Mobile Funknetze Technologien und Verfahren

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1 Mobile Funknetze Technologien und Verfahren Seminarausarbeitung zum Seminar Neue Technologien im Internet und WWW WS 2003/2004 Friedrich Schiller Universität Jena Ausgearbeitet von Marcus Hetterle Dezember 2003

2 Abstract Ziel dieser Arbeit ist, die wesentlichen Grundzüge mobiler Übertragungsverfahren vorzustellen. Es wird auf die Modulationsverfahren eingegangen und die Netzstruktur der heutigen Mobilfunkgeneration vorgestellt. Da die neuen Dienste der mobilen Kommunikation immer höhere Datenraten für Videostreaming und mobilem Internet benötigen, wird auch auf Verfahren eingegangen, die die Datenraten erhöhen und so neue Services ermöglichen. 2

3 Inhaltsverzeichnis Seite Abstract 2 1. Einleitung 4 2. Entwicklung der drahtlosen Signalübertragung 5 3. Physikalische Grundlagen Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen an 7 Antennensystemen 3.2 Modulation Frequenzmodulation (FM) Amplitudenmodulation (AM) Phasenmodulation (PM) Kombination der Modulationsarten Die Mobilfunkgenerationen Kanalraster FDMA TDMA CDMA Erste Generation Zweite Generation Zellulare Netzstruktur Handover Weiterentwicklungen G Dritte Generation UMTS Zellatmung 22 5 Dienste SMS Short Message Service MMS Multimedia Messaging Service WAP Wireless Aplication Protokoll 25 Abkürzungsverzeichnis 28 Glossar 29 Index 33 Bibliographie 35 3

4 1. Einleitung Mobilfunk dient der Übertragung von Signalen oder besser von Nachrichten bidirektional zwischen einer (oder auch mehreren, z.b. bei UMTS) Sendeund Empfangsantennen. Eine Antenne davon ist beweglich, die andere ist lokal fest gebunden. Daher bezeichnet man die bewegte Antenne mit ihrem Verarbeitungsgerät als "Mobilstation", kurz MS, - im deutschsprachigen Volksmund auch als "Handy" bekannt. [Q7] Um eine Sprach- und Datenübertragung ohne Kabel durch den Raum zu verstehen, sind Kenntnisse über elektromagnetische Wellen und Modulationsverfahren nötig. Modulation bedeutet Veränderung. Für die drahtlose Kommunikation werden elektromagnetische Wellen gezielt verändert (moduliert). Jede Veränderung ist eine Information für den Empfänger. Im Kapitel 2 wird die Entwicklung der Kommunikationsmethoden dargestellt. Kapitel 3 stellt die für die Kommunikation üblichen Modulationsverfahren genauer vor. Im Kapitel 4 werden die Mobilfunkgenerationen vorgestellt und verglichen. Kapitel 5 zeigt die aktuellen Dienste der heutigen und folgenden Mobilfunkgenerationen. 4

5 2. Entwicklung der drahtlosen Signalübertragung Den physikalischen Grundstein legte 1819 Christian Oerstedt. Er hatte Naturphilosophie studiert und war der festen Überzeugung, dass die Natur einem festen Schema unterliegt. Alle natürlichen Phänomene seien naturwissenschaftlich erklärbar. Mit dieser Motivation zeigte er experimentell, dass ein von Strom durchflossener Leiter ein Magnetfeld um sich erzeugt, indem er eine Kompassnadel über einen von Strom durchflossenen Leiter zum Ausschlag brachte. Die dadurch gewonnene Erkenntnis über den Zusammenhang zweier physikalisch unterschiedlicher Phänomene, den Magnetismus und die Elektrizität, regte viele Wissenschaftler zu weiteren Forschungen an. Michael Faraday stellte diese Versuche nach, wobei er zunächst noch der Auffassung war, es handle sich bei der Wechselwirkung zwischen elektrischem Strom und der Magnetnadel um die konventionell, in der Physik bekannten Kräfte, die in Richtung der Verbindungsgeraden liegen. Im August 1821 korrigierte sich Faraday und konstruierte am 4. September eine Vorrichtung, aus der ganz klar hervorging, dass die Kräfte senkrecht auf der Verbindungslinie stehen. Ein elektrischer Leiter rotiert dabei um einen festgehaltenen Magneten; ebenso rotiert auch umgekehrt ein beweglicher Magnet um einen festen Leiter. Damit hatte er zum ersten Mal einen Elektromotor konstruiert, wenn auch nur in einfachster Form. Faraday suchte nun nach der umgekehrten Wirkung, auch nach dem gewissermaßen umgekehrten Effekt: eine elektrische Wirkung des Magneten. In den folgenden Jahren war es für Faraday ein wichtiges Ziel, diese 'Verwandlung' genauer zu erforschen. Prinzipiell geeignete Versuchsanordnungen hatte er, wie das Labortagebuch zeigt, bereits 1825 und 1828 aufgebaut, aber die Messempfindlichkeit war zu gering. Endlich entdeckte er am 29.August 1831 mit einer Anordnung, die wir heute einfach als Transformator bezeichnen, den lang gesuchten Effekt der elektromagnetischen Induktion. Henry Morse wollte anhand dieser Entdeckungen die Kommunikation revolutionieren. Dabei nahm er Joseph Henry zum Vorbild, der 1831 das erste elektromagnetische Signal über einen elektrischen Leiter übermittelte. Er benötigte nun noch 4 Jahre bis er den ersten Prototypen eines Telegraphen vorstellte. Im selben Jahr wurde in Großbritannien von dem britischen Physiker Sir Charles Wheatstone in Zusammenarbeit mit dem britischen Ingenieur Sir William F. Cooke ein Telegraph entworfen. Morse benutzte Magnete als Sender und Empfänger und war somit in der Lage, Signale über längere Strecken zu übertragen. Zwei Jahre später entwickelte er eine eigene Sprache für die Kommunikation mithilfe eines Telegraphen. Eine Folge von Punkten und Strichen, die jeweils einen Buchstaben oder eine Zahl des Alphabets beschreiben, sollten hierfür genügen. Alles, was man nun noch benötigte, war ein Netzwerk von Telegraphendrähten, um Nachrichten über große Entfernungen übertragen zu können wurde das erste Transatlantische Kabel gelegt, welches aber schon nach vier Wochen aufgrund der für die Übertragung über diese lange Strecke benötigten hohen Spannung das erste mal durchbrannte. 5

