Mobilfunktechnologien GSM, HSCSD, GPRS, EDGE, UMTS etc. Dortmund, Juli 2003 Prof. Dr. Heinz-Michael Winkels, Fachbereich Wirtschaft FH Dortmund Emil-Figge-Str. 44, D44227-Dortmund, TEL.: (0231)755-4966, FAX: (0231)755-4902 1
Inhalt Seite Entwicklung der Telekommunikation 3 Mobilfunkentwicklung 5 Die erste Generation 6 Die zweite Generation 14 Die dritte Generation 37 Die vierte Generation 52 Vergleiche 59 Internetadressen 64 2
Entwicklung der Telekommunikation 180 v. Chr.: Griechische Feuertelegrafen erfanden ein codiertes Fackelsystem, mit dem sich Informationen übertragen ließen. 18. Jh.: Die optische Telegrafie wurde erst jetzt weiterentwickelt. Zwischen Paris und Lille entstand eine Telegrafenlinie mittels Zifferblättern und einem Gongsignal. Der Gong wurde später durch Farbflächen ersetzt. 1753: Die elektrische Telegrafie wurde erstmals von einem unbekannten Erfinder erwähnt. Er schlug vor, 24 Drähte zwischen Empfänger und Absender zu spannen. Jede Leitung stand dabei für einen Buchstaben des Alphabets. 1837: William F. Cooke und Charles Wheatstone errichteten den ersten Telegrafen entlang einer Eisenbahnlinie in England. 1844: Am 24. Mai wird die erste Nachricht über eine Morsetelegrafenanlage entlang der 64 Kilometer langen Bahnlinie Washington-Baltimore gesendet und kostet 1 Cent für vier Buchstaben. Der Maler Samuel Finley Breese Morse hatte zehn Jahre zuvor seinen ersten Telegrafen und das berühmte Morsealphabet vorgestellt (Punkt-Strich-Code). Als er durch eine Depesche erst eine Woche später vom Tod seiner Frau erfuhr, lies ihm die Idee, eine schnelle Datenübertragung zu finden, keine Ruhe mehr. 1849: In Deutschland wird die erste längere Telegrafenlinie von Berlin nach Frankfurt in Betrieb genommen. Die Technik beruht auf einer Weiterentwicklung von Werner Siemens und Julius Gustav Halske. 1866: Das erste Unterseetelegrafenkabel konnte zwischen Europa und Amerika verlegt werden. 1876: Der Amerikaner Graham Bell schaffte den technischen Durchbruch. Sein Telefon wurde auf der Weltausstellung in Philadelphia vorgestellt und ein Jahr später erstmalig benutzt. 3
... Entwicklung der Telekommunikation 1877: Heinrich Stephan führt das Telefon auch in Deutschland ein. Am 26.10.1877 gelang ihm, eine Sprechverbindung über 2 km herzustellen. Dieser Tag wird auch als Geburtstag der Telefonie bezeichnet. Daraufhin nahm die Entwicklung des Fernsprechwesens eine rasanten Lauf. 1881: Inbetriebnahme des ersten deutschen Fernsprechnetzes in Berlin mit 48 Teilnehmern. 1912: Baubeginn eines großen unterirdischen Fernkabelnetzes in Deutschland. 1918: Die Reichsbahn testet erstmals Mobiltelefone. 1933: Der öffentliche Fernschreibdienst (Telex) wurde 1933 mit der Linie Hamburg Berlin in Betrieb genommen. Dieses Netz war weltweit einmalig. 1936: In Berlin erfolgt die Umstellung auf Wählbetrieb. 1955: Die erste internationale Selbstwählferndienstverbindung von Deutschland in die Schweiz wird eröffnet. 4
Entwicklung des Mobilfunkes 1958: Die Deutsche Bundespost startet das A-Netz. Knapp 10.000 Privilegierte konnten sich damals ein Handy zum Preis eines Mittelklassewagens und monatlichen Grundgebühren von über 300 DM leisten. Gespräche werden von Hand vermittelt 1972: Das B-Netz wird von der Deutschen Bundespost in Betrieb genommen. 1985: Mit 800.000 Kunden und einem Handygewicht von 500 Gramm wird das in diesem Jahr in Betrieb genommene C-Netz ein großer Erfolg für den deutschen Mobilfunk. 1988: Die Deutsche Telekom führt ISDN ein. Mit diesem System ist es möglich, sämtliche Formen der Telekommunikation (z.b. Telefon, Fax, Computer) über eine einzige Leitung zu betreiben. Die Signale werden nicht mehr analog sondern digital über die Telefonleitung übertragen. 1989: Die Deutsche Bundespost stellt auf der Computermesse CeBIT den Cityruf als regulären Dienst vor. Damit begann die eigentliche Zeit der mobilen Telekommunikation. 1991: Die Telekom bietet das D-Netz an. Die Mobilfunktelefone werden von besonderen Funkvermittlungsstellen versorgt. Der Mobilfunksektor ist bisher der einzige Sektor, bei dem die Monopolstellung der Telekom aufgehoben ist. Geplant für 4 Mio. Kunden, heute sind es 13 Mio.. 1994: Das D-Netz (900 MHz) wird um das E-Netz (1800 MHz) ergänzt 1995: Die zweite Reform der Deutschen Bundespost tritt in Kraft. Die aus der ersten Postreform entstandenen drei Bereiche (Post, Telekom und Postbank) werden aus Wettbewerbsgründen in Aktiengesellschaften umgewandelt. Es entstehen die Gesellschaften: Deutsche Telekom AG, Deutsche Post AG und die Deutsche Postbank AG. 2000: Einführung von HSCSD : Surfen mit Modem-Speed 2001: Einführung von GPRS: Always Online 2003: Einführung von UMTS & EDGE: Farbige Displays für Streaming Video 5
