1. - 3. Mobilfunkgeneration, WAP

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Vorwort

2 Einführung

3 Verfahren zur optimalen Frequenznutzung
3.1 Raummultiplex
3.2 Frequenzmultiplex
3.3 Zeitmultiplex
3.4 Codemultiplex

4 Erste Mobilfunkgeneration
4.1 A-Netz
4.2 B-Netz
4.3 C-Netz

5 Zweite Mobilfunkgeneration
5.1 D-Netz
5.2 E-Netz
5.3 Technologien der zweiten Mobilfunkgeneration
5.3.1 GSM
5.3.1.1 Mobilfunkdienste
5.3.1.2 Netzarchitektur
5.3.1.3 Lokalisierung eines Teilnehmers und Verbindungsaufbau
5.3.2 HSCSD
5.3.3 GPRS

6 Dritte Mobilfunkgeneration
6.1 EDGE
6.2 Universal Mobile Telecommunication System (UMTS)
6.2.1 Netzarchitektur
6.2.2 Technologien bei UMTS
6.2.2.1 Gepaarte Frequenzpakete - FDD
6.2.2.2 Ungepaarte Frequenzpakete - TDD
6.2.2.3 Realisierbare Datenraten
6.2.2.4 Probleme bei UMTS

7 Vergleich GSM/GPRS/HSCSD/UMTS

8 Wireless Application Protocol (WAP)
8.1 WAP-Technik
8.2 WAP-Protokollaufbau
8.3 Push-Dienste
8.4 Sicherheit bei WAP

9 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abb. 2.1: Frequenzbereiche einiger Mobilfunkstandards

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

Abb. 3.1: Raummultiplexverfahren

Abb. 3.2: Frequenzmultiplexverfahren

Abb. 3.3: Zeitmultiplexverfahren

Abb. 3.4: Codemultiplexverfahren

Abb. 5.1: GSM-Netzstruktur

Abb. 5.2: Lokalisierung eines Teilnehmers und Verbindungsaufbau

Abb. 5.3: GPRS-Netzstruktur

Abb. 6.1: Definition der Standards der ITU innerhalb der IMT-2000 Spezifikation

Abb. 6.2: UMTS-Architektur

Abb. 6.3: Funktion des UTRA-FDD Direct Spread in Europa

Abb. 6.4: Frequenzselektive Störungen bei GSM und UMTS

Abb. 6.5: Funkzellen bei UMTS

Abb. 6.6: Asynchronität im Uplink

Abb. 8.1: WAP-Architektur

Abb. 8.2: WAP Protokollarchitektur im Vergleich zur Internet Architektur

Abb. 8.3: WAP-Architektur bei Push-Diensten

Tabellenverzeichnis

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

Tab. 7.1: Vergleich verschiedener Technologien bezüglich Anwendungen

1 Vorwort

Die heutige Gesellschaft ist durch Mobilität in allen Bereichen geprägt, wie beispiels- weise 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 Mobilfunk- generation 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-Li- zenzen, 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, wer- den der breiten Öffentlichkeit erst langsam bewusst. Teilweise formiert sich in der Be- völkerung 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 glei- chen Frequenz bedienen. Da nicht alle Frequenzbereiche gleichermaßen geeignet be- ziehungsweise einige bereits anderweitig vergeben sind, stellen die für die Mobilfunk- technologie tauglichen Frequenzen eine knappe Ressource dar. Dies wird durch die Tat- sache 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 Re- gelung der Frequenznutzung notwendig wäre. Dies wird allerdings durch nationale Inte- ressen 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 Fre- quenzbereiche 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 Daten- transfer 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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2.1: Frequenzbereiche einiger Mobilfunkstandards

Neben den Frequenzen ist ein weiteres und auch sehr bedeutendes Merkmal die zellen- basierte Funktionsweise des Mobilfunks. Dabei wird die zu versorgende Fläche in Zel- len 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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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 verschie- denen 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 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 (s1 bis s3) ein Kanal (k1 bis k3) 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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.1: Raummultiplexverfahren

Das gleiche Prinzip wird auch beim Rundfunk verwendet. Eine Radiosender in Mün- chen 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 Frequenzbereiche zweier Radiosender überlappen, würde es zu Interferenzen kommen. Durch dieses einfache Verfahren ist es bei Einhaltung des erforderlichen Schutzabstan- des möglich, die knappe Ressource Frequenz mehrfach zu nutzen. Raummultiplex wird im Mobilfunk nur in Kombination mit anderen Multiplexverfahren verwendet.