6 1887 erforschte Heinrich Hertz das Wesen der elektromagnetischen Wellen. Hertz bewies, dass sich die elektromagnetischen Wellen genauso verhalten, wie Lichtwellen und sich nur in den Wellenlängen unterschieden. Hertz erfand dazu einen Sender und einen Empfänger, wobei der Sender Funken erzeugte und es so möglich war, Signale drahtlos zu übertragen. Daher stammt auch der Name "Funk", der sich bis heute gehalten hat. Der Italiener Marconi knüpfte an die Forschungen von Hertz und anderen Wissenschaftlern seiner Zeit an und veränderte ein wichtiges Systemelement: die Antennenanordnung. Dabei verwendete er als erstes sehr hohe Antennen, die er außerdem noch erdete und so die Erde als Teil des Antennensystems verwendete. Ihm gelang es so Langwellen abzustrahlen, die größere Entfernungen zurücklegen konnten. Als Langwellen bezeichnet man diejenigen Wellen, die eine sehr niedrige Frequenz aufweisen und so bildlich in Bezug auf die Zeit sehr lang gezogen sind. Mit Langwellen bezeichnet man Wellen im Frequenzbereich von kHz. Marconi verstand selbst nicht alle Details seiner Anordnung, doch konnte er durch Experimente immer größere Distanzen überbrücken konnte er über drei Kilometer Morsezeichen aus dem von Morse entwickelten Morsecode übertragen. Leider erhielt er in Italien nicht die notwendige finanzielle Unterstützung, und so ging der damals 22-Jährige Wissenschaftler mit seiner Mutter nach England wo er Armee, Marine und Post auf sich aufmerksam machte führte er dann mithilfe der Post seine Erfindung vor und überbrückte einen 5 km langen Meeresarm. Am Anfang hatte er große Mühe, sich gegen die etablierte Draht gebundene Telegrafie durchzusetzen. Als es ihm aber um 1900 gelang, die Reichweite seiner Sendesysteme weiter zu verbessern, hatte er Armee und Marine als Kunden gewonnen. Der erste Durchbruch gelang, als Marconi und sein Team zum ersten Mal den Ärmelkanal drahtlos überbrückten. Man unternahm Versuche mit Langwellen, befestigte Langdrahtantennen an Ballons, und es folgten Versuche mit immer kürzeren Wellen. Er war jedoch noch der Meinung, dass die Funkwellen, nicht der Erdkrümmung folgen würden. Im Dezember 1901 war es dann soweit. Marconi überbrückte 3400 km über den Atlantik von England nach Neufundland (Kanada). Zusammen mit dem am gleichen Thema arbeitenden deutschen Physiker Karl Ferdinand Braun erhielt Marconi 1909 den Nobelpreis für Physik[Q1][Q2]. 6

7 3. Physikalische Grundlagen 3.1 Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen an Antennensystemen Grundlage jeder Funkübertragung ist ein elektrischer Schwingkreis [Abb.1], welcher im Allgemeinen aus einem Kondensator und einer Spule besteht. Ein Kondensator ist ein elektrisches Bauelement, das im Prinzip aus zwei voneinander isolierten, leitenden Flächen besteht, z.b. zwei Metallplatten oder Folien mit einem Isolator (Luft, Kunststoff) dazwischen [Q3]. Dieser kann elektrische Ladung speichern und wieder abgeben. Eine Induktionsspule besteht aus schraubenförmig (ein- oder mehrlagig) aufgewickelten elektrischen Leiter (Draht) [Q3]. Wenn der Kondensator geladen ist, liegt maximale Spannung vor, die Energie ist im elektrischen Feld des Kondensators gespeichert. Dann entlädt sich der Kondensator über die Spule, bis er entladen ist; der Strom ist dann maximal und die Energie ist ins Magnetfeld geströmt. Wegen der Trägheit der Spule gegen Stromänderung sorgt die Induktion dafür, dass der Strom nun noch weiter fließt (die Energie wird dem Magnetfeld entnommen) und den Kondensator in umgekehrter Polung wieder auflädt. Schließlich ist wieder die Spannung maximal, aber mit umgekehrter Polung. Nun verläuft der Vorgang wieder zurück und so weiter. Kondensator Spule Abb. 1 Schwingkreis, geschlossen Bei einem geschlossenen Schwingkreis pendelt also die Energie zwischen dem Kondensator und der Spule hin und her ohne den Stromkreis zu verlassen. Öffnet man nun den Kondensator und ersetzt die Spule durch einen Draht, erhält man einen offenen Schwingreis [Abb. 2]. Bei dieser Variante des Schwingkreises reichen die Feldlinien weit in den Raum hinaus. Man nennt diese Versuchanordnung auch den Hertzschen Oszillator. 7

8 In der Theorie und auch in der Praxis zeigt sich, dass sich die Feldlinien nicht wieder vollständig in den Stromkreis zurückziehen, sondern zum Teil als geschlossene Feldlinien in den Raum hinein wandern. Ein offener Oszillator strahlt also Energie in den Raum ab und hat auch daher seinen Namen. Abb. 2 Schwingkreis offener Schwingkreis Ein offener Schwingkreis, der im Allgemeinen auch als Sendeantenne bezeichnet wird, stellt einen linearen Dipol dar. In [Abb. 3] sieht man die von H.Hertz erstmals gekennzeichneten elektrischen Kraftlinienbilder um einen schwingenden Dipol. Diese Darstellungsweise gilt aber erst in einer gewissen Entfernung vom Dipol. Wird der Kondensator, also die Kugeln oder Platten an den Enden aufgeladen, so treten zunehmend elektrische Kraftlinien aus der positiv geladenen Kugel heraus. Hat diese Erfüllung des umgebenden Raumes mit elektrischen Kraftlinien ihr Maximum erreicht, fließt die Ladung wieder zurück und die Kraftlinien ziehen sich dementsprechend auch zurück. Dabei schnürt sich ein Teil der Kraftlinien ab und bleibt, nachdem der Dipol ungeladen ist, als selbständiges Gebilde von ringförmiger Gestalt zurück im Raum. In der nächsten halben Schwingungsperiode wiederholt sich dieser Vorgang bei entsprechender entgegen gesetzter Ladung des Dipols. Die Kraftlinien treten nun aus der anderen Kugel aus und erfüllen den Raum, indem sie sich zur negativ geladenen Kugel hinziehen. Während sich diese Feldlinien ausbreiten, wandern die vorher abgeschnürten Feldlinien in den Raum hinaus. In der letzten Periode der zweiten Halbschwingung schnürt sich abermals ein ringförmiges Gebilde geschlossener Kraftlinien von entgegen gesetztem Richtungssinn wie die ersten vom Erreger ab und wandert in den Raum hinaus. Nun beginnt alles von neuem. Diese abgeschnürten und selbstständig gewordenen Kraftlinien stellen die von Erreger ausgesandte Strahlung dar. 8

9 Abb. 3 - Hertzscher Oszillator und dessen elektrischen Feldlinien [Q4] Wie sieht das magnetische Feld um den Dipol aus? Abbildung 4 zeigt die Entwicklung der magnetischen Feldlinien in Äquatornähe des Dipols. Der Wechselstrom im Dipol erzeugt um dessen Achse konzentrische magnetische Kraftlinien, die in abwechselnder Folge entgegengesetzten Richtungssinn in ihrer Ebene senkrecht zur Dipolachse laufen [Q4]. Die magnetischen und elektrischen Feldlinien stehen überall im Raum senkrecht aufeinander. Abb. 4 - Hertzscher Oszillator und dessen magnetischen Feldlinien [Q4] Wie sieht das magnetische Feld um den Dipol aus? Abbildung 4 zeigt die Entwicklung der magnetischen Feldlinien in Äquatornähe des Dipols. Der Wechselstrom im Dipol erzeugt um dessen Achse konzentrische magnetische Kraftlinien, die in abwechselnder Folge entgegengesetzten Richtungssinn in ihrer Ebene senkrecht zur Dipolachse laufen [Q4]. Die magnetischen und elektrischen Feldlinien stehen überall im Raum senkrecht aufeinander. 9

