Technologien zur mobilen Kommunikation

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1 White Paper Technologien zur mobilen Kommunikation Schnelle Datenübertragung dank moderner Übertragungsverfahren Technische Produktinformation

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung ins Thema Mobilfunk und mobile Internetnutzung ein paar Zahlen vorweg Neue Arbeitsformen Markante Erhöhung der Bandbreiten Entwicklung der Mobilkommunikation Von analogen zu digitalen Natel-Netzen Evolution der mobilen Datenkommunikation in GSM-Netzen Evolution der mobilen Datenkommunikation in UMTS-Netzen Die vierte Generation der zellularen Mobilkommunikation: LTE Weiterentwicklung von LTE: LTE Advanced (LTE-A) oder 4G Ausblick auf 2020: 5G Wireless Local Area Networks (WLAN) Glossar Das White Paper wurde auf Grund der aktuell bekannten Parameter erstellt. Es hat in keiner Weise irgendeine rechtliche Verbindlichkeit, sondern rein informativen Charakter. Für Fragen oder Anmerkungen zu diesem White Paper stehen wir Ihnen gerne zu Verfügung. Datum Seite 2/18

3 1 Einführung ins Thema 1.1 Mobilfunk und mobile Internetnutzung ein paar Zahlen vorweg Der Trend zur Mobilkommunikation hat die Schweiz längst erfasst. Bedingt durch die hohe Kaufkraft und der Offenheit für neue Technologien wurden und werden Mobilfunkdienste intensiv genutzt. Auch in Zukunft möchten Swisscom-Kunden mit ihren Note- und Netbooks, Smartphones und Tablets in Echtzeit auf ihre Informationen zugreifen und Daten verschicken können. Und weil das Smartphone praktisch immer und überall dabei ist, ergeben sich weitere Nutzungsmöglichkeiten. Dazu ein paar Facts, welche diesen Trend bestätigen: 80% der Schweizer Bevölkerung nutzt das Internet mehrmals pro Woche (2013, BFS) Im Schnitt wird das Smartphone täglich bis zu 80 Mal entsperrt, um darauf zuzugreifen (Swisscom) Der erwartete Anstieg der weltweiten Mobile-Data-Volumen wird sich zwischen 2013 und 2018 um das Sechsfache erhöhen (Analysis Mason) Die Anzahl der internetfähigen Geräte wird weltweit von 100 Mio. im Jahr 2012 auf 2 Mrd. im Jahr 2021 wachsen (Analysis Mason) Die Verfügbarkeit und Nutzung von kostenlosen, internetbasierten Kommunikationsdiensten nimmt weiter zu. Dank der globalen Vernetzung profitieren hauptsächlich die weltweit tätigen OTT-Anbieter (Over-The- Top) wie Google, Amazon, Facebook, What's App etc. davon. In Zahlen heisst das: Der globale OTT-Sprachverkehr umfasste Mrd. Minuten, 2018 werden es 1.7 Billionen Minuten sein (Ovum) 2013 wurden in der Schweiz 19 Mrd. OTT-Messages versendet, 2018 werden es 69 Mrd. sein, was einem jährlichen Plus von 30% entspricht 43% aller Schweizer Smartphones haben bereits eine OTT Messaging Application und 13% der Smartphones eine OTT Voice Application installiert (Analysis Mason). Gemäss dem Ericsson Mobility Report 2014 beträgt Ende 2014 die Zahl der Anschlüsse, die via Smartphone genutzt werden, weltweit 2,7 Mia., was einem Plus von 800 Mio. entspricht, werden 2020 rund 90 % der Weltbevölkerung ein Mobiltelefon nutzen, wird es 2020 weltweit etwa 8,4 Mia. mobile Breitbandanschlüsse und voraussichtlich über 6,1 Mia. Smartphones geben. Video-Anwendungen bleiben dabei der Haupttreiber. So wird sich das Videodatenvolumen in den Mobilfunknetzen bis 2020 verzehnfachen und dann 55 % des gesamten Datenverkehrs ausmachen. Datum Seite 3/18

4 1.2 Neue Arbeitsformen Die technische Entwicklung der mobilen Kommunikation hat nicht nur ein ungeheures Tempo angenommen, sondern auch neue Arbeitsformen ermöglicht. Einerseits hat der Mensch in den letzten Jahrzehnten durch die zur Verfügung stehenden Verkehrsmittel bereits ein hohes Mass an Mobilität erlangt. Andererseits sind flexible Arbeitsformen durch moderne Kommunikationsmittel erst möglich geworden. Der Trend zum Arbeiten, wann und wo immer man will hat klar zugenommen. Diese Arbeitsform entspricht am ehesten dem heutigen Kundenbedürfnis im geschäftlichen und privaten Bereich. Sie erlaubt es, tageszeit- oder auftragsabhängig die gerade anstehenden Arbeiten am momentanen Aufenthaltsort zu erledigen. Diese Arbeitsweise erlaubt es zudem, persönliche Bedürfnisse optimal mit den geschäftlichen Bedürfnissen aufeinander abzustimmen. Swisscom hat sich als einer der grössten Arbeitgeber in der Schweiz nicht nur auf diesen Trend eingestellt, sondern ermöglicht mit ihrer erstklassig ausgebauten Netzund IT-Infrastruktur auch ihren Kunden die Einführung mobiler Arbeitsplätze. Business Mobility ist darum viel mehr als nur ein Schlagwort. Eine möglichst uneingeschränkte Konnektivität, verbunden mit einer hohen Sicherheit bei der Datenübertragung stellt einen echten Mehrwert für den Nutzer dar, egal, ob es sich um eigene Mitarbeiter oder um Kunden handelt. Schliesslich steigt die Attraktivität eines Arbeitsgebers, wenn flexible Arbeitsformen unterstützt und interne Breitbandnetze bereit stehen. 1.3 Markante Erhöhung der Bandbreiten Bereits in Festnetzen zeichnet sich seit der Jahrtausendwende ein starker Bandbreitenbedarf ab, dem Swisscom mit einem massiven Netzausbau begegnet. Mit FTTH (Fibre To The Home) werden Bandbreiten von bis zu einem Gbit/s realisiert. Dieser Trend setzt sich in Mobilkommunikationsnetzen fort. Die transportierten Datenvolumen auf den Mobilfunknetzen von Swisscom verdoppeln sich jährlich und steigen weiter an. Ein Grund ist unter anderem die starke Verbreitung von Smartphones sowie Note-/Netbooks und Tablet-PCs. Das populäre Smartphone hat sich zum multifunktionalen Endgerät gewandelt, das für praktisch alle Anwendungen geeignet ist und trotzdem noch Platz in der Hosentasche hat. Die ebenso populären Note-/Netbooks und Tablet-PCs verfügen in den vielen Fällen nur noch über ein WLAN-Modul (Wireless Local Area Network), einige ausserdem über ein Funkmodul zur Anbindung an öffentliche Mobilkommunikationsnetze. Derart ausgerüstet und über spezielle Protokolle und Schutzmechanismen abgesichert, kann der Benutzer von unterwegs aus wie gewohnt auf alle Unternehmensdaten und auf seine persönlichen s zugreifen. Swisscom bietet dazu im Fokus der Kundenbedürfnisse ein breites Technologieportfolio, dessen Geschichte, aktueller Stand und weitere Entwicklungen wir in diesem White Paper gerne vorstellen möchten. Datum Seite 4/18