Die erste Generation: Analoge Netze A-Netz 1958-1977 156-174 MHz 10.784 exkl. Teilnehmer analog, sehr teuer und unzuverlässig, Handvermittlung, Inkompatibilität in Europa. B-Netz 1972 1994 148-163 MHz 25.000 exkl. Teilnehmer analog, sehr teuer, (Grundgebühr 270,-- DM; 1,73 DM/Min.) unzuverlässig, Selbstwahl Inkompatibilität in Europa. C-Netz 1986 2000 450-465 MHz 900.000 Teilnehmer relativ günstig, vollautomatisch, eine Rufnummer für das ges. Gebiet, analog, zuverlässig, Inkompatibilität in Europa. 6
Die erste Generation: A-Netz 1958 wurde das analoge A1-Netz in Betrieb genommen. Netzabdeckung bis 1970: 80% der Bundesrepublik 95% der Bevölkerung Verbindungen in diesem Netz konnten nur innerhalb einer Funkzelle unterbrechungsfrei betrieben werden. monatlichen Grundgebühr: > 300 DM Anschaffungskosten bis zu 30.000 DM Standardgerät wog 16 kg. Frequenz: 156-174 MHz Die Netze A2 und A3 wurden zum weiteren Ausbau der Kapazität eingeführt, trotzdem war die Kapazitätsgrenze bei 11.000 Teilnehmern erreicht. Für die von Hand vermittelten Gespräche waren zuletzt 600 Personen nötig. je 18 Teilnehmer mussten also quasi einen Mitarbeiter ernähren. 1977 wurde das Netz abgeschaltet. 7
... Die erste Generation: A-Netz Eingebautes A Netz-Telefon voller Röhrenelektronik mit einem Gewicht von über 16 Kilogramm, Preis: 8.000 15.000 DM für das Standardgerät TeKaDe - B72 8
Die erste Generation: B-Netz Ab 1972 ermöglichte das B-Netz der deutschen Bundespost die Selbstwahl. analoge Sprachübertragung Anwahl erfogte über eine Funknetzkennzahl man musste wissen, wo sich der Gesprächsteilnehmer befindet erstes Netz mit Roaming Österreich, Niederlande, Luxemburg Anschaffungskosten betrugen 20.000 DM, die monatliche Grundgebühr 270 DM Frequenz: 148 163 MHz 1979 erreichte das B-Netz die Kapazitätsgrenze von 13.000 Teilnehmern. Es wurde um das B2-Netz ergänzt, welches aber 1986 mit 27.000 Teilnehmern ebenfalls ausgeschöpft war. 1995 wurde der Betrieb eingestellt. 9
... Die erste Generation: B-Netz Eingebautes B Netz-Telefon Um die 16 kg an Gewicht! Preis: um die 12.000 DM. 10
Die erste Generation: C-Netz 1986 kam das C-Netz auf den Markt Gerätepreise bei etwa 6.000 bis 8.000 DM Grundgebühr monatlich 120 DM Frequenz: 451 465 MHz Verbesserungen gegenüber seinen Vorgängern: die Gespräche wurden codiert übertragen die Kapazitätsgrenze lag bei immerhin 900.000 Teilnehmern es gab tragbare Endgeräte (ab 700 g) der Benutzer hatte eine SIM-Karte zur Verhinderung unberechtigter Benutzung der Anrufer musste den Aufenthaltsort seines Gesprächspartners nicht mehr kennen Ein Nachteil blieb die Inkompatibilität des Systems mit den Mobiltelefon-Systemen der Nachbarländer in Europa. 2000 wurde das C-Netz eingestellt. 11
... Die erste Generation: C-Netz Das C Netz C-Netz-Festeinbaugerät "Siemens C1" von 1985 Gewicht: 6,42kg (Sende/Empfangseinheit) C-Netzgerät "Siemens C3" von 1990/91 Gewicht 2,41kg Die Preise der Geräte liegen bei über 8.000 DM und später bei über 5.000DM. Dafür werden diese aber immer kleiner. So gibt es bald auch Geräte, die man außerhalb eines Fahrzeuges benutzen kann. Bei Gewichten um die 4-5 Kilogramm natürlich noch keine "Handys" 12
... Die erste Generation: C-Netz Das C- Netz Eingebautes C-Netz- Telefon Netz-"Handy" Philips "mini-porty" von 1992 Gewicht: 625g Kleinere Geräte wurden bald realisiert, welche man zumindest schon als Handys bezeichnete. 13
Die zweite Generation: Digitale Netze GSM Global System for Mobile Communication HSCSD High Speed Circuit Switched Data GPRS General Packet Radio Services EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution 14
Die zweite Generation: GSM 1982 setzte die CEPT (Vereinigung der europäischen Post- und Telekommunikationsdienstleister) eine Arbeitsgruppe ein, die einen einheitlichen Standard für die Mobilkommunikation in Westeuropa entwickeln sollte. Die Gruppe wurde Groupe Speciale Mobile (GSM) genannt, der Standard aber in "Global System for Mobile Communication" umbenannt. 11 Länder, 4 Arbeitsgruppen 1984 Gipfeltreffen in Bad Kreuznach zwischen Bundeskanzler Kohl und Staatspräsident Mitterand Einigung u.a. auf die Einführung eines digitalen Autotelefons 1987 Entscheidung für GSM (900 MHz) (Global System for Mobile Communication) Mit GSM wurde ein zentraler Standard für digitale, mobile Systeme (Handy) in Europa geschaffen, der weltweit Anerkennung gefunden hat. GSM benutzt FDMA/TDMA Technik. Um eine koordinierte Einführung von GSM sicherzustellen, unterzeichnen von den Netzbetreibern mehr als 100 Mitglieder aus 60 Länder haben einen Vertrag mit der wichtigsten Forderung, die netzübergreifende Funktion von GSM sicherzustellen (Roaming). Region Unterzeichner Länder Europa 57 29 Arabische Staaten 10 10 Asia-Pazifik Region 29 17 Afrika 6 6 Gesamt 102 60 15