10 Abb. 5 elektrischen Feldlinien eines elektrischen Dipols [Q4] Abbildung 5 zeigt das Abschnüren der elektrischen Feldlinien in der letzten Periode einer halben Schwingung des Dipols. 3.2 Modulation Um Daten übertragen zu können, benötigt man ein Trägersignal. Dieses Signal ist zum Beispiel die entstehende Schwingung eines Dipols. Das Trägersignal hat per Definitionen den Informationsgehalt null. Die Information muss also vor der Übertragung des Signals auf den Träger aufgetragen werden. Die elektromagnetischen Felder unterscheiden sich in ihrer Frequenz und Feldstärke sowie in der Signalform der elektromagnetischen Wellen. Die Frequenz wird in Hertz, also»schwingungen pro Sekunde«angegeben. Es ist die Anzahl, mit der sich z.b. eine Sinus-Schwingung pro Sekunde wiederholt. Die Frequenz gibt an, wie oft pro Sekunde der maximale Ausschlag erreicht wird. Bei der Frequenz lassen sich innerhalb des elektromagnetischen Spektrums hochfrequente und niederfrequente Felder unterscheiden. Der hochfrequente elektromagnetische Bereich reicht von 10 Kilohertz (KHz) bis 300 Gigahertz (GHz). Hochfrequente elektromagnetische Felder werden zum Beispiel beim Radio und Fernsehen, Rettungs-, Betriebs- und Taxifunk oder funk-basierten Diebstahlsicherungen genutzt. 10

11 Niederfrequente elektrische und magnetische Felder zwischen 0 Hertz (Hz) und 10 Kilohertz (KHz) entstehen vor allem bei der Energieerzeugung und - übertragung sowie im Haushalt mit Frequenzen um 50 Hertz (Hz) [Q5]. 1 Hertz entspricht 1 Schwingung pro Sekunde 1 Megahertz sind 1 Million Hertz 1 Gigahertz sind Millionen Hertz Frequenzmodulation Die einfachste Modulationsmethode ist die Frequenzmodulation. Als Beispiel für Frequenzmodulation zur digitalen Datenübertragung verwendet man eine feste Frequenz zur Darstellung der logischen 0, und eine andere für die logische 1. Bei einigen (etwas älteren) 300 Baud-Modems bedeutet eine Frequenz von 1070 Hz eine binäre 0, während eine Frequenz von 1270 Hz eine binäre 1 darstellt (»Frequency Shift Keying«). Anstelle von zwei möglichen Frequenzen könnten aber auch mehrere verwendet werden, um mehr Informationen zu übertragen. Würden wir vier verschiedene Frequenzen verwenden (nennen wir sie A, B, C und D), könnte jede Frequenz ein Bitpaar darstellen. Um z.b. 00 zu senden, könnte man Frequenz A verwenden, für 01 die Frequenz B, für 10 C und schließlich für 11 die Frequenz D. In gleicher Weise könnten wir mit jedem Wechsel der Frequenz 3 Bits an Information übertragen, wenn wir 8 verschiedene Frequenzen verwenden würden. Jedes Mal, wenn wir die Anzahl der möglichen Frequenzen verdoppeln, können wir die Anzahl der übertragbaren Bits pro Sendeeinheit um eins erhöhen. [Q6] Abbildung 6 zeigt die Frequenzmodulation mit Trägersignal, Nutzsignal und das modulierte Signal für die Übertragung. Trägersignal Nutzsignal Moduliertes Trägersignal Abb. 6 - Frequenzmodulation 11

12 3.2.2 Amplitudenmodulation Analog zu dem obigen Beispiel der Frequenzmodulation, bei dem mehrere Bits mit einem einzigen Frequenzwechsel übertragen werden, verändert man bei der Amplitudenmodulation die Amplitude (oder die Höhe der Spannung). Als einfachste Möglichkeit könnten nun zwei mögliche Amplituden erlaubt sein, wobei die eine Amplitude die logische 0 darstellt und die andere eine 1. Wie im Fall der Frequenzmodulation erklärt, kann mehr Information übertragen werden, wenn mehrere erlaubte Amplituden zur Verfügung stehen. [Q6] Trägersignal Nutzsignal Moduliertes Trägersignal Abb. 7 - Amplitudenmodulation Phasenmodulation Um die Phase einer Sinusschwingung zu einem bestimmten Zeitpunkt zu verändern, stoppt man das Senden der alten Sinusschwingung und beginnt gleichzeitig mit dem Senden einer neuen Schwingung bei der selben Frequenz und Amplitude. Wenn die neue Sinusschwingung mit der gleichen Spannung (und der gleichen zeitlichen Änderungsrate, d.h. mathematisch gesprochen mit dem gleichen Wert der 1. Ableitung) startet, mit der die alte Schwingung gestoppt wurde, würde sich keine Änderung der Phase (oder eine andere messbare Änderung) ergeben. Aber nimmt man an, man würde die neue Sinusschwingung an einem anderen Punkt der Sinuskurve starten, dann würde wahrscheinlich ein plötzlicher Spannungssprung zu dem Zeitpunkt auftreten, an dem die alte Schwingung gestoppt wird und die neue beginnt. Dies ist eine Phasenverschiebung, die in Grad gemessen wird. Eine Phasenverschiebung von 0 Grad (oder 360 Grad) bedeutet keinerlei Änderung, während eine Phasenverschiebung von 180 Grad die Spannung 12

13 (und Steigung) der Sinusschwingung invertiert. Anders ausgedrückt, bedeutet eine 180 Grad Phasenverschiebung, dass eine halbe Periode (180 Grad) übersprungen wird. Natürlich könnte man auch 90 Grad oder 135 Grad überspringen, usw. Wie im Beispiel der Frequenzmodulation erklärt, kann eine Phasenverschiebung umso mehr Informationen bzw. Bits tragen, je mehr mögliche Werte für die Phasenverschiebung zur Verfügung stehen [Q6]. Trägersignal Nutzsignal Moduliertes Trägersignal Phasensprung Abb. 8 - Phasenmodulation Kombinationen der Modulationsarten Statt nur eine der drei möglichen Modulationsarten auszuwählen, könnten wir auch mehrere Methoden kombinieren. Mit 256 möglichen unterschiedlichen Frequenzen können mit Hilfe der Frequenzmodulation ein Byte (8 Bit) bei jedem Frequenzwechsel übertragen werden, da 2^8=256. Um mit der gleichen Anzahl der Frequenzen mehr Bits zu übertragen, könnte man mit 256 möglich Amplituden, so dass jeder Wechsel der Amplitude ebenfalls ein Byte repräsentiert, 256 Kombinationen mehr übertragen. Mit 256 möglichen Phasenverschiebungen können zu einem Zeitpunkt alle 3 Werte verändert werden. Bei jedem solchen Übergang würden 3 Bytes an Information übertragen. Tatsächlich funktioniert keine der heute üblichen Modulationsmethoden auf diese Weise. Es würde zu lange dauern, um alle 3 Änderungstypen zu prüfen. Weit verbreitet ist allerdings die gleichzeitige Änderung sowohl der Phase als auch der Amplitude. Dies wird auch als Phasen-Amplituden Modulation bezeichnet (oder quadratische Amplitudenmodulation, abgekürzt QAM). Diese Methode wird bei den üblichen Modemgeschwindigkeiten von 14,4k, 28,8k und 33,6k verwendet. Einzig bei 56k Modems wird diese Methode heute nicht benutzt. Aber selbst 56k Modems verwenden QAM für die Übertragungsrichtung vom PC zur Telefonleitung. 13

