1. - 3. Mobilfunkgeneration, WAP

Inhaltsverzeichnis

  Inhaltsverzeichnis  II

  Abkürzungsverzeichnis  III

  Abbildungsverzeichnis  V

Tabellenverzeichnis  VI  VI

1  Vorwort  1

2  Einführung  2

3  Verfahren zur optimalen Frequenznutzung  4

3.1  Raummultiplex  4

3.2  Frequenzmultiplex  5

3.3  Zeitmultiplex  6

3.4  Codemultiplex  6

4  Erste Mobilfunkgeneration  8

4.1  A-Netz  8

4.2  B-Netz  8

4.3  C-Netz  8

5  Zweite Mobilfunkgeneration  10

5.1  D-Netz  10

5.2  E-Netz  10

5.3  Technologien der zweiten Mobilfunkgeneration  10

5.3.1  GSM  10

5.3.1.2  Netzarchitektur  11

5.3.1.3  Lokalisierung eines Teilnehmers und Verbindungsaufbau  13

5.3.2  HSCSD  14

5.3.3  GPRS  15

6  Dritte Mobilfunkgeneration  16

6.1  EDGE  16

6.2  Universal Mobile Telecommunication System (UMTS)  16

6.2.1  Netzarchitektur  18

6.2.2  Technologien bei UMTS  20

6.2.2.2  Ungepaarte Frequenzpakete TDD  21

6.2.2.3  Realisierbare Datenraten  22

6.2.2.4  Probleme bei UMTS  24

7  Vergleich GSM GPRS HSCSD UMTS  27

8  Wireless Application Protocol (WAP)  28

8.1  WAP-Technik  29

8.2  WAP-Protokollaufbau  32

8.3  Push-Dienste  35

8.4  Sicherheit bei WAP  36

9  Zusammenfassung  38

  Literaturverzeichnis  40

Abkürzungsverzeichnis

  AUC Authentication Centre  

  BSC Base Station Controller  

  BSS Base Station Subsystem  

  BTS Base Transceiver Station  

  Code Division Multiplexing CDM  

  Code Division Multiple Access CDMA  

  CSS Cascading Style Sheet  

  EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution  

  EIR Equipment Identity Register  

  ETSI European Telecommunications Standards Institute  

  FDD Frequency Division Duplex  

  FDM Frequency Division Multiplexing  

  FDMA Frequency Division Multiple Access  

  GGSN Gateway GPRS Support Node  

  Gaussian Minimum Shift Keying Modulation GMSK  

  General Packed Radio Service GPRS  

  GSM Global System for Mobile Communications  

  GSM-SIM GSM-Subscriber Identifical Module  

  HLR Home Location Register  

  HSCSD High Speed Circuit Switched Data  

  HTML HyperText Markup Language  

  ILR Interworking Location Register  

  IMT-2000 International Mobile Telecommunication 2000  

  IMT-DS Direct Spread Verfahren  

  IMT-MC Multi Carrier Verfahren  

  IMT-TC Time Code Verfahren  

  ISDN Integrated Services Digital Network  

  ITU International Telecommunication Union  

  MMS Multimedia Messaging Services  

  MSC Mobile Switching Centre  

  MSS Mobile Satellite Service  

  NSS Network and Switching Subsystem  

  OSS Operation Subsystem  

  PAP Push Access Protocols  

III

PSK Phase Shift Keying Modulation

PSTN Push OTA RNC SDM SDMA SGSN SMS SSL TDD TDM TDMA TLS UDP UMTS UTRA-FDD UTRAN UTRA-TDD VLR WAE WAP WCDMA WDP WIM WLAN WML WPKI WSP/B WSP WTA WTLS WTP W3C XML

IV

Abbildungsverzeichnis

  Frequenzbereiche einiger Mobilfunkstandards 2 Abb 2 1:  

  Abb 3 1: Raummultiplexverfahren  4

  Abb 3 2: Frequenzmultiplexverfahren  5

  Zeitmultiplexverfahren 6 Abb 3 3:  

  GS-MNetzstruktur 12 Abb 5 1:  

  Abb 5 3: GPRS-Netzstruktur  15

  Abb 6 1: Definition der Standards der ITU innerhalb der IMT 2000 Spezifikation  17

  UMTS-Architektur 18 Abb 6 2:  

  Abb 6 4: Frequenzselektive Störungen bei GSM und UMTS  21

  Abb 6 5: Funkzellen bei UMTS  22

  Asynchronität im Uplink 25 Abb 6 6:  

  Abb 8 1: WAP-Architektur  31

  WAP Protokollarchitektur im Vergleich zur Internet Architektur 32 Abb 8 2:  

