Die Grundlagen der Handy Mobilfunk Telekommunikation & 5G featuring Alice & Bob

Viele reden von Wissenschaftskommunikation, ich rede heute über die Technik und die Theorie hinter jeglichem Austausch von Informationen über eine räumliche Distanz hinweg.
Wie geht eigentlich Handytelefonie und digitale Kommunikation? Wie funktioniert das prinzipiell und konzeptionell?
Alice und Bob sind dabei die Hauptcharaktere (Alice and Bob are the leading actors in every communication).
Mobilfunk & Grundlagen der Handy-Telekommunikation beinhaltet Infos über Digitalisierung, Bits, Zustandsdiagram, Binärschreibweise mit Nullen & Einsen, Funk, elektromagnetische Felder, elektromagnetische Wellen, Auflösung, Abtastrate, Samplingrate, Mobilfunkzelle, Antennen, EMF-Karte, Funkanlagen, Basisstation, Funknetz, Referenzmodelle, ISO Osi 7 Schichten Modell, Bit Stuffing, Endgeräte, Zielmast, MSC, Mobile Switching Center, SIM-Karte, Arnim als Handy, Funkzelle, Erreichbarkeitsinfo, Home-MSC, Foreign-MSC, Frequenzschlitzverteilung, Vielfachzugriffsverfahren, 1G, 2G, 3G, 4G, 5G, EM-Wellen, Datenschutz, Richtkommunikation, Bestrahlung, Emissionen, Uplink-Geräte, Exposition, Frequenzen, EMV

Lustiges Mobilfunk Filmzitat aus James Bond:
- Q: "Ein Funktransmitter. Standardausführung."
- James Bond: "Schöne neue Welt. Das neuste aus Abteilung Q, nennt sich Sender."

Olaf wünschte sich einen Beitrag "in sachen 5 g" mit "kriminalistischer Arbeitshaltung" konkreter "5g und biochemie", also vermutlich Gesundheits- und Sicherheitsprobleme durch elektromagnetische Strahlung. Also schwang ich mich auf mein Fahrrad, fuhr zur Uni Bibliothek und lud mir über das Datenbank Informationssystem DBIS ein paar Paper über IEEE Xplore und pubmed runter und naja was soll ich sagen? Ich habe es irgendwie nicht hinbekommen die durch zu arbeiten, weil ich habe es noch nicht ganz verstanden. Und so dachte ich mir: 5G und Gesundheit machte später, informiere dich erstmal über die: Grundlagen der Telekommunikation an und für sich. Also jeglicher Austausch von Informationen und Daten über eine räumliche Distanz hinweg. Vielleicht ist es für die Experten da draußen ganz interessant zu sehen wie ich mir als Energietechniker die Kommunikation mittels Funk vorstelle, künstlerisch umsetze und mit meinen Filmchen hier vermittle: los geht's!