14 Manchmal wird sogar für die andere Übertragungsrichtung QAM bevorzugt, wenn die Leitungsqualität nicht ausreichend gut ist. Daher ist QAM die am weitesten verbreitete Modulationsmethode für analoge Telefonleitungen [Q6]. 4. Die Mobilfunkgenerationen Die Entwicklung der mobilen Telekommunikation gliedert sich bis heute in drei Generationen. In jeder Generation wurden neue Netze mit unterschiedlichen Frequenzbereichen, Möglichkeiten zur Frequenzteilung und neuen Ü- bertragungsverfahren eingeführt. Im nächsten Abschnitt möchte ich diese nicht nur auf die Entwicklung eingehen, sondern auch die Verfahren erläutern. 4.1 Kanalraster Allgemein kann man sagen, dass bei der Signalübertragung das physikalische Medium nur einmal zur Verfügung steht. Wird es benutzt, steht es für keine weiteren Nutzer zur Verfügung. Bei Mobilfunksystemen sind die physikalischen Datenträger die unterschiedlichen Frequenzen, da im allgemeinen Frequenzmodulation zur Signalübertragung verwendet wird. Um Frequenzen effizient zu nutzen, benötigt man eine den Ansprüchen genügende Kanalaufteilung. Hierzu gibt es im Allgemeinen drei verschieden miteinander kombinierbare Verfahren FDMA Frequenzmultiplex (Frequency Division Multiple Access) Das zur Verfügung stehende Frequenzband, also der zur Verfügung stehende Frequenzbereich, ist als Ressource unter den Teilnehmern aufzuteilen. Die einfachste Methode ist, hierbei jedem Teilnehmer einen gewissen Anteil des Frequenzbandes zuzuordnen. Wenn jeder Teilnehmer nur auf seinem Frequenzband sendet und empfängt kollidieren die Übertragungen nicht gegenseitig. Bei diesem Verfahren werden die Frequenzkanäle jedoch fest an den Teilnehmer gebunden und sind somit vergeben. Die Kanäle müssen einen gewissen Abstand zueinander haben, ansonsten entstehen Interferenzen. Interferenzen sind Überlagerungen von Wellen, die durch Wechselwirkungen mit eng benachbarten oder gleichen Frequenz entstehen. Diese Signalbeeinträchtigungen treten in allen Frequenzbereichen auf [Q8]. Wird ein Frequenzbereich gestört, so wirkt sich diese Störung massiv auf den betroffenen Kanal aus. Abhilfe schafft hier die Frequenz hopping Methode, die das Wechseln zwischen den Frequenzen ermöglicht, doch muss jedes Mobilteil das ganze Frequenzband und somit alle Frequenzen zum Senden und Empfangen unterstützen. Abbildung 9 zeigt die logische Struktur dieses Verfahrens.[Q9] 14

15 Leistung 1 Zeit Frequenz Abb. 9 - FDMA Verfahren TDMA Zeitmultiplex (Time Division Multiple Access) Beim Zeitmultiplex Verfahren werden nicht die Frequenzen aufgeteilt, sondern die zeitliche Dimension. Es wird ein Zeitraster angegeben, welches jedem Nutzer nur zu einem gewissen Zeitpunkt erlaubt, seine Daten zu senden oder empfangen. Eine Bedingung hierfür ist jedoch ein Takt, über den alle Teilnehmer einheitlich verfügen müssen, um sich im Netz zu synchronisieren. Bei einer Störung sind alle Teilnehmer, die zum Zeitpunkt der Störung Daten übertragen, betroffen. Dieses Verfahren ist nur für digitale (Paketorientierte) Übertragungsverfahren sinnvoll, da bei Analoger Übertragung der Sprache sonst Pausen entstehen würden. Abbildung 10 zeigt die logische Struktur dieses Verfahrens Außerdem besteht die Möglichkeit diese beiden Verfahren zu kombinieren und ferner die dritte Regelgröße, die Leistung, mit in Betracht zu ziehen. Hierbei senden mehrere Teilnehmer auf dem gleichen Kanal (Zeit und Frequenz) und werden durch ihre unterschiedlichen Signalstärken am Empfänger unterschieden. Abbildung 11 zeigt die logische Struktur dieser Kombination. Leistung Zeit Frequenz Abb. 10 TDMA Verfahren 15

16 Leistung Zeit Frequenz Abb. 11 Kombination von FDMA und TDMA CDMA Verfahren (Code Division Multiple Access) Eine weitere Methode um die Teilnehmer voneinander zu unterscheiden, ist jedem von ihnen einen eigenen logischen Code auf Bitebene zu geben. Der mathematische Hintergrund liegt im Skalarprodukt auf n-dimensionalen Vektoren. Sind zwei Vektoren orthogonal, so verschwindet deren Skalarprodukt. Definition Standartskalarprodukt: Auf dem arithmetischen Vektorraum (R n,+) wird durch <(x 1,...,x n ), (y 1,...,y n )> = x 1 *y x n *y n ein Skalarprodukt definiert, das Standardskalarprodukt. Verwendet man einen Satz zueinander orthogonaler Vektoren, ordnet jedem Vektor einen Datenkanal zu und interpretiert die Komponenten des Vektors als Signalstärken für die Übertragung eines Bits. Danach kann man damit aus dem Summensignal aller Kanäle, wie es beim Empfänger ankommt, durch Skalarproduktbildung mit dem Vektor des gewünschten Kanals die Daten zurückgewinnen [Q9]. Ein Beispiel soll diese Methode der Kanalkodierung etwas genauer erläutern: Jeder Teilnehmer erhält einen Codevektor zur Codierung eines Bits. Teilnehmer A erhält den Vektor a = (0.5,0.5, 2 ), Teilnehmer B den Vektor b=(- 2, 2, 0) und Teilnehmer C den Vektor c=(-0.5,-0.5, 2 ). Diese Vektoren sind orthogonal und demzufolge ist das Skalarprodukt null: (a b) = (a c) = (b c) = 0 (Orthogonalität). Abbildung 12 zeigt das Vektorbild. Die logische null entspricht dabei dem Vektor inversen Vektor. 16

17 Abb.12- Vektorbild [Q9] Senden Teilnehmer A, B und C zeitgleich einen Vektor, erhält man beim Empfänger die Summe der gesendeten Vektoren. Im Beispiel sendet Teilnehmer A eine logische 0, also den inversen Vektor des Vektors a. Teilnehmer B sendet eine logische 1 und Teilnehmer C sendet gar kein Signal. Wie in Abbildung 13 zu sehen, erhält der Empfänger eine Überlagerung der Signale und kann nun wie folgt die Einzelsignale dem jeweiligen Teilnehmer zuordnen, wobei hier w = 2. S = -a+b+0 = (-0.5-w,-0.5+w, -w) Summensignal Kanal: a s = (0.5,0.5,w) x (-0.5-w,-0.5+w,-w) = 0.5*(-0.5-w) + 0.5*(-0.5+w) + w*(-w) = w w-0.5 = -1 Kanal: b s = (-w,w,0) x (-0.5-w,-0.5+w,-w) = -w*(-0.5-w) + w*(-0.5+w) + 0*(-w) = 0.5w w+0.5 = +1 Kanal: c s = (-0.5,-0.5,w) x (-0.5-w,-0.5+w,-w) = w w-0.5 = 0 17

