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1 T echnische Univer sit ät Ilmenau F achge biet Kommunik ationsnetze Hauptseminararbeit UMTS und HSDPA vorgelegt von: Matri k elnummer: Studiengang: Ver antwortlicher Profe s sor: Birthe Tr alau Medientechnologie Prof. Dr. Jochen Seitz

2 Inhalt sverzeichnis 1 Einführung 3 2 Universal Mobile Telecommunications System Grundlagen Systemarchitektur Vorteile UMTS Akzeptanz UMTS Netzabdeckung Probleme von UMTS Entwicklung zu HSDPA High-Speed Donwlink Packet Access Grundlagen HSDPA Technische Merkmale Aktueller Stand Vergleich UMTS und HSDPA Kosten Leistungen Einsatzbereiche Zusammenfassung & Ausblick Zukunft von HSDPA Alternativen Zusammenfassung Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis

3 Kap itel 1 Einführung Geht man heute durch eine Fußgängerzone, wird einem deutlich: Wir befinden uns in einer Zeit der Mobilkommunikation. Keine Minute vergeht, in der man nicht Mobiltelefone klingeln hört oder Menschen telefonieren sieht. Die Anfänge des Mobilfunks reichen bis zur ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts zurück. Inzwischen ist das Telefon zum dominierenden Kommunikationsmittel geworden. Schnell zeigte sich Engagement im Bereich der Übertragungs- und Vermittlungstechnik. Der Wunsch nach räumlich ungebundener Kommunikation stand dabei im Mittelpunkt der Entwicklung. So fand am das erste Mobiltelefonat aus einem VW Käfer statt [19]. Das hier benutzte Mobiltelefongerät wog in diesem ersten Entwicklungsstadium noch 16 kg und kostete 8000 DM, ähnlich wie der VW Käfer selbst. Es handelte sich dabei um die ersten Testläufe des deutschen A-Netzes. Dieses A-Netz das erste Mobilfunknetz wurde 1957 in Deutschland in Betrieb genommen. Pünktlich zu den olympischen Spielen in München 1972 folgte schon die nächste Generation des analogen Mobilfunks das B-Netz und schließlich im Jahre 1986 das C-Netz. Eine Einschränkung erfuhr die Entwicklung des analogen Mobilfunks jedoch durch die knappe Ressource Frequenz. Erst durch Digitalisierung der Sprache, sowie die Quell- und Kanalkodierung entspannte sich das Problem der Frequenzknappheit wieder fand dann die Ablösung der analogen Mobilfunknetze durch digitale Mobilfunknetze statt - nach ETSI/GSM-Standard (European Telecommunications Standards Institute/ Global System for Mobile Communications) die so genannte 2. Generation. Man erreicht höhere Teilnehmerzahlen durch das Übertragen mehrere Signale über ein Medium. Dafür wird das Zeitmultiplexverfahren TDM (Time Division Multiplex) verwendet, bei dem die Daten verschiedener Sender in unterschiedlichen Zeitabschnitten übertragen werden. Ebenso verwendet man das Frequenzmultiplexverfahren FDM (Frequenz Division Multiplex), bei dem mehrere schmalbandige Signale zu einem breitbandigem Signal gebündelt und auf eine Trägerfrequenz moduliert werden. Seit dem Jahr 2002 werden zellulare Mobilfunknetze der 3. Generation in Europa eingeführt, allen voran der ETSI/UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) - Standard. Genau genommen wurde zunächst ein Testnetz auf der britischen Insel Isle of Man eingerichtet. Das erste kommerzielle UMTS- Netz startete am 25. September 2002 in 3

4 Österreich von der Firma Mobilkom Austria, das von Beginn an in Österreich eine Netzabdeckung von über 25% ermöglichte [7]. UMTS erreicht höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten und bietet ebenfalls neue Dienste an. In Zukunft sollen die Kosten für den Einsatz drahtloser und schneller Datenübertragung gesenkt werden. Geschwindigkeiten wie bei heutigen Breitbanddiensten sollen erreicht werden. HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) ist eine Weiterentwicklung von UMTS und ein Schritt in diese Richtung, denn diese Technologie verbessert die 3G-Netzwerke und es entstehen neue wichtige Leistungsvorteile, auf die in den nachfolgenden Kapiteln eingegangen wird. In dieser Arbeit werden zunächst die Grundlagen zu UMTS erläutert, die für die weitere Entwicklung dieser Hauptseminararbeit sinnvoll sind. Die aktuelle Lage von UMTS, die bis zur Entwicklung von HSDPA reicht, steht in Kapitel 3 im Blickpunkt. Im nachfolgenden Kapitel werden dann die Merkmale von HSDPA beschrieben und anschließend in Kapitel 5 vergleichend zu UMTS dargestellt. Ein Ausblick auf die Zukunftschancen von HSDPA steht am Ende dieser Hauptseminararbeit. 4

