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"Intelligente" Antennen bringen Ordnung ins Mobilfunk-Chaos

So mancher Mobilfunkstation geht es mittlerweile wie einem Menschen, der in einem Großraumbüro konzentriert seiner Arbeit nachgehen möchte. Von ringsum kommen Informationen und ein nicht unerheblicher Teil der Konzentrationsfähigkeit wird darauf verwendet, unerhebliche Informationen geistig auszufiltern. Jedenfalls den Sendemasten kann jetzt geholfen werden: Am Institut für Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik arbeiten die Wissenschaftler an einer Technik, die Senden und Empfangen der Antennen in Richtungen erlaubt, die bis auf ein Grad genau sind. Damit sollen in Zukunft auf den gleichen Frequenzen doppelt so viele Handy-UserInnen bedient werden können.

Richtdiagramm

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Adaptive Antenne

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Adaptive Antenne

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Ernst Bonek

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Ernst Bonek

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Bisher ist es tatsächlich so, dass die Sendestationen entweder kreisförmig, also um 360 Grad, mit gleicher Leistung senden und empfangen. Lediglich in Ballungszentren sind von sechs voluminösen Antennen eines Mastes jeweils zwei für einen Sektor von 120 Grad zuständig, berichtet TU-Professor Ernst Bonek. Aber selbst damit wird immer noch eine relativ große Fläche abgedeckt, die einzelnen Telefonierer werden bei der heute gängigen GSM-Technologie nur mittels verschiedener Frequenzen und sogenannter Zeitschlitze auseinanderdividiert.

Bei der neuen Technik der sogenannten "intelligenten Antennen" - wissenschaftlicher: "adaptive Antennen" - geht die 15köpfige TU-Forschungsgruppe andere Wege. Sie macht sich die Tatsache zu Nutze, dass zwei Wellen einander einerseits verstärken, andererseits aufheben können, je nachdem, ob Wellentäler und -berge synchron oder gegenläufig sind. Zuerst muss die "intelligente" Antenne einmal feststellen, woher das Signal kommt, wo also der/die Handy-UserIn lokalisiert ist. Auch das wird von der digitalen Signalverarbeitung über die Welleneigenschaften der Funksignale bewerkstelligt. Mehrere zündholzschachtelgroße Antennen sind dazu im Abstand weniger Zentimeter auf einer Linie angeordnet. Befindet sich der Sender senkrecht dazu, treffen die Signale bei allen Elementen zur gleichen Zeit ein. Sendet das Handy aber aus schräger Richtung, so gibt es eine Zeitverzögerung. Auf einer Strecke von 30 Zentimetern entsteht so eine Differenz von rund einer Nano-Sekunde, einer milliardstel Sekunde. Die digitale Signalverarbeitung der Antenne errechnet daraus auf ein Grad genau die Richtung des Senders.

Nun stellt der Computer die Elektronik der Antenne so ein, dass die Wellen aus genau der festgestellten Richtung einander verstärken. Signale auf dem gleichen Frequenzband, aber aus einer anderen Richtung, heben einander mehr oder weniger auf, werden jedenfalls deutlich abgeschwächt. Mit dem gleichen elektronischen Trick werden die Signale modifiziert, die von der Sendestation abgehen; nur in Richtung des lokalisierten Empfängers erreichen die Wellen die volle Leistung. Das Ausbreitungsmuster der Wellen sieht dabei aus wie die abgespreizten Finger einer Hand. Der enorm verlängerte mittlere "Finger" weist dabei in Richtung des Handy-Besitzers (Teilnehmer 1). Daneben sind deutlich kleinere Nebenmaxima - die anderen, kürzeren Finger - und dazwischen die Minima. Telefoniert ein zweiter Handy-Besitzer (Teilnehmer 2) in der Nähe und auf dem gleichen Frequenzband, wird das Muster so modifiziert, dass er sich genau im Bereich eines Sende- und Empfangsminimums von Teilnehmer 1 befindet. Selbstverständlich bekommt Teilnehmer 2 von der gleichen Antenne sein eigenes Muster aufgebaut, wobei sich hier Teilnehmer 1 im Minimum der Sendeleistung von Teilnehmer 2 befindet. So sind gegenseitige Störungen weitgehend ausgeschlossen.

Durch den elektronischen Richtfunk wird aber noch eine weitere Störungsquelle, nämlich die der Mehrwegeausbreitung, reduziert. Denn Funkwellen breiten sich in der Stadt nicht nur geradlinig aus, sie werden etwa an Gebäuden mehrfach reflektiert, was vor allem beim Telefonieren in überlasteten Netzen zu unangenehmen Geräuschen und Halleffekten führen kann. Hat sich die digitale Signalverarbeitung auf die Richtung des Telefonierers erst einmal "eingehört" - und das geht innerhalb von weniger als einer Millisekunde - werden reflektierte Signale ausgefiltert.

Bonek betont, dass es spätestens bis zur Einführung des neuen und leistungsfähigeren UMTS-Standard einen flächendeckenden Einsatz von intelligenten Antennen geben wird. Denn UMTS verwendet eine pinzipiell andere Methode. Anstatt über Frequenz und Zeitschlitze werden die GesprächsteilnehmerInnen hier über einen Code getrennt. Ob es auch bei GSM-Masten die adaptiven Sender im großen Stil geben wird, steht dagegen noch in den Sternen. Noch ist die neue Technik im Vergleich zu den einfachen Antennenanlagen relativ teuer. Was den Stationen an Intelligenz fehlt, wird eben an Leistung in den Äther gejagt.

Die Entwicklung der adaptiven Antennen wurde mit Unterstützung des Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) und der mobilkom austria vorangetrieben. Das Institut für Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik betreibt Kooperationen mit der finnischen Firma Nokia, an die mehrere Patente verkauft wurden, und der deutschen Firma Siemens (im Rahmen des Kplus-Kompetenzzentrums ftw). Mit Alcatel Stuttgart gab es bereits ein gemeinsames Projekt. Im Februar 2001 findet an der TU Wien die Mobilkommunikations-Konferenz EPMCC statt, die vom Institut gemeinsam mit dem ÖVE veranstaltet wird und bei der sich auch Ericsson engagiert. Ericsson ist jener Hersteller, der die ersten 500 Basisstationen mit adaptiven Antennen an den deutschen Mobilnetzbetreiber Mannesmann ausliefert.