Was kommt nach UMTS? - Recherche zu aktuellen Projekten zukünftiger

Mobilfunkgenerationen

Bearbeiter: Lars Koch

Studiengang: Ingenieurinformatik

Betreuer: Dipl. Ing. Maik Debes

Hochschulbetreuer: Prof. Jochen Seitz

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Der Übergang zur 3,5ten Mobilfunkgeneration

2.1. Merkmale der 3,5ten Mobilfunkgeneration 2.2. HSDPA: Veränderung auf Technischer Ebene und Netzwerkebene

3. Die vierte Mobilfunkgeneration

3.1. Technische Entwicklungen zur vierten Mobilfunkgeneration

3.1.1. OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplex 3.1.2. Techniken mit Antennenarrays / MIMO - Systeme 3.1.3. SDR - Software Defined Radio

3.2. Entwicklungen auf Netzebene: LTE und WINNER

3.2.1. Allgemeine Entwicklungen 3.2.2. Long Term Evolution (LTE) und System Architecture Evolution 3.2.3. Wireless World Initiative New Radio (WINNER)

4. Konsortien und Projekte in der Mobilfunkentwicklung

5. Fazit und Ausblick

Abkürzungen

Quellenangaben

1. Einleitung

Diese Arbeit soll die Entwicklungen im Mobilfunkbereich über die dritte Generation hinaus darstellen. Dabei werden in den folgenden beiden Abschnitten 2. und 3. Entwicklungspotentiale und

die wichtigsten aktuellen Forschungsgebiete jeweils auf technischer Ebene (entsprechend der ersten

ISO/OSI-Schicht) und auf Netzwerkebene (entsprechend höherer Schichten des ISO/OSI-

Referenzmodells) dargestellt und erläutert. Diese Entwicklungen geben Standardisierungsgremien

und Konsortien, die an der Zukunft des Mobilfunks arbeiten, Werkzeuge in die Hand, ein Mobilfunknetz

mit bestimmten Eigenschaften zu planen und zu standardisieren. Welche Gremien und Konsortien an diesem Prozess in welcher Weise beteiligt sind wird

in Abschnitt 4 näher betrachtet. Einen Ausblick auf das Mobilfunksystem nach der dritten Generation aus Nutzersicht soll abschließend in Abschnitt 5.

gegeben werden.

2. Der Übergang zur 3,5ten Mobilfunkgeneration

2.1. Merkmale der 3,5ten Mobilfunkgeneration

Für die weitere Entwicklung der Mobilkommunikation lassen sich zwei Trends

erkennen. Der erste Trend zeigt sich in der Benutzung der klassischen Mobilkommunikation mit

einem erhöhtem Anteil an Datenverkehr. Mehrere technische Entwicklungen bis zur Gegenwart

verdeutlichen diesen Trend. Mit der Einführung von GPRS in der 2. Mobilfunkgeneration wurde der erste digitale reine Datendienst installiert. Auch wenn sich

die Masse der Benutzer vom vielfältigen Onlineangebot der Dienstanbieter nicht wie erhofft beeindrucken lies, steigerte sich der Datenverkehr

dennoch, z.B. durch die Benutzung von MMS. In den letzten Jahren gab es zusätzlich eine Welle an herunterladbaren Klingeltönen, die sicherlich

ebenso den Anteil des Datenverkehrs der Mobilfunkanbieter erhöht hat. Was lässt sich über

diesen Trend für die Zukunft sagen? Außer der Möglichkeit "Klingelvideos" herunterladen zu

können? Die Mobilfunkanbieter, aber auch externe Anbieter sehen den Kunden der Zukunft immer noch verstärkt im Onlinebereich. Als Beispiel sollen dabei die beiden kürzlich gestarteten Dienste Go 2.0 von Yahoo und der Jump Radio Guide vom öffentlich

rechtlichen Radiosender Jump dienen. Beide

Dienste setzen auf dem Benutzer zugeschnittene Informationen, bei Go 2.0 sogar mit Auswertung des

Aufenthaltsortes. Diese Entwicklung markiert den Übergang zur 3,5ten Mobilfunkgeneration. Auf die

technischen Hintergründe, die die 3,5te Mobilfunkgeneration ausmachen, soll im Folgenden

eingegangen werden.

2.2 HSDPA: Veränderung auf Technischer Ebene und Netzwerkebene [14]

Wichtige Vorraussetzung für einen leistungsfähigen Datentransport ist, neben einem

Modulationsverfahren für hohe Datenraten, ein asymmetrischer Übertragungskanal, da für

gewöhnlich deutlich höhere Datenraten im Downlink nötig sind als im Uplink. HSDPA soll genau diese

Anforderungen erfüllen. Das installierte UMTS-System ohne HSDPA

entspricht dem UMTS-Release 99 der 3GPP. Als Weiterentwicklung wurde 2005 der Release 5

vorgestellt, in dem die HSDPA-Technik, namentlich "High Speed Downlink Packet Access",

standardisiert und eingeführt wurde. Generell kann man sagen, dass mit dem Release 5 viele

Unzulänglichkeiten des vorhergehenden Standards verbessert wurden. Mit dem HSDPA lassen sich

schnellere Datenraten auf dem Downlink erzielen, ohne den Einsatz der bisherigen

Übertragungstechniken auszuschließen. Ein gemischter Einsatz von HSDPA fähigen und nicht fähigen Geräten sowohl auf Sender, als auch auf

Empfängerseite ist damit möglich.

