Funkkommunikation

Elektromagnetische Wellen sind Schwingungen elektrischer und magnetischer Felder, die sich (im Vakuum) mit Lichtgeschwindigkeit c ausbreiten. Eine zentrale Eigenschaft ist die Frequenz f, gemessen in Hertz, die angibt, wie viele Schwingungen pro Sekunde auftreten. Wellenlänge λ (Lambda) und Frequenz sind dabei über die Formel c=λ⋅f miteinander verknüpft: Je höher die Frequenz, desto kürzer ist die Wellenlänge.

Die Funkübertragung nutzt sogenannte Trägerwellen – regelmäßige, sinusförmige elektromagnetische Wellen auf einer bestimmten Frequenz. Diese Wellen transportieren die Daten nicht von selbst; erst durch Modulation wird die eigentliche Information auf die Trägerwelle aufgebracht.

Modulation bedeutet, dass bestimmte Eigenschaften der Trägerwelle – Amplitude, Frequenz oder Phase – gezielt verändert werden, um digitale oder analoge Information zu kodieren. Bei einfacher Amplitudenmodulation ändert sich die Wellenhöhe, bei Frequenzmodulation die Schwingungszahl, bei Phasenmodulation die zeitliche Verschiebung der Welle. Moderne digitale Verfahren wie QAM oder OFDM kombinieren diese Prinzipien, um möglichst viele Bits pro Sekunde zu übertragen und Störungen zu vermeiden. 

Elektromagnetische Funkwellen werden nach Frequenzbereichen geordnet, weil sie sich in Ausbreitung, Reichweite, Durchdringung und Bandbreite stark unterscheiden. Je höher die Frequenz, desto kürzer die Wellenlänge – und desto mehr Daten können in kurzer Zeit übertragen werden, allerdings oft mit geringerer Reichweite und Durchdringung.

Für die Nutzung des Funkspektrums gibt es weltweit eine Koordination und Regulierung. Dabei unterscheidet man:

• Lizenzfreie Bänder (oft ISM-Bänder) – für allgemeine Anwendungen, z. B. WLAN, Bluetooth, LPWAN
• Lizenzpflichtige Bänder – für Mobilfunk, Rundfunk, sicherheitskritische Dienste

Diese internationale Abstimmung sorgt dafür, dass Funkdienste überall zuverlässig funktionieren und sich nicht gegenseitig stören.

