Inhaltsverzeichnis

1.  Vorwort  3

2.  Einführung in drahtlose Netze  5

2.1  Übertragungstechniken  5

2.2  Breitbandige Übertragungsstandards  6

2.2.1  Vorstellung der wichtigsten Technologien  6

2.2.2  Zusammenfassende Übersicht  12

2.2.3  Entwicklung und Marktchancen  13

3.  Definitionen und technische Grundlagen  14

3.1  WLAN  14

3.1.1  IEEE 802.11: Standard für drahtlose Netze  14

3.1.2  Topologie im Funknetz  16

3.1.3  Sicherheit im Funknetz  18

3.2  UMTS  19

3.2.1  Das Mobilfunknetz der 3. Generation  19

3.2.2  Technische Grundlagen  20

3.2.3  Grundleistungen  22

3.2.4  Geschwindigkeit  22

3.2.5  Zellenstruktur  23

4.  Anwendungsgebiete  27

4.1  WLAN Anwendungen  27

4.1.1  Einsatzbereiche  27

4.1.2  Kriterien für den praktischen Einsatz  29

4.2  UMTS Anwendungen  31

5.  Der Markt  34

5.1  Anbieter, Hardware und Marktprognose von WLAN  34

5.1.1  Hardware  34

5.1.2  Wireless Internet Service Provider (WISP)  36

5.1.3  Marktpotential  38

5.2  Anbieter, Hardware und Marktprognose von UMTS  39

5.2.1  Anbieter  39

5.2.2  UMTS-Endgeräte  40

5.2.3  Marktpotential  42

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6.  Praxisbeispiele  43

6.1  WLAN  43

6.1.1  Starbucks/T-Mobile  43

6.1.2  Flughafen München  43

6.1.3  Thyssen Umformtechnik Guss  44

6.1.4  Hot Zones  44

6.1.5  Heimgebrauch mit T-DSL  45

6.2  UMTS  45

6.2.1  Das UMTS-Mobilfunknetz 3 in Österreich  45

6.2.2  Weitere Anbieter  49

7.  WLAN versus UMTS  50

7.1  Konkurrierende Anwendungsfelder  50

7.2  Komplementäre Anwendungsfelder  54

7.3  Fazit und Aussicht  55

Literaturverzeichnis   56

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1. Vorwort

Fast 50 Milliarden Euro haben Telekommunikations-Unternehmen für die deutschen Lizenzen des neuen Mobi lfunkstandards UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) gezahlt. Und nun, schon bevor die Infrastruktur steht und Geld verdient werden kann, drohen verwandte Technologien das Geschäft zu verderben.

Wireless Local Area Networks, kurz WLANs, sollen d en Hochgeschwindigkeitszugang ins Internet mit bis zu 54 Megabit pro Sekunde ermöglichen. Über 300 MBit/s sollen in naher Zukunft möglich sein. ¹ Während man auf UMTS noch warten muss, können heute schon Besucher des Aachener Marktplatzes ebenso wie Studenten der Rostocker Universität oder die Gäste des Münchner Hotels „Vier Jahreszeiten“ mit Geräten wie Laptops und Handhelds mit Hochgeschwindigkeit im Internet surfen. Voraussetzung ist lediglich eine WLAN-Karte, die ab etwa 50 Euro zu haben ist, und ein Softwaremodul das in Betriebssystemen wie Windows XP allerdings bereits integriert ist. Sicherheit soll eine 128bit-Verschlüsselung gewährleisten. Dabei liegt die Datenübertragungsrate in verbreiteten WLANs mit 11 MBit/s gut fünfmal so hoch wie die des UMTS-Standards. WLANs eignen sich somit zur Übertragung von hohen Datenmengen, etwa für Geschäftsleute, die sich im Hotel, Flughafen, Bahnhof oder Café über das Internet in das Intranet ihrer Firma einloggen. UMTS hingegen soll vor allem zum Bildtelefonieren sowie zum Übertragen von Musik- und Videodateien dienen, also primär zur Unterhaltung, der Geschäftsbereich steht erst an zweiter Stelle. Studien gehen von einer möglichen Konkurrenz zwischen WLANs und UMTS aus.