HSDPA - Der technische Hintergrund

Auffälligstes Merkmal von HSDPA ist die gesteigerte Datenrate. Während herkömmliches UMTS

Datenraten bis zu 384 Kbit/s bietet, sind HSDPA-Spitzenwerte bei 3,6 Mbit/s bei idealen Bedingungen, im Mittel aber bei 900 Kbit/s angesiedelt. Die Grenze

bildet dabei der bei UMTS verwendete Rake Receiver. Dieser soll beim Nachfolgesystem

HSDPA+ vom so genannten "Advanced Receiver" abgelöst werden, der sich noch in der Entwicklung

befindet und Datenraten bis zu 14,4 Mbit/s ermöglichen soll.

Als erste Maßname zur Datenratenerhöhung soll hier die Einführung der AMC-Technik, des Adaptiven

Modulations- und Kodierverfahrens erwähnt werden. Das Verfahren erinnert an EDGE, denn die

Gemeinsamkeit besteht darin, dass ein optionales Modulationsverfahren bereitgehalten wird, welches

höhere Datenraten erlaubt, wenn es die Kanalqualität zulässt. Im Fall von HSDPA wird das

sonst bei UMTS verwendete 4PSK bei entsprechend guten Kanalbedingungen durch ein 16QAM

Modulationsverfahren ersetzt. Außerdem wird die Kanalcodierung dahingehend verändert, dass der

zur Sicherung mit übertragene Anteil an redundanten Informationen ebenfalls an die

aktuellen Bedingungen im Funkkanal angepasst werden kann.

Als nächstes soll auf die Multiplextechniken von HSDPA eingegangen werden. Beim UMTS Release

99 wird der Funkkanal durch Verwendung unterschiedlicher Codes in mehrere Subkanäle unterteilt: Es wird der Code Division Multiple

Access, CDMA verwendet. Dies wird bei HSDPA so beibehalten, jedoch wird dazu zusätzlich die

Zeitachse in mehrere Zeitslots von je 2 ms eingeteilt - es wird also zusätzlich ein Time Division Multiple Access, TDMA, verwendet. Diese Zeitslots werden

bei UMTS als Transfer Time Interval, "TTI" bezeichnet und bei HSDPA zu einem Short Transfer Time Interval, "STTI" erweitert. Aus Kanalsicht kann man außerdem sagen, dass der Kanal mit mehreren

Benutzern geteilt wird, sodass die UMTS übliche Bezeichnung Dedicatet Channel DCH zum high speed Downlink Shared Channel, "hs-DSCH"

erweitert wird. Dabei befinden sich innerhalb eines Zeitslots 15 Codekanäle und diese werden für jeden

Zeitslot auf maximal 4 Teilnehmer aufgeteilt. Ein einzelner Teilnehmer kann also mehrere Codekanäle

gleichzeitig verarbeiten. Das gleichzeitige Empfangen von mehreren Codekanälen führt neben

gesteigerter Datenrate aber auch zu Intercode-Interferenzen, was bei Rake Receivern höchstens 5 parallel empfangbare Codekanäle zulässt. Abhilfe

soll hier in Zukunft wieder der oben erwähnte Advanced Receiver schaffen. Abbildung 1 zeigt

dabei eine Beispielhafte Zuordnung der Codekanäle über einem Zeitraum von 7 Zeitslots bzw. 7 STTIs. Der User 5 in Zeitslot 6 und 7 verwendet in diesem Beispiel mehr, als 5 Codekanäle gleichzeitig, was

nur mit dem "Advanced Receiver" möglich ist.

Abb. 1 Beispiel für Zuordnung von Codekanälen über der Zeit [8]

Die Latenzzeit, also die Zeit bis zur Antwort auf eine Anfrage ist ebenfalls ein wichtiger Faktor, der auf

Gesamtdatenrate Einfluss hat. Im UMTS Release 99 wird diese Zeit im oben bereits erwähnten Transfer Time Interval, TTI festgelegt. Der Hintergrund ist, dass auf Kanalebene zwar der CDMA zum Einsatz

kommt, auf höherer Ebene jedoch Zeitliche Abgrenzungen vorgenommen werden müssen. Dabei gibt es je nach Anwendung verschiedene

Versionen eines Übertragungszeitintervalles: 10 ms, 20 ms, 40 ms oder 80 ms. Besonders im

Handshaking Ablauf sind dies aber recht hohe Werte. Das ebenfalls schon erwähnte Short Transfer

Time Interval, STTI, von 2 ms ermöglicht im Vergleich wesentlich günstigere Latenzzeiten. Die

Verkürzung dieser Intervallzeit wirkt sich außerdem positiv auf das Regelverhalten der Kanalcodierung

aus, um nötige Redundanz zur

Übertragungssicherung an die aktuellen Funkbedingungen anzupassen. Sollte es doch zu einem Übertragungsfehler kommen, ist jetzt nicht

die Neuübertragung eines kompletten TTI von bis zu 80 ms nötig, sondern lediglich die eines STTI von

2ms.