1.  LF – Niederfrequenz (30–300 kHz)
   • Wellenlänge: ~10 km – 1 km
   • Reichweite: Bis mehrere Kilometer (nah-induktiv meist cm-Bereich)
   • Typische Anwendungen: Induktive LF-RFID-Systeme, Zugangskarten, Tierkennzeichnung
2.  MF – Mittelwelle (300 kHz–3 MHz)
   • Wellenlänge: ~1 km – 100 m
   • Reichweite: Hunderte Kilometer, vor allem nachts
   • Typische Anwendungen: AM-Rundfunk, Seefunk
3.  HF – Kurzwelle (3–30 MHz) 
   • Wellenlänge: ~100 m – 10 m
   • Reichweite: Kontinental bis weltweit über Ionosphären-Reflexion
   • Typische Anwendungen: Internationaler Rundfunk, Amateurfunk
   • ISM-Bänder: 
     • 6,78 MHz (induktive Energieübertragung und industrielle Heizprozesse)
     • 13,56 MHz (NFC, HF-RFID)
     • 27,12 MHz (kein primäres Kommunikationsband)
4.  VHF – Very High Frequency (30–300 MHz) 
   • Wellenlänge: 10 m – 1 m
   • Reichweite: 10–100 km (oft Sichtverbindung nötig)
   • Anwendungen: UKW-Radio, Flugfunk
   • ISM-Band: 40,68 MHz (Funkfernsteuerungen in Industrie und Gewerbe)
5.  UHF – Ultra High Frequency (300 MHz–3 GHz) 
   • Wellenlänge: 1 m – 10 cm
   • Reichweite: Hunderte Meter bis wenige Kilometer (abhängig von Leistung und Bebauung)
   • Anwendungen: Mobilfunk, DVB-T, WLAN (2,4 GHz), Bluetooth
   • Sub-GHz-Bereich (~300–1000 MHz): Frequenzen unter 1 GHz mit guter Reichweite und Gebäudedurchdringung. 
     • Wellenlänge: 1 m – 30 cm
     • Reichweite: Bis mehrere Kilometer, gute Gebäudedurchdringung
     • Anwendungen: LPWAN (LoRaWAN, Sigfox, NB-IoT), UHF-RFID, Wi-Fi HaLow
     • ISM-Bänder: 433 MHz (Europa), 868 MHz (Europa), 915 MHz (USA/Asien)
   • ISM-Band: 2,4 GHz (2,40–2,48 GHz): WLAN (802.11b/g/n), Bluetooth, BLE, Zigbee, Thread
6.  SHF – Super High Frequency (3–30 GHz) 
   • Wellenlänge: 10 cm – 1 cm
   • Reichweite: Wenige 100 m bis mehrere Kilometer (oft Richtfunk)
   • Anwendungen: 5G-Sub-6 GHz, modernes WLAN, Richtfunk
   • ISM-Bänder:
     • 5 GHz (5,72–5,87 GHz): WLAN (802.11a/n/ac), industrielle Anwendungen
     • 6 GHz (5,90–7,10 GHz regional): Wi-Fi 6E, Hochlast-IoT
7.  EHF / mmWave (30–300 GHz) 
   • Wellenlänge: 1 cm – 1 mm
   • Reichweite: Einige 10 m bis wenige 100 m (Sichtlinie nötig, hohe Dämpfung)
   • Anwendungen: 5G mmWave, Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, dichte städtische Netze
   • ISM-Bänder:
     • 24 GHz (24,00–24,25 GHz): Radarsensoren, Kurzdistanzen-IoT
     • 61 GHz (57–64 GHz): Millimeterwellen-Kommunikation, Wireless-HD
     • 122–123 GHz und 244–246 GHz: Forschung, experimentelle Anwendungen

Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen hängt stark von Frequenz, Leistung und Umgebung ab. Niedrigere Frequenzen können sich um Hindernisse beugen und dringen besser durch Wände. Höhere Frequenzen bieten mehr Bandbreite, werden aber stärker durch Hindernisse und die Atmosphäre gedämpft. Diese Dämpfung kann durch Regen, Wolken und Luftmoleküle (insbesondere Wasserdampf und Sauerstoff) noch verstärkt werden, was vor allem ab etwa 10 GHz relevant wird.

Für die Reichweite sind Sendeleistung, Antennengewinn (die Bündelung des Funksignals in eine bestimmte Richtung) und Empfangsempfindlichkeit entscheidend. Höhere Sendeleistung ermöglicht größere Entfernungen, ist jedoch regulatorisch begrenzt, um Störungen (Interferenzen) zu vermeiden.

Ein weiterer Faktor ist die Polarisation der Welle – die Richtung, in der das elektrische Feld schwingt. Polarisation kann linear (horizontal oder vertikal) oder zirkular sein und beeinflusst, wie gut das Signal ankommt, vor allem bei Reflexionen oder Mehrwegeausbreitung. Eine abgestimmte Polarisation zwischen Sender und Empfänger erhöht den Empfangspegel und verringert Verluste. Unterschiedliche Polarisationen können auch genutzt werden, um mehrere unabhängige Signale im gleichen Frequenzbereich zu übertragen. 

Ein zentrales Konzept in der Funktechnik ist die Bandbreite: Sie bezeichnet den Frequenzbereich, den ein Signal nutzt. Je mehr Bandbreite, desto mehr Daten können übertragen werden. Allerdings ist das Spektrum begrenzt und wird durch nationale und internationale Behörden geregelt. 

Innerhalb eines Bandes wird es oft in Kanäle aufgeteilt – definierte Teilbereiche, die gleichzeitige und möglichst störungsarme Kommunikation mehrerer Systeme ermöglichen. WLAN im 2.4 GHz-Band nutzt beispielsweise Kanäle, um parallele Verbindungen im gleichen Raum zu ermöglichen.

