Hauptseminar Informations- und Kommunikationstechnik

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1 Hauptseminar Informations- und Kommunikationstechnik Thema: Digitaler Bündelfunk Vergleich der existierenden Standards Patrick Kümmerling, TU Ilmenau Matrikelnummer: Studiengang Elektrotechnik Fachrichtung Informations- und Kommunikationstechnik Betreuer: Prof. Jochen Seitz, TU Ilmenau Fachgebiet: Kommunikationsnetze 14. Jul. 2009

2 Digitaler Bündelfunk Seite 2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Kommunikationsmittel Funk Konventioneller Betriebsfunk Bündelfunk Digitale Funkübertragung Grundlagen und Anforderungen Standardisierte Systeme ZVEI RegioNet DMR TETRA APCO GSM-R Firmenspezifische Systeme EDACS iden SR Tetrapol Mobitex MODACOM Vergleich der Systeme Bündelfunksysteme in Deutschland Regulierung und Vergabe Privat & Gewerblich BOS Ausblick Quellenverzeichnis...23

3 Digitaler Bündelfunk Seite 3 1 Einführung Immer größere Anforderungen an ein Funksystem, wie Verschlüsselung der Information, Datenübertragung, Anbindung an andere Netze, variable Gruppenbildung und Fernsteuerung anderer Geräte auf der gleichen Plattform zu realisieren, können mit analoger Funktechnik nicht erfüllt werden. Auch die Idee, eine systemgesteuerte Verkehrskanalvergabe nach Bedarf der Teilnehmer zu entwickeln, setzt voraus, dass die Mobilstationen und die Basisstation in einem Funknetz dafür organisiert werden. Solche Aufgaben können aber nur rechnergestützt gelöst werden. Die Kommunikation zwischen System und Endgeräten zu digitalisieren war nicht das Problem, die Digitalisierung der Sprache allerdings schon. Bis zu Beginn der 1990-er Jahre fehlte die Technologie, genügend schmalbandige Verfahren dafür zu entwickeln. MPT 1327 (MPT Ministry of Post and Telecommunications englisches Post- und Fernmeldeministerium) im Bündelfunk und das C-Netz im Mobilfunk sind aber Beispiele dafür, dass Kombination aus analoger (Sprache) und digitaler (Organisation und Signalisierung) Übertragung marktfähig waren. Professionelle Anwender von Funk, wie Unternehmen, Organisationen, Behörden, etc., benötigen dieses Kommunikationsmittel als tägliches Handwerkzeug. Es kommt dabei auf ein robustes System mit robusten Endgeräten, die Abhandlung kurzer und knapper Gespräche und vor allem einen schnellen Verbindungsaufbau an. Die analogen Professional Mobile Radio (PMR) Systeme, in Deutschland als Betriebsfunk bezeichnet, konnten das auch bieten. Doch für die wachsende Teilnehmerzahl wurden die Frequenzen immer knapper. Vor allem die Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) verlangten zunehmend nach mehr Sicherheit ihrer Netze, die bis heute je Organisation und Region Inselnetze sind. Fehlende Zugangskontrolle und Sprachverschlüsselung machen die Durchsetzung von Datenschutzrichtlinien im Einsatzfall unmöglich. Die technologischen und infrastrukurellen Entwicklungen im öffentlichen Mobilfunk und dessen breites Dienstangebot, wie bspw. im Global System for Mobile Communication (GSM), forderten die Anbieter von PMR Systemen hier rasch nachzuziehen, um Marktanteile halten zu können. Sinkende Preise in der GSM-Telefonie und adäquate Datenübertragungsraten durch General Packet

4 Digitaler Bündelfunk Seite 4 Radio Service (GPRS), Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) oder im Universal Mobile Telecommunication System (UMTS), brachten viele PMR Anwender zum Abwandern ins öffentliche Mobilfunknetz. Selbst in der Polizeiarbeit ist die Nutzung von GSM-Telefonie allgegenwärtig, weil sie zum einen abhörsicherer als analoger Funk ist, zum anderen die Möglichkeit bietet schnell und direkt ins öffentliche Telefonnetz (Public Switched Telephone Network PSTN) zu gelangen. 2 Kommunikationsmittel Funk 2.1 Konventioneller Betriebsfunk Seit den 1970-er Jahren entwickelte sich zunehmend ein Bedarf an mobiler Kommunikation für private Unternehmen und öffentliche Organisationen. Mit fortschreitender Technologie in der Mikroelektronik wurden die Geräte immer kompakter, leistungsfähiger und auch kostengünstiger. Somit wuchs auch die Nachfrage nach Geräten und Funknetzen. Zu den bekanntesten Anwendern des nichtöffentlichen mobilen Landfunkes (nöml), oder auch Professional Mobile Radio (PMR), gehören Taxiunternehmen, öffentliche Verkehrsbetriebe, Pannenhilfsdienste, Speditionen, Energieversorgungsunternehmen, u.a. Zunächst handelte es sich um reine Sprachübertragung. Eine konkrete Datenübertragung war nicht möglich, es gab lediglich die Möglichkeit zum Versand kurzer, definierter Datentelegramme, z.b. Funkmeldesystem (FMS). Bis Mitte der 1990-er Jahre stieg die Zahl der mobilen und ortsfesten Geräte auf mehr als an. Es existierten ca private Netze, für die allerdings bundesweit nur 550 Frequenzen zur Verfügung standen. [4] Daraus ergaben sich erhebliche Probleme, bspw. in der Verkehrslast. Viele Teilnehmer, auch unterschiedlicher Gruppen, Firmen oder Organisationen, teilten sich einen Kanal. Jeder Teilnehmer mit einem Gesprächswunsch musste warten, bis ein gerade aktives Gespräch beendet war. Eine Kontrolle der Gesprächsdauer, bzw. eine Unterbrechung durch das System war nicht möglich. Weiterhin bestand, und besteht bis heute, keine Möglichkeit der sicheren Sprachverschlüsselung bei konventionellen, analogen PMR-Systemen. Es hört jeder Teilnehmer desselben Funkkanals die übertragenen Informationen im Klartext mit. Um nicht ständig durch irrelevante Funkgespräche gestört zu werden, wurde für den traditionellen Betriebsfunk der Selektivruf eingeführt.

