Erste Sende und Empfangskanäle
Wie teilt man sich einen Funkkanal
Signalisierung
Händischer Gesprächsaufbau
A-Netz und Verbindungsbingo
Mobile Telephone System

Entwicklung des ersten öffentlichen Funktelefons

Die Zeiten des zweiten Weltkriegs fokussierten jeglichen technischen Fortschritt auf militärische Entwicklungen. Fokus lag vor allen in der Radar Technik, die von großer Bedeutung war. Wie beschrieben gab es jedoch auch einigen Fortschritt bei Sprechfunkgeräten. Erst Anfang der fünfziger Jahre wurde wieder an ziviler und kommerzieller Technik gearbeitet. Hierbei vor allen am Fernsehen und FM-Radio (UKW). Aber die Zeit war auch reif für ein „Funktelefon“ wie es sich die Pioniere der Funktechnik seit jeher gewünscht hatten.

Duplexbetrieb

Aber es gab einen großen Unterschied zwischen dem funktionierenden Sprechfunk und einem funkbetriebenen Telefongespräch. Beim Sprechfunk sind alle Teilnehmer auf demselben Kanal. Nur ein Teilnehmer kann reden, während alle anderen empfangen. Es ist nicht möglich ein Privatgespräch zwischen zwei Teilnehmern zu arrangieren. Es musste also erstmal einen Funkzugang zum Telefonnetz geben, dem PSTN (Public Switched Telefone Network).

Dann muss das Funktelefon zur gleichen Zeit Senden und Empfangen können damit ein Gespräch wie mit einem Telefon möglich ist. Man spricht bei parallel arbeiten Sendern und Empfängern von einem Duplexbetrieb. Es ist klar, dass Sender und Empfänger nicht wie beim Sprechfunk die gleiche Frequenz benutzen können. Also benutzt ein Funktelefon zwei Kanäle, welche einen ausreichende Frequenzabstand zueinander haben müssen, damit sie sich nicht stören. Es gibt also einen Kanal von Feststation zum Funktelefon (Abwärtsverbindung oder Downlink) und einen Kanal vom Funktelefon zur Feststation (Aufwärtsverbindung oder Uplink). 

Dies war mit gewissem Aufwand möglich, aber man wollte nicht auch noch zwei Antennen betreiben. Also musste die Antenne geteilt werden. Das war ein kritisches Element. Auf der Antenne wurde beim Senden etwa 10 W erzeugt. Beim Empfang wird eine Leistung, die um Größenordnungen schwächer ist verarbeitet. Es muss also sichergestellt werden, dass praktisch nichts von der Sendeleistung in den Empfangspfad gelangt. Dies wird erst einmal dadurch gewährleistet, dass man besonders gute Sender baut, welche nur in dem vorgeschriebenen Frequenzbereich senden. Allerdings läßt sich nicht völlig vermeiden, dass trotzdem Störsignale in den Empfangspfad gelangen. Dies verhindert man mit einer sogenannte Duplexweiche.

Die Herausforderung eines Mobiltelefon besteht darin, dass es zur gleichen Zeit Senden und Empfangen muss. Das ist eine besondere Schwierigkeit, da das Senden stets das Empfangen stört.

Eine Duplexweiche ist ein Filter, welches beim Funktelefon im Hochfrequenzbereich also bei etwa 100 MHz arbeitet. Genauer gesagt ist es ein Bandpassfilter. Es lässt Signale in einem bestimmten Bereich durch und unterdrückt alle Frequenzen rechts und links dieses Bereiches. Wir haben ein solches Filter schon einmal als ZF-Filter bei den Superheterodyne Empfängern besprochen. Dadurch können beim Empfangspfad etwaige Signale vom Sender unterdrückt werden, und zwar so stark, dass sie dem Empfang nicht stören. Technisch ist dies durch komplexe und große Strukturen möglich, sogenannte Resonatoren, welche aus Metall bestehen und oft Volumen von bis zu einem Liter haben. Sie machen ein Funktelefon nicht nur teuer, sondern auch größer und schwerer. 

Eine weitere Herausforderung ist bei einem Funktelefon dadurch gegeben, dass man zwei Bänder zum Betrieb benötigt. Eins zum Empfangen und eins zu Senden.

Erste Sende und Empfangskanäle

Im Jahre 1947 fand in Atlantic City in New Jersey eine ITU-Konferenz statt. Hier beschäftigte man sich mit notwendigen Entscheidungen für die Freigabe und Nutzung neuer Frequenzen. Durch die neuen Technologien, die während des Krieges entstanden, musste man Frequenzen für Radar und Flugfunk festlegen. Auch brauchten Polizei, Feuerwehr und Katastrophenschutz Frequenzbereiche für ihre Aufgaben. In dieser Konferenz gab es auch die Anfrage für Frequenzen für öffentlichen mobilen Telefon Service. Man einigte sich auf das sogenannte 2 m Band mit Frequenzen um 150 MHz.