5 Kap itel 2 Univers al Mo bile Telecommunications S y s t em 2. 1 Grundlagen Die Abkürzung UMTS steht für Universal Mobile Telecommunications System. Ursprünglich ging von der International Telecommunication Union (ITU) ein Aufruf aus, Vorschläge für Übertragungstechniken zukünftiger Mobilfunksysteme zu sammeln. Diese Ideensammlung fand im Rahmen des International-Mobile-Telecommunication (IMT)-Programmes IMT-2000 statt, mit dem Ziel, ein weltweit arbeitendes Kommunikationssystem zu schaffen. Die Zahl 2000 weist dabei auf den Start des Systems, sowie auf das verwendete Frequenzband 2000 MHz hin. UMTS wurde von ETSI standardisiert und wird heute von 3GPP weiter gepflegt. [13] 2. 2 S y st em archite ktur UMTS-Netze werden parallel zu den bereits bestehenden GSM-Netzen eingeführt. Dabei werden teilweise Elemente des GSM-Systems weiterverwendet wie z.b. Home Location Register (HLR), Visitor Location Register (VLR), Mobile-services Switching Centre (MSC)... UMTS ist in verschiedene Bereiche (Domains) aufgeteilt, die im Folgenden kurz erläutert werden. In Abbildung 1 sind die Hauptkomponenten der UMTS-Referenzarchitektur zu sehen. Abbildung 1: UMTS Bereiche und deren Schnittstellen [13] 5

6 User Equipment Domain (UED): Die UED wird in zwei Bereiche eingeteilt: USIM Domain (Universal Subscriber Identity Module) und MED (Mobile Equipment Domain). Ein jedes Endgerät (MED) ist mit einer SIM-Karte bestückt. Dort sind die Nutzerinformationen untergebracht, die für eine Authentisierung nötig sind. Das mobile Endgerät ist über die Luftschnittstelle Uu mit dem Zugangsnetz (Access Network Domain, AND) verbunden. Access Network Domain: Die AND kann wahlweise durch ein UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN), oder durch ein GSM-Base Station System (GSM-BSS) realisiert sein. Mit Hilfe des AND wird ein Mobiltelefon an das Core Network angekoppelt. Core Network Domain: In der CND - auch als Kernnetz (Core Network) bezeichnet - werden Verbindungen ins eigene Netz oder in andere Systeme realisiert. Die CND unterteilt sich in die Serving Network Domain (SND), die Home Network Domain (HND) und die Transit Network Domain (TND). Hier finden Routing, Lokalisierung, Roaming, sowie Billing und Charging statt. Zugangsebene: Bei UMTS-Netzen, die UTRAN als Funkzugangssystem nutzen, besteht dieses aus mehreren Funkteilsystemen (Radio Network Subsystem, RNS). Jedes Teilsystem wird von einem Radio Network Controller (RNC) gesteuert. Der RNC übernimmt mehrere Aufgaben wie z.b. die Zugangssteuerung, die Staukontrolle, die Ver- und Entschlüsselung, sowie sonstige Verwaltungsaufgaben. Jeder RNC wiederum verwaltet ein oder mehrere Node B (Basisstationen). Ein Node B kann eine oder mehrere Antennen steuern. Je nach Antennenanzahl werden eine oder mehrere Funkzellen aufgespannt. Das Kernnetz unterteilt sich noch einmal in zwei Bereiche. Man unterscheidet in den leitungsvermittelten Bereich (Circuit Switched Domain, CSD) und den paketvermittelnden Bereich der (Packet Switched Domain, PSD). Normale Telefongespräche sind leitungsvermittelt, während Datendienste wie oder Dateidownload auf einer Paketvermittlung basieren. 6

