Vertiefungsarbeit - Drahtlose Internetzugänge

Transcription

Drahtlose Internetzugänge
Vertiefungsarbeit
von
Robert Stoyan
aus Basel, Schweiz
BERUFSAKADEMIE LÖRRACH
– STAATLICHE STUDIENAKADEMIE –
UNIVERSITY OF COOPERATIVE EDUCATION
Ausbildungsbereich Wirtschaft
Betreuende(r) Dozent(-in):
Abgabetermin:
Kurs:
Fachrichtung
Prof. Dipl.-Ing. Gerhard Staib
28. Juli 2003
WWI01B
KA
1 Abstract
Das Kabel ist eines der letzten Fossilien in unserem ansonsten hoch mobilen Kommunikationszeitalter. Es schränkt das freie Verbinden von PCs, Druckern und Scannern ein, es verknotet sich
zu staubigem Wirrwarr hinter Schreibtischen und Schränken, es lässt sich meist nur zwischen
ganz bestimmten Geräten einsetzen. Und es ist bislang kaum verzichtbar, um mobile Kommunikationsmittel wie Notebook und Handy zur Interaktion zu bewegen. 1
Kommunikation stellt in unserer heutigen Informationsgesellschaft einen wichtigen Bestandteil
wirtschaftlichen Handelns dar. Seit der Entwicklung des Internets werden Rechner mehr und
mehr vernetzt, sei es durch lokale Vernetzung oder durch Anbindung an bestehende Netze, wie
das Internet. Neben den originären physikalischen Strukturen, bei denen Übertragungen über
Kupferkabel und Lichtwellenleiter erfolgte, wird heute zunehmend die mobile drahtlose Kommunikation angestrebt und erweitert.
Die folgende Ausarbeit ung soll einen Überblick über die verschiedenen Möglichkeiten des drahtlosen Zugriffs auf das globale Informationssystem bieten. Dabei sollen die wesentlichen Charakteristika beschrieben werden, die Vor- und Nachteile und Einsatzbereiche der einzelnen
Techniken.
1
[FN01]
Drahtlose Internetzugänge 2
Ehrenwörtliche Erklärung
Ich versichere hiermit, dass ich meine Vertiefungsarbeit mit dem Thema
selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt
habe.
Weil am Rhein, 27.Juli 2003
Inhaltsverzeichnis
1
Seite
Abstract....................................................................................................................2
Ehrenwörtliche Erklärung.............................................................................................3
Abkürzungsverzeichnis ................................................................................................5
Abbildungsverzeichnis..................................................................................................7
2
Einleitung.................................................................................................................8
2.1
2.2
2.3
Motivation..................................................................................................................8
Ziel der Arbeit ...........................................................................................................9
Vorgehen...................................................................................................................9
3
Grundlagen .......................................................................................................... 10
3.1
3.2
3.4
3.5
3.6
Das Internet.............................................................................................................10
Internetzugänge......................................................................................................10
3.2.1 Drahtlose Internetzugänge ...........................................................................12
Eigenschaften und Besonderheiten des drahtlosen Kanals ............................12
3.3.1 Signalausbreitung .........................................................................................13
Mobilität...................................................................................................................13
Drahtlos und Mobil.................................................................................................14
Typische Anwendungen........................................................................................15
4
Technologien....................................................................................................... 17
4.1
Kabellose lokale Netzwerke..................................................................................17
4.1.1 Infrarot (IrDA) ................................................................................................17
4.1.2 DECT - Digital Enhanced Cordless Telecommunications............................19
4.1.3 WLAN IEEE802.11 .......................................................................................20
4.1.4 Bluetooth.......................................................................................................23
Sonstige Nahbereichs-Technologien...................................................................26
4.2.1 HiperLAN/1 ...................................................................................................26
4.2.2 HiperLAN/2 ...................................................................................................26
4.2.3 HomeRF .......................................................................................................26
Mobilfunk.................................................................................................................27
4.3.1 GSM..............................................................................................................27
4.3.2 WAP..............................................................................................................28
4.3.3 HSCSD .........................................................................................................30
4.3.4 GPRS............................................................................................................31
4.3.5 i-mode...........................................................................................................32
4.3.6 EDGE............................................................................................................33
4.3.7 UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)..............................34
3.3
4.2
4.3
5
Fazit und Ausblick.............................................................................................. 38
Quellenverzeichnis ...................................................................................................... 40
Abkürzungsverzeichnis
ATM: Asynchron Transfer Mode
CDMA: a) Code Division Multiple Access
CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
DPRS: DECT Packet Radio Service
DSSS: Direct sequence spread spectrum
EDV: Elektronische Datenverarbeitung
ETSI: European Telecommunications Standards Institute
FDD: Frequency division duplex
FDMA: b)Frequency Division Multiple Access
FH: Frequency hopping
FHSS: Frequency hopping spread spectrum
FSK Frequency shift keying (4FSK = 4 level FSK)
FTP File Transfer Protocol
GHz: Gigahertz (109 Hertz)
GSM: Global System for Mobile Communications, ursprüngl. Groupe spéciale mobile
GPRS: General Packet Radio Service
HSCSD: High Speed Circuit Switched Data
IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers
IMT-2000: International Mobile Telecommunications of the year 2000
IP: Internet Protokoll
ISDN: Integrated Services Digital Network
ISM: Industrial, Scientific and Medical
ITU: International Telecommunication Union
MAC: Media Access Control
MBit/s: Megabit (106 Bit) pro Sekunde
MHz: Megahertz (106 Hertz)
OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OSI: Open Systems Interconnection
PC: Personal Computer
PDA: Personal Digital Assistant
PHY: physikalische Luftschnittstelle (OSI Layer 1)
PMP: Point to Multipoint
PP: Point to Point
PPP: Point to Point Protokoll
QoS: Quality of Service
RF: Radio Frequency
RLAN: Radio local area network
SIM: Subscriber Identification Module
SMS: Short Message Service
TCP/IP: Transmission Control Protocol / Internet Protocol
TDD: Time Division Duplex
TDMA: c) Time Division Multiple Access
UMTS: Universal Mobile Telecommunications System
USB: Universal Serial Bus
WAP: Wireless Application Protocol
WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access
WEP: Wired Equivalent Privacy
WLAN: Wireless local area network
WLL: Wireless Local Loop
(W)PAN: (Wireless) Personal Area Network
(W)LAN: (Wireless) Local Area Network
(W)WAN: (Wireless) Wide Area Network
(W)MAN: (Wireless)Metropolitan Area Network
a) Codemultiplex (CDMA); in diesem Verfahren werden den einzelnen Teilnehmern Codes zugeteilt. Das zu übertragende Signal wird mit diesem Code gespreizt und ausgesendet. Im Empfänger wird das Signal mit dem gleichen
Code wieder entspreizt und so das ursprüngliche Signal zurückgewonnen. Die Bandbreite des zu übertragenden Signals kann durch Zuteilung entsprechender Codes gewählt werden. Bei diesem Verfahren senden Zentralstationen
und Teilnehmerstationen kontinuierlich, wobei das Sendesignal leicht über dem absolut notwendigen Minimum
gehalten wird.
b) Frequenzmultiplex (FDMA); in diesem Verfahren werden die einzelnen Verbindungen auf separaten Frequenzen
übertragen. Die Bandbreite der einzelnen Verbindungen können dynamisch je nach Verkehrsaufwand angepasst
werden. Bei diesem Verfahren senden die Zentralstation und die Teilnehmerstation während der Verbindungsdauer
kontinuierlich.
c) Zeitmultiplex (TDMA); in diesem Verfahren werden den einzelnen Teilnehmern Zeitschlitze zur Verfügung gestellt, während denen sie ihre Daten übertragen. Für höhere Datenraten können mehrere Zeitschlitze kombiniert
werden. Bei diesem Verfahren sendet die Zentralstation normalerweise dauernd, die Teilnehmerstation im Takt der
ihr zugewiesenen Zeitschlitze.
Zusätzlich zu den obengenannten Zugriffsverfahren existieren Kombinationen wie z.B. CDMA mit TDMA.
Abbildungsverzeichnis
Seite
Abbildung 1: Einteilung verschiedener Netze gemäß ihrer Ausdehnung. ......................11
Abbildung 2: Spektrum elektromagnetischer Wellen ......................................................12
Abbildung 3: Mobile vs. Wireless (drahtlose) Anwendungen [Schi00] ...........................14
Abbildung 4: “Make your business mobile: The SIEMENS experience” Studie Mai
2003 [Siem01] ..........................................................................................15
Abbildung 7: Möglichkeiten des drahtlosen Internetzugriffs über Bluetooth ..................25
Abbildung 9: Beispiel für das i-mode Angebot des Nachrichtenmagazins „Der
Spiegel“. ....................................................................................................33
2 Einleitung
Der stetige Fortschritt in der Computer-Technologie über die letzten Jahrzehnte, brachte weitreichende, revolutionäre Veränderungen für unsere Gesellschaft mit sich. Unser Arbeiten, Denken
und Handeln, die gesamte Art, wie die Welt funktioniert und wie mit Informationen umgegangen
wird, wurde zunehmend durch die EDV geprägt. Mit der Entwicklung von Protokollen und
Standards in den frühen 1970ern, die erstmals Kommunikation zwischen Computern ermöglichten, und das Aufkommen der ersten Personal Computer Mitte der Achtziger Jahre, bildeten den
Grundstein für eine der bedeutendsten Revolution der Kommunikation und unserer heutigen
Gesellschaft: der Globalisierung des Internets. Durch die Multimedia lisierung des World Wide
Web Mitte der Neunziger Jahre und der Zugriffmöglichkeit für immer mehr Individualpersonen,
durch erschwingliche Computer und Internetzugänge, explodierte die Popularität des Internets
und die Zahl der Internetseiten und Internetusern wuchs expotential an. Mit dem Einzug des ze llularen Mobilfunks für den Massenmarkt zu Beginn der neunziger Jahre, fiel zudem der Startschuss für eine Ära die unsere Wahrnehmung der Kommunikation grundlegend verändern sollte.
Kommunikation findet jetzt auch an Orten statt, wo man es noch vor wenigen Jahren für unmöglich gehalten hätte – nahezu überall, jederzeit, mobil. Doch nicht nur Sprache lässt sich heute
mobil versenden. Neue, innovative Technologien ermöglichen es uns, auch Daten zu übermitteln
und bieten so neue aufregende Möglichkeiten, die unsere Art, zu interagieren und zu kommunizieren, nachhaltig verändern werden. Das Zeitalter der Mobilen Informationsgesellschaft, von
noch nie da gewesener Freiheit, in dem alles möglich ist, zu jeder Zeit und an jedem Ort hat begonnen.
2.1
Motivation
Im Zuge der wachsenden Anforderungen an die Mobilität, sowohl im Business als auch privat, eta blieren sich nach und nach Funknetzwerke. Damit diese Netzwerke reibungslos arbeiten können, werden verschiedene Technologien, zugeschnitten auf ihre unzählbaren Anwendungsgebiete, benötigt.
Wichtigstes Ziel dabei ist, größt mögliche Mobilität bei maximal möglicher Geschwindigkeit und
Sicherheit sowie unterbrechungsfreie Übertragung der Daten zu erhalten. Der tatsächliche Nutzen der
mobilen Informationsgesellschaft besteht für uns darin, dass sie uns hilft, unsere Lebensqualität zu
erhöhen durch die bestmögliche Nutzung der begrenzten, uns zur Verfügung stehenden Zeit.
Vorlage Praxis-, Studien- und Diplomarbeiten 10.04.2003 8
EINLEITUNG
2.2
Ziel der Arbeit
Ziel dieser Arbeit soll es sein, dem Leser einen Überblick über die verschiedene n Technologien
und Möglichkeiten drahtlosen Internetzugriffs zu verschaffen. Beleuchtet werden sollen die jeweiligen Einsatzgebiete, die Stärken und Schwächen und die Zukunftsaussichten der verschiedenen
Technologien, sowie auch Aspekte bezüglich Kosten und Sicherheit. Es soll ein Ausblick geschaffen
werden, was möglich ist und was in Zukunft möglich sein soll. Vorgestellt werden Techniken, die
heute gängig und aus heutiger Sicht zukunftsfähig sind. Nur am Rande erwähnt werden sollen Technologien wie HiperLAN, oder HomeRF, die sich zwar grundsätzlich zur drahtlosen Datenkommunikation und somit zum Zugriff auf das Internet eignen, aber aufgrund verschiedener Umstände keine
Rolle auf dem Wireless-Internet Markt spielen. Auf die Möglichkeit des Internetzugriffs per UltraWideband Radio (UWB) und via Satellitenfunk wird in dieser Arbeit nicht eingegangen, da dies den
Rahmen sprengen würde. Zum Satelittenfunk ist grundsätzlich zu sagen, dass sich damit eine weltweite Kommunikationsversorgung gewährleisten lässt, die Technologie aufgrund hoher Kosten, aber
nur in Infrastrukturschwachen Gebieten als sinnvoll erscheint.
2.3
Vorgehen
Zu Beginn dieser Arbeit sollen die Grundlagen geschaffen werden. Neben der Bedeutung des Internets, dessen grundlegende Funktionsweise und Möglichkeiten des Zugriffs, sollen die besonderen Eigenschaften drahtloser Kommunikation und die verschiedenen Aspekte der Mobilität
beleuchtet werden. Anschliessend sollen die massgeblichen Technologien und Möglichkeiten für
einen drahtlosen Internetzugriff mit ihren wesentlichen Charakteristika beschrieben werden.
Nach einer jeweiligen Darstellung der einzelnen Technologien soll die Ausarbeitung durch eine
abschließendes
Fazit
und
einen
Ausblick
abgerundet
werden.