Neben der Datenrate ist auch die Latenz entscheidend – also die Verzögerung zwischen Senden und Empfangen. Zwar bewegen sich Funkwellen selbst mit Lichtgeschwindigkeit, doch „Latenz“ umfasst alle Verzögerungen im System, nicht nur die reine Laufzeit. Dazu gehören Verarbeitungszeiten, Protokollsteuerung und Netzwerktechnik. Für Anwendungen wie Voice-over-IP oder industrielle Steuerungen sind besonders geringe Latenzen wichtig.

Die Sendeleistung bestimmt, wie viel Energie pro Zeit in die Antenne eingespeist wird, gemessen in Watt oder dBm. Höhere Sendeleistung kann größere Reichweiten ermöglichen, ist aber regulatorisch begrenzt, um Störungen und Gesundheitseffekte zu minimieren. 

Signalverlust tritt unvermeidlich auf, da die Wellenenergie mit zunehmender Entfernung abnimmt. Dazu kommen Dämpfungen durch Luftmoleküle, Regen oder Hindernisse wie Wände und Bäume. Gerade bei hohen Frequenzen (ab etwa 10 GHz) werden atmosphärische Verluste immer bedeutsamer.

Kommunikation kann unidirektional sein, also nur in eine Richtung verlaufen, wie beim klassischen Rundfunk. Sie kann auch bidirektional sein, was in modernen Kommunikationssystemen Standard ist. Dabei unterscheidet man Halbduplex-Systeme, bei denen abwechselnd gesendet und empfangen wird (z. B. Walkie-Talkies), und Vollduplex-Systeme, die gleichzeitiges Sprechen und Hören ermöglichen (z. B. Mobilfunkgespräche).

Ein Sender besteht aus einer Informationsquelle – etwa einem Mikrofon (Sprache), einem Sensor (Messwert) oder einem Computer (Daten) – die physische Informationen in analoge oder digitale Signale umwandelt. Diese Signale werden durch einen Modulator auf eine Trägerwelle aufgebracht, anschließend mit Verstärkern und Filtern aufbereitet und schließlich über eine Antenne als elektromagnetische Wellen abgestrahlt.

Empfänger bestehen aus Antennen, Bandpassfiltern, rauscharmen Verstärkern, Demodulatoren und Signalverarbeitungseinheiten. 

Moderne Geräte kombinieren Sender und Empfänger in sogenannten Transceivern, die bidirektionale Kommunikation ermöglichen und durch digitale Signalprozessoren (DSPs) und Controller gesteuert werden. 

Funkkommunikation nutzt elektromagnetische Wellen im Radio- und Mikrowellenbereich, also Frequenzen von Kilohertz (kHz) bis etwa 300 Gigahertz (GHz), die Hindernisse oft besser durchdringen als optische Signale. Radiowellen umfassen dabei niedrigere Frequenzen bis einige Hundert Megahertz (MHz) und zeichnen sich durch besonders große Reichweiten und gute Durchdringungseigenschaften aus, während Mikrowellen etwa von 300 MHz bis 300 GHz reichen und für höhere Datenraten und Richtfunkanwendungen genutzt werden. 

Optische Kommunikation (z.B. Laserlinks oder Infrarot) arbeitet dagegen in viel höheren Frequenzbereichen: Infrarot liegt etwa zwischen 300 GHz und 400 Terahertz (THz), sichtbares Licht zwischen 400 THz und 800 THz, und Ultraviolett beginnt oberhalb von 800 THz. Optische Systeme erfordern meist Sichtverbindung, bieten dafür aber extrem hohe Bandbreiten und Abhörsicherheit.

Beide Technologien ergänzen sich, etwa in der Freiraumoptik – der Übertragung von Daten per Lichtstrahl durch die Luft, im Gegensatz zur lichtgeleiteten Übertragung in Glasfaserkabeln – für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen oder im Weltraum für Satellitenkommunikation. 