Am Anfang waren Alice und Bob. Das hat jetzt erst mal nichts mit Kryptographie zu tun und ich hoffe das wird nicht zu abstrakt aber Alice und Bob sind bei mir einfach nur zwei kommunikationsfähige Endgeräte. Damit die Kommunikation klappt, muss es vordefinierte Absprachen und Normen geben damit die übermittelten Daten auch richtig interpretiert werden können. Exemplarisch will ich jetzt zwischen meinen Endgeräten Daten übermitteln. Ich habe mich dazu entschieden ein A wie Anton von Alice nach Bob zu versenden. Ich, also Menschgerät, habe in der Grundschule die Schriftsprache gelernt und kann die mit meinen Augen lesen, mit meinem Kopf verstehen und mit meiner Stimme interpretieren. Als digitales A sieht dieser Buchstabe in der Binärschreibweise so aus: gleich 01000001 vielleicht hätte ich doch einen anderen Buchstaben nehmen sollen, egal. Diese 1A Informationen hat eine Wortbreite von acht Zeichen also 8 bit. Damit könnte ich theoretisch zwei hoch acht gleich 2156 verschiedene Kombinationen aus Einsen und oder Nullen darstellen. Und das ist es was ich jetzt als Energietechniker einigermaßen verstehen kann, denn jetzt habe ich nur zwei verschiedene Zustände, die ich darstellen muss. 1 Licht an und 0 Licht aus. Stichwort: Glasfaser. Auf einer Kleinelektronik-Signalleitung ist 1 das Ein-Signal von zb 3,3 Volt und 0 ist 0 Volt gegen Ground. Und jetzt finde mal eine Platine, die nicht grün ist hier mit dem ganzen Greenscreening hier. Fällt überhaupt nicht auf; aber ich muss ja kein Greenscreen Experte sein, ich bin nur hier, weil ich verdammt gut aussehe. Und bei Funk, also ich meine elektromagnetischen Feldern, ich meine elektromagnetischen Wellen, da überträgt man die Nullen und Einsen, indem man Welleneigenschaften, wie Frequenz, Amplitude und oder Phase verändert. Binärcodes lassen sich also technisch sehr leicht abbilden und verarbeiten, zum Beispiel durch Spannungen. Und wenn du jetzt keine Text-Informationen, sondern etwas komplexeres, wie Bild- und Toninformationen in Binärschreibweise haben willst, dann kannst du das in der regel auch mit Spannungswerte ausdrücken. Beispiele: wenn die Membran eines Mikrofons schwingt, kann man diese Bewegung Mems-Oszillatoren-mäßig in proportionale Spannungslevel über der Zeit umwandeln. Wenn du die Temperatur mit Hilfe eines Thermoelementes messen willst, erhältst du aufgrund des thermoelektrischen Effektes ebenfalls eine Spannung und bei der Messung der Temperatur von Leistungshalbleitern benutzt du keine Thermoelemente, sondern TSEPs: Temperatur sensitive elektrische Parameter. Wenn du denkst es geht nicht mehr, kannst du irgendwo eine Spannung messen und dir daraus alles herleiten was du wissen willst. Jetzt kommt ich Stelle mit dem Satz, dass du quasi jedes natürlich Signal als die Summe von verschiedenen Sinus-Signalen darstellen kannst. Kurze Anmerkungen zur Digitalisierung von analogen Spannungssignale. Und das hier ist keine Antenne. Die Bit-Zahl eines Datenverarbeitungssystems bestimmt die Auflösung bei 16 Bit sind das immerhin zwei hoch 16 gleich 65536 verschiedene Werte. Wenn du damit einen Eingangsspannungsbereich von 1 Volt abbilden willst, könntest du auf einige 10 Mykrometer genau auflösen. Und wenn du größere Bereiche als ein Volt abdecken musst, denkt immer daran dass du in der Regel noch eine Messschaltung da vorgeschaltet hast und du auch die größten Spannungen mittels simpler Spannungsteiler herunterbrechen kannst. Du stellst u dir dann messtechnisch auf den Bereich und die Genauigkeit ein, die du brauchst. Die Abtastrate oder Samplingrate ist die Häufigkeit, mit der man Werte hintereinander umwandelt. Bei 48 khz sind das 48.000 Samples = Datenwerte pro Sekunde. Du willst also einen analogen Spannungsfeld zu einer bestimmten Zeit in einen nahegelegenen geplanten digitalen Wert umwandeln. Aber ich will ja einfach nur 0 1 0 0 0 0 0 1 übertragen. Alice befindet sich in einer sogenannten Mobilfunkzelle und zwar nicht in irgend einer Zelle, sondern in ihrer höchstpersönlichen Kellerzelle, ich meine Hauszelle, die Home Zelle. Für die Denglisch-Hasser. Die Antennenvorrichtung von Alice sendet elektromagnetische Wellen an den Mobilfunkmast, die Basisstation der Home Zelle, in der sie sich befindet. Mobilfunkmasten unterschiedlicher Mobilfunkzellen sind in der Regel mit drahtgebundenen Übertragungswegen miteinander verbunden, weswegen auch Mobilfunkkommunikation in der Regel nicht ganz schnurlos, ich meine Kabel-Übertragungswegefrei funktioniert. Auf den Internetseiten der Bundesnetzagentur gibt es eine interaktive Deutschlandkarte, auf der die Positionen von ortsfesten Funkanlagen eingezeichnet sind, die sogenannte EMF-Karte. So da kann ja jeder mal seinen häufigen Aufenthaltsort eingeben und sich wundern.