Die Unternehmensberatung Roland Berger nimmt an, dass UMTS frühestens 2006 rentabel sein wird. Dann soll es nach einer Studie von BBDO-Consulting 13,6 Millionen UMTS-Nutzer in Deutschland geben. ² WLAN-Studien wie die von Frost & Sullivan schätzen, dass es im gleichen Jahr in Europa 37.000 öffentliche und halböffentliche WLAN - Zugänge geben wird und nehmen eine Teilnehmerzahl von 20 Millionen an. 3

Die Frage inwiefern die WLAN - Technologien den teuren UMTS-Diensten als ernsthafte Konkurrenz zu schaffen machen könnte, wird derzeit in der Presse heftig diskutiert. Genau dieser Fragestellung widmet sich auch diese Ausarbeitung. Sind die beiden Standards tatsächlich konkurrierend und wird der eine den anderen überleben? Oder werden beide Technologien friedlich nebeneinander verschiedene Zielgruppen bedienen? Oder lassen sich beide sogar sinnvoll kombinieren, um dem Anwender einen größtmöglichen Nutzen zu liefern? Um diese Fragen beantworten zu können, werden zunächst drahtlose Netze im allgemeinen und

¹ Vgl. O. V. 1 (2003).

² vgl. Göttgens, Zweigle (2001).

³ Vgl. Adler (2002).

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aktuelle Standards beschrieben. Anschließend erläutern wir die technischen Grundlagen von WLAN und UMTS sowie deren tatsächliche und möglichen Anwendungsgebiete. Eine kurze Marktanalyse zu beiden Standards beleuchtet die derzeitige Marktsituation und zeigt aktuelle Prognosen. Praxisbeispiele verdeutlichen Einsatzmöglichkeiten. Abschließend werden WLAN und UMTS gegenübergestellt und die Frage diskutiert, inwieweit die Anwendungsfelder konkurrierend oder komplementär zu sehen sind.

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2. Einführung in drahtlose Netze

2.1 Übertragungstechniken

Die Anforderungen an mobile Zugänge zum Intranet oder Internet wachsen. Die Datenraten der hierfür benötigten drahtlosen Funksysteme müssen steigen, sowohl bei öffentlichen Mobilfunknetzen, als auch bei lokalen Unternehmensnetzwerken. Die kabellose Datenübertragung kann generel l auf zwei verschiedene Arten erfolgen:

(a) optisch im Frequenzbereich von 300 THz

(b) mit Radiowellen in den Frequenzbereichen von 100 kHz bis 10 GHz.

Zu (a) Optische Datenübertragung:

Die Übertragung mit Licht (meist Infrarot) setzt aufgrund der sehr hohen Trägerfrequenz eine direkte Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger voraus. Bereits geringe Störungen der optischen Verbindung können die Bitfehlerrate erhöhen oder die Übertragung völlig unmöglich machen. Die realisierbaren Entfernungen sind relativ gering. Eine sehr verbreitete optische Übertragungstechnik im WPAN-Bereich (Wireless Private Area Network) ist beispielsweise IrDA mit einer Datenrate von bis zu 16 MBit/s.

Auch für das Verbinden von Gebäuden sind relativ preiswerte Geräte erhältlich, aber die Regeln der Optik sind trotzdem zu beachten, beispielsweise durch Nebel, Regen, Hitzeflimmern der Luft oder Vogelschwärme wird die Übertragungsqualität verschlechtert oder die Verbindung sogar unterbrochen. Aufgrund der angesprochenen Nachteile wird die Technologie von anderen Techniken insbesondere von Bluetooth in Zukunft höchstwahrscheinlich weitgehend ersetzt werden. Nachteil von Bluetooth ist allerdings ein geringerer Datendurchsatz.

Zu (b) Datenübertragung mit Radiowellen:

Der Frequenzbereich für Radiowellen wird in zwei Funkarten eingeteilt:

A. Übertragung mit Schmalbandfunk

Die Übertragung mit Schmalbandfunkeinrichtungen erfolgt meist in Frequenzbändern unterhalb von 500 MHz. Aufgrund der geringen Übertragungsgeschwindigkeit von einigen 100 kbit/s, aber der durchaus großen Reichweite ist der hauptsächliche Einsatzbereich dieser Technik beispielsweise die mobile Datenerfassung in Lagern. Für den LAN-Bereich sind die Systeme aufgrund der niedrigen Datenrate und ihrer proprietären Natur nicht geeignet.

