Hintergründe zur Datenübertragung in GSM- und UMTS-Mobilfunknetzen für Sunny WebBox / Sunny Boy Control

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1 GSM Hintergründe zur Datenübertragung in GSM- und UMTS-Mobilfunknetzen für Sunny WebBox / Sunny Boy Control Inhalt Schon zu Beginn der Konzeption des GSM-Standards wurden neben der Telefonie auch Services zur digitalen Fax- und Datenübertragung festgelegt. So sehen die GSM-Spezifikationen neben der reinen Sprachübertragung ein breit gefächertes Spektrum an Fax- und Daten-Services vor. Die ersten Daten-Services in GSM-Netzen waren leitungsvermittelte, asynchrone Daten-Services, (CSD, Circuit Switched Data) wie sie bereits seit langem auch für die DFÜ (Datenfernübertragung) in analogen Fernsprechnetzen eingesetzt werden. Für den Verbindungsaufbau und die Datenübertragung werden dabei nur bestimmte, international standardisierte Kommunikationsprotokolle verwendet. Daher können Daten mit allen herkömmlichen Gegenstellen ausgetauscht werden, sofern die verwendeten Geräte diesen international gültigen Standards entsprechen. GSM_UMTS-UDE Version 1.1 1/9

2 Grundlagen Seit dem Jahr 2000 wurden in Mobilfunknetzen zusätzliche Daten-Services eingeführt, mit denen höhere Übertragungsgeschwindigkeiten erzielt werden können. Dazu gehören HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) mit bis zu 38,4 kbit/s und die paketvermittelte Datenübertragung GPRS (General Packet Radio Service) mit bis zu 53,6 kbit/s. Anfang 2004 startete Vodafone D2 und andere Mobilfunkbetreiber den kommerziellen Betrieb eines UMTS- Netzes, in dem mit 384 kbit/s nochmals deutlich höhere Übertragungsgeschwindigkeiten möglich sind. Die schnelle Datenübertragung im UMTS-Netz basiert auf GPRS. Aber auch die herkömmlichen leitungsvermittelten Daten-Services stehen im UMTS-Netz von Vodafone D2 zur Verfügung. 1 Grundlagen Hintergründe zur Datenübertragung in GSM- und UMTS-Mobilfunknetzen. Mit freundlicher Unterstützung durch Vodafone D2, Markus Weidel, Systemberater Vertrieb. 1.1 Leitungs- und paketvermittelte Datenübertragung Bis zur Einführung von GPRS kam in den Mobilfunknetzen ausschließlich leitungsvermittelte Datenübertragung zum Einsatz (CSD, Circuit Switched Data). Hierbei werden wie bei der Telefonie während der gesamten Verbindungsdauer ein oder mehrere Funkkanäle belegt, unabhängig davon, ob Daten übertragen werden oder nicht. Bei GPRS handelt es sich um paketvermittelte Datenübertragung. Hierbei werden die zu übertragenden Daten in kleine Datenpakete aufgeteilt und über einen oder mehrere freie Kanäle zwischen dem mobilen Endgerät und einem paketvermittelteten Datennetz (z. B. dem Internet) übertragen. Die Funkkanäle werden dabei nur kurzzeitig für die Übertragung belegt und danach sofort wieder freigegeben, so dass mehreren Endgeräten quasi "gleichzeitig" die freien Funk-kanäle zur Verfügung stehen. Die im Datenpaket enthaltene Empfängeradresse sorgt dabei dafür, dass Datenpakete den gewünschten Empfänger erreichen. Auch bei der schnellen Datenübertragung im UMTS-Netz mit bis zu 384 kbit/s kommt GPRS zum Einsatz. 1.2 Die Übertragungsarten "analog" und "digital" Innerhalb eines GSM- oder UMTS-Mobilfunknetzes werden Faxmitteilungen und Daten stets digital übertragen. Bei leitungsvermittelten Verbindungen müssen bestimmte Gegenstellen, z. B. analoge Fax-Geräte oder analoge Festnetzmodems, die Daten jedoch in analoger Form erhalten. Darum stellen der GSM- und UMTS-Standard bei den leitungsvermittelten Daten-Services zwei verschiedene Übertragungsarten zur Verfügung: analoge und digitale Übertragung. SMA Solar Technology AG 2/9