HSDPA - Veränderungen auf Ebenen der Netzwerkschicht

HSDPA bringt einige Veränderungen auf Netzwerkebene im UTRAN mit sich. Unter dem UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) versteht

man den Funknetzteil des UMTS - Netzwerkes. Bestandteile des UTRAN sind auf unterster Ebene

die Funkzellen. Mehrere Funkzellen (Korrekt: ca. drei Sektoren) werden von einem Node B versorgt, wobei

eine Gruppe von Node Bs (eine typische Anzahl könnte 200 sein) von einem RNC (Radio Network Controller) kontrolliert wird. Im UMTS Release 99

fällt in den Aufgabenbereich des RNC unter anderem der Handshaking Mechanismus und die

Fehlerkontrolle mit Neuübertragung im Fehlerfall. In dem konstruierten Beispiel von 5

Datenverbindungen pro Zelle, 3 Zellen pro Node B und 200 Node Bs pro RNC fällt auf so einem RNC

eine Last 3000 Datenverbindungen, die zu kontrollieren sind. Dies ist mit ein Grund dafür, dass das Übertragungsintervall, das TTI, mit bis zu 80 ms,

vergleichsweise groß gewählt wurde. Das Handshaking und die Fehlerkontrolle wurde im

UMTS Release 5 mit HSDPA auf die Node Bs verschoben. Im Bild 2 kann man erkennen, dass

dafür im Bereich des User Equipments, UE, und des Node Bs die MAC Schicht angepasst werden

musste. Diese neue MAC-hs-Schicht übernimmt nun

das Handshaking und die Fehlerkontrolle zwischen dem Node B und dem Endteilnehmer und ist damit

weniger belastetet, als ein RNC.

Abb. 2 Das Schichten der UTRAN mit der neuen MAC-hs Instanz [9]

Baut der Teilnehmer eine Datenverbindung auf, indem er z.B. ins Internet oder auf das Onlineportal seines Netzbetreibers geht, läuft diese Verbindung auf höheren Schichten über das TCP. TCP wurde

aber für ein Festnetz entwickelt, bei dem, im Gegensatz zum Funkkanal, mit wenigen

Übertragungsfehlern zu rechnen ist. (Fading ist das Stichwort, um die schlechten

Übertragungsbedingungen eines Funkkanals zu beschreiben.) Kommt es nun zu einer Fehlerhaften

Übertragung, so dass das entsprechende Paket verworfen wird, geht das TCP naturgemäß von einer Stausituation aus. (Mit Stausituationen ist in einem

Funknetz wiederum eher selten zu rechnen.) Abbildung 3 verdeutlicht den für diese Situation

typischen Verlauf der Datenrate: das TCP Protokoll startet zum Slow Start Algorithmus.

Abb. 3 Die Auswirkung des Slowstart Algorithmus auf die Datenrate

[10]

Die Datenrate wird nach einem Übertragungsfehler erst langsam wieder hochgesetzt, was in einem störanfälligen Funkkanal zu empfindlich hohen

Latenzzeiten (200 ms) und einer nicht ausgeschöpften möglichen Datenrate führt. Man

spricht von einem TCP-Flaschenhals. Im Abschnitt der technischen Veränderungen mit HSDPA wurden bereits die Adaptive Modulation und Kanalkodierung

erläutert. Da mit AMC die Modulation und die Kanalcodierung dank der kurzen

Übertragungsintervalle mit STTI schnell und passend an die aktuellen Kanalbedingungen

angepasst werden können, wird die

Wahrscheinlichkeit eines Paketverlustes gesenkt und die Latenzzeit auf TCP-Ebene auf ca. 100 ms

gedrückt. Abschließend soll noch angemerkt werden, dass diese Erweiterung des UMTS Systems fast ohne

Hardwareänderung im UTRAN auskommt und ein paralleler Betrieb von UMTS Release 99 und HSDPA

vorgesehen ist.

3. Die vierte Mobilfunkgeneration

Der zweite Trend zeigt ähnliche Auswirkungen in der Entwicklung der Mobilkommunikation, wie der erste

Trend, verzichtet aber auf den Anteil der Sprachkommunikation. Die Rede ist von

datengetriebener Mobilkommunikation, deren erste Ansätze sich seit einiger Zeit zum Beispiel bei

UMTS-Karten für den Laptop wieder finden. Das Internet über Festnetz ist dabei sicher ein Vorbild, denn dessen Popularität stieg mit der verfügbaren

Datenrate. (Sinkende Onlinekosten waren mit Sicherheit ebenso ausschlaggebend.) Im Folgenden

soll erläutert werden, welche Vorraussetzung auf technischer Ebene, aber auch in höheren Schichten des ISO/OSI- Referenzmodells für den Übergang zur

vierten Mobilfunkgeneration vorgesehen sind.