7 Abbildung 2: Die Architektur der Zugangsebene [1] Im Modell sind beide Bereiche räumlich getrennt, oftmals werden sie aber in technischen Einheiten gebaut. Im CND verwalten mehrere Mobile-services Switching Centre (MSC) / Serving GPRS Support Node (SGSN) die einzelnen RNS des AND. Jede MSC verwaltet zusätzlich ein Home Location Register (HLR) und ein Visitor Location Register (VLR). Hier können weiterhin die GSM-Komponenten genutzt werden. Damit ein Übergang in andere Mobilfunknetze und ins Festnetz möglich ist, können mittels Gateway Mobileservices Switching Center (GMSC) bzw. Gateway GPRS Support Node (GGSN) Verbindungen extern weitergeleitet werden. Jeder Mobilfunkteilnehmer (besser gesagt die SIM) ist in einem einzigen HLR registriert. Hier sind alle Informationen, die den Nutzer betreffen, gespeichert. Schaltet ein Nutzer sein Mobiltelefon ein, sucht dieses nach der nächsten Basisstation (Node B) und es wird versucht sich einzuwählen. Die NodeB registriert den Einwahlwunsch und meldet diesen an seinen RNC. Dieser reicht die Meldung an seinen MSC weiter. Anhand der Mobilfunknummer kann die MSC erkennen, welches HLR die Nutzerdaten enthält. Dieses HLR kann sich auch in einem anderen Mobilfunknetz (z.b. Ausland) befinden. Mit Hilfe der Mobilfunknummer kann diese HLR durch Routing angesprochen werden. War dies erfolgreich, wird dem betreffenden HLR die Position des Mobilfunkgerätes übermittelt. Dabei wird die Zelle, in der sich das Mobiltelefon einbuchen will, angegeben. Das betreffende HLR vermerkt den Ort und sendet einige der Nutzerdaten an das VLR der 7

8 aufrufenden MSC. Dieses führt die Authentifizierung des Mobiltelefons durch. Erst wenn diese erfolgreich durchlaufen wurde, kann mit dem Telefon ein Anruf getätigt werden. Soll ein Anruf vom Telefon aus aufgebaut werden, wird dieser Wunsch durch NodeB und RNC an die verwaltende MSC weiter geleitet. Diese versucht die gewünschte Verbindung aufzubauen. Im Fall, dass ein Mobiltelefon angerufen werden soll, wird anhand der Rufnummer zunächst das betreffende HLR aufgerufen. Dieses hat die Information über den letzten bekannten Ort des Mobiltelefons. Damit kann der Anruf in diese Zelle (durch MSC, RNC und Node B) geleitet werden. Ist das betreffende Mobiltelefon angeschaltet, kann der Anruf entgegengenommen werden. Für Datenverbindungen findet der Verbindungsaufbau ähnlich statt. Für eine genaue Erklärung vgl. [20]. Mobilfunknetze sind dezentral aufgebaut. Fällt eine MSC aus, ist nicht das ganze Netz betroffen, sondern nur das von dieser MSC verwaltete Gebiet. Dies hat den Vorteil, dass das Netz auch nach Ausfall mehrerer MSC weiter besteht. Lediglich die betroffenen Bereiche sind nicht erreichbar. Durch so genannte Roaming-Abkommen können z.b. auch Nutzer eines deutschen Mobilfunkproviders in einem englischen UMTS- oder GSM- Netzwerkes telefonieren. Die Funkschnittstelle Die Funkschnittstelle ist der große Unterschied zwischen GSM und UMTS. Beide unterstützen Frequency Division Duplex (FDD) und Time Division Duplex (TDD); neu ist jedoch die Direct-Sequence-(DS)-CDMA-Technik. Bei dem Codemultiplexverfahren (CDMA) wird ein Datenstrom zunächst mit einer Chipping-Sequenz (Code) multipliziert. Anschließend werden die Signale auf ein festgelegtes Frequenzband gespreizt. Alle Signale benutzen dabei das gleiche Frequenzband. Die verwendete Bandbreite liegt, je nach Netzbetreiber, bei 4,4 5 MHz. Diese Bandspreizung hat den Vorteil der Robustheit gegenüber Störanfälligkeiten. Tritt eine schmalbandige Störung auf, kann diese durch entsprechende Kodierung ausgeglichen werden. Bei GSM sind die einzelnen Kanäle ziemlich schmal (200Khz), so dass schmalbandige Störungen leicht den ganzen Kanal betreffen können. Je nach Spreizung kann die Leistungsdichte des nun breitbandigen Signals sogar geringer sein als die des Hintergrundrauschens. Damit ist eine Trennung des Signals, 8