B. Übertragung mit Breitbandfunk (Mikrowellen)

Notwendige hohe Übertragungsraten können durch Erhöhen der Trägerfrequenz e rreicht werden. Als Trägersignal werden daher Mikrowellen in Frequenzbändern zwischen 2 GHz und

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50 GHz eingesetzt. Das 2,4 GHz-Band oder ISM-Band (ISM steht für Industrial, Scientific, Medical), das in den wichtigsten Industrieländern zugelassen ist, und in Kürze auch das 5 GHz -Band sind anmelde- und genehmigungsfrei. Es genügt eine einmalige Zulassung des Herstellers bei der RegTP (Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post), der zuständigen Bundesbehörde. Netze in diesen Frequenzbändern können einerseits als Punkt-zu-Punkt-, andererseits als Punkt-zu-Multipunkt-Netze ⁴ für LANs eingesetzt werden. In den nicht freigegebenen Bändern sind Einzelgenehmigungen der Regulierungsbehörde notwendig. Lizenzen für Punkt-zu-Multipunkt-Netze werden typischerweise unter Auflagen oder gegen Gebühren an Carrier vergeben, beispielsweise die UMTS-Lizenzen. In diesen Frequenzbändern muss der Anwender Richtfunkstrecken einsetzen.

2.2 Breitbandige Übertragungsstandards

2.2.1 Vorstellung der wichtigsten Technologien

Verschiedene breitbandige Standards sind bereits etabliert oder versuchen sich gerade am Markt durchzusetzen. Zunächst möchten wir kurz auf Standards in genehmigungspflichtigen Frequenzbändern eingehen:

(1) DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications)

(2) GSM (Global System Mobile Communication) (3) GPRS (General Packet Radio Service) (4) UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)

Anschließend betrachten wir Standards in genehmigungsfreien Frequenzbändern:

(5) Bluetooth / IEEE 802.15

(6) HomeRF (7) IEEE 802.11.x (8) HiperLAN/2

zu (1) DECT:

Der DECT-Standard (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) beschreibt ein System zur drahtlosen Telefonie, welches Anfang der 90er Jahre verschiedene analoge Verfahren ablöste. DECT wird heute häufig in privaten Telekommunikationsanlagen für die Sprachübermittlung oder auch für den Austausch von Daten verwendet. In Europa wird typischerweise ein exklusiv reserviertes Frequenzband von 1880 bis 1900 MHz verwendet. Mit

⁴ Vgl. Gliederungspunkt 3.1.2.

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einer DECT-typischen Sendeleistung von 10 mW sind im Freifeld bis zu 300 m und in Gebäuden um die 50 m Reichweite möglich.

DECT-Systeme setzen sich zusammen aus dem DECT Fixed Part (FP), der aus einer oder mehreren Basisstationen besteht und verschiedenen DECT Portable Parts (PPs). Überlappende Funkzellen bilden die Struktur eines DECT-Netzwerks in der Roaming möglich ist (Abb. 1).

Die Größe des Netzwerks ist nahezu unbegrenzt, bis zu 100.000 Anwender gleichzeitig können in Büroumgebungen versorgt werden.

Ursprünglich wurde DECT für synchrone symmetrische Telefonie entwickelt, die Technik unterstützt inzwischen aber auch paketorientierte Datenübertragung. Das DECT Packet Radio Service Protocol (DPRS) erlaubt eine Kanalbündelung, so dass Datenraten bis zu 552 KBit/s erreicht werden, die sich unterschiedlich auf Uplink und Downlink verteilen lassen. Für effiziente Netzwerkanwendungen ist das zu wenig, es sind aber Bestrebungen im Gange, Datenraten bis zu 2 MBit/s zu erreichen.

zu (2) GSM:

Der GSM-Standard (Global System Mobile Communication) beschreibt ein zellulares Mobilfunksystem mit Datenraten bis zu 9,6 KBit/s pro Kanal für Daten oder Sprache. Das System hat sich inzwischen in ganz Europa durchgesetzt, weltweit kommen laufend weitere Länder hinzu.

