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06.04.2001 - 

Mobilfunk/Mobilfunktechniken im Zusammenspiel

Die Kunst des Netzdesigns

Kürzel wie GSM, GPRS, EDGE, UMTS oder WAP machen den Mobilfunk zu einem undurchsichtigen technischen Gestrüpp. Grund genug, genauer zu beleuchten, welche Techniken hinter den Buchstaben stehen und wie sie einander ergänzen. Von Michael Strauß*

Mit der Netztechnik Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), die vergangenes Jahr durch die Auktion in Deutschland für Furore sorgte, wird allgemein der endgültige Aufbruch in die mobile Datenwelt erwartet. Doch abgesehen von Videotelefonie, Videoclips oder Music-on-demand ist heute kein Service im mobilen Umfeld bekannt, der nicht auch schon mit dem Vorläufer General Packet Radio Service (GPRS) verfügbar sein könnte. GPRS ist eine Übertragungstechnologie, die den sprachbasierenden Mobilfunkstandard Global System for Mobile Communication (GSM) datenfähig macht. Die dabei verwendete Paketvermittlung bedeutet eine bessere Ausschöpfung der Funkressourcen, da keiner der Teilnehmer konstante Anforderungen an hohe Übertragungsbandbreiten hat. Wenn kein Datentransfer stattfindet, werden somit keine Ressourcen belastet. Für den Kunden bedeutet dies, dass er nur noch für diejenige Menge an Daten bezahlt, die er aus dem Netz lädt, und nicht mehr für den schleppenden Seitenaufbau, der heute die Einwahl oft noch zur Tortur macht.

Leichte Migration auf UMTSGPRS ermöglicht eine relativ einfache Migration zu UMTS, da zum Teil die gleichen Netzwerkelemente, Services sowie Abrechnungs- und Zahlungsmethoden wieder verwendet werden können. Die Hard- und Software-Upgrades, die Netzbetreiber bei der gegenwärtig stattfindenden Einführung von GPRS-Technik in GSM-Netzen benötigen, sind bei der späteren Installation der UMTS-Netze erneut nutzbar.

Bei heute im Einsatz befindlichen GSM-Mobilfunksystemen wird die Anbindung an das Festnetz über ein Gateway Mobile Switching Center (GMSC) realisiert (siehe Grafik "Heterogene Netzstruktur"). Von dort gelangt ein Ruf über verschiedene Mobile Switching Center (MSC) zu einer Basisstation (Base Station Subsystem, BSS) und wird durch die Luft ausgesendet. Das BSS besteht dabei aus verschiedenen Base Station Controller (BSC) und Sendeempfangsstationen (BTS).

Der Aufenthaltsort sowie die Präferenzen des jeweiligen mobilen Teilnehmers sind dem Home Location Register (HLR) bekannt, dessen wichtigste Daten im jeweiligen Visitor Location Register (VLR) aus Performancegründen gespiegelt sind. Das Authentication Center (AUC) überprüft die Berechtigung des Teilnehmers und das Equipment Identity Register (EIR) testet, ob das verwendete Mobilteil als gestohlen gemeldet wurde.

Erweitert man GSM um GPRS, bildet der Gateway GPRS Support Node (GGSN) die Schnittstelle zu anderen öffentlichen Datennetzwerken wie dem Internet. Der GGSN entkapselt die vom GPRS-Netz kommenden Datenpakete und sendet sie an die nächste Instanz des öffentlichen Netzes. Das Border Gateway (BG) stellt die Verbindung zu anderen GPRS-Netzen her und ermöglicht somit auch das Roaming in andere Netze. Der Serving GPRS Support Node (SGSN) übernimmt das Routing der Pakete innerhalb des GPRS-Netzes. Der SGSN kennt immer die temporäre Adresse des mobilen Teilnehmers und identifiziert alle neu hinzukommende GPRS-Endgeräte in seinem Zuständigkeitsbereich. Außerdem übernimmt der SGSN die Umsetzung der Protokolle zwischen dem IP-Core- und dem Mobilfunknetz.