5 2 Entwicklung der Mobilkommunikation 2.1 Von analogen zu digitalen Natel-Netzen Der Begriff Natel ist eine eingetragene Marke der Swisscom und in der Schweizer Umgangssprache ein Synonym für ein Mobiltelefon. Er stand in der analogen Mobilkommunikation für Nationales Autotelefon bzw. (mit Einführung der ersten digitalen Generation, genannt Natel D) für Nationales Telefon. Ein Natel- Netz ist demnach ein Netz zur mobilen Kommunikation. Das erste analoge Natel A-Netz entstand in der Schweiz relativ spät (1978), Natel B als zweite Generation folgte bald (1983). Auch wenn die Sende- und Empfangseinrichtungen kompakter wurden, so war immer noch ein rund 12 kg schwerer Koffer zu deren Transport nötig. Erst mit dem Selbstwählnetz Natel C (ab 1987) wurden die Endgeräte kompakter und in der Folge langsam kostengünstiger. Zehn Jahre nach der Markteinführung konnte Swisscom den 100'000. Kunden begrüssen. Natel-C basierte auf dem Industriestandard NMT (Nordic Mobile Telephone) mit analoger Sprachübertragung und digitaler Übermittlung der Vermittlungs- und Steuerinformationen. Mittels Akustikkoppler und Analogmodem konnte man bereits kleinere Datenmengen langsam über-tragen. Die analogen Netze Natel A bis C kann man unter 1G (für die erste Generation) zusammenfassen. Der Wechsel ins Zeitalter der digitalen Mobilkommunikation wurde 1993 anlässlich des Genfer Autosalons mit 2G (2. Generation) vollzogen. Das weiterhin betriebene Natel D basiert auf dem europäischen GSM- Standard (Global System for Mobile Communications). Erstmals funktionierte ein Mobilfunknetz digital und erfreut die Kunden seitdem mit Rauschfreiheit und Abhörsicherheit. Zudem kann der Kunde sein GSM- Handy dank Roaming fast überall auf der Welt betreiben. 2.2 Evolution der mobilen Datenkommunikation in GSM-Netzen Der ursprüngliche GSM-Standard war stark auf die Sprachkommunikation ausgerichtet. Zunächst gab es nur wenige Möglichkeiten zur mobilen Datenkommunikation, und das mit tiefen Geschwindigkeiten. So waren mit dem leitungsvermittelten CSD (Circuit Switched Data) lediglich maximal 9,6 kbit/s, später 14,4 kbit/s möglich. CSD belegte dazu einen ganzen GSM-Kanal (bei nur acht GSM-Kanälen pro Trägerfrequenz) und war funktechnisch gesehen ineffizient. Es entsprach auch nicht dem Charakter der paketorientierten Datenkommunikation. Auch der verbesserte, aber immer noch leitungsvermittelte Dienst HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) konnte sich nicht durchsetzen. Hier wurden bis zu vier GSM-Kanäle à 14,4 kbit/s zu einem Kanal von bis zu 57,6 kbit/s gebündelt. Viele GSM-Netzbetreiber boten HSCSD ab 2000 zwar an, hatten aber nur wenig Interesse an dessen Verbreitung. Denn HSCSD belegte Funkressourcen, die man dringend für die immer noch boomende mobile Sprachkommunikation brauchte. Erst ab 2001 brachte GPRS (General Packet Radio Service) als Teil der GSM-Generation 2.5 (GSM 2.5G) eine Besserung. Erstmals wurde damit ein paketvermittelter mobiler Datendienst geboten. Gleichwohl waren theoretisch 53,6, in der Praxis lediglich kbit/s möglich nicht gerade ein Geschwindigkeitsrausch für den Kunden, aber immer noch mehr als 9,6 kbit/s. Für die mobile Übermittlung grösserer Datenmengen bei Downloads bietet sich EDGE an (Enhanced Data Rates for the GSM Evolution). Als Evolutionsstufe GSM 2,75G leistet es bis heute zwar mehr als GPRS, genügt den hohen Bandbreitenanforderungen moderner Geräte jedoch kaum. Datum Seite 5/18