5 Digitaler Bündelfunk Seite 5 Hierbei wird der Funkkanal für den Teilnehmer solange stummgeschalten, bis eine spezielle, programmierte Ruftonfolge das Empfangsgerät reaktiviert und den Teilnehmer durch einen Alarm auf den eingegangenen Gesprächswunsch hinweist. Auch für Dritte besteht die Möglichkeit mit simplen Empfangsgeräten, umgangssprachlich Scanner genannt, an die, auf dem Funkkanal übertragenen, Informationen zu gelangen. Besonders relevant ist dieses Problem für Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS), wie bspw. Polizei, Feuerwehr, Katastrophenschutz und Zoll, da hier der für die Einsatzzwecke erforderliche Datenschutz nicht realisiert werden kann. 2.2 Bündelfunk Aus der großen Nachfrage nach Betriebsfunksystemen und der Tatsache, dass nur eine begrenzte Anzahl von Funkkanälen zur Verfügung steht, mussten Systeme entwickelt werden, welche die vorhandenen Ressourcen besser ausschöpfen. Im konventionellen Betriebsfunk wurden die Kanäle den Teilnehmern fest zugeordnet. Dadurch konnte es vorkommen, dass ein Kanal völlig überlastet war, während andere in dieser Zeit ungenutzt blieben. Die Kanalvergabe an die Teilnehmer flexibel und nach Bedarf zu gestalten, ist die Idee des Bündelfunks. Bei einem Bündelfunknetz werden den Teilnehmern Kanalbündel zugeteilt, wobei die konkrete Zuweisung eines Kanals erst bei Gesprächsaufbau erfolgt. Eine noch bessere Ausnutzung der begrenzt vorhandenen Ressourcen erhält man durch die zellulare Struktur. In bestimmten Abständen können die Funkfrequenzen erneut verwendet werden. Mittels Standleitungen oder Richtfunkstrecken sind diese Zellen zusammengeschalten und erlauben dadurch eine theoretisch beliebig erweiterbare flächendeckende Nutzbarkeit eines Funknetzes. Wenn im herkömmlichen Betriebsfunk, vor allem in kleinen Netzen, der Anwender meist auch der Betreiber des Funknetzes war, so ist dies im Bündelfunk nicht mehr der Fall. Es gibt einen Betreiber, der die Infrastruktur errichtet und unterhält. Dem Anwender wird lediglich die Dienstleistung Mobilkommunikation zur Verfügung gestellt

6 Digitaler Bündelfunk Seite 6 Weitere Vorteile von Bündelfunksystemen sind [1]: geringer Installationsaufwand verglichen mit getrennten Funkzentralen Funkversorgungsgebiete entsprechend den wirtschaftlichen Aktionsräumen höhere Reichweite kein unerwünschtes Mithören durch andere Erhöhung der Verfügbarkeit durch bedarfsgerechte Kanalzuteilung optionaler Zugang zu Telefon- und Datennetzen erweitertes Diensteangebot durch Selektivruf, variabler Gruppenruf und Prioritätsgespräche Verbesserung der Verkehrsgüte bei Sprach- und Datenübertragung Gesprächszeitbegrenzung und geordneter Warteschlangenbetrieb Der Netzaufbau von Bündelfunksystemen ähnelt dem der öffentlichen Mobilfunksysteme, wie bspw. GSM und ist im folgenden Bild ganz allgemein dargestellt. Abb. 2.1: Netzelemente im Bündelfunk; Quelle: [4] Der Master System Controller (MSC) übernimmt die Aufgabe der Netzsteuerung, sowie die Anbindung und Vermittlung zum öffentlichen Telefonnetz (PSTN), zu Telefonanlagen (PABX Private Automatic Branch Exchange) und zu

7 Digitaler Bündelfunk Seite 7 Datennetzen (PDN Public Data Network). Die Trunked Site Controller (TSC) steuern die Funkzellen und sind verantwortlich für die Verwaltung und Vergabe der Verkehrskanäle. Das Operating and Maintenance Center (OMC) dient zur Überwachung des Systems. In den Bündelfunksystemen wird, im Gegensatz zu öffentlichen Mobilfunksystemen, auf ein Handover, d.h. Weitergabe unter Beibehaltung der Verbindung von einer Zelle in eine andere, verzichtet. Grund hierfür ist die Gesprächszeitbegrenzung als Merkmal von Bündelfunksystemen. Das bedeutet, dass Dauergespräche nach wenigen Minuten vom Netz unterbrochen werden, um die Verkehrskanäle wieder anderen Teilnehmern zur Verfügung zu stellen. Allerdings unterstützen Bündelfunksysteme Roaming; beim Verlassen einer Funkzelle bucht sich die Mobilstation in die nächste verfügbare Zelle ein. Für die Vergabe der Verkehrskanäle an die Mobilfunkteilnehmer und zur Signalisierung ist in jeder Zelle ein Organisationskanal erforderlich. Hierüber können auch, je nach Bündelfunktechnologie, Datenpakete unterschiedlicher Größe übertragen werden. Die Bundesnetzagentur hat für den Betrieb von öffentlichen und privaten Bündelfunknetzen, sowie für die Digitalfunknetze der BOS verschiedene Frequenzbereiche zwischen 380 MHz und 470 MHz mit einer Kanalbreite von 12,5 khz, bzw. 25 khz festgelegt. [9] 3 Digitale Funkübertragung 3.1 Grundlagen und Anforderungen Die Wellenausbreitung ist zwar bei analoger und digitaler Funkübertragung gleich und unterliegt den gleichen Gesetzmäßigkeiten, aber es ergeben sich einige, von der Modulation abhängige Unterschiede. Bei analogen Modulationsverfahren, wie Amplitudenmodulation (AM), Frequenzmodulation (FM) und Phasenmodulation (PM), gibt es beliebig viele unterscheidbare Stufen. Störungen, die das Signal überlagern, bspw. Rauschen oder zunehmender Rauscheinfluss durch Abnahme der Signalstärke in größeren Entfernungen, können am Empfänger nur schwer oder gar nicht herausgefiltert werden.

