Der wesentliche Unterschied eines Mobilfunknetzes zum Festnetz besteht darin, daß seine Endgeräte mobil sind.

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1 Einführung Der wesentliche Unterschied eines Mobilfunknetzes zum Festnetz besteht darin, daß seine Endgeräte mobil sind. Vorausgesetzt, daß am jeweiligen Aufenthaltsort eine Funkabdeckung seines Netzbetreibers gegeben ist, kann ein Mobilfunk-Teilnehmer überall im Netz sowohl abgehende Verbindungen aufbauen, als auch kommend erreicht werden. Da zwischen allen heutigen Mobilfunk-Netzbetreibern sogenannte Roaming- Abkommen abgeschlossen sind, können Mobilfunk-Teilnehmer auch in ausländischen Netzen erreicht werden und ihrerseits Verbindungen aufbauen - allerdings zu höheren Gebühren als bei ihrem Heimat-Netzbetreiber. Selbstverständlich können Verbindungen nicht nur zwischen Mobilfunk-Tln aufgebaut werden, sondern auch zwischen den Festnetz- und Mobilfunknetz-Teilnehmern. Zunächst wird ein Überblick zu den in Deutschland früher (A-, B- und C-Netz) und heute eingesetzten Mobilfunksystemen (die D- und E-Netze) gegeben. Ferner werden das Prinzip der zellularen Mobilfunknetze, die Architektur heutiger GSM-Netze, das Frequenzband und Zeitmultiplexverfahren, die Funktionsabläufe von Roaming und Handover erläutert, sowie ein Ausblick auf die künftige Mobilkommunikation der 3. Generation gegeben.

2 Das A-Netz arbeitete im Frequenzbereich zwischen 156 und 174 MHz hatte einen Kanalabstand von 50 khz (Frequenzmodulation) war noch handvermittelt wurde ab 1960 aufgebaut versorgte seit 1970 etwa 85% der Fläche der ABL mit mehr als 300 Kanälen für ca Teilnehmer wurde 1977 abgeschaltet, seine Frequenzen dem B-Netz zugeführt Die röhrenbestückten Endgeräte des A-Netzes waren schwer und voluminös. Sie konnten nur in PKW transportiert werden, belegten dort den halben Kofferraum und kosteten mit ca ,- DM dreimal so viel wie ein VW-Käfer.

3 Das B-Netz trug der steigenden Mobilfunk-Nachfrage Rechnung arbeitete im Frequenzbereich zwischen 146 und 156 MHz (seit der A-Netz-Abschaltung 1977 zusätzlich MHz) hatte frequenzmodulierte Kanäle im Abstand von 20 khz hatte Funkvermittlungsstellen und Funkfeststationen wurde ab 1972 aufgebaut hatte max. 850 Kanäle in 158 Funkfeststationen in den ABL hatte max Teilnehmer wurde 1994 abgeschaltet

4 Das C-Netz war das erste zellulare Mobilfunknetz arbeitete im Frequenzbereich ,74 und ,74 MHz arbeitete mit Phasenmodulation, max. Hub 4 khz bot erstmals Roaming und Handover an hat die Teilnehmerberechtigungskarte 1 eingeführt, d.h. erstmals wurde eine Trennung von Teilnehmer und Endgerät möglich wendete zum Schutz gegen Mithören die Sprachverschleierung an signalisierte über zentrale Zeichengabekanäle (ZZK) nach dem von ITU-T standardisierten Zeichengabesystem Nr. 7 hatte max Teilnehmer (in 1993, Kapazitätsgrenze erreicht!) wurde 1986 in Betrieb genommen und Ende 2001 außer Betrieb gesetzt 1 Subscriber Identity Module (SIM), eine Chip-Karte, die alle teilnehmerspezifischen Informationen enthält (Teilnehmerkennung, gespeicherte Rufnummern, usw.) und auf andere Endgeräte portiert werden kann

5 Frequenzmangel - Problem und Lösung Ein großes Problem in allen früheren Mobilfunknetzen - egal in welchem Land und bei welchem Netzbetreiber - bestand im Mangel von Mobilfunk-Frequenzen, denn er begrenzte die Zahl der gleichzeitigen Mobilfunk-Verbindungen sehr stark und verhinderte damit - abgesehen von den teueren und schweren Endgeräten - ein rasches Wachstum von Teilnehmern. Die Lösung fand Martin Cooper (Motorola) 1973 mit seinem Patent Radio Telephone System : Statt weniger, starker Sender wird das Mobilfunk-Netz mit vielen Zellen von begrenzter Fläche mit schwachen Sendern versorgt. Benachbarte Funkzellen senden auf anderer Frequenz. Dies erfordert eine Frequenz- Planung (siehe Bild). In ausreichend großem Abstand können wieder Funkzellen mit gleicher Frequenz betrieben werden. Dies erhöht die Kapazität des Gesamtnetzes bei gleicher Anzahl von Funkfrequenzen erheblich! Wegen dieses Patents heißen die Handys im US-Sprachraum bis heute cellular phones, kurz cell phones.

