Infrastruktur für mobile Anwendungen

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung und Abgrenzung

2. Definition

3. Technologische Grundlagen
3.1 Kommunikationsinfrastruktur
3.1.1 Mobilfunkstandards
3.1.2 Navigations-Standards
3.2 Client-Infrastruktur

4 Mobile Anwendungen
4.1 Dedicated Mobile Computing
4.2 Mobile Cloud Computing

5. Risiken

6 . Potential und Ausblick

A Quellenverzeichnis

B Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung und Abgrenzung

Gartners strategische Planungsannahme im Bereich Client Computing, eines der Top- Themen der neuen Studie „Gartner's Top Predictions for IT Organizations and Users, 2008 and Beyond“ besagt, dass „bis zum Jahr 2012 50% der Arbeitnehmer ihre Notebooks auf Reisen zu Gunsten von anderen Geräten daheim lassen werden.“¹ Zusammen mit dem aktuellen Trend zu so genannten Netbooks² verdeutlicht dies das aktuelle und weitere Wachstums-Potential, welches im Markt für mobile Technologien und Anwendungen steckt.

Die Verwendung mobiler Telekommunikations-Technologien und -Anwendungen gilt auch in IT-fremden Branchen als entscheidender Wettbewerbsfaktor. Auch privat können oder wollen immer mehr Menschen nicht mehr auf den Komfort des Mobiltelefons oder des Laptops mit kabellosen Zugang zum Internet verzichten. Die aktuellen Smartphones ermöglichen dabei schon ständige Erreichbarkeit und bieten umfangreiche Funktionen für das geschäftliche Umfeld, von einfachem E-Mail- und Datenaustausch bis hin zu voll funktionalem Internet-Zugang. Darüber hinaus fungieren sie als multimediales Unterhaltungszentrum mit integrierten MP3- und Video-Playern und ermöglichen mobile Navigation mit Hilfe von Satellitennavigationssystemen. Neue Technologien statten zudem Ultra-Mobile PCs (UMPC) sowie die Smartphones der nächsten Generation mit leistungsfähigeren Batterien, effizienteren CPUs mit verringerter Leistungsaufnahme sowie optimierten WLAN-, 3/4G-Fähigkeiten und kombinierten (A-)GPS-Empfängern aus. Als Folge dieser technologischen Fortschritte haben sich auch die mobilen Anwendungs- möglichkeiten weiterentwickelt.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt daher auf den aktuellen und zukünftigen Technologien, welche als Grundlagen (Infrastruktur) für mobile Anwendungen verwendet werden können. Bereits durchdringend etablierte Mobilfunk-Standards (wie z.B. GSM, EDGE oder SMS) sowie Software-Standards, -Architekturen und mögliche Anwendungsbeispiele werden vor diesem Hintergrund nur am Rande angesprochen. Details zu den Grundlagen der Datenübertragung und -Verarbeitung werden nach dem Besuch der Vorlesung „Grundlagen der Datenkommunikation“ als bekannt vorausgesetzt und deshalb in dieser Arbeit ebenfalls nicht näher thematisiert.

2. Definition

Der Begriff der Infrastruktur leitet sich aus dem lateinischen Wort infra (Akk. der, die, das Untere; unterhalb) ab und gilt im gängigen Sprachgebrauch als Bezeichnung der notwendigen Grundeinrichtungen für darauf aufsetzende Verwendungsmöglichkeiten. Die IT-Infrastruktur umfasst damit alle zur elektronischen Datenverarbeitung (EDV) eingesetzten Elemente und folglich die baulichen Voraussetzungen (Gebäude, Klima- und Schutzraum, etc.), sämtliche Hardware (Server, Netzwerk, etc.) sowie die Software (Betriebssysteme, Treiber, etc.), welche die Grundlagen für darauf basierende Anwendungen darstellen.

Die Infrastruktur für mobile Anwendungen kann somit in zwei Hauptbereiche unterteilt werden: Auf der Seite der Kommunikation mit Datenquellen oder anderen Anwendungen und Geräten stehen die technologischen Grundlagen der Informationsübertragung. Komplementär dazu existiert das Rahmenwerk, welches die Ausführung und Darstellung mobiler Anwendungen sowie die Anbindung selbiger an die Informationsübertragung ermöglicht. Aus diesen Definitionen bieten sich die Begriffe Kommunikationsinfrastruktur und Client-Infrastruktur als prägnante Umschreibungen dieser beiden Teilbereiche an.

Unter die Kommunikationsinfrastruktur fallen u.a. die nachfolgend vorgestellten Technologien zur Übertragung von Daten wie beispielsweise der Mobilfunkstandard GSM zur Sprachübertragung oder den so genannten 3G-Technologien, den Standards der „dritten Generation“ zur Übertragung von Daten. Zudem gehören auch Technologien zur Positionsbestimmung wie etwa das amerikanische Navstar-GPS in diesen Bereich.