8 Digitaler Bündelfunk Seite 8 Im Gegensatz dazu existiert bei digitalen Modulationsverfahren, wie Amplitude Shift Keying (ASK), Frequency Shift Keying (FSK) und Phase Shift Keying (PSK), nur eine endliche Zahl von Stufen (2 n ), meist 2 oder 4. Am Empfänger wird dann, einem Entscheidungsalgorithmus entsprechend, das ankommende Signal einer solchen Stufe zugeordnet. Ein bei der Übertragung überlagertes Rauschen wirkt sich somit nur negativ auf den Entscheidungsprozess aus. Ist die richtige Stufe detektiert, wird bspw. ein Sprachsignal nach der Digital-Analog- Wandlung rauschfrei wiedergegeben. In der folgenden Abbildung soll der Qualitätsgewinn der Sprachübertragung verdeutlicht werden. Während die Sprachqualität analoger Übertragung mit zunehmender Reichweite nahezu linear fällt, liegt die der digitalen Übertragung deutlich darüber. Erst bei Erreichen der Versorgungsgrenze sinkt die Qualität der Sprachübertragung sehr stark. Abb:: 3.1: Subjektiv bewertete Sprachqualität in Abhängigkeit der Reichweite; Quelle: [10] Weiterhin besteht bei digitalen Übertragungsverfahren die Möglichkeit, mithilfe von fehlerkorrigierenden Codes die Sicherheit gegenüber Übertragungsfehlern zu erhöhen. Die Nettobitrate wird dadurch allerdings verringert. Ein Nachteil der digitalen Modulationsverfahren ist, dass die in digitaler Form vorliegenden Impulse nicht direkt moduliert werden können. Diese Art der harten Tastung würde im Frequenzbereich viel zu große Bandbreiten erzeugen. Um eine entsprechende weiche Tastung zu erzeugen, müssen die Informationsimpulse vor der Modulation gefiltert, bzw. speziell geformt werden. Üblicherweise wird hierfür eine cos²-funktion verwendet. Für eine technisch günstige Realisierung wäre eine konstante Hüllkurve des zu übertragenen Signals von Vorteil. In diesem Fall können kostengünstige Verstärker eingesetzt

9 Digitaler Bündelfunk Seite 9 werden, die keine Linearität über einen großen Aussteuerungsbereich erfordern. Allerdings trifft dies nur auf FSK-, Gaußian Minimum Shift Keying (GMSK)- und wenige PSK- Modulationsarten zu. Vielfach Verwendung findet die Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)-Modulation mit Variationen in DQPSK (Differential QPSK), π/4-qpsk oder π/4-dqpsk. Weniger Verbreitung findet in diesen Funksystemen die Quadrature Amplitude Modulation (QAM). Zwar können hierbei große Übertragungsraten erreicht werden, was aber einen sehr störungsarmen Übertragungskanal voraussetzt, den eine Freiraumübertragung mit veränderlichen Reichweiten (Funkkanal) nicht bieten kann. Ein weiterer technischer Aspekt ist, die Art des Zugriffs der Mobilstationen auf einen Funkkanal. Die hier benannten Funksysteme verwenden die Zugriffsverfahren Frequency Division Multiple Access (FDMA) und Time Division Multiple Access (TDMA). In einzelnen Fällen ist auch eine Mischung beider möglich, wie es auch im GSM-Mobilfunk genutzt wird. Bei FDMA wird ein Frequenzbereich in viele einzelne Kanäle mit einer bestimmten Kanalbreite (Raster) aufgeteilt. Für die Dauer eines Gespräches wird einem Teilnehmer ein solcher Kanal zugewiesen. Dies erfordert allerdings, dass jedes Endgerät in der Lage ist, auf jedem Kanal zu senden und zu empfangen, also über die gesamte Bandbreite des Frequenzbereiches. Hingegen wird bei TDMA nur auf einem Frequenzkanal gesendet und empfangen (bei Duplex- Systemen jeweils ein Sende- und ein Empfangskanal). Die Teilnehmer bekommen in diesem Fall Zeitschlitze für ihre Übertragung zugewiesen, können aber in dieser Zeit die volle Kanalbandbreite nutzen. Wesentlich für eine digitale Funkübertragung ist die Digitalisierung der zu übertragenden Sprachinformation. In der Telefonie verwendet man dafür Pulse Code Modulation (PCM) mit guter Sprachqualität durch nichtlineare Quantisierungsstufen (A- oder µ-kennlinie). Für eine Funkübertragung würde daraus aber eine viel zu hohe Bandbreite resultieren. Hier werden prädiktive Verfahren angewendet, die man auch als Vocoder-Verfahren bezeichnet. Beispiele hierfür sind Algebraic Code Excited Linear Prediction (ALCELP), Adaptive Multi-Band Excitation (AME), Improved Multi-Band Excitation (IMBE), Vector Sum Excited Linear Prediction (VSELP), Regular Pulse Code Excited Linear Prediction (RPCELP) und Advanced Multi-Band Excitation (AMBE).

10 Digitaler Bündelfunk Seite Standardisierte Systeme ZVEI RegioNet 43 Dieser in Deutschland 1989 durch den Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.v. (ZVEI) veröffentlichte Standard ist angelehnt an den vom englischen Post- und Fernmeldeministerium verabschiedeten Bündelfunkstandard MPT Als erster in Deutschland umgesetzter Standard soll er hier mit erwähnt werden, obwohl es sich nicht um einen digitalen Funkstandard im eigentlichen Sinne handelt. Bei diesem, als Hybridsystem bezeichneten Funknetz erfolgt lediglich auf dem Organisationskanal eine digitale Übertragung. Als Modulationsverfahren auf dem Organisationskanal wird hierbei Serially Concatenated Minimum Shift Keying (SC-MSK) mit dem Zugriffsverfahren FDMA verwendet. Die Übertragung auf den Verkehrskanälen erfolgt analog, mit PM. Dieser Standard war in Deutschland lange Zeit unter dem Namen Chekker auf dem Markt vertreten DMR Digital Mobile Radio (DMR) ist eigentlich der englische Oberbegriff für digitale Funksysteme, bezeichnet aber eben auch den 2006 durch das European Telecommunication Standards Institute (ETSI) verabschiedeten Digitalfunkstandard (ETSI TS ). Der somit jüngste offizielle Standard ist gedacht zur Migration bisheriger analoger PMR-Systeme in digitale. Aus diesem Grund wurde die Standardisierung für die bisherigen Betriebsfunkbänder vorgesehen, um den Betreibern die Beibehaltung von Frequenzlizenzen zu ermöglichen. Außerdem besteht weiterhin ein europaweit lizenzfreier Bereich zwischen 446,1 MHz und 446,2 MHz in Anlehnung an das analoge PMR446. Neben dem lizenzfreien Standard gibt es noch 2 weitere Unterscheidungsstufen: eine für die Direktverbindung (peer to peer) und eine für Bündelfunkanwendungen (trunking mode). In der lizenzfreien Anwendung (ETSI tier 1) wird FDMA verwendet. Es stehen 16 Kanäle mit jeweils 6,25 khz Bandbreite zur Verfügung. Im Gegensatz dazu kommt in den beiden anderen Stufen (tier 2 & 3) TDMA mit 2 Kanälen je Träger, dessen Bandbreite 12,5 khz beträgt, zur Anwendung. Daraus ergibt sich die Möglichkeit mit nur einer Trägerfrequenz im Duplexbetrieb zu arbeiten, was man allgemein als Time