... Die zweite Generation: GSM 1990 Aufbau der ersten Testnetze Einführung drittes Quartal 1991 Am 1.7.1992 gingen dann in Deutschland die Netze D1 und D2 an den Start. Erstmals gab es neben der Telekom mit Mannesmann Mobil auch einen privaten Anbieter. 1994 DCS (1800): Digital Cellular System Communication Das D-Netz (900 MHz) wird um das E-Netz (1800 MHz) ergänzt. Die wesentlichen Unterschiede lagen in den Frequenzbereichen. Diesen Standard nutzte zunächst nur E-Plus Seit 1998 kam noch Viag Interkom mit dem E2-Netz ("Genion") hinzu 1999 Erweiterung des D-Netz auf 1800 MHz erweitert: Dual-Band-Technologie Bewältigung des Handy-Booms in Deutschland dadurch konnten ca. 13 Mio. neue Teilnehmer an der rasanten Entwicklung teilnehmen. Da die meisten Handys heute mit beiden Standards zurecht kommen (Dual Band Handys), stellt dies kein Problem dar. 16
... Die zweite Generation: GSM Durch die Einführung von GSM/DCS wurde ein weltweiter Standard für digitale und zelluläre Netze zu etablieren. 2002 benutzen weltweit 500 Millionen Menschen GSM ein Handy 285 Millionen in Europa den Übertragungsstandard GSM (Global System for Mobile Communications) das GSM-Netz wird heute in über 140 Ländern weltweit genutzt 2003 sollen über eine Milliarde Mobilfunkgeräte in Gebrauch sein. 1999 Geräteumsatz: 60 Mio., 2006 Geräteumsatz: 6 Mrd. (Prognose) 17
... Die zweite Generation: GSM Aufbau des Netzes/ Technisches Verfahren: Core Network (Hintergrundnetz) Schnittstelle Mobilfunksystem / Telefonfestnetz Verwaltung der Nutzerprofile und ihrer Zugriffsrechte sowie Informationen über Aufenthaltsort Authentifizierung des Handy-Nutzers beim Einbuchen Erfassung der Gesprächsgebühren Radio Access Network (Zugangsnetz) Verwaltung der Kapazitäten auf der Luftschnittstelle Datenübertragung über die Luft Wesentliche Vorteile: die knappe Ressource Funkfrequenz konnte durch modernste digitale Modulationstechniken sparsam eingesetzt werden durch digitale Übermittlung ließ sich der Leistungsbedarf von Basisstationen und Mobilgeräten drastisch reduzieren zuverlässige und preisgünstige Lösungen für Geräte durch die digitale Technik 18
... Die zweite Generation: GSM Der Übertragungsweg 19
... Die zweite Generation: GSM Die Nutzung der Datendienste im Mobilfunkbereich Datenrate: theoretisch / geschätzte mittlere 9,6 kbit/s / 9,6 kbit/s Juni 1999: Einführung des ersten WAP-fähigen Handys Erstmals war die Übertragung kleiner Internetseiten unter Verwendung des GSM-Standards möglich. 2000: Akzeptanz der Datendienste bei lediglich 2% der GSM Nutzer Hohe Kosten Langsame Datenübertragung Erst seit Anfang 2001 verzeichnen die Betreiber höhere Akzeptanz der Dienste Grund: schrittweise Einführung von neuen Technologien wie HSCSD und GPRS 20
Die zweite Generation: HSCSD High Speed Circuit Switched Data als erste Weiterentwicklung von GSM arbeitet mit den gleichen Frequenzen. erhöht die maximal zu übertragene Datenmenge je GSM-Kanal. ein HSCSD-Kanal erhöht den Datendurchsatz auf 14,4 kbit/s es können vier Kanäle gebündelt werden, um so die Geschwindigkeit auf bis zu 57,6 kbit/s zu steigern allerdings werden während einer Verbindung diese Kanäle fest belegt Kapazitäts-Ressourcen des Netzes werden damit blockiert, selbst wenn sie nicht genutzt werden HSCSD benötigt nur relativ geringe Investitionen durch den Netzbetreiber im wesentlichen nur Software-Erweiterungen erforderlich 21
Die zweite Generation: HSCSD HSCSD High Speed Circuit Switched Data Netzbetreiber: E-Plus, Viag Interkom (seit Anfang 2000) D2 Mannesmann/Vodafone (ab Oktober 2000) Mobiltelefonanbieter Nokia: Card Phone 2.0 Ericsson 22
... Die zweite Generation: HSCSD Funktionsweise von HSCSD (High Speed Circuit Switched Data-Protocol) 23
... Die zweite Generation: HSCSD HSCSD Anwendungen 24