3.2 Frequenzmultiplex

Ein weiteres Multiplexverfahren ist das Frequenzmultiplexverfahren (Frequency Divi- sion Multiplexing/FDM). Hier wird der gesamte zur Verfügung stehende Frequenzbe- reich in kleine Frequenzblöcke aufgeteilt, wobei jedem Kanal ein eigener Frequenzbe- reich zugewiesen wird. In GSM 900 (D-Netze) werden beispielsweise 200 kHz breite Blöcke zugeteilt. Da in Aufwärts- und Abwärtsrichtung jeweils 25 MHz breite Fre- quenzbereiche verwendet werden, ergeben sich für jede Richtung 124 Kanäle, wobei wiederum zwischen den einzelnen Blöcken ein Schutzabstand bestehen muss. Somit können in einer Funkzellen theoretisch 124 Nutzer bedient werden, im Gegensatz zum Raummultiplex, wo pro Funkzelle nur ein Nutzer bedient werden kann. Der eine übrige Kanal wird als Sicherheitsreserve verwendet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.2: Frequenzmultiplexverfahren

3.3 Zeitmultiplex

Das nächste Multiplexverfahren, das in einigen Mobilfunktechnologien in Kombination mit dem Frequenzmultiplexverfahren eingesetzt wird, ist das Zeitmultiplexverfahren (Time Division Multiplexing/TDA). Wie in Abbildung 3.3 zu erkennen ist, kann hier ein Kanal den ganzen Frequenzbereich für sich alleine beanspruchen, jedoch nur für eine gewisse Zeit. Die einzelnen Zeitblöcke werden auch als Zeitschlitze bezeichnet. Jeder dieser Zeitschlitze beträgt in der GSM-Technologie 0,577 ms, das bedeutet, dass jeder Kanal diese Zeit für eine Übertragung nutzen kann. Nach Ablauf dieser Zeit kann der nächste Kanal den ganzen Frequenzbereich für die gleiche Zeitdauer alleine für sich beanspruchen, bevor der nächste Kanal zum Zuge kommt. Nach acht Zeitschlitzen wird die Reihenfolge wiederholt und der erste Kanal kann wieder Daten senden oder empfangen. Der gesamte Zeitrahmen aller acht Zeitschlitze, zwischen denen ein Schutzabstand bestehen muss, dauert 4,615 ms. Werden das Frequenzmultiplex- und das Zeitmultiplexverfahren kombiniert, können theoretisch 992 Kanäle (124 Kanäle durch das Frequenzmultiplexverfahren multipliziert mit acht Zeitschlitzen aus dem Zeitmultiplexverfahren) pro Funkzelle bedient werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.3: Zeitmultiplexverfahren

3.4 Codemultiplex

Das Codemultiplexing (Code Division Multiplexing/CDM) vergibt jedem Teilnehmer nun einen eigenen unabhängigen sogenannten orthogonalen Code. Dabei handelt es sich um bestimmte Bitmuster, die sich bei multiplikativer Verknüpfung zu Null ergeben. Die Codes aller aktiven Mobilfunkteilnehmer werden gleichzeitig übertragen, und die Basisstation kann aus dem ankommenden „Gruppensignal“ dadurch die „Einzelsignale“ herausfiltern und verarbeiten. Dabei nutzen alle Kanäle zur selben Zeit dieselbe Fre- quenz, der in Abbildung 3.4 dargestellte Schutzabstand wird durch die Orthogonalität der vergebenen Codes realisiert. Vorteil dieses bei UMTS eingesetzten Verfahren sind zum einen die bessere Nutzung der knappen Ressource Frequenz, da der Coderaum nahezu unerschöpflich ist und zum anderen die Unempfindlichkeit gegenüber Störungen und einfachem Mithören.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3.4: Codemultiplexverfahren