Carrier begrenzen Transferrate für DatenTheoretisch ist bei GPRS eine maximale Datenrate von 171,2 Kbit/s bei dem Codierungsschema 4 (CS4 - 21,4 Kbit/s je Zeitschlitz), möglich. In diesem Fall würden über jeden der acht Timeslots 21,4 Kbit/s transportiert. Allerdings setzen deutsche Mobilfunkbetreiber lediglich die Schemata CS1 und CS2 mit 9,05 Kbit/s beziehungsweise 13,4 Kbit/s je Zeitschlitz ein und erreichen damit theoretisch 107,2 Kbit/s. In der Realität wird man jedoch bei den ersten Rollouts nur 20 bis 30 Kbit/s erwarten können.

Die ersten Systeme und Endgeräte waren ursprünglich für Ende 1999 vorgesehen. Technische Schwierigkeiten führten jedoch immer wieder zu Verschiebungen, so dass letztendlich erst in diesem Jahr der kommerzielle Betrieb begann. Sowohl die Infrastruktur als auch die Endgeräte können nicht das gesamte Leistungsspektrum ausschöpfen. Die ersten GPRS-fähigen Endgeräte wie beispielsweise das Motorola Timeport 260 nutzen nur zwei Zeitschlitze in Richtung Handy (Downlink) und einen im Uplink. Auch die Netze sind größtenteils lediglich auf maximal vier Zeitschlitze ausgelegt. Mittelfristig wird man ISDN vergleichbare 60 Kbit/s erreichen. Das hängt jedoch davon ab, ob die Betreiber eine höhere Datentransferrate oder die Sprachkapazität für wichtiger erachten. Bedenkt man, dass die Carrier mehr als 90 Prozent ihres Umsatzes mit Sprache generieren, dürfte ihr primäres Interesse sein, Gespräche nicht zu blockieren.

EDGE: Alternative zu UMTSEin weiterer wesentlicher Geschwindigkeitsschub lässt sich mit der Einführung von EDGE erzielen. Mit EDGE sollen die mit UTMS erreichbaren Datenraten auch in GSM-Netzen realisiert werden. EDGE kann unabhängig vom Backbone in paket- (GPRS) oder leitungsvermittelten Netzen (GSM) eingesetzt werden. Eine neue Modulationstechnik ermöglicht Datenraten von maximal 384 Kbit/s via Luft, bei stationärem Gebrauch mit eingeschränkter Mobilität sogar bis zu maximal 554 Kbit/s. Nach dem heutigen Kenntnisstand sollen in den meisten Anwendungsfällen Übertragungsraten von mindestens 150 Kbit/s erreicht werden, so dass die Performance von GPRS auf das Zwei- bis Dreifache gesteigert würde. EDGE kann damit die Vorteile, die GPRS bietet, voll ausschöpfen.

EDGE ist dabei für diejenigen Mobilfunkbetreiber interessant, die keine UMTS-Lizenzen besitzen. Es bietet die Möglichkeit, auf dem bestehenden GSM- beziehungsweise TDMA-Frequenzband hochbitratige Dienste sowie höhere Kapazitäten mit verbesserter spektraler Effizienz aufzusetzen. In Deutschland haben sich allerdings alle existierenden GSM-Betreiber UMTS-Lizenzen gesichert. Es ist damit zu rechnen, dass die EDGE-Datenübertragung im Jahr 2002 - also gleichzeitig mit UMTS - technologisch verfügbar sein wird. Der Netzausbau hängt allerdings von der Philosophie der Betreiber ab, die entweder über GPRS zu EDGE oder gleich zu UMTS migrieren können.