Die zweite Generation: GPRS GPRS (General Packet Radio Services) ist als Erweiterung des GSM-Netzes das erste Mobilfunkverfahren für Internet - Anwendungen Paketvermittelte Datenübertragung ermöglicht eine höhere Übertragungsgeschwindigkeiten theoretisch bis zu 115 kbit/s Die Daten werden in Pakete verpackt, die je nach Bedarf und Kapazität über den Äther gehen. Beim Empfänger werden diese Datenpakete wieder zusammengesetzt. Anders als bei dem jetzigen GSM-Standard ist der Nutzer permanent online Always-on/Always-connected -Betrieb Beim GSM-Standard wird für die Dauer der Verbindung ein Kanal zwischen Mobiltelefon und Basisstation belegt Intelligente Anwendung von Kanalbündelung mit max. acht Datenkanälen Ein Kanal wird auf mehrere Nutzer aufgeteilt Bei Datenzugriff kann er gleichzeitig acht Funkkanäle nutzen Nur nach Bedarf werden Daten übermittelt, ansonsten kann der Kanal von anderen Geräten genutzt werden. Da kein Kanal dauerhaft belegt wird, kann man sich einmal in eine Datenverbindung in das Internet, das Intranet oder die Mailbox einwählen. Nur nach Bedarf werden dann Daten übermittelt, wenn etwa eine neue E-Mail gesendet oder empfangen wird oder man eine neue Internet-Seite aufruft. Bezahlung über Datenvolumen: nur nach wirklich übertragener Datenmenge und nicht nach Verbindungszeit 25
... Die zweite Generation: GPRS GPRS General Packet Radio Service Technische Voraussetzungen: Nur geringe Eingriffe in die GSM-Infrastruktur aber spezielle Endgeräte Netzbetreiber: D1, D2, E-Plus, VIAG-Interkom (alle seit Anfang 2001) Für alle ist diese Technik ein wichtiger Zwischenschritt, da die paketorientierte Übertragung für die weitere Entwicklung des Mobilfunkgeschäfts die Plattform darstellt. Neue Tarifsysteme: statt Verbindungsdauer nun übertragene Bits Mobiltelefonanbieter Motorola: Timeport 260 Alcatel, Nokia, Ericsson, Siemens Kombigeräte: HSCSD/GPR 26
... Die zweite Generation: GPRS Funktionsweise von GPRS (General Packet Radio Service) 27
... Die zweite Generation: GPRS GPRS-Anwendungen 28
... Die zweite Generation: GPRS Der Aufbau von GPRS-Technik in GSM-Netzen erfordert teure Hard- und Software- Erweiterungen Können allerdings bei der zukünftigen Installation von UMTS durch Updates erneut genutzt werden Daher wird die Evolutionsstufe HSCSD von den meisten Netzwerkbetreibern vernachlässigt. Besonders die E-Netze (DCS 1800) sind hier die Vorreiter Vorrangig das VIAG-Interkom-Netz Dabei Übertragungsraten, sogar unter Laborbedingungen, von nicht mehr als 32 Kbit/s Quelle: Connect 23/2001 29
... Die zweite Generation: GPRS und HSCSD HSCSD und GPRS im Vergleich HSCSD ist die optimale Lösung für zeitkritische Anwendungen z.b. Metaframe, Video die Übertragung von großen Datenmengen z.b. E-Mail, Präsentationen, Internet, Intranet, GPRS ist die optimale Lösung für die Übertragung von kleinen Datenmengen WAP, kurze Datenbankabfragen Location Based Services Übermittlung personalisierter Informationen PDA Synchronisierung Bildübertragung Remote Access über Einwahlverbindungen 30
Die zweite Generation: EDGE EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution) ist die letzte Erweiterung des GSM-Netzes Setzt auf HSCSD/GPRS-Technik auf und wird deshalb auch als 2,5-te Generation bezeichnet Von Ericsson und später auch von Nokia entwickelt Technische Eigenschaften: Bündelung von Übertragungskanälen wie bei HSCSD und GPRS aus HSCSD wird ECSD Enhanced Circuit Switched Data und aus GPRS wird EGPRS Enhanced General Packet Radio Service Nochmalige Verbesserung der Übertragungsrate (bis 48 kbit/s pro Kanal, max. 8 Kanäle) Theoretische Datenübertragung von 473 kbit/s bei 8 Kanälen, geschätzte mittlere Übertragungsrate ca. 170 Kbit Benötigt ein neues Endgerät EDGE gilt als Vorläufer von UMTS ähnliche Transfer-Raten wie UMTS kann zudem die bestehenden Mobilfunknetze nutzen Nutzt den Frequenzbereich der GSM-Technik: 200 KHz statt 5 MHz wie bei UMTS 31
... Die zweite Generation: EDGE Netzbetreiber: bisher keine in Deutschland AT&T in den USA Mobiltelefonanbieter Ericsson, Nokia, Alcatel, Motorola 32
... Die zweite Generation: EDGE EDGE im Vergleich zu UMTS und seinen Vorgängern Vorteile: Höhere Datenübertragungsraten als beider vorherigen Systemen UMTS wird nur in gut versorgten Gebieten und stationär (< 10 km/h) schneller sein. EDGE ist wesentlich kostengünstiger zu realisieren als UMTS, daher ist EDGE eine gute Alternative für Provider, die keine UMTS-Lizenzen ersteigert haben. Nachteile: Das Frequenzband von GSM, welches von EDGE genutzt wird, reicht schon mittelfristig nicht aus. Höhere Anfälligkeit für Übertragungsstörungen. Daher wird bei Störungen auf die GSM- Technik zurückgeschaltet. 33