Drahtlose Internetzugänge - Seite 9
3 Grundlagen
3.1
Das Internet
Kaum ein Medium in der Geschichte hat sich derart rasant entwickelt, so viele neue Möglichkeiten der Informationsgewinnung, -vermittlung und - verarbeitung geschaffen, wie das Internet. Als
Kind des kalten Krieges, unter dem Namen ARPANET (Advanced Research Projects Agency
NET) feierte es am 30. April 2003 einen runden Geburtstag. 1993 nämlich gab das CERN die
WWW-Technologie zur öffentlichen Nutzung frei gegeben. Mit dieser Benutzeroberfläche, die
fälschlicherweise oftmals mit dem Internet gleichgesetzt wird, und dem dazu entwickelten
Browser Mosaic, wurde es möglich, mit einem mit Windows vergleichbarem Komfort im Internet zu „surfen“. Dies war der Startschuss für den globalen Boom des Internets und schon jetzt ist
es kaum noch aus unserem Leben wegzudenken. Schätzungsweise eine halbe Milliarde Interne tuser gibt es heute weltweit, bei geschätzten vier Milliarden Webseiten und das Internet wächst
weiter explosionsartig an. Die "einzige Konstante im Web", wie Jakob Nielson2 es formuliert,
"ist die Veränderung". Das Evernet - die ubiquitäre Zukunftsform des Internet - soll eine neue
Dimension in die Kommunikation der Menschen bringen. Permanent bereitgestellt wie Strom
und Wasser, drahtlos über mobile Kleinstcomputer jederzeit verfügbar soll es zu einem festen
Bestandteil des täglichen Lebens werden und uns auf Schritt und Tritt begleiten. Aus dieser Ta tsache ergeben sich Implikationen für fast alle Facetten unseres Alltags, auf die das Internet zukünftig einen immensen Einfluss haben wird: Freizeit, Bildung, Arbeit, E- und M-Commerce,
Sozialleben, Sicherheit, Kriminalität, Recht, sollen nur einige Schlagwörter sein, die dies verdeutlichen. Wir befinden uns heute auf der Schwelle zu dieser mobilen Informationsgesellschaft
wo die Welt in den digitalen Raum Einzug hält und die digitalen Technologien eine grundlegende
Veränderung unseres Lebensstils bedeuten.
3.2
Internetzugänge
Zunächst müssen wir uns klarmachen, was eigentlich unter dem Begriff Internetzugang zu verstehen ist und was die herkömmlichen drahtgebundenen Anbindungen von drahtlosen und mobilen Zugängen unterscheidet. Dazu sollten wir als erstes das fundamentale Konzept des Internets
beleuchten.
Das globale Informationssystem besteht nicht nur aus einem einzelnen Netz logisch miteinander
verbundener Rechner, sondern vielmehr aus einer großen Sammlung von Teilnetzen, die allge-
2
[FN02]
GRUNDLAGEN
mein über so genannte Backbones zusammengeschlossen sind. Eine Einteilung dieser verschiedenartigen Netze lässt sich anhand ihrer Ausdehnung vornehmen (siehe Abbildung 1).
Ähnlich wie in einem Telefonnetz kann jeder mit jedem kommunizieren, der auch einen Anschluss hat.
Rechensystemen
selben
10 m
Raum
100 m
Gebäude
1km
Gelände
10 km
Stadt
100 km
Land
1.000 km
Kontinent
PAN
LAN
Rechner im
Internet
è
MAN
WAN
Distanz zw.
Kopplung unterschiedlicher
Netze, mittels bestimmter
Kommunikationsprotokolle
Abbildung 1: Einteilung verschiedener Netze gemäß ihrer Ausdehnung.
Um Kommunikation in der Vielzahl an Netzen möglich zu machen, ist es unerlässlich, dass jedes
angeschlossene Gerät eine eindeutige Adresse besitzt. Basierend auf dem Internetprotokoll (IP)
wird dieser global eindeutige Adressraum realisiert und über das so genannte Transmission
Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP), dessen Erweiterungen oder anderer IP-kompatibler
Protokolle, eine Datenkommunikation ermöglicht.
Bei einer Einwahl zu einem Internet-Service-Provider (ISP), bekommt ein Endgerät eine (in der
Regel nicht-permanente) IP-Adresse zugewiesen. Über diese ist es, für die Dauer der Einwahl
eindeutig identifizierbar und eine Nutzung der verschiedenen Internet-Dienste ist möglich.
Als Zugangsart eignen sich verschiedene Technologien mit unterschiedlichen Bandbreiten und
Eigenschaften. Das bislang überwiegend gebrauchte Medium für den Zuga ng zum Internet sind
drahtgebundene Netze. Um eine Verbindung per direkter Einwahl oder Anbindung über ein LAN
zu ermöglichen, muss ein Endgerät physisch über ein Kabel an entsprechend ausgerüsteten, festen Plätzen verbunden werden.
Bei Kabelverbindungen unterteilt man in die Glasfaser- und die Kupferkabel, wobei man drei
Sparten unterscheidet:
•
metallische Leiter: Kupferkabel (z.B. Telefon- Leitung)
•
Koaxialkabel (z.B. TV-Kabel)
•
Optische Leiter (Lichtwellenleiter): Glasfaser
Über zweiadrigen Kupferleitungen, die in Deutschland in Form einer „Telefondose“ der so genannten Telefonanschlusseinheit (TAE) in jedem Haushalt verfügbar sind, können, über ve rschiedene Frequenzbereiche, per Analogmodem oder digital per ISDN oder x-DSL, Daten
übertragen werden. Neben diesen, herkömmlichsten Arten von Online- Zugängen, eignet sich
auch bedingt das Breitbandkabelnetz (Fernseh- und Rundfunkkabelnetz) per Kabelmodemtechnik oder die Digital-Powerline-Kommunikation (DPL), realisiert über Stromleitungen, zur Datenübertragung. Mit sehr hohen Übertragungsgeschwindigkeiten ist zweifellos die
Glasfasertechnologie, die über Leucht- oder Laserdioden Lichtsignale über ein Glasfaserkabel
ausgetauscht, als „state-of-the-art“ im Bereich der Festnetz-Übertragungstechniken zu nennen.
GRUNDLAGEN
3.2.1
Alle heutigen drahtlosen Internet-Zugangsformen basieren auf Funktechnologien in verschiedenen Frequenzbereichen. In einem drahtlosen Netzwerk kann sich ein Benutzer mit seinem drahtlosen und evtl. mobilen Endgerät im Sendebereich bewegen. Hierbei ergeben sich Unterschiede
bezüglich der Ausdehnung des Sendebereichs und der Zuteilung der maximal verfügbaren Bandbreiten. Zuteilung bedeutet ob die Bandbreite exklusiv benutzt werden kann, oder ob sie mit den
anderen Benutzern geteilt werden muss. Die Ausdehnung beschreibt den Radius, in welchem
sich ein Nutzer bewegen kann. Man unterscheidet hierbei die Satellitenfunkübertragung und die
terrestrische Funkübertragung, welche man wiederum unterteilt in die Weitverkehrsfunktechniken (Mobilfunknetze) und die Nahbereichsfunktechniken (Lokale Funknetze).
• Mobilfunknetze: bestehen aus mehreren Funkzellen zwischen denen sich ein Benutzer frei
bewegen kann.
• Lokale Funknetze: Ein Benutzer kann sich nur innerhalb eines bestimmten Radius bewegen.
3.3
Eigenschaften und Besonderheiten des drahtlosen Kanals
Abgesehen von Infrarot und Lasertechnologie basieren alle drahtlosen Verbindungen auf Funktechnologie und damit auf der Nutzung elektromagnetische Wellen. Die Schnittstelle hierbei ist
die Luft. Das heißt, viele unterschiedliche Stationen greifen auf das gleiche Medium zu, was eine Anwendung von Zugriffsregeln unabdingbar macht. Man spricht hierbei von einem so genannten ‚Shared Medium’.
Da das sinnvoll nutzbare Funk-Frequenzband eine sehr begrenzte Ressource ist, muss seine Zuteilung koordiniert werden und unterliegen somit engen gesetzlichen Bestimmungen. In Deutschland erfolgt die Zuteilung durch eine Deregulierungsbehörde, wohingegen z.B. in den USA
Frequenzen versteigert werden.
Abbildung 2: Spektrum elektromagnetischer Wellen
Gegenüber drahtgebundenen Verbindungen können bei der Nutzung des drahtlosen Kanals erhöhte Fehlerraten durch Interferenzen und Störfaktoren wie etwa Einstrahlungen von Elektromotoren oder Blitzschlag. Zudem bietet die Luftschnittstelle geringere Sicherheit gegenüber
Abhören und aktive Attacken, da sie prinzipiell für jeden einfach zugänglich ist und Basisstatio-
GRUNDLAGEN
nen vorgetäuscht werden können. Drahtlose Verbindungen bieten zudem niedrigere Übertragungsraten als Festnetzzugänge. Im Nahbereich mit WLAN nach IEEE802.11 sind derzeit 54
MBit/s realisiert. Im Fernbereich wird mit UMTS ein Datendurchsatz von bis zu 2 MBit/s möglich werden. Mit diesem kommenden Standard, welcher auch als 3. Mobilfunkgeneration bezeichnet wird, sollen dann auch Verzögerungen und Schwankungen wie etwa die langsamen
Verbindungsaufbauzeiten via GSM oder stark schwankende Übertragungsqualitäten der Vergangenheit angehören.
3.3.1
Signalausbreitung
Die Ausbreitung von Signalen in leitungsgebundenen Netzen ist leicht vorhersehbar: Die Signale
breiten sich – abgesehen von zu vernachlässigenden Abstrahl-Effekten – entlang des Leiters aus.
Falls der Leiter nicht unterbrochen ist, ist die Charakteristik des Leiters an jeder Stelle gleich.
Bei einem drahtlos übertragenen Signal kann dessen Verhalten nur im Vakuum vorhergesagt
werden: Es breitet sich gleichmäßig in alle Richtungen im Raum aus, und seine Stärke nimmt
quadratisch zur Entfernung ab. In der Realität sind Übertragungs-, Erkennungs- und InterferenzBereich jedoch nicht kugelförmig, sondern durch Berge, Täler, Bebauung, Wetter, Bäume, usw.
bizarr geformte Polygone. Folgende Effekte tragen dazu bei:
Dämpfung: Selbst wenn zwischen Sender und Empfänger keine Materie ist, verliert das Signal
an Leistung. Genauer gesagt nimmt die Leistung quadratisch zur Entfernung ab. Dies ist so zu
erklären: Eine (theoretisch punktförmige) Antenne strahlt ein Signal mit einer bestimmten Ene rgie aus. Dieses Signal breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit gleichmäßig in alle Richtungen aus.
Die Energie verliert sich also gleichmäßig auf der Oberfläche einer Kugel, deren Radius mit
Lichtgeschwindigkeit wächst. Aus der Geometrie ist bekannt, dass die Kugeloberfläche quadratisch mit dem Kugelradius zusammenhängt. Zusätzlich zu dieser Dämpfung im Vakuum kommt
in der Realität die teilweise Absorption der Energie des Signals durch die Luft, (Regen-)wasser,
usw.
Abschattung: Sehr große Objekte (Mauern, Fahrzeuge, Häuser, Bäume) können ein Signal soweit dämpfen, dass es hinter dem Objekt praktisch nicht mehr empfangbar
ist. Je höher die Frequenz des Signals ist, desto weniger können sie Objekte durchdringen.
Reflexion: Objekte können ein Signal auch reflektieren, das heißt, das Signal wird
abgelenkt und besitzt auch nicht mehr dieselbe Stärke, weil ein Teil der Energie dabei
absorbiert wird.
Streuung: Ein Signal wird an einem Objekt in mehrere schwächere Signal aufgespalten,
die in unterschiedliche Richtungen weiterlaufen.
Beugung: Signale werden an Kanten von Hindernissen von der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt. (Damit lassen sich beispielsweise Empfänger erreichen,
die hinter einem Berg sind.)
Da diese fünf Effekte alle gleichzeitig auftreten, ist es praktisch unmöglich, die Signalstärke an
einem bestimmten Punkt zu berechnen, und man ist auf sehr präzise Geländemodelle angewiesen. Die Effekte sind nicht nur negativ zu sehen. Gerade in Städten tragen zum Beispiel Reflexion und Streuung wesentlich dazu bei, dass, obwohl aufgrund der Vielzahl von Gebäuden
praktisch nie eine Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger besteht, trotzdem eine Übertragung möglich ist.
3.4
Mobilität
Mobilität besagt per Definition ganz allgemein, dass sich jemand oder etwas bewegt. Doch wer
oder was ist also „mobil“ im Sinne der Informationstechnik und kann sich bewegen?
Man unterscheidet:
GRUNDLAGEN
• Gerätemobilität: Der Benutzer kann ein Endgerät zu einer beliebigen Zeit, an einem beliebigen Ort im Netz anschließen.
• Benutzermobilität: Der Benutzer kommuniziert „zu jeder Zeit, an jedem Ort, mit jedermann.”
• Session-Mobilität: Eine aktive Sitzung eines Dienst kann unterbrochen werden und auf einem anderen Endgerät fortgesetzt werden.
Wenn der Nutzer eines Systems mobil ist, spricht man von Benutzer-Mobilität. Er kann die
Dienste des Systems an unterschiedlichen Orten nutzen. Die Kommunikationsdienste folgen ihm
also nach. Typische Beispiele hierfür sind die Anruf-Weiterschaltung am Telefon oder ein
WWW-Dienst, den der Benutzer von jedem internetfähigen Computer aus nutzen kann und dessen Oberfläche immer gleich aussieht.
Sind die Endgeräte eines Systems mobil, so spricht man von Endgeräte-Mobilität. Das Kommunikationsgerät selbst kann also seinen Ort wechseln – ob mit oder ohne seinen Benutzer – und ist
auch während der Bewegung arbeitsfähig. Typische Beispiele hierfür sind Mobiltelefone oder
PDAs . Abzugrenzen sind portable Endgeräte, die zwar nicht an einen Ort gebunden sind, während des Ortswechsels aber nicht oder nicht vollständig nutzbar sind, wie zum Beispiel eine Notebook mit Netzwerkkarte.
Von Session-Mobilität ist die Rede, wenn eine aktive Sitzung eines Dienstes vom Benutzer unterbrochen und auf einem anderen Endgerät fortgeführt werden kann. Dies ist zum Beispiel bei
Telefonanlagen der Fall, wo der Teilnehmer ein Telefongespräch (Session) auf einen anderen
Apparat umleiten kann, um es dort entgegenzunehmen und fortzuführen. Das Thema SessionMobilität befindet sich noch in Forschung, denn auch bei Datendiensten sind Anwendungsfälle
denkbar, in denen Session-Mobilität Sinn macht. So könnte der Benutzer zum Beispiel das Ausfüllen eines Formulars, das Bearbeiten eines Textes oder das Online-Shopping unterbrechen und
nahtlos an einem anderen Endgerät fortsetzen.
