Mobilkommunikation Datenraten
UMTS und mehr
Die Mobilkommunikation von morgen wird weit mehr bieten als Telefonieren und karge Textbotschaften. Mobile Multimedia-Dienste werden ein wichtiger Teil unseres Lebens, prophezeien die Experten. Möglich machen dies neue Funkstandards wie UMTS, ergänzt durch lokale Mobilfunknetze und digitale Rundfunk-Dienste.
Ende Februar 2002 war das Palais des Festivals im südfranzösischen Cannes Ort eines Schauspiels, das an die berühmten Filmfestspiele erinnerte: lange Teppiche und Baldachine vor den Eingängen, Gaukler, Hostessen und edel geschmückte Jachten ... doch was Zehntausende von Besuchern aus aller Welt anzog, waren nicht Stars aus der bunten Kinowelt, sondern die Crème de la Crème völlig anderer Branchen: Handy- und Computer-Hersteller, Software-Unternehmen und Netzbetreiber. Und deren Gespräche drehten sich nicht etwa um die neuesten Produkte aus Hollywood, sondern um Endgeräte und Anwendungen, Plattformen und Standards, Kundenbedürfnisse und Kooperationen, Geschäftsmodelle und Refinanzierungen genau genommen war es ein einziges Thema, das den 3GSM World Congress beherrschte: die Zukunft des Mobilfunks.
Der Grundtenor war trotz heißer Diskussionen um Detailfragen eindeutig. "Wir befinden uns mitten in einer Umbruchphase, weg von der reinen Sprach- und Textkommunikation hin zu einer viel reicheren Multimedia-Mobilkommunikation", betonten viele der Fachleute. So auch Hiroshi Nakamura, Präsident von DoCoMo Europe, einer Tochter von NTT DoCoMo dem Unternehmen, das in Japan bereits die Integration von Daten-, Audio- und Videodiensten auf dem Handy anbietet (siehe BeitragFOMA und i-mode: Japans Pioniere). Nakamura ist überzeugt davon, eine "Revolution unserer Kommunikationskultur" zu erleben: "Mobile Multimedia-Dienste sind weit mehr als nur ein neues Kommunikationsmittel. Sie werden ein wichtiger Bestandteil des Lebensstils aller Generationen, vom Teenager bis zum Senior, werden."
Nichtsdestotrotz ist allen Experten klar, dass sie bei der Realisierung dieser Vision erst am Anfang stehen. Dass zwar z.B. der Weg vom Telefonieren über die kargen Textbotschaften eines Short Message Service bis zum bunten Multimedia Messaging klar vorgezeichnet ist ebenso wie der vom GSM-Mobilfunk-Standard über GPRS zum kommenden UMTS oder anderen Standards der dritten Generation (siehe Kasten). Aber ebenso offensichtlich ist auch, dass wie es in Zeiten des Umbruchs meistens zutrifft noch viele Fragen offen sind. Die wichtigsten:
Wie lässt sich sicherstellen, dass die Nutzer überall komfortabel auf die Informationen zugreifen können, die sie gerade benötigen, dass also die Daten für eine Multimedia-Präsentation schnell genug übertragen werden können?