Bei EDGE kann zumindest der Rollout schneller verwirklicht werden als bei UMTS, da existierende Basisstationen lediglich hochgerüstet und nicht komplett neue Standorte gefunden werden müssen. Eine Koexistenz von UMTS und EDGE ist übrigens durchaus denkbar, wobei UMTS in den Hot Spots, also beispielsweise Innenstadtbereiche, Messegelände oder Flughäfen, und EDGE als Vervollständigung des Systems in den ländlichen Gebieten beziehungsweise als Backup-Lösung Anwendung finden könnte. Existierende Prozesse wie etwa die Kundenbindung, das Accounting oder Billing sowie Service könnten weiterverwendet werden.

Komplexe Multimode-EntwicklungNeue Endgeräte sind sowohl für EDGE als auch UMTS notwendig. Bei Rollout beider Netze müssten die Endgeräte Multimode-fähig sein, das heißt beide Technologien beherrschen. In der Vergangenheit haben sich Multimode-Geräte wie GSM/DECT allerdings nicht durchsetzen können. Der Entwicklungsaufwand für die Endgerätehersteller wurde dadurch etwas gemildert, dass EDGE auch im herkömmlichen GSM-Frequenzband eingeführt werden kann und nicht auf den neuen Frequenzbereich oberhalb von 1,9 Gigahertz fixiert ist. Dennoch halten sich die Hersteller von Endgeräten bezüglich EDGE relativ bedeckt.

UMTS ist ein neuer Mobilfunkstandard, der eine höhere Datenraten und mehr Bandbreite verspricht und trotzdem wesentliche Teile des GPRS-IP-Backbone nutzen kann. Auch hier zeigt sich, dass man nicht in Schwarzweiß-Manier von einem Entweder-Oder zwischen GPRS und UMTS sprechen kann, sondern eher von einer fließenden Entwicklung. Mit Einführung der UMTS-Netze müssen auch die Endgeräte im Hinblick auf Bedienung und Visualisierung beziehungsweise Formfaktor besser auf Datenübertragung ausgerichtet sein, wenngleich dies auch schon mit GPRS möglich sein könnte.

Videoclips müssen kurz seinUMTS erreicht im mobilen Betrieb Datenraten bis zu 384 Kbit/s, im stationären Einsatz bis zu 2 Mbit/s. Der Netzaufbau in Japan ist für Mitte 2001, in Europa für 2002 oder 2003 geplant. Aus ökonomischer Sicht macht UMTS auf jeden Fall Sinn, da es unbestritten eine bessere Effizienz im Frequenzspektrum schafft. Dennoch scheint aus Anwendersicht der einzige wirkliche Vorteil gegenüber GPRS zu sein, dass Musik oder Videoclips übertragen werden können. Dennoch zeigen Erkenntnisse aus Japan, dass Videoclips nicht lange dauern dürfen, also höchstens Spielfilmtrailer in Frage kommen.

Bei UMTS-Installationen werden die Serving GPRS Support Nodes (SGSN) mit den Radio Network Controller (RNC) des UMTS Funknetzes verbunden, die im weitesten Sinne den Basisstationen bei GSM-Netzen entsprechen. Die Sendeempfangsstationen werden bei UMTS als "Node B" bezeichnet (siehe Grafik "Heterogene Netzstruktur). Selbstverständlich ist bei UMTS auch Telefonie möglich, so dass die MSC ebenfalls mit den RNC verbunden sind.

UMTS bietet nicht nur eine höhere Übertragungsbandbreite über die Luftschnittstelle, sondern auch die Möglichkeit, netzseitig im zweiten Schritt zu einem All-IP-Netzwerk zu gelangen. Die heute üblichen MSC können durch IP bis hin zu den RNC ersetzt werden. In diesem Fall suchen sich die IP-Pakete also selbst ihren Weg durch das Netz. Bis es jedoch so weit ist, wird noch einige Zeit vergehen: Die Umstellung der bestehenden leitungsvermittelten Netze braucht ihre Zeit. Lediglich neue UMTS-Netzbetreiber wie Mobilcom oder die Kooperation von Telefónica und Sonera, die noch keine bestehenden Netze in Deutschland haben, können ein modernes Netz auf der grünen Wiese planen. In diesem Fall werden Cellular Router den direkten Kontakt zum Node B herstellen und die RNC in eine Art Server-Farm vereinheitlicht. Bei UMTS wird das CDMA-Übertragungsverfahren eingesetzt, bei dem mehrere Teilnehmer im selben Frequenzbereich operieren und lediglich durch einen Schlüssel (Code) unterschieden werden. Dabei gibt es zwei Varianten: TD-CDMA mit dem TDD-Modus sowie W-CDMA mit dem FDD-Modus.