In den Vereinigten Staaten entstanden erste Systeme mit dem MTS (Mobile Telefone System). Dies wurde von Bell System in St. Luis, Missouri betrieben. Es wurden jedoch nur drei Kanäle verwendet was bedeutete, dass man nur drei Funkgespräche parallel führen konnte.

In Deutschland waren nach dem Krieg die Frequenz von 156 MHz bis 174 MHz, also deutlich über dem UKW-Bereich (87,5 MHz bis 108 MHz) für Mobilfunk verfügbar. Es etablierte sich der sogenannte Öffentliche bewegte Landfunk ÖbL um öffentliche Telefongespräche über Funk möglich zu machen. Dieser begann bereits 1950. Allerdings gab es lokal unterschiedliche Systeme. Es gab einen Wasserstraßenfunk, einen Zugfunk, einen Hafenfunk, einen Stadtfunk und einen Landstraßenfunk. Festgeschrieben waren die Frequenzen und die Funkkanäle. Hiervon gab es anfangs nur 17, später 36 mit einem Abstand von 50 kHz. Da man für den Landfunk einen Duplexbetrieb brauchte waren die Kanäle in Wahrheit stets Paare, ein Empfangskanal und ein Sendekanal die 4,5 MHz voneinander getrennt waren. Die mobilen Sender sendeten mit bis zu 10 W, die Funktürme mit bis zu 30 W.

Wie teilt man sich einen Funkkanal

Nun gab es Funkkanäle, die man nutzen konnte und bald auch Geräte, mit denen man über diese Kanäle per Funk telefonieren konnte. Aber es gab einen erheblichen Unterschied zu den „normalen Telefonen“. Ein normales Telefon hat eine Leitung, welche nur zu diesem einem Telefon gehört. Somit ist gewährt:

• Man kann immer ein Gespräch aufbauen (zumindest bis zur Schaltzentrale)
• Man kann (vom Netz) identifiziert werden (und bekommt somit eine Rechnung)
• Man kann ein privates Gespräch führen (Niemand hört mit)

Bei Funkkanälen ist dies jedoch nicht möglich, es sei denn, man bekommt einen Funkkanal pro mobiles Telefon. Dann wäre jedoch nach 38 Telefonen Schluss da es ja nur 38 Kanäle gibt. Man muss sich also die wenigen Funkkanäle mit anderen Teilnehmern teilen. Was braucht man, um sich einen Kanal zu teilen? Nehmen wir an wir wollen als mobiler Teilnehmer telefonieren. 

• Man muss wissen, wann ein Kanal frei ist.
• Wenn der Kanal frei ist, müssen wir diesen in Zusammenarbeit mit der Basisstation belegen. D.h. er muss für alle anderen gesperrt werden, sonst würden die anderen Teilnehmer mithören. 
• Die Basisstation muss den Teilnehmer, der den Kanal benutzen will, eindeutig identifizieren damit er später die Rechnung bekommt.
• Die Basisstation muss informiert werden, wann das Gespräch beendet ist, damit es den Kanal wieder frei schalten kann.

Umgekehrt nehmen wir an, jemand will uns anrufen.

• Die Basisstation muss feststellen, ob ich als mobiler Teilnehmer im Netz und erreichbar bin. Sie muss mich identifizieren und rufen können.
• Also muss jeder mobiler Teilnehmer „identifizierbar sein“

Auf jeden Fall braucht man eine sogenannte Signalisierung. Irgendein Mittel, um einen Zustand anzuzeigen. Dies geschieht mit einem akustischen Ton, den man sendet bzw empfängt. 

Ohne ein Minimum an Signalisierung ist mobiles Telefonieren nicht möglich.

Signalisierung

Wenn ein Kanal frei ist sendet die Basisstation auf diesem einen Ton mit einer Frequenz von 2280 Hz. Dieser wird von allen mobilen Teilnehmern empfangen. Das heißt nicht, dass die Teilnehmer diesen hohen Ton hören, aber die Empfangselektronik „hört“ ihn. Sie hat ein Filter, mit dem sie diesen Ton identifizieren kann. Wenn sie das tut, schaltet sie ein grünes Lämpchen an, welches anzeigt, dass der Funkkanal zur Verfügung steht.

Töne können somit benutzt werden, um Nachrichten zu übermitteln. Verschiedene Töne können verschiedene Dinge bedeuten, so wie der Ton 2280 Hz bedeutet, dass ein Funkkanal frei ist.