3.1. Technische Entwicklungen zur vierten Mobilfunkgeneration

3.1.1 OFDM - Orthogonal Frequency Devivsion Multiplex [15]

Die Technik von OFDM erinnert einerseits an das beim UMTS benutzte CDMA, andererseits an den

klassischen Frequenzmultiplex. Einerseits wird wie beim CDMA auf jedem Frequenzband ein Set von

Subträgern installiert, die die endgültigen Kanäle voneinander trennen. Zum anderen werden für die Kanaltrennung keine Codes angewendet sondern

sinusförmige Träger, die denen vom Frequenzmultiplex bekannten Trägern ähneln. Beim Frequenzmultiplex müssen jedoch zwischen jedem

Frequenzband Sicherheitsabstände eingehalten werden, da sie sich im Spektralbereich sonst

überlappen würden. Dies führt zu einer spektralen Effizienz, die von der theoretisch möglichen Effiziens an der Shanongrenze immer einen

bestimmten Abstand aufweist. Beim OFDM werden für die Modulation der Kanäle jedoch orthogonale

sinusförmige Funktionen als Träger verwendet, die sich im Spektralbereich sogar sehr deutlich überlappen, wie in Abbildungenen 4 und 5

verdeutlicht wird.

Abb. 4 OFDM im Zeitbereich [11]

Abb. 5 OFDM im Frequenzbereich [11]

Die Träger werden aus den Sinusoiden der Diskreten Fourier Transformation, DFT, gewonnen, denn diese

bilden eine orthogonale Basis. Moduliert (multipliziert) man nun jeden Teildatenstrom mit

einem anderen Sinusoiden der DFT, zur Vorstellung vereinfacht z.B. im On Off Keying, und addiert diese modulierten Teildatenströme erhält man ein Signal

dessen Spektrum aus den sich durchaus überlappenden Subträgern besteht. Der Empfänger

kann dieses Signal jedoch wieder in seine Subträger aufteilen, indem das Eingangssignal mit dem Set

von Sinusoiden der DFT korreliert wird. Im übertragenen Sinn wird eine Inverse DFT, also eine

IDFT, in der Praxis eine IFFT durchgeführt. So erspart man sich spezielle Filter für die einzelnen

Subträger einzusetzen. Da die zur Modulation verwendeten Sinusoiden orthogonal sind, sind diese

auch unkorreliert und können am Empfänger einwandfrei getrennt werden. Bei Multiplikation (mit anderen Worten Korrelation) des Empfangssignals

mit einem bestimmten Sinusoiden wird es nur einen Ausschlag in der dabei entstehenden

Korrelationsfunktion geben, wenn dieser Sinusoid auch bei der Erstellung des Sendesignals verwendet

wurde, zum Beispiel in der On-Phase des On Of Keyings.

Die Anzahl der zur Verfügung stehenden Übertragungskanäle ist gewachsen, da sie sich im Frequenzspektrum überlappen können. Damit kann im Gegenzug die Symboldauer verlängert werden,

was sich Günstig in einer, aufgrund von Mehrwegeausbreitung, fadingreichen Umgebung

auswirkt. Konkret werden zwischen den Symbolen bestimmte Schutzzeiten eingeführt, um diesen Effekt

zu erreichen. Der Erfolg dieser Modulationsart steht und fällt jedoch mit der Orthogonalität der verwendeten

Subträger und der größte Feind dieser

Orthogonalität ist die Dopplerverschiebung bei sich bewegenden Sendern oder Empfängern. Genauer

gesagt bei Dopplerverschiebung in Kombination mit Mehrwegeausbreitung. Diese Empfindlichkeit

gegenüber Dopplerverschiebungen ist einer der Hauptnachteile des OFDM-Verfahrens. Im folgenden Abschnitt der Mehrantennen- oder MIMO-Systeme werden jedoch Möglichkeiten gezeigt, die Effekte

von Mehrwegeausbreitung zu verringern oder sogar als Vorteil zu nutzen.

3.1.2. Techniken mit Antennenarrays / MIMO - Systeme [16]

Ausgangspunkt für die nähere Betrachtung von MIMO - Systemen ist das allgemeine Modell des

Funkkanals. Die Informationsquelle liefert die Daten zum Sender,

der diese auf den Funkkanal gibt. Der Kanal unterliegt gewissen Störungen, die im Kanalmodell

additiv auf die Nutzdaten zugeführt werden. Die Eigenschaften des Kanals lassen sich im Modell

durch die Sprungantwort beschreiben, die im betrachteten Fall des Einantennensystems die

Kanalmodellierende Funktion bildet. Abbildung 6 zeigt ein solches Kanalmodell.

Abb. 6 Modell eines Funkkanals mit Störquelle

Im klassischen Mobilfunk gibt dabei der Sender über eine Antenne Daten in den Kanal und der Empfänger

zieht diese Daten über eine Antenne aus dem Funkkanal heraus, man spricht vom Single Input

Single Output (SISO) System. Bei der Verwendung von Antennenarrays auf Senderseite spricht man vom Multiple Input und auf Empfängerseite vom

Multiple Output, sodass sich die weiteren Kombinationen "MISO", "SIMO und "MIMO" ergeben.

Linkbudget

Des Weiteren ist die Betrachtung des Übertragungsvorgangs sehr Hilfreich. Am Sender

wird ein Signal mit der Leistung PTx übertragen und am Empfänger mit der Leistung PRx empfangen.