3 Grundlagen Analoge Übertragung Die analoge Übertragung (3,1 khz Audio) entspricht dem analogen Modembetrieb. Die dafür notwendige digital/analog-umwandlung erfolgt automatisch in den Mobilvermittlungsstellen. Digitale Übertragung Bei der digitalen Übertragung (UDI, Unrestricted Digital Information) werden die Daten - im Gegensatz zur analogen Übertragung - auf der gesamten Übertragungsstrecke digital übermittelt. Ein Vorteil im Vergleich zu Verbindungen mit Gegenstellen im analogen Festnetz ist der wesentlich schnellere Verbindungsaufbau. Wichtig für die digitale Datenübertragung ist die so genannte Bitratenadaption. Da z. B. die Daten im ISDN- Netz mit bit/s, im Mobilfunknetz jedoch mit maximal 38,4 kbit/s (leitungsvermittelt) übertragen werden, muss eine Geschwindigkeitsanpassung vorgenommen werden. Dies geschieht nach dem ITU-T- Standard V.110, dem beide Gegenstellen entsprechen müssen. 1.3 Ankommende Fax- und Datenverbindungen Single-Numbering Mit Ihrer Handy-Nummer sind Sie grundsätzlich nicht nur für ankommende Sprachanrufe empfangsbereit, sondern auch für ankommende leitungsvermittelte Fax- und Datenanrufe aus digitalen Netzen (Single- Numbering). Daraus ergeben sich für Sie folgende Vorteile beim mobilen Fax- und Datenempfang: keine zusätzlichen Rufnummern keine Buchung kein zusätzlicher Basispreis. Voraussetzungen Single-Numbering erfordert, dass bei einem Fax- oder Datenanruf an Ihre Handy-Nummer dem Mobilfunk- Netz die entsprechende Service-Kennung signalisiert wird. Nur so kann Ihrem Handy mitgeteilt werden, dass es sich bei dem Anruf um einen Fax- bzw. Datenanruf handelt. Das Handy kann dann eine ankommende Verbindung an das entsprechende Endgerät (z. B. den PDA für eine Datenverbindung) durchschalten. Die Signalisierung der Service-Kennung erfolgt nur, wenn der Anruf aus einem digitalen Netz stammt (deutsche Mobilfunknetze, ISDN). Darüber hinaus gibt es folgende Einschränkungen: Einige Faxgeräte analoger Bauart signalisieren keine Service-Kennung. Bei Nebenstellenanlagen wird die Service-Kennung nicht signalisiert, wenn das Faxgerät nicht als Faxgerät programmiert worden ist (z. B. bei manchen Kombigeräten). SMA Solar Technology AG 3/9

4 CSD Bei internationalen Verbindungen wird die Service-Kennung nicht immer signalisiert. Multi-Numbering Wenn Sie für ankommende leitungsvermittelte Fax- bzw. Datenanrufe aus allen Netzen empfangsbereit sein möchten, dann benötigen Sie zusätzliche Rufnummern, die Ihrer vorhandenen SIM-Karte zugeordnet werden (Multi-Numbering). Bei diesem Verfahren weiß die Mobilvermittlungsstelle im Mobilfunk-Netz z. B. auch bei ankommenden Datenverbindungen aus dem analogen Festnetz, wie sie die Daten für die digitale Übertragung im Mobilfunknetz aufbereiten muss. Hinweise Bei abgehenden Fax- und Datenverbindungen werden die notwendigen Informationen automatisch von Ihrem Mobiltelefon an die Mobilvermittlungsstelle übertragen. Wenn Sie also von Ihrem Handy ausschließlich abgehende Fax- und Datenverbindungen nutzen wollen, so können Sie dies in jedem Fall, ohne eine Fax- oder Daten-Nummer zu bestellen. Für die Richtung, in der die Daten übertragen werden, spielt es keine Rolle, ob es sich um eine abgehende oder eine ankommende Verbindung handelt. Eine Verbindung, die Sie zu einem Online-Service oder einem Internet- Provider aufbauen, ist somit eine abgehende Verbindung, auch wenn Sie dabei Daten (z. B. WWW-Seiten, E- Mail) empfangen. Anrufumleitung und Anrufsperrung: Sie können die Services Anrufumleitung und Anrufsperrung auch für leitungsvermittelte Fax- und Datenverbindungen nutzen (sowohl bei Single- als auch bei Multi-Numbering). Über den entsprechenden Basisservice-Code kann eine Anrufumleitung oder Anrufsperrung für Fax- und Datenverbindungen unabhängig von den Einstellungen für Telefonie ein- und ausgeschaltet werden. 2 CSD 2.1 Leistungsmerkmale CSD ermöglicht die leitungsvermittelte Datenübertragung im Mobilfunknetz mit Ihrem Handy und geeignetem Zubehör. Sie können Datenverbindungen zu Gegenstellen in analogen und digitalen Fest- und Mobilfunknetzen aufbauen und darüber beliebige Daten übertragen. 2.2 Übertragungsgeschwindigkeiten CSD unterstützt pro Funkkanal die folgenden Übertragungsgeschwindigkeiten: SMA Solar Technology AG 4/9