Für die Funkübertragung verwendet GSM Frequenzen aus dem 900-MHz- und dem 1800-MHz -Bereich (in den E-Netzen 1800 MHz). Der GSM Frequenzbereich teilt sich in einzelne Kanäle, die so gewählt sind, dass sie sich gegenseitig möglichst nicht stören (Frequenzmultiplexverfahren).

⁵ Vgl. Müller (2002).

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Zu den Leistungsmerkmalen gehören unter anderem Anrufumleitung, Anklopfen, M akeln, Dreierkonferenzen sowie SMS (Short Message Service) mit bis zu 160 Zeichen.

zu (3) GPRS:

GPRS (General Packet Radio Service) ist eine Erweiterung des GSM-Standards und erlaubt vor allem höhere Übertragungsraten mit bis zu 53 KBit/s mittels Kanalbündelung. Dieser Dienst benutzt eine paketvermittelte Datenübertragung und eignet sich deshalb besonders für die Internet-Anbindung des Handys.

zu (4) UMTS:

Als Nachfolger von GSM und GPRS ermöglicht UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) als Mobilfunksystem der dritten Generation (3G) ein schnelleres Surfen im Internet sowie die Übertragung von Multimedia-Daten, wie Videos, bei Datenraten bis zu 2 MBit/s. Der Ausbau der UMTS-Netze erfolgt zurzeit parallel zur bisherigen GSM-Technik (Dual-Mode) zunächst in den Ballungsgebieten. Verlässt ein UMTS-fähiges Endgerät die UMTS-Funkzelle, findet ein automatisches Handover in eine Funkzelle des flächendeckenden GSM-Netzes statt. UMTS-Endgeräte unterstützen die Standards GSM 900 und GSM 1800 (Multi-Mode-Geräte). Die Grundlage von UMTS bildet das CDMA-Verfahren (Code Division Multiple Access). Dabei senden alle Teilnehmer im gleichen Frequenzkanal mit etwa 5 MHz Bandbreite. Jede Verbindung erhält zur Abgrenzung von anderen einen individuellen Code. UMTS unterstützt die paketvermittelte Datenübertragung, bei der die Daten in kleine Pakete aufgeteilt und über verschiedene gerade, freie Übertragungswege versendet werden. Das entlastet das Netz, da keine dauerhafte Verbindung zwischen Sender und Empfänger aufgebaut werden muss. Durch eine spezielle Adressierung können die Pakete beim Empfänger wieder richtig zusammengesetzt werden.

zu (5) Bluetooth:

Bei Bluetooth oder IEEE 802.15 handelt es sich um eine WPAN-Technologie (Wireless Personal Area Network), deren Ziel das freie Verbinden von Notebooks, Handys, PDAs (Pocket Digital Assistant), Scannern, Digitalkameras, etc. ist. Die Reichweite zwischen den Geräten liegt dabei bis 10 Meter. Mit Bluetooth kann die gesamte PC-Peripherie von der Maus über die Tastatur sowie dem Drucker bis zum Netzwerk per Funk miteinander kommunizieren. Bluetooth verwendet das lizenzfreie 2,4-GHz-Band. Mit der Technik des Frequenz -Hoppings, bei der die Übertragungsfrequenz 1600-mal pro Sekunde wechselt, erreicht Bluetooth eine störungsfreie Datenübertragung. Die Datenraten liegen bei maximal 2 MBit/s.

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Bluetooth-fähige Geräte arbeiten mit Sendeleistungen zwischen 1 und 100 mW, in der Regel aber mit 10 mW; in einem so genannten Piconet zusammen (Abb. 2). Es besteht aus einem Master, der u nter anderem das Frequenz -Hopping steuert, und bis zu sieben Slaves. Überlappende Piconets bilden ein so genanntes Scatternet.

zu (6) Home RF:

Speziell für den Einsatz im Heimbereich hat die HomeRF Working Group den Standard HomeRF geschaffen: eine Kombination aus WLAN und DECT. HomeRF erlaubt einerseits die paketorientierte Datenvermittlung, andererseits unterstützt er Sprachdienste nach DECT-Standard (Abb. 3). HomeRF garantiert konstante Datenraten, die für störungsfreie Sprachverbindungen gebraucht werden und auch um etwa Digital A udio in CD-Qualität in Gebäuden über mehrere Stockwerke hinweg zu verbreiten.