11 Digitaler Bündelfunk Seite 11 Division Duplex (TDD) bezeichnet. DMR verwendet 4FSK als Modulationsverfahren. Weiterhin ist durch die Implementierung des Packet Data Protokoll (PDP) eine Datenübertragung möglich, die einerseits durch Short Data Service (SDS), ähnlich dem Short Message Service (SMS) bei GSM, erfolgen kann. Andererseits steht auch das Internet Protocol (IP) zur Verfügung. Die maximale Bruttoübertragungsrate beträgt 9,6 kbit/s. [10] [12] TETRA Die erste Veröffentlichung des ursprünglich als Trans European Trunked Radio bezeichneten Standards durch die ETSI erfolgte im Februar Mittlerweile wird dieser europäische Standard (EN ) TErrestical Trunked Radio genannt. Grundsätzlich kann man TETRA in drei Anwendungsgruppen unterteilen: Sprache und Daten (Voice + Data V+D), nur Datenübertragung (Packet Data Optimized PDO) und Direktmodus (Direct Mode Operation DMO). Im DMO wird keine Infrastruktur benötigt, die Mobilteile agieren direkt miteinander. Der normale Arbeitsmodus im Netz wird Trunking Mode Operation (TMO) genannt. Es handelt sich hierbei um ein TDMA System, bei dem 4 Zeitschlitze auf jeweils einem 25 khz breiten Kanal genutzt werden (V+D). Für PDO erfolgt statistisches Multiplexing von Paketen. Mit π/4-dqpsk Modulation erreicht man eine Übertragungsrate von 36 kbit/s (brutto) je 25 khz Kanal, bei Bündelung aller Zeitschlitze. Jedes Endgerät besitzt ein TETRA Equipment Identity (TEI), die vom Hersteller eingeprägt wird. Darüber können vom System bspw. gestohlene Geräte gesperrt werden. Die Mobilstationen besitzen mehrer Adressen für verschiedene Zwecke. Die TETRA Subscriber Identity (TSI) enthält den Mobile Country Code (MCC) für die jeweilige Länderkennung, den Mobile Network Code (MNC) zur Unterscheidung einzelner Netze und die Short Subscriber Identity (SSI) zur Identifizierung des Teilnehmers. Weiterhin wird eine TETRA Management Identity (TMI) für Managementfunktionen der Vermittlungsschicht verwendet. Die Network Layer SAP Address (NSAP) ermöglicht Adressierungen mit externen Netzen, wie PSTN.

12 Digitaler Bündelfunk Seite 12 Die Zeitschlitze repräsentieren die physikalischen Kanäle und sind nach folgender Struktur in Rahmen zusammengefasst. Abb. 3.2: TDMA Rahmenstruktur bei TETRA V+D; Quelle: [1] Die logischen Kanäle nutzen die physikalischen zur Datenübertragung. Es wird nach Verkehrskanälen (Traffic Channel TCH) und Steuerkanälen (Control Channel CCH) unterschieden. Neben dem TCH/S für Sprachübertragung gibt es 3 TCH für Datenübertragung, die sich aufgrund verschiedener Fehlerschutzverfahren durch ihre Nettobitrate unterscheiden (7,2 kbit/s, 4,8 kbit/s und 2,4 kbit/s). Zur Steuerung werden nochmals 5 Arten unterschieden: BCCH (Broadcast), LCH (Linearisation), SCH (Signalling), AACH (Access Assignment) und STCH (Stealing). Die in den Bündelfunksystemen angebotenen Datenübertragungsraten entsprechen heutzutage nicht mehr den von Anwendern erwarteten Nutzungsmöglichkeiten. Für die Übermittlung von Bildern oder gar Videosequenzen sind Datenraten zwischen 7,2 und 28,8 kbit/s (TETRA V+D, ungeschützt) eine sehr zeitaufwendige Angelegenheit, zumal äquivalente Dienste des öffentlichen Mobilfunks wesentlich größere Fortschritte in diese Richtung gemacht haben (bspw. GPRS, UMTS). Im Bereich des TETRA Standards wurde die Erweiterung in Richtung TETRA Enhanced Data Service (TEDS) im Oktober 2007 begonnen. Die Entwicklung führt zu TETRA Release 2, bei dem durch ergänzende Technologien ein so genanntes High Speed Data (HSD) air interface theoretische Übertragungsraten