5 CSD bit/s bit/s bit/s*. Mit HSCSD lassen sich durch die Bündelung mehrerer Funkkanäle wesentlich höhere Übertragungsgeschwindigkeiten erzielen. * Durch eine neue Kanalkodierung mit veränderter Fehlerschutz-Kodierung wurde im Vodafone-D2-Netz die maximale Übertragungsgeschwindigkeit auf einem Funkkanal von bit/s auf bit/s erhöht. Diese Übertragungsgeschwindigkeit wird nur von neueren Handys unterstützt. 2.3 Datenkomprimierung Viele Mobilfunknetze unterstützen Datenkomprimierung nach dem ITU-T-Standard V.42bis. Dadurch kann bei Datenverbindungen die zu übertragende Datenmenge reduziert und somit der Datendurchsatz erhöht werden. Dies gilt für das Senden und Empfangen von unkomprimierten Daten wie z. B. Text- und HTML-Dateien oder Grafiken. 2.4 Gegenstellen Mit CSD können analog und digital arbeitende Gegenstellen erreicht werden (siehe auch "Übertragungsarten"). Die Gegenstellen können sich in folgenden Netzen befinden: im Mobilfunknetz im analogen Festnetz im digitalen ISDN-Festnetz in einem anderen Mobilfunknetz. Darüber hinaus bieten viele Mobilfunkanbieter einen mobilen Internet-Zugang an. Zusätzlich existieren z.b. im Vodafone-D2-Netz spezielle Einwahl-Nummern für viele Online-Services und Internet-Provider sowie für das Datex-P-Netz. SMA Solar Technology AG 5/9

6 HSCSD 3 HSCSD 3.1 Leistungsmerkmale HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) bietet die gleichen Leistungsmerkmale wie CSD, jedoch können mit HSCSD wesentlich höhere Übertragungsgeschwindigkeiten erzielt werden. HSCSD basiert auf CSD und ist dementsprechend auch ein leitungsvermittelter, asynchroner Daten-Service, mit dem Sie Datenverbindungen zwischen Ihrem Handy und Gegenstellen im analogen oder digitalen Fest- oder Mobilfunknetz herstellen können. Bei einer herkömmlichen leitungsvermittelten Datenverbindung mit CSD - wie auch bei einer GSM- Sprachverbindung - wird auf der Funkstrecke ein einziger Funkkanal belegt. HSCSD nutzt stattdessen die Übertragungskapazität mehrerer Kanäle aus, d. h. es werden bei einer Datenverbindung mehrere Kanäle gleichzeitig belegt. Die zu übertragenden Daten werden auf der Funkstrecke auf die einzelnen Kanäle aufgeteilt und später wieder zusammengesetzt. Hinweis: HSCSD kann auch in den GSM-Netzen vieler Roaming-Partner genutzt werden. 3.2 Übertragungsgeschwindigkeiten Je nach Anzahl der kombinierten Kanäle und der verwendeten Kanalkodierung stehen im Mobilfunknetz verschiedene Übertragungsgeschwindigkeiten zur Verfügung. Beachten Sie, dass Sie mit den derzeit erhältlichen Handys maximal 4+1 Kanäle kombinieren können, d. h. es werden maximal vier Kanäle für das Empfangen von Daten (Downlink) kombiniert, und für das Senden von Daten (Uplink) verbleibt ein weiterer Kanal. Diese asymmetrische Kanalzuweisung ist u. a. sinnvoll, wenn Sie im Internet surfen, da beim Herunterladen von Dateien aus dem Internet weitaus mehr Daten übertragen werden, als beim Senden des Befehls zum Herunterladen. Die maximale Anzahl der kombinierten Kanäle bzw. die maximale Übertragungsgeschwindigkeit können Sie für beide Übertragungsrichtungen (Up- und Downlink) selbst festlegen. Die tatsächliche Übertragungsgeschwindigkeit hängt von folgenden Faktoren ab: Verfügbarkeit freier Kanäle: Durch die flexible Kanalzuweisung (Up-/Downgrading) des Mobilfunknetzes kann die Zahl der kombinierten Kanäle während der Datenverbindung schwanken: Blockierung: In einer Funkzelle, die u. a. durch HSCSD-Datenverbindungen voll belegt ist, soll eine Sprachverbindung aufgebaut werden. Die Datenverbindung wird um einen Kanal reduziert, um Kapazität für die Sprachverbindung zu schaffen. Wenn die Sprachverbindung beendet ist, wird der Kanal erneut der Datenverbindung zugewiesen. SMA Solar Technology AG 6/9