6 EDGE ist wie GPRS Teil des GSM-Standards und in praktisch allen Smartphones und Handys vorhanden. Es nutzt ein optimiertes Modulationsverfahren und wird deshalb oft auch EGPRS (Enhanced GPRS) genannt. EDGE erreicht in der Praxis Bitraten über 100 kbit/s (theoretisches Maximum sind 256 kbit/s). Aufgrund der grossen Verbreitung von UMTS/HSPA+ und zunehmend LTE spielt EDGE heute nur noch eine untergeordnete Rolle, wird aber weiterhin als Fallback im GSM-Netz der Swisscom flächendeckend angeboten. 2.3 Evolution der mobilen Datenkommunikation in UMTS-Netzen Die Einführung von UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) als dritte Mobilfunk-Generation (3G) verlief auf dem Schweizer Markt vergleichsweise unspektakulär. Erstmals wurde gleich zu Beginn die Möglichkeit zur mobilen Daten-kommunikation betont ein Novum. Zudem entstand eine neue Endgerätekategorie in Form von Netzkarten, die einfach in den PCMCIA-Schacht des Notebooks gesteckt wurden. Derart ausgerüstet konnte das Notebook über GSM/GPRS, UMTS oder WLANs Daten austauschen. Swisscom versetzte den Notebook-Eigner mit der Mobile Unlimited Software zudem in die Lage, dank seamless handover netzübergreifend ohne Unterbrechung zu kommunizieren bis dato ein absolutes Novum und ein echter Wettbewerbsvorteil. Anfangs ermöglichte UMTS Geschwindigkeiten von bis zu 384 kbit/s, unter Hot-Spot-ähnlichen Verhältnissen (wenige Nutzer in der Zelle, hohe Signalqualität, keine Bewegung des Nutzers) sogar 2 Mbit/s. UMTS stellte gerade in der mobilen Datenübertragung einen Quantensprung gegenüber GSM dar. Weiterentwicklung von UMTS 3G zu 3,5G Nicht nur Net- oder Notebooks, sondern besonders die Smartphones haben einen wahren Bandbreitenboom ausgelöst. Deren Eigner wollen auch unterwegs stets informiert sein, was z.b. auf Facebook oder auf Newsportalen so läuft. Daneben sorgen Smartphones für eine ständige Verbindung des Aussendienstmitarbeiters oder Service Technikers zur Datenbasis seiner Firma. Kurze Entscheidungen können schneller gefällt, Bestellungen schneller ausgelöst werden. Um dem weiter steigenden Bandbreitenbedarf zu entsprechen, sind einerseits neue Standards für eine noch schnellere Datenübertragung erforderlich. Andererseits sind gezielte Netzausbauten abhängig vom lokalen Bedarf unumgänglich. Neben den Endgeräten findet auch bei den Netzstandards eine laufende Weiterentwicklung und Verfeinerung statt. Während bei UMTS 3G noch QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) verwendet wurde, kommt bei der UMTS-Generation 3,5G ein leistungsfähigeres Modulationsverfahren mit dem Namen 16 QAM (Quadratur Amplituden Modulation) zur Anwendung. Hier hat sich der Oberbegriff HSPA (High Speed Packet Access) etabliert, der aus zwei Bereichen besteht: HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) für den Download von Daten auf das Endgerät und HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) für den Upload von Daten in Richtung Netz (z.b. auf einen Server). Dazu wurden neuartige Codierungen entwickelt, etwa 16 QAM für HSDPA. Während das konventionelle UMTS einen Code pro Funkanal anwendet, werden bei 16 QAM die Übertragungscodes als gemeinsame Ressource dynamisch genutzt. Der vom Gremium 3GPP (Third Generation Partnership Project) entwickelte UMTS-Standard WCDMA 3GPP Release 5 sieht dazu eine Spreizung des Übertragungscodes vor, womit abhängig vom so genannten Spreizfaktor bis zu 15 Codes zur Verfügung stehen. Datum Seite 6/18

7 Die Zuteilung der Codes erfolgt dynamisch in einem Intervall von 2 ms, d.h. 500 Mal pro Sekunde (!!!). Diesen Vorgang muss man sich wie einen Codemultiplex abhängig von der Zeit vorstellen. Mehrere Nutzer können nacheinander unter Verwendung des gleichen Codes den gleichen Kanal benutzen. Ein Teilnehmer kann damit sogar mehrere Codes für seine Übertragung gleichzeitig verwenden, wovon die erzielbare Übertragungsgeschwindigkeit erheblich profitiert. Die in der Tabelle gezeigten Bitraten sind allerdings theoretische Werte, liegen in der Praxis aber dennoch höher als es heute bei UMTS der Fall ist. Warum das so ist, liegt an der Charakteristik der TCP/IP-Netze (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), die mobilen Datenverbindungen eigentlich im Wege steht. Die meisten IP-basierten Datendienste benutzen für die Flusskontrolle der Datenpakete TCP. Dieses Protokoll wurde jedoch primär für Festnetz-basierte Datenverbindungen konzipiert und nicht für Mobilfunkverbindungen mit schwankender Bandbreite. Da es bei Festnetz-Verbindungen kaum gravierende Kanalschwankungen gibt, geht die Flusskontrolle von TCP davon aus, dass der Kanal eine annähernd gleichbleibende Qualität während einer Übertragung aufweist. Kommt es bei einer mobilen Datenübertragung zu Kanalschwankungen, regelt TCP die Menge der gesendeten Datenpakete und somit auch Bandbreite entsprechend zurück, um den Kanalbedingungen gerecht zu werden. Verbessert sich nun die Kanalqualität wieder, regelt TCP die Datenmenge nur langsam wieder herauf. Da es in Mobilfunknetzen z.b. durch Fading- Effekte zu Kanaleinbrüchen kommen kann, wurde die im ersten UMTS-Release versprochene maximale Datengeschwindigkeit von 384kbit/s kaum erreicht. Ein Kanaleinbruch bedingt, dass der Empfänger ein Datenpaket fehlerhaft empfängt, sodass es ein zweites Mal übertragen werden muss. Durch den Gebrauch von TCP in Mobilfunknetzen entstehen somit je nach Anwendung störende durchschnittliche Latenzzeiten von 200ms bis 300ms bei UMTS. Dank neuer Mechanismen, mit denen HSPA auf schwankende Funkkanäle reagieren kann, verringerte sich die Latenzzeit erheblich. Sie liegt in etwa nur noch bei 100 ms, was eine enorme Verbesserung darstellt. Der letzte Evolutionsschritt in UMTS-Netzen stellt das flächendeckend vorhandene HSPA+ dar, das im Downlink bis zu 42 Mbit/s bietet. Dazu wurde im Mobilfunknetz eine leistungsfähigere Software installiert, welche die höherwertige Modulationsart 64 QAM unterstützt. In allen Basisstationen wurden zudem neue Hardware und leistungsfähigere Antennen in MIMO-Technik eingebaut. Um die hohen Datenvolumen ins Netz abzuführen, werden ausserdem die Antennenstandorte schrittweise mit Glasfasern erschlossen. Weiterführende Infos unter: Datum Seite 7/18

