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Häuserschluchten sollen Mobilfunksignal verbessern

Eng geknüpft ist das Netz von Mobilfunksendern vor allem in Großstädten. Nur so kann die schnurlose Kommunikation auch in den letzten Häuserwinkeln gewährleistet werden. Doch während die Signalstreuungen an Gebäuden bisher die fehlerfreie Datenübermittlung stören, könnten gerade diese „Streukörper“ auch zur Verbesserung der Funkwellen-Übertragung und für zusätzliche Datenkanäle eingesetzt werden. Französische Physiker konnten nun die vorteilhafte Anwendung von Streuungen im Labor belegen und berichten darüber im Fachblatt Physical Review Letters (Vol. 90, Art. Nr. 014301).

Das Prinzip testeten die Forscher vom Laboratoire Ondes et Acoustique in Paris mit Ultraschallwellen in einem Wassertank. Ohne Streukörper empfingen fünf Receiver den Inhalt von fünf gleichzeitig versendeten Nachrichten mit einer Fehlerrate von 28 Prozent. Dann aber setzten die Wissenschaftler mehrere Stahlstäbe in einem zufälligen Muster zwischen Sender und Empfänger. Durch die Streuungen der Ultraschall-Signale an diesen Stäben konnte die Fehlerrate der Datenübertragung auf Null gesenkt werden.

Ohne Streukörper kommen bei jedem Empfänger auch Signalanteile an, die für andere Empfänger bestimmt sind und Übertragungsfehler entstehen. Durch die Streuung der Wellen wird jedes Signal geringfügig verändert, so dass nur der gewünschte Empfänger diese Daten auffangen kann. Die Fehlerrate durch parallel versendete Nachrichten sinkt rapide. Bisher funktioniert dieses Prinzip allerdings nur bei Ultraschallwellen. Angewandt auf die Mobilfunkfrequenzen, könnten Hochhäuser die Funktion der Streustäbe übernehmen. Allerdings müsste dafür eine komplett neue Sender- und Antennen-Technologie entwickelt werden, die gezielt auf gestreute Signale reagiert.

Schon vor wenigen Jahren hatten US-Forscher von den Lucent Technology Bell Labs in Murray Hill die Idee, streuende Häuser und Fahrzeuge in Städten für eine Vergrößerung der Übertragungskapazitäten zu nutzen. Durch die geschickte Ausnutzung polarisierter und mehrfach gestreuter Radiosignale verdreifachten die Wissenschaftler die Bandbreite der genutzten Frequenzen auf der Basis von Echos und bislang störenden Interferenzen.

Voraussetzung dafür sind ein ganzes Set kleiner Dipol-Antennen in einem Handy. Jede Antenne kann einen anderen Teil einer polarisierten Welle gleicher Frequenz empfangen. Im dreidimensionalen Raum breitet sich eine Welle mit einem so genannten elektrischen (E-Feld) und einem magnetischen Feld (B-Feld) in alle drei Richtungen aus. Bei ungestreuter Strahlung wird das B-Feld eindeutig durch das E-Feld bestimmt: Sie sind nicht unabhängig voneinander. Erfolgen jedoch mehrfache Streuungen wie an Gebäuden und Fahrzeugen in Städten, können alle sechs Komponenten der beiden Felder voneinander getrennt betrachtet werden. Somit stehen insgesamt sechs unabhängige Informationskanäle pro Frequenz zur Verfügung.

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Bisher nutzen die Mobilfunkbetreiber lediglich zwei polarisierte Ausrichtungen der Strahlen: die horizontale und vertikale Polarisation. Pro Frequenz nutzen sie folglich zwei Informationskanäle. Durch die neue Technik wird deren Anzahl verdreifacht. Überzeugt das Konzept die Entwickler von Mobilfunkgeräten, werden diese bald ihre Handys mit mehreren kleinen Dipol-Antennen ausstatten. Möglich wären für die Netzbetreiber danach auch drastisch verringerte Gebühren innerhalb der Städte.

Jan Oliver Löfken
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