Verluste im Funkkanal führen zu einer Abschwächung der Empfangsleistung PRx

gegenüber der Sendeleistung und werden im Faktor Lges zusammengefasst. Hauptbestandteil des

Verlustfaktors ist die Ausbreitungsdämpfung („Path Loss“) Lp und die oben erwähnten Störungen ("Additive Losses") im Funkkanal, hier als La

bezeichnet. (Physikalisch ergibt sich die Ausbreitungsdämpfung

bei Freifeldbedingungen aus:

GTx: Sendeverstärkung; GRx: Empfängerverstärkung;

λ: Wellenlänge; r: Abstand Sender, Empfänger. was hier aber nicht weiter betrachtetet werden soll.) Aus der so entstandenen Formel ergibt sich

mit eine Empfangsleistung von:

Sind noch weitere Parameter des Kanalmodells

bekannt, kann man noch weitere

Verstärkungsfaktoren (im Weiteren als „Gewinne“ bezeichnet) und Dämpfungsfaktoren (im Weiteren als Verluste bezeichnet) einführen. Wechselt man dabei in eine logarithmische Beschreibungsweise

mit der Hilfseinheit Dezibel, dB erhält man eine anschauliche Summenformel. Verluste

erscheinen dabei als negative Summanden, da sie im Dezimalbereich als Faktoren kleiner 1 auftreten -

Gewinne dagegen als positive Summanden. In unseren Beispiel ergibt sich unter Vernachlässigung der Kennzeichnung von Dezibelarten dB und dBm:

(alle Werte in dB) Dies ist ein einfaches Beispiel für ein so genanntes Linkbudget, bei dem z.B. der benötigte Sendepegel

bei gefordertem Empfangspegel mit Sicherheitsreserve ("Margin") abgeschätzt werden kann. Im folgenden werden verschiedene Gewinne vorgestellt, die sich mit der Einführung von MIMO - Systemen ergeben und sich positiv auf die Bilanz

des Linkbudget auswirken.

Aufbau der MIMO Systeme

Grundlage für MIMO - Systeme, deren prinzipeller Aufbau in Abbildung 7 zu sehen ist, bildet ein Satz von in der Regel baugleichen Antennen, meist als Antennenarray bezeichnet. Die nachgeschaltete

Signalverarbeitung sorgt dabei für die Intelligenz der so genannten Intelligenten Antennen ("smart

Antennas"): Am Empfänger z.B. durch Verzögern und anschließendes Addieren und Multiplizieren der

Einzelsignale, am Sender unter Anderem durch Wichten und zeitversetztes Austrahlen der Signale.

Abb. 7 Modell eines Multiple Input Multiple Output Kanals [1]

Aus dieser Anordnung der Antennen lassen sich 3 Gruppen von Gewinnen erzielen, die sich positiv auf das vorher beschriebene Linkbudget auswirken. Die

erste Gruppe konzentriert sich auf die effizientere Auswertung des Empfangssignals durch den

Einsatz von mehreren Empfangsantennen.

Gruppengewinn

Als erstes sei dabei "der Gruppengewinn" genannt, der sich aus dem Umstand ergibt, dass mehrere

Antennen einfach mehr Leistung empfangen können, vorausgesetzt, dass die Einzelsignale, die

die Empfangsantennen liefern, nach Empfang geeignet verknüpft werden. Dies geschieht durch Verzögern bestimmter Teilsignale, abhängig vom

Einfallswinkel der Wellen (Phasenkorrektur), sowie durch die oben erwähnte Überlagerung durch

Addition und Multiplikation der Teilsignale. Der Gruppengewinn lässt sich weiterhin steigern, wenn

auf Senderseite ebenfalls ein Antennenarray

vorliegt. In diesem Fall ändert sich das zuvor beschriebene Kanalmodell dahingehend, dass zur

Beschreibung des Funkkanals eine Kanalmatrix, wie sie Abbildung 8 zeigt, verwendet wird. Ihre

Dimension entspricht der Anzahl der Verwendeten Sende- und Empfangsantennen (z.B. Dim(4,4) bei

jeweils 4 Antennen auf Sende- und Empfangsseite) und ihre Elemente stellen den Zustand der

Verbindung zwischen jeder Antenne des Senders und des Empfängers dar.

Abb. 8 allgemeine Kanlamatrix bei gleicher Anzahl Sende- und

Empfangsantennen [2]

Abb. 9 Herkunft der Matrixkomponenten [2]

Bekommt der Sender vom Empfänger ein Feedback über den Kanalzustand (Channel State Information,

"CSI") kann er die Sendeleistung jeder einzelnen Antenne je nach Aussehen der aktuellen

Kanalmatrix optimal einstellen. So kann z.B. die Sendeleistung auf einigen Subkanälen erhöht und auf anderen verringert werden, ohne die erlaubte

Höchstsendeleistung zu überschreiten.

Fadinggewinn

Aufbauend auf dieser Technik lässt sich "der Fadinggewinn" ableiten. Unter Fading wird die Schwankung der Signalstärke am Empfänger

beschrieben, die auftritt, wenn sich der Empfänger bewegt oder die Trägerfrequenz geändert wird.

Die Abbildungen 10 bis 12 visualisieren das Fading in unterschiedlichen Umgebungsbedingungen.