13 Digitaler Bündelfunk Seite 13 bis zu 500 kbit/s ermöglicht. Erreicht wird dies durch breitere Frequenzkanäle (50 khz, 100 khz, bzw. 150 khz) und anderen Modulationsverfahren. Eingesetzt werden hier π/8-d8psk, 4-QAM, 16-QAM und 64-QAM. Um durch die QAM nicht zu viel an Robustheit zu verlieren, überträgt man innerhalb der Frequenzkanalbreite mit mehreren 2,7 khz breiten Sub-Carriern. HSD ist natürlich nur für reine Datenübertragung gedacht. Eine Abwärtskompatibilität von TETRA Release 2 zu Release 1 ist gegeben. [1] [25] APCO 25 Dieses aus Nordamerika stammende Digitalfunksystem entspricht einem Standard, der 1993 durch die Assocoiation of Public-Safety Communications Officials (APCO) und Telecommunications Industry Association (TIA) für Behörden und öffentliche Organisationen entwickelt wurde. Eine Basis für diesen Standard war das ASTRO-System von Motorola. Als Modulationsverfahren kommen QPSK für 6,25 khz Bandbreite und 4FSK für 12,5 khz Bandbreite zum Einsatz. Mögliche Frequenzbänder sind 150 MHz, 450 MHz und 800 MHz. Das verwendete Zugriffsverfahren ist FDMA. Eine Datenübertragung ist mit maximal 9,6 kbit/s (brutto) möglich. Für die Einführung des Systems sind mehrere Migrationsphasen vorgesehen. In einer weiteren Phase folgt ein TDMA- Zugriffsverfahren mit ebenfalls 2 Zeitschlitzen. APCO 25 (auch Project 25) kommt vornehmlich bei Behörden/Organisationen vieler Bundestaaten der USA zum Einsatz. [2] [13] [14] GSM-R Bei GSM-R (GSM Railway) handelt es sich nicht um ein Bündelfunksystem im eigentlichen Sinne, sondern um eine Abwandlung des GSM Standards für spezielle Anforderungen im Eisenbahnbetrieb. Wegen der ausschließlichen Anwendung im Zugfunk soll dieses System hier nur erwähnt werden und wird nicht vergleichend mit den aufgeführten Digitalfunksystemen betrachtet. Vom Internationalen Eisenbahnverband UIC (Union internationale des chemins de fer) wurde das Projekt European Integrated Railway Radio Enhanced Network (EIRENE) ins Leben gerufen, um dieses System zu entwickeln. Basierend auf GSM werden hierbei Frequenz zwischen 876 bis 880 MHz und 921 bis 925 MHz verwendet. Die Kanalbandbreite beträgt ebenfalls 200 khz und es wird GMSK-Modulation verwendet. Zur Erhöhung der Ausfallsicherheit ist das

14 Digitaler Bündelfunk Seite 14 etwas anders strukturiert und enthält zusätzliche Redundanzen. Neben der Sprachübertragung werden hauptsächlich Daten zur Steuerung des Zugverkehrs übertragen. Weitere zusätzliche Merkmale von GSM-R sind Rufpriorisierung, Direktmodus zwischen Geräten untereinander ohne Infrastruktur, automatische Zugsteuerung und unterbrechungsfreie Verbindungen für Geschwindigkeiten bis 500 km/h. Eine führende Position bei Herstellung und Vertrieb von GSM-R Geräten besitzt die Funkwerk AG. [31] [32] 3.3 Firmenspezifische Systeme EDACS Bei Enhanced Digital Access Communication System (EDACS) handelt es sich um ein von den Firmen General Electric und Ericsson entwickeltes Digitalfunksystem mit FDMA-Zugriff und Kanalbandbreiten von 12,5 khz und 25 khz. EDACS ist für den Betrieb in den Frequenzbändern von 160 MHz, 450 MHz, 800 MHz und 900 MHz ausgelegt. Die Sprachübertragung kann sowohl analog (FM), aber auch digital (Gaussian Frequency Shift Keying GFSK) erfolgen. Bis zu 24 Verkehrskanäle kann das System bedienen. Eine aktive Fehlererkennung sorgt dafür, dass unbrauchbare Verkehrskanäle ausgeblendet werden. Ist der Organisationskanal fehlerhaft, wird ein Verkehrskanal für Steuerungs- und Signalisierungsaufgaben genutzt und der bisherige Organisationskanal ebenfalls ausgeblendet. Das kann soweit führen, dass lediglich ein Kanal übrig bleibt und das System, zumindest an dieser Basisstation, nicht mehr im Trunking Mode (Bündelfunkbetrieb) arbeitet. Im Gegensatz zu anderen Systemen wird hierbei keine Gesprächszeitbegrenzung (mit Außnahme zu PSTN) vorgenommen. EDACS-Funknetze gibt es in Nordamerika und Australien. [15] [16] [17] iden Der Name steht als Abkürzung für integrated Digital Enhanced Network. Als integrierte Dienste bezeichnet man die Kombination von digitalem drahtlosen Telefon, überregional verwendbarem Duplex-Funkgerät, paketorientierter Datenübertragung für Internetzugang, Duplexübertragung von und Textnachrichten und drahtloser Modemfunktion. iden verwendet das TDMA-Zugriffsverfahren und bietet dadurch 6 Kanäle je

15 Digitaler Bündelfunk Seite 15 Trägerfrequenz. Es wird in den Frequenzbändern 800 MHz, 900 MHz und 1500 MHz gearbeitet. Nennenswert ist die hohe Übertragungsrate von 64 kbit/s in einem 25 khz-kanal, welche durch die Verwendung von QAM erreicht wird. Die Störanfälligkeit liegt dadurch deutlich höher als bei anderen Systemen. Dieses von Motorola entwickelte System stellt sich als Zusammenführung von öffentlichem Mobilfunknetz und PMR-Netzen dar. Verfügbare Netze bestehen in Nordamerika, Teilen von Mittel- und Südamerika, sowie wenigen Ländern in Asien. Neben der herkömmlichen Mobiltelefonie und drahtlosem Internetzugang, besteht hier die Möglichkeit, wie im klassischen Funknetz, durch Drücken der Sendetaste (push to talk PTT) relativ schnell mit einem anderen Teilnehmer oder auch Teilnehmergruppen direkt zu kommunizieren. Diese Funktion ist über das Netz international verfügbar, bzw. auch ohne Infrastruktur als Direktverbindung zwischen Mobilteilen bis zu einer Entfernung von 11 km (7 Meilen). [11] SR 440 Die Entwicklung des Systems SR 440 geht auf die Firmen Bosch und ASCOM zurück. Leider lassen sich keine aktuellen Informationen mehr zu diesem System finden. Da keine der beiden Firmen mehr im Bereich der Digitalfunktechnik tätig ist, liegt die Vermutung nahe, dass eine Vermarktung, bzw. eine Weiterentwicklung nicht mehr betrieben wird. Es handelte sich um ein FDMA- System mit einer Kanalbandbreite von 12,5 khz, bzw. 25 khz. Mit einer Binary Frequency Shift Keying (BFSK) Modulation wurde eine Übertragungsrate von 4,8 kbit/s erreicht. [2] Tetrapol Tetrapol ist ein von der Firma Matra (heute EADS) entwickeltes FDMA- Bündelfunksystem, welches in den Frequenzbändern 80 MHz und 450 MHz arbeitet. Die Kanalbandbreiten sind 10 bzw. 12,5 khz. Hierbei wird, wie auch bei GSM, die GMSK-Modulation verwendet. Speziell für die Verwendung in Behörden und Organisationen im Bereich der öffentlichen Sicherheit ist dieses System entwickelt worden und seit vielen Jahren etabliert. Bereits 1988 begann die französische Gendarmerie mit Tetrapol zu arbeiten. Weltweit sind 91 Netze in 35 Ländern in Betrieb. Neben vielen

