Drahtlose Kommunikation gehört schon zu Urzeiten zu den Träumen der Telekommunikationsbranche und ist zweifellos die Zukunft derselbigen. Und gerade die immer kleiner, kompakter und leistungsfähig werdende Telefon- und Computertechnik gebietet förmlich die grenzen- und drahtlose Mobilkommunikation ohne Abstriche gegenüber herkömmlichen drahtgebundenen Kommunikationswegen.
Mobil ist nicht gleich Mobil
Bevor über mobiles Internet und drahtlose Zugänge gesprochen wird, sollten zunächst zwei höchst unterschiedliche Definitionen von "Mobilität" in der Telekommunikation unterschieden werden. Gemeint ist damit der Begriff "Mobilfunk", wie er von Mobilfunkbetreibern aus der Telefonwelt und aus der Netzwerkwelt gesehen wird.
Mobilfunkbetreiber aus der Telefonwelt betreiben ihre Mobilfunknetze als eine Gesamtheit und versorgen mit ihrem Netzwerk ganze Landstriche, vornehmlich mit Telefonie, aber auch mit Datenanwendungen. Dazu haben sie sich bei einer nationalen Behörde (in Deutschland die Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post) um die Nutzung von Frequenzbändern für einen Mobilfunkstandard beworben und diese zur Nutzung erhalten, auf denen sie mit eigenem Equipment die Mobilfunkdienstleistung der Allgemeinheit zur Verfügung stellen. Diese Lizenzen geben den Mobilfunkbetreibern jedoch nicht nur Rechte, sondern fordern auch Pflichten von ihnen ab. Beispielsweise muss jeder Mobilfunkbetreiber im Rahmen seiner Lizenz die prozentuale Versorgung des Landes in einem bestimmten Zeitraum garantieren, sich an die Nummernvergaberichtlinien für Telefonnummern halten (beispielsweise die einheitliche Übernahme von Sonder- und Notrufnummern) et cetera.
Mobilfunkbetreiber aus der Netzwerkwelt betreiben für gewöhnlich so genannte nomadische Netzwerke, als Funkinseln oder auf kleinere Landstriche beschränkte Funknetze. Dazu wird entweder Funktechnik verwendet, die in allgemein frei nutzbaren Frequenzbereichen senden und lizenzfrei genutzt werden dürfen oder bekommen für bestimmte, genau zu definierende Bereiche bestimmte lizenzpflichtige Frequenzbereiche zugeteilt. Im Gegensatz zur Mobilfunktechnik aus der Telefoniewelt dürfen diese Gerätschaften jedoch nur mit weit geringeren Sendeleistungen oder in einem engen und genau definierten Korridor (Richtfunk) genutzt werden.
Eine weitere Unterscheidung zwischen Mobilfunk der Telefonie- und der Netzwerkwelt beruht auf der Geschichte der Telekommunikation. Die Telefoniewelt arbeitet seit inzwischen Jahrhunderten nach dem Prinzip der Leitungsvermittlung, während die Netzwerkwelt (und hier insbesondere das Internet) das Prinzip der Paketvermittlung aufrechterhält. Sprich: Während für ein normales Telefongespräch eine durchgehende Leitung zwischen Anrufer und Anrufenden geschaltet wird (Leitungsvermittlung), basiert die Paketvermittlung darauf, dass die Information zwischen Absender und Empfänger als einzelne Pakete in einem Übertragungsnetz übertragen wird (siehe hierzu auch Arten von Netzwerken).
Dieser fundamentale Unterschied ist daran erkennbar, wie die Telekommunikationsdienstleistungen hauptsächlich vermarktet werden: Da bei einer Leitungsvermittlung eine Leitungsstrecke exklusiv zur Verfügung gestellt wird, wird diese Dienstleistung überwiegend nach Zeit abgerechnet. So eine Abrechnung würde bei einer Paketvermittlung nur in kleinerem Masse funktionieren, da hier keine exklusive Leitungsstrecke zwischen Absender und Empfänger existiert. Hier ist deshalb eine Abrechnung nach der Datenmenge die sinnvollste Methode.
Interessant am Rande: Auch bei den Mobilfunkbetreibern in der Telefoniewelt ist ein langsamer Umstieg von der Leitungs- in die Paketvermittlung zu beobachten. Am deutlichsten ist dies beim GSM-Mobilfunkstandard durch die Einführung des General Packet Radio Service (GPRS), der eine paketorientierte Datenübermittlung über GSM-Netze ermöglicht.