7 HSCSD Handover: Sie wechseln von einer Funkzelle in eine andere, in der nicht genügend Kanäle frei sind, um die Datenverbindung auf allen kombinierten Kanälen aufrechtzuerhalten. Sobald genügend Kanäle verfügbar sind, wird die Zahl der kombinierten Kanäle wieder erhöht. Ihre HSCSD-Verbindung wird in jedem Fall auf mindestens einem Funkkanal aufrechterhalten. Fehlerkorrektur: In den meisten Mobilfunknetzen ist mit HSCSD nur non-transparente Datenübertragung möglich. Bei der non-transparenten Datenübertragung wird auf der Funkstrecke ein zusätzliches Fehlersicherungsprotokoll angewendet. Dieses Protokoll stellt sicher, dass Daten, die auf der Funkstrecke verfälscht worden sind, erneut angefordert werden. Dadurch kann bei einer nontransparenten Datenübertragung die Datenrate schwanken. 3.3 Anwendungen Mit hohen Übertragungsgeschwindigkeiten sorgt HSCSD für eine schnellere Datenübertragung im Mobilfunknetz. So können Sie z. B. mit dem Internet Service schneller im Internet surfen. Alle Anwendungen, die bisher mit CSD möglich waren, sind auch mit HSCSD möglich. HSCSD richtet sich vor allem an Kunden, die große Datenmengen mobil übertragen möchten und dabei nur kurze Zeit online sind. Typische Anwendungen für HSCSD sind das Herunterladen größerer Dateien aus dem Firmen-Intranet. Zahl der maximale Übertragungsgeschwindigkeiten kombinierten Kanäle bei 9,6 kbit/s Kanalkodierung bei 14,4 kbit/s Kanalkodierung 1 9,6 kbit/s 14,4 kbit/s 2 19,2 kbit/s 28,8 kbit/s 3* 28,8 kbit/s 38,4 kbit/s** 43,2 kbit/s*** 4* 38,4 kbit/s** 38,4 kbit/s** * steht nicht in allen Mobilfunknetzen flächendeckend zur Verfügung ** nur bei Verbindungen zu ISDN-Gegenstellen, die den Standard V.110 (UDI) unterstützen *** theoretischer Wert, der nur auf der Luftschnittstelle im Mobilfunknetz erreicht wird. 57,6 kbit/s*** SMA Solar Technology AG 7/9