Abb. 10 Fading im Indoorbereich [3]

Abb. 11 Fading im Stadtbereich [3]

Abb. 12 Fading im bergigen Gelände [3]

Im klassischen Mobilfunk ist, neben der Teilnehmeranzahl, das Fading der begrenzende

Faktor der Zellengröße. Ursache für das Fading ist die Mehrwegeausbreitung eines Signals besonders in einer hoch streuenden Umgebung (Indoor oder

Stadtgebiet). Durch Effekte wie Streuung, Brechung, Beugung oder Reflexion des Signals an

Hindernissen, wie Bergen, Gebäuden, Bäumen oder Wänden innerhalb eines Gebäudes kann das

gesendete Signal über unterschiedliche Wege den Empfänger mehrfach erreichen.

Abbildung 13 gibt einen beispielhaften Eindruck der Problematik der Mehrwegeausbreitung

Abb. 13 Beispiel für die Mehrwegeausbreitung im urbanem Gebiet [1]

Die duplizierten Signale treffen dabei am Empfänger nicht gleichzeitig ein. Wellen mit einem

Sinusförmigen Amplitudenverlauf und gleicher Wellenlänge, jedoch in der Phase um die halbe

Wellenlänge versetzt, löschen sich aus, während Wellen mit gleicher Phasenlage sich dagegen

verstärken. Dies soll in Abbildung 14 verdeutlicht werden.

Abb. 14 Beispiel für Auslöschung oder Verstärkung durch

Überlagerung eines Signals [6]

Die Versetzung der Phasenlage kann dabei durch den räumlichen Abstand der Sendeantennen oder,

maßgeblich beim Fading, durch das leicht zeitversetzte mehrfache Eintreffen des desselben Signals an einer Empfangsantenne entstehen. Es

lässt sich abschätzen, dass der Abstand von Gebieten mit großem Fading (dt.: "Schwund") und

Gebieten mit geringem Fading bei einer Fadingfunktion über den Ort im Bereich der halben Wellenlänge der verwendeten Trägerfrequenz liegt -

bei einem 5 GHz UMTS - Band ca. 3 cm. Abbildung 15 verdeutlicht diese Schwankung der

Empfangsleistung über den Ort.

Abb. 15 Beispiel einer Fadingfuktion bei einem Kanal ohne

Sichtverbindung [4]

Da bei einem Antennenarray mehrere Antennen über den Ort verteilt sind, ist die Wahrscheinlichkeit recht

hoch, dass wenigstens ein Teil der Antennen auf

Sende- wie auch auf Empfangsseite, sich an einen Ort befinden, der eine Übertragung mit wenig Fading

zulässt - es wurde ein Fadinggewinn erzielt.

Diversitätsgewinn

Mehr noch: aus einer streuenden Umgebung, die bisher zu Fadingverlusten geführt hat, lässt sich mit Antennenarrays sogar noch ein Vorteil ziehen. Ein weiteres auffälliges Merkmal von Antennenarrays ist, dass sich, bei der Anordnung von Antennen in Gruppen, gerichtete Ausbreitungswege der Signale

erzielen lassen. Grundlage bildet hierbei die Interferenz von Signalen aus den unterschiedlichen

Antennen. Wie bereits beim Fadinggewinn beschrieben, führt die Überlagerung desselben

Signals je nach Phasenlage zur Abschwächung oder Verstärkung. Senden nun alle Antennen der

Sendergruppe dasselbe Signal ergibt sich aufgrund der Interferenz eine Ausbreitungskeule der

Wellenfronten mit einer bestimmten Hauptrichtung - im Gegensatz zur omnidirektionalen Ausbreitung

einer einzelnen Antenne. Das Aussehen einer Ausbreitungskeule wird von

Abbildung 16 dargestellt.

Abb. 16 Ausbreitungskeule eines Antennenarrays [5]

Durch zeitversetzte Ausstrahlung an bestimmten Antennen lässt sich die Richtung der

Ausbreitungskeule beinahe beliebig steuern. Daraus folgt, dass der Empfänger direkt "angestrahlt"

werden kann. Ähnlich sieht es auf Empfängerseite aus. Sind die

Antennen des Empfängers z.B. in Reihe angeordnet ergeben sich für jede Antenne zeitlich leichte

Unterschiede beim Empfang, wenn die Richtung zur Quelle nicht senkrecht zur Antennenreihe steht. Aus

diesen Zeitunterschieden kann der Einfallswinkel des empfangenen Signals errechnet werden. Treffen

Signale von mehreren Quellen ein - auch auf demselben Frequenzband - kann der Empfänger den Kanal räumlich aufteilen und die einzelnen Signale

anhand ihres "räumlichen Fingerabdrucks" unterscheiden.

Erreicht den Empfänger, aufgrund von Mehrwegeausbreitung, eine Vielzahl von Duplikaten

derselben Übertragung aus unterschiedlicher Richtung, lässt sich der Empfang weiter optimieren,

da der Empfänger die unterschiedlichen Empfangsrichtungen unterscheiden kann. Es kommt

nicht zu den Fadingerscheinungen, wie bei einer einzelnen Antenne.

Ein beispielhaftes Scenario zur Ausnutzung der Mehrwegeausbreitung zeigt Abbildung 17.