6 Die Funkzellen eines zellularen Mobilfunknetzes

7 Elemente eines zellularen Mobilfunknetzes Das Mobilfunknetz ist in der Regel flächendeckend zellular aufgebaut, wobei sich in jeder Zelle eine Basisfunkstation (auch Basisstation genannt, engl. Base Transceiver Station BTS) befindet. Die BTS decken einen Funkradius ab (im D-Netz etwa 30 km, in Ballungsgebieten weniger). An den Außenrändern überlappen sich die Funkzellen. Die BTS sind sternförmig an ihre BSC angeschlossen. Die Basisfunkstationen-Steuerung (engl. Base Station Control BSC) sind sternförmig an ihre Mobil-VSt angeschlossen. Die BSC übernimmt die Kommunikations-Steuerung, d.h. sie weist den Endgeräten die Kanäle zu, verbessert die Übertragung durch fortlaufende Sendefrequenz-Sprünge, veranlaßt - auf Anforderung des Endgerätes - ein Handover. Die Mobil-Vermittlungsstellen (engl. Mobile Services Switching Centre ) sind untereinander vermascht. Ihre Technik basiert auf DIV, in den deutschen D-Netzen sind es EWSD-VSt n mit einer anderen Software (Mobilfunkteil des ZGS Nr. 7) als die im Festnetz, mit denen die Mobilfunknetze verbunden sind.

8 Roaming und Handover Der Begriff Roaming (Umherstreifen, Umherwandern) bezeichnet die Intelligenz von Mobilfunknetzen, Mobilfunk-Teilnehmer unabhängig von ihrem gegenwärtigen Aufenthaltsort im eigenen Netz kommend zu erreichen. Vorausgesetzt, daß ihr Heimat-Netzbetreiber ein Roaming-Abkommen mit dem betreffenden Netzbetreiber abgeschlossen hat, sind Mobilfunk-Teilnehmer sogar dann erreichbar, wenn sie sich in einem ausländischen Mobilfunknetz aufhalten! Der Begriff Handover (Übergabe) bezeichnet die Fähigkeit von Mobilfunknetzen, ein bestehende Verbindung unterbrechungsfrei zu übergeben, wenn der mobile Teilnehmer während der Verbindung eine Funkzelle verläßt und in eine andere (mit höherer Feldstärke) fährt. Dazu muß das Endgerät ständig die Feldstärken der empfangenen BTS messen und bewerten. Das Endgerät kann einen Handover -Wunsch bei der BSC/Mobil-VSt anzeigen. Damit dies unterbrechungsfrei erfolgen kann, muß vor der Umschaltung eine Verbindung in die neue Funkzelle aufgebaut werden. Zu diesem Zweck müssen sich benachbarte Funkzellen an ihren Rändern überlappen!

9 Die D-Netze nahmen 1992 ihren Betrieb auf sind ebenfalls zellulare Mobilfunknetze arbeiten nach dem GSM-Standard arbeitet im Frequenzbereich 900 MHz ( D900-Netze ) bieten alle Leistungsmerkmale des C-Netzes und viele weitere! haben eine digitale Luftschnittstelle, d.h. sie bieten eine bessere Sprachqualität und neue Daten-Dienste, z.b. SMS Die Netzbetreiber sind: D1-Netz: T-Mobile, eine Tochter der DTAG D2-Netz: Vodafone (früher Mannesmann Mobilfunk)

10 Die E-Netze sind ebenfalls zellulare Mobilfunknetze arbeiten ebenfalls nach dem GSM-Standard arbeitet jedoch im Frequenzbereich 1800 MHz ( GSM 1800 ) haben eine noch bessere Sprachqualität als die D-Netze Die Netzbetreiber sind: E1-Netz: e.plus, (an E-Plus sind die niederländische KPN und Bell South/USA beteiligt), der Netzstart erfolgte 1994 E2-Netz: VIAG Interkom, deutsche Tochter der mmo 2 plc, der Netzstart erfolgte 1995

11 GSM und SMS Im Rahmen der europäischen Normung bei CEPT und ETSI hat man sich auf ein neues paneuropäisches Mobilfunknetz geeinigt. Es arbeitet nach dem GSM-Standard. GSM = Global System for Mobile Communications (ursprünglich Groupe Spécial Mobile) bezeichnet die Norm für digitale, zellulare Mobilfunknetze, die nach dem D900 (900 MHz) bzw. GSM 1800 (1800 MHz) arbeiten. In Deutschland sind das die D-Netze (D900) und E-Netze (GSM 1800). Obwohl GSM als paneuropäisches Mobilfunknetz konzipiert war, hat es sich auch in Asien, Australien und sogar Nordamerika durchgesetzt! SMS = Short Message Service erlaubt die Übertragung von kurzen Textnachrichten (maximal 160 Zeichen) zwischen den D-Netz- und E-Netz- Handys, aber auch von und zum Internet . Damit wird deutlich, daß GSM-Netze nicht nur Telefon-Dienste anbieten.