3.5
Drahtlos und Mobil
Die Beispiele haben gezeigt, dass es verschiedene Formen von Mobilität gibt, die aber keine sfalls alle auf drahtloser Kommunikation beruhen. Die Begriffe „mobil“ und „drahtlos“ dürfen also nicht als gleichbedeutend angesehen werden. Es existieren sowohl Systeme, die mobil aber
nicht drahtlos sind, als auch drahtlos und nicht mobil. Das Ideal findet sich, wenn ein Endgerät
drahtlos als auch mobil ist. Tabelle 1 soll dies verdeutlichen:
Wireless
vs.
Mobile
Beispiele
û
û
stationäre Arbeitsplatzrechner
û
ü
Notebook mit Anschluss an das Telefonnetz
ü
û
Funk LAN als Kabelersatz in Gebäuden
ü
ü
Mobiltelefon, PDA mit Funkanbindung
Abbildung 3: Mobile vs. Wireless (drahtlose) Anwendungen [Schi00]
Während ein fest installierter Desktop PC weder mobil noch drahtlos ist, ist ein Notebook zwar
ein portables, also mobiles Gerät, jedoch z.B. zum Online Zugriff per Modem an das Telfonnetz
angeschlossen, ebenfalls nicht drahtlos. Ein Beispiel für den dritten Fall wäre ein drahtloses
GRUNDLAGEN
Computernetzwerk (Wireless LAN) mit fest- installierten Rechnern. Die Konvergenz von drahtloser Mobilität findet sich z.B. bei einem Mobiltelefon, mit dem man über ein eingebautes GSMModem, relativ ortsunabhängig eine Verbindung zum Internet herstellen kann.
Um das Internet an jeden Ort zu bringen und die Idee der allgegenwärtigen Kommunikationsmöglichkeiten zu verwirklichen, ist man also auf mobile und drahtlose Netze angewiesen. Bereits heute besteht für jeden die Möglichkeit, per WAP, Notebook, PDA oder Mobiltelefon (fast)
immer und überall auf Nachrichten, Aktienkurse, Wettervorhersagen und andere Informationen
zuzugreifen. Mit den fallenden Kosten für solche Dienste wächst sogar der Wunsch, über drahtlose Netze z.B. einfach nur unterhalten zu werden und Spiele zu spielen. Eine Siemens Studie
von Mai 2003 [Sie03] belegt, wie stark der Trend zur Mobilität geht (Abb. 02). Demnach wird
die Zahl der mobilen Telefonanschlüsse, als auch die Zahl der mobilen Internetanschlüsse in den
kommenden Jahren die Festnetzanschlusszahlen deutlich übersteigen.
1800 Subscriptions worldwide (millions)
1600
1400
Mobile
Mobile subscriptions
Fixe d
Mobile Internet
1200
Fixed Internet
1000
Mobile Internet
800
subscriptions
600
400
200
0
1995
2000
2005
2010
Abbildung 4: “Make your business mobile: The SIEMENS experience” Studie Mai 2003 [Siem01]
3.6
Typische Anwendungen
Information, Unterhaltung:
Um das Internet an jeden Ort zu bringen und die Idee der allgegenwärtigen Kommunikationsmöglichkeiten zu verwirklichen, ist man auf mobile und drahtlose Netze angewiesen. Bereits
heute hat jeder die Möglichkeit, per WAP, Notebook, PDA oder Mobiltelefon (fast) immer und
überall auf Nachrichten, Aktienkurse, Wettervorhersagen und andere Informationen zuzugreifen.
Mit den fallenden Kosten für solche Dienste wächst sogar der Wunsch, über drahtlose Netze einfach nur unterhalten zu werden und Spiele zu spielen.
mobiles Büro
Ein typischer Angestellter, der viel unterwegs ist, braucht ständigen Kontakt zu seiner Firma. Er
GRUNDLAGEN
könnte zum Beispiel mobil auf die Datenbank seiner Firma zugreifen, um aktuelle Preise, Kundendaten und Lagerbestände zu erfahren, um Kunden oder Geschäftspartner aktuell informieren
zu können. Genauso könnte die Firma auch ständig die Geschäfte ihres Mitarbeiters verfolgen.
Selbstverständlich ist auch die Nutzung von Kommunikationsdiensten wie Telefonie, e- mail,
www oder Videokonferenz.
Fahrzeuge
Die meisten Autos werden in naher Zukunft mehrere drahtlose Kommunikationssysteme und
mobile Anwendungen integrieren. Der digitale Rundfunk (Digital Audio Broadcast) sendet bereits heute Musik, Nachrichten, Verkehr und Wetter mit einer Bandbreite von 1,5 Mbit/s. Für
Sprach- und Datendienste wie Telefonie, Zugriff auf www und e- mails und Videokonferenz stehen GSM, GPRS oder bald UMTS zur Verfügung. Die genaue Position wird satellitengestützt
durch „Global Positio ning System“ (GPS) bestimmt und kann von einer Software genutzt werden, um dem Fahrer den Weg zu seinem gewünschten Ziel aufzuzeigen. Zusätzlich könnten Autos, die sich in einer näheren Umgebung befinden, ein lokales Ad- hoc-Netz zum Austausch von
Daten in Notfall-Situationen oder zum Einhalten eines Sicherheitsabstandes aufbauen. Im Fall
eines Unfalls könnte automatisch ein Notruf an Polizei und Rettungsleitzentrale abgesetzt werden. Ähnliche Einrichtungen sind für Flugzeuge und Züge wünschenswert, allerdings versagen
viele digitale Datenübertragungs-Systeme bei hoher Geschwindigkeit.
Ortsabhängige Dienste („location aware computing“)
Bei einigen Anwendungs-Szenarien ist es sinnvoll, trotz der für mobile Systeme angestrebten
Ortstransparenz dem Nutzer Diens te anzubieten, die auf seinen aktuellen Aufenthaltsort abgestimmt sind „Ortsabhängige Dienste“ umfassen mehr als nur die Informationsdienste, die im
Moment unter dem Schlagwort „location based services“ bei den Mobilfunk-Anbietern im
Kommen sind. Nachfolgedienste folgen Ihrem Benutzer an seinen aktuellen Aufenthaltsort nach.
Typische Beispiele sind Anruf-Weiterschaltung und E-Mail-Weiterleitung. Nachfolgedienste basieren darauf, dass ein Benutzer eine permanente logische Adresse (Telefonnummer oder EMail-Adresse) hat, unter der er immer erreichbar ist, und eine sich je nach Aufenthaltsort ändernde physische Adresse, an die die Sitzungen (Telefonanrufe, E-Mails) umgeleitet werden.
Unter ortsbewussten Dienste versteht man die Nutzung von Diensten, die selbst an ihren Ort gebunden sind, wie zum Beispiel Drucker oder andere Peripheriegeräte. Das mobile Endgerät muss
dazu über Informationen über seine Umgebung verfügen. Zu lösende Probleme sind die Authe ntifizierung gegenüber solchen Diensten und deren Abrechnung.
Ortsabhängige Informationsdienste sind nun das, was im Moment als einziges als „location based services“ beworben wird: Der Nutzer soll als „Pull- Dienst“ Informationen über die nächstgelegene Tankstelle oder Bank, das nächste WC oder Einkaufszentrum anfordern können. Bei
„Push-Diensten“ werden ihm ortsabhängige Informationen ohne Aufforderung zugesandt: beispielsweise die Sonderangebote eines Ladens, am dem man gerade vorbeigeht, oder das TagesVeranstaltungs-Programm eines Theaters oder Kinos, vor dem ma n steht.
In vielen Anwendungs-Szenarien sind mobile Netze heute nicht mehr wegzudenken. Die sich
ständig weiterentwickelnde Technik (insbes. was die erzielbare Datenrate durch drahtlose Kommunikation betrifft) wird in Zukunft noch viele weitere mobile Anwendungen möglich machen.
TECHNOLOGIEN
4 Technologien
4.1
Kabellose lokale Netzwerke
Anders als mit Mobilfunknetzen lässt sich mit lokalen Funknetzen, realistischerweise keine flächendeckende Versorgung erreichen, sondern vielmehr eine Abdeckung wie bei drahtgebundenen LANs. Diese so genannten Radio-LANs (RLANs) dienen dazu Laptops und/oder nichtmobile Endgeräte miteinander drahtlos zu verbinden oder bspw. an ein bestehendes drahtgebundenes Ethernet anzubinden. Per Access Points lassen sich so genannte Hotspots schaffen, mit denen an öffentlichen Orten, wie in einem Hotel, Flughafen oder auf einem Universitätsgelände,
ein Netz-Zugang ermöglicht wird.
4.1.1
Infrarot (IrDA)
Datenübertragung per Infrarotlichtwellen ist nicht nur die älteste, sondern derzeit auch noch die
verbreitetste drahtlose Übertragungstechnik, denn sie ist in jeder Fernbedienung und in den
meisten mobilen Geräten wie Mobiltelefonen, Notebooks und PDAs zu finden.
Als Infrarot wird ein Wellenbereich bezeichnet, der für das menschliche Auge nicht sichtbar ist,
da die Wellenlänge außerhalb der menschlichen Augenempfindlichkeitskurve liegt. Die Wellen
werden einerseits für die Übertragungstechnik mittels Lichtwellenleiter und andererseits für
drahtlose lokale Netze verwendet.
Bereits 1979 in Taschenrechnern verwendet, wurde die Technologie 1993 durch die IrDA, die
Infrared Data Association, zu der sich rund 30 Firmen, darunter Hewlett-Packard und IBM, zusammenschlossen, standardisiert. Es soll eine einfache, effiziente und zuverlässige Datenübertragung erreicht werden, die gegenüber äußeren Einflüssen (Lichteinfall) und Störungen
(Reflexionen) unempfindlich ist.
Technik:
Grundsätzlich werden zwei Infrarot-Standards voneinander unterschieden: IrDA Control für unidirektionale und IrDA Data für bidirektionale Verbindunge n. IrDA Control ist ein infraroter
Kommunikationsstandard, der der es kabellosen Peripheriegeräten wie Mäusen, Tastaturen, Gamepads und Fernbedienungen erlaubt, mit ihren entsprechenden Hauptgeräten (PC, Spielkonsolen, Fernseher oder Videorecorder) zu kommunizieren. Beim IrDA Control handelt es sich um
kleinere Lösungen mit kleiner bis mittlerer Anforderung an die Üb ertragungsgeschwindigkeit.
Die Datenübertragungsrate beträgt max. 75 KBit/s. Im Gegensatz zu IrDA Data ist neben der
Punkt- zu-Punkt-Verbindung auch eine Punkt- zu-Multipunkt-Verbindung möglich. Jedoch ist
auch hier zwischen Sender und Empfänger ein direkter Sichtkontakt notwendig. Ein Host kann
TECHNOLOGIEN
mit bis zu acht Peripheriegeräten gleichzeitig kommunizieren. Auch ist die Reichweite mit bis zu
acht Metern deutlich höher als bei IrDA Data.
IrDA Data, der zweite Standard, ermöglicht, wie bereits erwähnt, bidirektionale Punkt-zu-PunktDatenübertragung und somit auch die Möglichkeit zu einem drahtlosen Internetzugang. Voraussetzung für die Verbindung ist, dass Sender und Empfänger Sichtkontakt zueinander haben und
nicht mehr als 1 Meter (im Idealfall auch 2 Meter) voneinander entfernt sind.
Die ursprüngliche Spezifikation Serial Infrared (SIR) von 1994 wurde zweimal erweitert. Im Oktober 1995 wurde das Fast Infrared (FIR) und im Januar 1999 das Very Fast Infrared (VFIR)
veröffentlicht. Hauptunterscheidungsmerkmal der 3 Spezifikationen ist die Übertragungsrate:
• SIR – max. 115,2 KBit/s
• FIR – max. 4 MBit/s
• VFIR – max. 16 MBit/s
In der Regel ist die IrDA-Schnittstelle hinter einer rotschwarzen, für Infrarotlicht durchlässigen
Plastikabdeckung direkt im Gehäuse integriert. Jedoch gibt es - für noch nicht in Geräte integrierte Infrarotschnittstellen - auch externe Anschlussmöglichkeiten. Als Sender dient eine Infrarotdiode mit einer Wellenlänge zwischen 850 und 900 Nanometern (nm), die das Licht in einem
Winkel von 30 Grad abstrahlt.
Der Verbindungsaufbau kann von einem beliebigen Gerät ausgehen. Normalerweise senden IrDA-Schnittstellen alle zwei Sekunden einen Lichtimpuls, um ihre Aktivität zu signalisieren.
Im ersten Schritt des Verbindungsaufbaus übermitteln die Geräte Informationen über ihre Eigenschaften. Dann erfolgt der tatsächliche Datenaustausch über das Tiny Transport Protocol. Auf
dieses Protokoll setzen drei weitere auf: IrLAN für den Zugang zu lokalen Netzwerken, Infrared
Object Exchange Protocol (IrOBEX) für den Datenaustausch und IrCOMM als Simulation serieller oder paralleler Schnittstellen. Letzteres wird für den mobilen Internet-Zugang benötigt.
Eine grosse Schwachstelle von IrDA, so könnte man meinen, ist die Tatsache das keinerlei Sicherheitsfunktionen auf Hardwarebasis vorhanden sind. Jedoch besteht durch die direkte Ausrichtung des Senders auf den Empfänger und wegen der geringen Reichweite wohl auch kaum
eine Gefahr für den vertrauensvollen Datenaustausch.
Fazit:
Populär geworden ist IrDA vor allem durch den Boom bei Handys PDAs. IrDA ermöglicht sowohl den Datenaustausch mit Notebooks und Desktop-PCs als auch, wie gesagt, einen mobilen
Internet-Zugang. So wurden im Jahr 2000 am Changi International Airport in Singapur erste so
genannte ‚IR Internet Access Kiosks‘ installiert, über die man drahtlos Zugriff aufs Internet erlangen konnte. Jedoch sind die Zukunftsaussichten für IrDA eher gering. Neben den negativen
Aspekten wie das Notwendigsein einer direkten Sichtverbindung und der mangelnde Reichweite
gibt es für IrDA sowohl mit als auch ohne Kabel Konkurrenz. Die USB-Schnittstelle erfreut sich
mittlerweile großer Beliebtheit und wird deutlich besser unterstützt als IrDA. Und mit Bluetooth
gibt es eine drahtlose Technologie, die seitens der Industrie eine massive Unterstützung erfährt.
Damit bleibt IrDA, wen überhaupt, in Zukunft wohl nur noch ein Nischendasein vorbehalten.