18 Abb Überlagerung der Vektoren [Q9] Dieses Übertragungsverfahren setzt jedoch voraus, dass die Signale zum gleichen Zeitpunkt abgesendet werden, da sonst eine Verschiebung im Phasenraum entsteht und die Codes somit nicht mehr orthogonal sind. Darum nennt man solche Codes auch fast orthogonal. Natürlich gibt es auch Codes, die selbst bei einer Verschiebung noch orthogonal zueinander sind. Durch alle drei Verfahren bekommt jeder Teilnehmer einen Kanal. Dieser kann physisch oder logisch sein. Es entsteht ein Raster von (endlich vielen) Kanälen, das Kanalraster. Mithilfe dieser Kanäle können nun mehrere Teilnehmer versorgt werden. Im ersten öffentlichen Netz bzw. der ersten Generation des Mobilfunks wurde das TDMA Verfahren verwendet. 4.2 Erste Generation Am 20. Juni 1953 wurde in Deutschland - anlässlich der Münchner Verkehrsaustellung - das erste Mobiltelefonat von einem VW-Käfer aus durchgeführt. Das waren die ersten Testdurchläufe des deutschen A-Netzes, das 5 Jahre später für kommerzielle Zwecke offen stand. Das Mobiltelefongerät wog dabei 16 kg und hatte einen Preis von DM Der VW-Käfer war hingegen bereits für DM 5000 zu bekommen [Q7] wurde in Deutschland das erste Mobilfunknetz in Betrieb genommen - das sogenannte öffentlich bewegte Landfunknetz (öbl) A. Dabei wurde jedoch die Vermittlung im Amt noch von Hand durchgeführt. Routingprozesse im heutigen Sinne gab es damals noch nicht. Wollte man einen Mobilteilnehmer erreichen, so musste man genau wissen, in welcher geographischen Rufzone er sich befand, von denen es damals 137 gab. 18

19 Bis 1971 erreicht man eine Teilnehmerzahl von Bei den ersten Mobilfunktelefonen handelte es sich um sogenannte Autotelefone, die mehrere Kilogramm auf die Waage brachten. Das Gewicht wurde bestimmt durch das Duplexfilter, das den gleichzeitigen Empfangs- und Sendebetrieb zulässt sowie den notwendigen Spannungswandler bestimmt. Als Übertragungsverfahren wurde Frequenzmodulation bei einer Sendeleistung von 10 W und einem Frequenzbereich von MHZ verwendet. Der Duplexabstand betrug 10 MHz und das Kanalraster 50 khz. Es wurde schon hier die Sendeleistungsregelung im Teilnehmergerät, ein Technologie der späteren zellularen Netze benutzt. Eine Funkzelle hatte einen Durchmesser von etwa 30 km. Hat der Mobiltelefonierer seine Funkzelle verlassen, war damit auch automatisch der Ruf beendet. [Q7, Q8] 1972 wurde das B-Netz eingeführt, eine Technologie, die auch in Österreich 1974 zum Einsatz kam. Der Frequenzbereich lag bei MHz und es wurde zum ersten Mal die Teilnehmernummer mit übermittelt. So konnte ein vollautomatischer Verbindungsaufbau eingeführt werden. Durch die große Reichweite der 150 MHz Signale konnte man mit schon 150 Funkverkehrsbereichen annähernd flächendeckend in Westdeutschland arbeiten. Allerdings musste man noch immer Bescheid darüber wissen, in welcher Rufzone ein Mobilteilnehmer sich befand. Handover 1 zwischen den Rufzonen war noch immer nicht möglich. Die Mobilfunk-Telefongeräte waren sehr groß, schwer, sehr teuer und Energiefresser, so dass sie vornehmlich nur in PKW s eingesetzt wurden. Abgesehen davon war die Teilnehmerkapazität des B-Netz sehr beschränkt! Das deutsche B-Netz zählte insgesamt bis zu Teilnehmer. Als Übertragungsverfahren verwendete man auch hier Schmalbandfrequenzmodulation bei 4,7 MHz Duplexabstand und 20 khz Kanalraster. Die maximale Sendeleistung betrug wie im A-Netz 10 Watt. [Q7,Q8] In der Zwischenzeit waren in den Laboratorien die Bestrebungen und Bemühungen sehr groß, ein zellulares Mobilfunknetz zu realisieren, um teilnehmerfreundliche Dienstleistungen anbieten zu können (z.b: Handover - unterbrechungsfreie Gesprächsübergabe in eine andere geographische Zelle). So wurde z.b. in Skandinavien ein Mobilfunknetz im Frequenzbereich von 450 MHz entwickelt, das mit der Bezeichnung NMT450 im Jahr 1981 in Skandinavien eingeführt wurde (NMT - Nordic Mobile Telephone System). NMT450 konnte bereits auf automatische Vermittlungsstellen zurückgreifen, die im Laufe der 70er Jahre entwickelt wurden. In Europa wurde das NMT System für Frequenzen um 900 MHz weiterentwickelt. Diese höheren Frequenzen erlaubten auch, dass die Handgeräte kleiner wurden. In Österreich wurde 1990 das analoge D-Netz in Betrieb genommen, das den TACS- Standard verwendete und als Modernisierung des analogen Mobilfunkstandards bis zur Einführung des digitalen GSM-Neztes diente [Q7]. 1 Die Übergabe eines Mobilteils von einer Basisstation zur anderen. 19

20 1986 wurde in Deutschland das C-Netz eingeschaltet und später von Südafrika und Portugal übernommen. Das C-Netz verwendet Schmalbandfrequenzmodulation im Frequenzbereich von MHz bei einem zwischen 10 und 25 khz einstellbaren Kanalraster und 10 MHz Duplexabstand. Die maximale Sendeleistung beträgt hier 15 Watt. Es hatte bis zu seiner Abschaltung im Jahr 2000 rund Teilnehmer. Am wurde das C- Netz abgeschaltet. 4.3 Zweite Generation Stellvertretend für die 2. Generation der Mobilfunktechnologie steht der GSM Standard (Global System for Mobile Communication). Durch immer mehr Teilnehmer und höherer Verkehrslast musste ein Standard gefunden werden, der möglichst viele Nutzer mit einem Frequenzspektrum abdecken konnte. GSM ist ein Gesamtsystem mit definierten Frequenzbereichen, Schnittstellen, spezifizierten Netzelementen, Übertragungsverfahren, Funktionalitäten und Diensten. Es geht damit allein um die Luftschnittstellenprotokolle. So wird bei GSM 900 ein Frequenzband von 880 MHz 960 MHz (D-Netz) bei GSM 1800 ein Frequenzband von 1710 MHz 1880 MHz für den Up- und Downlink 2 benutzt. Bei GSM 900 benutzt man die Frequenzen 890 MHz 915 MHz für den Uplink und 935 MHz 960 MHz für den Downlink. Zwischen Up- und Downlink muss ein Frequenzabstand eingehalten werden um Interferenzen zu vermeiden. Das Downlink Frequenzband wird in 124 physische Kanäle zu je 200 khz eingeteilt, welche in acht Timeslots unterteilt werden. Man erhält somit 8 * 124 Kanäle, die aber nicht alle zum gleichen Zeitpunkt zur Verfügung stehen können. [Q10] MHz; uplink MHz; downlink Frequenzband Kanäle Abb. 14 Q[10] 20 Zeitschlitze 2 Uplink: Verbindung zum Senden vom Mobilteil zur Basisstation Downlink: Verbindung zum Empfangen der Signale von der Basisstation

