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DECT, GSM, UMTS und danachZukünftige Kommunikationstechnologien
Dipl.-Ing. Marc Haase
Universität RostockFB Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Angewandte Mikroelektronik und Datentechnik
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Gliederung
n Rückblick¨ Die 1. und 2. Generation
n Die 3. Generation – die nahe Zukunft¨ IMT-2000 Familie¨ UMTS
n Vision zukünftiger Kommunikationssysteme
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Die 1. und 2. Generation
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Die 1. Generation
n Große Zellen mit hoher Reichweite
n Geringe Infrastrukturkostenn Geringe
Teilnehmerkapazitätn Hohe Sendeleistung bei
Basis- und Mobilstationn Niedrige Frequenzökonomie �P � :
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Die 1. Generation
n A-Netz (1958 – 1977)¨ 10.000 Teilnehmer¨ Handvermittelt¨ Analog¨ 154 MHz und 177 MHz, Frequenzmodulation
n B-Netz (1972 – 1994)¨ 25.000 Teilnehmer¨ Selbstwahlverfahren¨ Analog, 158 Funkfeststationen, 75 Kanäle¨ Keine automatische Lokalisierung
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Die 1. Generation
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Das zellulare Konzept
¨ Bell Labs Patent (1972)¨ Zellen sorgen für
flächendeckende Versorgung¨Mehrfachnutzung des
Frequenzspektrums¨Gespräche wechseln bei Mobilität
der Teilnehmer die Basisstation
¨ Vorteilen Niedrigere Sendeleistungn Kleinere Endgeräte
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r2
r3
r1
Multiplexen
n Multiplexen in 4 Dimensionen:¨ Raum (ri)¨ Zeit (t)¨ Frequenz (f)¨ Code (c)
n Ziel: Mehrfachnutzung desgemeinsamen Mediums
n Wichtig: Genügend große Schutzabstände nötig!
f
t
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k2 k3 k4 k5 k6k1
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Kanäle ki
Quelle: Schilling, Mobilkommunikation
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Frequenzmultiplex
n Gesamte verfügbare Bandbreite wird in einzelne Frequenzabschnitte aufgeteilt
n Übertragungskanal belegt Frequenzabschnitt über gesamten Zeitraum
k2 k3 k4 k5 k6k1
f
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c
Quelle: Schilling, Mobilkommunikation
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k2 k3 k4 k5 k6k1
Zeitmultiplex
n Kanal belegt gesamten Frequenzraum für einen gewissen Zeitabschnitt
Quelle: Schilling, Mobilkommunikation
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Zeit- und Frequenzmultiplex
n Kombination der oben genannten Verfahrenn Sendungen belegen einen
Frequenzabschnitt für einenZeitabschnitt
n Beispiel: GSM
t
c
k2 k3 k4 k5 k6k1
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Codemultiplex
n Sendung ist durch persönlichen Code charakterisiert
n Alle Teilnehmer können zur selben Zeit im selben Frequenzabschnitt senden
n Realisierung: Spreizspektrumtechnik
k2 k3 k4 k5 k6k1
f
t
c
Quelle: Schilling, Mobilkommunikation
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CDMA
TDMA
Die 2. Generation
n IS-54 (D-AMPS)¨ Nachfolger des analogen AMPS in Amerika¨ Zeitschlitzstruktur
n IS-136 (Digital PCS)¨ Weiterentwicklung von IS-54
n Personal Digital Cellular (PDC, PDC-P)¨ Vor allem in Japan verbreitet
n GSM
n IS-95 und IS-95b (cdmaOne)¨ Basierend auf N-CDMA (1.23 MHz Bandbreite)¨ Erstes kommerzielles CDMA-Netz
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GSM
n Global System for Mobile Communications (GSM)n 1998 – ETSI standardisiertn 1991 – Markteinführung
n Erfolgreichste Technologie der 2. Generation¨ 171 Länder, 400 Betreiber¨ 300 Millionen Nutzer (2001)¨ Offene Standardisierung¨ Offen für Erweiterungen
Weltmarktanteile 2005
GSM60%
CDMA22%
TDMA13%
Other5%
Quelle: EMC Database, June 2001
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Vorteile der 2. Generation
n Höhere Lebensdauer und Mobilität
n Einfachere Frequenzplanung¨ Dynamic Channel Allocation
(GSM)¨ Single Frequency Band
(CDMA)
n Bessere Performance¨ Geringe Anzahl von
Verbindungsabbrüchen¨ Schnellere Vermittlung
n Verschlüsselung
n MAHO - Mobile Assisted Hand Off (Soft Handoff bei CDMA)
n Empfangsverbesserung durch Ausnutzung physikalischer Ausbreitungseigenschaften
n Neue Dienste¨ GPRS¨ HSCSD
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Wie geht es weiter?