Woher weiß die Basisstationen, dass ich Infos sende und wie interpretiert sie diese? Ein Handy schrägstrich Mobilfunktelefon würde in kurzen Zeitabständen ein starkes Signal senden; gleichzeitig empfängt sie stets die Funksignale der umliegenden Basisstation und wird daraus das stärkste Signal wählen. Ein eingeschaltetes Handy ist eigentlich permanent in Verbindung mit einer Mobilfunk Basisstation, um ein Gespräch aufbauen zu können. Wenn man in der Nähe eines Lautsprechers sein Handy hat und hört diese komischen Störgeräusche und Töne; das ist immer dann wenn das handy die Verbindung zur Basisstation prüft. Aber ich kann ja jetzt nicht immer nur 01000001 übertragen, weil das versteht ja keiner, so ganz ohne Anrede, Begrüßungsfloskel und over and out.
- "Hallo, Funknetz, hört mich jemand?"
- "Hallo, hier ist das Funknetz Basisstation 4711."
- "Hallo Funknetz, hört mich irgendjemand?"
- "Hallo, hier ist Basisstation 4711."
- "Ja hallo, hier ist der Arnim, ich bin Mitglied im Funknetz und würde mich gerne mit meinem Telefon einbuchen."
- "Ja hallo Arnim!"

Ja ich hoffe das führt jetzt nicht zu weit, aber damit die Nullen und Einsen richtig interpretiert und verarbeitet werden, gibt es ein sogenanntes Netzwerkprotokoll, oder auch iso osi Referenzmodell das open systems interconnection modell oder auch sieben Schichten Modell. Ich liebe es, wenn es viele Bezeichnungen für ein und das Selbe Ding gibt, besser als umgekehrt. Diesen Standard gibt es seit ca 1984. Das osi Modell beschreibt die Kommunikation über unterschiedliche technische Systeme hinweg und begünstigt dabei auch Weiterentwicklungen in der Technik. Also das ist so: Die elektronische Signalübertragung, die geregelte Reihenfolge der Signalsendung, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Effizienz. Das wird alles von dem Osi regelt. Auf den einzelnen Schichten der sieben Ebenen, werden die Anforderungen separat umgesetzt. ich bin zwar kein guter Moderator, aber dafür habe ich andere Qualitäten, wenn du verstehst, was ich meine. Also worauf ich eigentlich hinaus wollte: In der Telekommunikation wird durch Zusätze berücksichtigt, dass eine von den Datenströmen getrennte Zeichengabe für den Verbindungsaufbau und -abbau vorhanden ist das wird zusätzlich zu 0 1 0 0 0 0 0 1 übertragen. Also in die Handytelefonie funktioniert nicht direkt von Endgerät zu Endgerät; also dafür gibt es andere Techniken. Meine Daten gehen direkt vom Mobilfunkmast zur Basis-Sende-Empfänger Station und nach der Verarbeitung wird das Signal zum Woher weiß dein Mast denn, wo mein Mast steht, wenn du verstehst, was ich meine. Stichwort: msc mobile switching center. Als ich mir meine SIM-Karte gekauft hatte beim Discounter, da wurde meine Teilnehmerinformationen im msc gespeichert. Das sind so Informationen, wie Name, Aussehen, Alter, Haarfarbe, Aktivitä, all so was. Ab dem ersten Julie 2017 1.7.17 müssen Mobilfunkkunden beim Kauf einer Prepaid SIM-Karte ihren Ausweis vorlegen. Das anonyme Telefonieren mit Prepaid-Karten hat damit ein Ende. Anbieter von prepaid Karten sind nun verpflichtet, die Identität des Käufers zu prüfen, bevor die Karte für das Mobile Telefonieren freigegeben wird.

Wenn ich jetzt durch Fortbewegung, durch Änderungen meiner Lokalisation, meine Home msc verlasse, dann wird mir eine neue Liste zugeteilt, die aus meiner Sicht ein sogenannter forreign msc ist. Weil die msc die kommunizieren auch unter sich. Dadurch weiß mein home msc sehr oft, wo ich mich gerade befinde. Standort Lokalisation erfolgt immer dann, wenn das Gerät eingeschaltet wurde oder zwischendurch beim Senden der Statusinformation. Als Handy überprüfe ich die ganze Zeit, ob die Verbindung zur Basisstation noch in Ordnung ist. Als handy kommt man dann irgendwann an den Rand der Funkzelle und die Verbindung wird immer schlechter. Als Armin fahre ich dabei gleichzeitig natürlich in den Bereich der nächsten Funkzelle. Da wird die Verbindung wieder besser. Als Handy bekomme ich dann die Verbindungen zur nächsten Basisstation, das kann man sich in etwa so vorstellen.
- "Hier ist die Basisstation 4715."
- "Ja hallo, hier ist der Arnim, ich bin jetzt in ihrer Funkzelle."
- "Verstanden, hallo Arnim, die Verbindung ist gut.
Kontrollstation 47, hier ist Basisstation 4715, Arnim ist in meine Funkzelle, er ist jetzt über mich eingebucht."
- "Verstanden 4715, ich gebe die Meldung weiter."
Und die Vermittlungen vermerkt dann, dass ich jetzt nicht mehr 7411, sondern in 4715 erreichbar bin. Und damit ist der Ortswechsel von einer Funkzelle in die andere abgeschlossen, im ganzen Netz bekannt, ich als Arnim merke davon gar nichts. Hallo Welt, hier bin ich, habt ihr auf mich gewartet? Nein, auch ok. Ach so kommen die Informationen zu Stande, wenn ich ne SMS bekommen, dass mich der und der Teilnehmer am so und so vielten versucht hat mich zu erreichen und jetzt wieder erreichbar ist. Stichwort: Erreichbarkeitsinfo. Genau deswegen werden in realistischen Filmszenen, in denen jemand vor dem Geheimdienst flieht und untertauchen will, sämtliche Handys auf spektakuläre Art und Weise unschädlich gemacht.

