Wie funktionieren Mobilfunksendeanlagen?

Mobilfunksendeanlagen – die sogenannten Basisstationen – sind die Knotenpunkte der Mobilfunknetze. Jede Basisstation versorgt ein eng begrenztes Gebiet – die Funkzelle – mit Empfang. Die drei Netzbetreiber, die für Deutschland jeweils entsprechende Mobilfunklizenzen erworben haben, betreiben derzeit über 124.000 Mobilfunkbasisstationen. Damit versorgen sie knapp113 Millionen Mobilfunkteilnehmer im gesamten Bundesgebiet. 1,4 SIM-Karten entfallen statistisch auf jeden Bundesbürger (Quelle: Jahresbericht der Bundesnetzagentur 2014).

Mobilfunkbasisstationen sind Sende- und Empfangsanlagen, die mit niedrigen Sendeleistungen zwischen zehn und 50 Watt arbeiten. Die Sendeleistung der Handys ist noch geringer: Sie beträgt maximal zwei Watt.

Um ein Gespräch aufbauen zu können, müssen Handys immer die Verbindung zu einer Mobilfunkbasisstation halten. Daher werden die Basisstationen bevorzugt dort gebaut, wo viele Nutzer telefonieren oder Datendienste in Anspruch nehmen möchten. Die meisten Sendeanlagen gibt es in Städten und größeren Gemeinden, weil die Menschen nicht nur unterwegs, sondern auch in ihren Wohnungen und Büros mobil telefonieren möchten.

Eine Basisstation versorgt Gebiete unterschiedlicher Größe. Der Durchmesser einer Funkzelle reicht von 200 bis 500 Metern in Innenstädten bis zu mehreren Kilometern auf dem Land. Zellen für den UMTS- oder LTE-Mobilfunkstandard sind wegen der niedrigeren Leistung ihrer Sendeanlagen meist deutlich kleiner.

Sendeleistungen

Die typische Sendeleistung einer Basisstationsantenne beträgt zwischen zehn und 50 Watt. Mobilfunkbasisstationen senden dementsprechend mit nur einem Bruchteil der Leistung von Hörfunk- und TV-Sendern, die bis zu mehrere 100.000 Watt betragen kann. Auch der digitale Rundfunk DVBT (Digital Video Broadcasting-Terrestrial), der in vielen Regionen die analogen TV-Programme abgelöst hat, arbeitet mit größeren Sendeleistungen als Mobilfunkanlagen. In den vergangenen Jahren wurden die technischen Voraussetzungen geschaffen, um die Sendeleistung pro Gespräch bei gleichbleibender Übertragungsqualität zunehmend zu verringern.

Automatische Leistungskontrolle

Gemessen an den früheren analogen Mobilfunknetzen ist die Sendeleistung von Basisstationen und Handys immer weiter gesunken. Der Grund sind einerseits die wesentlich engmaschigeren Netze, die niedrige Sendeleistungen erfordern, und andererseits die Technik der automatischen Leistungsreduzierung, mit der Handys und Basisstationen arbeiten.

Sowohl Mobiltelefone als auch Basisstationen senden nur so stark wie nötig, um eine Sprach- oder Datenverbindung bei gleichbleibend guter Qualität aufrechtzuerhalten. Die Basisstation ermittelt laufend die geringstmögliche Sendeleistung, die für eine funktionierende Verbindung zum Handy benötigt wird. Auch das Handy passt seine Leistung der Qualität der Verbindung an und kommt so bei guter Netzversorgung mit einem Bruchteil der maximalen Sendeleistung aus. Denn zu starke Sender könnten die Verbindungsqualität benachbarter Anlagen beeinträchtigen. Ein positiver Nebeneffekt: Bei gutem Empfang verbrauchen Handys weniger Strom und der Akku hält länger.

Die Elemente einer Basisstation

Jede Mobilfunkbasisstation besteht aus mehreren Bauelementen. Meist handelt es sich um stabförmige, senkrechte Kästen, die die empfindlichen Mobilfunkantennen im Inneren vor Witterungseinflüssen schützen. Daneben gibt es häufig noch trommelähnliche Richtfunkantennen. Diese dienen nicht zur Versorgung von Handys, sondern stellen die Verbindung zu benachbarten Sendeanlagen oder zu einer Vermittlungszentrale her. Sie ersetzen damit die Anbindung über ein Telekommunikationskabel.

Das eigentliche „Herz“ einer Basisstation schlägt im Inneren eines größeren Metallschranks, der entweder auf dem Dach, dem Dachboden oder – meist bei Mobilfunkmasten – auf dem Erdboden steht. Er enthält die Steuerungs- und Sendeelektronik sowie die Stromversorgung.

Antenneneigenschaften

Typischerweise verfügt eine Basisstation über drei Antennen, die jeweils eine Funkzelle versorgen. Bei der Anordnung der Mobilfunkantennen wird üblicherweise ein sektorisierter Aufbau mit drei um jeweils 120 Grad versetzten Abstrahlrichtungen gewählt. Jede Antenne versorgt einen etwa 120 Grad breiten Sektor, sodass sich insgesamt eine kreisförmige Versorgung (360-Grad-Rundumabdeckung) ergibt.

Mobilfunkantennen senden überwiegend in horizontaler Richtung. Diese wird beim Mobilfunk als Hauptstrahlrichtung bezeichnet. Die Hauptstrahlrichtung ist üblicherweise etwas nach unten geneigt (Downtilt), damit primär die eigene Mobilfunkzelle versorgt wird und Abstrahlungen in die Nachbarzellen reduziert werden. Technisch bedingt gibt es neben der Hauptstrahlrichtung auch noch Feldabstrahlungen in andere Raumrichtungen – die Nebenstrahlungsrichtungen. Diese sind aber bezüglich ihrer Intensität in Relation zur Hauptstrahlrichtung wesentlich kleiner.

Im Gegensatz zu den Mobilfunkantennen senden die meist runden Richtfunkantennen ihre Signale in einem engen Bündel zielgenau auf eine weit entfernte Antenne. Diese Bündelung des Funksignals lässt sich mit dem Lichtkegel eines Leuchtturms vergleichen. Dafür benötigen Richtfunkantennen Sichtkontakt zur „Partnerantenne“ und kommen mit sehr geringen Sendeleistungen aus, weshalb für sie häufig kein Sicherheitsabstand gilt.