⁶ Vgl. Müller (2002).

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Es handelt sich ebenfalls um eine Funktechnologie im lizenzfreien 2,4 GHz-Band. HomeRFkompatible Geräte sind auf niedrigen Stromverbrauch optimiert, da sie meistens mit Batterien arbeiten. Die Sendeleistung beträgt maximal 100 mW, die Reichweite höchstens 100 Meter. HomeRF 2.0 arbeitet mit Datenraten bis zu 10 MBit/s, eine Erweiterung auf 20 MBit/s wurde gerade entwickelt.

zu (7) IEEE 802.11x:

Die IEEE (Institute for Electrical and Electronic Engineers) ist unter anderem für die technische Gestaltung von Funknetzen zuständig. Die Arbeitsgruppe 802.11 schuf mit dem 802.11b-Standard im Jahr 1999 eine Spezifikation, die heute weitläufig als WLAN (Wireless Local Area Network) bekannt ist. Der 802.11b-Standard sendet im 2,4 GHz-Band mit einem Datendurchsatz von maximal 11 MBit/s.

Die 802.11-Spezifikationen unterliegen einer ständigen Entwicklung. I m IEEE bemüht sich eine

ganze Reihe von Arbeitsgruppen um die verschiedensten Verbesserungen. Obwohl sich der 802.11b-Standard gerade durchsetzt, kommen auch bald die ersten 54-Mbit-Geräte nach dem 802.11a-Standard auf den Markt. 802.11a nutzt den Frequenzbereich um 5 GHz, der weit weniger ausgelastet ist. Allerdings ist die a-Version nicht kompatibel zu seinem Vorläufer. Parallel dazu gibt es mittlerweile auch die 802.11g Spezifikation mit 54 MBit/s im 2,4 GHz-Band. Neben Interoperabilität und Geschwindigkeitssteigerungen zielen die meisten Veränderungen auf mehr Sicherheit in Funknetzen ab.

In dieser Ausarbeitung handelt sich sofern von WLAN gesprochen wird stets um den IEEE 802.11x Standard. Technische Grundlagen, Anwendungsgebiete und der Markt dieses Standards sind ab Gliederungspunkt 3 näher behandelt.

zu (8) HiperLan/2:

Die Einführung eines drahtlosen Hochgeschwindigkeitsnetzes treibt das HiperLAN/2 Global Forum voran. HiperLAN/2 arbeitet im 5-GHz-Band, was eine Abstimmung mit Funknetzen nach 802.11a erforderlich macht, die ebenfalls dieses Band nutzen.

Mit HiperLAN/2 sind Datenraten von bis zu 54 MBit/s zu erreichen. Ein HiperLAN/2-Netzwerk hat Ähnlichkeit mit WLANs nach dem a- oder b-Standard: Mobile Terminals kommunizieren mit dem Access Point, der seinerseits die Verbindung ins Festnetz herstellt. Zu jedem Zeitpunkt kann eine Verbindung immer nur mit einem A ccess Point unterhalten werden. Beim Roaming bewegen sich Terminals von Funkzelle zu Funkzelle, wobei die Access Points die Verbindung zum Netzwerk durch Handover aufrechterhalten.

⁷ Vgl. Müller (2002).

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Ein Ad-Hoc-Modus ⁸ wird ebenfalls unterstützt, der bei HiperLAN/2 Direct Mode heißt. In diesem Modus können die Terminals untereinander ohne einen Access Point kommunizieren, allerdings ist ein so genannter Central Controller erforderlich, der die Aktivitäten koordiniert. Anders als WLAN nach 802.11a/b arbeitet HiperLAN/2 verbindungsorientiert. Bevor Nutzdaten ausgetauscht werden können, muss zunächst eine Verbindung zwischen Terminal und Access Point hergestellt sein. Unterstützt werden bidirektionale Punkt-zu-Punkt- sowie unidirektionale Punkt-zu-Multipunkt-Verbindungen in Terminal-Richtung (Abb. 4). Zudem kann ein Access Point Daten an alle Terminals innerhalb der Funkzelle senden.

⁸ Vgl. Gliederungspunkt 3.1.2

⁹ Vgl. Müller (2002).

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