Bei 1G wurden die Daten noch in einem analogen Format per Funk übertragen, also wahrscheinlich werden da die analogen Spannungssignalewellen aus der Audio zu Spannungswandlung mit in der Form vergleichbaren EM Wellen moduliert. Das war sehr störanfällig und leider auch sehr unsicher in klammern: Datenschutz. 2G war dann schon digital und bot auch einiges an vielfach Zugriffstechnologien an. Neben der SMS wurde bei 2G schon das Internet browsen eingeführt. Wahnsinn! Geschwindigkeit immerhin schon bis zu circa 50 kilobit pro sekunde. 3G optimierte das ganze auf eine höhere Datenzugriffsgeschwindigkeit. Hier wurde dann erstmals eine höhere Bandbreite verwende. Mit 2 megabit pro sekunde waren auch GPS und Videoverbindungen relativ flüssig. 4G gebrachte es dann auf Geschwindigkeiten von 20 bis 100 Megabit pro Sekunde. HD-Streaming sollte nun auch flüssig laufen. Eine Neuerung waren zum Beispiel mehrere Sender- und Empfängerantennen im Endgerät und oder den Mobilfunkmasten. 5G soll es auf bis zu circa 10 Gigabit pro Sekunde bringen. Dies wird vor allem durch einen höheren Frequenzbereich und kleinere Wellen und bessere Antennentechnik Kunst erreicht. Neue Anwendungsfelder sind vor allem Dinge aus dem Internet of Things oder auch fahrerlose Autos, smart homes, vernetzte Industrie 4.0 und so weiter und so fort. Als kleiner Ausblick quasi die Hauptargumente mit denen 5G Kritiker besänftigt werden können aber nicht müssen: Mit verbesserter Antennentechnologie kann 5G gezielter, präziser und gerichteter kommunizieren; es wird also nicht mehr in alle Richtungen gesendet, sondern gezielt auf einzelne Benutzer, die es nötig haben. Das spart Energie, erhöht die Kapazität der Funkstation und reduziert Bestrahlung von unbeteiligten Teilnehmern. Allerdings bedeutet das auch dass der Standort des aktiven Teilnehmers ganz genau bekannt sein muss oder genau genug relativ bekannt.
Gute Mobilfunkmasten und Endgeräte arbeiten immer mit der geringst notwendigen Leistung, um eine Verbindung aufrecht zu erhalten. Ein Ausbau des Netzes sorgt also auch für möglichst niedrige Emissionen, da die Endgeräte so nicht mehr viel ackern müssen, um eine gute Verbindung zu bekommen. Die größte Exposition für Menschen geht von den uplink Geräten aus und nicht von den Mobilfunkmasten (die downlink Geräte). Die höheren 5G Frequenzen dringen aufgrund der geringen Wellenlänge nicht über die äußeren Hautschichten hinaus in den Körper ein. Es gibt durchgenormte Grenzwerte und Richtlinien, die besonders in der Servicewüste Deutschland strikt eingehalten und gemessen werden. So das war als kleines Einführungsvideo in die Welt der Telekommunikation und 5G. Wir haben jetzt zwar noch nichts Wichtiges über elektromagnetische Wellen gelernt aber was nicht ist kann ja noch werden und so wünsche ich viel Spaß beim Telefonieren und bis zum nächsten mal wenn es wieder heißt: - Mr. Spock: "Elektromagnetischen Strahlungen vom Ende des Spektrums.