12 Frequenzband im D1/D2-Mobilfunknetz Die BTS arbeiten im 900-MHz-Bereich mit einer Bandbreite von 25 MHz in jede Übertragungsrichtung (uplink: 890 MHz bis 915 MHz, downlink: 935 MHz bis 960 MHz). Innerhalb dieser 25-MHz-Bandbreite stehen 124 Trägerfrequenzen in einem Raster von 200 khz zur Verfügung. Je Trägerfrequenz werden 8 Kanäle in einem Zeitmultiplexverfahren (TDMA) bereitgestellt. Jede Zelle hat eine oder mehrere der 128 Trägerfrequenzen (Frequenzplanung). Ein Fernsprechkanal hat eine Übermittlungsrate von 13 kbit/s, Datendienste können durch Zusammenlegung mehrerer Kanäle höhere Übermittlungsraten haben.

13 Die Dateien HLR, VLR, EIR und AC der Mobilvermittlungsstellen Jeder Mobil-Teilnehmer ist in seiner Heimat-Mobil-VSt in einer Heimatdatei (engl. Home Location Register HLR) gespeichert. Diese enthält je Teilnehmer Informationen über Zugriffsberechtigungen, Dienste und Dienstmerkmale. Meldet sich das Endgerät eines Mobil-Teilnehmers in einem fremden Bereich, so wird er dort in eine Besucherdatei (engl. Visitor Location Register VLR) aufgenommen. Sie ist ein Abbild seiner Heimatdatei, das quasi dem Mobil- Teilnehmer in einen anderen Aufenthaltsbereich folgt. Zeitgleich mit dem Eintrag in die VLR wird für diesen Mobil-Teilnehmer in seiner Heimatdatei ein Eintrag über seinen neuen Standort veranlaßt. Auf diese Weise kann er jederzeit erreicht werden ( Roaming ). Bevor eine Verbindung für einen Mobil-Teilnehmer aufgebaut wird, erfolgt mit Hilfe der Geräte-Identifizierungs-Datei (engl. Equipment Identity Register EIR) und der Beglaubigungszentrale (engl. Authentication Centre AC) die Überprüfung von Gerät und SIM-Karte. So können z.b. gestohlene Endgeräte sowie Teilnehmer, die ihre Rechnungen nicht bezahlt haben, ausgeschlossen werden. Des weiteren werden dadurch Zugriffsversuche auf nicht zugelassene Dienste verhindert.

14 Funktionsablauf des Roaming in Mobilfunknetzen

15 Schritte des Roaming - Funktionsablaufs in Mobilfunknetzen

16 Funktionsablauf des Handover in Mobilfunknetzen

17 Schritte des Handover - Funktionsablaufs in Mobilfunknetzen

18 Ausblick Trotz der GSM-Erfolgsstory entwickeln sich die Mobilfunknetze weltweit weiter! Die treibenden Kräfte hierfür sind: die Wünsche der Teilnehmer nach noch mehr Diensten, z.b. die mobile Internet-Nutzung die stetig wachsenden technischen Möglichkeiten, z.b. ein Handy mit Farbdisplay für individuelle Bild- und Video- Übertragungen die Aussicht der Netzbetreiber und Dienste-Anbieter, mit neuen, mobilen Diensten noch mehr Geschäfte zu machen

19 Ziele und Schritte zur Mobilkommunikation der 3. Generation (1/ 2) Die Ziele der Mobilkommunikation der 3. Generation sind die Verschmelzung von Mobilfunk und Internet mobile Multimedia-Anwendungen Der 1. Schritt auf diesem Weg heißt GPRS : GPRS = General Packet Radio Service steigert den Datendurchsatz im GSM-Netz durch ein Overlay-Verfahren, bei dem die Daten in Pakte aufgeteilt und über alle 8 Zeitschlitze einer GSM-Leitung übertragen werden. Damit erreicht man Datenübertragungsraten bis max. 53 kbit/s (statt bisher 9,6 kbit/s).

20 Ziele und Schritte zur Mobilkommunikation der 3. Generation (2/ 2) Die Ziele der Mobilkommunikation der 3. Generation sind die Verschmelzung von Mobilfunk und Internet mobile Multimedia-Anwendungen Diese Ziele werden mit UMTS vollendet: UMTS = Univeral Mobile Telecommunications System ist der neue, weltweite Standard für die Mobilkommunikation der 3. Generation, der den Kunden mobile Multimedia-Anwendungen ermöglichen wird. In UMTS-Netzen lassen sich Sprache, Texte, Daten, Musik und Video übertragen. Die Übertragungsrate beträgt 384 kbit/s, unter bestimmten Voraussetzungen sogar 2 Mbit/s! Prototyp eines UMTS- Endgerätes