... Die zweite Generation: EDGE Zukunftaussichten für EDGE Die Marktreife des Standards wurde für 2002 prognostiziert. Die Netzbetreiber haben schon soviel Kapital in UMTS investiert, dass sie nicht bereit sind, Kapital in eine Technik zu investieren, die kurze Zeit später von UMTS abgelöst wird. Für neue Netzbetreiber oder Provider ohne UMTS-Lizenzen kann EDGE eine wesentlich günstigere und technisch gute Alternative zu UMTS darstellen, da man die bestehende Infrastruktur mit leichten Modifikationen weiter nutzen kann und keine teuren Lizenzgebühren investieren muss. Der Ausbau des UMTS-Netzes wird noch einige Zeit in Anspruch nehmen. Es erscheint sinnvoll, Erfahrung mit der EDGE-Technik zu sammeln und dem Endkunden eine bessere Technik bis zum UMTS-Zeitalter zur Verfügung zu stellen. Kein deutscher Netzbetreiber hat bisher vor, EDGE zu nutzen. 34
... Die zweite Generation: EDGE oder HSCSD oder GPRS Keiner der derzeitigen deutschen Netzbetreiber will EDGE einführen, sondern stattdessen sofort mit UMTS starten. D2-Privat setzt auf HSCSD und GPRS T-Mobil GPRS aber weder HSCSD noch EDGE E-PLUS HSCSD und GPRS aber nicht EDGE VIAG Interkom HSCSD und GPRS aber nicht EDGE Motorola Nokia HSCSD für Übergangszeit sinnvoll, EDGE stellt eine gute Ergänzung da Abhängig von den Diensten d.h. nicht nur für die Übergangszeit zu gebrauchen 35
... Die zweite Generation: EDGE oder HSCSD oder GPRS Welche Technik eignet sich für welche Anwendung? 36
Die dritte Generation 37
Die dritte Generation: UMTS Die dritte Generation der Mobilfunktechnologie auch als "3G" abgekürzt - wird mit dem neuen UMTS-Standard (Universal Mobile Telecommunications System) erreicht. Ermöglicht wesentlich höhere Datenübertragungsraten als bisherige Systeme, wodurch sich neue Einsatzmöglichkeiten (wie Bildtelefonie) ergeben Paketorientierte Datenübertragung, es wird nicht mehr nur ein fester Kanal benutzt, sondern mehrere Kanäle gleichzeitig, Sender und Empfänger handeln im Vorfeld einen Code aus, um sich zu verständigen Man ist immer online, d.h. eine Einwahl ist nicht mehr nötig ( Always on, always connected ) Abrechnung erfolgt nicht mehr nach Zeit, sondern Datenvolumen Weltweit einheitlicher Standard International Mobile Telecommunications at 2000 MHz (IMT 2000) der International Telecommunication Union (ITU) als Vision Einführung: ab 2002/2003 38
Die dritte Generation: UMTS Technische Einzelheiten zu UMTS Universal Mobile Telecommunications System Datenrate: theoretisch / geschätzte mittlere 2 Mbit/s / 240 kbit/s High Multimedia 2 Mbit/s ; paketvermittelt; bis max. 10km/h Medium Multimedia 384 kbit/s ; leitungsvermittelt ; bis max. 120 km/h Anwendungsbereich: Websurfen, Nutzung künftiger Multimedia-Dienste, Video Streaming High Interactive Multimedia 128 kbit/s ; leitungsvermittelt Anwendungsbereich: bidirektionale Bildtelefon-Verbindungen Sprache 16 kbit/s ; leitungsvermittelt Switched Data 14,4 kbit/s ; leitungsvermittelt Anwendungsbereich: gezielte Abfrage von Mailservern Simple Messaging 14,4 kbit/s ; paketvermittelt Anwendungsbereich: Nachfolger für SMS und mobilfunkgestützte E-Mail-Dienste 39
... Die dritte Generation: UMTS Die Auktion der UMTS-Lizenzen vom 31. Juli 17. August 2000 Voraussetzungen, um eine Lizenz erwerben zu dürfen: Multimediafähigkeit, Effizienter Internetzugang, Hohe Sprachqualität Versorgung von 50% der Bevölkerung bis 2005, 75% bis 2007 E-Plus Hutchison, Group 3G, Mannesmann Mobilfunk, MobilCom, T-Mobil sowie VIAG Interkom erhielten UMTS-Lizenzen, MobilCom hat seine Lizenz inzwischen zurückgegeben Der Gesamterlös betrug ca. 100 Milliarden DM (!). Grund: 11 Bewerber bei 6 Lizenzpaketen trieben Preise in die Höhe (Konkurrenzdruck) Dubiose Rolle der Deutschen Telekom Vergleich mit anderen Ländern: Finnland: kostenlose Vergabe Österreich: 1,399 Mrd. DM Niederlande: Erlös: 5,3 Mrd. DM Großbritannien: Erlös: 75 Mrd. DM Zusammen mit den Kosten für die Infrastruktur sind damit Vorleistungen zu erbringen, die eine zügige Amortisation der Aufwendungen sehr unwahrscheinlich machen. Es fehlt noch an einleuchtenden Anwendungen für die höheren Übertragungsraten. Misserfolg von WAP und das mäßige Interesse an 2,5G-Handys lassen dietelekommunikations-unternehmen mittlerweile das Schlimmste befürchten. Zudem werden die W-LANs immer mehr zur kostengünstigen Alternative für UMTS 40