9 ohne Kenntnis des Codes, vom Rauschen nicht möglich und potentielle Mithörer können ausgeschlossen werden. Außerdem ist die Mehrwegeausbreitung des Signals ebenfalls nutzbar. Da in allen Zellen nur ein Frequenzbereich genutzt wird, kann keine Störung durch andere Frequenzen auftreten (bei GSM stören sich häufig die Kanäle benachbarter Zellen) [13] Vorteile UMT S Die Netzbetreiber haben sehr viel Geld für UMTS-Lizenzen (vgl. Kapitel 3.1) ausgegeben. Doch welchen Vorteil hat UMTS, dass sie diese Investitionen wirklich Wert sind? Für die Sprachübertragung allein ist GSM mit einer ordentlichen Qualität völlig ausreichend für die Nutzer wurden die Standards der ersten beiden Übergangslösungen zu UMTS veröffentlicht - HSCSD (High Speed Circuit Swiched Data) und GPRS (General Packet Radio Service). HSCSD bietet schnelle leitungsvermittelte Datenübertragung durch Kanalbündelung an. GPRS hingegen, der auch als Vorläufer von UMTS bezeichnet wird, bietet erstmals paketorientierte Dienste an. UMTS als Mobilfunkstandard einer neuen Generation soll schnelleren und dynamischeren Datendiensten gerecht werden. Ein Vorteil von UMTS ist, dass die erworbenen Frequenzressourcen effektiver genutzt werden. Dienste werden in einer höheren Qualität den Kunden angeboten. Des Weiteren werden neue Dienste erschlossen, wie z.b. MMS, Videotelefonie, Mobile TV und Internetzugang, die bisher mit GSM/GPRS nicht möglich waren. Dank der UMTS-Architektur ist es möglich Sprachdienste paketorientiert über das Internet zu übertragen (VoIP Voice over IP). Netzbetreiber können sich darüber allerdings nicht freuen, denn Nutzer mit einer Daten-Flatrate können sich so teure, leitungsvermittelte Sprachtelefonie durch VoIP ersparen. GPRS kann bei dieser Entwicklung nicht mithalten, da die Verzögerungszeiten bei Zugriffen zu groß sind. Die Dienste der neuen Mobilfunkgeneration zeichnen sich durch größere Netzkapazität, höhere spektrale Effizienz, verbesserte Sicherheit und durch Unterstützung neuer Dienste mit hoher Güte aus [3]. Auch die neue Technik CDMA birgt jede Menge Vorteile. Das Frequenzband kann effektiver genutzt werden, höhere Datenraten werden erreicht und man hat mehr Sicherheiten (vgl. Kapitel 2.2). Speziell die Datenraten werden dynamisch an die Netzwerkkapazität angepasst. UMTS erzielt größere Reichweiten zwischen Handy und Bodenstation für Gespräche. Der Rufaufbau wird schneller und sicherer. Zudem glänzt UMTS mit sehr guten Quality of Service- Profilen [16]. 9

10 UMTS ist wesentlich flexibler als GSM und nicht beschränkt auf eine feste Teilnehmerzahl, sondern kann durch Senkung der Datenraten die Teilnehmerzahl erhöhen. Maximal erreicht UMTS Datenraten bis 2 Mbit/s je Zelle. Realistisch sind Übertragungsraten bis zu 384 Kbit/s je Teilnehmer. Dies ist deutlich mehr als die Datenrate von 9,6 Kbit/s, die mit GSM erreicht werden kann und damit sind Dienste wie Videotelefonie erst möglich. Durch Bandspreizung können kurzzeitige Störungen in einzelnen Bereichen des Frequenzbandes durch geeignete Codierverfahren kompensiert werden (vgl. Kapitel 2.2). Kap itel 3 A kz e p t anz U MT S 3. 1 Netz a bdec kung Im August 2001 war es soweit. Auch in Deutschland wurden die Lizenzen für UMTS versteigert. Von den teilnehmenden Bietern wurden Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit, Fachkunde und ausreichende finanzielle Mittel vorausgesetzt, denn neben den enormen Kosten für die Lizenzen ist mit noch einmal ebenso hohen Ausgaben für den Ausbau des UMTS-Netzes zu rechnen. So sind insgesamt 99,37 Mrd. DM für die Frequenzen ausgegeben worden das ist ca. 70-mal so viel wie in Österreich. Tabelle 1 zeigt hierzu einen Überblick über die vergebenen Frequenzpakete. B ie ter Li zen z p ake te Gesamtgeb o t E-Plus Hutchison 2 x 5 MHz, 1 x 5 MHz Group 3G 2 x 5 MHz, 1 x 5 MHz Mannesmann Mobilfunk 2 x 5 MHz, 1 x 5 MHz (Vodafone) MobilCom Multimedia 2 x 5 MHz, 1 x 5 MHz T-Mobile 2 x 5 MHz, 1 x 5 MHz VIAG Interkom (O2) 2 x 5 MHz Tabelle 1 : Überblick Frequenzverteilung in Deutschland [17] All diese UMTS-Betreiber haben allerdings die Auflage gehabt, bis Ende 2005 mindestens die Hälfte der deutschen Bevölkerung technisch mit UMTS zu erreichen. Die vier großen 10

