7 Das Mobilfunknetz. 7.1 Einführung Übersicht Mobilkommunikationssysteme. 7.1 Einführung 493

Transkript

1 7.1 Einführung Das Mobilfunknetz 7.1 Einführung Personelle Kommunikation Einer der wichtigsten Trends der Telekommunikation ist die Mobilkommunikation. Kaum ein anderer Bereich verzeichnet ein derartig großes Wachstum. In nicht einmal zehn Jahren, zwischen 1991 und dem Jahr 2000, hat die Anzahl der mobilen Endgeräte die Anschlusszahlen (50 Mio.) des Festnetzes erreicht. Das Festnetz hat hierfür über 100 Jahre gebraucht. Die technische Entwicklung hat zu sehr kleinen, leicht zu transportierenden Endgeräten geführt, die man bequem mit sich führen kann. Durch die Mitnahme der Endgeräte kann man fast von einer personellen Telekommunikation sprechen, da die Adresse des Endgeräts auch automatisch die entsprechende Person adressiert. In der Zukunft wird neben der momentan dominierenden Sprachkommunikation die mobile Datenkommunikation mit speziellen Endgeräten eine noch bessere Erreichbarkeit durch ergänzende Systeme und der Ersatz leitungsgebundener Übertragung zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die Mobilkommunikation umfasst inzwischen einen sehr großen Anwendungsbereich. Unter diesem Oberbegriff wird ein weites Feld von Systemen mit schnurlosen Telefonen über Funksysteme im See- und Landfunk bis hin zu komplexen Systemen der zellularen Mobilkommunikation zusammengefasst. In diesem Kapitel können daher nur die wichtigsten Zusammenhänge in einem Überblick dargestellt werden. Der Schwerpunkt wird bei dem zellularen Mobilfunksystem GSM und den Systemen basierend auf dem DECT-Standard liegen. Es soll aber auch nicht verschwiegen werden, dass aus Sicht mancher Beobachter der Einfluss speziell der digitalen Mobilfunksysteme auf den Menschen nicht abschließend geklärt ist. Von dieser Seite wird vor der Benutzung dieser Geräte gewarnt, auch wenn bislang noch keine Einflüsse nachgewiesen werden konnten. Unzweifelhaft ist hingegen der Einfluss der Mobiltelefone während der Fahrt im Auto durch die Ablenkung des Fahrers beim Hantieren mit dem Telefon (beim Wählen oder bei der Handhabung des Hörers). Anwendungsbereiche Elektrosmog- Warnungen, Info: oder Übersicht Mobilkommunikationssysteme Die einfachste Form der Mobilkommunikation sind die schnurlosen Telefone am öffentlichen Fernsprechnetz. Bei diesen Systemen wird die Verbindungsschnur zwischen dem Handapparat (umgangssprachlich Hörer) und dem Telefon selbst durch eine Funkstrecke ersetzt. Jeder Mobilteil ist daher einem bestimmten Festteil nahezu unveränderbar zugeordnet. Für das Fernsprechnetz ist diese besondere technische Ausprägung des Telefons nicht merklich. Ein schnurloses Telefon ver- Schnurlose Telefone

2 494 7 Das Mobilfunknetz Zellulare Systeme DECT Abb. 474: Mobilkommunikation in den verschiedenen Bereichen Übermittlungsrate [Mbit/s] hält sich in Richtung zur Vermittlungsstelle wie jedes andere Telefon. Diese auf die Endgeräte selbst beschränkten Systeme wurden bereits beschrieben (Kapitel 2). An dieser Stelle sollen hauptsächlich die komplexeren Mobilfunksysteme betrachtet werden, bei denen der Mobilteil das gesamte Endgerät darstellt und die Funkschnittstelle die komplette Anschlussleitung repräsentiert. Die bekanntesten Vertreter dieser Netze sind die zellularen Mobilfunknetze nach dem GSM-Standard (Global System for Mobile Communication). Durch die gerade neu entstehenden Satellitensysteme erfahren die zellularen Systeme eine Erweiterung in der Bereitstellung von Funkinfrastrukturen auch in den entlegendsten Bereichen. Die Standards der schnurlosen Telefonie werden zusätzlich auch im Bereich der Telekommunikationsanlagen (W-TKAnl oder Wireless-PABX) verwendet. Basierend auf dem DECT-Standard können beispielsweise auch zellulare Infrastrukturen innerhalb von Gebäuden, auf einem Firmengelände, einer Messe oder einem Campus realisiert werden. verdrahtete Endgeräte WLAN WiMAX LTE 1,0 UMTS 0,1 0,01 Cordless (CT, DECT, WPABX, WLL) Zellulare Systeme (GSM u.a.) Büro Gebäude stationär gehen fahren Indoor Outdoor Mobilität UMTS Mit dem zukünftigen Standard der Mobilkommunikation (UMTS) sollen die Bereiche der Heim-, Büro- und Outdoor-Anwendungen mit einem einheitlichen Standard abgedeckt werden. UMTS wird außerdem höhere Bandbreiten (2 Mbit/s) bereitstellen, die mehr als nur Sprachkommunikation ermöglichen. UMTS soll aus wirtschaftlichen Gründen kein grundsätzlich neuer Ansatz sein, auch wenn eine völlig neue Luftschnittstelle definiert werden muss, sondern es soll sich aus GSM entwickeln. Mit UMTS werden auch Begriffe wie PCN (Personal Communication Network, ein nicht sehr klar gefasster Begriff, der mit der