Klassischer Mobilfunk
Als "Mobilfunk" wird umgangssprachlich der Mobilfunk aus der Telefoniewelt bezeichnet, der primär für mobile Telefonanwendungen ausgerichtet ist. Die Grundlage dieser Art von Mobilfunk ist in den meisten Ländern der Erde inzwischen der digitale Standard Global System for Mobile Communication (GSM), der langfristig durch das Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) abgelöst werden wird. Ich möchte an dieser Stelle auch etwas auf die Geschichte und Techniken der gängigen Mobilfunktechnologien näher eingehen, um Ihnen auch in diesem Bereich einige Grundlagen zu vermitteln.
Zu Funktechnologien aus der Netzwerkwelt finden Sie drei weitere Artikel in dieser Rubrik: Drahtlose lokale Netzwerke, Teil 1: WLAN, Drahtlose lokale Netzwerke, Teil 2: WiMAX, Drahtlose lokale Netzwerke, Teil 3: Bluetooth, ZigBee.
Datenübertragung im Global System for Mobile Communication (GSM)
GSM wurde ab 1987 vom ETSI, dem European Telecommunications Standards Institute, als Arbeitsgruppe namens Groupe Special Mobile eingerichtet, die sich mit der Entwicklung eines einheitlichen digitalen Mobilfunkstandards beschäftigten sollte und einen einheitlichen Mobilfunkstandard namens GSM entwickelte, dessen Initialen später auf Global System for Mobile Communication (Globales System für Mobilkommunikation) umdefiniert wurden. GSM ist heute zweifellos der am weitesten verbreitete Mobilfunkstandard. Nähere Informationen zur Geschichte und Technik von GSM finden Sie in netplanet unter Global System for Mobile Communication (GSM).
Der Augenmerk bei der Entwicklung von GSM, so wenig Daten wie nur möglich zu erzeugen, die übertragen werden müssen, ist zwar gut bei der Übertragung von möglichst vielen Gesprächen gleichzeitig, jedoch ein Hindernis bei der Übertragung von Daten. Niemand konnte Ende der achtziger und Anfang der neunziger Jahre des 20. Jahrhunderts den Siegeszug des Internet voraussagen und dementsprechend wenig wurde in der ursprünglichen GSM-Spezifikation ein Schwerpunkt auf die Übertragung von großen Datenmengen gelegt. So sind die möglichen Datenübertragungsbandbreiten zunächst einmal mehr als kläglich:
Übertragen lässt sich auf einem Funkrahmen, dem eigentlichen Übertragungskanal während einer Datenverbindung, brutto eine Datenmenge von 271 Kilobit pro Sekunde. Das macht pro Nutzkanal eine Bruttorate von 33,9 Kilobit pro Sekunde. Davon werden 9,2 Kilobit pro Sekunde für grundlegende Fehlerkorrekturmaßnamen benötigt, so dass nun 24,7 Kilobit pro Sekunde für einen Nutzkanal übrig bleiben. Diese 24,7 Kilobit pro Sekunde müssen jedoch weiter unterteilt werden: 1,9 Kilobit pro Sekunde für den Steuerkanal und 22,8 Kilobit pro Sekunde für den Nutzkanal. Und auch die verbliebenen 22,8 Kilobit pro Sekunde sind immer noch brutto, da noch eine Reihe von Fehlerschutzmechanismen hinzukommen und für Nutzdaten am Ende nur noch eine effektive Bandbreite von 13 Kilobit pro Sekunde übrig bleiben.
Für moderne Sprachkodierungsverfahren ist diese Bandbreite ausreichend, um hier akzeptable Gesprächsqualitäten zu erreichen. Für Datenübertragungen ist dies jedoch ein relativ magere Bandbreite. Zwar kann mit alternativen Fehlerkorrekturen pro Nutzkanal bei einer guten Verbindungsqualität eine Bandbreite von 14,4 Kilobit pro Sekunde erreicht werden, dennoch ist diese Bandbreite weit weg von dem, was beispielsweise DSL-Anschlüsse heutzutage zu leisten vermögen.