Tabellenverzeichnis

Tab. 6.1: Verfügbare Bandbreiten in Abhängigkeit von der Anzahl der Nutzer................................. 24

Tab. 7.1:

VI

1 Vorwort

Die heutige Gesellschaft ist durch Mobilität in allen Bereichen geprägt, wie beispielsweise im Beruf, wo im Zuge der Globalisierung immer häufiger internationale Einsätze notwendig sind, der Freizeitgestaltung oder der Kommunikation. Viele Bereiche im Alltag und viele Prozesse im Berufsleben könnten ohne mobile Endgeräte nicht mehr in der gleichen Qualität und Geschwindigkeit bewältigt und umgesetzt werden. Dabei werden mobile Endgeräte wie Handhelds und insbesondere Mobiltelefone als normal und selbstverständlich erachtet. Inzwischen hat das mobile Telefonieren das Festnetz abgelöst, und diese Entwicklung ist auch für Datendienste zu erwarten. Der Großteil der Mobilfunknutzer weiß aber nicht, welche umfangreiche Technik sich beispielsweise hinter dem mobilen Telefonieren verbirgt. Ziel dieser Arbeit ist, die technischen Grundlagen für Mobile Commerce, insbesondere die erste bis dritte Mobilfunkgeneration und WAP darzustellen. Begriffe wie GSM, GPRS, WAP und UMTS werden oft verwendet, ohne dass bekannt ist, wofür diese Begriffe eigentlich stehen und was sie bedeuten.

Die Technologie UMTS wird seit vielen Jahren entwickelt. In die breite Öffentlichkeit geriet der Begriff UMTS jedoch zum ersten Mal bei der Versteigerung der UMTS-Lizenzen, über die in der Presse ausführlich berichtet wurde. Die Tatsache, dass für die Lizenzen in Deutschland insgesamt über 99 Mrd. DM gezahlt wurde, hat viele Personen in ihrer natürlichen Meinungsfindung beeinflusst und überzogene Erwartungen in diese Technik gefördert. Die Unsicherheiten und Probleme, die mit UMTS einher gehen, werden der breiten Öffentlichkeit erst langsam bewusst. Teilweise formiert sich in der Bevölkerung wegen des Ausbaus der Infrastruktur und der damit verbundenen Gefahr von Elektrosmog bereits Widerstand.

In dieser Arbeit wird nicht nur der technische Hintergrund erklärt, sondern durch das angeeignete Wissen wird es auch möglich sein, die durch die Technik auftretenden Probleme selbstständig zu erkennen, um sich seine eigene Meinung bilden zu können.

2 Einführung

Die Grundlage für die mobile Kommunikation ist die Nutzung von Frequenzen. Diese bieten die Möglichkeit, elektromagnetische Wellen über eine große Entfernung zu trans-portieren. Bei einer Übertragung müssen sich der Sender und der Empfänger der gleichen Frequenz bedienen. Da nicht alle Frequenzbereiche gleichermaßen geeignet beziehungsweise einige bereits anderweitig vergeben sind, stellen die für die Mobilfunktechnologie tauglichen Frequenzen eine knappe Ressource dar. Dies wird durch die Tatsache verstärkt, dass ein Frequenzbereich normalerweise nicht gleichzeitig mehrfach genutzt werden kann, ohne dass Störungen auftreten. Ein mobiles Telefonieren mit dem gleichen Gerät sollte in mehreren Ländern möglich sein, so dass eine einheitliche Regelung der Frequenznutzung notwendig wäre. Dies wird allerdings durch nationale Interessen erschwert, da die Frequenzen in verschiedenen Ländern unterschiedlich vergeben sind. Die Vergabe der Frequenzen wird durch nationale, regionale und internationale Behörden und Organisationen vorgenommen. In nachfolgender Abbildung sind die Frequenzbereiche von einigen Mobilfunkstandards abgebildet, wobei zwischen Uplink-Richtung und Downlink-Richtung unterschieden werden muss. Uplink bezeichnet dabei den Datentransfer von mobilen Endgeräten zur Basisstation, und Downlink den Datentransfer von Basisstation zu den mobilen Endgeräten. GSM 900 wird bei den D-Netzen (siehe auch Kapitel 5.1), GSM 1800 bei den E-Netzen (ausführlich in Kapitel 5.2),

GSM 1900 in den USA und GSM Railway für die Deutsche Bahn verwendet. UMTS

FDD und UMTS TDD wird in den Kapiteln 6.2.2.1und 6.2.2.2genauer erklärt.

