Mobilfunknetze
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Was sind Funknetze?
Ein Funknetz wird mit Hilfe von Basistationen in Form von meist auf
(Hoch-)Hausdächern platzierten Sendemasten errichtet. Eine Basistation hat
eine begrenzte Reichweite und deckt somit nur einen bestimmten Teilbereich
des Funknetzes ab - eine sogenannte Funkzelle. Hält sich ein Benutzer
außerhalb solcher Funkzellen und damit außerhalb des Funknetzes auf
("Funkloch"), so hat sein mobiles Endgerät keinen Empfang und steht nicht
zur Kommunikation zur Verfügung.
Es kommt häufig vor, dass der Benutzer mit seinem mobilen Endgerät während eines Gesprächs oder einer Datenübertragung das Einzugsgebiet einer Basistation verlässt und eine andere Funkzelle betritt. Die Zuständigkeit für das mobile Endgerät muss dann von der einen Basistation zur anderen übertragen werden, ohne dabei die Verbindung zu unterbrechen oder zumindest vom Benutzer unbemerkt - dieser Vorgang wird als Handover bezeichnet. Es gibt jedoch auch andere Gründe für Handover, z. B. ein zu schwaches Signal der aktuellen Zelle oder eine zu hohe Auslastung derselben.
Die physikalische Grundlage des Mobilfunks bildet der Mikrowellenbereich
des elektromagnetischen Spektrums (von ca. 0,8 MHz für GSM bis hin zu
knappen 6 GHz für WLAN). Damit es zu keinen Interferenzen kommt, werden den
Funkstandards eigene Frequenzbereiche zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus
teilen sich die größten nationalen Telekommunikationsanbieter die
Frequenzbereiche des jeweiligen Standards auf und errichten ihre eigenen
Netze. Je nach Funktechnik und Anbieter kommuniziert man folglich in
unterschiedlichen Frequenzbereichen. Eine technische Herausforderung für
mobile Endgeräte besteht u. a. darin, mit verschiedenen Frequenzbereichen
umgehen zu können.
GSM - Global System for Mobile Communications
GSM ist der weltweit verbreitetste und gleichzeitig erste digitale
Mobilfunkstandard. Er hat die analogen Funknetze mittlerweile komplett
abgelöst. Erste GSM-Netze wurden bereits zu Beginn der 90er-Jahre errichtet.
Seitdem ziehen immer mehr Länder nach, so dass im Moment in und zwischen
weit über 100 Ländern mobil telefoniert werden kann. Die Weiterentwicklung
wird seit dem Jahr 2000 vom 3GPP (3rd Generation Partnership Project)
vorangetrieben und neben der Verbesserung der Sprachqualität und Einführung
zusätzlicher Funktionen werden vor allem höhere Datenübertragungsraten
angestrebt. GSM ist auf die Übertragung von Sprache spezialisiert, wofür
eine geringe Übertragungsrate ausreicht und was zudem leitungsvermittelt
erfolgen kann. Datenübertragungen, die z. B. durch die Nutzung der Dienste
des
Internets
anfallen (Downloads,
E-Mails
usw.), sind mit
GSM nicht effizient möglich.
Als logische Konsequenz daraus wurden GSM-Erweiterungen entwickelt. Zum einen der Standard HSCSD, der durch Kanalbündelung wesentlich höhere Übertragungsraten und somit bessere Verbindungsqualitäten ermöglicht und zum anderen der Standard GPRS, welcher eine paketvermittelte Übertragung und dadurch u. a. eine effizientere Nutzung der zur Verfügung stehenden Bandbreite erlaubt. Durch GPRS wurde erstmals eine volumenbasierte Abrechnung der Internetnutzung möglich, bisher erfolgte dies auf Grundlage der Verbindungszeit. Eine weitere Erhöhung der Datenübertragungsrate, auch von GPRS und HSCSD, wurde durch die Einführung von EDGE erreicht. EDGE stellt eine Verbesserung der grundlegenden GSM-Übertragungstechnik dar.
UMTS - Universal Mobile Telecommunications System
Die steigende Verfügbarkeit multimedialer Inhalte im
WWW
erfordert die
Gewährleistung noch höherer Datenübertragungsraten. Aus diesem Grund wird
seit Ende der 90er-Jahre UMTS als geplanter Nachfolger von GSM entwickelt.
Dafür wurde vor allem die für die Übertragung über die Luftschnittstelle
zuständige Funktechnik (Wideband CDMA) verbessert. Auch UMTS arbeitet
paketorientiert und macht sich dafür das Internet-Protokoll (IP)
zunutze.
Mittlerweile sind große Teile Deutschlands vom UMTS-Netz abgedeckt. Doch trotz der neuen technischen Möglichkeiten durch die schnellere Übertragungsgeschwindigkeit wollen sich UMTS-Geräte bisher nicht so recht etablieren - was wohl am hohen Preis der Tarife und der Geräte selbst liegt.
Trotz der vergleichsweise hohen Übertragungsraten von UMTS (Siehe Tabelle 1) reichen diese für bandbreitenhungrige Videoinhalte nicht aus. Als Folge dessen wurde UMTS mit den Erweiterungen HSDPA und HSUPA aufgerüstet (ähnlich der GSM-Erweiterung EDGE) - ersteres für den Empfangs- (Downlink), letzteres für den Sendevorgang (Uplink). Durch eine effizientere Kodierung und effektivere Lastverteilung werden schnellere Antwortzeiten und momentan (Entwicklungsstand: 2007) Datenübertragungsraten im mittleren DSL -Bereich erzielt (ca. 3000 Kbit/s), die Entwicklung ist jedoch noch nicht abgeschlossen.
