Der folgende Beitrag soll einen kurzen und groben Überblick in die Technologie aktueller Mobilfunknetze bieten.

Zellstruktur

War der Aufbau alter Funknetze noch dadurch gekennzeichnet, dass für wenige Funkteilnehmer wenige Funkmasten mit starker Sendeleistung an hohen Punkten ausreichten, zeichnen sich modernere Netze dadurch aus, dass viele kleine Zellen in stark verringerten Abständen eine ausreichende Funkversorgung gewährleisten. Diese Areale von Funkzellen bieten durch verschiedene Frequenzen und Kanäle eine höhere Kapazität sowie eine sauberere Übertragungsqualität, da störende Interferenzen wegfallen. Ebenfalls verringert die geringe Sendeleistung der mobilen Endgeräte die benötigte Akkuleistung.

Um eine lokale, regionale, nationale und internationale sowie globale Netzversorgung gewährleisten zu können, unterscheidet man in unterschiedlich große Funkzellen.

Heim- und Pikozellen dienen vorrangig der Versorgung von Gebäuden, bspw. durch lokale Netze oder drahtlose Telefone. Ihre Reichweite beträgt bis zu 400m. Mikrozellen besitzen eine Reichweite bis zu 2km und versorgen Ballungszentren mit sehr vielen Teilnehmern. Bei Engpässen einer untergeordneten Hierarchie kann ein Teil der Verkehrslast durch die nächstgrößere Zelle übernommen werden.

Makrozellen mit einer Reichweite bis zu 20 km bedienen vorrangig schnell bewegliche Teilnehmer (bspw. im ICE oder auf der Autobahn). Satellitenzellen haben die Aufgabe, geographisch ungelegenere Gebiete wie Ozeane, Wüsten, etc. zu versorgen. Ihre Reichweite kann durchaus die Größenordnung von Kontinenten erreichen.

Evolutionsstufen

Während das 2G-Netz noch leitungsvermittelt arbeitet, kamen mit den 2,5G-Brückentechnologien EDGE und GPRS erste paketvermittelte Technologien auf den Markt. Der Unterschied zwischen leitungsvermittelnden und paketvermittelnden Diensten ist in der nächsten Abbildung kurz und anschaulich dargestellt.

Folgende Grafik stellt den zeitlichen Verlauf der verschiedenen Technologien dar.

Netze der vierten Generation (4G) sind die nächste große Innovations- bzw. Evolutionsstufe im Mobilfunk. Theoretisch sollen Datenraten bis 100 Mbit/s realisierbar sein. Hinsichtlich der Marktreife gibt es unterschiedliche Aussagen. Laut Heise möchte China im kommenden Jahr erste kommerzielle Feldversuche mit der neuen Technologie starten, wobei auf Wikipedia bereits von einem kommerziellen Versuch in Shanghai berichtet wird. Ein mögliches Zeitfenster hinsichtlich einer offiziellen Einführung wird zwischen 2010 und 2015 definiert.

Die sogenannten Brückentechnologien stellen Zwischenschritte von einer Generation zur nächsten dar. In diesem Fall werden höhere Kapazitäten bzw. Bandbreitenerhöhungen in aller Regel durch verbesserte Kompressions-/ Modulationsverfahren und Kanalbündelung erreicht.

Die untenstehende Abbildung zeigt die “theoretisch” möglichen Downloadraten der einzelnen Technologien. 4G steht jedoch unter Vorbehalt, da es bereits Pressemeldungen über eine erreichte Bandbreite von 2,5 GBit/s, bei 20 km/h Bewegung, gibt (vgl. AreaMobile).

Vergleicht man die definierten Serviceprofile mit den möglichen Datenraten, scheint, dass das 4G-Netz wohl primär für die gewerbliche Anwendung interessant sein wird. So ist es dann möglich, umfangreichere Geschäftsanwendungen mit Datenanbindung an das Firmennetzwerk, in akzeptabler, fast intranetnaher Geschwindigkeit, mobil ausführen zu lassen.

GSM-Architektur

Die GSM-Architektur besteht aus drei Teilsystemen, dem Funkfeststationssystem (RSS), dem Vermittlungssystem und dem Betriebs- und Wartungssystem.

Das Funkfeststationssystem (RSS) besteht aus der Mobilstation und dem Base-Station-Subsystem.

• Die Mobilstation ist in aller Regel ein mobiles Endgerät, kombiniert mit einem Subscriber-Identity-Module (SIM). Die SIM-Karte enthält alle nutzerspezifischen Informationen, die der Identifikation im Netz, der Authentifizierung sowie der Rechnungsstellung dienen. Ohne gültige Authentifizierung können nur Notrufe im Netz getätigt werden.
• Das Base-Station-Subsystem gewährleistet die Funkverbindung innerhalb einer Zelle. Die Funkfeststation in Form von Antenne erlaubt das Senden und Empfangen von Daten. Unterstützend wirken Hilfsmittel zur Signalverarbeitung sowie -verstärkung. Die Steuerungseinheit (Base-Station-Controller) steuert die Funkfeststationen. Hierzu ist je Station ein Controller notwendig. Die Aufgaben hier sind u.a. die Reservierung und Freigabe von Kanälen oder die Übergabe einer Verbindung von Funkfeststation zu Funkfeststation innerhalb der Basisstationen.

Das Vermittlungssystem (NSS) gewährleistet durch die Zurverfügungstellung vermittlungstechnischen Funktionen die Kommunikation und stellt die Schnittstelle zu den öffentlichen Netzen dar. Es beinhaltet die Mobilvermittlungsstelle (MSC), das Heimatregister (HLR) und das Besucherregister (VLR).