Abb. 2.1: Frequenzbereiche einiger Mobilfunkstandards

Neben den Frequenzen ist ein weiteres und auch sehr bedeutendes Merkmal die zellenbasierte Funktionsweise des Mobilfunks. Dabei wird die zu versorgende Fläche in Zellen aufgeteilt, wobei die Funkzone einer Zelle durch die Begrenzung der Sendeleistung erreicht wird. In Abbildung 2.2 ist eine Aufteilung in Zellen zu sehen, wobei die linke Graphik einen 3-Cluster und die rechte Graphik einen 7-Cluster darstellt. Typische Cluster im Mobilfunk sind 7-, 9-, 12-Cluster. Die wabenförmige Anordnung ist in der

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Praxis in der Form nicht anzutreffen, da die Sendeleistung durch die geographischen Gegebenheiten wie beispielsweise Berge oder Gebäude beeinflusst wird.

Abb. 2.2: Zellenbasierte Funksysteme mit einem 3-er beziehungsweise 7-er Cluster

Wie in Abbildung 2.2 zu erkennen ist, wird in den verschiedenen Zellen jeweils ein anderer Frequenzbereich (f 1 bis f 3 beziehungsweise f 1 bis f 7 ) verwendet. Die verschiedenen Frequenzbereiche können in entsprechendem Abstand wiederverwendet werden, so dass durch die Verwendung von Zellen die Gesamtkapazität erhöht wird. Je geringer die Anzahl der Cluster ist, desto größer ist zwar die Kapazität der Funkzellen, jedoch ist das System damit anfälliger gegenüber Störungen, da sich zwei gleiche Frequenzbereiche überlappen können. Sollten Störungen auftreten sind diese dann jedoch nur lokal in den betroffenen Zellen zu verzeichnen. Der Mobilfunk birgt in sich eine bis jetzt noch nicht ausreichend erforschte mögliche Gesundheitsgefährdung in Form von Elektrosmog. Durch die Zellen und die damit begrenzte Sendeleistung wird diese potentielle Gefahr zumindest reduziert. Ein weiteres Problem ist die im Gegensatz zu nicht zellenbasierten Systemen viel umfangreichere und damit auch erheblich kostenintensivere Infrastruktur.

Die Planung der Frequenzvergabe gestaltet sich schwierig, da die Zellen, die das gleiche Frequenzband nutzen, einen gewissen Sicherheitsabstand aufweisen müssen. Ein weiterer Nachteil ist der mit den kleinen Zellen automatisch verbundene häufige Zellenwechsel, da eine Verbindung bei einem Wechsel erhalten und nicht abgebrochen werden sollte. Der entscheidende Vorteil von zellenbasierten Funksystemen ist die Erhöhung der Kapazität durch Verwendung verschiedener Verfahren, die im nächsten Kapitel erläutert werden [vgl. Schi2000, S. 96-98].

3

3 Verfahren zur optimalen Frequenznutzung

Wie oben bereits erwähnt, stellen Frequenzen ein knappe Ressource dar. Um die Frequenzbereiche optimal ausnutzen zu können, werden sogenannte Multiplexverfahren angewendet, die beschreiben, wie verschiedene Teilnehmer ein Medium mit möglichst wenig gegenseitiger Beeinflussung gleichzeitig nutzen können. Im Folgenden werden die vier beim Mobilfunk angewendeten Multiplexverfahren beschrieben, die auch in Kombination angewendet werden können.

3.1 Raummultiplex

Das Raummultiplexverfahren (Space Division Multiplexing/SDM) unterscheidet die verschiedenen Kanäle durch räumliche Trennung. Als Kanal wird in diesem Zusammenhang die Beziehung zwischen einem oder mehreren Sendern zu einem oder mehreren Empfängern mit Datenaustausch bezeichnet. In der folgenden Graphik wird jedem Raum (s 1 bis s 3 ) ein Kanal (k 1 bis k 3 ) zugewiesen. Da die Räume die gleiche Frequenz nutzen, muss ein Schutzabstand zwischen den einzelnen Räumen bestehen, um Störungen zu vermeiden. Sollten mehr Kanäle als Räume vorhanden sein, können nur so viele Kanäle versorgt werden, wie auch Räume vorhanden sind.

Abb. 3.1: Raummultiplexverfahren

Das gleiche Prinzip wird auch beim Rundfunk verwendet. Eine Radiosender in München kann den gleichen Frequenzbereich wie ein Radiosender in Hamburg verwenden, da die beiden Städte weit genug voneinander entfernt sind und sich die beiden Sender bezüglich der Frequenz nicht gegenseitig stören. Sollten sich hingegen in einer Stadt die

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