TECHNOLOGIEN
4.1.2
DECT - Digital Enhanced Cordless Telecommunications
1992 hat das Europäischen Standardisierungsinstitut für Telekommunikation (ETSI) den DECTStandard ETS 300 175 für Digital European Cordless Telecommunications festgelegt. Diese
Technologie ging aus einer langen Reihe, teilweise analoge r Standards hervor und war eines der
ersten vollständig digitalen Systeme. Heute ist DECT, aus Vermarktungsgründen in „Digital Enhanced Cordless Telecommunications“ umbenannt, ein weltweiter Standard und hat sich seit dessen Markteinführung in über 100 Ländern als außerordentlich erfolgreich erwiesen. Die
europäische Entwicklung eines digitalen, abhörsicheren, stabilen und komfortablen Protokollstandards hat sich, mit weltweit über 70 Millionen DECT-basierten Systemen, als drahtloses
Sprachtelefonsystem im Heim- und Firmenbereich uneingeschränkt etabliert.
Technik:
DECT- Systeme setzen sich zusammen aus dem DECT Fixed Part (FP), der aus einer oder mehreren Basisstationen besteht, und verschiedenen DECT Protable Parts (PPs). Überlappende
Funkzellen bilden die Struktur eines DECT- Netzwerks. Durch die Möglichkeit des Handovers
und zugehörigen Roamings zwischen verbundenen Zellen, die jeweils einen Radius von 50 bis
300m haben, ist die Größe des Netzwerks nahezu unbegrenzt. Bis zu 100.000 Anwender gleichzeitig können in Büroumgebungen auf bis zu 350 000 qm Fläche versorgt werden. 3
Die Reichweite von DECT ist in Gebäuden größer als beispielsweise die des WLAN Standards
nach 802.11b: 50 Meter in Gebäuden und bis zu 300 Meter im Freien sind möglich, wobei auch
bei DECT natürlich die üblichen Einschränkungen für Störungen durch Wände, Metall, Glas oder Bäume gelten.
Neben der digitale n, synchron symmetrischen Kurzstrecken-Funktelefonie, für die DECT ursprünglich entwickelt wurde, bietet der Standard durch die Erweiterungen DMAP (DECT Multimedia Access Profile) und daraus resultierend, DPRS (DECT Packet Radio Service), heute
auch die Möglichkeit einer paketorientierten Datenübertragung. Im Rahmen der von der ETSI
zugelassenen ASAP-Realisierungen (Application Specific Access Profile) ermöglichen sie
schnellere Übertragungsraten, die im Wesentlichen durch HLM-Verfahren (High Level Modulation) realisiert werden. So sind mit DPRS mittels Kanalbündelung Datenraten von 552 KBit/s bis
hin zu demnächst 2MBit/s möglich, wodurch effiziente Netzwerkanwendungen als WLAN ermöglicht werden. Die Übertragungsbandbreiten, die den einzelnen Nutzern – ob Sprache oder
Daten – zugewiesen sind, lassen sich dynamisch verteilen. Damit wird eine maximale Durchsatzrate im gewünschten Anwendungsbereich für jeden Teilnehmer erzielt. In den Pausen einer
Sprachübertragung kann beispielsweise ein Satz von Datenpaketen gesendet werden, was die zur
Verfügung stehenden Bandbreiten-Ressourcen wesentlich besser ausnutzt.
Ein Vorteil von DECT besteht zudem in der Unterstützung zahlreicher Anwendungen und Dienste wie Sprachtelefonie, Fax, X.25, Ad- hoc Netzwerke oder eben einer drahtlosen InternetAnbindung, um nur einige zu nennen. Der DECT – Standard bietet Zugang zu quasi jeglicher
Art von Netzwerken. So sind u.a. Verbindungen ins öffentliche Telefonnetz, ISDN, GSM und
LAN-Anbindung möglich.
In Europa wird das Band von 1880 bis 1900 MHz belegt, andere Länder weichen wegen unterschiedlicher gesetzlicher Bestimmungen davon ab und verwenden Frequenzbereiche von 1,5
3
[FN03]
TECHNOLOGIEN
GHz bis zu 3,6 GHz. Teilweise wird auch das lizenzgebührfreie 2,4-GHz ISM-Band verwendet
in dem z.B. auch Bluetooth oder der Standard IEEE802.11 agieren.
Die Frequenz-Verteilung für die verschiedenen Kanäle innerhalb dieses Frequenzbandes erfolgt
nach einem so genannten Multi Carrier, Time Division Multiple Access, Time Division Duplex
Algorithmus (MC/TDMA/TDD). Auf zehn verschiedenen Trägerfrequenzen sind damit 24 Zeitschlitze mit einer gesamten Periodendauer von 10 ms, zur Übertragung verfügbar. Für die Downlink-Übertragung von der Basisstation zum Mobilteil sowie für die Uplink-Verbindung vom
Mobilteil zur Basisstation können so jeweils zwölf dieser Zeitschlitze genutzt werden. Daraus
resultierend, stehen insgesamt also 120 Kanäle zur Verfügung, die innerhalb einer Funkzelle
vollkommen störungsfrei parallel betrieben werden können. Ein einzelner Kanal hat dabei eine
Bandbreite von 32 KBit/s, was für die Sprachübertragung in ISDN-Qualität ausreicht. Bei Datenverkehr, der in der Regel eine asymmetrische Verkehrscharakteristik aufweist, können beide
Zeitschlitze der Duplexübertragung für eine Übertragungsrichtung genutzt werden, wodurch eine
Bandbreite von 1MBit/s realisiert wird. Durch das Dynamic Ressource Management (DMR) sind
bei paralleler Nutzung aller 120 Übertragungskanäle theoretisch somit bis zu 20 MBit/s möglich.
Fazit:
DECT ist durch einen speziellen Verschlüsselungsmechanismus als äußerst sicher zu bewerten,
was den Standard, neben seinen weiteren, zahlreichen positiven Eigenschaften als potentiellen
Konkurrenten zu Bluetooth und WLAN nach 802.11 erscheinen lässt. Zwar sind vor allem die
Sicherheitslücken bei WLAN immens, doch bieten Erweiterungen des IEEE802.11 heute schon
Übertragungsraten von bis zu 54 MBit/s, während bei DECT eben erst 2 MBit/s realisiert sind.
Auch gegenüber Bluetooth braucht sich der DECT-Standard eigentlich keineswegs zu verstecken. Ähnlich Preisgünstig und einfach, erfährt er jedoch nicht eine derart breite Herstellerunterstützung wie der kleine Wikinger. Auch wenn DECT gerade auch durch seine Übergänge zu
beispielsweise GSM, oder zukünftig UMTS das Potential für eine effektive Vernetzung und die
Möglichkeit drahtlosen Internetzugriffs hat, so wird die Technologie zumindest momentan wohl
in seiner Rolle als kabelloser In-House Sprachtelefonstandard verweilen.
4.1.3
WLAN IEEE802.11
Die gängigsten Vertreter für Radio-LANs (RLAN) entspringen heute dem Standard IEEE802.11,
genauer dessen seit 2000 verfügbaren Erweiterung IEEE802.11b. Die von der Standardisierungsvereinigung des US-amerikanischen Ingenieurverbands IEEE (Institute of Electrical and
Electronics Engineers), nach siebenjähriger Entwicklungszeit, 1997 verabschiedete Basisspezifikation für drahtlose Übertragungsprotokolle, hat heute die größte Bedeutung im Markt der lokalen drahtlosen Internetzugangsmöglichkeiten. Ob der geringen Marktpräsenz anderer RLANSysteme wie HomeRF (eingestellt) oder HiperLAN (keine Produkte) sind es die 802.11 Varianten, die heute allgemein mit dem Begriff Wireless-LAN oder WLAN gleichgesetzt werden.
Gleichgesetzt wird WLAN - fälschlicherweise -gelegentlich auch mit Wi-Fi. Dies ist jedoch lediglich ein Markenname der WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), einer NonProfit-Organisation, die es sich zum Ziel gesetzt hat, für Interoperabilität der WLAN-Produkte
verschiedener Hersteller zu sorgen und sie unter dem Kürzel Wi-Fi (Wireless Fidelity) zu vermarkten. Die Verbreitung des Standards ebenfalls unterstützen soll die Wireless LAN Association (WLANA) durch Marketing- sowie Informationsaktivitäten.
Technik:
TECHNOLOGIEN
Der paketorientierte und verbindungslose Standart gehört, wie der Name schließen lässt, zur Familie der LAN-Standards wie beispielsweise 802.3 Ethernet und 802.5 Token Ring. Er wurde
gemäss des Wunsches nach einer drahtlose Erweiterung von Ethernet-Strukturen, auf der gleichfalls das Internet-Protokoll anwendbar ist, sowie ein einfach zu etablierender Peer-to-PeerKommunikationsmodus als Ersatz für die PC-PC-Datenübertragung per Infrarot, entwickelt.
802.11 bietet somit die gleichen Schnittstellen wie die herkömmlichen Standards, was die Implementierung eines TCP/IP-Protokollstacks ohne Probleme möglich macht.
Spezifiziert werden mit dem IEEE802.11-Standard lediglich die unteren beiden Schichten des
OSI-Schichten-Modells. Also im Wesentlichen die Methoden des Kanalzugriffs und die Funktion
der Bitübertragungsschicht. Sicherheitsmerkmale fehlen, abgesehen vom so genannten WEP Ve rfahren, in den IEEE802.11-Standards ebenso wie klare Vorgaben für die höheren ProtokollEbenen.
Als Übertragungsmedium sieht IEEE 802.11 sowohl mehrere Funkbereiche als auch Infrarotübertragung vor. Der überwiegend eingesetzte Funkbereich ist das weltweit verfügbare und lizenzfreie ISM-Band (Industrial, Science, Medical) bei 2,4 MHz. Daneben arbeitet z.B. die
Erweiterung 802.11a im lizensierungspflichtigen 5-GHz-Band. Im Infrarotbereich wird mit We llenlängen zwischen 850 und 950 nm gearbeitet. Die Reichweite kann bis zu zehn Meter betragen, wobei der Einsatz von Infrarot nur innerhalb von Gebäuden, nicht aber im Freien möglich
ist. Die per Infrarot einsetzbare Übertragungsrate beträgt bis zu 115 kbit/s.
Die maximale Reichweite von WLAN hängt neben der Sendefrequenz und der Bandbreite vor
allem von den örtlichen Gegebenheiten ab. Es ist klar, dass man in Großraumbüros bessere Werte
erzielen kann, als in Unternehmen, in denen Einzelbüros mit Stahlbetonwänden voneinander getrennt sind. Bezüglich der maximalen Entfernungen kann man die WLAN-Technologie aber nur
im Outdoor-Bereich richtig ausreizen. Richtwerte für das aktuelle IEEE802.11b liegen bei etwa
30 m im Indoor-Bereich und ca. 200m Outdoor. In Abhängigkeit zur Entfernung verändert sich
auch die erreichbare Datenrate wie Abbildung 03 zeigt.
Abbildung 5: Das Schaubild zeigt, wie
sich die Datenrate in Abhängigkeit der
Ausdehnung (Indoor / Outdoor) bei einem IEEE 802.11b-WLAN verändert.
[IMPR01]
IEEE802.11 Erweiterungen:
Der IEEE802.11-Standard war der allererste drahtlose WLAN-Standard vom IEEE. Er definierte
die technologischen Grundlagen für die Produktion von Geräten, die im technisch weniger anspruchsvollen, dafür bandbreitenschonenden Frequenzsprungverfahren FHSS (Frequency Hop-
TECHNOLOGIEN
ping Spread Spectrum) 1 oder 2 MBit/s übertrugen. Durch ein anderes Modulationsverfahren,
genannt Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), ließ sich die Bruttoübertragungsrate auf maximal 11 MBit/s steigern (außerhalb des Standards sogar auf bis zu 22 MBit/s). Das WLAN mit
DSSS-Verfahren standardisierte das IEEE als 802.11b. Weil zum Funken ebenfalls das lizenzfreien 2,4-GHz-Band dient, konnte der eigentliche Sender - das "Radio" - weiter verwendet werden, wodurch Variante b früher fertig war, als die Variante 802.11a, die im 5-GHz-Band arbeitet.
Dieses Frequenzband ist weltweit nicht lizenzfrei oder nur stark eingeschränkt zugänglich, weshalb sich die Markteinführung wesentlich schwieriger gestaltet. So dominiert Varante „b“ den
aktuellen WLAN Markt, da Geräte nach 802.11a auch keine Abwärtskompatibilität zu
IEEE802.11b bieten. Was nützt schon ein 54 MBit/s schneller Public Hot Spot, wenn der
Grossteil der Kunden ihn nicht nutzen kann oder sich mit zwei verschiedenen WLAN-Karten
herum schlagen müsste? So beschränkt sich das Einsatzgebiete der Erweiterung „a“ etwa auf
Closed Shops und Bridging, also die Koppelung zweier (W)LANs mit Hilfe einer Funkbrücke.
Abhilfe schafft die im Frühjahr 2003 standardisierte Variante 802.11g, die bei vergleichbaren
Datenraten um die 54 MBit/s die genannten Probleme zu umgehen verspricht, indem es die in
11a eingesetzte OFDM-Technik ins lizenzfrei nutzbare 2,4-GHz-ISM-Band überträgt. Damit unterläuft es nicht nur die internationalen - besonders die europäischen - Restriktionen für die Nutzung des 5-GHz-Bandes, sondern realisiert auch volle Kompatibilität zum 802.11b.
Um in den verschiedenen Regulationsgebieten eine möglichst problemlose Bereitstellung und
Inbetriebnahme von WLAN-Produkten sicher zu stellen, arbeitet das IEEE aktuell am Standard
802.11d. Damit lassen sich universelle Access Points realisieren, die alle der von Land zu Land
unterschiedlichen Regularien für Frequenzen, Sendeleistungen und mehr beherrschen. Diese, in
einem so genannten World Mode betriebenen Access Points, geben die Betriebsparameter der
Mobile Clients vor, wodurch ein nahtloses Roaming zwischen den WLANs in verschiedenen
geographischen Regionen mit der gleichen drahtlosen Client-Hardware garantiert werden kann.
