Außerdem gab es noch keine separate Telefonvorwahl für Mobiltelefone. Daher musste der Anrufer den Aufenthaltsort der angerufenen Person kennen, weil er nur über die Telefonvorwahl der entsprechenden Stadt den Empfänger mobil erreichen konnte. Während des Telefonats durfte sich der angerufene Teilnehmer auch nicht groß bewegen. Denn sobald sich die Person aus der Funkzelle begab wurde die Verbindung abgebrochen. Mit dem nachfolgenden Mobilfunkstandard, dem C-Netz, wurde dieses Problem zwar behoben. Die Sprachqualität ließ allerdings zu wünschen übrig.

Die Geburtsstunde des Mobilfunks

Deutlich besser wurde die Sprachqualität mit der Etablierung des 2G-Netzes. Einhergehend mit dem neuen GSM-Standard war es auch erstmals möglich mit dem Handy ins Ausland zu telefonieren. Die Kosten hierfür waren zwar noch relativ hoch, die Größe der Mobiltelefone und deren Gewicht machten Dauergespräche aber langsam möglich (ohne dem Gefühl, dass einem nach zwei Minuten der Arm abfallen würde). Das hatte allerdings auch seinen Preis. So hat z.B. das Mobilfunktelefon der Marke Siemens P1 (Gewicht von ca. 2 kg) damals über 3.000 D-Mark gekostet. Umgerechnet wären dies heute knapp 1.540 Euro. Das Resultat: Die Zahl der Menschen mit Mobiltelefonen war zunächst gering. Knapp über 200.000 Personen nannten ein Jahr nach dem Start ein GSM-Mobiltelefon ihr Eigen. Andererseits vergleichsweise viel, wenn man die Teilnehmer des analogen A-Netz zum Vergleich heranzieht. Da waren es lediglich 11.000.

Schließlich führten stetig sinkende Preise, der sukzessive Aufbau vom Mobilfunknetz sowie Netzeffekte zu einem Wachstum der Teilnehmerzahl. Netzeffekte beschreiben die mit jedem zusätzlichen Teilnehmer überproportional wachsende Attraktivität eines Netzes. Während zwei Teilnehmer lediglich zwei Verbindungen untereinander herstellen können, sind es bei drei Teilnehmern schon sechs. Bei vier Personen sind es bereits zwölf, usw.

Deutlich besser wurde die Sprachqualität mit der Etablierung des 2G-Netzes.

Die 3G-Technologie: Der erste große Fortschritt beim mobilen Surfen

Das Mobilfunk-Netz heute wird inzwischen bald mehr zur mobilen Übertragung von Daten als zum Telefonieren genutzt. Die Wachstumsraten der mobilen Internetnutzung steigt stetig an. So steigt das durchschnittliche Datenvolumen pro Anwender um rund 50 Prozent auf aktuell etwa 1,6 GB Ende 2018 an. Diese Entwicklung setzt sich in den kommenden Jahren der Nutzung fort.

Der Weg bis zu diesem Stand dauerte allerdings mehr als eine Dekade. Mit dem im Jahre 2001 eingeführten GPRS war erstmals ein digitaler Datentransfer an Daten möglich. Jedoch war die Übertragungsgeschwindigkeit via GPRS so gering, dass der mobile Versand von großen Dateien wie z.B. Fotos bzw. Bildern oder einem Musiktitel eigentlich nur theoretisch möglich war. So hätte die Übertragung eines Fotos mit einer Dateigröße von 2 MB etwa fünf Minuten gedauert. In der Regel kam es bei der Dateiübertragung allerdings meist zu einem Abbruch. Mit EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), so nannte sich die Weiterentwicklung der GSM-Technologie, kam ab 2006 dann eine immerhin viermal schnellere Technik zur Datenübertragung zum Einsatz; unter anderem auch im ersten iPhone von Apple. Ein mobiles Surfvergnügen wie wir es heute kennen, war mit dem iPhone zwar auch noch nicht möglich. Allerdings vermittelte es einen ersten Eindruck wohin die Reise in Bezug auf Smartphones und der mobilen Internetnutzung führen würde. Die Geschwindigkeit, die der Mobilfunkstandard EDGE lieferte, war aber für mobile Basisanwendungen wie E-Mail oder Instant-Messenger durchaus praktikabel. In völlig dünn besiedelten Gegenden, wo die Netzabdeckung teilweise noch Lücken aufweist, ist heute noch mancherorts ausschließlich EDGE verfügbar.