Händischer Gesprächsaufbau

Wenn wir nun einen Anruf machen wollen, so nehmen wir einfach den Telefonhörer ab. Unser Sendegerät wird damit eingeschaltet und sendet nun von sich aus einem Ton mit einer Frequenz von 1750 Hz an die Basisstation. Die Basisstation ist permanent auf Empfang. Empfängt sie nun den Ton mit 1750 Hz so stoppt sie das Aussenden von 2280 Hz und alle anderen Telefone „sehen nun“, dass der Kanal gesperrt ist und schalten das grüne Lämpchen aus. Die Basisstation hat nun eine Verbindung zu uns, dem Teilnehmer. Das geschieht dadurch, dass sich meist eine Frau (das Fräulein von Amt) sprachlich meldet und den Teilnehmer bittet sich zu identifizieren. Der Teilnehmer identifiziert sich, indem er seine „Telefonnummer“, welche auf dem Bediengerät steht vorließt. Anschließend teilt der Teilnehmer mündlich die Rufnummer mit, mit der verbunden werden will.

Die Verbindung im Telefonnetz wird nun händisch durch den Operator erstellt und das eigentliche Telefonat kann beginnen. Der Operator misst die Zeit, die das Gespräch dauert. Beendet der Teilnehmer das Gespräch, indem er den Hörer auflegt, stellt der Operator die Kosten fest und meldet sich noch einmal beim Teilnehmer, um ihm die Kosten mitzuteilen. Danach wird der Kanal wieder freigegeben. Man erkennt, dass dies ein teures und aufwendiges Verfahren ist. Vor allen wird der wertvolle Kanal lange belegt. Es kann also nur eine sehr begrenzte Anzahl von Anrufen abgefertigt werden.

Komplizierter ist das Ganze, wenn ein mobiler Teilnehmer vom Telefonnetzwerk aus angerufen werden soll. Wie kann das Telefonnetz beziehungsweise der Operator feststellen, ob der Teilnehmer bereit ist, und wie wird die Verbindung hergestellt. Eine Möglichkeit die auch Anfang auch tatsächlich benutzt wurde war der „Öffentliche Ruf“. Der Operator fragte alle Teilnehmer, ob der Teilnehmer mit der Rufnummer xyz anwesend ist. War dies der Fall, nahm dieser dann die Verbindung auf. Dies war jedoch kein gutes Verfahren. So experimentierte man in den fünfziger Jahren an anderen Möglichkeiten die Teilnehmer über das Aussenden von Signaltönen zu identifizieren. 

A-Netz und Verbindungsbingo

Erst 1958 begann man mit einem einheitlichen System zur Identifizierung der Teilnehmer, dass man im Laufe der Zeit als A Netz bezeichnete. Man beauftragte die in Nürnberg ansässige Firma TeKaDe mit der Schaffung eines solchen einheitlichen Systems, dass sich dann Anfang der sechziger Jahre etablierte. Dieses System kam ursprünglich von den Bell Labs (also der guten alten Entwicklungsabteilung von Alexander Graham Bell).

Man definierte 30 verschiedene Töne, die alle einen Abstand von 15 Hz zueinander hatten. Jedem Teilnehmer wurden nun 4 verschiedene Frequenzen zugeteilt (4 von 30). Dadurch ergaben sich tausende mögliche Teilnehmer. Jeder Empfänger baute nun eine Elektronik ein, welche 4 Filter enthielt, die den zugeteilten Frequenz-vierer entsprachen. Bei freiem Kanal „lauschten“ alle Filter nach ihren Tönen. Kam ein Ton mit der entsprechenden Frequenz signalisierte das entsprechende Filter einen „Treffer“. Erst wenn jedoch alle vier Filter einen Treffer anzeigte, gab es ein „Bingo“. Beim Empfänger „klingelte das Telefon“ und das Gespräch konnte mittels des Operators aufgenommen werden.

Mobile Telephone System

Deutschland war eines der führenden Länder bei der Einführung von mobilen Telefonen. Natürlich waren sie nicht die einzigen. Bell Communication, welche durch Bell Labs ja das 4/30 Verfahren entwickelt hatte startete ebenfalls in den Vereinigten Staaten Systeme welche man als Mobile Telefone Service (MTS) bezeichnete.

Große Verbreitung fanden die mobilen Telefone nicht. Sie waren teuer und schwer. Außerdem gab es auch durch die Technik nur eine begrenzte Teilnehmerzahl. In Deutschland waren das 1971 11.000 Teilnehmer, praktisch die „oberen zehntausend“.