Von Jeremy Cook
Das Radiofrequenzspektrum (RF) umgibt uns überall, ist unsichtbar und überträgt natürliche und vom Menschen erzeugte Signale in atemberaubender Geschwindigkeit. Dieser Artikel beantwortet die Frage „Was ist RF?“ und untersucht, wie Regulierungsbehörden einen angemessenen Zugang zu dieser begrenzten Ressource sicherstellen. Wir werden auch darauf eingehen, wie 5G ins Bild passt.
Radiofrequenzphysik
Im einfachsten Fall kann ein variierendes elektrisches Signal an einer Antenne elektromagnetische Schwingungen (z. B. RF-Wellen) erzeugen. Dabei kann es sich um unbeabsichtigte (potenziell andere Geräte störende) oder beabsichtigte, überlegt modulierte Signale handeln, die von anderen Antennen empfangen und als nutzbare Informationen interpretiert werden können. AM (Amplitudenmodulation) beispielsweise verwendet eine Reihe von Wellen mit fester Frequenz als sogenannte Trägerwelle und ändert gleichzeitig die Amplitude dieser Wellen in Reihe als moduliertes Signal.
Das RF-Spektrum lässt sich als elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 3 Hz und 3.000 GHz definieren, die durch verschiedene Eigenschaften zahlreiche Anwendungsfälle ermöglichen. Ein 3-Hz-Träger erzeugt drei vollständige elektromagnetische Wellen pro Sekunde. Das modulierte Signal, das auf diesem Träger „reitet“, besitzt in der Regel eine langsamere Frequenz.
Während mehrere Faktoren eine Rolle spielen, ist die Datenrate eines modulierten Signals mit einem 3-Hz-Träger extrem langsam und liegt wahrscheinlich im Bereich von Bits/Sekunde oder sogar mehr. Am anderen Ende des Spektrums ermöglicht eine 3.000-GHz-Trägerwelle ein viel schneller moduliertes Signal. Dazwischen liegt ein großer Bereich (alltagstauglicherer) Werte. Dieser Bereich ermöglicht die Hochgeschwindigkeitsdatenraten, die wir heute in der WiFi- und Mobilfunkkommunikation sowie im herkömmlichen AM- und FM-Radio als selbstverständlich erachten.
Radiofrequenzen hängen mit der Lichtgeschwindigkeit zusammen und sind umgekehrt proportional zur Wellenlänge, ausgedrückt durch die folgende Gleichung:
Lichtgeschwindigkeit = Wellenlänge x Frequenz
Die Lichtgeschwindigkeit (ungefähr 3 x 10^8 m/s) ändert sich nie. Wenn also die Wellenlänge eines RF-Signals zunimmt, nimmt die Frequenz proportional ab und umgekehrt. Ein RF-Signal mit relativ hoher Frequenz besitzt eine kurze Wellenlänge und ein RF-Signal mit niedrigerer Frequenz eine höhere Wellenlänge.
Der Nachteil bei Hochfrequenzsignalen und -datenraten besteht darin, dass sie zwar viele Informationen über eine kurze Distanz übertragen können, diese Signale jedoch schnell von der Atmosphäre und umgebenden Objekten absorbiert werden. Ein alltägliches Beispiel: 2,4-GHz-WiFi-Datenraten sind etwas langsamer als 5-GHz-Übertragungsraten, können aber aus größerer Entfernung empfangen werden.
Am äußersten Ende der datenarmen Übertragung über große Entfernungen werden Signale im Sub-Hundert-Hertz-Bereich zur Kommunikation mit U-Booten verwendet, die in die Tiefen des Ozeans vordringen. Der größte Nachteil ist eine sehr niedrige Datenrate. Ein anderer Aspekt ist, dass die Arbeit mit längeren RF-Wellenlängen entsprechend lange Antennen erfordert.
RF-Signale und Regulierung zur Vermeidung von Störungen
Da es einen festen Frequenzbereich gibt, in dem RF-Kommunikation vernünftigerweise stattfinden kann, sind die Funkwellen der Welt per Definition eine begrenzte Ressource. Die endliche Bandbreite muss den RF-Pionieren um die Wende des 20. Jahrhunderts akademisch vorgekommen sein (falls sie überhaupt darüber nachgedacht haben). Heute jedoch wird RF für eine unglaubliche Vielfalt an Technologien genutzt und muss gut überlegt zugewiesen werden. Wenn sich Signale zwangsläufig überlappen (z. B. der 97,1-MHz-Funkkanal in New York City und dieselbe Frequenz in Austin oder die Milliarden von Bluetooth-Geräten weltweit), werden Leistungsgrenzen durchgesetzt, um Störungen auf ein Minimum zu beschränken.