11 deutschen Mobilfunknetzbetreiber T-Mobile, Vodafone (vorher: Mannesmann Mobilfunk), E-Plus und O2 (vorher: VIAG Interkom) haben diese Lizenzauflage erfüllt, in dem sie zunächst die großen Städte mit Einwohnerzahlen über Personen versorgt haben. Nach und nach wird die Versorgung nun auch auf das gesamte Bundesgebiet erweitert [17]. Abbildung 3 zeigt die Netzabdeckung in Deutschland von Vodafone. Die Abdeckung von UMTS ist rot gekennzeichnet, die Abdeckung von GSM/GPRS ist blau hervorgehoben. Abbildung 3: GSM- und UMTS- Netzabdeckung Vodafone Deutschland [5] Es ist zu sehen, dass die UMTS-Verbreitung sich immer noch hauptsächlich auf die Ballungsgebiete konzentriert, in den ländlicheren Regionen hält UMTS nur sehr langsam Einzug. GSM-Netze werden auch weiterhin als Basisfunknetz genutzt. Generell hat sich die Recherche zur Netzabdeckung schwierig gestaltet, obwohl die Netzbetreiber mittlerweile über eine Abfragemöglichkeit zur Frequenzversorgung im Internet verfügen. Dort erfährt man nach Eingabe des gewünschten Ortes oder der Postleitzahl, ob ein UMTS-Netz zur Verfügung steht. Ilmenau beispielsweise verfügt demnach nicht über flächendeckende UMTS-Netzabdeckung. T-Mobile und O2 schaffen teilweise eine Abdeckung. E-Plus versorgt Ilmenau noch nicht. Lediglich Vodafone scheint eine flächendeckende UMTS-Netzabdeckung realisiert zu haben, wie in Abbildung 4 zu sehen ist. Eine Gesamtübersicht für Deutschland ist aber selten zu finden. 11

12 Abbildung 4: UMTS-Netzabdeckung Vodafone Ilmenau [5] Zu Beginn des Netzausbaus hat T-Mobile schnell den größten Ausbaustand erreicht, doch mittlerweile wurde die Erweiterung des Netzes weitestgehend eingestellt [18]. Die Recherche zeigte, dass Vodafone momentan die größte Netzabdeckung in Städten, sowie auch in ländlichen Gebieten, erreicht. Angesichts der enormen Kosten für die Lizenzen und der aktuellen Frage nach dem Ausbau des UMTS-Netzes stellt sich die Frage: Wo findet UMTS Anwendung? Die Nutzerzahlen von UMTS steigen zunächst sehr langsam, doch mittlerweile gelingt in immer mehr Länder der Durchbruch von UMTS. Nach Willi Berchtold, Präsident des deutschen Bundesverbandes Informationswirtschaft, Telekommunikation und neue Medien (BITKOM) steht Deutschland hierbei mit an der Spitze. Ende 2005 gab es in Deutschland rund 2,3 Millionen UMTS-Handys und Karten, bis zum Jahresende erwarten wir rund neun Millionen [2]. Im Dezember 2004 waren es laut BITKOM nur 0,3 Millionen Nutzer in Deutschland. Der enorme Zuwachs ist somit das Ergebnis eines Jahres. Weltweit nutzen 47,3 Mio. Teilnehmer UMTS. Abbildung 5: UMTS- Teilnehmer weltweit [2] 12

13 3. 2 Pro blem e von UMT S Fast jeder Bürger hat mittlerweile ein Mobiltelefon, manche sogar gleich mehrere. Doch wozu verwendet ein deutscher Durchschnitts-Nutzer das Mobiltelefon? Nach einer repräsentativen Umfrage des Marktforschungsinstitutes TNS Infratest, die im Februar diesen Jahres veröffentlicht wurde, nutzen 75,4 % der Befragten das Mobiltelefon lediglich zum telefonieren. Ebenfalls ist nach wie vor die SMS eine der am Häufigsten genutzten Funktionen (79%). Abgeschlagen in der Statistik liegen die MMS mit 24,6 %, E- Mail per Handy (8%), Musikdownload (6,1%) und Surfen im Internet allgemein mit 4,7% [15]. Über 2 Jahre ist es mittlerweile her, dass die dritte Mobilfunkgeneration an den Start gegangen ist. Jedoch konnte mit den neuen Diensten wie Videotelefonie und Handy-TV bisher kaum neue Kunden gewonnen werden. Lediglich ca. 0,5% der Befragten nutzen diese Dienste. UMTS fehlt bisher die so genannte Killeranwendung. Wie man an der Umfrage erkennt, werden hauptsächlich Dienste genutzt, die ebenso mit älteren Technologien funktionieren und zusätzlich dort noch billiger sind. Neue Datendienste, wie MMS, werden weniger genutzt, da diese teurer sind und entsprechende Kompatibilität des Empfängers voraussetzen. Ohne eine herausragende Anwendung ist es schwer, eine ordentliche Vermarktung von UMTS durchzuführen. Die weiteren Ergebnisse der Umfrage zeigen, dass auch das Interesse an UMTS bisher nicht geweckt werden konnte. Bis jetzt kann lediglich eine Minderheit der Mobiltelefonnutzer überhaupt sagen, was der Begriff UMTS überhaupt bedeutet. Laut TNS Infratest weiß sogar lediglich ein gutes Drittel was UMTS ist, wobei aber viele bereits von UMTS gehört haben, nur nicht sagen können, was sich hinter dem Begriff verbirgt. Ein Viertel der Bevölkerung kann sogar gar nichts mit UMTS verbinden [15]. Es lässt sich also schlussfolgern, dass die geringe Verbreitung und die schlechte Aufklärung über den Standard große Nachteile von UMTS sind. UMTS richtet sich scheinbar an Minderheiten und wird selten genutzt. Dem normalen Mobiltelefonnutzer reichen alltägliche Funktionen, wie das Telefonieren aus. Wie kommt BITKOM nach diesen Umfrageergebnissen also zu der Aussage, dass UMTS bis zum Jahresende mit 9 Millionen Nutzern rechnet? Werden keine anderen Endgeräte mehr angeboten? Zum telefonieren jedenfalls reicht GSM anscheinend aus. 13

