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2 Inhalt Impressum: Herausgeber: Klaus Lipinski Mobile Broadband Copyrigt 2010 DATACOM-Buchverlag GmbH Dietersburg Alle Rechte vorbehalten. 3,5. Generation 3,9. Generation 3GPP, third generation partnership project 3GPP2, third generation partnership project 2 4. Generation m DSRC, dedicated short range communication Diversität EDGE, enhanced data service for GSM evolution EVDO, evolution data optimized GPRS, general packet radio service HC-SMDA, high capacity - spatial division multiple access HSCSD, high speed circuit switched data HSDPA, high speed downlink packet access HSPA, high speed packet access HSPA+, high speed packet access plus HSUPA, high speed uplink packet access iburst LTE, long term evolution Mehrantennensystem Mehrwegeausbreitung MIMO, multiple input multiple output MISO, multiple input single output Mobile-WiMAX Mobiles Breitband MRC, maximum ratio combining OFDM, orthogonal frequency division multiplex OFDMA, orthogonal frequency division multiplexing access Raumdiversität Raummultiplex, RMX SIMO, single input mutliple output SISO, single input single output Spatial-Multiplexing UMB, ultra mobile broadband UMTS, universal mobile telecommunications system UMTS-Netz UMTS-Standard UMTS-Stick UMTS-Übertragungsrate WiBro, wireless broadband WCDMA, wideband code division multiple access WiMAX, worldwide interoperability for microwave access Keine Haftung für die angegebenen Informationen. Das E-Book ist urheberrechtlich geschützt und darf nicht auf fremden Websites ins Internet oder in Intranets gestellt werden. Produziert von Media-Schmid 2

3 3,5. Generation 3.5G, 3.5 generation Generationen der Mobilfunknetze 3,9. Generation 3.9G, 3.9 generation 3GPP, third generation partnership project 3 In die Mobilfunk-Generationen hat man nachträglich die 3,5. Generation eingefügt. Es handelt sich hierbei um die paketvermittelten Techniken HSDPA und HSUPA, die für UMTS entwickelt wurden. Unter 3.5G fallen aber auch WiBro und WiMAX, ebenso Digital Multimedia Broadcast (DMB) mit ihren terrestrischen und satellitengestützten Varianten T-DMB und S-DMB. Mobilfunknetze sind chronologisch in Generationen gegliedert. So gibt es die 1., 2. und 3. Generation (3G), die jede für sich einen Entwicklungssprung charakterisiert, der primär durch neue Technologien und höhere Datenübertragungsraten gekennzeichnet ist. So repräsentiert 3G UMTS und die Stufe 3,5G die auf UMTS aufbauenden High-Speed- Techniken HSDPA und HSUPA. Mit der 3,9. Generation, die 2007 von der 3GPP standardisiert wurde, erfolgt eine unmittelbare Annäherung an die 4. Generation. In 3.9G, auch als Super 3G bezeichnet, werden Datenraten von 100 Mbit/s für das Empfangen und von 50 Mbit/s für das Senden von Signalen festgeschrieben. Die dafür verwendete Technik basiert auf Long Term Evolution (LTE). Die 3,9. Generation wird in die 4. Generation eingehen. Das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ist eine Standardisierungsinitiative, die zwischen verschiedenen regionalen Standardisierungs-Organisationen aus Europa, den USA und Asien mit dem Ziel geschlossen wurde, die technischen Spezifikationen für Mobilfunknetze der 3. Generation voranzutreiben. Das 3GPP-Projekt, an dem auch Industriekonsortien und Unternehmen mitarbeiten, wurde 1998 ins Leben gerufen und soll das Funkzugangsnetz (UTRA) und das GSM-Netz weiterentwickeln. Das von 3GPP definierte Mobilfunksystem gehört zu IMT Ein weiteres Projekt von 3GPP ist Long Term Evolution (LTE). Die 3GPP-Spezifikationen, die von Technical Specification Groups (TSG) erarbeitet werden, beschreiben die Kommunikationsprotokolle innerhalb des Funkzugangsnetzes und die lu-schnittstellen. Diese Protokolle sind oberhalb der ATM-Anpassungsschicht (AAL) angesiedelt. Sie bilden die Steuerungsebene zur Signalisierung und dem Verbindungsaufbau.

4 3GPP arbeitet eng mit der ITU und ETSI zusammen, die 3GPP-Entwicklungen als Standards übernehmen. 3GPP2, third generation partnership project 2 4. Generation 4G, fourth generation m IEEE m 4 Das Third Generation Partnership Project 2 (3GPP2) zielt im Gegensatz zu 3GPP auf den nordamerikanischen und asiatischen Mobilfunkmarkt. Unter der Bezeichnung 3GPP2 werden die Spezifikationen für die Mobilfunknetze der 3. Generation (3G) entwickelt. Die Vereinbarung wurde 1998 zwischen asiatischen und nordamerikanischen Telekommunikationsverbänden getroffen. Dazu gehören ARIB aus Japan, CCSA aus China, TIA aus den Nordamerika, TTA aus Südkorea und TTC aus Japan. Mittels 3GPP2 sollen globale Funknetze entwickelt werden, die auf IMT-2000 resp. CDMA2000 basieren. Eines der Projekte von 3GPP2 ist Ultra Mobile Broadband (UMB). Die Entwicklung der globalen Spezifikationen für die Funktechniken werden unterstützt und standardisiert von der ANSI, TIA und EIA. Nach der Einführung der 3G-Mobilfunksysteme, die im Wesentlichen von UMTS geprägt sind, werden die Systeme der vierten Generation konzipiert. Sie stehen unter dem Motto Always best connected und Beyond 3G. Die 4G-Systeme sollen dem Endanwender Bandbreiten von bis zu 1 Gbit/s im Nahbereich und bis zu 100 Mbit/s im Fernbereich zur Verfügung und eine verbesserte Leistungsfähigkeit zur Verfügung stellen. Systeme der vierten Generation basieren dabei auf einem Kernnetz und einer gemeinsamen IP-gestützten Plattform für den Medienzugang. Zu den Mobilfunksystemen der 4. Generation gehören WLANs nach n, Broadband Wireless Access (BWA) nach m, Long Term Evolution (LTE) von UMTS, Ultra Mobile Broadband (UWB), HC-SDMA, iburst und EVDO. Die zukünftigen Mobilfunksysteme arbeiten über horizontales und vertikales Handover, das bedeutet systemund schichtenübergreifend. Ziel der 4G-Aktivitäten ist es, allen Benutzern weltweit die gesamte Dienstvielfalt netzübergreifend anzubieten. Die 4G-Aktivitäten werden von den weltweit größten Mobilfunkanbietern unter der Bezeichnung Next Generation Mobile Network (NGMN) vorangetrieben. Zu den Gründungsmitgliedern der NGMN-Initiative gehören T-Mobile, Vodafone, Orange, China Mobile, KPN und NTT DoCoMo. Die im Jahr 2007 aktiv gewordene Arbeitsgruppe m, Advanced Air Interface, befasst sich mit der Definition eines Hochgeschwindigkeits-Funkstandards mit Übertragungsraten von bis zu 1 Gbit/s im mobilen Betrieb mit sich langsam bewegenden Teilnehmern. Diese Betriebsart nennt sich Nomadic respektive High Efficiency/Strong Signal Mode. Im High Mobility Mode bei einer Fahrgeschwindigkeit von 250 km/h soll die Datenrate für die mobilen Terminals noch 100 Mbit/s betragen. 1 Gbit/s soll bei geringer Bewegungsgeschwindigkeit möglich sein. Weitere Anforderungen liegen in der Größe der Funkzelle, die einen Durchmesser von 30 km haben soll, darüber hinaus soll es sich um ein All-IP-Konzept handeln, als Zugangsverfahren wird OFDMA verwendet und