4 Erste Mobilfunkgeneration

4.1 A-Netz

Die Geschichte des Mobilfunks in Deutschland reicht bis zum Jahre 1958/59 zurück, in dem einige Vorläufer zu einem ersten Mobilfunknetz, dem sogenannten A-Netz zu- sammengefasst wurden. Die Gespräche in diesem analogen Netz wurden handvermit- telt, wobei ein Telefonieren nur innerhalb des Netzes möglich war. Um einen Ge- sprächspartner anrufen zu können, musste der ungefähre Aufenthaltsort im Umkreis von 30-50 km bekannt sein. Wenn einer der beiden Gesprächspartner eine Funkzelle wäh- rend eines Gespräches verlassen hat, musste die Verbindung beendet und anschließend wieder neu aufgebaut werden. Das Telefonieren in diesem Netz war sehr teuer, so dass es nur von wenigen Personen, hauptsächlich aus der Politik und der Wirtschaft, benutzt wurde. Ein Mobilfunkgerät, das so groß wie ein Koffer war, hat damals ca. 4.000 € ge- kostet. Bei einem Bruttojahresverdienst eines Facharbeiters von 3.500 € beziehungs- weise dem Kaufpreis eines VW Käfers in Höhe von 2.500 € werden die Relationen deutlich. Das A-Netz, das im Frequenzbereich von 150 MHz 16 Kanäle zur Verfügung gestellt hatte, wurde 1977 abgeschalten [vgl. Prno2001a, Teil 2].

4.2 B-Netz

1972 wurde das analoge B-Netz eingeführt, bei dem die Gespräche nicht mehr per Hand vermittelt wurden. Es musste jedoch wie beim A-Netz der ungefähre Aufenthaltsort des Gesprächspartners bekannt sein. Es war in diesem Netz erstmalig möglich, auch Teil- nehmer in Luxemburg, Österreich und den Niederlanden zu erreichen. Obwohl auch dieses Netz sehr teuer war, musste Ende der 70er Jahre aus Kapazitätsgründen auf die Frequenzen des A-Netzes zurückgegriffen werden. Dies war möglich, da ein ähnlicher Frequenzbereich wie der des A-Netzes verwendet wurde. Das B-Netz wurde 1994 abge- schalten, wobei der Höchststand 1986 mit 27.000 Nutzern erreicht war [vgl. Prno2001a, Teil 2].

4.3 C-Netz

Das nächste analoge Netz, das sogenannte C-Netz, wurde 1985 in Betrieb genommen. Es war erstmalig möglich, den Aufenthaltsort des Gesprächspartners automatisch zu ermitteln und bei einem Funkzellenwechsel das Gespräch ohne Verbindungsabbruch automatisch weiterzuleiten. Das C-Netz nutzte einen höheren Frequenzbereich (450-465 MHz) als das A-Netz und das B-Netz. aren, ist die Kapazität und damit die mögliche Anzahl der Gespräche im C-Netz gestiegen. Trotz der kleineren Funkzellen hat die Netzabdeckung in Deutschland fast 100% betragen. Es war in diesem Netz erstmalig auch möglich, Daten, beispielsweise in Form eines Fax, zu übertragen. Das C-Netz wurde im Sommer 2000 abgeschalten, wobei der Höchststand 1993 mit 850.000 Kunden erreicht war. Mit dieser Kundenanzahl war die mögliche Kapazität dieses Netzes fast erreicht [vgl. Prno2001b, Teil 3]. 9

5 Zweite Mobilfunkgeneration

5.1 D-Netz

Das nächste Netz wurde 1991 von der deutschen Telekom in Betrieb genommen. 1992 kam mit Mannesmann ein privater Konkurrent auf den Markt. Die D-Netze haben erst- malig einen digitalen Standard verwendet, weswegen diese Netze auch als eine neue Generation bezeichnet wurden. Durch die digitale Technologie sind die Gespräche ab- hörsicherer, weniger störanfällig und bieten eine höhere Sprachqualität als die analogen Netze. Die Grundlage für diese Netze war der nahezu weltweit einheitliche digitale GSM-Standard (Global System for Mobile Communications; siehe dazu ausführlich Kapitel 5.3.1). Durch diesen Standard ist ein Telefonieren in über 150 Ländern möglich. Es wurde ein höherer Frequenzbereich als bei dem C-Netz verwendet (890-960 MHz). Dadurch ist zwar die Reichweite geringer und es werden mehr Funkzellen benötigt, aber dafür steigt die Netzkapazität wiederum an. Die Lizenzen für diese D-Netze, im Fol- genden kurz GSM 900, haben eine Laufzeit bis zum 31.12. 2009, können jedoch bei Be- darf verlängert werden [vgl. Prno2001b, Teil 3].