14 Aus Sicht von UMTS gibt es neben GSM noch einen weiteren Konkurrenten, der weitestgehend den Bereich des mobilen Internets abdeckt Wireless Local Area Network (WLAN). WLAN ist ein Standard des Institute of Electrical and Electronics Engineers zur drahtlosen Anbindung von Netzknoten in Computernetzwerken. WLAN ist in mehreren Versionen verfügbar und ist im IEEE-Standard definiert. Zur Funkübertragung werden Frequenzen aus einem frei verfügbaren Lizenzband genutzt, während die Netzbetreiber für die UMTS-Lizenzen viele Millionen Euro ausgegeben haben. WLAN trumpft mit wesentlich höheren Übertragungsraten auf, so sind mit dem IEEE b - Standard bis zu 11 MBit/s und mit dem IEEE g - Standard max. 54MBit/s möglich. Sowohl im Up- als auch im Downlink. UMTS schafft maximal 384 KBit/s (Downlink) und 64KBit/s (Uplink). Die Zellgröße bei UMTS ist flexibel. Der Abstand kann bis zu 10 km weit reichen, in Ballungsgebieten auch nur bis zu 100 m letzteres entspricht ungefähr der Zellgröße, die auch mit WLAN erreicht wird. Bedingt durch die Vermittlungsprotokolle die in Netzwerken, die WLAN anbieten, verwendet werden, ist eine Lokalisierung eines mobilen Teilnehmers jedoch nicht so einfach möglich wie bei UMTS. Die Übertragungsrate wird bei WLAN durch die Entfernung vom Nutzer zum Access Point und bei UMTS durch die Anzahl aktiver Nutzer bestimmt Entwicklung zu HSDPA Viele Mobilfunknetzbetreiber haben sich mehr von der Einführung von UMTS erhofft. Millionen-Gelder sind in die Zukunftstechnologie gesteckt worden, doch der Erfolg ist ausgeblieben. Wie in Kapitel 3.2 erläutert, genügt dem durchschnittlichen Nutzer zum Telefonieren das GSM-Netz. Die möglichen Dienste von UMTS sind weitestgehend unbekannt oder zu teuer. Auch die Datenübertragung ist nicht so schnell wie gewünscht. So steht das schnellere WLAN in direkter Konkurrenz zu UMTS und es wird Zeit das sich UMTS weiterentwickelt. Mittlerweile scheint das Problem um UMTS gelöst und UMTS setzt sich mehr und mehr durch. Alles ist da, was der moderne Mobilfunkmarkt benötigt: leistungsfähige Netze, attraktive Handys und interessante Dienste. Alleine im letzten Jahr wurden 150 verschiedene neue Engeräte vorgestellt. Um dieser Entwicklung weiteren Schub zu verleihen ist eine nächste Entwicklungsstufe von UMTS erforderlich HSDPA (High Speed Download Packet Access). Ab März diesen Jahres wurde HSDPA in Deutschland eingeführt. Mit HSDPA werden fünffach höhere Übertragungsraten bis zu 2 MBit/s je Endgerät ermöglicht. Das entspricht der Datenrate, die UMTS lediglich je Zelle erreicht. 14