21 4.3.1 Zellulare Netzstruktur Da diese Kanäle nicht für alle Mobilfunkteilnehmer ausreichen, entwickelte man die zellulare Netzstruktur wobei in jeder Zelle mit einem Frequenzteilbereich gesendet wird. Jede Funkzelle verfügt über eine Basisstation, die einen Radius von km abdeckt. Die direkt angrenzenden Nachbarzellen benutzen ein außerhalb des Interferenzabstandes liegenden Frequenzbereich. So kann in einem Abstand des fünffachen Zellradius die Frequenz der Ausgangszelle wieder verwendet werden. Für diese Topologie benötigt man sieben verschiedene Frequenzbänder. Abbildung 15 verdeutlicht den Aufbau dieser Netzstruktur Abb Zellenstruktur Handover Befindet sich ein Benutzer in einer Zelle, so ist er logisch bei einer Basisstation angemeldet. Um nun eine Kommunikation beim Wechseln der Zellen zu gewährleisten, muss ein Handover durchgeführt werden, d.h. die Einleitung und Sicherstellung eines nahtlosen und verlustlosen Umschalten eines Mobilteils von einer Basisstation zur einer anderen. Der Benutzer sollte nichts merken (Transparenz). Für einen erfolgreichen Handover werden Messungen der Signalstärke und Netzauslastung an Mobilteil und Basisstation durchgeführt. Durch die Definition eines Schwellenwertes wird der Handover durchgeführt und ein neuer Link an der neuen Basisstation erstellt. Es werden jedoch nicht nur Handover zwischen den Zellen durchgeführt. Wenn eine Frequenz der Zelle massiv gestört wird, kann ein Teilnehmer innerhalb seiner Zelle auf eine andere Frequenz wechseln. 21

22 4.3.3 Weiterentwicklungen - 2,5G Durch neue mobile Dienste steigen die Leistungsanforderungen an ein Funknetz. So werden immer höhere Datenraten benötigt um z.b. Videostreaming zur Verfügung zu stellen. Aber nicht nur für multimediale Anwendungen, sondern auch zur einfachen Übertragung von Daten ist eine hohe Datenrate von Vorteil. Der GSM Standart ermöglicht eine Datenübertragungsrate von 9,6 kbit/s, welche sich aus Bandbreite und Zeitschlitz berechnen. Um nun eine höhere Transferrate zu erhalten, bedient man sich bei HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), einem sehr schnellen Übertragungsverfahren eines einfachen Tricks, indem man die Zeitschlitze wieder zusammenfasst und so die volle Bandbreite von 200 khz zur Verfügung hat. Durch die Bündelung der acht Zeitschlitze erhält man so eine Datenrate von 76,8 kbit pro Sekunde. Eine weitere Entwicklung der mobilen Datenkommunikation ist das GPRS (General Packet Radio System). GPRS unterstützt sehr viele Datenübertragungsprotokolle, unter anderem IP und X.25. Das erlaubt dem Mobilfunkteilnehmer mit fremden Datennetzen, wie z.b. das Internet oder firmeninterne Intranets zu kommunizieren. GPRS öffnet damit die unendlichen Weiten des World Wide Webs. Im Gegensatz zu den bisherigen GSM-Übertragungsverfahren wird bei GPRS nicht die Verbindungsdauer vom Mobilfunkanbieter berechnet, sondern die tatsächlich übertragene Datenmenge. Man kann also online bleiben - solange keine Daten übertragen werden, fallen auch keine Mehrkosten für den Teilnehmer an. Man kann ständig online sein, ohne das Verbindungsgebühren anfallen. s werden somit sofort herunter geladen, ohne dass sich der User neu einwählen und sich gegenüber dem Internet Service Provider authentifizieren muss. Bei dieser herkömmlichen GSM-Kanalvergabe ist eine Übertragungsleitung permanent für die Dauer der Verbindung einem Teilnehmer zugewiesen. Beim Surfen im Internet, werden im Normalfall aber nicht permanent Daten übertragen, sondern eine Webseite wird aufgerufen und anschließend gelesen. Während des Lesens werden aber keine Daten über den Kanal (Zeitschlitz) übertragen. Aus der Sicht des Mobilfunknetzbetreibers ist das eine ziemliche Verschwendung bestehender Funkkanäle, bzw. für den Teilnehmer ist dieser Aspekt ebenso ungünstig, da er die aufgebaute Leitung nach Zeit bezahlen muss, ohne Daten übertragen zu haben. In der folgenden dritten Generation wird die Luftschnittstelle massiv geändert um schneller Datenübertragungsraten zu erhalten. 22

23 Man kann aber auch mit dem GSM Standart durch das EDGE (Enhanced Data Rate for Global Evolution) UMTS Datenraten von Durchschnittlich kBit/s erzielen. Hierzu verwendet man Eight Phase Shift Keying. Man sendet pro Frequenz drei Bit an Daten. Dadurch wird der Durchsatz erhöht und man erzielt eine Datenrate von 384 kbit pro Sekunde. Allerdings werden hierzu auch mehr Frequenzen benötigt. Jeder Teilnehmer kodiert nun auf acht verschieden Frequenzen. Das EDGE-Prinzip lässt sich für zukünftige GSM/GPRS-Netzevolution für zwei Datentransfertechnologien einsetzen, nämlich für HSCSD und für GPRS. Im Falle von HSCSD spricht man von einem ECSD-Netz (Enhanced Circuit Switched Data) und im Falle von GPRS von einem EGPRS-Netz (Enhanced General Packet Radio Service). Da fast alle GSM-Netzbetreiber mittlerweile GPRS in ihren Netzen integriert haben, werden vor allem EGPRS-Dienste in Zukunft von Interesse sein. [Q7] 4.4 Dritte Generation - UMTS UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) ist der europäische Standard der dritten Mobilfunkgeneration, der international den Namen "IMT-2000" (International Mobile Telecommunication) trägt. Dieser neue Mobilfunkstandard wurde entwickelt, um die zur Verfügung stehenden Frequenzen besser auszunutzen und da dabei von Seiten der Konsumenten immer höhere Datenraten gefordert werden. Auf lange Sicht gesehen ist allerdings klar, dass oben genannte GSM-Erweiterung (EDGE) nur eine kurzfristige Überbrückung sein kann. Die neue Mobilfunkgeneration muss eine neue Infrastruktur bieten, die modernen Kommunikationsansprüchen gerecht wird. Und genau das macht UMTS. UMTS baut auf einem komplett neuen Funknetzteil (UTRAN - UMTS Terristral Radio Acces Netword) auf, dessen Technologie sich vehement von der GSM-Technik unterscheidet und dadurch unsere zwei zu anfangs erwähnten Ziele erfüllt - nämlich effizientere Nutzung der Frequenzen und schnellere Datendienste. Aber auch höhere Qualitätskriterien bezüglich der Dienstleistungen (QoS - Quality of Service) werden von UMTS berücksichtigt. Zentraler Ansatz für diese neue Funknetz-Technik ist das W-CDMA Multiplexverfahren. W-CDMA steht für Wideband Code Division Multiple Access und ist dafür verantwortlich, dass mehrere Teilnehmer gleichzeitig über nur einen Frequenzkanal kommunizieren können, ohne dass sie sich gegenseitig stören bzw. beeinflussen. Um dies zu ermöglichen, wird jedes Teilnehmersignal mit einem binären Code gekennzeichnet, sodass der Empfänger das gewünschte Signal aus dem gemeinsam genutzten Frequenzkanal wieder herausfiltern kann, sofern er den verwendeten Binärcode kennt! 23