5 als Mehrantennenkonzept MIMO. Des Weiteren soll die gängige Bitdichte von 1:5 auf 1:8 erhöht werden m ist kompatibel zu e und setzt auf flexible Bandbreiten mit 5 MHz, 7 MHz, 8,75 MHz, 10 MHz und 20 MHz. DSRC, dedicated short range communication Diversität diversity Mehrantennensysteme 5 Unter Dedicated Short Range Communication (DSRC) versteht man funkgestützte sicherheitsrelevante und private Dienste, die in der Automotive-Technik von mobilen Stationen ausgeführt werden können. Die Federal Communications Commission (FCC) hat für die DSRC-Dienste das Frequenzband von 5,85 GHz bis 5,925 GHz zugeteilt. In den entsprechenden Telematikstandards wird die drahtlose Fahrzeug-Fahrzeug- und die Fahrzeug-Straße-Kommunikation einfließen, also die Car-to-Car-Kommunikation (C2C) und die Car-to- Infrastructure-Kommunikation (C2I). Darüber hinaus kann die DSRC-Technik in existierenden Technologien der Unterhaltungselektronik und in Abrechnungssystemen für die Straßenbenutzungsgebühren oder die Wartungskontrollen für die Fahrzeuge eingesetzt werden. Die DSRC-Standardisierungsansätze der Amerikaner, Europäer und Japaner sind unterschiedlich, weswegen die ISO mit dem Standardisierungsprojekt CALM versucht einen weltweit einheitlichen Standard zu entwickeln. Diversität bedeutet Vielfalt. In der Funktechnik gibt es diverse Diversitäts-Verfahren, die den zur Verfügung stehenden Funkübertragungsweg vielfältig ausnutzen. Das Diversity kann sich auf die Übertragungsfrequenzen, auf Mehrantennensysteme oder den Informationsinhalt beziehen, man spricht dann auch von Frequenz-, Antennen-, Receiver- und Raumdiversität. Bei der Funkübertragung besteht die Möglichkeit die gleiche Information gleichzeitig von mehreren Antennen aus zu übertragen. Diese Antennen-Diversity wird bei MIMO umgesetzt. Ähnlich arbeiten die Gleichwellennetze, die die gleiche Information über mehrere Sender ausstrahlen. Ein anderer Diversitäts- Ansatz nutzt die Ausstrahlung der gleichen Information auf unterschiedlichen Frequenzen oder, wie das Spatial- Multiplexing, die räumliche Dimension. Des Weiteren gibt es Diversity-Verfahren, die mehrere Techniken miteinander kombinieren. So werden bei der STBC- Codierung zusätzlich zur spektralen Dimension noch die zeitliche und die räumliche Komponente ausgenutzt, indem die Signale zeitlich versetzt von mehreren Antennen ausgestrahlt werden. Diese Technik heißt STBC-Codierung, tritt anstelle der zeitlichen Komponente die frequenzmäßige, dann handelt es sich um SFBC.

6 Die Diversity-Techniken verbessern die Übertragungsqualität und nutzen die vorhandene Funkstrecke effizienter aus. Sie eignen sich ideal für mobile Empfangseinrichtungen, die sich in fahrenden Zügen und Kraftfahrzeugen befinden. So verbessert sich beispielsweise der Empfang bei zwei Empfangsantennen um 5 db bis 9 db bei einer Reduzierung der Fehlerrate um 50 %. EDGE, enhanced data service for GSM evolution Datenübertragungsraten von EDGE 6 Enhanced Data Service for GSM Evolution (EDGE) ist ein Mobilkommunikationssystem, das wie HSCSD und GPRS auf die bestehende GSM-Infrastruktur aufsetzt. Es zeichnet sich durch höchste Übertragungsraten aus und ist konzeptionell ausgerichtet für mobile Echtzeitanwendungen wie Video- oder Internettelefonie. Im Gegensatz zu HSCSD und GPRS, bei denen die Übertragungsgeschwindigkeit durch Optimierung der Fehlerkorrektur erhöht wird, setzt EDGE bereits bei der Modulation an um eine höhere Datenrate zu erreichen. EDGE arbeitet mit einer Phasenumtastung (8PSK), mit der acht Symbole übertragen und damit die Übertragungsgeschwindigkeit eines GSM-Kanals auf bis zu 59,2 kbit/s erhöht werden kann. Bei diesem Verfahren werden drei Bits gleichzeitig in einer Gruppe übertragen, wobei der Träger zwischen acht verschiedenen Phasenlagen wechselt. Im Gegensatz dazu wird mit dem bestehenden GSMK-Verfahren, das adaptiv bei stark gestörten Verbindungen eingesetzt wird, nur ein Bit pro Übertragungsschritt übertragen. Je nach Übertragungsverfahren ergeben sich mit GMSK- Modulation Übertragungsraten zwischen 8,8 kbit/s pro Kanal und 17,2 kbit/s pro Kanal, bei der Phasenumtastung (8- PSK) liegen die Werte zwischen 22,4 kbit/s pro Kanal und 59,2 kbit/s pro Kanal. Das bedeutet, dass man bei Nutzung aller acht Kanäle mit GMSK im Übertragungsmodus mit dem Modulation and Coding Scheme (MSC4) eine maximale Datenübertragungsrate von 137,6 kbit/s erzielen kann. Dieser Wert erhöht sich bei 8-PSK-Modulation im MSC9-Nodus auf eine maximale Übertragungsrate von 473,6 kbit/s. Diese Werte können nur bei störungsfreiem stationärem Betrieb in Nähe der Sendeeinrichtung erreicht werden. Der paketorientierte Teil des EDGE-Standards ist der Enhanced General Packet Radio Service, EGPRS, als Nachfolger von GPRS. EDGE stellt die letzte Stufe des geplanten Ausbaus vorhandener GSM-Netze dar. Auf Seite der Netzbetreiber sind Änderungen im Funknetz und Erweiterungen von vorhandenen GPRS-Einrichtungen erforderlich. EDGE bildet die Vorstufe für WCDMA und UMTS, wobei nicht sicher ist, ob alle Mobilfunknetzbetreiber ihre Netz-Infrastruktur auf EDGE umrüsten, da wesentliche Netzkomponenten ausgetauscht werden müssen.

7 EVDO, evolution data optimized Evolution Data Optimized (EVDO), EV-DO oder 1xEVDO ist eine drahtlose Breitband-Zugangstechnik der 3. Generation (3G), die keinen WiFi-Hotspot benötigt, da das mobile Endgerät selbst der Hotspot ist. Die EVDO-Technik benutzt vorhandene Mobilfunk-Infrastrukturen wie CDMA2000 und bietet Roaming zwischen den Funkzellen Zugang zum Internet, ohne, dass man einen Hotspot suchen müsste. So hat man mit EVDO beispielsweise in Zügen oder Autos direkten Zugang zum Internet. Die mittlere Downlink-Geschwindigkeit liegt bei stationärem Betrieb bei über 2 Mbit/s, bei mobilem zwischen 400 kbit/s und 700 kbit/s. Die Datenraten für den Uplink liegen zwischen 60 kbit/s und 100 kbit/s. Entwicklung der Datenraten in der Mobilkommunikation Ursprünglich wurde EVDO von Qualcomm so entwickelt, dass es die Anforderungen an IMT-2000 erfüllte. Dazu gehörte die Datenrate von über 2 Mbit/s für den Downlink im stationären Betrieb. Nach der Ratifizierung von EVDO durch die International Telecommunication Union (ITU) wurde es in 1xEV-DO umbenannt, was für 1x Evolution-Data Only steht und die direkte Evolution zur standardisierten Luftschnittstelle 1xRTT aufzeigt. Wobei die EVDO-Kanäle ausschließlich Daten übertragen. EVDO, das in verschiedenen Ländern von Sprint und Verizon angeboten wird, eignet sich gleichermaßen für den beruflichen und persönlichen Einsatz. Bei einem Notebook muss lediglich eine EVDO-Karte eingesteckt werden, der Teilnehmer ist dann im Always-on-Betrieb. 7