Einhergehend mit der Einführung des Mobilfunkstandards – UMTS (3G) – hatte das mobile Internet seinen finalen Durchbruch. Die Datenrate betrug damals bis zu 384 kBit/s. Mit dem iPhone machte das mobile Internetsurfen damals dann richtig Spaß. Zugegebenermaßen, mit der heutigen LTE Netzabdeckung, wo in der Regel eine Übertragungsrate von bis zu 50 MBit/s, teilweise sogar noch mehr, geliefert wird ist dies nicht zu vergleichen. Für die Anwendungen, die in der zweiten Hälfte der Nullerjahre mit dem Smartphone nutzbar waren, war das Erlebnis groß.

Die 3G-Technologie: Der erste große Fortschritt beim mobilen Surfen

Dank der neuen Technologie UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) war der gleichzeitige Austausch an Daten (Versand und Empfang von kleineren und größeren Datenströmen) übers Handy fortan möglich. Die Netzbetreiber erkannten in dieser Mobilfunktechnologie ein riesiges Potenzial, was zu einem historisch einmaligen Wettbieten bei der Auktion der Mobilfunklizenzen für UMTS führte. Bei der Versteigerung der UMTS-Mobilfunklizenzen wurden von den Netzbetreibern über 50 Mrd. Euro als Summe bezahlt. Diese Investition ist die höchste weltweit. Der deutsche Staat profitierte von dieser hohen Einmalzahlung. Allerdings stellte die Regierung Jahre später auch fest, dass das Geld besser in den Netzausbau anstelle des Bundeshaushalts geflossen wäre. Die durch die hohen Einmalkosten dezimierten Investitionsmöglichkeiten der Netzbetreiber führten nämlich dazu, dass die Netzabdeckung bis in die Gegenwart nicht flächendeckend optimal ist. Parallel dazu entwickelten sich die Teilnehmerzahlen, trotz der Verfügbarkeit von schnellem Internet mittels UMTS-Frequenzen, deutlich weniger rasant, wie von den Netzbetreibern und Mobilfunk-Anbietern erhofft. Erst mit einer zeitlichen Verzögerung setzte ein Kundenwachstum, das weitere Investitionen in die Netzabdeckung aber auch den nächsten technologischen Übertragungsstandard, möglich machte. So stieg mit der 3G-Erweiterung HSPA die Übertragungsrate auf 7,2 Megabit/s, was die Attraktivität für den Mobilfunkkunden wiederum erhöhte. Die anschließend folgende Technologie HSPA+ bot bereits eine Rate von bis zu 42 MBit/s, was einen weiteren Meilenstein darstellte.

Dank der neuen Technologie UMTS
3G-Erweiterung

Die LTE-Frequenz 4G: Der Nachfolger der 3G-Technologie

Das neue Mobilfunknetz 4G (4. Generation) oder auch LTE (Long Term Evolution) genannt, bietet im Vergleich zu den vorherigen Mobilfunkstandards – wie HSPA+, UMTS, GPRS & Co. – weitere Vorteile: so sind die Geschwindigkeiten für Up- und Downloads (bis zu 225 MBit/s und mehr) zur Übertragung von Daten deutlich höher. Auch die Latenzzeiten sinken deutlich. Dadurch erfolgt ein wesentlich schnellerer Datenaustausch zwischen Sender und Empfänger. Besonders für Zocker von Online Games stellen die Kriterien wesentliche Pluspunkte dar. Durch eine schnellere und konstantere Datenübertragung kommt es zu geringeren Spielabbrüchen, was wiederrum für mehr Spielspaß mit dem Gaming-Handy sorgt.

Bei der Übertragungsgeschwindigkeit kann es die mobile Datenübertragung per LTE mit den häuslichen Breitband-Internetzugängen aufnehmen. Schnellere Ladezeiten haben neben dem höheren Nutzerkomfort einen weiteren angenehmen Nebeneffekt: der Energiebedarf beim Surfen sinkt zu Gunsten einer längeren Akkulaufzeit.

Auch sind die Frequenz-Bänder bei 4G flexibler einsetzbar. Angenehmer Effekt: Der Empfang ist deutlich besser, die Störungsanfälligkeit geringer. Eine weitere spürbare Verbesserung der Sprachqualität bringt das Übertragungsprotokoll Voice over LTE (VoLTE).