Wie lassen sich überhaupt Multimedia-Daten auf den kleinen mobilen Endgeräten darstellen? (siehe Beitrag Multimedia-Darstellung: Maxi-Displays und Mini-Projektoren)
Was kann man tun, um den Energiehunger der neuen Geräte zu stillen? (siehe Beitrag Energieversorgung: Stromtankstellen für Handys)
Und schließlich die vielleicht entscheidende Frage für den Erfolg von Mobilfunkunternehmen: Welche Anwendungen und Dienste sind so attraktiv und nützlich, dass die Kunden bereit sind, Geld dafür auszugeben? (siehe Beiträge Applikationen: Ein Cocktail von Multimedia-Diensten, UMTS auf der Isle of Man: Reif für die Insel und Siemens Mobile Acceleration GmbH)
Übertragungsdauer für verschiedenen Anwendungen bei typischen Datenraten
"Dazu kommen weitere Herausforderungen, etwa die der einfachen Bedienbarkeit über Sprach- oder Gestiksteuerung oder die der sicheren Datenübertragung, insbesondere für E-Business-Anwendungen", sagt Martin Gebler, der als einer der Siemens-Vertreter im internationalen Wireless World Research Forum an der Vision Wireless World 2010 arbeitet. "Andere wichtige Punkte sind die voraussichtliche Marktsegmentierung der Endgeräte in mindestens drei Gruppen: in solche, die wie die heutigen Handys eher der Sprachkommunikation dienen, dann solche, die als kleine mobile Büros hauptsächlich Daten verarbeiten, und drittens vermutlich solche, die sich auf Entertainment-Anwendungen Spiele oder Videos konzentrieren." Damit nicht genug: "Nicht zu unterschätzen", fährt Gebler fort, "ist auch die Bedeutung von transparenten Abrechnungsverfahren für die Kunden, klugen Geschäfts- und Kooperationsmodellen für die Betreiber sowie standardisierte Lösungen, die es erlauben, Multimedia-Botschaften von allen Geräten über alle Netze zu beliebigen Empfängern zu schicken".
Hohe Datenraten nur bei geringen Geschwindigkeiten
Zusammenhang zwischen der Datenrate und der Mobilität bzw. der Reichweite
Erklärung der Begriffe:
kbps: Kilobit pro Sekunde, Mbps: Megabit pro Sekunde, MHz: Megahertz, GHz: Gigahertz
GSM: Global System for Mobile Communication, in über 160 Ländern eingesetzt.
HSCSD: High Speed Circuit Switched Data, bündelt mehrere Funkkanäle. Leitungsvermittelt (circuit switched), schaltet eine exklusive Übertragungsstrecke für jede Verbindung.
GPRS: General Packet Radio Service, arbeitet paketvermittelt, ähnlich der Technologie des Internet Protokolls, sendet also alle Informationen als Strom kleiner Datenpakete, die der Empfänger wieder in der richtigen Reihenfolge zusammensetzt. Die Handys können immer online sein (always on), denn bei GPRS wird nicht nach Übertragungszeit sondern nach Datenvolumen oder Art des genutzten Diensts abgerechnet. Erreicht je nach Codierung und Bündelung 40 bis 100 kbps
EDGE: Enhanced Data Rates for Global Evolution, mit neuer Modulation und Codierung max. 384 kbps.
UMTS: Universal Mobile Telecommunications System, Standard der 3. Mobilfunk-Generation (3G), in eigens lizenzierten Frequenzbändern um 2 GHz, sowohl paket- als auch leitungsvermittelt. Theoretisch max. Rate 2 Mbps. Bei UMTS gibt es zwei Modi: W-CDMA (Wideband-Code Division Multiple Access, auch als FDD, Frequency Division Duplex, bezeichnet) und TD-CDMA (Time Division CDMA, auch TDD, Time Division Duplex). Beide arbeiten mit zwei getrennten Verbindungen, vom Sender zum Empfänger (downlink) und im uplink zurück. FDD ist das gängigere Verfahren (in der derzeitigen Implementierung downlink bis 384 kbps, uplink 64 kbps). TDD hat spezielle Vorteile, etwa eine hohe spektrale Effizienz bei asymmetrischen Verbindungen, die im downlink sehr hohe Raten erreichen ideal fürs Herunterladen großer Datenmengen aus dem Netz.
DECT: Europäischer Standard für Schnurlos-Telefone.
Bluetooth: Ideal für die drahtlose Kommunikation zwischen Geräten, die nur wenige Meter voneinander entfernt sind. Im 2,4-GHz-Band, Datenraten bis 721 kbps.
W-LAN: Wireless Local Area Network für Mobilgeräte. Nutzt lizenzfreie Frequenzen wie 2,4 GHz (IEEE 802.11b, auch Wi-Fi für Wireless Fidelity, bis 11 Mbps) oder 5 GHz (IEEE 802.11a und HiperLAN/2 mit max. 54 Mbps). Reichweite 10 bis 50 m.
HiperAccess: ortsfestes Funknetz, z.B. zur Anbindung von Gebäuden (40,5 bis 43,5 GHz).