Die Vielfalt an Funksystemen ist enorm. Induktive RFID-Systeme im LF- und HF-Bereich ermöglichen Zugangskontrollen und Bezahlkarten. UHF-RFID wird in der Logistik eingesetzt. Bluetooth arbeitet im 2.4 GHz-Band und nutzt energiesparendes Frequency Hopping für kurze Reichweiten, ideal für Kopfhörer und Wearables. WLAN nutzt 2.4, 5 und 6 GHz für hochbandbreitige Vernetzung in Gebäuden.

LoRaWAN nutzt Sub-GHz-Bänder für kilometerweite Verbindungen bei niedriger Datenrate und ist prädestiniert für IoT-Anwendungen wie Landwirtschaft und Smart Cities. Zigbee und Thread ermöglichen Mesh-Netze in Gebäuden. Mobilfunknetze (GSM, UMTS, LTE, 5G) bieten mit lizenzierten Frequenzen hohe Verfügbarkeit und Quality-of-Service für Sprachanrufe und mobiles Internet. Satellitenkommunikation deckt mit L-, Ku- und Ka-Bändern die ganze Erde ab. Für interplanetare Kommunikation werden S-, X- und Ka-Bänder genutzt, zunehmend ergänzt durch optische Laserlinks.

Die Wahl bestimmter Frequenzen hängt stark von physikalischen Eigenschaften und regulatorischen Vorgaben ab. Niedrigere Frequenzen bieten größere Reichweiten und bessere Durchdringung, höhere Frequenzen ermöglichen größere Bandbreiten. Regulierung ist notwendig, um Störungen zu vermeiden, sicherheitskritische Kommunikation zu schützen und eine faire Nutzung des Spektrums zu gewährleisten.

In unlizenzierten ISM-Bändern können Interferenzen auftreten, wenn viele Systeme gleichzeitig funken. Techniken wie Kanalaufteilung, Zeitmultiplex, Frequency Hopping und Zugangskontrolle helfen, diese Störungen zu minimieren. Moderne Systeme arbeiten oft hybrid – zum Beispiel Mobilfunk und Satellit (NTN), Wi-Fi und Mobilfunkroaming oder Mesh-Netze, die sich selbst organisieren und heilen.

Funkwellen gehören zur nicht-ionisierenden Strahlung und können Elektronen nicht aus Atomen schlagen oder DNA direkt schädigen. Mögliche Erwärmungseffekte sind bekannt und werden durch gesetzliche Grenzwerte reguliert. Internationale Organisationen wie die WHO und ICNIRP überwachen Studienlage und passen Empfehlungen an. Bislang gibt es bei Einhaltung dieser Grenzwerte keine konsistenten Belege für gesundheitsschädliche Wirkungen. 

 Eine grobe Einteilung der Funktechniken ist leicht möglich: Funktechniken mit kurzer, mittlerer, großer oder sehr großer Reichweite. Diese vier Übertragungsklassen haben unterschiedliche Vor- und Nachteile. Hier kurz die wichtigsten. 

Nahbereichskommunikationstechnologien verbrauchen wenig Energie, bieten schnelle Datenübertragung, sind störungsarm, zuverlässig und oft kostengünstig, da Nahbereichssysteme weniger technische Infrastruktur benötigen. Dazu gehört auch die Near Field Communication (NFC)-Technologie.

Die Reichweite beträgt nur wenige Zentimeter. In diese Kategorie fallen vor allem Zugangskontrollen, Bezahlvorgänge oder Authentifizierungslösungen mit Smartphones, Token oder RFID- und NFC-Karten.

Funktechnologien mit mittlerer Reichweite haben eine Reichweite von bis zu 100 Metern. Zu dieser Gruppe gehören die Funktechnologien Bluetooth Low Energy (BLE), Wireless Local Area Network (WLAN), Ultra Wide Band (UWB) und Radio Frequency Identification (RFID). Die maximale Reichweite liegt bei einigen hundert Metern.

Sollen viele drahtlose Systeme parallel betrieben werden, sind Funktechnologien mit geringer oder mittlerer Reichweite fehler- und störanfällig.