3 7.1 Einführung 495 Entwicklung des GSM-1800-Systems geprägt wurde, aber inzwischen in Zusammenhang mit UMTS viel weiter gefasst wird) und UPT (Universal Personal Mobility, ein IN-basiertes Konzept, das auch Festnetzanschlüsse einbezieht) verknüpft. Im Bereich der LAN wurde beispielsweise mit dem Standard IEEE ein Wireless LAN (WLAN oder Wireless Ethernet) definiert, welches die vorhandene Infrastruktur der lokalen Netze ergänzen kann. Schon etwas länger sind Systeme auf Infrarotbasis im Einsatz. Diese Systeme arbeiten mit maximal 115,2 kbit/s, eine Steigerung auf 1,15 Mbit/s bzw. 4 Mbit/s ist vorgesehen. Die Standardisierung erfolgt durch eine Vereinigung (Infrared Data Association IrDA, von ca. 100 Unternehmen. Alternativ zu der Infrarotübertragung ist der Einsatz von Bluetooth möglich. Dieses Funksystem ermöglicht einige 100 kbit/s in einer Entfernung von 0,1 m bis 10 m. Im europäischen Bereich wurden mit den HiperLAN-Festlegungen vergleichbare Systeme festgelegt. In den aktuellen HiperLAN/2- Spezifikationen sind sogar verbindungsorientierte Kommunikationen mit gewissen Garantien (QoS) vorgesehen. Noch breitbandigere Systeme auf der Basis von ATM (Wireless ATM WATM) sind bereits in der Diskussion, diese arbeiten dann mit Trägerfrequenzen oberhalb von 3 GHz. In diesem Kapitel werden die folgenden Mobilfunksysteme betrachtet: WLAN WATM C-Tel: das analoge Netz für Mobilkommunikation (Mobilfunksysteme der ersten Generation), GSM: das digitale Netz für Mobilkommunikation (die zweite Generation von Mobilfunksystemen), Public Land Mobile Network (PLMN), DECT: Systeme für zellulare Infrastrukturen in Privatnetzen, UMTS: die Zusammenfassung sehr vieler, unterschiedlicher Zugangssysteme zu einem übergreifenden System (Mobilfunksystem der dritten Generation), Satellitensysteme: Systeme, die eine weltweite Erreichbarkeit ermöglichen (Iridium, Globalstar u.a.), Mobile Satellite Systems (MSS), spezielle Datenfunksysteme (z.b. Modacom), Bündelfunk: Systeme für den Betriebsfunk z.b. für Unternehmen und Behörden (z.b. Tetra), Funkempfänger: Endeinrichtungen, die den Empfang von kurzen Textnachrichten vom Telefon oder PC aus erlauben (Quix, TelMe usw.), Spezialsysteme (z.b. für die Bahn GSM-Railway, GSM-R in Deutsch-