IEEE802.11f ist eine Erweiterung für die beiden IEEE-Standards IEEE802.11a sowie
IEEE802.11g. Mit einem Inter-Access Point Protocol (IAPP) Zusatz zum Standard IEEE802.11
soll die Interoperabilität von Access Points unterschiedlicher Hersteller verbessert werden, um
das Roaming mobiler Clients zwische n verschiedenen Access Points explizit fest zu legen und
die einzelnen Fähigkeiten von APs exakt zu definieren.
Um Echtzeit-Qualitäten wie etwa Sprachübertragung zu realisieren, reichen große Bandbreiten
wie die der Erweiterung „a“ und „g“ aber nicht aus. Das musste schon die Voice-over-IPInitiative auf kabelgebundenen Ethernet-LANs feststellen. Der Standard IEEE802.11e diesem
Manko Abhilfe schaffen. Mit einem speziellen Mechanismus, welcher Quality of Service (QoS)
bietet, sollen Bandbreiten garantie rt und gemanaged werden. Nur dann lassen sich in drahtlosen
IEEE802.11-Netzen auch Sprache, Video und Audio vernünftig verteilen.
Mit dynamischer Frequenzauswahl soll IEEE802.11h noch etwas Qualität dazulegen. So sollen
WLAN-Funkpartner automatisch etwa vor Störern auf ein anderes Frequenzband ausweichen
können, ohne dass dabei Datentransfer abbrächen. Des weiteren soll eine adaptive Methode zur
automatischen (Ab-) Regelung der Sendeleistung in Abhängigkeit von Abstand und Übertragungsqualität zwischen den Kommunikationspartnern enthalten sein(eine Technologie, jedes
GSM-Handy und jede GSM-Basisstation beherrscht)4 . Das verringert nicht nur das Störpotential,
sondern spart bei tragbaren Geräten zudem kostbare Batterieladung.
4
[FN04]
TECHNOLOGIEN
Grosse Problem hat der IEEE802.11 Standart in Sachen Sicherheit. Das Wired Equivalent Privacy-Verfahren (WEP) wurde längst geknackt und es ist aufwendig ein WLAN wirklich sicher zu
bekommen. Mit der Erweiterung IEEE802.11i für die beiden IEEE Standards IEEE802.11a,
IEEE802.11b sowie IEEE802.11g, sollen die bekannten Sicherheitslücken mittels dem Temporal
Key Integrity Protocol (TKIP) und den AES-Algorithmus, geschlossen werden. Das TKPIVerfahren fußt auf rotierende Schlüsseln, die jeweils nach einer relativ kurzen Lebensdauer
durch neue ersetzt werden. Erschwert wird die Gestaltung dieses Sicherheitsstandards durch das
(bereits veröffentlichte) IEEE802.1x Protokoll, das eine Authentisierungsmethode für Back-endSysteme dargestellt, aber ebenfalls an Sicherheitsproblemen (Man- in-the- middle-Attacken) le idet. Daher wird auch im Bereich der Sicherheit mit einer Lösung vor Ende 2003 nicht mehr gerechnet.
Abbildung 6:
Ähnlich wie DECT-Verbindungen
haben
direkte
IEEE802.11Verbindungen eine Reichweite
von rund 30 Metern in Gebäuden
und rund 300 Metern im Freien.
Prinzipiell gibt es dabei zwei Betriebsarten: Direkt von Computer
zu Computer (als Peer-to-PeerNetzwerk) oder über einen zentralen
Zugangspunkt
(Access
Point) als Verteilerstation.
Fazit:
Auch wenn die Technologie noch mit großen Sicherheitsmängel zu kämpfen hat, so Wireless
LANs zählen zu den wichtigsten Netzwerkentwicklungen der letzten Jahre. Die WLAN Technologie eignet sich hervorragend, um kleine Büros schnell und ohne Verkabelungsarbeiten zu ve rnetzen, um bestehende, kabelgebundene Netzwerke um weitere stationäre oder mobile Anwender
zu erweitern, oder so zur Realisation so genannter „Hot Spots“, an denen man sich in Hotels,
Biergärten oder Flughäfen per Funk ins Internet einloggen kann. So bietet sich eine eine einfach
Zugangsmöglichkeit, mit der bei hohe n Übertragungsraten, eine gute Abdeckung lokaler Bereiche möglich ist, die durch zusätzliche Acces Points beliebig erweiterbar sind. Das jedoch kann
ein kostspieliges Unterfangen sein, was sich aber ob der Tatsache der sinkenden Übertragungsrate bei steigender Entfernung oftmals kaum umgehen lässt.
Eine Übersicht ist über so genannte Public Hot Spots in Deutschland findet sich unter
http://mobileaccess.de/wlan/.
4.1.4
Bluetooth
Diese Funktechnik verdankt ihren Namen dem dänischen König Harald Blaatang (910 - 986),
wörtlich "Harald mit dem blauen Zahn", der die beiden Wikingerreiche Dänemark und Norwegen in einem Europa, das durch Religions- und Gebietsstreitigkeiten zerrissen war, vereinigte.
TECHNOLOGIEN
Die Initiatoren von Bluetooth (Ericsson, IBM, Intel, Nokia und Toshiba), die sich 1998 zur Bluetooth SIG (Special Interest Group) zusammengeschlossen hatten, haben sich dadurch inspirieren
lassen: Zu viele Produkte kommunizieren über unterschiedliche Protokolle. PCs, Handys, PDAs,
Drucker, alle kommunizieren einmal über ein Ethernet-Netzwerk, das andere Mal über eine
USB-, Parallel- oder serielle Schnittstelle: Daher das Bedürfnis, sämtliche Übertragungen unter
einer Norm zusammenzufassen und zu vereinfachen.
Technik:
Bluetooth, von der IEEE unter der Bezeichnung IEEE802.15 standardisiert, ist eine Funktechnik,
die über kurze Strecken Notebooks, Handys, PDAs und andere Geräte untereinander verbindet.
Die Reichweite zwischen den Geräten liegt dabei im Bereich bis zu 10 Metern (WPAN), was das
Einsatzgebiet einschränkt. Mit Bluetooth kann die gesamte PC– Peripherie von der Maus über
die Tastatur bis zum Netzwerk per Funk miteinander kommunizieren, und das nahezu ohne Kabelsalat. So wird Bluetooth etwa zur schnurlosen Verbindung eines Headsets mit dem Handy genutzt. Die Spezifikation ist offen und hält alle notwendigen Informationen bereit, die für eine
weltweite Kommunikation aller Bluetooth- fähigen Geräte gebraucht werden. Sie enthält auch
Definitionen für die Anwendungsschicht, die die Entwicklung von Sprach- und Datenapplikationen ermöglichen.
Wie WLAN nach IEEE802.11 verwendet Bluetooth das lizenzfreie 2,4 GHz ISM- Band. Die Daten werden wie bei IP-Verbindungen in Paketen versendet, die Blöcke mit Kontrolldaten umgeben. Je nach Übertragungsmenge können Sender und Empfänger bis zu 1600- mal pro Sekunde
die Frequenz wechseln. Neben der Adresse des Empfängers enthalten die Kontrolldaten auch die
Angabe der Frequenz, auf der das nächste Datenpaket eintreffen wird. Diese Notwendigkeit der
permanenten Überwachung erklärt den Unterschied zwischen der theoretischen Datenrate von 1
MBit/s und der praktischen, die bestenfalls bei 2 x 432 = 864 KBit/s liegt. Das lange angekündigte, aber immer noch in Entwicklung befindliche Bluetooth 2.0 soll einmal Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 10 MBit/s ermöglichen.
Bluetooth- fähige Geräte können in einem so genannten Piconet zusammen arbeiten. Dieses besteht aus einem Master, der unter anderem das Frequency Hopping steuert, und bis zu sieben
Slaves, die ihrerseits wieder als Master auftreten und so weitere Geräte anschliessen können.
Theoretisch könnte man bis zu 8 x 10 Geräte miteinander verbinden - die 8 Übergangsgeräte und
72 Peripheriegeräte. Solch ein, bislang nur theoretisch realisiertes, Netzwerk nennt man Scatternet.
20 verschiedene Profile und drei Arten von Verbindungen sind unter dem Bluetooth-Standard
möglich. Dies erklärt die hohen Kosten für die Chips, die weit von der magischen Zahl von 5 $
für einen einzelnen Chip, entfernt sind. Die Profile bestimmen das Verhalten der BluetoothGeräte, die Verbindungsarten bezeichnen die Übertragungsmodi bei der Datenübertragung. Damit zum Beispiel ein PDA mit einem Handy kommunizieren kann, müssen beide mit einer Modem-Schicht und einer Sprach-/Datenverbindung ausgestattet sein. Andernfalls würden sie
einander nicht mal erkennen, auch wenn beide Bluetooth 1.1-zertifiziert sind.
Von den 20, von der Bluetooth Special Interest Group (SIG) zugelassenen, Profilen werden nur
die ursprünglichem 13 verwendet. Hierbei gibt es generisch, die dazu dienen, dass sich die Bluetooth-Geräte finden und erkennen, und optionale für eine Verwendungsart spezifische Profile. So
ist ein Audio-Übertragungsprofil für ein Telefon unabdingbar, für eine Tastatur jedoch sinnlos.
Idealerweise mit allen Profilen ausgestattet liege n die Kosten für einen Chip, nach Angaben der
TECHNOLOGIEN
Firma Baracoda, die Bluetooth-Applikationen entwickelt und vermarktet, wohl eher bei 50 $ pro
Einheit, was für den Endverbraucher Mehrkosten von über 100 $ bedeuten würde 5 .
Die Wahl der Verbindung hängt von der Art der übermittelten Daten ab. Synchrone Verbindungen bieten eine bidirektionale Datenrate von 432 KBit/s. Da ihre Datenrate in beiden Richtungen
gleich ist, werden sie für die Verbindung von zwei Computern verwendet. Man findet häufiger
asynchrone Verbindungen mit 721 KBit/s in der einen und 57,6 KBit/s in der anderen Richtung,
zum Beispiel für einen Drucker. Der empfängt Daten, muss aber keine großen Datenmengen an
den PC übertragen, sondern nur bestätigen, dass die Daten gut angekommen sind. Doch auch asynchrone Verbindungen haben Nachteile, insbesondere die Diskontinuität beim Senden. Sie sind
daher nicht für die Sprachübertragung geeignet. Dafür wählt man besser eine bidirektionale
Sprach/Daten-Verbindung, die allerdings auf 64 KBit/s begrenzt ist. Diese Datenrate, die beim
Senden wie beim Empfang garantiert ist, genügt, um Sprache oder digitale Klangdateien zu übertragen, die in Echtzeit wieder hergestellt werden sollen, z.B. im Bluetooth-Ohrhörer.
Mit Bluetooth werden überwiegend temporäre Verbindungen aufgebaut, wogegen ein WLAN
eher stationären Charakter hat. In diesem Sinne ergänzt Bluetooth die IEEE802.11-Technik. Be ide senden allerdings auf dem selben Frequenzband, was sich negativ auf die ohnehin relativ geringen Übertragungsgeschwindigkeit aus wirken kann. Diese behindern eben auch die Nutzung
von Bluetooth für typische Netzwerkanwendungen oder eben einen breitbandigen drahtlosen Internetzugriff. Das dieser aber natürlich möglich ist, illustriert nachfolgendes Schaubild.
Abbildung 7: Möglichkeiten des drahtlosen Internetzugriffs über Bluetooth
Fazit:
Im Nahbereichsdatenfunk soll Bluetooth in erster Linie das Kabel etwa zwischen Maus und PC,
zwischen Handy und HeadSet oder zwischen Notebook und PDA ersetzen. Da sich Bluetooth,
weil im Gegensatz zu WLANs grundsätzlich echtzeitfähig, für die Übermittlung von Sprache
5
[FN05]
TECHNOLOGIEN
eignet, besteht zumindest die Möglichkeit, das Bluetooth auch einmal den hierzulande gängigsten drahtlosen Telefonie-Standard DECT beerben wird. Aufgrund besserer Verschlüsselungsmethoden im Gegensatz zu IEEE802.11 bietet sich Bluetooth, auch mit Blick auf die in
Entwicklung befindliche, vierzehnmal schnellere Variante Bluetooth 2.0, für den Einsatz als
drahtloses RLAN an, jedoch ist für einen großflächigen Einsatz die Reichweite zu gering. Im
Blick auf eine drahtlosen Internetzugang wird Bluetooth, so es sich denn durchsetzt, wohl die in
jedem portablen Gerät befindliche Infrarotschnittstelle ablösen und mit kleinen Hot Spot Bereichen in Flughäfen oder Firmen als Lückenfüller für WLAN agieren.
4.2
4.2.1
Sonstige Nahbereichs-Technologien
HiperLAN/1
Im Jahre 1996 wurde der zu IEEE 802.11 konkurrierende Standard HIPERLAN/1 (High Perfo rmance Radio Local Area Netzwork) von der ETSI veröffentlicht. Er arbeitet im Frequenzbereich
von 5.150-5.250 MHz und arbeitet mit zwei Datenübertragungsraten: 1,47 MBit/s und 23,53
MBit/s. Der Standard unterstützt nur Ad-Hoc-Netzwerke (keine APs, keine DS) und konnte sich
daher bis heute nicht durchsetzen; es wurden demzufolge auch keine Geräte vertrieben.
4.2.2
HiperLAN/2
HiperLAN/2 geriert sich als eine Art Obermenge von WLAN, Bluetooth und WLL (Wireless Local Loop) und weist standardisierte Schnittstellen zum G3-Mobilfunk-Netz (UMTS), zu ATM
und zum postulierten Homenetworking-Standard IEEE1394 auf. Weil HiperLAN - wie Bluetooth
- Echtzeit- fähig ist, taugt HiperLAN/2 besser als IEEE802.11-RLANs für die Übertragung von
Sprache (Voice over IP, Video over IP) und anderen Multimedia-Inhalten (Video, Musik, ...).
Doch HiperLAN/2 ist weder in marktgängigen Produkten zu finden noch bereits vollständig in
allen Facetten aus entwickelt. Informationen von SONY zur Folge ist der Standard jedoch bereits
heute eine stabile Grundlage für die Produktentwicklung, aus anderen Quellen ist bekannt, dass
auch andere Unterhaltungselektronikkonzerne wie Panasonic, Thomson und Philips weiter auf
diese Technologie setzen.