Beim FDD-Modus werden in einem breiteren Frequenzspektrum (Blöcke im 1920-bis-1980-Megahertz-Spektrum im Uplink und 2.110-2.170 Megahertz im Downlink) alle Teilnehmer unabhängig von einer Zeitmultiplexkomponente gespreizt. Dieses Verfahren eignet sich für den mobilen Einsatz, um Datenraten bis 384 Kbit/s zu erreichen.

Beim TDD-Modus (1900 bis 1920 sowie 2010 bis 2025 Megahertz) werden Teilnehmer zusätzlich in verschiedene Zeitschlitze unterteilt. Hier lassen sich im stationären Betrieb bei maximal Fußgängergeschwindigkeit Bitraten bis zu 2 Mbit/s erreichen (siehe Grafik "CDMA-Übertragungsverfahren in UMTS").

Die Tatsache, dass bei UMTS die Teilnehmer nicht mehr nach Frequenzkanälen und Zeitschlitzen, sondern lediglich durch ihre Codes unterschieden werden, führt zu einer wesentlich komplizierteren Funknetzplanung. Je mehr Verkehr innerhalb einer Zelle stattfindet, desto kleiner wird ihre Zellfläche.

Viel Verkehr verkleinert FunkzelleDieser Effekt ist unter dem Namen Cell Breathing bekannt und lässt sich anhand eines einfachen Beispiels veranschaulichen: Je mehr Gäste sich gleichzeitig unterhalten, desto schwieriger wird es, sein Gegenüber zu verstehen. Konnte man eben noch mit seinem Gesprächspartner am anderen Ende des Raumes kommunizieren, ist dies ab einem gewissen Geräuschpegel nicht mehr möglich - infolgedessen schrumpft der Zellradius.

WAP ist ein Protokoll zur Reduzierung von überflüssigen Informationen auf der begrenzten Ressource Luftschnittstelle. Um die Vorteile des Shared Mediums Luft zu erhalten, ist es äußerst wichtig, mit diesem Übertragungsmedium verantwortlich umzugehen. WAP eröffnet mobilen Nutzern die Möglichkeit, mit entsprechenden drahtlosen Geräten wie Handy oder Palm auf Informationen und Services im Web zuzugreifen und dann auch mit ihnen zu interagieren.

WAP arbeitet mit den meisten Wireless-Netzwerken. Teil des Protokolls ist die Komprimierung der Daten, die übertragen werden. WAP ist dem HTTP-Protokoll vergleichbar, dessen Beschreibungssprache HTML allerdings wegen der Größe und Qualität des Displays ungeeignet ist. Deswegen wurde die Seitenbeschreibungssprache Wireless Markup Language (WML) entwickelt. WML ist ähnlich wie HTML aufgebaut, basiert aber außerdem auf der Extensible Markup Language (XML). Um auf einem Endgerät eine WML-Seite anzuzeigen, benötigt man einen WAP-Browser.

Die Architektur sieht wie folgt aus: Der WAP-Client greift über ein WAP-Gateway auf die WML-Seite - Deck genannt -, die sich auf einem Web-Server befindet (siehe Grafik "WAP-Architektur"). Sind WAP-Gateway und Web-Server auf derselben Maschine beheimatet, dann spricht man im Fachjargon auch von einem WAP-Server.