Abb. 17 Fading vermeiden mit einem SIMO Kanal [1]

Hat der Sender auch mehrere Antennen (im MIMO - Fall) kann er gerichtet senden und so die aktuellen

Fadingbedingungen ausnutzen, Abbildung 18 verdeutlicht dies.

Abb. 18 Fading vermeiden mit einem MIMO Kanal: auch der Sender

nutzt die aktuellen Fadingbedingungen aus [1]

Die Einzelsignale werden dabei je nach Zustand des betreffenden Subkanals am Sender und Empfänger

unterschiedlich gewichtet und am Empfänger phasenkorrigiert zum Gesamtsignal

zusammengefügt. Man spricht jetzt vom "Diversitätsgewinn" oder "Diversity Gain". Die Höhe des Gewinns wird dabei von der "Diversity Order"

charakterisiert, die sich im MIMO - Fall aus dem Produkt der Anzahl der Sende - und

Empfangsantennen ergibt.

Multiplexgewinn

In der zweiten Gruppe von Gewinnen wird eine höhere Sende - und Empfangsleistung durch

Techniken mit mehreren Sendeantennen erziehlt. Je nach Einsatzszenario gibt es zwei Möglichkeiten

das gerichtete Ausstrahlen und Empfangen zur effizienteren Datenübertragung zu nutzen. In einer Umgebung mit wenig Streuung, also etwa freies

Feld, am besten mit Sichtbedingungen, lässt sich eine Kanaltrennung einführen. Der Sender kann

mehrere Empfänger mit gerichteten Signalen bedienen, der Empfänger kann unterschiedliche

Quellen aus unterschiedlichen Richtungen unterscheiden. Das alles simultan und auf dem

gleichen Frequenzband, so dass man von einem neuen Multiplexverfahren in der Funktechnik

spricht: dem "Space Division Multiple Access" oder "SDMA" oder Raummultiplex.

Die folgende Abbildung 19 zeigt eine Einsatzmöglichkeit für den Raummultiplex.

Erwähnenswert ist hierbei, dass sich die Zelle vergrößert, da die Sendeleistung gerichtet

abgegeben wird, statt omnidirektional.

Abb. 19 Beispiel für den Einsatz der Space Division Multiple Access

Technik [1]

In einer stark streuenden Umgebung (Indoor, Stadtgebiet oder bergiges Gelände) kann man von

einer ausgeprägten Mehrwegeausbreitung

ausgehen, sodass Raummultiplex aufgrund der vielen möglichen Empfangsrichtungen der Signale

einer Quelle nicht mehr praktikabel wird. Konzentriert man sich in einer solchen Umgebung

hingegen wieder auf einen Sender und einen Empfänger lässt sich mit Antennenarrays eine

effizientere Datenübertragung erreichen, indem die Datenrate auf die verschiedenen Sendeantennen aufgeteilt wird. Jede Antenne des Senders sendet

damit einen Teil der zu übertragenden Datenmenge. Da die Sendeantennen räumlich verteilt sind (im

Beispiel 5 GHz - Band reichte ein Abstand von 3 cm von Antenne zu Antenne) ist in einer stark

streuenden Umgebung davon auszugehen, das jede Datenteilmenge einen anderen Weg zum Empfänger

findet und ihn somit aus unterschiedlichen Richtungen erreicht. Ebenfalls möglich ist, dass der Sender, wie beim Diversitätsgewinn beschrieben, die Teildatenmengen gleich direkt gerichtet sendet. Der

Empfänger wiederum kann die verschiedenen Datenströme aus unterschiedlichen Richtungen

unterscheiden und wieder zu einer Gesamtübertragung zusammenfügen, was

Abbildung 20 verdeutlichen soll. Man spricht vom "Spatial Multiplexing".

Abb. 20 Spatial Multiplexing: jede Teildatenstrom findet einen anderen

Weg zum Sender [1]

Eine Trainingssequenz liefert hier wieder Informationen zum Kanalzustand, die dem Sender

idealer Weise vorliegen, um abhängig von der aktuellen Kanalmatrix den Sendevorgang zu

optimieren. Idealerweise kann so die Datenrate ver-N-facht werden, wobei N der Anzahl der

Sendeantennen entspricht. Space Division Multiple Access oder Spatial

Multiplexing - je nach Umgebungsszenario - führt zu einem weiteren Gewinn im Kanalmodell: dem

"Multiplexgewinn."

Kombination der Gewinne

Die vorgestellten Techniken können aber nicht gleichzeitig vollständig ausgereizt werden. Eine Maximierung des Multiplexgewinnes verhindert

beispielsweise, in den Genuss des Diversitätsgewinnes zu kommen, da die Techniken sich weitestgehend ausschließen. Ein gemischter

Einsatz kann jedoch, je nach Umgebungsbedingungen, Sinn machen. Die beim

Multiplexgewinn erläuterte theoretische Ver-N-fachung der Datenrate, indem jede Antenne einen Teil der Gesamtdatenrate übernimmt, wird in der

Realität wohl eher selten erreicht. Mit einer mittleren Verbesserung von 0,7N der Datenrate kann aber bei "guten" Fadingbedingungen gerechnet werden [7].