Diese Punkte sprechen für die Technologie 4G bzw. LTE:

  • Schnellere Übertragung der Daten (bis zu 225 MBit/s)
  • Höhere Empfangsqualität
  • Schwächerer Energieverbrauch
  • Deutlich bessere Sprachqualität dank VoLTE
  • Höhere Sicherheit
Die LTE-Frequenz 4G: Der Nachfolger der 3G-Technologie
Die LTE-Frequenz 4G

Der Ausbau der LTE-Netzabdeckung geht in großen Schritten weiter voran. Zeitgleich wird bereits an dem neuen Mobilfunkstandard – 5G – gearbeitet. Im Zuge des technologischen Fortschritts hat sich auch das Verhalten der Mobilfunkkunden gewandelt. So hat das Handy bzw. Mobiltelefon, ob von HUAWEI, Samsung oder Apple, den PC bzw. den Laptop als Internetzugangsgerät Nummer 1 längst abgelöst.

5G-Auktion abgeschlossen – Aufbau der Netze steht an

Acht Jahre nach der Einführung von LTE steht die 5. Generation des Mobilfunks (5G) vor der endgültigen Marktreife. Im Juni 2019 ist die 5G-Auktion durch die Bundesnetzagentur für die Nutzung der 5G-Frequenzen in Deutschland erfolgreich abgeschlossen worden. Neben der Deutschen Telekom, Vodafone und Telefonica Deutschland hat auch 1&1 Drillisch 5G-Frequenzen ersteigert. Erste Testapplikationen durch die Telekommunikationsunternehmen sind erfolgreich in Betrieb. Bis sie flächendeckend verfügbar sein wird, werden allerdings noch einige Jahre ins Land ziehen. Unabhängig davon, die 5G-Technologie übertrifft bisher gekannte Übertragungsgeschwindigkeiten und Reaktionszeiten nochmal um ein vielfaches. Die Datenrate wird mindestens das 10-fache von LTE betragen. Datenübertragungsgeschwindigkeiten von einem bis zu zehn GBit/s werden mit dieser Technologie möglich sein. Aktuell sind solche Übertragungsraten nicht mal im Festnetzbereich verfügbar, was den Technologiesprung von 5G unterstreicht. Aber nicht nur in Sachen Speed, auch die Verbindungsqualität wird mit 5G weiter steigen. Und was der künftige Mobilfunkstandard gerade auch im Industriesektor zur Killerapplikation macht. Die Reaktions- bzw. Latenzzeit ist so minimal, dass sie eine Datenübertragung in Echtzeit erlaubt.

5G-Auktion abgeschlossen

5G-Mobilfunk spielt im Internet der Dinge eine tragende Rolle

Daher wird 5G besonders im Bereich der M2M (machine-to-machine)-Kommunikation und dem Internet der Dinge (IoT) eine wichtige Rolle spielen. Bereits heute sind mehrere Milliarden Geräte und Objekte weltweit über das mobile Internet miteinander vernetzt. Laut dem Netzwerkausrüster Ericsson wird diese Zahl in den kommenden vier Jahren auf rund 20 Milliarden anwachsen. Im Zuge dessen werden neben Computer, Tablets und Smartphones auch Geräte aus dem Unterhaltungs- und Haushaltssektor sowie Wearables, Fahrzeuge und Industriemaschinen nochmal deutlich miteinander vernetzt wie es in der jüngsten Vergangenheit bereits erfolgt ist. Für das autonome Fahren, woran die Automobilindustrie aber auch Digitalkonzerne bereits seit Jahren intensiv forschen und testen, ist eine Übertragung von Daten in Echtzeit wesentlich. Schließlich müssen intelligente Fahrzeuge in Bruchteilen von Sekunden auf unmittelbare Veränderungen reagieren können. Auch im Medizinsektor spielt die Real Time Kommunikation eine tragende Rolle bei der Realisierung neuer Einsatzmöglichkeiten.

5G-Mobilfunk spielt im Internet der Dinge eine tragende Rolle

Neben höheren Geschwindigkeiten und einem reduzierten Energieverbrauch der Smartphones wird der Nutzer durch 5G auch von neuen Möglichkeiten im Bereich der Augmented Reality profitieren. Eine stärkere Verzahnung von Realität und virtueller Welt wird hier möglich sein.