... Die dritte Generation: UMTS Weltweit kein einheitlicher Standard: 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250 MHz 1885 1900 1980 20102025 2110 2170 2200 ITU Allocations IMT 2000 MSS IMT 2000 MSS 1880 Europe GSM 1800 DECT UMTS MSS UMTS MSS WLL WLL China GSM 1800 IMT 2000 MSS IMT 2000 MSS Japan Korea (w/o PHS) North America 1893 1919 PHS PCS IMT 2000 A D B E F C A D B E F C MSS 1990 MSS IMT 2000 Reserve 2160 M D S MSS MSS MSS = Mobile Satellite Services MDS = Multipoint Service/ Mobile Data Service 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250 MHz 41
... Die dritte Generation: UMTS Weltweit kein einheitlicher Standard: Unterschiedliche Frequenzbereiche von UMTS Gepaarte Frequenzen: 2 x 60 MHZ = 12 Pakete (UTRA-FDD-Systeme) Uplink: 1920 1980 MHZ Downlink: 2110 2170 MHZ Ungepaarte Frequenzen: 1 x 25 MHZ = 5 Pakete (UTRA-TDD-Systeme) 1900 1920 MHZ und 2020 2025 MHZ Satellitenanbindung (optional für die Zukunft) Uplink: 1980 2010 MHZ Downlink 2170 2200 MHZ 42
... Die dritte Generation: UMTS Durch die höhere Bandbreite ist UMTS weniger anfällig für Störungen als GSM 43
... Die dritte Generation: UMTS UMTS ermöglicht eine theoretische Datenübertragungsrate von bis zu 2 MBit/s Entspricht ca. der 30-fachen ISDN-Geschwindigkeit Die tatsächlich erreichbare Übertragungsrate ist jedoch abhängig von mehreren Faktoren: Geschwindigkeit des Empfängers Entfernung des Empfängers vom Sendemast Größe der Zelle/Nutzer pro Zelle Eine Netzzelle ist eine vom Sendemast umgebene Fläche. Diese sollte möglichst klein sein. 44
... Die dritte Generation: UMTS Die Übertragungsrate ist stark abhängig von der Geschwindigkeit, mit der sich der Empfänger bewegt. Man unterscheidet drei Ebenen: Pikozone bis 10 km/h bis 2 Mbit/s Ausdehnung: 60 m Mikroebene bis 120 km/h bis 384 Kbit/s Ausdehnung: 1 km Makroebene Bis 500 km/h bis 144 Kbit/s Ausdehnung: 2 km Die größte Übertragungsrate von 2 Mbit/s wird praktisch nur in sogenannten Hot Spots (z.b. Flughäfen) erzielt werden können. 45
... Die dritte Generation: UMTS UMTS-Klassengesellschaft Abhängig vom abgeschlossenen Vertrag werden die UMTS-Nutzer in drei Klassen unterteilt: Der Golden User wird bei der Vergabe von Kanälen bevorzugt behandelt, dem Silver User und dem Brown User können je Netzbelastung Kanäle entzogen werden. Golden User Silver User Brown User Maximale Bitrate 384 kbit/s 144 kbit/s 144 kbit/s Garantierte Bitrate 144 kbit/s 64 kbit/s 16 kbit/s 46
... Die dritte Generation: UMTS Die UMTS-Technik benötigt eine völlig neue Infrastruktur. Die komplette Hardware muss ausgetauscht werden, Handys Sendemasten, Rechner für Internetzugänge Es herrscht daher hoher Wettbewerbsdruck bei den Netzausrüstern wie Siemens, Nokia usw. Die Neuinvestitionen werden europaweit ca. 150 Mrd. kosten Der Aufbau der Netze erfolgt nach und nach, die bisherige Infrastruktur wird parallel zu UMTS genutzt. Die Handys sind abwärtskompatibel zu vorherigen Techniken. Zunächst werden nur die Ballungsgebiete mit UMTS-Technik versorgt, erst später die ländlichen Bereiche. Aus Kostengründen wird nicht das komplette Land mit UMTS-Technik ausgerüstet werden. Daher wird man die UMTS-Vorteile nicht überall nutzen können. Um die Gesamtfläche erschließen zu können, wird geplant, später Satelliten einzusetzen. 47
... Die dritte Generation: UMTS Designstudien für UMTS-Handys Die ersten Studien sahen sehr futuristisch aus, mittlerweile sind sich die Fachleute einig, dass sich die UMTS-Handys bis auf größere Displays optisch nicht wesentlich von den heutigen Handys unterscheiden werden, Einige frühe Designbeispiele: Nokia Siemens Alcatel Ericsson 48
... Die dritte Generation: UMTS Angedachte UMTS-Dienste Bildtelefonie Videokonferenzen Standortbasierte Dienste Online Wörterbuch, Bibliothek etc. Audio/Video/Spiele On Demand Virtuelle Führungen Nofall-Dienste Mobile Office: Das mobile Büro Lokalisierung von Personen Telematikdienste (Straßenkarte etc.) Überwachungsdienste 49
... Die dritte Generation: UMTS Vorteile Nachteile Wesentlich höhere Datenübertragungsraten Schnellerer Internetzugang Bessere Sprachqualität Verbesserte Reichweite in Zellen durch dynamische Ratenanpassung Verbesserte Qualität des Rufaufbaus Datenrate je nach Bedarf Viele Dienste werden erst durch UMTS möglich Besserer Schutz gegen Störungen durch breiteres Frequenzband Sehr hohe Kosten für die Netzbetreiber (Lizenzen und Infrastruktur) Dadurch bedingt hohe Kosten für Endkunden Neue Infrastruktur: Späte Verfügbarkeit der Endgeräte ( Huhn-Ei-Problem ); Schwierigkeiten beim Neuaufbau Begrenzte Netzabdeckung Kunde sieht den Nutzen nicht unbedingt Brauche ich Video On Demand? 50