Codes, Zeitschlitze und der Party-Effekt Im GSM-Netz findet jedes Gespräch auf einem festen Frequenzkanal statt, von denen einige hundert in die reservierten Frequenzbänder um 900 und 1800/1900 MHz passen. Um diese Frequenzen noch besser zu nutzen, wird jeder Kanal in acht Zeitschlitze unterteilt, die so schnell wechseln, dass das Schalten für die Sprecher unmerklich passiert. W-CDMA/UMTS arbeitet dagegen nicht mit unterschiedlichen Frequenzen und Zeitschlitzen. Jede Verbindung einer Funkzelle nutzt die gleiche Trägerbandbreite von 5 MHz, die 25-mal größer ist als bei GSM (daher die Bezeichnung Wideband-CDMA). Das Signal für ein Handy unterscheidet sich nur dadurch von dem eines anderen, dass es mit einem anderen Code verschlüsselt wurde. Das Endgerät kann dann über einen speziellen Algorithmus aus der Vielzahl der überlagerten Signale ausschließlich die an seine Adresse gerichteten entschlüsseln ähnlich wie auf einer Party, wo die Gäste in verschiedenen Sprachen palavern, jeder aber vor allem die vertrauten Klänge der Muttersprache wahrnimmt.
Genug Fragen also, um mehr als eine Konferenz zu beschäftigen. Seit zehn Jahren, zu einer Zeit, als der digitale GSM-Mobilfunk die zweite Generation gerade startete, diskutieren die Fachleute schon über die Standards der dritten Mobilfunk-Generation. Siemens war von Anfang an dabei und beschäftigt heute an Orten wie München, Ulm, Berlin, Peking oder Roke Manor in Südengland 4000 Forscher und Entwickler auf diesem Gebiet. Ausgehend von der Erkenntnis, dass die übertragbare Datenrate von GSM (siehe Tabelle) zwar ausreicht, um komfortabel zu telefonieren, aber für Multimedia-Dienste deutlich zu niedrig ist, stellte sich zunächst die Frage, wie höhere Datenraten zu erreichen sind. So kann man zwar mit Verfahren wie HSCSD und EDGE (siehe Kasten links) mehrere GSM-Kanäle bündeln und mit GPRS eine zum Internet analoge Übertragungstechnologie auch für den Mobilfunk einführen, aber das löst nicht das Grundproblem.
Die Faustregel für höhere Datenraten heißt: "Verwende für die Übertragung einen größeren Teil des Spektrums und nutze es effizienter". Das ist die technische Begründung, warum für UMTS neue Frequenzbereiche definiert und teure Lizenzen erworben werden mussten. Das bei einer Funkverbindung genutzte Spektrum (die Trägerbandbreite) ist bei UMTS 25-mal größer als bei GSM. Da zudem die spektrale Effizienz das heißt, die pro Hertz Bandbreite erreichbare Datenrate zwei- bis dreimal besser ist, lassen sich mit UMTS pro Sekunde dementsprechend mehr Daten übertragen als im GSM-Netz.
Nachrichtentechniker haben für die erreichbare Datenrate auch noch eine andere Formel: "Entscheidend ist das Verhältnis des empfangenen nutzbaren Signals zu den Störungen", erklärt Dr. Werner Mohr, Mobilfunkexperte und Siemens-Vertreter in internationalen Gremien und EU-Projekten. Die Datenrate sinkt demnach, wenn die Störleistung hoch ist etwa wegen des Einflusses der Sender in den Nachbarzellen. Die Techniker sprechen von störender Interferenz. Mehr Daten pro Sekunde lassen sich hingegen übertragen, wenn der Netzbetreiber z.B. "Smart Antennas" einsetzt, die nicht gleichmäßig in alle Richtungen strahlen, sondern den Funkstrahl möglichst gezielt auf den Empfänger fokussieren. Auf der anderen Seite sinkt die Datenrate wieder, wenn sich der Empfänger schnell bewegt, etwa im Auto oder im Zug (siehe Grafik). Der Hauptgrund dafür: Die Signale müssen in diesem Fall schnell von Funkzelle zu Funkzelle weitergereicht werden das ist aufwändig und kostet Zeit, und zwar umso mehr, je kleiner die Abmessungen der Funkzellen sind.