5.2 E-Netz

1994 ging das erste digitale E-Netz von E-Plus an den Start. 1998 kam mit Viag Interkom ein zweiter Betreiber auf den deutschen Mobilfunkmarkt. Die E-Netze arbeiten mit einer höheren Frequenz (1710-1880 MHz) als die D-Netze, womit wiederum eine bessere Sprachqualität und eine höhere Kapazität erreicht wird. Im Folgenden wird kurz von GSM 1800 gesprochen. Die Laufzeit der Lizenzen endet bei E-Plus am 31.12.2012 und bei Viag Interkom am 31.12.2016, wobei auch diese Lizenzen bei Bedarf verlängert werden können [vgl. Prno2001b, Teil 3].

5.3 Technologien der zweiten Mobilfunkgeneration

5.3.1 GSM

Zu Beginn der 80er Jahre existierten mehrere analoge Telefonsysteme nebeneinander, die zwar auf dem gleichen Standard beruhten, sich aber in einigen Details unterschie- den. Um für die nachfolgende digitale Generation dieses Problem zu vermeiden, wurde 1982 die „Groupe Spéciale Mobile“ (GSM) gegründet. Das primäre Ziel war es, ein mobiles Telefonsystem zu schaffen, das Teilnehmern eine europaweite Freizügigkeit erlaubte und kompatibel mit ISDN und analogen Telefonsystemen ist [vgl. Schi2000, S. 141]. Heute steht GSM für „Global System for Mobile Communications“ und ermöglicht Datenübertragungsraten von 9,6 kbit/s.

In Deutschland gibt es momentan fünf verschiedene GSM-Netzbetreiber, die zwei un- terschiedliche Frequenzbereiche nutzen. GSM wurde in Europa ursprünglich für die Frequenzbereiche 890-915 MHz für die Aufwärtsrichtung und 935-960 MHz für die Abwärtsrichtung konzipiert. Die neueren Versionen arbeiten mit dem Frequenzbereich 1710-1785 MHZ für die Aufwärtsrichtung und 1805-1880 MHz für die Abwärtsrich- tung. Es gibt in anderen Ländern noch weitere GSM-Netze mit anderen Frequenzberei- chen, wie beispielsweise in den USA das GSM 1900 ( 1850-1910 MHz beziehungs- weise 1930-1990 MHz).

5.3.1.1 Mobilfunkdienste

Bei GSM unterscheidet man drei verschiedene Dienste: Träger-, Tele- und Zusatz- dienste. Die Trägerdienste sind zuständig für die Datenübertragung, wobei zwischen transparenter, nicht transparenter, synchroner und asynchroner Übertragung unterschie- den wird. Die meisten Teledienste sind sprachorientiert mit einer automatischen Ver- schlüsselung der Sprachdaten. Ergänzt werden diese Dienste beispielsweise durch Kurznachrichten (SMS: Short Message Service) und Datenübertragung per Fax. Die Zusatzdienste hingegen unterscheiden sich von Anbieter zu Anbieter. Typische Dienste sind beispielsweise Rufweiterleitung, Rufumleitung oder auch Konferenzschaltungen [vgl. Schi2000, S. 143].

5.3.1.2 Netzarchitektur

Die GSM-Netzstruktur besteht, wie in Abbildung 5.1 zu erkennen ist, aus drei Subsys- temen, dem Feststationssystem (Base Station System/im Folgenden kurz: BSS), dem Mobilvermittlungssystem (Network and Switching System/im Folgenden kurz: NSS) und dem Betriebs- und Wartungssystem (Operation System/im Folgenden kurz: OSS).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5.1: GSM-Netzstruktur

[...]