4.2.3
HomeRF
Die lange Zeit vornehmlich von Intel und Hewlett Packard geförderte WLAN-DECTKombinations-Technologie HomeRF ist inzwischen, zugunsten von IEEE802.11 abgekündigt,
die Arbeitsgruppe Anfang 2003 aufgelöst. Der proprietäre Industriestandard verwendete ebenfalls das lizenzfreie 2,4 GHz-Band und funkte Daten asynchron mit 1 und 2 Mbit/s über Distanzen bis ca. 50 m. Im Unterschied zu Bluetooth ist HomeRF kompatibel zum Datenfunk nach
IEEE 802.11 sowie DECT und kann TCP/IP-Daten übertragen. HomeRF ging mit großen Zielen
in den drahtlosen Markt. Es sollte sämtliche Kommunikationsgeräte im Consumer-Bereich miteinander kommunizieren lassen, die gemeinsame Nutzung von Peripheriegeräten ermöglichen
und ausserdem Sprachübertragung ermöglichen. Gegen die breite Herstellerunterstützung von
Bluetooth konnte sich der Standard aber nicht durchsetzen und so gab es nie wirklich Produkte
für den Massenmarkt. Hierzulande zuletzt nur mehr von Siemens und der Deutsche Telekom.
TECHNOLOGIEN
4.3
Mobilfunk
Mobilfunknetze sind die einzigen derzeit flächendeckend zur Verfügung stehenden Funknetze.
Diese ursprünglich vor allem für die Sprachübertragung eingerichteten Netze werden nun zunehmend auch für die Datenübertragung verwendet. Das in Europa vorherrschende System ist
GSM. Die bislang über Mobilfunknetze zur Verfügung stehenden Bandbreiten sind vergleichsweise bescheiden. Auch neuere Technologien wie HSCSD oder GP RS sind nach InternetMaßstäben nicht sehr beeindruckend. Erst mit EDGE bzw. UMTS werden sich wohl eine befriedigende Bandbreite erzielen lassen. Die Nutzung von Internet-Diensten mit diesen Netzen kann
sich heute noch entsprechend mühsam gestalten. Deshalb wurden mit WAP oder iMode spezifische Architekturen für einen Internet- Zugang speziell für Mobiltelefone geschaffen.
4.3.1
GSM
1982 rief die Conference of European Posts and Telegraphs (CEPT) eine Organisation namens
Groupe Special Mobile (GSM) ins Leben, die es zum Ziel haben sollte die europaweit uneinheitlichen und inkompatiblen analogen Mobilfunk Standards, zu ersetzen. 1989 ging diese Verantwortung in die European Telecommunication Standards Institute (ETSI) über, welche bereits
1990 eine erste Spezifikation veröffentlichte. Trotz der Standardisierung in Europa entwickelte
sich GSM zu einem weltweiten Standard in heute über 190 Ländern. Seitdem sind die Anzahl
der Netzteilnehmer wie auch die Anzahl der Netzbetreiber ständig steigend. Ende 2003 erwartet
die GSM Association die Schallmauer von 1 Milliarden GSM Kunden zu durchbrechen. 6 Die
Abkürzung GSM wurde angepasst und steht heute für "Global System for Mobile Communication".
Obwohl zum damaligen Zeitpunkt keinerlei Erfahrungen mit digitalen Systemen vorhanden waren, vertrauten die Entwickler auf die technische Entwicklung, die die Realisierung von GSM
schließlich möglich machte. Über 8000 Seiten GSM-Empfehlungen geben einerseits die notwendige Flexibilität als auch genug Standardisierung um dieses zellulare, digitale Mobilkommunikationssystem weltweit kompatibel aufzubauen. Mit OSI (Open System Interconnection) bietet es
eine offene Schnittstelle für Erweiterungen. Von Beginn an wurden bei der Standardisierung fo lgende Ziele verfolgt:
- Gute Sprachqualität
- Niedrige Betriebskosten
- Internationales Roaming
- Unterstützung verschiedenster Terminals
- Unterstützung vielfältigster Services
Gute Ausnutzung der begrenzten Frequenzen
Kompatibilität zu ISDN
Technik:
GSM-Netze arbeiten auf verschiedenen Frequenzen. Am verbreitetsten ist immer noch der 900MHz-Bereich. In Deutschland nutzen D1 und D2 diese Frequenzen. Im Bereich von 1.800 MHz
funkten hierzulande zuerst E-Plus und heute O2 Germany. Die Zellradien betragen 100m bis
35km (neuerdings sogar 70 oder gar 120 km).Da der 900-MHz-Bereich von der Kapazität her
mittlerweile ziemlich ausgereizt ist, und fast alle aktuellen Handys bereits Dualband-Handys
sind, also wahlweise bei 900 und 1.800 MHz funktionieren, haben auch D1 und D2 Frequenzen
bei 1.800 MHz ersteigert. Dem weltweiten Einsatz von GSM-Handys steht entgegen, dass in
Nordamerika mit 1.900 MHz gefunkt wird, was aber durch Triband-Handys (900, 1.800 und
1.900 MHz) ermöglicht wird.
6
[FN06]
TECHNOLOGIEN
Die Verschiedene Frequenzbänder für Up- und Downlink werden nach dem FrequenzmultiplexVerfahren (Frequency Division Multiplex, FDM), in 125 Kanäle zu je 200 kHz Bandbreite unterteilt. Auf jeder Trägerfrequenz werden durch ein Zeitmultiplex- Verfahren (TDM - Time Division
Multiplex) 8 periodische Zeitschlitze realisiert. Ein Übertragungskanal ist dann durch seine Trägerfrequenz und seinem zur Verfügung stehenden, periodisch wiederkehrenden Zeitschlitz charakterisiert.
Services die GSM bietet erstrecken sich über Faxdienste, Rufweiterleitung, Anklopfen, Rückfragen, Makeln, Rufnummernanzeige, Konferenzschaltung oder Roaming bis zum bidirektionale
versenden von Textnachrichten bis 160 Byte mittels dem SMS, dem Short Message Service.
Roaming ermöglicht die europaweite Nutzung der mobilen Endgeräte.
Der wichtigste Dienst im GSM gleich nach der Telefonie ist die Datenübertragung. In Deutschland wurde, nach Vorführungen auf der CeBIT ´94, im Oktober 1994 die Funktionalität Datenübertragung in den Netzen D1 und D2 offiziell eingeführt. So wird GSM in datenfähigen
Standard-Handys oder per PCMCIA-Karte genutzt, um eine Einwahl- Verbindung herzustellen,
das so genannte CSD (Circuit Switched Data). Mit einer Geschwindigkeit auf einem Kanal/Slot
mit 9,6 kBit/s respektive 14,4 kBit/s mit neueren GSM-Netzen und -Karten, sind Verbindungen
zu beliebigen anderen Netzen (POTS - Plain Old Telephone Service, ISDN, Packet Switched oder Circuit Switched Datennetzwerken) unter Verwendung verschiedenster Protokolle (X.25,
X.32, ...) möglich. Die Datenübertragung ist dabei verbindungsorientiert, das heißt die Kosten
für die Dauer der Verbindung wird abgerechnet.
Die Nutzung des Internets ist dabei mittels WAP direkt auf einem Mobiltelefon möglich oder
über eine Schnittstelle per Kabel, Infrarot oder Bluetooth auf einem anderem Endgerät wie Notebook, PDA, usw.
Sicherheitsmechanismen bei GSM sind zum einen die Zugangskontrolle durch SIM-Karten
(Subscriber Identity Module) in den Handys, als auch Verschlüsselungsverfahren auf der
Funkstrecke mit momentan 8 Algorithmen. Doch auch diese Verfahren sind mittlerweile geknackt und so hat auch GSM mit Sicherheitsmängeln zu kämpfen.
Fazit:
GSM ist vor allem für das Telefonieren und den Versand von SMS geeignet. Zwar ist kostengünstige Hardware in jedem GSM-Handy integriert, für den Bandbreitenbedarf von InternetAnwendungen reichen die möglichen 14.400bps aber nicht aus. Mit Hilfe des WAP-Standards
können zwar bescheidene Internet-Recherchen durchgeführt werden, trotzdem ist GSM für einen
Online-Betrieb, wie bei PCs üblich, kaum geeignet. Das liegt auch an den relativ hohen Verbindungskosten, die bei der Verbindungsorientierten Datenübertragung natürlich stark ins Gewicht
fallen. Der Weg zu den für die künftige mobile Nutzung des Internet und multimedialer Mehrwertdienste erforderlichen Bandbreiten und Übertragungsraten in Mobilfunknetzen führt von
GSM zu UMTS, dies allerdings weder schlagartig noch geradlinig, sondern über HSCSD, GPRS
und EDGE, die in den nachfolgenden Kapiteln beschrieben werden sollen. Langfristig wird
UMTS GSM zunehmend ablösen.
4.3.2
WAP
Das WAP stellt die Schnittstelle zwischen Mobilfunk und Internet dar. Es ist ein Resultat kont inuierlicher Arbeit mit dem Ziel der Definition eines Industriestandards zur Entwicklung von Applikationen, welche kabellose Netzwerke zur Datenübertragung nutzen. Das WAP-Forum, wurde
1997 von Motorola, Ericsson, Nokia und Unwired Planet ins Leben gerufen, um ein globales ka-
TECHNOLOGIEN
belloses Protokoll zu entwickeln, welches unabhängig von diversen existierenden Technologietypen wie beispielsweise Handies, Pagern und Funkgeräten ist, die nur limitierte Displaykapazitäten, Eingabemöglichkeiten, Speicher und Hardwareressourcen bieten.
Technik:
Mit Hilfe dieses Protokolls kommuniziert das Mobiltelefon über einen WAP-Gateway, welcher
die empfangenen Internetseiten in das entsprechende Format umwandelt. Die Daten aus dem Internet im HTML-Format eingehen, sind auf Grund der meist üppigen Darstellung nicht für das
Mobiltelefondisplay geeignet. Das entsprechende Format dafür basiert auf der aus dem Internet
bekannten Sprache XML (Extensible Markup Language). Die daraus entstandene Weiterentwicklung für Mobilnetze bezeichnet man mit WML (Wireless Markup Language, auch WRML).
Mit dieser Sprache wird eine Webseite in so genannte CARDS (mehrere zusammen werden als
„card deck“ bezeichnet) unterteilt, die das Mobiltelefon dann in der von der Anwendung oder
dem Nutzer bestimmten Reihenfolge darstellt. Das Adressierungsschema, das erforderlich ist,
um solche CARDS aufzurufen, gleicht dem für gewöhnliche Internetseiten. Das Standardformat
dafür ist die URL. Für die Kommunikation mit anderen Protokollen kann unter WAP aber auch
der Uniform Resource Identifier (URI) verwendet werden, da einiger der weniger bekannten Protokolle das URL-Format nicht unterstützen.
Das Wireless Application Protocol (WAP) besteht aus 5 Schichten, die den Schichten im OSI
Modell entsprechen. Diese sind Anwendungsschicht (Wireless Application Environment WAE),
Sitzungsschicht (Wireless Session Protocol WSP), Übertragungsschicht (Wireless Transaction
Protocol WTP), Sicherheitsschicht (Wireless Transport Layer Security WTLS) und der
Transportschicht (Wireless Datagram Protocol WDP, User Datagram Protocol UDP, Wireless
Control Message Protocol WCMP [vergl. ICMP]). Darunter befinden sich noch die Trägerdienste, die aufgrund ihrer Vielfalt nicht in den WAP-Standard eingearbeitet wurden. Das ermöglicht
aber zugleich Neuentwicklungen von Trägerdiensten ohne die bestehende Architektur zu beeinflussen.
Abbildung 8: Beispiel für WAP-Zugriff auf das Angebot von Amazon.
Fazit:
WAP ermöglicht, unabhängig vom jeweiligen Ort auf Informationen und Dienstleistungen zuzugreifen. So ist WAP auch an keinen bestimmten Mobilfunk-Standard gebunden, sondern setzt
zur Nutzung lediglich einen kompatiblen Microbrowser voraus, der die speziell angepassten Sei-
TECHNOLOGIEN
ten darstellen kann. Hinter dem heute „quasi-Standard“ stehen alle wichtigen Telekommunikationsunternehmen und decken dabei mehr als 90% des bestehenden Mobilfunkmarktes ab. Dennoch verlief bis heute jedoch die Verbreitung und Nutzung von WAP eher schleppend.
Möglichen Ursachen hierfür sind wohl die unbefriedigenden Übertragungsgeschwindigkeiten, zu
kleine Displays sowie eine umständliche Navigation. 51% der deutschen Internetnutzer, die ein
WAP-Handy besitzen, interessieren sich nicht für Angebote auf WAP-Portalen. 7 WAP steht und
fällt mit der Attraktivität des Gesamtpaktes. Angefangen bei akzeptablen Übertragungsgeschwindigkeiten, über die ansprechende Darstellung, die mit WAP 2.0 immerhin farbig wird,
sowie eine intuitive Nutzerführung bis hin zu attraktiven Contents. Gelingt UMTS der erhoffte
Siegeszug, dürfte sich damit automatisch auch die Nachfrage nach guten WAP-Sites erhöhen.
4.3.3
HSCSD
Mit der weiten Verbreitung des Internet mit seinen Multimedia-Inhalten sind die Ansprüche an
die Geschwindigkeit der Datenübertragung gestiegen. Hier bleibt GSM mit seinen im günstigsten Fall erreic hbaren 14,4 kbit/s noch hinter den grundlegendsten aus dem Festnetz als Standard
bekannten 56 kbit/s für analoge Modems bzw. 64 kbit/s für ISDN-B-Kanal-Modems zurück. Aus
diesem Grund wurden in GSM die Bündelung von Verkehrskanälen eingeführt. Dieser, von Nokia entwickelte, als High Speed Circuit Switched Data bekannte, entsprechende Dienst ist seit
dem Jahr 2000 auch in Deutschland verfügbar.
Technik:
Durch Zusammenfassen von bis zu 4 Verkehrskanälen (theoretisch 8) für einen Teilnehmer,
Half-Rate sowie Full- Rate-Kanäle (mit modifizierter Kanalkodierung mit 14,4 kbit/s), lassen
sich Datenraten von 38,4 KBit/s bis 57,6 KBit/s realisieren.
Die Kanalbündelung hat jedoch für den Teilnehmer den Nachteil, dass ihm die Verkehrskanäle
exklusiv zugeordnet und somit verrechnet werden, auch wenn z. B. beim Editieren am Laptop
oder beim Betrachten einer Web-Seite, keine Daten zur Übertragung anstehen, da es sich auch
hierbei um leitungsvermittelnde Datenübertragung (Circut Switched Data) handelt. So ist
HSCSD ist wie GSM für Wählverbindungen gedacht mit kurzeitigen Download „großer“ Datenmengen in verkehrsschwachen Zeiten und bei guter Verbindung zur Basisstation.