Fazit: Mit UMTS (genauer W-CDMA, FDD, siehe Grafik) erreicht man i.a. Datenraten bis etwa 384 kbps, die sich alle gleichzeitigen Nutzer einer Funkzelle teilen müssen. Wie die ersten UMTS-Netze, z.B. auf der Isle of Man, in Monaco oder auch in Japan zeigen, reicht dies durchaus für viele der interessantesten Anwendungen und sogar für Video-Verbindungen einfacher Qualität aus. Nun gibt es aber Fälle, wo viele Leute an einem Ort gleichzeitig anspruchsvolle Multimedia-Dienste nutzen wollen, z.B. auf Flughäfen, Messen, Konferenzen, in Hotels oder auch auf dem Campus von Firmen oder Universitäten. Für solche "Indoor"-Anwendungen wurde in den letzten Jahren eine mobile Entsprechung des leitungsgebundenen Ethernets entwickelt: die W-LAN (Wireless Local Area Networks). Nötig sind dafür nur so genannte Access Points etwa buchgroße Sende- und Empfangseinheiten, die den Zugang zu den Festnetzen herstellen und eine Steckkarte mit kleiner Antenne für Notebook, Pocket PC oder andere Endgeräte.
Wer an "Hot Spots" wie Hotels oder Flughäfen ungebunden sein und dennoch mit hoher Geschwindigkeit im Internet surfen oder auf sein Unternehmensnetz zugreifen will, für den sind funkbasierte W-LAN-Netze ideal. Hier eine Siemens-Installation in einem Hotel in München an der Wand der Access Point I-Gate
möglichen in einer Entfernung von einigen zehn Metern um den Sender je nach Standard sehr hohe Datenraten bis 11 Mbps (IEEE 802.11b) oder sogar 54 Mbps (HiperLAN/2 und IEEE 802.11a). Siemens hat auch für W-LAN Geräte und Systeme entwickelt, etwa den Access Point I-Gate und das i250-Access-Gateway, das alle Sicherheits- und Abrechnungsfunktionen für das Netzwerk ob nun drahtlos oder netzgebunden übernimmt. In etlichen Hotels weltweit, an einigen Flughäfen und Firmenstandorten wurden bereits W-LAN realisiert. Dass auch das Zusammenspiel zwischen einem W-LAN und einem GPRS- oder UMTS-Netz funktioniert, bewiesen die Firmen Ericsson und der Netzbetreiber Telenor Mobile unlängst in einem Versuch in Norwegen: An den Orten, wo die geringe Reichweite des W-LAN-Netzes endete, wurde die Kommunikation vom Mobilfunknetz übernommen.
In den Vorstellungen der Experten zeichnet sich daher der weitere Weg des Mobilfunks klar ab. "Für Indoor-Anwendungen ist ein W-LAN die logische Erweiterung des UMTS-Mobilfunknetzes", sagte Ingelin Drepping, Vice President Strategy von Telenor Mobile, auf dem 3GSM World Congress in Cannes. Einig sind sich die Experten auch darin, dass W-LAN- oder ähnliche Breitband-Netze für eine vollständige Abdeckung von Städten viel zu teuer wären, da man zu viele Access Points bräuchte und diese ja auch ans Festnetz anschließen müsste. Drepping: "Die Flächenabdeckung übernimmt in den nächsten Jahren UMTS. W-LAN und UMTS sind daher keine Konkurrenten, sondern komplementäre Systeme und Partner, um den Kunden überall Dienste mit optimaler Datenübertragungsrate zur Verfügung stellen zu können." Zudem, so die Fachleute, könnten weitere Ergänzungen sinnvoll sein, etwa digitale Broadcast-Dienste, wie Digital Video Broadcasting (DVB) über Satellit oder terrestrische Antennen. Nützlich wäre das z.B. für Anwendungen, die viele zur gleichen Zeit nutzen, etwa Fernsehprogramme, Videofilme oder Nachrichten fürs Mobilfunkgerät.
Ulrich Eberl