8 Spotlight: Multiple Input, Multiple Output (MIMO) Stetig steigende Übertragungsgeschwindigkeiten bedingen nicht nur neue oder optimierte Codecs, sondern auch neue Antennentechnologien. Drahtlose Netze basierend auf MIMO operieren mit mehreren Sende- und Empfangsantennen inklusive aufwändiger digitaler Signalverarbeitung. Dadurch verbessert sich der Signal-Rausch- Abstand, was sich positiv auf den Datendurchsatz und die Netzabdeckung auswirkt. Dies ist besonders in einem so genannten Non-line-of-sight -Versorgungsgebiet von Bedeutung, also einer Empfangssituation ohne Sichtverbindung zwischen fester Sendeantenne und mobilem Empfänger. Bei MIMO wird die gleiche Information über verschiedene Antennen parallel ausgesendet und empfangen. So kann der Datendurchsatz ohne neue Funklizenzen erhöht werden. Das technische Grundprinzip von MIMO kommt bereits seit Jahren bei WLANs zum Einsatz. Dabei nutzt der Raummultiplex die räumlich statistischen Eigenschaften eines Funkkanals mehrfach aus. Dies allein erhöht die Gesamtsendeleistung nicht zwingend. Jedoch wird die Übertragung ständig neu an die wechselnden Eigenschaften des Kanals angepasst. Alle Schichten des Kommunikationssystems müssen eine hohe Flexibilität ausweisen. Eine grosse Herausforderung besteht etwa darin, komplexe Sende- und Empfangssysteme für Mehrantennensysteme so in der verfügbaren Hardware zu implementieren, dass diese unter Echtzeitbedingungen einwandfrei laufen. Die dazu erforderliche hohe Rechenleistung bedingt heute grosse Akkuleistungen im Endgerät. Raum-/Zeit- Abbildung Funktionsprinzip von MIMO (Multiple Input, Multiple Output) ( R. Sellin) Das volle Potential von Mehrantennensystemen entfaltet sich dann, wenn ein optimiertes Gesamtsystem mit mehreren Teilnehmern zum Einsatz kommt. Der Schlüssel dazu ist eine intelligente Ressourcenvergabe zur Vergrösserung der Gesamtsystemkapazität immer unter Beibehaltung der Gesamtsendeleistung. Heute sind schnelle mobile Verbindungen über intelligente Codecs auf Netzen wie LTE, LTE-A und WLAN ohne den Einsatz von Mehrantennensystemen undenkbar. Datum Seite 8/18

9 2.4 Die vierte Generation der zellularen Mobilkommunikation: LTE Einführung Die Standardisierungsarbeiten bei 3GPP gehen mit unverändert hohem Tempo voran. Die schnelle technologische Entwicklung wird besonders deutlich, wenn man die verschiedenen Standards für die Datenkommunikation in digitalen Mobilkommunikationsnetzen und deren Releases seit 1996 (GSM) auf einer Zeitachse darstellt. Im Zentrum stehen dabei aus heutiger Sicht LTE und dessen Erweiterung LTE- Advanced. Entwicklung der 3GPP-Standards ( R. Sellin) (Hinweis: Die Geschwindigkeitsangaben beziehen sich auf den Download.) Die Funktechnologie für 4G trägt die Bezeichnung Long Term Evolution (LTE) und bringt spürbare Verbesserungen bei der mobilen Internet-Nutzung. Die schnelle mobile Datenübertragung mit Downloadgeschwindigkeiten von bis zu 150 Mbit/s steht bei LTE klar im Vordergrund, etwa zur mobilen Nutzung von Cloud-Services. Auch Anwendungen wie Video-Streaming in HD-Qualität, Videokonferenzen und Netzwerkspiele profitieren vom höheren Durchsatz sowie von kleineren Latenzzeiten von ca. 20 ms. LTE basiert auf einer neuen Netzarchitektur, unter anderem mit neuer Hardware und einem in grossen Teilen neuen Kernnetz (Core Network). Wo immer möglich werden LTE-Basisstationen an bestehenden Senderstandorten aufgebaut, wobei auch dort die strengen Strahlenschutzverordnungen weiterhin eingehalten werden. Zwischen LTE-Sender und -Endgerät kommt MIMO als hoch entwickelte Mehrantennentechnik zum Einsatz (siehe Textkasten oben). Sie hat sich bereits in WLANs sowie bei HSPA+ bewährt, verbessert die Empfangsqualität, erhöht den Datendurchsatz und verringert gleichzeitig die Latenz. Neben der Erhöhung der Übertragungsraten und der nochmaligen Verringerung der Latenzzeiten im Vergleich zu UMTS/HSPA bietet LTE kürzere Verbindungsaufbauzeiten als wichtiges Unterscheidungsmerkmal. Dies wird u.a. durch eine schlankere Netzarchitektur erreicht, welche die Anzahl der Datum Seite 9/18