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Zeitung& Telefon
Online Programm &Online Ticket Reservierung
Real-time Programmdes nächstgelegenen Kinos & MobileTicketing
Aussuchen eines Filmsund Kauf einesTickets
Telefon, Postkarten, BilderE-mails, Attachments, SMS, Videos etc.
Video-Telefon, Foto-Messaging via Mobiltelefon
Urlaubsgruß
Brettspiele Gameboy, Playstation etc. (Interactive) Mobile gaming
GamingService
1990 2000 2005
Veränderung des Lebensstils
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Evolution der Datendienste
n immer mehr Daten mobil erreichbar n Sprachanteil nimmt nicht zu – umdenken erforderlichn Seit 1996 Kanalvermittelter Datendienst
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Die 3. Generation
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IMT-2000 Familie
n International Mobile Communication at 2000 MHzn Standardisierung durch International Telecommunica-
tions Union (ITU)n Schaffung von Rahmenbedingungen für Technologien
der 3. Generation
n Insgesamt 15 Vorschläge:¨ 10 terrestrische Systeme¨ 5 Satelitensysteme
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IMT-2000 Fähigkeiten
n Hohe Datenraten¨ 144kbit/s (überall) bis 2Mbit/s (indoor)
n Symmetrische und asymmetrische Datenübertragung¨ IP-Dienste
n Leitungsvermittelte (CS) und paketvermittelte (PS) Übertragung
n Hohe Sprachqualitätn Hohe Spektrumseffizienz
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IMT-2000 Fähigkeiten (Forts.)
n Nahtloser Übergang von Systemen der 2. Generationn Globale Erreichbarkeit in allen IMT-2000 Netzenn Anwendungen unabhängig vom verwendeten Netz
(Virtual Home Environment)
Es handelt sich bei IMT-2000 um eineganze Familie von Systemen!
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Die IMT-2000 Familie
UMTSn TD-CDMA¨ UTRA-TDD¨ TD-SCDMA
n FD-TDMA¨ DECT+
n W-CDMA¨ UTRA-FDD¨ cdma2000
n TDMA¨ UWC-136¨GSM EDGE
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UMTS
n Universal Mobile Communication Systemn Standardisierung durch Third Generation Partnership
Project (3GPP) in Stufen¨ Release 99 (Japan, England)¨ Release 2000 (R4/R5)
n Systemarchitektur¨ UMTS Subscriber Identity Module¨ Mobile Station¨ Radio Access Network¨ Core Network (ab R5 IP-Core-Network)
n Unterstützung von Kanal- und Paketvermittlung
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IP-Core Netzwerk Architektur
Pron Modernes Design des Netzesn Integriertes Netz für Sprach
und Datendienste (VoIP)n Preiswerte Routing
Technologie nutzbarn Einfache Einführung von
neuen Dienstenn Integriertes Q&M-Konzept
Contran Gateways an den
Außengrenzen notwendign Migration von 2G-Netzen
kompliziertern Noch nicht in R99/R4n Möglicherweise
Sicherheitsprobleme
Vorteile überwiegen deutlich !