4 496 7 Das Mobilfunknetz land, Frankreich, Italien und Schweden, oder für die Kommunikation im Flugzeug mit einem speziellen System innerhalb des Flugzeugs und einer zentralen Antenne am Flugzeug für die externe Kommunikation) Grundlagen der Funkübertragung Die Funkübertragung zwischen dem Fest- und Mobilteil verläuft selten zu idealen Bedingungen, sie unterliegt im Normalfall vielfältigen Beeinflussungen und Störungen. Die Übertragung erfolgt hierdurch mit einer höheren Fehlerrate als bei Kupfer- oder Glasfaserübertragungsstrecken. Bei vielen Mobilfunksystemen wird daher für die Datenübertragung eine entsprechende Sicherung der Übertragungssignale auch für Nutzdaten vorgesehen. Beeinflussungen der Funkübertragung Dämpfung Teilnehmerbewegungen Die Funksignale werden mit der Entfernung und durch Materialien im Funkfeld gedämpft, beispielsweise durch Abschattungen (Slow Fading) durch Häuser oder Berge. Neben dem direkten Signal werden reflektierte oder gebeugte Signale mit ganz unterschiedlichen Verzögerungen empfangen (Mehrwegeausbreitung). In einem städtischen Umfeld wäre allerdings ein Empfang ohne die Mehrfachausbreitung nur in wenigen Fällen möglich. In ländlichen Bereichen treten kaum Reflexionen (<0,2 s) auf, in einer bergigen Umgebung treten sie mit starken Verzögerungszeiten (ca. 15 μs bis 20 s), in einem städtischen Umfeld mit erheblich geringeren Verzögerungszeiten (<5 s) auf. Beim Empfänger überlagern sich diese Signale dann mit orts- und zeitabhängigen Störungen durch andere Funksignale oder Störsender. Die Störungen können außerdem abhängig von ihrer Ursache nur bei bestimmten Frequenzen oder sehr breitbandig auftreten. Die unterschiedlichen Mobilkommunikationssysteme berücksichtigen die Bewegung des Endgeräts innerhalb der Funkzelle in unterschiedlicher Form. Während die Systeme der schnurlosen Telefonie (CT1 oder CT2) und der DECT-Standard nur eine Bewegung mit Schritttempo unterstützen, kann man beim GSM-Standard mit einem Auto während der Fahrt auf der Autobahn ein Gespräch führen. Bei hohen Geschwindigkeiten machen sich hierbei Dopplerverschiebungen störend bemerkbar, die im Empfänger berücksichtigt werden müssen. GSM ist beispielsweise für Geschwindigkeiten bis zu 250 km/h ausgelegt.

5 7.1 Einführung 497 Abb. 475: Mehrwegeausbreitung Weitere Beeinflussungen des Funksignals ergeben sich durch Absorption, Polarisation und Interferenzen. Als Fast Fading werden die Schwankungen des Empfangssignals mit starken Signaleinbrüchen bis ca. 40 db in Abhängigkeit vom Empfangsstandpunkt bezeichnet. Die Einbrüche haben einen räumlichen Abstand von ca. /2 (der halben Wellenlänge). Bereits geringfügige Standortänderungen können erhebliche Veränderungen der Empfangsqualität verursachen. Um diese Effekte klein zu halten, können beispielsweise Basisstationen mit zwei geringfügig versetzt angeordneten Antennen ausgestattet werden (Diversity). Der Abstand der beiden Antennen muss allerdings groß genug sein, um eine Korrelation der beiden Signale zu verhindern. Die Technik ist prinzipiell auch beim Mobilteil einsetzbar. Dabei werden zwei versetzte Antennen mit zwei Empfangsteilen eingesetzt, von denen immer die Antenne mit dem stärksten Signal verwendet wird. Da der erhöhte Aufwand aber pro Endgerät erbracht werden muss, wird meist die Basisstation entsprechend ausgestattet. Fading Zellulare Netzstrukturen Die großen landesweiten Mobilkommunikationsnetze haben einen regelmäßigen zellularen Aufbau. Jede Basisstation bildet durch ihre Funkfeldabstrahlung eine oder mehrere Zellen. Durch mehrere Funkzellen, die aneinander angrenzen und sich in den Randbezirken überlappen, können große, kontinentale Funknetze gebildet werden. Innerhalb einer jeden Zelle steht eine begrenzte Anzahl von Kommunikationskanälen zur Verfügung, die von den Mobilendgeräten bei Bedarf verwendet werden können. Zur Steigerung der Anzahl der Funkkanäle pro Fläche werden die Sender in ihrer Leistung und damit in ihrer Reichweite limitiert. Die typische Größe einer Funkzelle hängt vom jeweiligen Mobilkommunikationssystem ab, im GSM-Netz kann sie beispielsweise 350 m bis 35 km (im Durchschnitt sind es 6 km bis 8 km) betragen. Man macht sich dabei die stark zunehmende Dämpfung hochfrequenter, elektromagnetischer Wellen zunutze. Für jedes Mobilkommunikationssystem (wie GSM u.v.a.) sind bestimmte Frequenzbereiche aus dem insgesamt begrenzten Spektrum reserviert, die Regelmäßiger Aufbau