10 Signalisierungsmeldungen zwischen den Netzelementen reduziert. Der Verbindungsaufbau dauert dadurch nur noch 100 ms, was für Voice over LTE (siehe unten) und anderen Anwendungen von Vorteil ist. Zum Vergleich: Bei HSPA waren es noch 1 bis 2 Sekunden. Darüber hinaus sind bei der Kommunikation zwischen Sender und Empfänger Antwortzeiten von 20 bis 30 ms unter optimalen Empfangsbedingungen durchaus möglich. Im Gegensatz zu GSM und UMTS setzt LTE vollumfänglich auf dem Internet Protokoll (IP) auf. Der All IP- Gedanke (alles über IP) wird ab 4G auch im Mobilfunk konsequent umgesetzt. Doch auch in Regionen ohne LTE-Ausbau oder in LTE-Netzen ohne VoLTE (siehe weiter unten) ist das Telefonieren selbstverständlich weiterhin möglich. Alle LTE-Smartphones sind als Hybrid-Modelle gefertigt, die für Telefonate einen UMTSund einen GSM-fähigen Chip besitzen. Daneben existieren auf dem Markt USB-Sticks ( Surf-Sticks ) sowie in den Note-/ Netbooks integrierte Funkmodule zur Herstellung schneller Datenverbindungen. Netzarchitektur Für LTE wurden das Access und das Core Network in grossen Teilen neu konzipiert. Dabei wurde die Anzahl der Netzknoten und Schnittstellen mit dem Ziel einer einfacheren Architektur reduziert. Für die LTE- Betreiber sind zudem die sich selbst konfigurierenden Basisstationen vorteilhaft, da sie zuverlässiger sowie in Betrieb und Unterhalt kostengünstiger sind. LTE Netzarchitektur (vereinfachte Darstellung) ( R. Sellin) Die LTE-Netzarchitektur wird auch als Evolved Packet System (EPS) bezeichnet. Das EPS wird in das Funkzugangsnetz (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network, kurz EUTRAN) und in das Kernnetz (Evolved Packet Core, kurz EPC) unterteilt. Im EUTRAN werden die mobilen Endgeräte als User Equipment (UE) benannt. Die Funktion der Basisstationen wurde aus der UMTS-Netzarchitektur abgeleitet. Deshalb tragen diese wie bei UMTS dieselbe Bezeichnung enode-b. In der LTE-Netzarchitektur sind die Basisstationen mit ihren benachbarten Basisstationen über die X2-Schnittstelle sowie mit dem Kernnetz verbunden. Die Schnittstelle X2 zwischen den Basisstationen ermöglicht einen schnellen Handover zwischen den LTE-Funkzellen.. Datum Seite 10/18

11 Das EPC ist vollständig paketorientiert und nutzt daher IP als Transportbasis. Die Management Mobility Entity (MME) dient der Anmeldung der Teilnehmer am Netz sowie zu deren Lokalisierung im LTE-Netz. Die MME greift dazu auf den Home Subscriber Service (HSS) zu. Hat das Endgerät eine gültige SIM-Karte, wird der Account des Teilnehmers einem Serving Gateway (SGW) zugewiesen. Von dort besteht eine Verbindung zum PDN-GW (Packet Data Network Gateway), welches dem Endgerät eine IP-Adresse zuweist und eine Verbindung zum IP-Netz des Providers herstellt. Im EPC befindet sich zudem die PCRF (Policy and Charging Rules Function). Sie vollzieht das Billing für den Nutzer und weist ihm die vertraglich festgelegten Leistungsmerkmale und Tarife zu. Um den sich jährlich etwa verdoppelnden Datenverkehr im Mobilfunknetz abwickeln zu können, ist eine breitbandige Anbindung der Basisstationen an das EPC erforderlich. Zu diesem Zweck werden vorwiegend Glasfaser verwendet oder (an nicht erschlossenen oder abgelegenen Standorten) dedizierte Richtfunkstrecken eingerichtet. Eine rundstrahlende LTE-Basisstation mit drei Sektoren à 120 benötigt eine Bandbreite von etwa 240 Mbit/s. Das ist ein Vielfaches von dem, was für GSM, aber auch für UMTS als ausreichend erachtet wurde. Dies zeigt, dass Glasfasern auch im Mobilfunknetz näher an die Senderstandorte und die Nutzer kommt. Übertragungsverfahren und Frequenzen LTE arbeitet mit skalierbaren und individuellen Kanälen, wodurch mehrere mobile Endgeräte gleichzeitig Daten übertragen können. Dazu wird das Frequenzspektrum geteilt und einzelnen Geräten für eine bestimmte Zeit zugewiesen. Für den Downlink wird Orthogonal Frequency Division Multiplex Access (OFDMA) verwendet. Es teilt das zur Verfügung stehende Frequenzband in viele schmale Bänder (Kanäle) auf. LTE arbeitet somit mit unterschiedlich grossen Frequenzbändern und erlaubt die Zuweisung flexibler Bandbreiten an den jeweiligen Nutzer. Dadurch wird eine maximale Übertragungsleistung aus den Frequenzen generiert. Spezielle Algorithmen wählen dazu die geeigneten Kanäle aus und berücksichtigen dabei die Umgebungseinflüsse. Es werden nur jene Träger zur Übertragung genutzt, die für den gerade genutzten Dienst am günstigsten sind. Für den Uplink kommt SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) zur Anwendung, ein so genanntes Einträgerzugriffsverfahren, das OFDMA sehr ähnlich ist. SC-FDMA weist jedoch geringere Leistungsschwankungen auf und ermöglicht einfachere Leistungsverstärker, was die Akkulaufzeiten mobiler Geräte erhöht. LTE verwendet räumlich separierte Datenströme. Dazu sieht die LTE-Spezifikation vier Antennen in der Basisstation und zwei Antennen im Endgerät vor. Das Sendesignal wird zur Übertragung also an mehrere Sendeantennen weitergeleitet und im Endgerät von zwei Antennen empfangen (MIMO). Über komplizierte Algorithmen wird dort aus beiden Signalen ein besseres Signal herausgerechnet. Im Idealfall erreicht man damit einen besseren Datendurchsatz, da die Sende- und Empfangswege nicht den gleichen Störungen unterliegen. Signalverluste und Interferenzen werden wirkungsvoller vermieden oder korrigiert. SC-FDMA wird in etwas abgewandelter Form auch in WLANs nach IEEE n verwendet. Weltweit existieren mehr als 40 verschiedene Frequenzbänder, die von den jeweiligen LTE-Landesnetzen genutzt werden. Global betrachtet funken 43% der LTE-Nutzer auf 1,8 GHz, 34% auf 2,6 GHz und 11% auf 800 MHz. Während man Ende 2013 weltweit 23 LTE-Frequenzen zählte, werden für 2015 sogar 38 Frequenzen prognostiziert (alle Angaben: GSM Association/GSMA). Die GSMA vertritt die Interessen von weltweit 800 Mobilfunkbetreibern sowie von 200 Zulieferfirmen und Netzausrüstern. Für diese Interessensgruppe, aber auch für Nutzer hat die Frequenzvielfalt kostentreibende Auswirkungen, da es global funktionierende LTE-Produkte kaum geben kann. Datum Seite 11/18