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UMTS Dienste
n Virtual Home Environment (VHE)¨ Portierbarkeit von personalisierten Diensten über
Netzwerkgrenzen und zwischen Endgerätetypen¨ Personal Service Environment (PSE)
n Mobile Station Application Execution Environment(MExE)¨ Ausführungsumgebung für Programme im Endgerät
n SIM Application Toolkit¨ Sichere Ausführungsumgebung
n Open Service Architecture (OSA)¨ Zukünftige Dienste für UMTS
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Übergang von GSM zu UMTS
HSCSD (High Speed Circuit Switched Data)n einfache GSM Erweiterungn neues Zeitschlitzverfahren: ein Kanal kann mehrere
Zeitschlitze belegenn Datenraten bis zu 8 x 9.6 kbit/s (=76.8 kbit/s)
n Nachteil¨ mehrere Funkkanäle belegt,
wenn keine Daten gesendet werden
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Übergang von GSM zu UMTS
GPRS (General Packet Radio Service)n massive Erweiterung von GSM um verbindungslosen,
packetvermittelnden Dienstn Datenrate je nach Fehlerkorrektur 9.6 - 20 kbits/s (pro
Slot)n „always on“
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EDGE
n EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution):¨ geplanter Endausbau für vorhandene GSM-Netze¨ ca. dreimal so schnell wie GPRS (bis zu 65.2 kbit/s pro Slot)
n Übertragungsraten sollen IMT-2000 genügen:¨ 144 kbit/s bei hoher Geschwindigkeit (Auto, Zug, ...)¨ 384 kbit/s bei geringer Mobilität (Fußgänger)¨ möglicherweise 2 Mbit/s mittels breitbandigem EDGE-Träger
n Kombination mit GPRS und HSCSD:¨ EGPRS mit max. Datenrate von 65.2 kbit/s¨ ECSD mit bis zu 38.4 kbit/s pro Zeitschlitz
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Migrationspfade von 2G zu 3G
GSM
TDMA
GPRS
CDMA2000 1X
CDMA20001x EV-DO
EDGE WCDMA
CDMA20001xEV-DV
cdmaOneIS-95A
cdmaOne IS-95B
GSM MAP CORE NETWORK
IS-41 CORE NETWORK
2G14.4kbps
2.5G64kbps
3G144kbps and up
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Vision zukünftigerKommunikationssysteme
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Mobilität, Reichweite, Kosten
LokalerZugriff
MobilerZugriff
TransparenterTechnologie
Wechsel
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Vision zukünftiger Systeme
n „Always Best Connected“n Ad-Hoc Netzwerken Ortsbasierte Diensten Multi-Mode Geräte
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Mobile Gewinnaussichten
Source: Durlacher report on mobile commerce
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Die beliebtesten Dienste
E-Mail, SMS
Ring tone/screendownload
Other (GPRS...)
Games
Information
Transaction
Directories
JapanI-mode (NTT DoCoMo) accessbreakdown, September 2000
Korean-Top (SK Telecom) accessbreakdown, August 2000
GSM CountriesSMS, GPRS, HSCSD
20
36
12
12
11
6
1
4,3
11
29
25
N/A
3 N/A
N/A
95
1
3
N/A
N/A
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Multimedia Messaging ServiceRegionale Gewinne 2005 und 2010
Source: UMTS ForumConsumer Business
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2
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6
8
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Ser
vice
Rev
enu
es($
bio
)
North America Asia Pacific Europe Rest of World
12
14
16
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2005 2010 2005 2010 2005 2010 2005 2010
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Fazit
n Technologischer Erfolg zukünftiger Kommunikations-systeme wird bestimmt durch:¨ 60% Politik¨ 40% Ökonomie ¨ und der Rest ist Technologie (AT&T)
n „The road is bumpy, and some of the bumps are higherthan the car“ by Mahmoud Naghshineh, senior Manager of IBM Thomas J. Watson Research Center
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Quellen
n Wahlke, B.; Althoff, M. P.; Seidenberg, P.: UMTS – Ein Kurs. J. Schlembach Verlag, 2001.
n Shafi, M.; Ogose, S.; Hattori, T.: WirelessCommunications in the 21st Century. IEEE Series on Digital & Mobile Communications, 2002.
n DaFU Datenfunkhttp://www.dafu.de/rechts/zukunft.html
n Mobile 3Ghttp://www.mobile3g.com
n ITU Activities on IMT-2000http://www.itu.int/home/imt.html
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Quellen
n Garber, L.: Will 3G Really Be the Next Big WirelessTechnology? IEEE Computer, Volume 35, Number 1, January 2002.
n EEtimeshttp://www.eetimes.com/story/OEG20030526S0002
n Qualcomhttp://www.qualcomm.com/cdma