8 GPRS, general packet radio service Datenübertragungsraten von GPRS 8 Beim General Packet Radio Service (GPRS) handelt es sich um eine Datenübertragung mit Datenpaketvermittlung über GSM. Da GPRS im Gegensatz zu HSCSD paketorientiert arbeitet, können sich mehrere Datenpakete mit unterschiedlichen Zieladressen einen Übertragungskanal dynamisch teilen, wodurch die Netzressourcen gegenüber HSCSD wesentlich effizienter genutzt werden. Gleichzeitig ist eine Tarifierung nach dem Übertragungsvolumen möglich. Bedingt durch vier verschiedene Codierschemen (CS) lassen sich die Übertragungsgeschwindigkeit und die Übertragungsgüte aufeinander abstimmen. Die Übertragungsraten liegen bei CS1 bei 9,05 kbit/s je Timeslot, bei CS2 bei 13,4 kbit/s, bei CS3 bei 15,6 kbit/s und bei CS4 bei 21,4 kbit/s, wobei bei höheren Datenraten der Aufwand für die Fehlerkorrektur verringert wird. Zur Steigerung der Übertragungsgeschwindigkeit wird in GPRS-Netzen die Technik der Kanalbündelung genutzt. Im Codierschema 4 (CS4) mit einem Datendurchsatz von 21,4 kbit/s pro Kanal, ergibt sich bei der Kanalbündelung aller acht Kanäle eine Gesamtdatenrate von 171,2 kbit/s. In dieser Betriebsart werden allerdings längere Datenblöcke übertragen, was eine Anpassung der ABIS-Schnittstelle zwischen Base Station Controller (BSC) und Basisstation (BS) erforderlich macht. In der Praxis erwartet man eine mittlere Datenraten von 58 kbit/s, die auf vier Zeitschlitzen basiert. Die Anpassung der Übertragungsgeschwindigkeit erfolgt dynamisch in Abhängigkeit der HF- Übertragungseigenschaften durch Umschaltung zwischen den Codierschemen. Bei GPRS gibt es zwei Dienstkategorien: die Punkt-zu-Punkt-Verbindung (PTP, PP) und die Punkt-zu- Mehrpunkt-Verbindung (PTM, PMP). PTP-Dienste übertragen IP-Pakete zwischen zwei Benutzern, PTM- Dienste unterstützen die Datenübermittlung von einem Absender zu einer Empfängergruppe, die sich zu einer bestimmten Zeit in einem Gebiet aufhält. Der GPRS-Teilnehmer kann sich für beide Gruppen registrieren lassen. Bei dem PTM-Dienst unterscheidet man noch zwischen dem Multicast-Betrieb (PTM-M) und dem Gruppenruf, PTM-GC (Group Call). Bei Multicast werden die Daten an alle in alle Regionen übertragen, die der Absender angegeben hat. Beim Gruppenruf gehen die Informationen nur an eine bestimmte Teilnehmergruppe. Da GPRS-Handys neben der Datenübertragung auch die GSM-Funktionalität zum Telefonieren unterstützen, wird es für die Endgeräte mehrere Terminal-Klassen geben. Mit den technisch aufwändigen Geräten der A-Klasse kann man gleichzeitig telefonieren und Daten übertragen. Bei Geräten der Klasse B hingegen muss die Datenübertragung zur Annahme eines Telefonates unterbrochen werden. Bei der Klasse C muss die Betriebsart GSM/GPRS vor dem Verbindungsaufbau festgelegt werden, da sie während

9 des Betriebs nicht mehr geändert werden kann. GPRS-Netze werden auf den vorhandenen GSM-Netzen betrieben, wobei die Übertragungsgeschwindigkeit von verschiedenen Faktoren wie der Übertragungskapazität des Funknetzes und der Anzahl der Nutzer abhängt. Es wurde speziell für die Anforderungen an die mobile Datenkommunikation mit Blick auf das Mobile Office entwickelt. HC-SMDA, high capacity - spatial division multiple access HSCSD, high speed circuit switched data Datenübertragungsraten von HSCSD HSDPA, high speed downlink packet access 9 High Capacity - Spatial Division Multiple Access (HC-SDMA) ist ein von Alliance of Telecommunications Industry Solutions (ATIS) standardisiertes Mehrfachzugangsverfahren, das im GSM-Standard, in iburst und IEEE eingesetzt wird. HC-SDMA unterstützt als Zugangsverfahren eine breitbandige Funkverbindung für stationäre, tragbare und mobile Computer. Es arbeitet mit einem intelligenten Antennen-Array mit dem die HF-Abdeckung und die Übertragungskapazitäten wesentlich verbessert werden. Das Empfangsgerät kann sich auch mit der Geschwindigkeit eines Autos oder Zugs bewegen. In dem Zugangsprotokoll HC-SDMA werden alle HF-Eigenschaften der Sende- und Empfangseinrichtung spezifiziert, die Übertragungsfrequenzen, die Sendeleistung und die Empfangsfeldstärke, die Störemissionen und die Pulsformung. Hinzu kommen die Framestrukturen für die verschiedenen Bursttypen, für den Uplink- und Downlink-Traffic, das Paging und den Broadcast. Ferner werden die Modulation und die Vorwärts-Fehlerkorrektur (FEC), das Interleaving und das Scrambling spezifiziert, außerdem alle Kanalrelevanten Parameter sowie das Error Recovery. Die Datenraten von HC-SDMA liegen bei 1 Mbit/s pro Endgerät und sollen auf 5 Mbit/s erhöht werden. HSCSD setzt auf GSM auf und bündelt maximal acht Zeitschlitze zu einem einzigen Übertragungskanal. Dies ergibt bei einer Datenübertragungsrate von 9,6 kbit/s pro Kanal eine Gesamtdatenrate von 76,8 kbit/s. Setzt man als Datenübertragungsrate 14,4 kbit/s pro Zeitschlitz an, die mit einem effizienteren Fehler-korrekturverfahren erreicht werden kann, dann ergibt sich daraus eine Gesamtdatenrate von 115,2 kbit/s. Das HSCSD-Verfahren hat den Nachteil, dass immer komplette Kanäle reserviert sind und daher dem einzelnen Nutzer relativ viel Übertragungskapazität zur Verfügung steht. Die Kanalbündelung hat auch Auswirkungen auf die Hardware der Endgeräte: der Kunde benötigt neue Handys. HSCSD kann sowohl im 960-MHz-Bereich übertragen werden, als auch im 1,8-GHz-Bereich. High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) und High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) sind Erweiterungen des UMTS-Standards hin zu höheren Übertragungsgeschwindigkeiten. HSDPA für das Downlink, HSUPA für das Uplink.