Ideale Einsatzszenarien für Funktechnologien mit mittlerer Reichweite sind beispielsweise die Gebäudeautomatisierung, das Asset Management in Krankenhäusern, die Inventur im Einzelhandel, das Behältermanagement in der Logistik oder die industrielle Identifikation, um nur einige Beispiele zu nennen.

In Verbindung mit der UWB-Technologie punktet die Funktechnologie mit Echtzeitlokalisierung. Sie senden Informationen über den Zustand eines Objektes (in Verbindung mit Sensorik) und geben Auskunft über den Standort eines Objektes. Dies sind nur einige Beispiele. In der Realität sind Hunderte von Anwendungsfällen für die Kurzstrecken-Kommunikationstechnologie denkbar.

Die dritte Methode der Funkübertragung bietet eine große Reichweite. Diese Funktechnologie kann Informationen über mehrere Kilometer übertragen. Vorteil: Sie wird nicht durch Gebäude oder Mauern eingeschränkt. Wenn es darum geht, große Datenpakete über eine ebenfalls große Entfernung zu übertragen, ist diese Technologie hervorragend geeignet.

Allerdings verbraucht sie mehr Energie als die Kurzstrecken-Technologien. Die Datenübertragung kann langsamer sein, da auch größere Entfernungen überbrückt werden müssen und es in stark frequentierten Bereichen zu Störungen kommen kann. Funktechnologien mit großer Reichweite sind z.B. alle Low Power Wide Area Networks (LPWAN) Technologien.

Die Anwendungsszenarien von Funktechnologien mit großer Reichweite gehen über räumlich begrenzte Szenarien hinaus. Die LPWAN-Technologie ermöglicht es beispielsweise, den Zustand und die Position von Baufahrzeugen über Hunderte von Kilometern zu überwachen, Sensordaten einer ganzen Stadt zu erfassen oder ganze Industrieparks zu überwachen.

Derzeit dominieren LPWAN-Netze, die entweder in lizenzfreien Frequenzbändern arbeiten, wie Long Range Wide Area Network (LoRaWAN), Sigfox und mioty, oder auf bestehenden Mobilfunkinfrastrukturen aufbauen, wie NB-IoT und LTE-M. 

Ein weiterer interessanter Vertreter in dieser Klasse ist Wi-Fi HaLow (IEEE 802.11ah). Wi-Fi HaLow nutzt Sub-Gigahertz-Bänder (um 900 MHz) und ist speziell darauf ausgelegt, die Reichweite deutlich über klassische WLAN-Systeme hinaus zu verlängern – auf mehrere hundert Meter, unter idealen Bedingungen sogar über einen Kilometer. Dabei bietet es niedrigere Datenraten als klassisches Wi-Fi, ist aber stromsparend und ermöglicht die Anbindung vieler Geräte gleichzeitig. Typische Einsatzbereiche sind IoT-Anwendungen wie smarte Landwirtschaft, Lagerlogistik oder Industrieüberwachung, wo große Flächen mit wenigen Access Points abgedeckt werden sollen und hohe Reichweite wichtiger ist als maximale Geschwindigkeit.

Ein wichtiger zukünftiger Wettbewerber dürfte auch der Mobilfunkstandard der nächsten Generation (5G) sein, der bis 2025 in Deutschland flächendeckend verfügbar sein soll. Dieser Standard bietet einerseits Funktionen, die einen geringen Energieverbrauch bei niedrigen Datenraten gewährleisten, und andererseits Funktionen, die zuverlässige Verbindungen mit geringer Latenzzeit ermöglichen, was z. B. für autonome Fahrzeuge und Industrieanlagen von entscheidender Bedeutung ist.

Die vierte Klasse beschreibt Funksysteme, die über hunderte bis tausende Kilometer hinausreichen – bis in den Weltraum. Diese Technologien sind für globale Netzwerke, Satellitenkommunikation und interplanetare Missionen unverzichtbar.