Zusammenfassung – Diesen Mehrwert bietet die neue Mobilfunktechnologie 5G:

  • Sehr hohe Geschwindigkeit und Übertragungsraten
  • Stabilere Verbindungen
  • Basis für das „Internet der Dinge“ (IoT)
  • Austausch und Kommunikation in Echtzeit möglich
  • Neue und wertvolle Perspektiven im Bereich „Augmented Reality“
Diesen Mehrwert bietet die neue Mobilfunktechnologie 5G

In der Grafik sind die Lebensphasen der Mobilfunknetze bisher dargestellt. Rund alle 10 Jahre etabliert sich eine neue Mobilfunk-Generation.

Lebensphasen der Mobilfunkstandards in Deutschland

Lebensphasen der Mobilfunkstandards in Deutschland

Die Übertragungsrate – aus diesen Gründen ist die Netzgeschwindigkeit so wichtig

„Je schneller desto besser“ lautet die vermeintliche Devise. Dies zeigt sich am Beispiel von Videostreaming. Das Ansehen von Videos und Spielfilmen über das Internet verursacht besonders viel Datenvolumen. Wie hoch das Datenaufkommen im Detail ist, hängt zwar von der Qualität des Filmes bzw. Videos ab. Dennoch ist das Anschauen von Videos mit dem Übertragungsstandard 3G kein Zuckerschlecken. Salonfähig ist das Video-Streaming hingegen mit LTE. Hiermit macht das Videoschauen mit LTE richtig Spaß, denn auch die Bildqualität stimmt hier. So können Videos und Spielfilme in HD-Qualität und ohne Ruckeln auf dem Smartphone geschaut werden.

Die Übertragungsrate

Der rapide Fortschritt der Übertragungsgeschwindigkeit im Mobilfunk wird in der Grafik deutlich. Die durchschnittliche Dateigröße eines Spielfilms in HD-Qualität beträgt 4,5 Gigabyte. Der Download dieser Datei hatte mit dem 2G-Netz länger als sieben Tage benötigt. Dies ist dabei ein theoretischer Wert, da es i.d.R. vorher zu Verbindungsabbrüchen kam. Mit dem UMTS-Standard hatte der Download etwa 1,5 Stunden in Anspruch genommen während mit LTE der Spielfilm in knapp 2,5 Minuten zum Ansehen auf dem Smartphone verfügbar ist. Mit einer Geschwindigkeit von 10 Gigabit pro Sekunde beim Download wäre der Film bereits in vier Sekunden heruntergeladen.

Übertragungsgeschwindigkeiten im Vergleich (HD-Video mit 4,5 GB)

Übertragungsgeschwindigkeiten im Vergleich (HD-Video mit 4,5 GB)

Bitte beachten: Nicht allen Handys ist es möglich die potenzielle Höchstgeschwindigkeit des Mobilfunk-Netzanbieters zu nutzen. Informationen hierzu findet man in den Herstellerangaben. Darüber hinaus hängt die tatsächlich verfügbare Geschwindigkeit von der aktuellen Auslastung des Mobilfunknetzes ab. In einem Fußballstadion kann die Datengeschwindigkeit durchaus mal etwas niedriger sein, weil parallel mehrere tausend anderer Nutzer im mobilen Netz surfen. Hohe Übertragungsraten werden generell in gut ausgebauten Regionen erzielt, z.B. in Städten.

Fazit: Die Entwicklung des Mobilfunks geht weiter

Jeder neue Mobilfunkstandard brachte neue Möglichkeiten und mobile Dienste mit sich. Innerhalb kürzester Zeit haben sich diese dann für den Verbraucher zum Standard entwickelt. Die aktuelle LTE-Technologie ist das aktuell Non plus Ultra – auch für die nächsten Jahre. Denn der bald startende Aufbau der 5G-Infrastruktur wird mehrere Jahre dauern bis dieser flächendeckend verfügbar sein wird. Parallel wird weiter in den Ausbau der LTE-Netze investiert. Für den Verbraucher bedeutet dies, dass er auch mit dem heutigen LTE-Standard über eine optimale Infrastruktur mit professionellen Diensten verfügen kann. yourfone stellt diese Dienste über LTE-Tarife mit attraktiven Smartphones bereit.

Die Entwicklung des Mobilfunks geht weiter

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