10 HSDPA und HSUPA für den Downund Uplink im UMTS-Netz HSPA, high speed packet access 10 Die von 3GPP definierte HSDPA- Technik arbeitet mit paketbasiertem Datendienst in WCDMA, dem von der ETSI standardisierten breitbandigen Zugangsverfahren für Mobilfunknetze der 3.5 Generation (3.5G). Die Datenrate für die Downlink-Übertragung liegt zwischen 8 Mbit/s und 10 Mbit/s; für MIMO (Multiple Input Multiple Output) sogar bei 20 Mbit/s bei einem 5 MHz breiten Übertragungskanal. Die Architektur von HSDPA hat eine parallele Struktur, die einen hohen Datendurchsatz bei niedrigen Taktraten ermöglicht. HSDPA arbeitet mit einer verbesserten Modulationstechnik, einer Kombination aus QPSK und Quadraturamplitudenmodulation (16QAM), mit der in Verbindung mit einer speziellen Kompression, dem so genannten Turbo Codec, Datenübertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 21,6 Mbit/s erreicht werden. Zur Erhöhung der Datenrate werden auch Diversitäts-Verfahren eingesetzt, so als Antennen- oder Receiver-Diversität. Darüber hinaus zeichnet sich HSDPA durch extrem kurze Antwortzeiten aus, die bei 2 ms liegen kann. Der Vorteil von HSDPA gegenüber dem schnelleren WiMAX liegt in der Infrastruktur. HSDPA ist für mobile Anwendungen ausgelegt und benötigt bei Handys lediglich einen Software-Download, bei Notebooks zusätzlich HSDPA-Karten um in den vorhandenen UMTS-Netzen arbeiten zu können, WiMAX hingegen benötigt eine vollkommen neue Infrastruktur. Für HSDPA, das in die Standards von 3GPP eingegangen ist, wurde die 3.5 Generation (3,5G) der Mobilfunknetze definiert. High Speed Packet Access (HSPA) ist eine Weiterentwicklung von UMTS. Es verwendet die gleichen Frequenzbänder wie UMTS und kennt die drei Übertragungstechniken HSDPA, HSUPA und HSOPA. Diese übertragungstechnischen Aufrüstungen setzen auf der UMTS-Technik auf und benutzen deren Infrastruktur. Ziel von High Speed Packet Access (HSPA) ist die Erhöhung der Datenrate, die Ausweitung der Netzwerk- Kapazität und die Beschleunigung des Zugriffs auf Datendienste. Mit dieser Technik können Mobilfunkbetreiber paketvermittelte Hochgeschwindigkeitszugänge im Uplink und Downlink realisieren. Die HSPA-Technik kommt all jenen zugute, die in beiden Übertragungsrichtungen hohe Datenraten und eine schnelle Interaktion zwischen Downlink und Uplink benötigen. Dazu gehören beispielsweise Videokonferenzen, IP-Telefonie und Mobile Office. Die Datenraten erreichen im Downlink zum Endgerät 14,4 Mbit/s, im Uplink 5,76 Mbit/s. Zu den von HSPA benutzten Techniken gehört u.a. das schnelle Datenübertragungsprotokoll HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request), bei dem der Empfänger fehlerhaft empfangene Datenpakete direkt neu

11 anfordert. Die Anforderungszeit ist mit 2 ms wesentlich kürzer als die von UMTS, wo sie 10 ms beträgt. HSPA nutzt den UMTS-Übertragungsrahmen mit einer Länge von 10 ms und 15 Zeitschlitzen. Es werden lediglich Subframes von je 2 ms und 3 Zeitslots eingeführt. Als leistungsfähigere Variante von HSPA hat 3GPP HPSA+ standardisiert. HSPA+, high speed packet access plus HSUPA, high speed uplink packet access iburst 11 High Speed Packet Access Plus (HSPA+) ist eine leistungsfähigere Variante von HSPA, die von 3GPP standardisiert wurde. Im Gegensatz zu HSPA, das im Downlink als HSDPA Datenraten bis zu 10 Mbit/s bietet, bringt es der Downlink von HSPA+ auf 28 Mbit/s und der Uplink auf 11 Mbit/s, anstelle von 1,5 Mbit/s bei HSUPA. Die höheren Datenraten von HSPA+ wirken sich in einer verkürzten Pingzeit aus und sind ideal für alle datenintensiven mobilen Anwendungen. Mit HSPA+ wird ein kontinuierlicher Übergang von der Mobilfunknetzen der 3,5. Generation zu denen der 4. Generation mit Long Term Evolution (LTE) geschaffen. HSPA+, das ebenso wie HSPA die UMTS-Infrastruktur benutzt, arbeitet mit einem Mehrantennensystem nach dem MIMO-Verfahren und verwendet als Codierung die Quadraturamplitudenmodulation, im Downlink als 64QAM und im Uplink als 16QAM. High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) ist eine Ergänzung von UMTS mit der das Third Generation Partnership Project (3GPP) die Übertragungsraten für den Upstream in UMTS-Netzen erhöht. Die Datenraten von HSUPA liegen mit 1,0 Mbit/s bis 1,5 Mbit/s unter denen der Downstream-Technik HSDPA. Sie können aber mit speziellen Techniken wie dem Enhanced Uplink (EUL), dessen Übertragungskanal mit Enhanced Uplink Channel (EUCH) bezeichnet wird, auf Übertragungsraten bis zu 5,76 Mbit/s erhöht werden. HSUPA hat einen Enhanced Uplink Channel für Daten, E-DCH, mit drei weiteren Signalisierungskanälen für das Downlink, die die erhöhte Datenrate von HSUPA unterstützen: In dem E-HICH, E-DCH HARQ Indicator Channel, wird die Übertragung von dem UMTS-Handy in dem E-DCH zu bestätigt. Der E-AGCH, der E-DCH Absolute Grant Channel, zeigt der UMTS-Mobilstation die mögliche Datenrate im Uplink an und die zulässige Sendeleistung. Über den dritten Signalisierungskanal E-RGCH, was für E-DCH Relative Grant Channel steht, kann die Uplink-Datenrate erhöht oder reduziert werden. Ziel der HSPA-Aktivitäten ist es die beiden Dienste HSDPA und HSUPA in UMTS-Netzen zu kombinieren. Damit könnten dann Anwendungen realisiert werden, die in beiden Übertragungsrichtungen hohe Datenraten benötigen, wie Videokonferenzen oder s mit großem Anhang. Generell sind für HSDPA und HSUPA entsprechende UMTS-Handys mit Datenkarte erforderlich. iburst ist eine von mehreren Hochgeschwindigkeits-Mobilfunktechnologien für breitbandige Internet-Zugänge. Sie wird ebenso wie WiMAX, WiBro, Long Term Evolution (LTE), Ultra Mobile Broadband (UMB) oder HiperMAN der 4. Generation an Mobilfunksystemen zugeordnet. Alle diese Techniken unterscheiden sich in ihrem Ansatz und ihrer Anwendung, manche nur marginal und stehen somit im Wettbewerb untereinander. Alle Hochgeschwindigkeits-Mobilfunktechnologien erreichen ihre hohen Datenraten durch Bandbreitenoptimierung, durch optimierte Zugangs- und Modulationsverfahren und durch Antennen-Arrays und MIMO-Technik.