12 Denn die Frequenzvielfalt stellt nicht nur die Netzbetreiber, sondern insbesondere die Endgeräte- und Chiphersteller vor grosse Herausforderungen. Mit jedem einzelnen durch den Chip zu unterstützenden Frequenzband steigen Aufwand und Kosten. Es ist offensichtlich, dass längst nicht alle weltweit vorhandenen LTE-Frequenzbänder von jedem LTE-Endgerät unterstützt werden können. Die Endgeräte arbeiten je nach Land, in dem LTE-Dienste angeboten werden, auf unterschiedlichen Frequenzbändern. Daher ist es möglich, dass ein LTE-Gerät in einem Land funktioniert, in einem anderen hingegen nicht, weil die jeweils genutzten Frequenzbänder voneinander abweichen. Voice over LTE (VoLTE) Wie erwähnt ist zurzeit auf LTE/4G-Netzen nur Datenverkehr möglich. Telefongespräche werden mittels Circuit Switched Fallback (CSFB) über GSM- oder UMTS-Netze geführt. Künftige wird es möglich sein, auch Sprachverbindungen über das LTE-Netz aufzubauen. Hierbei handelt es sich um eine mobile Art von Voice over IP (VoIP). Diese Variante wird Voice over LTE (VoLTE) genannt und etwa ab Sommer 2015 im LTE-Netz von Swisscom angeboten. VoLTE wird auf dem ganzen Swisscom Mobilfunknetz verfügbar sein. Bei Standorten ohne 4G/LTE-Abdeckung werden die Anrufe im Access Bereich über 2G/3G geführt. Die Anrufkontrolle bleibt jedoch immer bei den VoLTE-Systemen, dem IP Multimedia Subsystem (IMS) und dem Application Server. VoLTE ermöglicht einen verkürzten Anrufaufbau und eine verbesserte Sprachqualität (HD Voice). Daneben besteht die Möglichkeit, via Apps die gewöhnliche Sprachkommunikation mit komfortablen Zusatzfunktionen anzureichern. Während des Telefonierens via LTE stehen dem Nutzer weiterhin die hohen Geschwindigkeiten zur Verfügung, sodass er parallel zum Gespräch weitere Datendienste im LTE-Netz nutzen kann. Die neue Technologie bietet noch weitere Vorteile. So wird die spektrale Effizienz für das Netz und die Nutzung des Frequenzspektrums im Vergleich zu HSPA+ im UMTS-Netz nochmals erhöht. Zudem wird der Stromverbrauch des Smartphones reduziert, da das energieverbrauchende CSFB auf 3G/2G entfällt. Klassische Over-The-Top-(OTT-)Anbieter wie Skype und Viber bieten zwar Sprachdienste auf IP-basierten Telekommunikationsnetzen an. Sie garantieren aber keine Quality of Service (QoS). Zudem können OTT- Provider keinen Seamless Handover zwischen verschiedenen Technologien (2G/3G/4G/PWLAN) steuern. In der Praxis bedeutet dies, dass eine Verbindung im LTE-Netz abbricht, falls die Funkversorgung während des Reisens einmal unterbrochen wird. Darüber hinaus können OTT-Anwendungen gewisse regulatorische Auflagen wie Notrufe und Lawful Interception (Telekommunikationsüberwachung) nicht gewährleisten. Schliesslich werden spezifische Plug-ins benötigt, um die OTT Apps überhaupt nutzen zu können. Im Gegensatz dazu wird VoLTE vollumfänglich in die Endgeräte integriert und erfüllt alle qualitativen und regulatorischen Anforderungen wie bei der herkömmlichen mobilen Sprachtelefonie mit dem bereits erwähnten Vorteil des schnelleren Verbindungsaufbaus und der höheren Sprachqualität. Während des Telefonierens verringert sich die Bandbreite zur Datenübertragung nicht, da für VoLTE eine separate Verbindung aufgebaut wird. Diese nutzt einen sogenannten Dedicated Bearer, der auch gegenüber dem restlichen Datenverkehr eine höhere Priorität hat (höhere QoS). Weiterführende Infos unter: Datum Seite 12/18

13 2.5 Weiterentwicklung von LTE: LTE Advanced (LTE-A) oder 4G+ Aufgrund des weiter steigenden Bandbreitenbedarfs sind nicht nur weitere Netzausbauten unerlässlich, sondern auch der Einsatz neuer Technologien. Dazu gehört LTE Advanced (LTE-A), eine Weiterentwicklung von LTE. LTE-A bietet nochmals gesteigerte Datenübertragungsraten, theoretisch bis zu 1 Gbit/s, praktisch 300 Mbit/s (jeweils Downlink) bei verbesserter spektraler Effizienz. Der Standard spezifiziert zudem neue Modulationsverfahren und eine weiter intensivierte Mehrantennen-Nutzung mit bis zu acht Antennen (8x8 MIMO). LTE (3GPP Release 8/9) LTE Advanced (3GPP Release 10) Endgerätekategorie Downlink (Mbit/s) Uplink (Mbit/s) MIMO Links 2x2 2x2 4x4 2x2 diverse < 8x8 (DL), < 4x4 (UL) Bandbreite (MHz) 1.4, 3, 5, 10, 15 und Spektrale Effizienz 16,3 Bit/s je Hertz 30 Bit/s je Hertz Carrier Aggregation (CA) nein ja Modulationstechnik im Downlink (DL) QPSK/16QAM/64QAM 64QAM Modulationstechnik im Uplink (UL) QPSK, 16QAM QPSK 16QAM 64QAM 64QAM Vergleich der beiden Technologien LTE und LTE-A QPSK: Quadrature Phase Shift Keying, eine Phasenmodulation mit zwei um 90 versetzten Trägern. Das Signal wird (beim Sender) durch Addition bzw. durch Subtraktion (Empfänger) der Trägersignale gewonnen. MIMO: Multiple Input Multiple Output, Mehrantennentechnologie, bei der das Nutzsignal auf mehreren Kanälen und über mehrere Antennen parallel gesendet wird. QAM: Quadrature Amplituden Modulation mit 16 Codes (16QAM) bzw. 64 Codes (64QAM). QAM ist eine Kombination von Amplitudenund Phasenmodulation. Eine Besonderheit von LTE-A stellt die Carrier Aggregation (CA) dar. Sie dient der weiteren Erhöhung der Datenrate pro Nutzer. Für LTE-A nutzt Swisscom zurzeit drei Trägerfrequenzen, und zwar in den Frequenzbändern 800, 1800 und 2600 MHz (künftig vielleicht auch 2100 MHz). Innerhalb dieser Frequenzbänder werden dem User (je nach lokaler Verfügbarkeit) mehr oder weniger breite Frequenzblöcke zugewiesen (5, 10, 15 oder 20 MHz breit) und mit CA kombiniert. Beispielsweise kann man zwei Blöcke von je 10 MHz auf den Frequenzen 800 und 1800 MHz kombinieren und dem Endbenutzer insgesamt 20 MHz via CA anbieten. Eine weitere Möglichkeit wäre die Kombination zweier Blöcke mit 15 MHz auf 1800 MHz und 20 MHz auf 2600 MHz, was via CA insgesamt 35 MHz ergäbe. Die maximale Datenrate pro Nutzer erhöht sich dabei mit Anzahl der Frequenzblöcke. Auch die Gesamtdatenrate pro Funkzelle wird durch eine verbesserte Ressourcenausnutzung erhöht. Datum Seite 13/18