... Die dritte Generation: UMTS Mögliche UMTS-Killer: Kosten: Die Lizenzgebühren und Kosten für die neue Infrastruktur sind extrem hoch. Man muss diese Kosten abdecken können Netzausbau: UMTS wird vorerst nur in Ballungsgebieten ausgebaut und auch später nicht flächendeckend (evtl. durch Einsatz von Satelliten) Netzqualität: Datenübertragungsrate ist stark von der Geschwindigkeit des Empfängers abhängig. UMTS ist häufig nicht schneller als GPRS im Endstadium Endgeräte: kommen zu spät oder sind zu teuer Anwendungen: Spezielle UMTS-Dienste werden nicht angenommen. Der Kunde sieht den Nutzen nicht oder ist nicht bereit, dafür zu zahlen. Derzeit keine Killer-Applikationen 51
Die vierte Generation: Zukunftsperspektiven Die vierte Generation (4G) mobiler Telekommunikationsgeräte soll UMTS nicht ersetzen, sondern ergänzen und attraktiver machen. Schwerpunkt eher auf Diensten zur Datenübertragung wie dem Internet als auf Mobilfunkfunktionen Datengeschwindigkeiten bis zu zehn Megabit pro Sekunde sollen an sog. HotSpots anfangs möglich sein. Neue Kommunikationsgeräte ( Display-Brille; Mikrofon,Ohrhörer- Schmuckstücke) bilden das drahtlose, sprachgesteuerte PAN (Personal Area Network) Das PAN System kann innerhalb bestimmter Reichweiten Daten mit Computern, Handys oder Haushaltsgeräten austauschen. So kann z.b. der Kühlschrank seinem Besitzer melden, dass neue Milch gekauft werden muß, da sie sich dem Ende neigt. Der Datenaustausch zwischen verschiedenen 4-G-Geräten bietet weitere Möglichkeiten. Kommen best. Gegenstände wie ein Mietwagen in Reichweite, bietet 4 G aktiv seine Hilfe an: Wollen Sie diesen Wagen mieten? Falls ja, kann der Wagen über die Rechnung des Netzbetreibers bezahlt werden. Die japanische Industrie arbeitet zusammen mit der Regierung an der vierten Mobilfunkgeneration. Die beteiligten Unternehmen NTTDoCoMo, KDDI und Japan Telecom erklärten die vierte Generation unter dem Namen Moto-Media werde eine Ultrahochgeschwindigkeits -Kommunikation ermöglichen, die 10.000 Mal schneller als der momentane mobile I-Mode Internetdienst ist. Übertragungsmengen von bis zu 20 Mbit/s sollen das Spektrum von Multimedia-Anwendungen für mobile Endgeräte vergrößern und die Ausnutzung der Netzressourcen optimieren. Ein erstes Testnetz könnte in Japan schon in 7 Jahren seinen Betrieb aufnehmen 52
Die vierte Generation: UMTS Plus Die UMTS Datenübertragungsrate von bis zu 2 MBit/s (32fache ISDN-Geschwindigkeit) läßt sich nur im Labor erzielen. Teilen sich mehrere der maximal möglichen 45 Handynutzer eine Funkzelle oder fährt der Teilnehmer beispielsweise im Zug, entpuppt sich die Datenautobahn als löchriger Feldweg mit nur 128 kbit/s. In Europa beteiligen sich Siemens, Ericsson und Alcatel SEL an der Forschungsgruppe UMTS Plus. Entwicklung der Übertragungstechnik Hiperlan2 53
Die vierte Generation: Hiperlan2 Der Übertragungsstandard der vierten Mobilfunkgeneration soll sich aus den Computerfunknetzwerken entwickeln. Diese drahtlosen, jedoch noch nicht öffentlichen Betriebsfunknetze arbeiten im Mikrowellenbereich mit kleiner Sendeleistung und geringer Reichweite von wenigen 100 Metern. Ein derzeitiges Manko ist die mit ein bis elf Mbit/s immer noch recht geringe Bandbreite. Dies soll mit dem Hiperlan2 (High Performance European Radio LAN) Netz künftig geändert werden. Bosch, Dell Ericsson und Nokia wollen im Hiperlan2 zunächst Übertragungen mit 25 MBit/s, später sogar mit 100 bis 150 MBit/s ermöglichen. Das Halbleiterunternehmen Harris Semiconductor hat einen Chipsatz entwickelt, mit dem es vielen Funktechnikanbietern leichter fallen wird, Hiperlan-Produkte auf den Markt zu bringen eine Art Fertigbausatz für Elektronikplatinen-. Mittels eines kleinen Einsteckmoduls können so beinahe alle Multimediageräte zu mobilen Kommunikationsterminals aufgerüstet werden. 54
Die vierte Generation: Hochgeschwindigkeitsnetze Grundproblem: Je höher die Frequenz und die Bandbreite, desto geringer ist die überbrückbare Entfernung. UMTS Funkzelle mehrere hundert Meter, Hiperlan nur bis zu 200 Meter Ein flächendeckendes, bundesweites Breitband-Mobilfunknetz benötigt neue Frequenzen. UMTSplus Ableger COMCAR (Communication and Mobility by Cellular Advanced Radio) hofft auf die Freigabe der terristrischen erdgebunden Fernsehfrequenzen im Jahr 2010. Erricsson, Sony und Daimler Chrysler arbeiten schon heute an neuen Breitbandverfahren wie DVB-T( Digital-Video Broadcasting Terrestrial), die den Übertragungsweg zum Endgerät abhängig von der anfallenden Datenmenge wählen. 55
