1. – 3. Mobilfunkgeneration, WAP

Seminararbeit
im Rahmen des Seminars "Grundlagen und Techniken des Mobile Commerce" (WS 01)

vorgelegt von: Andreas Eberhardt und Bernhard Selk
Abgabetermin: 22. Januar 2002

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis  ... II
Abkürzungsverzeichnis   ... III
Abbildungsverzeichnis   ... V
Tabellenverzeichnis  ... 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
5.3.1.1 Mobilfunkdienste  ... 11
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
6.2.2.1 Gepaarte Frequenzpakete – FDD   ... 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

[...]

Abbildungsverzeichnis

Abb. 2.1: Frequenzbereiche einiger Mobilfunkstandards  ... 2
Abb. 2.2: Zellenbasierte Funksysteme mit einem 3-er beziehungsweise 7-er Cluster ... 3
Abb. 3.1: Raummultiplexverfahren  ... 4
Abb. 3.2: Frequenzmultiplexverfahren  ... 5
Abb. 3.3: Zeitmultiplexverfahren  ... 6
Abb. 3.4: Codemultiplexverfahren  ... 7
Abb. 5.1: GSM-Netzstruktur ... 12
Abb. 5.2: Lokalisierung eines Teilnehmers und Verbindungsaufbau  ... 14
Abb. 5.3: GPRS-Netzstruktur  ... 15
Abb. 6.1: Definition der Standards der ITU innerhalb der IMT-2000 Spezifikation ... 17
Abb. 6.2: UMTS-Architektur ... 18
Abb. 6.3: Funktion des UTRA-FDD Direct Spread in Europa  ... 20
Abb. 6.4: Frequenzselektive Störungen bei GSM und UMTS ... 21
Abb. 6.5: Funkzellen bei UMTS ... 22
Abb. 6.6: Asynchronität im Uplink ... 25
Abb. 8.1: WAP-Architektur ... 31
Abb. 8.2: WAP Protokollarchitektur im Vergleich zur Internet Architektur  ... 32
Abb. 8.3: WAP-Architektur bei Push-Diensten ... 35

Tabellenverzeichnis

Tab. 6.1: Verfügbare Bandbreiten in Abhängigkeit von der Anzahl der Nutzer ... 24
Tab. 7.1: Vergleich verschiedener Technologien bezüglich Anwendungen  ... 27

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.

2. Einführung

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. Die Grundlage für die mobile Kommunikation ist die Nutzung von Frequenzen. Diese bieten die Möglichkeit, elektromagnetische Wellen über eine große Entfernung zu transportieren. 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 Praxis in der Form nicht anzutreffen, da die Sendeleistung durch die geographischen Gegebenheiten wie beispielsweise Berge oder Gebäude beeinflusst wird.Vgl. [Schi2000, S. 98]

[...]

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 (f1 bis f3 beziehungsweise f1 bis f7) 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].