15 Diese Entwicklung hin zu HSDPA ist auch nötig geworden, um mittel- oder langfristig die Leistungsfähigkeit der UMTS-Netze zu sichern. Mit neuen Modulationsverfahren werden die Datendurchsätze gesteigert und die Dienstgüte wird deutlich verbessert (vgl. Kapitel 4.3). Damit können auch die Kosten gesenkt und neue Dienste geschaffen werden. Kap itel 4 HSDPA 4. 1 Grundlagen HSDPA HSDPA ist die Abkürzung für High Speed Downlink Packet Access. Der neue Technologieaufsatz ist genau das, was damals UMTS bereits versprochen hat. Bei UMTS wurden damals Datenbertragungsraten von 2 Mbit/s versprochen, jedoch wurden nur 384 Kbit/s je Endgerät realisiert. HSDPA hält was der Name verspricht, nämlich einen sehr hohe Übertragungsrate. HSDPA ist die Antwort von UMTS auf die 1xEoDV-Offensive des amerikanischen Konkurrenten CDMA2000. Zunächst ist HSDPA jedoch nur eine Evolution in Downlink-Richtung. Der Uplink folgt den ursprünglichen UMTS- Methoden. HSDPA wird zunächst in dem UMTS-Release 5 berücksichtigt. Ein UMTS Netzbetreiber ist nicht gezwungen, HSDPA zu integrieren. HSDPA wurde so entwickelt, dass UMTS-Zellen und HSDPA Zellen nebeneinander existieren können. Abbildung 6: HSDPA [11] 15

16 Bereits die ersten mobilen Endgeräte, die HSDPA unterstützen erreichen Downlink-Raten bis zu 3,6 Mbit/s. Natürlich sind diese Werte als Spitzenwerte zu verstehen, denn letztlich hängt die Datenrate davon ab, wie viele Teilnehmer in einer Zelle aktiv sind. Ein enormer Vorteil von HSDPA gegenüber UMTS ist die Verringerung der Latenzzeiten (Wartezeiten) auf 100 ms, bedingt durch neue Mechanismen, die auf die schwankende Funkkanalqualität reagieren kann Technische Mer km ale Erweiterung der Kanalstruktur HSDPA nutzt die Leistung einer Funkzelle dauerhaft aus. Dafür verantwortlich ist einer neuer Funkkanal. Mit dem HS-DSCH ( High Speed Downlink Shared Channel) und dem HS-PSCH (High Speed Physical Shared Channel) werden Daten mit höherer Geschwindigkeit als bei UMTS übertragen. Die Steuerung des Nutzkanals übernimmt der HS-SCCH (High Speed Dedicated Physical Control Channel). HSDPA verwendet ein anderes Modulationsverfahren, um höhere Datenraten zu erreichen. Je nach Kanalqualität kann zwischen dem UMTS-üblichen 4PSK- Modulationsverfahren und dem 16QAM-Modulationsverfahren (16-symbolige Quadratur-Amplituden-Modulation) gewählt werden. MAC-HS (Medium Access Control High Speed) ist eine zusätzliche Protokollschicht mit neuen Funktionen, die lediglich im Node B implementiert ist und über einen eigenen Handshaking - Mechanismus verfügt. Damit ist das Handshaking dezentralisiert und es verkürzen sich damit die Reaktionszeiten. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch Adaptives Modulations- und Codierungsverfahren (AMC) bei Fehlererkennung sofort reagiert werden kann. Klar ist aber auch, dass durch diese Dezentralisierung von Regelmechanismen sämtliche Node B aufgerüstet werden müssen. Die Rechenleistung der Node B muss beim Release 5 höher sein als bei Release 99. STTI STTI ist die Abkürzung für Short Transmission Time Interval und der Begriff für die Zeitdauer die benötigt wird, um ein Datenpaket zu übertragen. HSDPA hat einen Funkzeitrahmen der nur noch ein Fünftel so lang ist wie die Rahmendauer bei UMTS. Der Zeitrahmen hat somit lediglich eine Dauer von 2 ms und besteht nur noch aus 3 Zeitschlitzen. Damit verkleinern sich die Verzögerungen im Datenfluss. Irreparable Fehler 16