• Die Mobilvermittlungsstelle ist eine leistungsfähige ISDN-Vermittlungsstelle. In Summe bilden die Vermittlungsstellen die Basis des GSM-Netzes. Wesentliche Aufgaben sind die Verbindung von MSCs untereinander, die Verbindung zwischen Mobilfunkteilnehmern gleicher oder anderer Netze, Übergabe in andere Funkzellen oder Zusatzdienste wie Konferenzgespräche und Rufweiterleitungen. Sie sind die Schnittstelle zu den drahtgebundenen Netzen.
• Das Heimatregister, zuständig für Verwaltungsaufgaben, speichert u.a. Teilnehmerdaten, Gerätearten, Zusatzdienste, etc. und ist für die Gebührenerfassung zuständig. Ebenso erfolgt über das Heimatregister die Lokalisierung von Teilnehmern, denn es speichert zudem den momentanen Aufenthaltsort des Teilnehmers.
• Im Besucherregister werden alle Teilnehmer erfasst, die sich gerade innerhalb eines MSC aufhalten. Daten werden hierbei vom Heimatregister kopiert, sobald eine Mobilstation, d.h. bspw. ein mobiles Endgerät in den Bereich eines MSCs eintritt.

Im Betriebs- und Wartungssystem (OSS) sind alle Funktionen integriert, die die Funktion des Netzes sicherstellen. Es besteht aus den Komponenten Betriebs- und Wartungszentrum (OMC), Authentifikationszentrum (AuC) und dem Geräteidentifikationsregister (EIR).

• Das Betriebs- und Wartungszentrum ist für das Sicherheitsmanagement, die Überwachung des Datenverkehrs sowie für die Abrechnung und die Rechnungsstellung zuständig.
• Das Authentifikationszentrum schützt – durch Speicherung von Authentifikationsalgorithmen und Verschlüsselungscodes – die Identität der Teilnehmer und die Datenübertragung.
• Im Geräteidentifikationsregister werden Teilnehmer- und Gerätekennungen gespeichert, bspw. die IMEI. Ebenso werden dort Listen geführt, in welchen gestohlene, gültige IMEI oder gesperrte Geräte verwaltet werden.

GPRS-Architektur

GPRS erweiterte die bestehenden 2G-Netze um die paketorientierte Datenübertragung und ermöglichte damit den Zugang zu IP-basierten Netzen wie das Internet oder Local Area Networks (LANs). Prämisse war, das existierende GSM-Netzwerk so gering wie möglich zu verändern, um Kosten so niedrig wie möglich zu halten, bei gleichzeitiger Wahrung von Kompatibilität der Endgeräte. So wurde das GSM-Netz letztendlich um ein Netz mit drei Netzelementen erweitert, der Serving GPRS Support Node (SGSN), das GPRS-Heimatregister (GR) und der Gateway GPRS Support Node (GGSN).

Die Serving GPRS Support Nodes wickeln die Datentransfers zwischen den IP-basierten Datennetzen und dem mobilen Endgerät ab, während die Gateway GPRS Support Nodes als Router zwischen dem GPRS-Netz und dem IP-basierten Netz fungieren. Das GPRS Heimatregister ist lediglich eine Erweiterung des GSM-Heimatregisters, welches GPRS-relevante Informationen speichert.

UMTS-Architektur

Im Vergleich zu GSM ist UMTS ein vollkommen neues Netz, wobei sich die Architektur beider Systeme ähnelt. Die UMTS-Referenzarchitektur unterscheidet in die User Equipment Domain, die Infrastructure Domain und die Core Network Domain.

• Die User Equipment Domain besteht aus einem UMTS-fähigen Endgerät sowie einer USIM-Card, quasi einer SIM-Karte mit den notwendigen Funktionen zur Verschlüsselung und Authentisierung.
• Die Infrastructure Domain bildet die Schnittstelle zur Core Network Domain. Über die Access Network Domain erhält der Benutzer Zugang zum UMTS-Kernnetz. Hierbei ist es unerheblich, ob der Nutzer aus einem UMTS- oder GSM-Netzwerk Zugang hat.
• Integriert in der Core Network Domain sind – über sogenannte Netzübergänge – verschiedene Transportnetze, wie bspw. ISDN, GSM, Internet miteinander verbunden. Die Core Network Domain beinhaltet folgende weitere Komponenten:
  • Serving Network Domain – Sie vermittelt die Verbindungen (paket- und leitungsorientiert) und stellt über ihre Funktionen sicher, dass Benutzer, die in Bewegung sind, im Service bleiben.
  • Die Transit Network Domain stellt die Verbindung zwischen UMTS und anderen Netzen her
  • Die Home Network Domain ermöglicht durch ihre Funktionen Mehrwertdienste wie bspw. Online-Banking, Routing, Datenbank-Abfragen, Rufnummern-Mitnahme bei verschiedenen Endgeräten (z.B. T-Mobile Multi-SIM), etc.

Verwendete Literatur:

• Bernauer, Dominik: Mobile Internet; Saarbrücken: VDM Verlag Dr. Müller AG, 2008
• Lehner, Franz: Mobile und drahtlose Informationssysteme; Berlin: Springer, 2003
• Logara, Tomislav: Mobile Business im B2C; erste Auflage, Norderstedt: Books on Demand GmbH, 2007
• Teichmann, René: Mobile Commerce. Strategien, Geschäftsmodelle, Fallstudien; Berlin: Springer, 2002