14 Prinzip der Carrier Aggregration (CA) bei LTE-A ( Qualcomm/R. Sellin) Die Nutzung von LTE-A erfordert neue Endgeräte mindestens ab Kategorie 6. Sowohl die Multiantennen- Technik (MIMO) mit mehreren Datenübertragungswegen als auch CA fordern den integrierten Schaltungen in den Endgeräten eine grosse Rechenleistung ab. Auf der Empfängerseite gilt es, mehrere Datenströme zwecks tiefer Latenz möglichst schnell wieder zu einem konsistenten Gesamtsignal zusammenzusetzen. Dies ist insofern beachtlich, als Signalreflektionen zu unterschiedlichen Laufzeiten führen können und die Signale mit mehreren 100 Mbit/s beim Empfänger eintreffen können. Hier haben die Chiphersteller beachtliche Entwicklungen geleistet. Weiterführende Infos unter: Datum Seite 14/18

15 2.6 Ausblick auf 2020: 5G Bereits seit einigen Jahren wird in der Standardisierung sowohl in Asien als auch in Europa an der fünften Mobilfunk-Generation 5G gearbeitet. Bemerkenswert erscheint der harte Wettbewerb zwischen Asien (namentlich China und Süd-Korea) auf der einen Seite und Europa (mit ersten 5G-Feldtests in Japan und starker EU-Förderung) auf der anderen Seite. 5G wird vermutlich im 60 GHz-Bereich arbeiten, da alle anderen Frequenzbänder bereits durch andere Dienste belegt sind. Frequenzen im höheren Gigahertz- Bereich lassen auf Kleinstzellen, schwierige Gebäudedurchdringung und kurze Reichweiten schliessen. Beim Thema 5G scheint besonders Südkorea Sorgen vor internationaler Konkurrenz zu haben. Nach Ansicht der dortigen Regierung sind andere Länder wie China oder die USA, aber auch einige europäische Staaten bei den Investitionen in die 5G-Technologie einige Schritte voraus. Tatsächlich ist das Interesse beim chinesischen Nachbarn, aber auch in Europa gross. So führt beispielsweise Ericsson mit dem Operator DoCoMo in Japan bereits erste Tests mit neuartigen 5G-Basisstationen durch. Aufgrund der hohen Frequenzen betritt man hier echtes Neuland. Ericsson rechnet bis zum Jahr 2020 für 5G weltweit mit einem um den Faktor 1000 gestiegenen Datenvolumina in Mobilfunknetzen, mal mehr mobile Endgeräte, einer fünffach tieferen Latenz, mal höheren Datenübertragungsraten bei den Endnutzern sowie mit 10-fach längeren Akkulaufzeiten. Auch der Netzwerkausrüster und Smartphone-Hersteller Huawei möchte bis 2018 rund 440 Mio. Euro in die Entwicklung von 5G-Netzen investieren. Dem möchte Südkorea zuvor kommen und bis spätestens 2020 den Startschuss für den neuen 5G-Standard setzen. Erste Feldtests sind nach Angaben der Regierung folgend für 2017 angesetzt. Das südkoreanische Wirtschaftsministerium will umgerechnet rund eine Mia. Euro in die 5G-Forschung investieren und hofft auf weitere Mittel aus der Privatwirtschaft. Da passt es gut, dass mit Samsung einer der Vorreiter im Bereich der 5G-Entwicklung in Südkorea angesiedelt ist. Der gesamte asiatische Raum bleibt somit der Motor für neue Mobilfunkentwicklungen, was seit frühen UMTS-Zeiten um die Jahrtausendwende Tradition hat. Die Europäer setzen diesen Bestrebungen eigene Forschungen entgegen, u.a. das von der EU finanzierte Projekt METIS (Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society). Hier arbeiten 29 Partner mit 2500 Mannmonaten und in einem finanziellen Rahmen von 29 Mio. zusammen. Seitens der Ausrüster sind Alcatel-Lucent, Ericsson, Huawei, Nokia und Nokia-Siemens Networks (NSN) engagiert, seitens der Betreiber Deutsche Telekom, DoCoMo, Orange, Telecom Italia und Telefonica. 13 Hochschulen (u.a. die RWTH Aachen und das Fraunhofer Institut/HHI) sowie BMW als Vertreter der Automobilindustrie ergänzen das Register der METIS-Mitglieder. Nach der ersten Phase Usage scenarios and fundamental technology (bis Mitte 2015) folgt Phase 2 ( Detailed concept development, bis Ende 2017). Weitere Infos unter: Datum Seite 15/18