12 Als Funktechnik benutzt iburst ein Technik mit adaptiven Antennen-Arrays, Mehrträgermodulation und das Mehrfachzugangsverfahren HC-SDMA. Mit diesen Techniken erzielt iburst hohe Datenraten, Übertragungskapazitäten, eine hohe Portabilität und hat jederzeit und überall einen breitbandigen Internet- Zugang. Darüber können Echtzeitdarstellungen, volumenreiche Downloads und Browsing realisiert werden. Innerhalb des Funkbereichs einer Basisstation sind iburst-geräte permanent mit dieser verbunden. Auch der Wechsel von einer Funkzelle in eine andere erfolgt unterbrechungsfrei. iburst wurde von der Firma ArrayComm entwickelt und High Capacity Spatial Division Multiple Access (HC- SDMA) von der Alliance of Telecommunications Industry Solutions (ATIS) standardisiert. Es ist seit 2004 in verschiedenen Ländern verfügbar, darunter die USA, Kanada, einige europäische und mehrere afrikanische Länder und im mittleren Osten. LTE, long term evolution Die Entwicklung der Datenraten von UMTS, HSPA und LTE 12 Den verschiedenen Techniken der Mobilkommunikation werden Generationen zugeordnet. So gehört GSM der 2. Generation (2G) an, UMTS der dritten (3G) und HSDPA wird der 3,5. Generation zugeordnet. Long Term Evolution (LTE) ist als Nachfolgetechnik von UMTS und HSDPA anzusehen. Sie hat daher die chronologische Einordnung als 4. Generation (4G), ebenso wie Mobile-WiMAX und Ultra Mobile Broadband (UMB), das die gleichen Datenraten bietet wie Long Term Evolution. Alle 4G-Techniken konkurrieren um den Markt des Mobile Broadband, des mobilen Breitbands. Long Term Evolution wird dabei von den großen Betreibern der UMTS-Netze priorisiert, die sich weltweit zur LTE-Technologie bekannt haben. LTE ist damit weltweit der erste einheitliche Mobilfunkstandard. Die Standardisierung der LTE-Technik ist in 3GPP als Release 8 definiert. Diese Technik kann in Verbindung mit MIMO und OFDMA Spitzendatenraten von 100 Mbit/s im Downlink empfangen. Neben der höheren Datenrate nutzt die LTE-Technik den zur Verfügung stehende Frequenzbereich effizienter aus. Im Uplink werden Datenraten von 50 Mbit/s vom Mobilgerät zur Basisstation erreicht. Die hohen Datenraten werden durch Zuweisung von verschiedenen Bandbreiten erzielt. So können Bandbreiten von 1,25 MHz, 1,6 MHz, 2,5 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz und 20 MHz flexibel zugewiesen werden. Weiterhin steigert die in LTE angewandte MIMO-Technik den Antennengewinn und erhöht die Empfangsleistung, weil bei dieser Technik mehrere Antennen in Gruppen zusammengefasst werden. Jede Verdoppelung der Antennenzahl verursacht einen um 3 db höheren Empfangspegel, wenn die Antennensignale miteinander verknüpft sind und eine Wellenüberlagerung

13 Entwicklung der mobilen Hochgeschwindigkeitstechnologien Mehrantennensystem multiple antenna system Mehrantennensystem 13 erfolgt. Ein 4x4-Antennen- Array hat somit eine um 3 db höhere Empfangsleistung als ein 2x2-Antennen-Array. Darüber hinaus bietet das MIMO-LTE-Konzept eine verbesserte Unterdrückung von Interferenzen und eine bessere Verbindungsqualität. Long Term Evolution (LTE) arbeitet auf der physikalischen Ebene im Downlink mit OFDM als Zugangsverfahren, diese Technik wird auch als High Speed OFDM Packet Access (HSOPA) bezeichnet. Im Uplink kommt das Zugangsverfahren Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) zum Einsatz. Long Term Evolution ist so konzipiert, dass es als Upgrade von vorhandenen Mobilfunktechnologien angesehen werden kann, so von CDMA2000 und EVDO. Um in Funksystemen höhere Empfangsfeldstärken und Datenraten zu erzielen, gibt es mit der Raumdiversität eine Technik, die die Mehrwegeausbreitung der Funksignale nutzt, mit Spatial-Multiplexing oder Diversitäts-Verfahren arbeiten oder auch mit sende- und empfangsseitigen Antennen-Arrays, so genannten Mehrantennensystemen. Generell erfolgt eine funktechnische Übertragung zwischen einem Sender und einem Empfänger in der Form, dass der Sender das HF-Signal von einer Antenne abstrahlt und der Empfänger eine Antenne für den Empfang hat. Für solche Systeme gibt es das Akronym SISO, das für Single Input Single Output steht. Eine Erhöhung der Empfangsfeldstärke kann bereits durch zwei oder mehr Empfangsantennen erfolgen. Man spricht dann von SIMO, Single Input Multiple Output. Werden anstelle einer Sendeantenne mehrere Antennen zur Abstrahlung des HF-Signals eingesetzt, spricht man von MISO, Multiple Input Single Output. Werden sowohl für die senderseitige Abstrahlung als auch für die Empfangsseite mehrere Antennen eingesetzt heißen die

14 Systeme MIMO, Multiple Input Multiple Output. Bei den Mehrantennensystemen senden alle Sender die Signale an alle Empfänger. So erhält bei einem Drei-Antenennsystem die erste Empfangsantenne die Summe der Signalanteile h11, h12 und h13, die zweite h21, h22 und h23 und die dritte Empfangsantenne empfängt Anteile von h31, h32 und h33. Sind die Matrixen bekannt, dann können aus diesen die Sendesignale berechnet werden. Die Matrixelemente werden regelmäßig durch einen Pilot-Ton gemessen und optimiert. Dies ist erforderlich weil sich die Übertragung auf der Funkstrecke und damit die Empfangsbedingungen geändert haben können. Mit diesen Mehrantennensystemen kann die Bandbreite effizienter genutzt und die Datenrate auf 20 bit/hz bis 40 bit/hz erhöht werden. Mehrwegeausbreitung multipath propagation MIMO, multiple input multiple output MIMO-Verfahren Sende- und empfangsseitiges Antennen-Array von MIMO 14 Unter eine Mehrwegeausbreitung versteht man die Ausbreitung von ungerichteten Funkfrequenzen. Solche ungerichtete Funkfrequenzen breiten sich beim Senden in verschiedene Richtungen aus und legen durch Beugung, Brechung, Fading und Reflexion unterschiedlich lange Wege zurück, bevor sie beim Empfänger mit unterschiedlichen Phasenlagen eintreffen. Die einzelnen Phasenlagen der Eingangsfrequenzen bilden sich am Empfängereingang als Interferenzen aus, die sich in starken Feldstärkeschwankungen bemerkbar machen. Bei der Mehrwegeausbreitung werden die durch die unterschiedlichen Laufzeiten bedingten Phasenverschiebungen minimiert und erzielen dadurch eine effizientere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Frequenzbereiche. Mit der Mehrwegeausbreitung können die knappen Ressourcen an Bandbreite und Sendeleistung optimal ausgenutzt werden. Mehrwege bedeutet in diesem Zusammenhang das parallele Aussenden der gleichen Information über Mehrantennensysteme, die Aussendung der gleichen Information über verschiedene Trägerfrequenzen oder verschiedener Informationen über verschiedene Trägerfrequenzen, wie beim Spatial-Multiplexing. Bei der STBC-Codierung werden mehrere Dimensionen, die räumliche, die spektrale und die zeitliche miteinander verknüpft. Das MIMO-Verfahren (Multiple Input Multiple Output) ist vergleichbar dem von Bell entwickelten Blast- Verfahren. Es handelt sich um ein Mehrantennensystem bei dem identische Funkfrequenzen gleichzeitig über ein intelligentes Antennen-Array ausgesendet und von einem Mehrantennensystem empfangen werden. Die Grundüberlegung dabei ist eine Vervielfachung der