24 Diese Technik stammt aus den Bandspreitzverfahren, die zum Teil schon in den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts für Militärzwecke verwendet wurden. Die wesentlichen Änderungen vollziehen sich also im Funknetzteil. Für die erste Phase der Implementierung von UMTS will man sich hauptsächlich auf diese Innovationen des Funknetzteils konzentrieren und die Vermittlung der Daten von der bestehenden Mobilfunkinfrastrukturen durchführen. [Q7] Für die Luftschnittestelle UTRA sind zwei Betriebsarten vorgesehen: FDD- Betrieb (Frequenzy Division Duplex) und TDD-Betrieb (Time Division Duplex). Im FDD-Betrieb werden für eine Verbindung zwei getrennte Frequenzen verwendet, nämlich eine für die Verbindung vom Handy zur Basisstation (Uplink, d.h. das Handy sendet) und eine von der Basisstation zum Handy (Downlink, d.h. die Basisstation sendet). Diese Betriebsart wird zumindest in der Anfangsphase vorwiegend in größeren Zellen angewendet werden. Im TDD-Betrieb dagegen wird für eine Verbindung nur eine Frequenz benötigt. Der Up- bzw. Downlink wird auf der gleichen Frequenz, jedoch zu verschiedenen Zeiten abgewickelt. Der TDD-Betrieb ist für asymmetrische Dienste (Kapazität für den Downlink größer als für den Uplink) interessant und deshalb ideal geeignet, um auf das Internet zuzugreifen. Denn beim Surfen im Internet werden mehr Daten zum Anwender übertragen, als vom Anwender zum Server. Diese Betriebsart wird vorwiegend in kleinen und kleinsten Zellen innerhalb von Gebäuden eingesetzt werden. Sie wird auch für die sogenannten Self Provided Applications angewandt. Self Provided Applications (SPA's) sind Anwendungen, die von jedermann ohne individuelle Funkkonzession betrieben werden dürfen und auf dafür reservierten Frequenzen arbeiten.[q11] Die maximale Sendeleistung von UMTS-Handys wird typischerweise mw betragen, d.h. ca. 8 bis 16 mal niedriger sein als diejenige von heutigen GSM-Handys. Im Normalbetrieb werden die Sendeleistungen weit unter diesen Maximalwerten liegen. Simulationen von Herstellern haben ergeben, dass die mittleren Sendeleistungen von UMTS-Handys in typischen Netzkonfigurationen für Sprachverbindungen die folgenden Werte aufweisen dürften: in ländlicher Umgebung: ca. 7 mw; in städtischer Umgebung: ca. 0,6 mw. Die Handys von UMTS strahlen demzufolge deutlich weniger als GSM- Handys, welche Sendeleistungen von bis zu 2 W aufweisen. [Q11] 24

25 4.4.1 Zellatmung Bei UMTS ist die Zellengröße von der Teilnehmerkapazität abhängig. Denn je mehr Teilnehmer in einer Zelle sind, umso mehr Störinterferenzen werden erzeugt, da die Signale durch den orthogonalen Code des CDMA Verfahrens codiert sind. Dieses ;ehr an Störinterferenzen wiederum bedeutet, dass ein Handy mit stärkerer Leistung senden muss, damit das Verhältnis Nutzsignal zu Störsignale (SIR - Signal to Interference Ratio) sich wieder im richtigen Verhältnis befindet. Jedes Handy hat aber nur eine begrenzte Sendeleistung (typischerweise 125 mw, [max. 2 W]). Muss jetzt aber zufolge verstärkter Interferenzen die Sendeleistung hinauf geregelt werden, so bedeutet das, dass die maximale Reichweite des Handy sinkt, die durch die Handysendeleistung noch ausgeregelt werden kann. Dadurch sinkt die effektive Reichweite zwischen Bodenstation und Handy - die Zelle schrumpft. Anders schaut es aus, wenn sich wenige Teilnehmer in den Zellen sich aufhalten. Jetzt gibt es geringe Störinterferenzen durch die "fast"-orthogonalität des Codes, wodurch auch die Sendeleistung (Nutzleistung) des Handys heruntergeregelt werden kann. Denn weniger Störleistung bedeutet, dass das SIR (Nutzsignal zu Störsignal - Verhältnis) größer geworden ist. Ist die notwendige Qualität der Verbindung erreicht, kann die Nutzleistung zurückgeregelt werden. Dadurch entsteht wieder etwas Sendeleistungsreserve im Handy und die effektive Zellengröße steigt an. Nun nicht mehr abgedeckte Bereiche Zellgröße bei niedriger Auslastung Zellgröße bei hoher Auslastung Abb.16 - Zellatmung 25

26 Maximale Sendeleistung des Handy UMTS GSM mw 2W Kanalzugriffsverfahren CDMA TDMA Datenrate pro Teilnehmer Bis 2 Mbit/s 9,6 kbit/s 3 Bandbreite 5 MHz 200 khz Pulsfrequenz 100 Hz Hz Anzahl Zeitschlitze pro Rahmen Frequenzband 2 GHz 900 MHz/ 1800 MHz Max. Sprachverbindungen pro Kanal Max. Zellenradius ca. 8 km 6 35 km Abb. 17 Vergleich UMTS vs. GSM 5. Dienste 5.1 SMS - Short Message Service In der Signalisierungsebene der GSM-Protokollarchitektur (auch UMTS) können paketorientierte Nutzdaten transportiert werden. Dies wird für den Punkt-zu-Punkt-Kurznachrichtendienst SMS genutzt. Die SMS werden über ein SMS-Service Center (SMS-SC meistens auch nur als SMSC bezeichnet für Short Message Service Center) im store-andforward-betrieb transportiert. Das Service Center übernimmt (store) die SMS und leitet diese an den Empfänger weiter, sobald dieser sein Mobiltelefon einschaltet. Dieses SMS-SC nimmt die bis zu 160 Zeichen (7 Bit pro Zeichen, wenn 160 Zeichen möglich sind) langen Kurznachrichten von der MS (bzw. auch Internet) entgegen und leitet sie zum entsprechenden Empfänger weiter. Dieses transportiert seine Nachrichten innerhalb des GSM-Netzes über Signalisierungssystem 7 SS7 zum Mobilteilnehmer. SS7 ist eine Protokollfamilie die die paketorientierte Datenübertragung standardisiert. 3 Mit HSCSD oder Edge sind Datenraten von bis zu 57,6 kbit/s bzw. 171,2 kbit/s möglich 4 Gilt nur für die Betriebsart TDD von UMTS, die vorwiegend innerhalb von Gebäuden mit kleiner Leistung eingesetzt wird. Bei der Betriebsart FDD ist der Sender nicht gepulst sondern sendet kontinuierlich. 5 Gilt für 50 % voice activity. Bei 100 % voice activity (keine Sprechpausen) sind nur 72 Sprachverbindungen pro Kanal möglich. 6 Dieser Zellenradius ist nur möglich ohne Interferenzen von Nachbarzellen (sehr wenig verkehr). 26