17 wirken sich nur noch auf die Dauer von 2 ms aus. Fehlerbehaftet empfangene Datenpakete werden im Empfänger aufgehoben. Multiplexing Bei HSDPA wird CDMA mit TDMA (Zeitmultiplexverfahren) kombiniert. Beim TDMA wird eine Zeitachse in Zeitbereiche unterteilt. Jeder Bereich kann nun einem Endverbraucher zugeordnet werden und als HSDPA-Kanal genutzt werden. Die Dauer des Zeitbereiches entspricht der STTI-Zeitdauer. CDMA wird innerhalb des STTI angewendet. Jede 2 ms, können bis zu 15 Codekanäle mit dem Spreizfaktor 16 vergeben werden. HSDPA lässt aber pro STTI höchstens 4 Endgeräte zu. Damit können mehrere Codekanäle einem Teilnehmer zugeordnet werden und die Gesamtdatenrate vergrößert sich. Adaptive Modulation HSDPA arbeitet ähnlich wie EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution). Ist die Funkübertragung nicht so gut, dann wird mit dem klassischen 4-PSK Modulationsverfahren von UMTS gearbeitet. Sind die Bedingungen besser, so wird adaptiv auf ein schnelleres Verfahren umgestiegen, das so genannte 16QAM. Mit diesem Verfahren werden je Übertragungsimpuls 4 Bit übertragen. Somit ist die 16QAM doppelt so schnell wie das 4-PSK-Modulationsverfahren, das lediglich 2 Bit je Impuls überträgt. Die 16QAM hat allerdings den Nachteil, dass sie fehlerempfindlicher ist. HSDPA kann also wirklich nur bei sehr guten Kanalbedingungen die 16QAM verwenden. Im Gegensatz zu UMTS gibt es bei HSDPA kein Soft Handover. Die HSDPA- Kanäle werden zu jeder Zeit immer nur von einer Basisstation empfangen. Ein Wechsel der Zellen übernimmt die Funktion HSDPA serving cell change. Dies ist zu vergleichen mit einem Handover mit kurzer Unterbrechung A k tueller St and Ende Januar hat Österreichs führender Mobilfunkanbieter Mobilkom Austria die ersten HSDPA-Sender in Wien freigegeben. Mitte des Jahres sollen alle Landeshauptstädte Österreichs mit dem Datenturbo versorgt sein. Datenkarten gibt es dort bereits seit dem und sind für 99 Euro erhältlich. 500 MB kosten 39 Euro im Monat, 1000 MB kosten 69 Euro. Es gibt allerdings einen anfänglichen Rabatt im ersten von mindestens zwei Jahren von 20 Euro [7]. Die Konkurrenz in Österreich ist nicht sehr hoch. T-Mobile führt zurzeit (Information von Januar) Friendly-User-Tests durch und hat die Pläne von tele.ring 17

18 vertraglich übernommen. Carrier 3 ist fleißig am Testen, verrät aber noch nichts. Von One ist nichts bekannt. In Deutschland hingegen mussten die Kunden noch ein bisschen warten, denn hier fiel der Startschuss für HSDPA erst mit der CeBIT im März Ungefähr eine Woche vor der CeBIT haben die 2 Netzbetreiber Vodafone und T-Mobile bereits Firmware-Updates zur Verfügung gestellt, um die bereits einige Monate vorher verkauften PCMCIA-Karten freizuschalten[5] [14]. T-Mobile bietet ab der CeBIT Übertragungsraten bis zu 1,8 MBit/s, was einer DSL-Leistung entspricht. Damit wird dem Kunden je nach Standort immer die schnellste Übertragungstechnik zur Verfügung gestellt. Geschäftskunden von T-Mobile (z.b. die Deutsche Bahn AG) testen bereits seit Oktober das Highspeed UMTS-Netz. Ab Ende April/Anfang Mai wird dies für alle Kunden in UMTS versorgten Gebieten verfügbar sein. Angeboten wird auch eine Lösung, die übergangslos einen Wechsel zwischen WLAN, GPRS, UMTS oder HSDPA ermöglicht [14]. Vodafone demonstriert unter dem Titel Future Technologies Übertragungsraten von bis zu 10 MBit/s auf der technischen Basis von HSDPA (zweite Phase von HSDPA). Zum kommerziellen Start von UMTS Broadband am sollen aber ebenso Raten bis 1,8 MBit/s erreicht werden. Verfügbar ist das Ganze für die Nutzer in Hannover, Frankfurt, Düsseldorf und München. Mit Hilfe des Netzausrüsters Ericsson soll schon bald das Netz erweitert werden. Allerdings gibt es keine genauen Aussagen zur zeitlichen Gestaltung der Netzumrüstung. Ziel von Vodafone ist es jedenfalls, zur Fußball-WM alle Spielstädte zu versorgen. Auch die entsprechende Hardware ist vorhanden [5]. Der Zugang zum Netz ist möglich über eine Datenkarte (Mobile Connect Card UMTS), über Notebooks mit integriertem Zugang oder über das erste HSDPA-fähige Handy, das zusammen mit Samsung entwickelt wurde. O2 plant auch in diesem Jahr noch mit HSDPA zu starten. Genaueres ist allerdings noch nicht bekannt [9]. E-Plus wartet noch ab [6]. Kap itel 5 Vergleich UMT S und HSDPA 5. 1 Kosten Möchte man nun die beiden Technologien vergleichen, so müssen natürlich zunächst die Kosten betrachtet werden, die ein Nutzer aufwenden muss, um die gewünschte Technologie zu verwenden. 18

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