15 Funkstrecken durch Mehrwegeausbreitung. Das räumlich verteilte Antennen-Array strahlt von allen Antennen dieselben Frequenzen aus. Empfangsseitig treffen die gleichen Funkfrequenzen zu verschiedenen Zeiten ebenfalls auf ein intelligentes Antennen-Array, da sie räumlich verteilt ausgestrahlt und darüber hinaus an Wänden oder anderen Objekten und Gegenständen reflektiert werden. Durch diese Streuung wird eine Funkwelle in mehrere schwächere aufgeteilt. Die Mehrwegeausbreitung bewirkt, dass am Empfangsort ein komplexes, raum- und zeitabhängiges Muster als Summensignal der einzelnen Sendesignale entsteht. Dieses eindeutige Muster nutzt MIMO indem es die in ihrer räumlichen Position charakteristischen Signale erfasst, wobei sich jede Raumposition von der benachbarten unterscheidet. Zwischen den Sendern und Empfängern werden so genannte Air Paths eingerichtet über die unterschiedliche Datenteile übertragen werden. Mit der Charakterisierung der einzelnen Sender ist es dem Empfänger möglich mehrere Signale voneinander zu trennen. Da bei WLANs meistens die Sender auch Empfänger sind, kann man mit ebenso vielen Empfängern wie Sende-Antennen arbeiten. Da in WLANs Sender und Empfänger nicht statisch sind, ebenso wie die Strahlungsbedingungen, müssen sich die Empfänger dynamisch an neue charakteristische Reflektionen anpassen. Dies geschieht bei MIMO mit einem speziellen Testsignal. Die Kapazität der funktechnischen Übertragung kann durch den Einsatz von mehreren Sendern erhöht werden: Doppelt so viele Sender bedeuten auch die doppelte Kapazität. Die mit MIMO erzielbare spektrale Effizienz liegt zwischen 20 bit/s/hz und 40 bit/s/hz, wohingegen normale Funkübertragungen Werte von bis zu 5 bit/s/hz erzielen. MIMO wird in Kombination mit OFDM in WiMAX eingesetzt. MISO, multiple input single output Mobile-WiMAX 15 Bei den Mehrantennensystemen unterscheidet man zwischen denen die mit mehreren Sende- und denen die mit mehreren Empfangsantennen arbeiten. Multiple Input Single Output (MISO) gehört zu den Letzteren und arbeitet mit mehreren Empfangsantennen. Ebenso wie SIMO arbeitet die MISO-Technik mit Beamforming bei dem der Sendestrahl in Richtung des Nutzers ausgestrahlt wird. Die gerichtete Abstrahlung hat ihrer Grenzen, wenn die Nutzer nahe beieinander liegen und die Hauptkeule der Abstrahlcharakteristik hinreichend selektiv gehalten werden kann. Die MISO-Technik hat Vorteile bei der Unterdrückung von Interferenzen und erhöht den Empfangspegel. WiMAX kennt zwei Einsatzvarianten: die stationäre und die mobile, das Mobile-WiMAX. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Szenarien liegt in der Sichtverbindung (LOS) zwischen Basisstation (BS) und Mobilstation (MS), die das stationäre WiMAX kennzeichnet, und der nicht erforderlichen Sichtverbindung, Non Line of Sight (NLOS), für das mobile WiMAX. Dieser Unterschied hat unmittelbare Auswirkungen auf die Datenrate, die beim Mobile-WiMAX niedriger ist, als beim stationären. Die Übertragungsspezifikation für die Datenrate liegt bei 2 bit/hz und beträgt damit fast die Hälfte von WiMAX. Mit diesen Spezifikationen werden über einen 20-MHz-Kanal Datenraten von 40 Mbit/s erreicht. Mit dem MIMO-Verfahren werden auf einem 10- MHz-Kanal Datenraten von über 90 Mbit/s erreicht. Davon werden 63 Mbit/s für den Downlink und 28 Mbit/s für den Uplink benutzt. Die Funkzellen sind mit einem Durchmesser von 1 km bis ca. 4 km ebenfalls wesentlich kleiner als die vom stationären WiMAX.

16 Kenndaten von WiMax und Mobile-WiMAX Mobiles Breitband mobile broadband 16 Mobile-WiMAX, das auf dem Standard e-2005 basiert, benutzt für die Übertragung das skalierbare OFDMA, SOFDMA, mit Subträgern. Als Modulationsverfahren schreibt IEEE e die Quadratur- Phasenumtastung (QPKS) oder die Quadraturamplitudenmodulationen 16QAM und 64QAM vor. Letztere nur optional. Darüber hinaus nutzt Mobile- WiMAX HARQ für die Effizienzsteigerung und unterschiedliche Multiplexverfahren wie Frequency Division Duplex (FDD) oder Time Division Duplex (TDD). Die Funkfrequenzen von Mobile- WiMAX liegen zwischen 2 GHz und 11 GHz. Mobile Broadband ist eine mobil einsetzbare Breitbandtechnik. Der Nutzer kann von jedem Ort aus die hohen Übertragungsraten für Internet-Anwendungen nutzen. Für Mobile Broadband wurden die verschiedensten Techniken entwickelt, die auch vom Markt aufgenommen wurden. Die eigentliche Entwicklung breitbandiger Mobilfunktechniken begann Ende der 90er Jahre, als die ersten UMTS-Netze installiert wurden. Gleichzeitig wurden die GSM-Netze mit HSCSD und GPRS und später mit EDGE auf höhere Datenraten aufgerüstet. Diese reichten aber nicht für Bewegtbild-Übertragungen und nur bedingt für das Surfen im Internet. Erst mit UMTS konnten Datenraten von 2 Mbit/s realisiert werden. Mit den auf der UMTS-Technik basierenden Verfahren Long Term Evolution (LTE), HSDPA und HSUPA konnten später die Datenraten weit über 10 Mbit/s bis zu 100 Mbit/s erhöht werden. Weitere breitbandige Mobilfunktechniken wie Ultra Wideband (UWB), Ultra Mobile Broadband (UMB) und WiMAX resp. Mobile- WiMAX, sowie einige Techniken mit nationalem Charakter wie beispielsweise WiBro, erhöhten die Vielfalt für Mobile Broadband mit Datenraten von 100 Mbit/s und darüber. Was fehlte war die Killerapplikation, über die jahrelang diskutiert wurde aber die man anscheinend nicht generieren konnte. Diese Killeranwendung kam 2008 mit dem iphone. Das Datenaufkommen stieg rapide an. Gleichzeitig entwickelten die Mobilgerätehersteller diverse Smartphones mit Smartphone-Browsern, portablen Medienplayern und vielen anderen datenintensiven Funktionen. Die mit der Endgeräte-Entwicklung in direktem Zusammenhang stehende Tendenz zeigt eindeutig, dass da wo höhere Datenraten zur Verfügung stehen, diese auch für Highspeed-Datenverkehr genutzt werden. Neben den erwähnten Techniken entwickeln die Arbeitsgruppen e-2005 und

17 Entwicklung der Datenraten in der Mobilkommunikation m des IEEE mobile High-Speed-Techniken, letztere mit Übertragungsraten bis zu 1 Gbit/s für Gigabit- Übertragungen. MRC, maximum ratio combining OFDM, orthogonal frequency division multiplex 17 Maximum Ratio Combining (MRC) ist eine Variante der Raumdiversität. Das Verfahren zielt darauf ab, die Empfangsfeldstärke von Funksignalen durch den Einsatz mehrerer Antennen zu erhöhen. Die von den einzelnen Antennen empfangenen Funksignale werden einzeln empfangen und nach einem bestimmten Algorithmus verarbeitet. Das verarbeitete Signal ist eine Kombination aus allen Einzelsignalen. Mit dem MRC-Verfahren wird das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) verbessert und die Fehlerrate verringert. Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) ist eine äußerst Bandbreiten-effiziente Funktechnik, die ein wesentlich geringeres Frequenzband benötigt als Frequenzmultiplex (FDM). Beim orthogonalen Frequenzmultiplex (OFDM) handelt es sich um eine Mehrträgermodulation, bei der viele Subträger mit einer relativ geringen Datenrate moduliert werden. Die OFDM-Signale werden über eine inverse diskrete Fourier-Transformationen (IDFT) erzeugt. Die Besonderheit von OFDM liegt darin, dass die Frequenzen der einzelnen Subträger präzise aus der Symbolrate bestimmt werden, und zwar so, dass ein