Die vierte Generation: Hochgeschwindigkeitsnetze Hiperlan2 & COMCAR 56
Die vierte Generation: Das Handy als Basisstation Grundprobleme der Zukunft: Extrem hohe Frequenzen, die für die Übertragung von bewegten Videobildern benötigt werden, kommen um keine Hausecke mehr herum. Die Zahl der Basisstationen läßt sich nicht beliebig vervielfachen. Es liegt daher nahe, das Handy selbst zur Basisstation werden zu lassen. In wenigen Sekunden gelangen die Nachrichten von Endgerät zu Endgerät zum Empfänger. An der RWTH Aachen wird bereits über ein derartiges Multihopnetz aus einer Kette von vielen kleinen Sendestationen mit winzigen Mikrozellen von wenigen Metern nachgedacht. Man rechnet damit, dass ein solches Netz kaum teurer sein wird als UMTS 57
Gemeinsamkeiten bei der Datenübertragung von GPRS, EDGE und UMTS Prioritäten für verschiedene Dienste Acknowledged mode Dienste wie Datenübertragung oder E-Mail Conversational class Sprachdienste und Videotelefonie sehr kleine Datenpakete (rund 35 Byte) in Abständen von 20 Millisekunden Interactive class Web-Surfen und Zugriffe auf Datenbank-Server Datenaufkommen: bündelartig, fehlerfrei und vollständig bei möglichst kurzer Verzögerung Streaming class Video- und Multimedia-Anwendungen Erforderliche Datenraten: viel höher als bei Sprachkommunikation 58
Die erste und zweite Generation im Vergleich Inbetriebname Abschaltung Bemerkung Betreiber Frequenzbereich A - Netz 1957 1972 Integration in Telecom 30, 80, 160 MHz B - Netz B-Netz 1972 31.12.1994 Integration in Telecom 156...175 MHz D1 - Netz C - Netz 1986 2000/2005 Integration in Telecom 450 MHz D1 - Netz D1 - Netz 1992 Netzausbau Telecom 900 MHz bis Ende 1994 D2 - Netz 1992 Netzausbau Mannesmann 900 MHz bis Ende 1994 Mobilfunk E - Netz 1994 Netzausbau E- Plus 1800 MHz bis Ende 1996 Mobilfunk Tabelle: Überblick über die Mobilfunkgenerationen. [Eisenberg et al. 1994, 9] 59
Mobilfunktechniken im Vergleich GSM HSCSD GPRS UMTS FFD 1 UMTS TDD 2 EDGE theoretische Spitzendaten- 9,6 kbit/s 76,8 kbit/s 160 kbit/s 384 kbit/s 2 MBit/s 473,6 kbit/s rate zum Handy geschätzte mittlere 9,6 kbit/s 38 kbit/s 60 kbit/s 240 kbit/s 1 MBit/s 170 kbit/s Datenrate 0 max. Anzahl von Nutzern ca. 45 ca. 11 ca. 11 ca. 9 1 ca. 11 mit max. Datenrate Zelle Rückwärtskompatibilität - ja ja ja mind.zu GSM ja der Handys GPRS,EDGE Infrastruktur existierende Erweiterung Erweiterung überw.neue neue Erweiterung D-&E-Netze Infrastruktur Infrastruktur neue /zusätzliche - nein nein abhängig von abhängig von abhängig von Standorte Datenrate Datenrate Datenrate neue Hardware - wenig wenig benötigt benötigt vorhanden neue Software - vorhanden vorhanden benötigt benötigt vorhanden Einführung 3.Q. 1991 1.Q.2000 3.Q.2000 2002/2003 2002/2003? 1 beweglicher Teilnehmer 2 stationärer Teilnehmer 60
Mobilfunktechniken im Vergleich: Übertragungsgeschwindigkeit 61
Mobilfunktechniken im Vergleich: Übertragungsraten 62
Zusammenfassung Das GSM-Netz wird auch in Zukunft seinen Platz im Mobilfunk haben. Es wird also nicht abgestellt, sondern wird die anderen Technologien ergänzen. Durch die neuerdings realisierten Übertragungsraten von HSCD und GPRS werden neue Anwendungs-Möglichkeiten geschaffen. Ob sich UMTS durchsetzen wird, hängt neben der technischen Realisierung in erster Linie von der ökonomischen Akzeptanz beim Nutzer ab. Technische Probleme bei der realisierung der Höchstgeschwindigkeit Aufgrund der immensen Investitionen sind Zweifel bei der Akzeptanz der zu erwartenden Preise angebracht. W-LANS in Verbindung mit GSM-technik entwickeln sich zu einer ernstzunehmenden Alternative 63
Internetadressen Netzbetreiber: http://www.d2vodafone.de http://www.t-mobil.de http://www.eplus-online.de http://www.interkom.de http://www.mobilcom.de http://www.hutchison.de http://www.group3g.de http://www.att.com Handyanbieter: http://www.nokia.de http://www.my-siemens.com http://www.ericsson.de http://www.sony.de http://www.motorola.de http://www.alcatel.de 64
Internetadressen Sonstige Adressen: http://www.umts.de http://www.gmx.de http://www.mobilfunk.de http://www.handy.de http://www.zdnet.de/mobile/artikel/tkomm/200008/umts01_11-wc.html http://www.dafu.de/redir/redir-edge.html http://www.systems.de/deutsch/presse/content/pressetexte/pil18.html http://www.buergerwelle.de/d/doc/technik/umts-tec.html http://northstream.handy-tabelle.de/archiv/northstr1628.html http://www.com-online.de/computer/lexikon/e/edge.html 65
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