Spielraum bei DatenkompressionDer WAP-Ansatz hat seine Berechtigung, ist aber von der zur Verfügung stehenden Handy-Technologie abhängig. Eine Diskussion, die sich ausschließlich an der WAP-Bandbreite orientiert, ist verfehlt, da die technologischen Möglichkeiten zur Komprimierung und Dekompression der Daten noch längst nicht ausgeschöpft sind. Das Internet hat Mitte der 90er Jahre sehr deutlich gezeigt, dass Bandbreite nicht die Lösung für alles ist und die Datenkompression eine außerordentlich wichtige Rolle bei der Geschwindigkeit spielt.

Marketing-Hype schadet WAPDie Industrie hat viel Geld in die Entwicklung von WAP gesteckt und somit großes Interesse, Lösungen zu finden, um WAP akzeptabel und effizient zu gestalten. Neben der "Verknappung" ist ein weiterer Vorteil von WAP seine Unabhängigkeit von der verwendeten Übertragungstechnologie wie etwa GSM oder UMTS. Zudem erkennt es den Endgerätetyp und passt die Information entsprechend an.

Die Parallele zwischen Internet- und WAP-Entwicklung ist offensichtlich: In beiden Fällen war das technologische Potenzial enorm. Durch ein überzogenes Marketing wurden jedoch verfrüht falsche Erwartungen geweckt.

*Michael Strauß leitet den Bereich Mobile & Wireless bei der Pass Consulting Group in Aschaffenburg

Mobilfunkstandards im ÜberblickDie mobile Übertragungstechnik gliedert sich in zwei wesentliche Bereiche: zum einen die Funkverbindung in Richtung mobiler Endgeräte wie Handy, Personal Digital Assistant (PDA), Laptop oder Autotelefon, zum anderen das Backbone-Netz, das die Schaltung der Verbindungen untereinander sowie in Festnetze wie Internet, ISDN oder PSTN vornimmt. Die heute in Europa ausschließlich auf Basis des Standards Global System for Mobile Communication (GSM) ausgebauten Mobilfunknetze sind in erster Linie für Sprache ausgelegt und damit - abgesehen vom Short Message Service (SMS) - rein verbindungsorientiert. Das heißt für jegliche Art von Übertragung muss eine Verbindung aufgebaut und für die Dauer der Sitzung aufrechterhalten werden, auch wenn kein Datentransfer stattfindet.

Für die Datenübertragung weitaus effektiver ist die aus dem Internet bekannte Paketvermittlung des Internet Protocol (IP). Um die GSM-Netze für paketvermittelnden Datenverkehr nutzen zu können, werden sie nun mit Technik nachgerüstet, die auf dem Verfahren General Packet Radio Service (GPRS) beruht. GPRS erweitert die Systeme netzseitig um die Paketvermittlung und erhöht durch verbesserte Codierungsschemata sowie Bündelung von Kanälen die Datenrate. Ähnlich hat High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) die Datenquote verbessert, allerdings weiterhin verbindungsorientiert.

Im Mobilfunk wird das Medium Luft von allen Kommunikationsteilnehmern geteilt und stellt damit generell einen Engpass hinsichtlich der Datenraten dar. Dieses Problem sollen zwei Technologien lösen, die heute schon ihr Erscheinen ankündigen: Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) sowie Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) versuchen, durch verbesserte Modulationsverfahren den Datendurchsatz über die Luft zu erhöhen. EDGE und UMTS sind für den Standard International Mobile Telecommunications 2000 (IMT-2000) der International Telecommunication Union (ITU) verabschiedet und damit Mobilfunkstandards der dritten Generation (3G) - GSM gehört der zweiten Generation (2G) an. Das Wireless Application Protocol (WAP) ist ein Protokoll - oft fälschlicherweise mit Übertragungstechnologien verwechselt - zur Reduzierung von überflüssiger Information auf der begrenzten Ressource Luftschnittstelle.

Abb.1: Heterogene Netzstruktur

Quelle: Pass Mobile & Wireless

Abb.2: CDMA-Übertragungsverfahren im UMTS

Quelle: Pass Mobile & Wireless

Abb.3: WAP-Architektur

Quelle: Pass Mobile & Wireless