WLAN - Wireless Local Area Network
WLAN
bietet
die besten Voraussetzungen für eine mobile Kommunikation. Da der häufig verwendete
Frequenzbereich um die 2,4 GHz an keine Lizenz gebunden und somit frei
empfangbar ist, entstehen durch die Nutzung eines öffentlichen WLAN-Zugangs
keine zusätzlichen Kosten. Da zur Kommunikation
VoIP
verwendet werden kann
ist WLAN somit und auch aufgrund der hohen Übertragungsraten ein
ernsthafter, zumal meist günstigerer UMTS-Konkurrent - allerdings mit stark
begrenzter Reichweite.
WIMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access
Seit Jahren als kabelloser DSL-Nachfolger angepriesen, schreitet die
Verbreitung von
WIMAX
sehr schleppend voran. Seit etwa Mitte des Jahres 2005 existieren jedoch die
ersten kommerziellen Angebote. WIMAX ermöglicht höhere
Datenübertragungsraten und eine höhere Reichweite als WLAN und bietet zudem
Dienstgütefunktionen an, die eine höhere Sprachqualität garantieren.
Allerdings verwendet WIMAX lizenzpflichtige Frequenzbereiche - für den
Kunden ein wirtschaftlicher Nachteil gegenüber WLAN. Noch kann WIMAX also
nicht als Ersatz fürs GSM- oder UMTS-Mobilfunknetz dienen - dazu muss
erst dessen Verbreitung weiter voranschreiten.
Kurzstreckenübertragung
Ursprünglich wurde zur Übertragung von Daten über kurze Distanzen (<1
Meter) Infrarot (IrDA) verwendet. Vor allem wegen dieser geringen Reichweite
wird es nach und nach durch den Industriestandard Bluetooth ersetzt.
Bluetooth bietet, je nach Leistungsklasse, Reichweiten bis zu 100 Meter und
verwendet wie WLAN Frequenzen des lizenzfreien 2,4-GHz-Bandes. Bluetooth
eignet sich gleichermaßen für Gespräche als auch für Datentransfers. Es
kommt vor allem bei der spontanen Vernetzung mobiler Endgeräte ("
Piconet
") zum Austausch von Kontaktinformationen oder als Ersatz für
Kabelverbindungen zwischen Peripheriegeräten und einem Rechner zum
Einsatz.
Mit Bluetooth 2.0 wurde eine Version eingeführt, die dank verbesserter
Technik (EDR) höhere Datenübertragungsraten z. B. zur Übertragung von Audio-
und Videodateien ermöglicht. Ein weiterer Versionssprung zu Bluetooth 2.1
brachte vor allem Verbesserungen im Stromverbrauch und der Sicherheit. Die
neueren Versionen sind dabei abwärtskompatibel zur ursprünglichen
Version.
Mit UWB (Ultra-Wideband, umgangssprachlich auch Wireless USB) wird
bereits die nächste Weiterentwicklung der Übertragungstechnik von Bluetooth
spezifiziert: Ultrabreitbandfunk. Damit sollen Verbindungskabel im
Nahbereich endgültig überflüssig gemacht werden. Auch hochwertiges Audio-
und Videomaterial soll z. B. zwischen DVD-Player und Fernsehgerät problemlos
übertragen werden können. Allerdings wird dabei auf lizenzgebundene und
somit kostenpflichtige Frequenzen zurückgegriffen.
Downlink in kbit/s 1 |
Uplink in kbit/s 1 |
Paketorientiert bzw. asymmetrisch |
Leitungsorientiert bzw. symmetrisch |
Netzabdeckung in Deutschland |
|
GSM | < 10 |
< 10 |
X (SMS) |
X |
Komplett |
GPRS | < 50 (< 180 mit EDGE) |
< 15 (< 100 mit EDGE) |
X |
X |
Komplett |
HSCSD | < 50 (< 180 mit EDGE) |
< 30 (< 100 mit EDGE) |
- |
X |
Abnehmend wegen UMTS |
UMTS | < 380 (< 3000 mit HSDPA) |
< 60 (weit mehr mit HSUPA) |
X |
X |
Größtenteils |
WLAN | ca. 3000 - 16000 |
im (niedrigen) Mbit-Bereich |
X |
- |
nur in (Groß-)Städten |
WIMAX | 1000 - 10000 (wird ständig erhöht) |
wie Downlink |
X |
- |
Noch im Aufbau |
IrDA | 9,6 - 16000 (je nach Kategorie) |
wie Downlink |
X |
- |
- |
Bluetooth 1.x | asymmetrisch: ca. 723 symmetrisch: ca. 433 |
asymmetrisch: ca. 60 symmetrisch: ca. 433 |
X |
- |
- |
Bluetooth 2.x | bis zu ca. 2170 |
wie Downlink |
X |
- |
- |
UWB | ca. 100000 |
wie Downlink |
X |
- |
- |
1 Diese Angaben sind auf die in der Praxis gängigen Geschwindigkeiten bezogen (nicht auf die unter idealen Bedingungen theoretisch möglichen). Grundsätzlich hängen die Übertragungsraten zum einen stark vom Endgerät und zum anderen von der Nähe zur Basisstation, der Basistation selber und von der Anzahl weiterer Teilnehmer im Netz ab.