18 Unterträger in orthogonaler Zuordnung OFDMA, orthogonal frequency division multiplexing access OFDMA mit Frequenzgruppen und mehreren Subchannels 18 Subträger dann seine maximale Modulationsamplitude erreicht, wenn alle anderen Subträger einen Nulldurchgang haben. Die Blocklänge der IDFT entspricht dabei der Zahl der Subträger. Die IDFT setzt voraus, dass alle Subträgerfrequenzen orthogonal zueinander stehen. Jeder dieser Subträger wird mit einem Teil der Daten moduliert. Da auf einem Subträger dadurch nur wenige Daten übertragen werden, ergeben sich lange Symbolraten. Diese sind unempfindlicher gegen Störungen und Echos als andere Modulationsverfahren und bieten daher besondere Vorteile bei stark beeinträchtigter terrestrischer Übertragung. Verzerrungen durch Reflektionen und Laufzeitunterschiede, wie sie bei breitbandiger Übertragung als Verzögerungsstreuung auftreten, werden vermieden. Darüber hinaus benötigt diese Technik ein schmaleres Frequenzband als andere Mehrträgertechniken, da zwischen den einzelnen Subträgerbändern kein Sicherheits-Frequenzband benötigt wird. Soll also beispielsweise ein 1-Mbit/s-Signal mittels OFDM über zehn Trägerfrequenzen, die jeweils mit 100 kbit/s moduliert werden, übertragen werden, dann ist der optimale Abstand der Trägerfrequenzen 100 khz. OFDM wird u.a. in terrestrischem Digital-TV (DVB-T), in Digitalaudio-Broadcast (DAB) und DRM-Radio eingesetzt, ebenso in WLANs nach IEEE a, bei Long Term Evolution (LTE) und in HiperLAN. In WiMAX wird OFDM mit der MIMO-Technik kombiniert und erreicht spektrale Effizienzwerte von bis zu 8 bit/s/ Hz. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) ist ein Zugangsverfahren für funktechnische Systeme, basierend auf der Mehrträgermodulation OFDM und erweitert um die Mehrfachzugangsverfahren FDMA und TDMA. Hierin besteht auch der Unterschied zu OFDM, das mit eindimensionalem Mehrfachzugang in Form von Zeitschlitzen arbeitet. Durch die Mehrfachzugangsverfahren können einzelne oder mehrere orthogonale Subträger unterschiedlichen Nutzern zugewiesen werden. Über die zugewiesenen Zeitschlitze von TDMA und die Unterkanäle von FDMA kann die Übertragungskapazität an die Nutzeranforderungen angepasst werden. So wird einem Teilnehmer der telefoniert, eine geringere Bandbreite zugewiesen als einem

19 der Internetfernsehen anschaut. Bei OFDMA bildet der Sender die zu übertragenden seriellen Bitströme auf diversen Subträgern ab. Die Anzahl an Subträgern hängt von der Kanalbreite ab. Die einzelnen Subträger werden parallel über die zur Verfügung stehende Bandbreite des Funkkanals übertragen. Je mehr Subchannels für die Übertragung genutzt werden, desto niedriger wird die Symbolrate, die sich in den Frequenzänderungen des Sendesignals zeigt. Was die Orthogonalität betrifft, so wird das Verhältnis der zur Verfügung stehenden Bandbreite zur Symbolrate so gewählt, dass das Maximum eines Subträgerspektrums in den Minima seiner Nachbarn liegt. OFDMA kennt drei verschiedene Subcarrier: den - Data Subcarrier für die Datenübertragung, - den Pilot Subcarrier für die Synchronisation und - den Null Subcarrier ohne Übertragungsfunktion. Diese dienen zur Bereitstellung der Schutzzonen. Das in WiMAX benutzte OFDMA hat gegenüber OFDM eine flexible Anzahl an Trägerfrequenzen. Sind es bei der OFDM-Technik 256, so können es bei OFDMA 128, 512, oder sein. Die Codierung, Modulation und Amplitude werden je nach den Kanalbedingungen für jeden Subchannel separat eingestellt. Das bedeutet, dass die Sendeleistung optimal an unterschiedliche Übertragungsbedingungen angepasst werden kann. OFDMA sorgt für die Zuordnung der mehr oder weniger vielen Subträger eines Funknetzes zu den unterschiedlichen Radio Network Terminations (RNT). Mit dieser Funktion werden Interferenzen der Symbolrate und die Frequenzabweichungen der Lokaloszillatoren (LO) kompensiert. Da die Frequenzen der Lokaloszillatoren, bedingt durch Alterung und Temperatur, erheblich schwanken können, wird mit der OFDMA- Funktion der Bezug zu einem Subträger sichergestellt. OFDMA wird vorwiegend in Hochgeschwindigkeits-Mobilfunknetzen wie m, Ultra Mobile Broadband (UMB), Long Term Evolution (LTE), WiBro und Mobile-WiMAX eingesetzt. Raumdiversität space diversity 19 Raumdiversität umfasst die verschiedenen Techniken bei denen das gleiche Funksignal über verschiedene Funkwege zur Empfangseinheit übertragen und von mehreren Antennen empfangen wird. Techniken in denen die Raumdiversität genutzt werden sind die Mehrantennensysteme. Bei der Raumdiversität geht es darum, die von den verschiedenen Antennen empfangenen Signale so zu kombinieren, dass dem Receiver ein optimales Empfangssignal zur Verfügung steht. Da die Funksignale mit unterschiedlichen Phasenlagen und Empfangssignalstärken an den Antennen anliegen, müssen diese Kennwerte bei der Kombination der Funksignale berücksichtigt werden. Es gibt unterschiedliche Diversitäts-Verfahren. Das relativ einfache Switched Combining (SC) arbeitet so lange mit einer Antenne, bis die Eingangsfeldstärke unter einen Grenzwert sinkt. Danach schaltet das System auf eine andere Antenne mit höherer Feldstärke um. Ein anderes Verfahren, das Selection Combining (SEC), arbeitet mit mehreren Antennen und benutzt den Kanal mit dem besten Signal-Rausch-Verhältnis (S/N). Wenn ein SEC-System mit drei Antennen arbeitet, verbessert sich der Antennengewinn um 2,6 db. Eine schwierigere Raumdiversitätstechnik ist das Equal Gain Combining (EGC). Bei dieser Technik werden die diversen Empfangssignale in eine einheitliche Phasenlage verschoben und ihr Pegel wird addiert.