16 Digitaler Bündelfunk Seite 16 öffentlichen Behörden und militärischen Organisationen lassen sich hier auch Industrie- und Transportunternehmen finden. [2] [22] Mobitex Mitte der 1980-er Jahre wurde das Datenfunknetz Mobitex von Ericsson entwickelt. Es werden die Frequenzbänder 400 bis 450 MHz (Europa) und 900 MHz (Nordamerika) verwendet. Das Zugriffsverfahren ist FDMA mit einer Kanalbandbreite von 12,5 khz. Als Modulation wird hierbei GMSK verwendet. Die Übertragungsrate beträgt zwar nur 8 kbit/s, aber das gesamte Netz ist aufgrund einer einfachen Struktur und strenger Hierarchie sehr schnell und sicher. Zur Anwendung kommt auch ein eigenes proprietäres Schicht-3-Protokoll (Mobitex Packet MPAK). In Deutschland gab es von Januar 1995 bis September 1996 ein von der Gesellschaft für Datenfunk mbh betriebenes Mobitex-Netz, welches aber in Konkurrenz zum bereits bestehenden MODACOM-Netz stand. Es bestehen aber heutzutage weltweit noch ca. 30 Netze, so bspw. in Nordamerika und Europa. [19] [20] [21] MODACOM MODACOM ist ebenfalls ein reines Datennetz, welches 1993 in Deutschland in Betrieb genommen wurde. Hierfür steht der Frequenzbereich von 417 MHz bis 437 MHz mit einer jeweiligen Kanalbandbreite von 12,5 khz zur Verfügung. Da es sich um paketorientierte Übertragung handelt, wird das Radio Data Link Access Procedure (RD-LAP) Protokoll benutzt. Der Kanalzugriff erfolgt mithilfe von FDMA. Die maximale Übertragungsrate beträgt 9,6 kbit/s. Eine Anbindung an andere Netze gab es lediglich zu Datex-P. Anwendungen waren vorzugsweise Steuerung von Fahrzeugflotten, Messdatenerfassung und Fernsteuerung. Das MODACOM Netz wurde zum abgeschaltet. [1] [18]

17 Digitaler Bündelfunk Seite Vergleich der Systeme Die wichtigsten technischen Daten einiger ausgewählter digitaler Bündelfunksysteme sind noch einmal tabellarisch zusammengefasst: DMR TETRA V+D APCO25 EDACS iden SR 440 Tetrapol Kanalbandbreite in khz 6,25/12,5 25 6,25/12,5 12,5/ ,5/25 10/12,5 Zugriffsart FDMA/TDMA TDMA FDMA FDMA TDMA FDMA FDMA Kanäle je Träger 1/ Modulation 4FSK π/4- DQPSK QPSK/ 4FSK GFSK 16QAM BFSK GMSK Brutto-Bitrate in kbit/s 9,6 4*9,0 9,6 9,6 64 4,8 8,0 Sprachcodec AMBE ACELP IMBE AME VSELP IMBE RPCELP Spezifiziert durch/ entwickelt von ETSI ETSI APCO, TIA GE und Ericsson Motorola Bosch und Ascom Matra und EADS Ein grundsätzlicher Unterschied der Systeme besteht im Kanalzugriffsverfahren. Mit dem Zugriffsverfahren FDMA wird, unter sonst gleichen Bedingungen, eine größere Reichweite erreicht als mit TDMA. Allerdings ist letzteres wiederum im Vorteil, sobald das Verkehrsaufkommen ansteigt. Bei der Nutzung des Zeitschlitzverfahrens kann mithilfe von TDD auf einem Frequenzkanal Duplexübertragung durchgeführt werden. Hingegen sind bei FDMA dafür zwei Kanäle notwendig. Das bedingt, dass in den Mobilstationen zusätzlich eine Frequenzweiche vorhanden sein muss. Somit hängt die Entscheidung für eines der beiden Systeme von den gegebenen Randbedingungen ab. Die in den verschiedenen Systemen verfügbaren Dienste eigenen sich besonders für einen Vergleich. Ein gewisser Grundumfang an Diensten ist in allen Funksystemen vorhanden. Diese wären: individueller Einzelruf Gruppenruf

18 Digitaler Bündelfunk Seite 18 Rufpriorisierung/Notruf Überleitung in andere Telefon- oder Datennetze Direktmodus Versand von Kurz- bzw. Statusmeldungen Integration von GPS-Empfängern zur Standortfeststellung Teilnehmeridentifikation (ähnlich Rufnummernanzeige) Zusätzliche Dienste, die sich je nach System unterscheiden, sind in folgender Tabelle aufgeführt. Dienst DMR TETRA APCO25 EDACS iden Tetrapol Broadcast Call Tln. hinzurufen wenn Gespräch bereits besteht Offener Kanal Funkverkehr mithören, wie analoger Funk Verbindung abhören durch autorisierte Person (bspw. Dispatcher) Gerät abhören im Notfall oder bei besonderer Sicherheitslage durch autorisierte Person Paketdatenübertragung Die Verwendung eines offiziellen Standards bringt den Vorteil, dass Fortschrittsplanung und Netzausbau an einem gesunden Wettbewerbsmarkt schneller und kostengünstiger gehalten werden können, da keine Abhängigkeiten von einem einzelnen Anbieter entstehen. Regionale Verfügbarkeit des verwendeten Frequenzbandes ist ein weiteres Kriterium für den Einsatz eines der genannten Digitalfunksysteme. Damit ist gemeint, dass ein System nur dann betrieben werden kann, wenn eine national