Eine Weiterentwicklung von CSD-Verbindungen ist das HSCSD-Verfahren (High Speed Circuit Switched Data), das als spätere Ergänzung zum GSM-Standard hinzugekommen ist. Bei diesem Verfahren kann der Benutzer mit einem entsprechend vorbereiteten Mobiltelefon für eine Datenverbindung mehrere Nutzkanäle eines Funkrahmens anfordern, theoretisch alle acht eines Funkkanals. Theoretisch wäre damit eine maximale Bandbreite von 115,2 Kilobit pro Sekunde möglich. In der Praxis ist die Bündelung aber von maximal vier Nutzkanälen zu einer Verbindung üblich, um so immerhin eine Bandbreite von 57,6 Kilobit pro Sekunde zu erreichen. Ein Nachteil von HSCSD wird aber sofort deutlich: HSCSD-Verbindungen belegen gleich mehrere Nutzkanäle und je mehr Nutzkanäle einer Mobilfunkstation gebraucht werden, desto weniger freie Kapazität steht zur Verfügung. Ein Mobilfunkbetreiber kann diesem Phänomen entgegenwirken, in dem er sein Mobilfunknetz engmaschiger gestaltet, so dass zum Beispiel in Städten einzelne Mobilfunkzellen mitunter nur ganz kleine Bereiche versorgen, teilweise nur einzelne Straßenzüge oder Plätze.
General Packet Radio Service (GPRS) als Zwischenschritt zu UMTS
GPRS ist eine weitere Erweiterung im GSM-Standard und gleichzeitig ein bedeutender Paradigmenwechsel in der Telefoniewelt. Während bisher die Kommissionierung von Telefonressourcen traditionell leitungsorientiert vorgenommen und demnach nach Zeit abgerechnet wurde, ist GPRS ein vollständig paketorientierter Dienst.
Die Idee, die hinter GPRS steckt, sind permanent bestehende, virtuelle Verbindungen zu einer Gegenstelle. So eine Verbindung besteht also zwischen Mobiltelefon und Netz dauerhaft, es werden jedoch nur dann Übertragungskapazitäten im Mobilfunknetz benötigt und angefordert, wenn auch tatsächlich Daten übertragen werden sollen. Dies ist insofern nützlich für Mobilfunkanbieter und seine Kunden, da bei paketorientierten Netzwerken wie beispielsweise dem Internet nicht ständig Daten übertragen werden oder die volle Bandbreite benötigt wird, sondern jeweils nur bei Bedarf. Auf diese Weise können im gleichen Netz und in der gleichen Mobilfunkzelle eine Vielzahl von Mobiltelefonen gleichzeitig eingebucht und auch eine aktive Internet-Verbindung haben.
Zwar ist auch bei GPRS dynamisch die Bündelung mehrerer Nutzkanäle bei Bedarf möglich, dennoch leidet auch GPRS unter den beschränkten Übertragungskapazitäten des GSM-Standards und ist an öffentlichen Plätzen, während Großveranstaltungen etc. meist hoffnungslos überfordert.
Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) als weitere GSM-Entwicklungsstufe
Mit der offiziellen GSM-Erweiterung namens EDGE wird eine weitere Zwischenstufe von GSM hin zu den Datenübertragungsbandbreiten von UMTS geschaffen. Dazu wird innerhalb eines Nutzkanals ein anderes Modulationsverfahren genutzt, mit dem eine erheblich größere Übertragungsbandbreite von bis zu 48 Kilobit pro Sekunde möglich ist, mit Bündelung von mehreren Nutzkanälen sogar bis zu 384 Kilobit pro Sekunde bei der maximal möglichen Zahl von acht gebündelten Kanälen.
Für die Nutzung von EDGE ist eine teilweise Umrüstung der Funktechnik auf Seiten des Mobilfunkanbieters notwendig, außerdem benötigt der Benutzer ein EDGE-fähiges Endgerät. Durch die Abwärtskompatibilität ist jedoch gewährleistet, dass EDGE innerhalb von normalen GSM-Netzen funktioniert und keine anderen Geräte und Verbindungen stört.
Einsetzbar ist EDGE sowohl mit dem leitungsorientierten Verfahren HSCSD (das nennt sich dann ECSD für Enhanced Circuit Switched Data), aber auch mit dem paketorientierten GPRS (das nennt sich dann E-GPRS, auch hier steht das "E" für "Enhanced"). Da EDGE in der Fachtermini oft als Zwischenschritt zu UMTS angesehen wird und bei GSM von der "zweiten Mobilfunkgeneration" ("2G") und bei UMTS von der "dritten Mobilfunkgeneration" ("3G") gesprochen wird, wird EDGE häufig als "Mobilfunkgeneration 2,5" ("2.5G") oder ("2+G") bezeichnet, auch wenn EDGE eigentlich kein eigenständiges Mobilfunksystem darstellt und eine Erweiterung von GSM ist.
Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)
UMTS wird als der zukünftige Nachfolger des GSM-Standards angesehen und wird deshalb als Mobilfunk der dritten Generation ("3G") bezeichnet. Ursprünglich wurde die Entwicklung von UMTS ab 1999 ebenfalls vom ETSI begonnen, dann aber in eine eigene, unabhängige Projektgruppe namens 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ausgegliedert - vornehmlich deshalb, um mit diesem Schritt die Entwicklung nicht nur das europäische ETSI zu beschränken, sondern möglichst früh auch andere, internationale Institute in der Telekommunikationsbranche in die Entwicklung einzubinden. Auch UMTS erfuhr im Laufe der Jahre verschiedentliche Überarbeitungen (als Phasen bezeichnet), die einige Erweiterungen und Verbesserungen mit sich brachten. Wichtig bei allen Phasen ist, dass prinzipiell nach der Implementierung von solchen Erweiterungen auch alte UMTS-Endgeräte noch mit dem Netz funktionieren sollen, die Phasen also abwärtskompatibel sein müssen.
UMTS besitzt viele Eigenschaften und bewährte Verfahren von GSM, zählt aber dennoch nicht als eine Weiter-, sondern als eine Neuentwicklung, die mit eigenen Frequenzbereichen und entsprechend eigenständiger Hardware - sowohl auf Netz-, als auch auf Endgeräteseite - arbeitet. Einige konzeptionelle Schwachstellen von GSM wurden dabei von Anfang an vermieden; beispielsweise wurde UMTS schon von Anfang an für die Nutzung von deutlich mehr Frequenzbänden ausgelegt (insgesamt 19 Frequenzbänder), um weltweit in den unterschiedlichsten Frequenzmilieus funktionieren zu können.
Grundlegende Eigenschaften von UMTS sind eine neue Funkzugriffstechnik namens Wideband CDMA, die sich von GSM unterscheidet und bei der das Übertragungssignal stark gespreizt, das Sendesignal also auf einen größeren Frequenzbereich verteilt wird. So können prinzipiell robustere Übertragungsströme erzeugt werden, die sich auch auf enger zueinanderliegenden Frequenzbereichen übertragen werden können. Zudem sind UMTS-Endgeräte von Hause aus in der Lage, mehrere Datenströme gleichzeitig zu übertragen, was den gleichzeitigen Einsatz von unabhängigen Diensten ermöglicht, beispielsweise auf einem UMTS-Gerät gleichzeitig Telefonieren und im Web surfen.
Dennoch war auch im UMTS-Standard die mögliche Bandbreite schon sehr bald ein Problem. In der ursprünglichen Definition waren nämlich nur Datenübertragungsmöglichkeiten von bis zu 384 Kilobit downlink (also zum Mobiltelefon) pro Sekunde vorgesehen, uplink (also vom Mobiltelefon aus) gar nur 64 Kilobit pro Sekunde. Um die Jahrtausendwende war das im ISDN-Zeitalter noch eine akzeptable Bandbreite - heute gehören 384 Kilobit pro Sekunde eher zu sehr schmalbandigen Internet-Zugängen, mit denen schon heute moderne Smartphones eher am unteren Limit des Möglichen arbeiten (siehe hierzu auch Internet in der Handfläche: Mobile Computing)
Generation 3,5 mit High Speed Packet Access (HSPA)
Die Lösung nahte mit einer UMTS-Erweiterung namens HSPA (für High Speed Packet Access). Auch hier werden im Prinzip über bestehende Nutzkanäle höhere Datendichten erreicht, die entsprechend ausgerüstete Mobiltelefone und -netze fallweise verwenden können, wenn beide Seiten dies ermöglichen können. Für die Codierung selbst gibt es zwei Protokolle, jeweils für die Übertragungsrichtung: HSDPA (für High Speed Downlink Packed Access) wiederum für die Richtung zum Mobiltelefon und HSUPA (für High Speed Downlink Packet Access) für den umgekehrten Übertragungsweg.
HSPA ist flexibel auf verschiedene Kategorien ausgerichtet, die es dem Netzbetreiber ermöglichen, unterschiedliche Bandbreiten einzusetzen. Erreicht werden können theoretisch Übertragungsraten von 14,4, in der Praxis jedoch "nur" zwischen 3,6 und 7,2 Megabit pro Sekunde. Diese Größe der Bandbreite reicht zwar für die meisten Einsatzzwecke moderner Smartphones aus, ist jedoch inzwischen auch nicht mehr zukunftssicher, so dass HSPA in der Zwischenzeit wiederum ergänzt wurde und in dieser Erweiterung HSPA+ genannt wird. Hier sind dann Übertragungsraten zwischen 14,4 und 168,8 Megabit pro Sekunde, wenn alle Komponenten die HSPA+-Erweiterung unterstützen und der Mobilfunkanbieter auch die Nutzung von HSPA+ ermöglicht.