Die Client-Infrastruktur umfasst dagegen Smartphones, Laptops und so genannte Netbooks sowie die technologischen Grundlagen dieser Client-Devices wie etwa Prozessoren, welche speziell für die mobile Verwendung entworfen und optimiert wurden. Darüber hinaus sind auch das Betriebssystem, also die Software, welche für die Steuerung und grundlegende Interaktion mit der eben genannten Hardware verantwortlich ist, sowie die verwendeten Programmiersprachen als Basis der mobilen Anwendungen und natürlich die Anwendungen selbst Teil der Client-Infrastruktur.

3. Technologische Grundlagen

In diesem Kapitel werden die technologischen Grundlagen für mobile Anwendungen vorgestellt, die auf der Basis von Kommunikationsinfrastruktur und Client-Infrastruktur aufsetzen. Die Kommunikationsinfrastruktur kann dabei in Mobilfunk- und Navigationsstandards unterteilt werden.

3.1 Kommunikationsinfrastruktur

Im ersten Teil diesen Kapitels werden die derzeit wichtigsten und meist genutzten Mobilfunkstandards beschrieben. Aufgrund der thematischen Überschneidungen mit der eingangs erwähnten Vorlesung, konzentriert sich die Beschreibung, anstelle einer erneuten Erklärung der technischen Grundlagen, auf die Beschreibung der Neuerungen in diesem Bereich sowie deren Verbreitung und Anwendungsmöglichkeiten. Danach wird auf einige Besonderheiten und Fähigkeiten der zukünftigen Übertragungsstandards eingegangen. Da auch Technologien zur Lokalisierung und Echtzeit-Routenplanung vermehrt Anwendung in mobilen Geräten finden, werden im zweiten Abschnitt die Funktionsweise und neuen Entwicklungen von Systemen zur Positionsbestimmung beschrieben.

3.1.1 Mobilfunkstandards

Seit Erfindung der ersten Funktechnologien im späten 19. Jahrhundert kann die mobile Kommunikation auf eine rasante Entwicklungsgeschichte zurückblicken. Während dieser Zeit sind viele verschiedene, vor allem lokal genutzte Kommunikations-Technologien entstanden und es wurde insbesondere seit Einführung der ersten digitalen Funk- technologien dementsprechend viel Kapital in den Aufbau der jeweiligen Infrastrukturen investiert. Auch heute befinden sich noch viele verschiedene Technologien im Betrieb, manche davon mit einer flächendeckenden Infrastruktur, andere wiederum nur mit wenigen Zweck-orientierten Anwendungsmöglichkeiten. Da es im Rahmen dieser Arbeit unmöglich wäre, alle Technologien ausreichend zu beschreiben, beschränken wir uns auf eine Auswahl der derzeit gängigsten und am häufigsten verwendeten kabellosen Übertragungsmöglichkeiten und gehen danach auf zukünftige bzw. in Entwicklung befindliche mobile Kommunikations-Standards ein.

GSM (Global System for Mobile Communications)

Bei GSM³ handelt es sich um den digitalen Nachfolger der analogen Mobilfunksysteme und damit um den ersten Standard der so genannten zweiten Generation („2G“) mit einer Reichweite von mehreren Kilometern. Als der immer noch am weitesten verbreitete Mobilfunk-Standard der Welt ist er in Deutschland unter anderem auf den Frequenzbereichen 880 bis 915 und 925 bis 960 MHz angesiedelt. Mit Hilfe einer Kombination des Zeit- und Frequenzmultiplex-Verfahrens werden die Daten über 200 KHz- Kanäle im genannten Frequenzbereich übertragen. Mittlerweile wird dieser, mit den Spezifikationen HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), GPRS (General Packet Radio Service) und EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) für schnellere Übertragungsraten erweiterte Standard, von Technologien der dritten Generation („3G“) beziehungsweise UMTS abgelöst.⁴

Während die Erweiterungen GPRS und EDGE inzwischen von den meisten Telefonen und Providern unterstützt werden, ist die Verbreitung von HSCSD, bei dem es sich im Prinzip um ein Verfahren zur Kanalbündelung handelt, noch vergleichsweise gering. Nach GPRS als das erste Paket-vermittelnde Übertragungsverfahren wurde diese Funktionalität mit EDGE dank eines neuen Phasenmodulationsverfahrens (8-PSK) erweitert. Theoretisch sind damit Übertragungsraten von bis zu 384 KBit/s möglich, weshalb EDGE als Zwischenschritt („2.75G“) beim Übergang zu UMTS angesehen wird.⁵