19 Digitaler Bündelfunk Seite 19 gültige Frequenzlizenz vorliegt. Unter derzeitigen Voraussetzungen ist es bspw. nicht möglich iden in Deutschland einzusetzen. Die Bundesnetzagentur vergibt keine Bündelfunklizenzen in den 800/900/1500 MHz-Bereichen. 4 Bündelfunksysteme in Deutschland 4.1 Regulierung und Vergabe Für die Vergabe von Frequenzen ist die Bundesnetzagentur (früher Regulierungsbehörde für Post und Telekommunikation RegTP) verantwortlich. Die Regulierung von Frequenzen und daraus folgende technische Rahmenbedingungen unterliegen aber nicht nur nationalen Vorgaben. Auf internationaler Ebene gibt es die Europäische Konferenz der Verwaltung für Post und Telekommunikation (Conférence Européenne des Administrations des Postes et des Télécommunications - CEPT) und International Telecommunication Union-Radiocommunications (ITU-R), in denen Fachabteilungen des Bundes mitarbeiten. Auch mit der amerikanischen Federal Communications Commission (FCC) gibt es eine Zusammenarbeit. Die Zuordnung von Funkanwendungen zu bestimmten Frequenzbereichen und deren technische Parameter, z.b. Strahlungsleistung und Kanalbandbreite, sind im Frequenznutzungsplan der Bundesnetzagentur festgeschrieben. Abb. 4.1: Auszug Frequenznutzungsplan; Quelle: [9] Um eine Funkanlage betreiben zu dürfen, müssen die dafür notwendigen Frequenzlizenzen (im vorgesehenen Bereich) bei der Bundesnetzagentur beantragt werden. Für die Lizenznutzung werden Gebühren erhoben.

20 Digitaler Bündelfunk Seite 20 Entsprechende gesetzliche Regelungen findet man im Telekommunikationsgesetz (TKG), 55 ff. Ausgenommen davon sind Funkanlagen, die in lizenzfreien Frequenzbereichen arbeiten (bspw. WLAN oder der o.a. Bereich für DMR-Geräte). Aufgrund dieser Regulierung wird gewährleistet, dass die gewünschte Frequenzökonomie, durch kontrollierte regionale Zuteilung, und eine Störungsfreiheit der Netze und Anlagen untereinander erreicht werden. [9] [27] 4.2 Privat & Gewerblich Ein Bündelfunknetz wird, nicht wie im analogen PMR üblich, von jedem Anwender selbst betrieben, sondern von Unternehmen oder Organisationen, ähnlich einem Provider. In Deutschland sind derzeit 73 Betreiber solcher öffentlichen Bündelfunknetze bei der Bundesnetzagentur aufgeführt. Neben Betreibern von Flughäfen, Großindustrieanlagen, o.ä., existieren auch einige, die auf regionalen Gebieten eine gemeinschaftliche Nutzung für diverse Anwender anbieten. [26] Für solche Betreiber entsteht die Möglichkeit Public Access Mobile Radio (PAMR), konkurrierend zu öffentlichem Mobilfunk, anzubieten. Privatanwender oder Kleinunternehmer sind somit in der Lage, auch von Vorteilen der digitalen Bündelfunktechnik zu profitieren. Diese Entwicklung findet zurzeit auf dem amerikanischen Markt statt, wo u.a. der Netzbetreiber NEXTEL mit dem Motorola System iden Kunden von Kanada bis Argentinien bedienen kann. Aufgrund seiner umfangreichen Dienste hat sich in Deutschland TETRA recht gut etabliert. Für kleinere, private Netze ist das weniger komplexe und kostengünstigere DMR System attraktiv. Oftmals werden auch Endgeräte angeboten, bei denen ein analoger und digitaler Betrieb möglich ist ein entscheidender Vorteil, um für bestehende Kunden die Migration von analog auf digital zu erleichtern. Motorola und Kenwood sind hierbei sehr aktiv auf dem deutschen Markt. 4.3 BOS Speziell für die Anwendung im Bereich der öffentlichen Sicherheit ist durch die Firmen Matra und EADS das System Tetrapol entwickelt worden. Zum Einsatz kommt dieses System bspw. in Frankreich und bei der Bundeswehr in Deutschland. Für die BOS und vergleichbare Organisationen in anderen europäischen Ländern war es aber wichtig einen europäischen und offiziellen

21 Digitaler Bündelfunk Seite 21 Standard für Digitalfunksysteme zu verwenden. Unter deren Mitwirken ist 1996 erstmals der TETRA-Standard durch die ETSI veröffentlicht worden. Seit dieser Zeit versucht die Bundesregierung in Zusammenarbeit mit den Bundesländern, ein solches Digitalfunknetz in Deutschland zu planen und zu errichten. Die Schwierigkeit besteht zum einen darin, eine bundesweite Flächenabdeckung mit dem möglichst geringsten Kostenaufwand zu erreichen. Andererseits erfordert die Zusammenführung aller bisherigen BOS, wie Polizei, Feuerwehr, Rettungsdienste und Zoll, einen hohen Planungsaufwand zum organisatorischen Aufbau der Netzstruktur. Die jeweiligen Strukturen und Anforderungen der verschiedenen Behörden/Organisationen müssen hierbei berücksichtigt werden. Derzeit geht die Bundesanstalt für den Digitalfunk der Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BDBOS) von einem Bedarf von 4330 Standorten für Basisstationen aus, die zu einem großen Teil erst akquiriert werden müssen. Weiterhin sind ca. 60 TETRA-Vermittlungsstellen und 2 Netzwerkmanagementzentren geplant. Die Errichtung des Netzes hat einen Umfang von ca. 4,5 Milliarden Euro und erfolgt, laut Ausschreibungen in den Jahren 2005 und 2006, durch die Firmen EADS und Siemens. Der Aufbau des Rumpfnetzes soll bis Ende 2012 abgeschlossen sein. Über den Betreiber des Netzes wurde noch nicht endgültig entschieden. Übergangsweise wird der Betrieb durch die Firma EADS gesichert. Die Finanzierung durch den Bund bezieht sich allerdings nur auf das Rumpfnetz und die Geräte der bundeseigenen Organisationen. Die Kosten für Geräte der Landes- und Kommunalbehörden/-organisationen müssen die jeweiligen Träger selbst übernehmen. So gehen die Ausschreibungs- und Vergabeverfahren in den Ländern und Kommunen nur schrittweise voran. Hersteller solcher Endgeräte, die für die jeweiligen Einsatzzwecke zusätzliche Anforderungen, wie Betrieb in explosionsgefährdeter Umgebung oder spezielle Bauweise für verdeckte Ermittlungen, erfüllen müssen, sind bspw. Motorola, Sepura und EADS. [27] [28] [29] [30] Im Jahr 2009 sollen erste Teilabschnitte bereits in den Wirkbetrieb übergehen. Bisher gab es aber schon verschiedene Pilotprojekte, in denen Wirksamkeit und Verkehrsauslastungen getestet wurden. Neben einigen Optimierungsaspekten wurden hierbei aber insbesondere die gewinnbringenden Vorteile des TETRA- Systems quantifiziert. Hervorzuheben ist der hohe Bündelungsgewinn gegenüber analogen Netzen. [8]