16 3 Wireless Local Area Networks (WLAN) Streng genommen zählen die IEEE-Standards (Institute of Electrical and Electronics Engineers) der Serie x ebenfalls zur mobilen Kommunikation. Diese umfangreiche Serie enthält die technischen Spezifikationen für unterschiedliche Wireless Local Area Networks (WLAN). Deren Wurzeln gehen in die Mitte der 1990er Jahre zurück. Beflügelt durch den Erfolg des Ethernets (IEEE 802.3) und der Mobilkommunikation in öffentlichen Netzen kam man beim IEEE auf die Idee, auch der Ethernet- Schnittstelle Mobilität zu verleihen. Der erste Standard aus der x-Familie wurde bereits 1997 veröffentlicht. Nach der b folgten in den Folgejahren a, g und h. Weitere x-Standards werden laufend entwickelt, so auch die noch junge n. Eingaben ans IEEE haben stets dann die besten Chancen, wenn sie von einer möglichst grossen Gruppe spezifiziert und eingereicht werden. Zum Thema n haben sich insgesamt 27 Unternehmen aus dem Bereich WLAN im Enhanced Wireless Consortium (EWC) unter der Leitung von Intel zusammengefunden. Zu den EWC-Mitgliedern zählen unter anderem Apple, Atheros, Broadcom, Buffalo, Cisco, Conexant, D-Link, Lenovo, Linksys, Netgear, Sanyo, Sony, Ralink und Toshiba. Der erste Entwurf des Standards IEEE n (Draft 1.0) wurde im Januar 2006 verabschiedet. Danach dauerte es einige Jahre mit mehreren weiteren Entwürfen, bis der endgültige Standard im September 2009 endlich verabschiedet wurde. Bei IEEE n handelt es sich um Weiterentwicklungen der bestehenden Standards a/b/g. Im n-Standard werden mehrere Techniken kombiniert. Hier wird das Trägersignal zwischen vier unterschiedlichen Phasen verschoben. Zudem werden die Daten in Muster kodiert, die besonders leicht voneinander und vom Rauschen zu unterscheiden sind. Die Standards a/g nutzen Techniken, die das Funkspektrum in mehrere parallele Übertragungskanäle aufteilen. Ziel ist die Vermeidung von Interferenzen zwischen benachbarten Kanälen und die Aufteilung der Datenströme auf alle Kanäle, wodurch lokale Interferenzen minimiert werden. Zur Entwicklung schnellerer Netzwerke gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten: Mehr oder breitere Kanäle. Der n-Standard nutzt beide Möglichkeiten und lockt mit Bitraten von bis zu 600 Mbit/s. Problematisch wirkt sich nach wie vor die Nutzung lizenzfreier Frequenzbänder aus. Dort können keine weiteren Kanäle nebeneinander in den international zugewiesenen Frequenzbändern bei 2,4 GHz und 5 GHz untergebracht werden. Daher überlagert n mehrere Kanäle auf denselben Frequenzen. Das dazu genutzte MIMO-Verfahren arbeitet mit mehreren Sendern und Empfängern mit separaten Antennen. Hierbei werden die minimalen Unterschiede der physischen Abstände zwischen Sende- und Empfangsantenne zur Unterscheidung der Signale genutzt. Sobald das Netzwerk die Grösse dieser Unterschiede berechnet hat, kann es auf mathematischem Wege die kombinierten Signale von jedem Kanal entflechten, auch wenn sie dieselbe Frequenz nutzen. Theoretisch kann jede Kombination zweier Antennen vollständig zur Datenübertragung genutzt werden, sodass mit jeweils zwei Sende- und Empfangsantennen vier räumliche Kanäle zur Verfügung stehen. Die zweite Massnahme bei n ist die Erhöhung der Kanalbandbreite. Statt der bisher 20 MHz breiten Kanäle werden zur nochmaligen Verdoppelung des Datendurchsatzes 40 MHz genutzt. Aber ganz ausschalten lässt sich die Physik auch hier nicht: Wenn jeder einzelne Kanal doppelt so breit ist, halbiert sich in einem vorgegebenen Frequenzband die Anzahl der Kanäle. Für vorhandene Benutzer dieser Bänder gibt es dadurch viel weniger Ausweichmöglichkeiten auf andere Kanäle. Datum Seite 16/18

17 Die Praxis mit WLANs nach IEEE n zeigen, dass diese schnell auf das bereits stark belebte 2,4 GHz- Band wechseln, sobald im 5 GHz-Band Empfangsprobleme auftreten. Das Problem ist physikalisch bedingt: Je höher die Frequenz, desto schlechter oder schwieriger ist die Durchdringung von Wänden, Glasscheiben und anderen Hindernissen. Der Ende 2013 ratifizierte IEEE-Standard ac entlastet das belebte 2,4-GHz- Band, indem er ausschliesslich im 5-GHz-Band funkt. WLAN-Umgebungen in grossen Büros leiden zunehmend unter dem Trend BYOD (engl. Bring Your Own Device, auf Deutsch Bringe Dein eigenes Gerät mit ). Gerade das rege genutzte 2,4 GHz-Band ist dem Ansturm privater Mobilgeräte kaum mehr gewachsen und mit 20 MHz Kanalbandbreite zu wenig Durchsatz. IEEE n hingegen bietet genug Spektrum für 80 MHz oder 160 MHz breite Kanäle und erlaubt Downloadgeschwindigkeiten bis zu 7 Gbit/s, in der Praxis immer noch bis zu 1,3 Gbit/s. Überblick zu den IEEE-Standards und -Entwürfen der Serie x ( R. Sellin) Weiterführende Infos unter: Datum Seite 17/18

18 4 Glossar 3GPP CSD EDGE GPRS GSM HSCSD HSDPA HSPA HSUPA IEEE IP LTE LTE-A MIMO QAM QPSK SIM SIP UMTS VoLTE VPN WLAN Third Generation Partnership Project Circuit Switched Data Enhanced Data Rates for the GSM Evolution General Packet Radio Service Global System for Mobile Communications High Speed Circuit Switched Data High Speed Downlink Packet Access High Speed Packet Access High Speed Uplink Packet Access Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Protocol Long Term Evolution LTE Advanced Multiple Input, Multiple Output Quadrature Access Modulation Quadrature Phase Shift Keying Subscriber Identity Module Session Initiation Protocol Universal Mobile Telecommunications System Voice over LTE Virtual Private Network Wireless Local Area Network Datum Seite 18/18