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

Mit UMTS, dem Mobilfunkstandard der dritten Generation (3G) sind deutlich höhere Übertragungsraten (von 384 Kbit bis zu 7,2 Mbit/s mit HSDPA)⁶ als mit GSM möglich. Der Standard wird heute von dem 3GPP (3rd Generation Partnership Project)⁷ weiterentwickelt und gepflegt.⁸ Mit Hilfe der Erweiterungen HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) und HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) wurden die Übertragungsraten für den Empfang sowie für das Senden erhöht.⁹ Die Übertragung funktioniert auf einer festen Bandbreite über satelliten- oder erdgestützte Sendeanlagen mit einer wesentlich geringeren Antennen-Reichweite als bei GSM und nutzt das Übertragungsverfahren Wideband CDMA (WCDMA).¹⁰ Unterteilt in 5 MHz-Kanäle werden hauptsächlich die Frequenzen im Bereich von 1920 bis 1980 bzw. 2110 bis 2170 MHz im FDD (Frequency Division Multiplex)-Modus verwendet.¹¹

Trotz der Vergabe von teuren Lizenzen im Jahr 2000 für den eingeschränkten Frequenzbereich¹² und dem Bemühen der Netzbetreiber, eine flächendeckende Infrastruktur aufzubauen, wird UMTS bisher noch nicht weitläufig verwendet. Lediglich ca. 10% der Mobilfunktteilnehmer weltweit nutzen derzeit UMTS, der größte Teil davon kommt aus Europa, wobei die Verbreitung in Deutschland noch vergleichsweise gering ist.¹³

Durch UMTS und seine Erweiterungen ist die Nutzung von Multimedia-Inhalten mit deutlich schnelleren Übertragungszeiten möglich geworden und damit dank der Möglichkeit mehrerer paralleler Datenkanäle auch die gleichzeitige Verwendung von Webund Video-Inhalten sowie Kommunikation. Allerdings müssen sich die Nutzer einer Funkzelle die zur Verfügung stehende Bandbreite teilen, was bei exzessiver Nutzung zu Einbußen bei der individuell möglichen Geschwindigkeit führen kann.

WLAN (Wireless Local Area Network)

Als WLAN wird in der Regel das vor allem von Notebooks genutzte drahtlose Netzwerk bezeichnet. Meistens handelt es sich dabei um den vom Institute of Electrical and Electronics Engineers 1997 erstmalig herausgegebenen und gepflegten IEEE-802.11 WiFi-Standard bzw. dessen Weiterentwicklungen. Ein solches kabelloses Netzwerk bietet eine vergleichsweise hohe Übertragungsrate von zu Beginn 2 bis aktuell 54Mbit/s, die allerdings selbst auf freiem Feld meist auf unter 100 bis maximal 160 Meter Reichweite beschränkt ist.¹⁴ Derzeit ist eine Erweiterung des Standards in Arbeit, welche in der Version 802.11n auch Geschwindigkeiten von bis zu 600Mbit/s erreichen können soll.¹⁵ Weitere Einschränkungen ergeben sich selbstverständlich durch Gebäude, Wände und die jeweils verwendeten Baumaterialien. Technisch wird hier auf den lizenzfreien¹⁶ Frequenzen von 5,15 bis 5,725 und 2,4 bis 2,4835 GHz in 20 MHz-Kanälen vorrangig das Modulationsverfahren OFDM genutzt und zur Kommunikation Anpassungen der Schichten 1 und 2 des OSI-Referenzmodells verwendet.¹⁷

[...]

¹ Vgl. [PSF+08, S.7]

² Subnotebooks, die vor allem als portable Internet-Clients gedacht sind.

³ Vgl. [Lehn03, S. 31.]

⁴ Weitere Informationen zu HSCSD, GPRS und EDGE: [Lehn03], S. 41 ff.

⁵ EDGE: [3GPP_GPRS].

⁶ Vgl. [ComW_WFeb08]

⁷ Siehe: [3GPP].

⁸ Vgl. [Lehn03, S. 65 ff.]

⁹ Vgl. [ComW_TJan06].

¹⁰ Vgl. [Lehn03, S. 61-63.]

¹¹ Siehe Frequenzblö>

¹² Vgl. [CeITSep08].

¹³ Siehe: [BitKFeb08] und [TecCMai06] und [AmobileSep08].

¹⁴ Vgl. [IEEE802.11-07].

¹⁵ Vgl. [HeiseJun08].

¹⁶ Vgl. Nutzungserlaubnis in Deutschland: [BNA_WLAN1] und [BNA_WLAN2].

¹⁷ Vgl. OFDM: [Demb06, S. 1241]; OSI-Referenzmodell: [Scherff06, S. 282].