27 Im Allgemeinen besteht auch eine TCP/IP-Verbindungsmöglichkeit mit dem Internet, sodass SMS auch per Internet an das SMS-SC geschickt werden kann. Ein Mobilteilnehmer muss nicht das SMSC seines Heimatnetzbetreibers verwenden, er kann im Handy auch die Rufnummer eines anderen SMSCs einstellen, wenn er von diesem mit SMS-Diensten beanspruchen will. Ein solches SMSC kann somit auch von einem beliebigen Serviceprovider betrieben werden. [Q7] 5.2 MMS - Multimedia Messaging Service MMS ist ein Standard der 3GPP (3rd Gerneration Partnership Project), mit dem sich nicht nur Texte, sondern auch Töne, Bilder und Bildsequenzen übertragen lassen. Die MMS-Technik basiert nicht auf dem SMS-Standard, so dass auch größere Nachrichten übertragen werden können. In der ersten Phase von MMS ist die Maximalgröße einer MMS-Nachricht auf 100 kb begrenzt - im weiteren Verlauf der MMS-Technik werden aber auch größere Nachrichten erlaubt sein. Dieses Dateilimit ist vernünftig, da z.z. die Handys als Endgeräte noch gar nicht in der Lage sind, mit größeren Datenmengen umzugehen. Außerdem steht als Transporttechnik nur GPRS zur Verfügung, dessen Übertragungskapazität auch Schranken auferlegt sind. Mit UMTS-Handys und -Trägerdiensten lassen sich allerdings größere Datenmengen leicht durchführen - das jedoch wird noch lange Zeit dauern. Die ersten UMTS-Handys sind etwa seit April 2003 für Kunden verfügbar. Die UMTS-Netze sind zum Teil schon Ende 2002 regional eingeschränkt einsatzfähig. Eine multimediale MMS-Nachricht ist bezüglich ihres Informationsablaufs am Endgerät vorgegeben, so dass analog zu einer Powerpoint-Präsentation die Videosequenzen bzw. Melodien automatisch ohne Zutun des Empfängers ablaufen. Der Verfasser einer MMS-Nachricht kann somit als "Autor" sein Kunstwerk im Ablauf strikt definieren, was z.b. bei herkömmlicher -Technik nicht der Fall ist, da dort die Attachmenets vom Empfänger erst manuell aktiviert werden müssen. Der Ablauf einer MMS Nachricht wird mit Hilfe SMIL - Synchronized Multimedia Integration Language gesteuert. [Q7] Im MMS-C (MMS-Center) wird für jeden Teilnehmer ein Profil abgelegt, worin steht, welche Art von Nachrichten er wie zugestellt bekommen möchte. So kann man z.b. festlegen, dass man bestimmte MMS-Dienste, die nicht am Handy dargestellt werden sollen bzw. können, nicht auf das Handy bekommt, sondern per Internet abrufen möchte. Dazu bekommt man bei Eingang der MMS-Nachricht im MMS-C eine SMS auf das Handy, mit der man aufmerksam gemacht wird, dass eine MMS-Nachricht über eine bestimmte Internetadresse, die in der SMS enthalten ist, abrufbar ist. Für andere MMS- Dienste kann man wiederum im Teilnehmerprofil des MMS-C festlegen, dass sie direkt auf dem Handy übertragen und dargestellt werden sollen. 27

28 Um das Teilnehmerprofil selbst verwalten zu können, kann der Teilnehmer über ein WAP-Formular die Parameter seines Profils einstellen. [Q7] 5.3 WAP - Wireless Application Protocol WAP ist ein Übertragungsverfahren, dass es dem Handy ermöglicht, spezielle Seiten aus dem Internet auf seinem Display darzustellen. Voraussetzung dafür ist, dass das Handy einen WAP-fähigen Browser zur Verfügung stellt und dass die Internetseiten mit WML (Wireless Markup Language) geschrieben sind. Bis 2000 waren im GSM-Netz Informations-Dienstleistungen für das Handy- Display durch SMS (Short Message Service) möglich. Bei diesen Diensten handelt es sich um Textnachrichten aus dem Privatbereich, aber auch aus dem Alltag (Verkehrsnachrichten, Event-Nachrichten, Wetterbericht, Lottound Sportergebnisse,...). Der größte Nachteil des nicht-privaten SMS- Dienstes ist, dass dabei die Kommunikation pro Datentransfer immer nur in eine Richtung erfolgt und damit beendet ist. Dabei hat man auch kein Feedback, ob die abgeschickte Nachricht angekommen ist oder nicht. Für eine Antwort ist eine neuerliche Dienstanforderung notwendig. Die Grundidee der WAP-Technologie ist, dass der Informationsaustausch in beide Richtungen, also vom Netz zum User und umgekehrt, möglich sein soll, wodurch der User auch sofort ein Feedback bekommt. Ziel ist es, dass man HTML-Seiten direkt vom Internet auf das Handydisplay laden kann und dort den Text entsprechend den zur Verfügung stehenden Funktionen weiterverarbeiten kann (scrollen, einem Link folgen usw.). Mit einem WAP-fähigen Handy ist es also möglich, dass man jederzeit nicht nur die aktuellsten News oder Wetternachrichten anfordern kann, sondern auch gezielte Recherche nach selbst eingegebenen Daten durchführen kann: Zug- und Telefonauskunft, Börsenkurse, Lokal- und Hotelführer, Online- Aktionen wie Buchbestellung oder Bankgeschäfte sind nur einige der bereits möglichen Anwendungen. Vor allem das Empfangen bzw. Senden von s und das Verwalten von Adressen und Terminen über den Zugriff auf das Internet ist eine interessante Anwendungsmöglichkeit der WAP-Dienste. Da das GSM-Handy allerdings sehr beschränkte Möglichkeiten hat, Internetfunktionen zu implementieren, musste eine neue Sprache entwickelt werden, mit der die WAP-Seiten beschrieben werden können. Diese Sprache wird als WML Wireless Markup Language bezeichnet, die der ursprünglichen Sprache für herkömmliche Internetseiten, HTML Hyper Text Markup Language, ziemlich ähnlich ist, aber die bescheidenen Darstellungsmöglichkeiten des "Microbrowsers" eines WAP-Handys und die bescheidene Datenrate von GSM-Netzen berücksichtigt. 28

29 Die mit WML geschaffenen Informationsseiten befinden sich im Internet auf gewöhnlichen Webservern (Anbieter von Internetseiten). Der in den WAP- Handys eingebaute WAP-Browser bekommt per Funk die mit WML geschrieben Seiten, versteht die darin verwendete Sprache und übernimmt die Darstellung der WML-Seiten auf dem bescheidenen Handydisplay. Ein Browser ist ein Programm mit einer Benutzeroberfläche, das hilft, sich in einem Datensystem oder -netz zu bewegen und zurechtzufinden. Ein WAPfähiges Handy ist also prinzipiell ein normales GSM-Telefon, das aber zusätzlich ein eingebautes Modem (Umwandler von Funkdaten in EDV-Daten und umgekehrt) und einen WAP-Browser besitzt. Abb. 18 WAP Browser Zusammenfassung Nach vielen Anfangsschwierigkeiten hat sich das Telefonieren mit dem Handy zu einer qualitativ hochwertigen Art der Kommunikation entwickelt. Durch viele vorhandene und noch folgende Dienste ist das Handy nicht nur ein kabelloses Telefon. Mit der Einführung von UMTS werden diese Dienste noch wesentlich vielfältiger. "Was lange währt, wird endlich gut." Dieses Sprichwort gilt - hoffentlich - für UMTS. Mehr freie Kanäle zum Telefonieren, höhere Datenrate für den Versand von Bildern oder gar Videos, mehr Spaß beim WAPpen. Und wenn man die alten C-Netz-Frequenzen für UMTS recyceln würde, wäre wahrscheinlich sogar eine gute Versorgung in der Fläche möglich. Doch die Probleme bei der Einführung einer so komplexen Technik wie UMTS sind alles andere als trivial. Insbesondere an den Schnittstellen zum "alten" GSM-Netz entstehen diverse Reibereien und Probleme. UMTS- Endgeräte sind zudem noch deutlicher klobiger und energiehungriger als ihre GSM-Pendants. Nachdem die Netzbetreiber den UMTS-Pionieren Gesprächsabbrüche und ständig leere Akkus ersparen wollten, haben sie die Kunden bisher zum Warten vertröstet. 29