Fazit:
Hauptproblem von HSCSD ist, dass ständig eine Verbindung aufrechterhalten werden muss, egal ob Daten übertragen werden oder nicht. Daten jedoch sind "packet switched". Dadurch geht
sehr viel Bandbreite verloren. Will ein Teilnehmer eine Übertragungsrate von 56 kbps erreichen,
müssen vier der acht Zeitschlitze eines TDMA Frames reserviert werden. Das schlägt sich natürlich auf den Preis nieder, denn immerhin können statt 8 Personen nur mehr 2 Personen diesen
TDMA Frame nutzen. Und nachdem der Preis beim Kunden eine wesentliche Rolle bei der Akzeptanz von neuen Technologien spielt, kann HSCSD keinesfalls eine Zukunftstechnologie sein.
Außerdem sind von sowohl auf Seite der Netzbetreiber, als auch für den Endverbraucher Investitionen in neue Hardware notwendig obwohl Paketvermittelnde Technologien wie GPRS und
UMTS bereits standardisiert sind.
7
[FN07]
TECHNOLOGIEN
4.3.4
GPRS
Eine üblicherweise kostspieligere leitungsorientierte Übertragung ist für typische InternetAnwendungen mit einem stossweisen Nachrichtenverkehr ungeeignet. Beim Blättern in WebSeiten mit abwechselnden Pausen für das Betrachten und Download der Seiten ist nur kur zzeitig
eine hohe Übertragungskapazität erforderlich. Hierfür ist die aus dem Internet bekannte paketorientierte Übertragung besser geeignet. Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die „häppchenweise“ Übertragung kleiner bis mittlerer Datenvolumina in verkehrsschwachen Zeiten. So könnten
beispielsweise Außendienstmitarbeiter via Mobiltelefon über Nacht ihre Bestellungen übermitteln und Kataloge und Preislisten aktualisieren. Der Bedarf an paketorientierten Diensten mit
entsprechend attraktiven Tarifmodellen wurde von den GSM-Netzbetreibern so hoch eingeschätzt, dass GSM um einen paketorientierten Teledienst, dem General Packet Radio Service
(GPRS), ergänzt wurde. Dieser, als Vorstufe zur 3. Mobilfunkgeneration UMTS geltende Standard, ist seit 2001 in Deutschland verfügbar.
Technik:
GPRS ist paketorientiert, d.h. der Verbindungsaufbau im herkömmlichen Sinn sowie die so genannten Stehzeiten der Verbindung fallen weg. Die Daten werden nicht kontinuierlich über eine
geschaltete Leitung, sondern in Form von Paketen, jedes mit eigener Zieladresse (Internet Protokoll - IP), übertragen. Der Kunde kann somit ständig "online" sein, ohne eine Funkverbindung
dauerhaft zu belegen. Die limitierten Funkkanäle werden so effizienter ausge nützt und es können
dreimal so viele Kunden wie bei einem verbindungsorientierten Verfahren bedient werden. Das
heißt, obwohl der Kunde ständig online ist, zahlt er nur für die tatsächlich übertragene Datenmenge. Bei GPRS wird also nicht mehr nach Zeit, sondern nach Datenvolumen abgerechnet.
Die Daten können zudem wesentlich rascher übermittelt werden. Die maximal erreichbare Datenrate liegt bei theoretischen 171,2 KBit/s. Dies wird erreicht, indem alle 8 TDMA Zeitschlitze
des GSM Standards zur gleichen Zeit genutzt werden. In der Praxis wird dies ein Netzbetreiber
jedoch nicht zulassen. Auch die Endgeräte lassen nur die Bündelung von zwei oder drei, maximal jedoch vier Zeitschlitzen zu. Damit steht wieder nur eine begrenzte Bandbreite zur Verfügung, die heute mit etwa 53,6 KBit/s realisiert ist.
Das ermöglicht eine wesentlich erweiterte Nutzung von Mobiltelefonen. GPRS macht die mobile
Datenübertragung durch die erhöhte Effizienz attraktiver für den Massenmark, denn es bedeutet
für den Kunden paketorientierte und schnellere Übertragung der Daten und einen wesentlich
schnelleren Verbindungsaufbau. Nachdem GPRS sich derselben Protokolle wie das Internet bedient, können GPRS Netzwerke als Subnetze des Internets gesehen werden. Mobilstationen
werden damit zu mobilen Hosts. Jeder GPRS Terminal hat seine eigene IP-Adresse. Was auch
die schnelle Einführung von IPv6 notwendig macht um nicht in einen IP-Adress- Engpässe zu geraten.
Fazit:
GPRS ist die erste Technologie, die die Übertragung von Daten auf mobilem Wege erlaubt und
packet switched ist. Diese Paketvermittlungs-Technik bietet viele Vorteile (Abrechnung nach
Datenvolumen, "always online", etc.). Damit ermöglicht GPRS erstmals einen brauchbaren, mobilen Internetzugang. Surfen, Chatten, E-Mails schreiben, FTP, Telnet, ... all diese Anwendungen sind damit mobil zugänglich. Und das ohne WAP - mit Bildern und mit Multimedia z.B.
mittels i- mode. Jedoch ist auch für die Nutzung von GPRS neue Netzhardware für die Betreiber,
als auch neue Engerätehardware für den Kunden nötig. Auf Netzbetreiberseite rechtfertig die
Tatsache, dass bestimmte Subsysteme für das zukünftige UMTS Netzwerk verwendet werden
können, die notwendigen Investitionen. Zudem bietet GPRS viele Erweiterungsmöglichkeiten.
TECHNOLOGIEN
So setzen z.B. EDGE und UMTS teilweise darauf auf oder verwenden zumindest Komponenten
von GPRS. Auch im kommenden UMTS-Zeitalter wird GPRS als zusätzlicher Trägerdienst weiter Verwendung finden und bis zur vollständigen Netzabdeckung durch UMTS längere Zeit parallel existieren und den Zugang zum mobilen Internet sicherstellen.
4.3.5
i-mode
Seinen Ursprung hat der erste mobile, paketorientierte, Always-On Internet Datendienst der Welt
in Japan. Dort hat sich dieser mobile Service inzwischen zu einem ebenso viel wie gern zitieren
Paradebeispiel für erfolgreichen mCommerce entwickelt. Im Februar 1999 als exklusives Angebot der NTT DoCoMo gestartet, verfügt -i mode in Japan heute über 32,8 Millionen Nutzer,
2.004 lizenzierte Content Anbieter mit 3.005 offiziellen Sites sowie weiteren 53.725 so genannten „voluntary“ -i mode-Sites, die von unabhängigen Betreibern zumeist kostenlos angeboten
werden. mCommerce bewegt sich in Japan inzwischen in einer Größenordnung von 400 Millionen US$ und übersteigt die aktuellen europäischen Umsätze damit um mehr als das 30fache. 8
Technik:
In gewisser Weise lässt sich i- mode mit WAP vergleichen. Rein technisch handelt es sich auch
hier vordergründig um eine Beschreibungssprache auf der Grundlage von iHTML (i- mode compatible Hypertext Markup Language). Bereits in dem Namen deutet sich dabei die enge Ve rwandtschaft mit dem bekannten Internet-Standard an. Die Beschreibungssprache verfügt im
Vergleich zu WML über bessere grafische Möglichkeiten und ist schneller und einfacher zu programmieren. Die Darstellung spezieller Web-Sites bzw. Angebote sind in Farbe, der Austausch
von Bildern, Audio und Video ist möglich. Zudem garantiert GPRS als aktueller Übertragungsstandard für i- mode (später kann alternativ auch eine Umstellung auf UMTS erfolgen) eine „a lways on“-Funktionalität, die lästige und zeitraubende Einwahlvorgänge hinfällig macht.
Das eigentlich Besondere an i- mode liegt jedoch im Gesamtpaket begründet: Denn es handelt
sich weitaus weniger um eine bloße technische Lösung als vielmehr um ein komplettes Geschäftsmodell. Bei i- mode stand und steht vor allem die Bereitstellung eines breit gefächerten
Content-Angebots im Vordergrund. Lizenzierte Anbieter stellen die Inhalte (Nachrichten & Infodienste, eMail, Ticketservices und Shopangebote, Spiele…) bereit, die nach Volumen abgerechnet werden und an denen der Serviceanbieter (also etwa NTT DoCoMo) wiederum mit einer
Provision beteiligt ist. Für den Nutzer wird darüber hinaus zudem eine monatliche Grundgebühr
fällig. Da sich Kosten und angebotene Leistungen in Japan in einem offenbar sehr günstigen
Preis-Leistungsverhältnis bewegen, hat sich i- mode dort zu einem echten „Renner“ gemausert.
Diesen Erfolg möchte in Europa die niederländische KPN sowie deren deutsche Mobilfunktochter ePlus erreichen. Gemeinsam bieten sie seit März 2002 i- mode exklusiv in den Niederlanden
und Deutschland an. Für das Jahr 2003 rechnet KPN Mobile mit über einer Million -i modeNutzer in Europa. 9 Die Zahl der Content-Anbieter hat sich von 60 Partnern beim Start auf inzwischen über 90 erhöht, darunter Angebote der Deutsche n Bahn AG, des
Stadtplanhersteller Falk, oder des Nachrichtenmagazins "Der Spiegel“. Daneben bestehen bis dato rund 700 private i- mode-Homepages, die mit den japanischen „voluntary“-Sites vergleichbar
sind.
8
9
[FN08]
[FN09]
TECHNOLOGIEN
Abbildung 9: Beispiel für das i-mode Angebot des Nachrichtenmagazins „Der Spiegel“.
Fazit:
Von einem i- mode-Erfolg wie in Japan kann in Europa nicht gesprochen werden. Vor allem das
hiesige Kostenmodell sowie ein differierendes Verbraucherverhalten dürften als die bremsenden
Faktoren genannt werden. Doch nach anfänglichen Versorgungsengpässe mit i- mode-fähigen
Handys. Nachdem sich z.B. Nokia lange beharrlich geweigert hatte, i- mode-Handys herzustellen,
haben sie das Potential erkannt und gehören nun, ebenso wie Fujitsu, Mitsubishi, NEC, Nokia,
Panasonic, Samsung, Sharp, Sony und Ericsson, zu den Herstellern von Endgeräten für i- mode.
Auch wenn sich der i- mode Markt in Deutschland bislang doch eher schleppend entwickelt, ist
der mögliche „Lerngewinn“ beim Aufbau und der Vermarktung mobilen Contents positiv zu bewerten. Denn nur mit der richtigen Vermarktung der Angebote kommt der Markt in Schwung. So
stellte Yusuke Kanda von NTT DoCoMo im Rahmen der Euroform Conference in Düsseldorf
fest: „Europäische Mobilfunk Anbieter sollten sich weniger Gedanken über die Technologie als
vielmehr über die anzubietenden Services machen, wenn sie beabsichtigen mit neuen breitband igen Internet-Services Geld zu verdienen.“10 "Die Leute wollen praktische Dienste für unterwegs,
und es interessiert sie nicht, welche Technik dafür zum Einsatz kommt" so Takeshi Natsuno, IMode Managing Director, weiter. 11 So sollen -i mode und WAP in Zukunft auch gemeinsame
Wege gehen und zusammenwachsen.
4.3.6
EDGE
EDGE (Enhanced Data Rates for Global (anstelle von „Global“ ursprünglich: GSM) Evolution)
ist eine GPRS-Erweiterung und basiert ebenfalls auf der GSM-Technologie. Somit werden auch
bei EDGE die Daten paketorientiert übermittelt. Die Technologie hierfür wurde bereits 1997
vorgestellt, aber erst Ende 2000, gerade pünktlich zu den Versteigerungen der Funklizenzen für
UMTS, als Standard abgeschlossen. Pünktlich deshalb, weil Mobilfunk-Netzbetreiber, die bei
den UMTS-Versteigerungen leer ausgegangen sind, mittels EDGE die Möglichkeit haben bestehende GSM/GPRS-Netze auf das Niveau der 3. Mobilfunkgeneration zu bringen und so ebenfalls moderne Mobilfunk-Dienstleistungen anbieten können.
Technik:
10
11
[FN10]
[FN11]
TECHNOLOGIEN
Primär handelt es sich bei EDGE um eine Verbesserung der drahtlosen Übertragung,
Generell kann man EDGE auch als Anbieter von zusätzlichen Trägerdiensten
sehen. Bestehende Technologien geben noch genügend Spielraum zu Verbesserungen. Ein
Hauptproblem der zellenbasierten GSM Technik ist die Qualität des Übertragungskanals (SignalRauschabstand). EDGE nimmt sich dieser Tatsache an und bietet "link quality control". Damit
wird eine optimale Übertragungsrate für jeden Kanal gewährleistet. Kern des EDGE Konzeptes
ist die 8 PSK Modulation, ein neues, höherwertiges Modulationsverfahren. Dabei wird die die
Datenübertragungsrate eines GSM-Kanals auf bis zu 48 KBit/s vergrößert und bis zu acht Kanäle
gleichzeitig genutzt. Werden diese Modulationen noch dazu in Kombination mit Kodierungsve rfahren (wie bei GPRS) angewandt, lassen sich Datenraten von 384 KBit/s bis 473KBit/s erreichen. Die maximale Datenraten können aber nur mit sehr geringer Reichweite zur Verfügung
gestellt werden. Zu Beginn wird die Übertragungsgeschwindigkeit bei etwa 120 KBit/s liegen.
EDGE unterscheidet zwischen einem "circuit switched mode" namens ECSD (Enhanced Circuit
Switched Data) und einem "packet switched mode" EGPRS (Enhanced GPRS). Diese beiden
Erweiterungen der bestehende HSCSD- und GPRS-Standards bildeten die erste Phase bei der
Entwicklung zur eigentlichen EDGE-Technologie, die weiter spezielle Erweiterungen für Multimedia und real-time Services enthält. Zudem lässt EDGE höhere Auslastung der bestehenden
Frequenzen mit normalen Gesprächsverbindungen zu. So sind mehr Gespräche vermittelbar, ohne die Funkzellen zu verkleinern und zusätzliche Basisstationen aufstellen zu müs sen.