22 Digitaler Bündelfunk Seite 22 Die von der BDBOS geforderte Ende-zu-Ende Verschlüsselung wurde im Herbst 2008 erfolgreich getestet und soll künftig flächendeckend eingesetzt werden. [33] 5 Ausblick Seit der Verbreitung von öffentlichen flächendeckenden Mobilfunksystemen ist die Verwendung von nichtöffentlichen Funksystemen zur Abwicklung der betriebsinternen Kommunikation für viele Nutzer unattraktiv geworden. Die Einführung digitaler Bündelfunksysteme kann diesem Trend aber entgegenwirken. Gerade durch schnelle Rufaufbauzeiten und der Möglichkeit einer Gruppenkommunikation, werden die Merkmale, die professionelle Anwender benötigen, optimal bedient. Der, im Gegensatz zu TETRA, relativ junge Digitalfunkstandard DMR bringt eine kostengünstigere Alternative für Anwender, die die Komplexität des TETRA-Standards nicht benötigen. Auch wenn die Realisierung des TETRA-Netzes für BOS schon einige Zeit andauert und sicherlich noch andauern wird, so muss man andererseits auch berücksichtigen, dass hier das derzeit größte TETRA-Netz weltweit entsteht, dessen Ansprüche an Sicherheit und Verfügbarkeit sehr hoch liegen. Die Weiterentwicklung zu TETRA Release 2 zeigt, dass die Anforderungen der Anwender und die Möglichkeiten des technischen Fortschritts stetig eingearbeitet werden. Bei großen, bzw. landesweiten Digitalfunknetzen, insbesondere die Netze in öffentlicher Trägerschaft, wird sich in Europa sicherlich der TETRA-Standard durchsetzen. In amerikanischen Ländern hat sich APCO 25 bereits etabliert. Der Vorrang für die Errichtung einiger Tetrapol-Netze, vor allem in europäischen Ländern, ist wohl auch auf die spätere Einführung des TETRA-Standards zurückzuführen. Für Betreiber kleinerer Netze, die nicht unbedingt auf Interoperabilität angewiesen sind, ist oftmals die Marktpräsenz der Hersteller entscheidend.

23 Digitaler Bündelfunk Seite 23 6 Quellenverzeichnis [1] B. Walke; Mobilfunknetze und ihre Protokolle, Bd. 1 & 2;Teubner Stuttgart 1998 [2] H.-P. Ketterling; Wege zum digitalen Betriebsfunk; Expert Verlag 1998 [3] P. Pernsteiner; Bündelfunk in Deutschland; Franzis Verlag 1993 [4] H. Lobensommer; Die Technik der modernen Kommunikation; Franzis Verlag 1994 [5] H. Grote, J. Seitz, U. Stöpel, R. Tosse; Mobile digitale Kommunikation; Verlag Moderne Industrie, SV Corporate Media München 2004 [6] J. Dunlop, D. Girma, J. Irvine; Digital Mobile Communications and the TETRA System; John Wiley & Sons 1999 [7] R. Bekkers; Mobile Telecommunications Standards GSM, UMTS, TETRA and ERMES, Artech House 2001 [8] B. Robbel; Diplomarbeit: Entwicklung und Bewertung von Verkehrslastgeneratoren zur Modellierung von Sprach- und Daten-Gruppenkommunikation; TU Ilmenau 2001 [9] Bundesnetzagentur; Sachgebiet Telekommunikation, Frequenznutzungsplan; ; [10] Motorola GmbH; ;DMR Standard, _Documents/_Static %20Files/Radio_Resource_White_paper_DE_FINAL.pdf?localeId=251 [11] Motorola, Inc. ; ; Produktübersicht iden, [12] ETSI; ; Standardbeschreibung DigitalMobileRadio [13] Assocoiation of Public-Safety Communications Officials, Inc.; ; [14] Wikipedia (englische Version); ; Project 25 [15] MSC Mobile Communication Systems Pty Ltd. Melbourne, Australia; ; EDACS art_id=100&nav_cat_id=129&nav_top_id=57 [16] RadioReference.com; ; EDACS; [17] ComNet Ericsson; ; [18] DAFU Datenfunk; ; Modacom

24 Digitaler Bündelfunk Seite 24 [19] Wikipedia (englische Version); ; Mobitex; [20] Wikipedia; ; Funkrufnetze - Modacom [21] Mobitex Technology AB Gothenburg, Schweden; ; Mobitex White Paper [22] EADS Defense & Security; ; rvices/tetrapol_definition/tetrapol_definition.html [23] Bundesamt für Kommunikation, Schweiz; Faktenblatt TETRA; ; [24] Bundesamt für Kommunikation, Schweiz; Faktenblatt Tetrapol; ; [25] ETSI; Technical Report TETRA Release 2, TR ; ; [26] Bundesnetzagentur; Sachgebiet Telekommunikation; Betreiber öffentlicher Bündelfunknetze; ba,0/buendelfunk/betreiber_oeffentlicher_buendelfunknetze_39q.html [27] Bundesnetzagentur; Internationales Zusammenwirken; ; c,0/internationales/telekommunikation_4r5.html [28] Wapedia; Wiki: Terrestrial Trunked Radio; ; [29] Heise Online; Newsticker, diverse Informationen zu Digitalfunk; Ausschreibung--/meldung/ /meldung/ [30] M. Gunkel, BDBOS Berlin; Anforderungen an ein Sicherheitsfunksystem am Beispiel Digitalfunk BOS; ; Fachvortrag/Präsentation [31] Wikipedia; GSM-R; ; [32] GSM Senderliste Rhein-Main; ; GSM-R [33] Bundesanstalt für den Digitalfunk der BOS;Pressemitteilungen; ; gen/2008/ abhoersichere verschluesselung erfolgreich getest et.html