Satellitenverbindungen können ganze Kontinente oder die Erde vollständig abdecken. Kommunikationssatelliten im geostationären Orbit ermöglichen weltweite TV-Übertragungen oder Internetversorgung entlegener Regionen. Systeme in niedriger Erdumlaufbahn (LEO) wie Starlink bieten niedrige Latenzzeiten und sollen globale Breitbandabdeckung sicherstellen.

Für interplanetare Kommunikation – etwa zu Mars-Sonden – werden Hochfrequenzbänder wie das X- oder Ka-Band genutzt. Zukünftig sind auch optische Laserlinks geplant, die noch höhere Datenraten über Millionen von Kilometern ermöglichen sollen.

Die Vorteile dieser Klasse liegen in der riesigen Abdeckung und Unabhängigkeit von lokaler Infrastruktur. Allerdings ist die Technik aufwändig und teuer. Signallaufzeiten können bei interplanetaren Distanzen viele Minuten betragen. Deshalb sind exakte Planung, starke Sendeanlagen, große Antennen und komplexe Protokolle notwendig.

Diese sehr große Reichweite ist entscheidend für weltweite Vernetzung, Katastrophenschutz, Luftfahrt, Schifffahrt und die wissenschaftliche Erforschung des Weltraums. Sie eröffnet zugleich Perspektiven für die nächste Generation globaler Kommunikationsnetze.

Die Funkkommunikation entwickelt sich ständig weiter. Höhere Frequenzbereiche wie Millimeterwellen und Terahertz-Bänder bieten enorme Bandbreiten für Anwendungen wie drahtlose VR oder Chip-zu-Chip-Kommunikation. Optische Freiraumverbindungen und Laserlinks können Glasfaser-Backbones ergänzen oder ersetzen.

Künstliche Intelligenz wird Frequenznutzung und Netzmanagement dynamisch und effizient steuern. Edge-AI ermöglicht lokale Intelligenz und schnellere Reaktionen im Netz. Selbstheilende Mesh-Netze versprechen hohe Resilienz, auch in Krisensituationen. Satellitenkonstellationen wie Starlink könnten weltweite Breitbandabdeckung ermöglichen und direkte Smartphone-Satellitenverbindungen etablieren. Für interstellare Missionen werden Laserlinks getestet, um trotz riesiger Distanzen Daten mit hoher Effizienz zu übertragen.

Funkkommunikation bleibt damit ein faszinierendes, unverzichtbares Feld, das Menschen, Maschinen und ganze Planeten miteinander verbindet – und das auch in Zukunft weiter wachsen und sich verändern wird.

Im Bereich der Funktechnologien mit geringer Reichweite wächst der Weltmarkt für NFC-Technologien und -Anwendungen. Laut einem Bericht der Marktforschungsplattform "Gitnux" werden Ende 2020 67 Prozent aller POS-Terminals in Europa NFC-fähig sein.

Bis 2027 soll NFC einen weltweiten Marktanteil von 39 Prozent in der Unterhaltungselektronik erreichen. Im Jahr 2020 werden 85 Prozent aller Transaktionen in Australien kontaktlos sein. Dazu gehört auch die Nutzung von NFC-basierten Zahlungsmethoden.

Die globalen Märkte für drahtlose Technologien mit mittlerer Reichweite werden voraussichtlich ebenfalls wachsen. Einem Bericht des Technologieinformationsunternehmens ABI Research zufolge wurden 2019 weltweit 109 Millionen UWB-fähige Geräte ausgeliefert.

Es wird erwartet, dass diese Zahl bis 2025 auf über 1 Milliarde Geräte ansteigen wird. Einem aktuellen Marktbericht der "Bluetooth SIG" zufolge werden bis 2027 90 Prozent aller Bluetooth-Geräte mit Bluetooth LE ausgestattet sein. Der Bericht prognostiziert auch 338 Tausend Bluetooth RTLS Implementierungen bis 2027.

Laut einem Bericht der Daten- und Business-Intelligence-Plattform "Statista" wird die Zahl der LPWAN-IoT-Verbindungen bis 2030 die anderer IoT-Konnektivitätstechnologien übertreffen.