Überlegen Sie nur, wie viele Geräte in Ihrer Umgebung absichtlich RF-Signale senden und empfangen. Typische Smartphones verfügen über mindestens vier RF-Modi: WiFi, Bluetooth, Mobilfunk und GPS. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl unbeabsichtigter RF-Sender – von Glühbirnen über Elektromotoren bis hin zu Kabeln.
Glücklicherweise kommen die RF-Signale der Welt aufgrund der Regelung durch Gruppen wie der International Telecommunication Union (ITU), der Federal Communications Commission (FCC) und der National Telecommunications and Information Administration (NTIA) normalerweise miteinander aus. Diese Organisationen teilen das Spektrum in nutzbare Bereiche auf. Auch wenn dieses Spektrum aufgrund unserer intensiven Nutzung dieser Ressource begrenzt ist, so reicht der Bereich doch von 3 Hz bis 3.000 GHz (3.000.000.000.000 Hz). Die offizielle FCC-Online-Frequenzzuweisungstabelle ist ein entsprechend gewaltiges Dokument mit 181 Textseiten.
Wie funktioniert 5G mit Frequenzbändern?
Die Öffentlichkeit erwartet einfach, dass RF-Geräte funktionieren, und beschäftigt sich nur selten mit den Feinheiten – ähnlich, wie wir erwarten, dass mit einer Steckdose verbundene Geräte mit Strom versorgt werden. Allerdings ist RF – und insbesondere 5G – Teil unseres kollektiven Bewusstseins, vielleicht aufgrund der massiven Werbung für 5G in der Werbung von Mobilfunkanbietern. 5G verspricht zwar bessere Datenraten und geringere Latenzzeiten für die Datenübertragung über Mobilfunk, war aber auch Gegenstand von Kontroversen, darunter die Befürchtung, dass die in Flugzeugen verwendeten Radarhöhenmesser gestört werden könnten.
Trotz der Bedenken wird 5G mittlerweile in weiten Teilen der USA ohne größere Probleme implementiert. 5G nutzt kein einzelnes Frequenzband, sondern, wie hier besprochen, operiert in drei unterschiedlichen Frequenzbereichen. Höhere Frequenzen werden für hohe Datenraten bei kurzen Entfernungen von einem Sender verwendet und niedrigere Frequenzen übertragen über größere Distanzen bei geringeren Datenraten.
5G ist auch nicht dasselbe wie 5-GHz-WiFi, eine weitgehend unabhängige RF-Technologie mit ähnlichem Namen. Noch mehr Verwirrung wird dadurch gestiftet, dass WiFi 5 5 GHz für die Übertragung verwendet, die 5 aber eigentlich für Wireless der fünften Generation steht. Und es kommen immer wieder neue WiFi-Standards hinzu: WiFi 6E erweitert die Signalisierung auf den neu verfügbaren 6-GHz-Bereich, während WiFi 7 dieselben Bänder wie 6E nutzt, aber Multi-Link-Betrieb und Geschwindigkeiten von bis zu 46 Gbit/s ermöglicht. Erfahren Sie mehr über die Unterschiede zwischen 5G- und 5-GHz-Technologie.
RF-Bereich: Eine begrenzte Ressource, die gut überlegt zugewiesen werden muss
Auch wenn sich die RF-Frequenz niemals auf die gleiche Weise „erschöpft“ wie Erdöl oder Seltenerdmetalle, müssen wir mit dem Frequenzband von 3 Hz bis 3.000 GHz arbeiten. Dieser Bereich ist schon seit Beginn der Funkkommunikation im späten 19. Jahrhundert gleich, und wenn sich unser Verständnis der Physik nicht grundlegend ändert, wird das auch in Zukunft so bleiben.
Um diese Ressource klug zu nutzen, benötigen wir eine durchdachte Frequenzzuteilung mit angemessenen Leistungsgrenzen und technologischer Innovation (wie QPSK-Signalisierung). Dadurch können mehr Daten übertragen werden, ohne mehr Frequenzraum zu belegen.
Arrow verfügt über eine große Auswahl an Radiofrequenzprodukten und -geräten branchenführender Hersteller für Ihr nächstes Projekt. Beispielsweise ermöglicht die Entwicklungsplatine DFR0868 ESP32-C3 den Einstieg in WiFi und Bluetooth im selben Modul.
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