Fazit:
EDGE gilt als Übergangstechnologie vom heutigen GSM-Standard zur zukünftigen UMTSTechnologie. Mit der zur Verfügung stehenden Übertragungsrate werden erstmals Musik- und
Bildanwendungen im mobilen Bereich interessant. Wehrmutstropfen für den Verbraucher ist allerdings, dass er für die Nutzung dieser Technologie wieder ein neues Endgerät benötigt. Allerdings ist EDGE kompatibel zu GPRS, sodaß ein bereits vorhandenes GPRS-Endgerät durch ein
Softwareupdate in der Regel EDGE-tauglich werden sollte. Die Netzbetreiber müssen ihre Infrastruktur ebenfalls anpassen und auch wenn die dafür nötigen Investitionen wesentlich niedriger
als die für UMTS-Infrastruktur sind, ist es zumindest in Deutschland fraglich, ob noch ein
Betreiber
diesen
Zwischenschritt
zu
UMTS
machen
wird.
So gibt es keine Information, ob Netz- Betreiber in Deutschland die EDGE-Technologie einsetzen werden. Aus den USA (VoiceStream, Cingular) gibt es dagegen schon mehrere Meldungen,
dass EDGE installiert wird. 12
4.3.7
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
Doppelt so schnell wie T-DSL und dazu noch mobil. Da wundert es nicht, dass die Verheißungen
des Mobilfunkstandards der dritten Generation die Phantasien der Telcostrategen beflügelt haben. Von aus heutiger Sicht eher zweifelhaften Umsatzprognosen getrieben haben sich die europäischen Telekommunikationsfirmen mit dem Erwerb der geradezu absurd teuren UMTSLizenzen in die schlimmste finanzielle Schieflage der Branchengeschichte manövriert und fielen
dem UMTS-Hype teilweise auch schon zum Opfer. Etwa 130 Milliarden EUR Lizenzgebühren
wurden europaweit gezahlt - ungefähr das Doppelte des gesamten TK-Marktvolumens Deutschlands. Den nächsten Kraftakt fordert den Unternehmen der Netzausbau ab, der bei jedem Anbieter in Deutschland mit 2,5 bis 3 Mrd. EUR zu Buche schlagen wird.
Technik:
12
[FN12]
TECHNOLOGIEN
Bei UMTS handelt es sich um einen globalen Mobilfunkstandard, der weltweites Roaming ermöglichen wird und in den kontinentale n Standards wie dem europäische GSM, ebenso wie dem
amerikanische PCS oder dem japanische PHS integriert werden kann. So ist z.B. ein Handover in
das
klassische
GSM-Netz
möglich.
Der Vorteil liegt aber nicht nur in der Vereinheitlichung aller bisherigen Standards, sondern auch
in der größeren Kapazitätsleistung. Größere Datenmengen von bis zu 2 MBit/s können übertragen werden. Dank der größeren Bandbreite der Frequenzkanäle (5MHz statt 200kHz bei GSM)
wird das UMTS-Funknetz Multimedia-Anwendungen ermöglichen. Das heißt, dass mit UMTS
Sprache, Daten, Text, Bilder, Audio und Video übertragen werden können. Reine Sprachübertragung wird zu einem großen Teil aufgrund der geringeren Kosten weiterhin über GSM abgewickelt werden.
Zum Zweck des weltweiten Roamings, wird das Funknetz von UMTS hierarchisch in Versorgungsebenen aufgebaut werden. Die jeweils höhere Hierarchieebene versorgt geografisch ein
größeres Gebiet als die nächstniedrigere. In der höchsten Hierarchieebene sollen Satelliten eine
globale Versorgung ermöglichen, die darunter liegenden Hierarchieebenen bilden das erdgestützte Funknetz. Sie unterteilen sich in Makro-, Mikro- und Pikoebene. Jede Ebene ist zellular aufgebaut. Je niedriger die Hierarchieebene ist, desto kleiner sind die Zellradien. Kleinere Zellen
erlauben eine größere Teilnehmerdichte. Daher werden Makrozellen zur flächendeckenden
Grundversorgung, Mikrozellen zusätzlich in dicht besiedelten (städtischen) Gebieten und bei
Bedarf Pikozellen in Gebäuden und für so genannte "Hot Spots" (z. B. Flughafen, Bahnhofsha llen) verwendet.
Die maximale Datenrate und die größtmögliche Teilnehmergeschwindigkeit sind in jeder Hierarchieebene unterschiedlich. In der Makroebene sollen mindestens 144 kbit/s bei einer Geschwindigkeit von maximal 500 km/h übertragen werden können. In der Mikroebene werden 384 kbit/s
bei einer Geschwindigkeit von maximal 120 km/h möglich sein. Die Piko-Ebene stellt dem Teilnehmer bis zu 2 Mbit/s bei einer Höchstgeschwindigkeit von 10 km/h zur Verfügung. Bei UMTS
nutzen alle Teilnehmer unter Verwendung von WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) den gleichen breitbandigen Kanal. Hohe Bandbreitenbeanspruchungen gleichen sich mit
niedrigeren aus, was als Zellatmung bezeichnet wird.
Das Frequenzspektrum für UMTS liegt zwischen 1900 MHz und 2025 MHz sowie zwischen
2110 MHz und 2200 MHz. Für die Satellitenebene ist ein eigenes Frequenzband innerhalb des
UMTS-Spektrums spezifiziert (Aufwärtsstrecke 1980MHz bis 2010 MHz, Abwärtsstrecke 2170
MHz bis 2200 MHz). Das verbleibende Spektrum für die erdgestützte (terrestrische) Anwendung
wird auf zwei Betriebsarten aufgeteilt. In der Betriebsart Frequenzduplex (FDD - Frequency Division Duplex) stehen zwei gleich große Frequenzbänder, eines für die Aufwärtsstrecke (1920
MHz bis 1980 MHz), und das andere für die Abwärtsstrecke (2110 MHz bis 2170 MHz) zur Ve rfügung. In der Betriebsart Zeitduplex (TDD - Time Division Duplex) werden die Aufwärtsstrecke und die Abwärtsstrecke nicht durch verschiedene Trägerfrequenzen, sondern durch
verschiedene Zeitschlitze auf derselben Frequenz realisiert. Daher benötigt man in der Betriebsart Zeitduplex kein symmetrisches Spektrum, sondern kann das verbleibende Spektrum nutzen.
UMTS soll sowohl Echtzeitanwendungen inklusive Multimediadienste als auch PaketdatenDienste transportieren. Als Transportverfahren im Trägernetz wird wohl ATM (Asynchronous
Transfer Mode) zum Einsatz kommen, da es die nötige Flexibilität besitzt, diese unterschiedlichen Dienste zu unterstützen. Für die Vermittlung von Paketdaten im Trägernetz wird das Internetprotokoll eingesetzt werden.
TECHNOLOGIEN
Idealerweise sollte der Anwender keinen Unterschied in der Dienstqualität zwischen Fest- und
Mobilfunknetzen bemerken. Die Benutzung erfolgt vollkommen transparent. Befindet sich der
Teilnehmer in der Nähe eines Festnetzanschlusses, wird er automatisch im Festnetz angemeldet
und telefoniert über das Festnetz (mit Festnetztarif). Sein UMTS-Handy arbeitet dann als
Schnurlostelefon. Verlässt er den Versorgungsbereich des Festnetzanschlusses, wird er automatisch im Mobilfunknetz angemeldet und seine gesamte Kommunikation wird jetzt über das Mobilfunknetz geführt. Die Telefonnummer des Teilnehmers bleibt dabei immer gleich (persönliche
Rufnummer).
Um die Dienstvielfalt in UMTS zu erhöhen und den Wettbewerb zwischen den Netzbetreibern zu
fördern, werden von der europäischen Standardisierungsbehörde ETSI nur die Rahmenbedingungen vorgegeben. D. h. es werden so genannte Trägerdienste (bearer services) spezifiziert,
welche lediglich Bitrate, Bitfehlerrate und Verzögerung garantieren. Die eigentliche Anwendung
(samt Benutzeroberfläche) aus der Sicht des Kunden wird Teledienst genannt. Ein Teledienst
kann beliebig viele Trägerdienste aufrufen. Teledienste können von jedem Diensteanbieter
(Netzbetreiber) nach eigenem Ermessen frei programmiert und im Netz angeboten werden. Ausnahme von der Regel: Vier Teledienste werden von ETSI vollständig standardisiert und vorgeschrieben, nämlich Sprachübertragung, Fax, SMS und Notruf.
Abbildung 10: Dienstspektrum von
UMTS. Quelle: Ericsson [Eric03]
Fazit:
UMTS wurde ins Leben gerufen, um einerseits die wachsenden Anforderungen an Datenübertragungsraten der mobilen Be nutzer zu befriedigen und andererseits um einen einheitlichen weltweiten Standard zu kreieren. Aus der Sicht des Anwenders wird der Hauptvorteil von UMTS in
einem breiten Dienstangebot liegen. Geschwindigkeit, Vielfalt und Benutzerfreundlichkeit der
Dienste werden im Vergleich zu GSM deutlich verbessert. Braucht man beispielsweise für das
Herunterladen eines Fotos aus dem Internet mit GSM bei 9.6kbit/s noch eine Minute, so wird
dies in UMTS nur mehr den Bruchteil einer Sekunde dauern. Allerdings verläuft die Einführung
sehr schleppend. Der Reihe nach wurden die ursprünglich ab Mitte 2002 geplanten Starttermine
für UMTS vertagt. Mit der Inbetriebnahme der ersten UMTS-Netze wird nun frühestens Ende
2003 gerechnet. Denn die Regulierungsbehörde hat hohe Anforderungen an die Ersteigerer ge-
TECHNOLOGIEN
stellt: Bis Ende 2003 müssen 25 Prozent der Bevölkerung Zugang zum UMTS-Netz bekommen,
Ende 2005 insgesamt 50 Prozent. Werden diese Werte von den Anbietern nicht erreicht, verfällt
die UMTS-Lizenz. Ab 2007 ist sogar eine Versorgungspflicht von 70 Prozent vorgesehen. UMTS
wird die Mobilfunkwelt nicht von heute auf morgen verändern. Mittel- bis langfristig wird sich
ein Übergang von GSM auf GPRS und UMTS vollziehen. TK-Analysten gehen von einem langfristig realisierbaren Markterfolg von UMTS aus, den jedoch nicht mehr alle der heutigen Lizenzinhaber noch erleben werden. UMTS wird zunächst hauptsächlich Geschäftskunden
ansprechen, mit einem Durchbruch im Consumergeschäft ist kaum vor 2010 zu rechnen. 13
13
[FN13]
FAZIT UND AUSBLICK
5 Fazit und Ausblick
Der Begriff Evernet wurde erstmals 1999 von Thomas Friedman in seinem Buch "The Lexus and
the Olive Tree" genannt. 14 Damit wird das Leitbild eines technisch grenzenlosen Kommunikationsuniversums beschrieben. "Broadband, always on, wireless, anytime and anywhere" - dies sind
die Bausteine, aus denen das Evernet als drahtloses, überall und ständig verfügbares BreitbandInternet der Zukunft geformt sein soll. Demnach werden wir schon bald unsichtbar und allgegenwärtig umgeben sein von einem kommunizierenden Netzwerk intelligenter Objekte. Alltagsdinge wie Armbanduhren, Brillen, Turnschuhe und Jacken, aber auch digitales Papier,
"intelligente" Wandfarben, Milchtüten und das eigene Auto werden sich, ausgestattet mit Chips
und eigener IP-Adresse, zu einer allumspannenden intelligenten Umgebung verbinden. NetzIntelligenz soll uns als Bestandteil der Lebenswelt auf Schritt und Tritt begleiten und unterstützen und so unser Leben komfortabler, flexibler machen.
Die möglichen Technologien dafür sollten in dieser Arbeit charakterisiert und beleuchtet werden.
Die Vielzahl der Möglichkeiten verdeutlicht, dass es für einen ständigen drahtlosen Zugriff auf
das Internet (noch) kein perfektes System gibt. Mit UMTS wird ein großer Schritt genommen,
doch ist wohl davon auszugehen, dass sich auf absehbare Zeit nicht eine Technologie durchsetzen wird, sondern vielmehr zu einer Verknüpfung der verschiedenen drahtlosen Technologien
kommen wird. Mobile IP und IPv6 und Session-Mobilität sind nur drei Stichworte die den Weg
dazu bezeichnen.
Eine perfektes System, gibt es wie gesagt nicht. Um Aus heutiger Sicht die individuell richtige
Lösung eines drahtlosen Internetzugangs zu finden, können Bewertungskriterien wie die Folgenden hilfreich sein:
• Anschaffungs- und Betriebskosten
• Skalierbarkeit
• Kosten bei Nutzung
• Vertraulichkeitswahrung bei der Übertragung
• Übertragungsbandbreiten
• aktuelle Verfügbarkeit
• Standardisierung
• Kompatibilität mit vorhandener Netzwerktechnik
• voraussichtliche Akzeptanz bei Nutzern
14
[FN14]
FAZIT UND AUSBLICK
Quellenverzeichnis
Fußnoten:
[FN01] http://www.tecchannel.de/hardware/477/index.html
[FN02] Nielson, Jakob: "Designing Web Usability", Markt und Technik Verlag, 2001
[FN03] http://www.gfk-system.de/Produkte/Nortel_Networks/Modell_11C/DECT/dect.html
[FN04] http://www.de.tomshardware.com/network/20030402/wlan2-05.html
[FN05] http://www.tomshardware.de/network/20030319/bluetooth-ueberblick-02.html
[FN06] http://www.tecchannel.de/news/20030114/thema20030114-9665.html
[FN07] http://www.speedfacts.com/
[FN08] http://www.forrester.com
[FN09] http://www.teltarif.de/arch/2002/kw33/s8600.html
[FN10] http://www.imakenews.com/shalomequityfund/e_article000075255.cfm
[FN11] http://www.zdnet.de/mobile/artikel/tkomm/200203/imode02-wc.html
[FN12] http://www.dafu.de/redir/redir-edge.html
[FN13] http://www.i- m.de/home/datennetze/dn_mobil7.htm
[FN14] http://www.welt.de/daten/2002/03/12/0312wa319697.htx
Verweise:
[Eric03] http://www.ericsson.de/microsite/gprs/nutzen_p.html
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[Sie03] Johan van Rijn BSc MBA Portfolio manager M-business - Make your business mobile:
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http://www.dafu.de/redir/redir-edge.html

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