8 GPRS 4 GPRS 4.1 Leistungsmerkmale GPRS (General Packet Radio Service) macht die mobile Datenübertragung schneller, komfortabler und günstiger: deutlich höhere Übertragungsgeschwindigkeiten für WAP und den mobilen Internet-Zugang auf Wunsch ständig online durch paketvermittelte Datenübertragung Verbindungskosten abhängig von der übertragenen Datenmenge während der Datenverbindung immer erreichbar für Anrufe. Sie profitieren von den oben genannten Vorteilen von GPRS besonders bei den folgenden Anwendungen: WAP: Vielfältige Informationen (Nachrichten, Börsenkurse etc.) günstig und komfortabel direkt auf Ihr Handy holen. s über WAP oder -Programm lesen und schreiben, Internet: Unterwegs mit PDA (z. B. ipaq, Palm etc.) oder Notebook im Internet surfen - ohne zusätzlichen Internet-Provider. GPRS ermöglicht den direkten Zugang zum Internet und eignet sich besonders für textbasierte Internet-Anwendungen mit geringem Datenvolumen und langer Online-Zeit (z. B. Chat, Instant Messaging). 4.2 Übertragungsgeschwindigkeiten In vielen Mobilfunknetzen sind bei Kombination von 8 Funkkanälen Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 107,2 kbit/s möglich. Die derzeit erhältlichen GPRS-Handys können jedoch nur maximal 4+2 Funkkanäle kombinieren, also max. 4 Kanäle für das Empfangen von Daten und 2 Kanäle für das Senden von Daten. Daraus ergibt sich eine Übertragungsgeschwindigkeit von bis zu 53,6 kbit/s in Empfangsrichtung. Hinweise: Bei den genannten Übertragungsgeschwindigkeiten handelt es sich immer um Maximal-Werte. Die während einer GPRS-Datenverbindung tatsächlich erreichten Geschwindigkeiten werden z. B. von der Anzahl freier Funkkanäle beeinflusst. Sprachverbindungen haben in der Regel Vorrang vor Datenverbindungen. Wenn in einer Funkzelle viele Funkkanäle durch Sprachverbindungen belegt werden, dann können für die Daten-Services GPRS und HSCSD nicht mehr so viele Funkkanäle kombiniert werden. Die maximalen Übertragungsgeschwindigkeiten werden dann nicht erreicht. SMA Solar Technology AG 8/9

9 GPRS im Vergleich mit HSCSD 4.3 Ständig online ("always on") Mit GPRS können Sie bei Wahl einer geeigneten Tarif-Option ständig online (always on) bleiben, da dann nur die übertragene Datenmenge berechnet wird, nicht aber die Dauer einer Verbindung. Funkkanäle werden nur dann belegt, wenn tatsächlich Daten übertragen werden. Beispiel: Der Abruf einer Internetseite belegt kurzzeitig mehrere Funkkanäle. Während Sie die Seite lesen (und keine neuen Daten angefordert werden), stehen die Funkkanäle anderen Teilnehmern zur Verfügung. Dies geschieht, ohne dass jedesmal ein langwieriger Verbindungsaufbau wie bei den leitungsvermittelten Daten- Services notwendig wird. Während einer GPRS-Verbindung bleiben Sie erreichbar für Anrufe und Kurzmitteilungen. 4.4 Erreichbarkeit während einer GPRS-Verbindung Auch während einer GPRS-Verbindung sind Sie für Telefonanrufe und Kurzmitteilungen erreichbar. Wenn Sie einen Anruf erhalten, können Sie ihn annehmen, und nach Beendigung des Telefonats sind Sie sofort wieder "online". Ihr Anschluss ist nur für die kurze Zeit einer Datenübertragung besetzt. 5 GPRS im Vergleich mit HSCSD HSCSD eignet sich besonders zur Beschleunigung der Übertragung umfangreicher Datenmengen. HSCSD arbeitet leitungsvermittelt, d. h. es belegt permanent mehrere gebündelte Funkkanäle. HSCSD wird mit einem Minutenpreis abgerechnet. Daher ist HSCSD ideal, wenn große Datenmengen schnell ans Ziel gebracht werden müssen und Sie nur für kurze Zeit online sind. GPRS ist für interaktive Anwendungen wie WAP günstiger, denn es arbeitet paketvermittelt. Die Daten werden in Pakete aufgeteilt und parallel auf mehreren Funkkanälen übertragen. Bei GPRS fließen die Daten durch das Mobilfunknetz, ohne die genutzten Funkkanäle dabei permanent zu blockieren. Wenn gerade einmal keine Daten übertragen werden, weil Sie z. B. eine lesen, ruht die Verbindung und beansprucht keine Netzkapazitäten mehr. Übertragungsgeschwindigkeiten : Die meisten Mobilfunknetze ermöglichen mit GPRS Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 107,2 kbit/s während mit HSCSD Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 38,4 kbit/s möglich sind. Begrenzender Faktor für GPRS sind jedoch die Endgeräte, die zurzeit Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu 53,6 kbit/s in Empfangsrichtung unterstützen. SMA Solar Technology AG 9/9