Quellen/Referenzen:

Filme:
James Bond 007 - Skyfall | 2012 | https://youtu.be/zUjdEGaM0Gc
Star Trek Raumschiff Enterprise | S01E10 - Pokerspiele | 10.11.1966 | https://youtu.be/IaWNPUEARUU
Eagle Eye - Außer Kontrolle | 2008 | https://youtu.be/3LITj20XmMY
Transformers 2: Die Rache | 2009 | © Paramount international | https://youtu.be/ZwW_tY1ktSI
Das Bourne Ultimatum | 2007 | © NBC Universal Europe | https://youtu.be/kLqEzrrOT0A
IKeldroma: Star Wars op Kölsch (Teil 1) better quality | 11.2.2016
YouTube-Filme: Jason Bourne | © NBC Universal Europe | https://youtu.be/y_EKoqAVdbM
Werde Ingenieur: Wie funktioniert dein Handy? | 18.2.2019
WDR: Wie funktioniert eigentlich ein Handy? Frag doch mal die Maus | https://youtu.be/kno6nx_1ID8
Teachtoday - eine Initiative der Deutschen Telekom: Das steckt in deinem Handy! | 23.6.2017
TelekomHilfeVideos: Telekom: Video-Ident – Die neue Art der Identifikation für Ihre Mobilfunkbestellung | 9.3.2017

images:
Olaf: https://disney.fandom.com/de/wiki/Olaf
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EM-Wave.gif
http://www.florianhuettner.de/2015/reviere_ums_u.php

Musik & Sound:
BBC: BBC Proms 2011: James Bond Theme | 13.8.2011
Radio Regenbogen: AUSGESTORBENE GERÄUSCHE | 17.5.2013
Die Sendung mit der Maus Orchester Titelmelodie | 28.7.2019

Filmzitate:
James Bond: "Das Neuste aus Abteilung Q: Nennt sich Sender."
Spock: "Elektromagnetische Strahlung."
Jerry Shaw: "Hören Sie mir zu! Der Computer verfolgt uns, werfen Sie den ganzen Mist aus dem Fenster! Sie müssen sofort ihr Handy, ihren Pager, ihr Funkgerät, alles was ein Signal sendet rauswerfen, raus damit!"
Sam Witwicky: "Die können uns überwachen. Siehst du das?"

Unimaterialien:
Mathematische Methoden der Elektrotechnik WS 07/08 | Lehrstuhl für Bildverarbeitung RWTH AAchen
Vorlesung Kommunikationsnetze I WS 08/09 | Comnets RWTH Aachen
Weiterbildung "Die Stimme als Erfolgsfaktor in Beruf & Alltag" | Gleichstellungsstelle UK Aachen
Grundlagen elektronischer Materialien und Bauelemente - Kapitel 2 Elektronen, Atome und chemische Bindungen
Grundlagen des Compilerbaus | Software für Systeme auf Silizium
Basic Techniquies in Computer Graphics 1 WS 11/12 | Visual Computing Institute RWTH Aachen
Efficiency increase of SiC-BJT inverter by driver loss reduction with one-step commutation | ISPSD 2014
Physik I für Elektrotechniker | 1. Physikalisches Institut RWTH Aachen
Digitale Sprachverarbeitung WS 10/11 | Institut für Nachrichtengeräte und Datenverarbeitung RWTH Aachen
Technische Akustik II | Institut für Technische Akustik, RWTH Aachen
Grundlagen elektronischer Materialien und Bauelemente | Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik 2 RWTH

Websites:
https://blog.nerdmind.de/page/ascii-tabelle/
https://agilescientific.com/blog/2013/10/21/p-is-for-phase.html
https://de.wikipedia.org/wiki/OSI-Modell
https://www.tariftip.de/News/50522/Ausweispflicht-fuer-SIM-Karten-ab-1.-Juli-2017.html
https://www.bundesnetzagentur.de/DE/Sachgebiete/Telekommunikation/Verbraucher/ElektromagnetischeFelder/elektromagnetischefelder-node.html
https://www.informationszentrum-mobilfunk.de/technik/funktionsweise/mobilfunksendeanlagen

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#AliceBob
#HorstSchlemmer

Das Ganze als Vorlese-Podcast:
https://soundcloud.com/etlerin/die-grundlagen-der-handy-mobilfunk-telekommunikation-5g-featuring-alice-bob?utm_source=clipboard&utm_medium=text&utm_campaign=social_sharing
Die Grundlagen der Handy Mobilfunk Telekommunikation 5G featuring Alice & Bob