20 Das Maximum Ratio Combining (MRC) ist die Technik mit den besten Ergebnissen, allerdings auch die aufwendigste. Neben der Phasenangleichung und der Symbolkorrektur wie beim EGC-Verfahren, hat die MRC-Technik noch eine Gewichtung der einzelnen Signale. So werden Signale mit hohem Störspannungsabstand höher gewichtet als solche mit niedrigerem. Generell ist festzuhalten, dass die Raumdiversität in erster Linie von der Anzahl der Antennen abhängt und dass mit den Selektionstechniken eine merkbare Verbesserung erreicht werden kann. Raummultiplex, RMX SDM, space division multiplexing SIMO, single input mutliple output SISO, single input single output 20 Space Division Multiplexing (SDM), Raummultiplex, ist die Zusammenfassung der physikalischen Übertragungsmedien in einem Kabel, einem Frequenzband oder einem Sendegebiet. Bei drahtgebundenem Raummultiplex werden ganze Übertragungsmedien zu- und abgeschaltet: Statt einem Kabel werden mehrere benutzt, statt einem Lichtwellenleiter erfolgt die Übertragung über mehrere. Das Zu- und Abschalten von Übertragungsmedien ist eine relativ grobe Form für die Erweiterung von Übertragungskapazitäten, wesentlich feinere sind die Skalierung und das Bandbreitenmanagement. Beim drahtlosen Raummultiplex werden zu einer bestehenden Funkverbindung weitere Funkstrecken dazu geschaltet. Auch die Anordnung von Funkzellen ist eine Art Raummultiplex, da jede einzelne Funkzelle einen regionalen Bereich mit einer Funkfrequenz ausleuchtet. In diesem Zusammenhang sei auch auf das MIMO- Verfahren hingewiesen, bei dem mehrere Funkstrecken im Raummultiplex betrieben werden. Praktische Anwendung findet das drahtgebundene Raummultiplex beispielsweise bei ISDN als Zubringerstrecke für Primärmultiplexanschlüsse oder beim Space-Switching von Glasfasern in optischen Netzen, wo es über die elektromechanisch arbeitenden Komponenten der Mikrosystemtechnik (MEMS) realisiert wird. Auch bei 100-Gigabit-Ethernet steht das optische Raummultiplex (OSDM) zur Diskussion. Dabei werden mehrere parallele Lichtwellenleiter einer Bündelader für die parallele Übertragung genutzt. Single Input Multiple Output (SIMO) ist ein Mehrantennensystem, das sendeseitig mit mehreren Antennen arbeitet, wird empfangsseitig mit zwei Antennen gearbeitet, wird ein solches System als Single Input Dual Output (SIDO) bezeichnet. Bei der SIMO-Technik erfolgt eine sendeseitige Strahlformung, bei der die Sendeleistung in einer Hauptrichtung auf einen bestimmten Nutzer hin abgestrahlt wird. Die SIMO-Technik kann auch für mobile Nutzer angewendet werden, deren Empfangsort sich ändert. In diesem Fall wird der Sendestrahl dem Empfangsort nachgeführt. Dies erfolgt durch das Aussenden von Testsignalen, die dem Empfänger bekannt sind und mit dem der Abstrahlwinkel ermittelt wird. Die SIMO-Technik verhindert die Abstrahlung eines Sendesignals in Richtung eines anderen Benutzers, sie erhöht durch das Beamforming den Empfangspegel und reduziert Interferenzen. Bei funktechnischen Übertragungen ist der Empfangspegel mitentscheidend für die Übertragungsqualität und die übertragbare Datenrate. Die klassische Funktechnik basierte darauf, dass ein Sendesignal sendeseitig von einer Antenne abgestrahlt und empfangsseitig von einer Antenne empfangen wurde. Dieses Ein- Antennen-System mit einer Sende- und einer Empfangsantenne nennt sich Single Input Single Output, kurz SISO. Werden empfangsseitig zwei Antennen eingesetzt, spricht man von Single Input Dual Output (SIDO). Angewendet werden SISO-Systeme im Broadcast bei der Ausstrahlung von Rundfunk und Fernsehen, aber

21 auch bei den bekannten Mobilfunksystemen. Um die Empfangsfeldstärke und damit die Empfangsqualität und die übertragbare Datenrate zu erhöhen, wird sende- und/oder empfangsseitig mit mehreren Antennen oder sogar Antennen-Arrays gearbeitet. Diese Mehrantennensysteme heißen je nach dem ob sende- oder empfangsseitig bzw. sende- und empfangsseitig mehrere Antennen eingesetzt werden MISO, SIMO bzw. MIMO. Spatial-Multiplexing SM, spatial multiplexing UMB, ultra mobile broadband UMTS, universal mobile telecommunications system 21 Spatial-Multiplexing (SM) ist ein Funk-Multiplexing, das zur Erhöhung der Datenrate in WLANs eingesetzt werden könnte und im Rahmen der Standardisierung von n als Alternative zu MIMO diskutiert wird. Das Spatial-Multiplexing ist ein räumlich versetztes Multiplexing, das mit einem Mehrantennensystem arbeitet und gleichzeitig mehrere Datenströme übermittelt. Bei Funk-LANs nach könnten die vier Frequenzbänder von 10 MHz, 20 MHz, 30 MHz oder 40 MHz benutzt und über diese könnten Datenraten von 315 Mbit/s bis 630 Mbit/s übertragen werden. Ultra Mobile Broadband (UMB) ist ein von 3GPP2 initiiertes Projekt für die mobile Hochgeschwindigkeitskommunikation. Es gehört der 4. Generation der Mobilfunksysteme an, steht im Wettbewerb mit Long Term Evolution (LTE) und bietet wie dieses im Downlink Datenraten von 100 Mbit/s bis hin zu Spitzendatenraten von 280 Mbit/s. Im Uplink bietet UMB Datenraten von 50 Mbit/s bis hin zu Spitzendatenraten von 75 MHz. UMB stellt ebenso wie LTE die kommende Generation an Mobilfunknetzen. Es hat eine hohe Datenrate, eine geringe Latenz und unterstützt anspruchsvolle Services, die mit den bisherigen Mobilfunknetzen nicht realisiert werden konnten, wie VoIP, qualitativ hochwertige Sprachkommunikation und Echtzeitübertragungen von HDTV. Bei der Entwicklung wurde auch die Kompatibilität mit vorhandenen Technologien, die von UMB abgelöst werden, berücksichtigt. Dadurch kann UMB auch mit CDMA2000 und EVDO betrieben werden. Das in UMB benutzte OFDMA-Verfahren beseitigt die Nachteile von CDMA wie das Hinzufügen an Übertragungskapazität über Mikrozellen und die festgelegten Bandbreiten, die die verfügbare Bandbreite für das mobile Endgerät einschränken. Es verfügt über skalierbare Bandbreiten zwischen 1,25 MHz und 20 MHz, unterstützt die verschiedenen Funkzellengrößen wie Makrozellen, Mikrozellen und Picozellen, benutzt die Architektur von IP-Netzen und arbeitet gleichermaßen in flachen, zentralisierten und gemischten Topologien. Während Ericsson für Long Term Evolution wirbt, ist Qualcomm auf Ultra Mobile Broadband fixiert. UMTS ist ein vom ETSI 1998 standardisiertes System für die universelle Mobilfunk-Telekommunikation. Dieser Standard soll die bisherige Mobilkommunikation über GSM, wie sie in den D- und E-Netzen angewandt wird, mit einem erweiterten Leistungsspektrum ablösen. Vor allem im Bereich der Multimediatechnik soll UMTS dank der hohen UMTS-Übertragungsraten leistungsfähige Multimediadienste unterstützen. Dazu gehören neben den Sprach- und Audiodiensten die schnelle Daten-, Grafiken- und Textübertragung sowie die Übertragung von Bewegtbildern und Video. Den Anforderungen entsprechend sind UMTS-Handys mit einer Videokamera und einem Farbdisplay ausgestattet. UMTS integriert die Leistungsmerkmale der Leitungsvermittlung der GSM-Technik und der