4G-Netzwerke mit Long Term Evolution (LTE)
Der nächste logische Schritt nach UMTS sind Netze der vierten Mobilfunkgeneration ("4G"), die vor allem eine noch stärkere Ausrichtungen auf den Datenbetrieb haben und noch höhere Bandbreiten übertragen sollen. Der Weg geht dabei, wie auch bei den leitungsgebundenen Zugangstechnologien, immer stärker zu reinen Datennetzwerken, in denen die klassische Telefonie als ein Dienst eingebettet ist, wenn auch als ein sehr wichtiger, da die Telefonie nach wie vor die Haupteinnahmequelle von Mobilfunkbetreibern ist.
Genau genommen beginnt die Entwicklung von LTE ironischerweise nicht mit 4G, sondern mit "3.9G", da die Definition von 4G durch die ITU schon frühzeitig vorgenommen wurde und LTE in der ursprünglichen Definition nicht alle diese Punkte erfüllte. Erst nach einer weiteren Entwicklungsstufe, die sich LTE Advanced nennt, erfüllt LTE die 4G-Anforderungen und darf offiziell als "4G-Netzwerk" bezeichnet werden.
Der Begriff "Evolution" im Namen ist die Kernaussagen hinter LTE. Viele Kernkonzepte der UMTS-Protokollfamilie sind Basis von LTE und LTE wurde vor allem weiter auf Geschwindigkeit, Schnelligkeit und Robustheit getrimmt. Das ist vor allem bei modernen Smartphones unumgänglich, da hier der Datenhunger am größten ist und ein einheitlicher LTE-Standard auf möglichst vielen Frequenzbändern für den globalen Einsatz immer wichtiger wird.
LTE setzt durch den Einsatz von modernster Technik und effizienten Protokollen auch und vor allem in Sachen Geschwindigkeit neue, bisher unerreichte Maßstäbe. Während in den "kleinsten" Ausführungen downlink theoretisch bis zu 172,8 Megabit pro Sekunde und uplink 57,6 Megabit pro Sekunde übertragen werden können, sind in nachfolgenden LTE-Erweiterungen bis zu 1 Gigabit pro Sekunde downlink möglich, zumindest in theoretischen Anwendungen. In der Praxis sind solche Spitzenwerte abhängig von der Fähigkeit der Funkeinrichtung, Qualität der Funkverbindung und Auslastung der Funkzelle. Dennoch ist nicht von der Hand zu weisen, dass LTE als Mobilfunknetz der 4. Generation durchaus den Kampf auf die Krone angenommen hat und die Vorgängerstandards locker übertrifft. Die Überlegenheit von LTE ist allerdings auch notwendig, denn mit einer weiteren Technologie setzen viele Mobilfunkanbieter nun mit GSM, UMTS und LTE drei voneinander unabhängige Funknetze ein und müssen entsprechende Betriebslizenzen und Netzausbauten finanzieren.
An LTE werden daher große Hoffnungen gesetzt, außer dem Einsatz als mobiles Funknetz. Die theoretisch hohen Übertragungsbandbreiten ermöglichen bei entsprechenden Netzausbauten auch die Anbindung von stationären Endkunden, die nur schwer schwierig oder überhaupt nicht per kabelgebundener Verbindung (zum Beispiel per DSL, siehe hierzu auch Digital Subscriber Line) an das Internet angebunden werden können. LTE kann hier die so genannte Letzte Meile zwischen Vermittlungsstelle und Endkunden per Funk überbrücken und teure Kabelarbeiten unnötig machen. Gerade in ländlichen Gebieten stellt LTE hier eine enorme Möglichkeit dar, schnelle Internet-Anbindungen auch bis in die Peripherie von Ballungsgebieten zu transportieren.
Weiterführende Links
http://www.gsmworld.com/
Offizielle Homepage der GSM-Association
http://de.wikipedia.org/wiki/Global_System_for_Mobile_Communications
Wikipedia-Artikel zu Global System for Mobile Communications (GSM)
http://www.umtslink.at/3g-forum/vbcms.php?area=vbcmsarea_content&contentid=10
Umfassende, deutschsprachige Einführung zu UMTS