Die fehlenden 0,3N Datenratenverbesserung kann in diesem Beispiel durch den Diversitätsgewinn ergänzt werden, da die 3/10 der am Empfänger

vorhandenen Antennen, die sich nicht direkt am Spatial Multiplexing beteiligen, noch Kapazitäten

haben. In einer fadingarmen Umgebung sollte eher der

Space Division Multiple Access - Ansatz gewählt werden. Eine Erhöhung der Datenrate ist auch mit

dieser Technik möglich. Beispielsweise, wenn TDMA durch SDMA ersetzt wird. Denkbar wäre aber auch eine direkte Erhöhung der Datenrate. Im üblichen

Funkkanal hat das eine Verringerung der Reichweite zur Folge. Da aber bei SDMA die Sendeenergie nicht omnidirektional "verstreut" wird, sondern gerichtet

abgestrahlt wird, kann der zuvor erwähnte Reichweitenverlust wieder kompensiert werden. Der

effiziente Einsatz der verschiedenen Techniken unter den gegebenen Bedingungen ist dabei unter

anderem aktueller Gegenstand der Forschung.

Interferenzgewinn

Als letztes soll noch eine weitere Art Gewinn erwähnt werden, der sich aus den bis jetzt

beschriebenen Gewinnen beinahe von selbst ergibt: dem "Interferenzgewinn". Da sich störende Sender

auf demselben Frequenzband unterdrücken lassen, ist dies für Störeinflüsse benachbarter

Frequenzbänder erst recht möglich. Auf jeden Fall ist der Interferenzgewinn eine weitere positive Komponente im Linkbudget. Als Folge wäre

ebenfalls denkbar die Kanalgestaltung auf dem Frequenzband aggressiver zu gestalten, indem z.B.

die Sicherheitsabstände verringert werden.

3.1.3. SDR - Software Defined Radio [17]

Die bisher beschriebenen technischen Entwicklungen lassen erahnen, dass die Vielfalt der relevanten Standards zunehmen wird. Denn mit den

neuen Mobilfunkgenerationen werden auch neue Techniken im Mobilfunkbereich Einzug halten. Und

das, wie das HSDPA-Beispiel zeigt, auch in schnelleren Entwicklungszyklen. Solch ein

Technologiesprung wird jedoch höchstwahrscheinlich nicht flächendeckend

eingeführt, da bisherige Techniken außerdem noch weiter betrieben werden sollen. Mehrere

Mobilfunkgenerationen sind zur gleichen Zeit vorhanden und fordern besondere Fähigkeiten aller

beteiligten Geräte, vom Providernetz bis zum Endgerät. Beispielsweise finden sich aktuell das etablierte und nicht wegzudenkende GSM-Netz in einigen Bereichen neben dem UMTS-Netz aus der nächsten Generation und der Erweiterung HSDPA

für Mobile Computing aus der darauf folgenden Zwischengeneration. Dieser Trend wird sich

zwangsläufig noch verstärken, wenn zum Beispiel beim GSM noch lange nicht an die Einstellung

gedacht wird, neue Technologien aber für den Markt bereit sind.

Die bisherige Lösung für dieses Problem waren Multimode Geräte, z.B. für die verschiedenen GSM-Bänder. Die Integration verschiedener Empfangs-

und Sendetechniken wird bei zunehmender Anzahl und Komplexität aber immer teurer, wobei die Größe

der relevanten Nutzergruppen im Zuge der Vielfalt immer kleiner wird. Als Lösung für die Zukunft bietet

sich hierbei die als Software Defined Radio oder SDR bekannte Technik an. Software soll dabei das Verhalten des Senders und Empfängers bestimmen und damit unterschiedliche Techniken im Mobilfunk

mit derselben Hardware umsetzen. Die Vorteile liegen auf der Hand: Ein Wechsel in ein anderes

Übertragungssystem würde lediglich einen anderen Funktionsblock im Softwareteil betreffen, Hardware-Updates ließen sich als Softwareupdates maskieren. Von einem idealen SDR-System wäre die Rede, wenn zwischen dem modular aufgebautem Softwareblock,

möglicherweise in FPGAs realisiert, und der oder den Antennen lediglich ein A/D- oder D/A- Konverter

liegt. Die aktuelle Verarbeitungsgeschwindigkeit digitaler Elektronik und deren relativ hoher

Energieverbrauch grenzen diese Bestrebungen jedoch ein. Die Hoffnung liegt dabei auf zukünftige

Entwicklungen.

3.2. Entwicklungen auf Netzebene: LTE und WINNER

3.2.1. Allgemeine Entwicklungen

Auf Ebenen höherer Schichten des ISO/OSI Referenzmodells finden sich eher abstraktere

Entwicklungen, die auf eine Weiterentwicklung der Netzarchitektur und Kommunikation über

verschiedene Netze hinweg abzielen. Bei allen Forderungen für Mobilkommunikationsnetze der

Zukunft aus unterschiedlicher Quelle finden sich folgende Anforderungen am häufigsten:

Ein deutlich kürzeres Delay, als bei UMTS von unter 1 ms

Ein IP-basiertes Kommunikationssystem Heterogene Netze, kooperativ mit anderen

Netzen und mit transparentem Zugang

Nicht nur wegen der Beteiligung der TU Ilmenau sollen hier, beispielhaft für geplante Entwicklungen

verschiedener Konsortien, die unter dem Begriff "Long Term Evolution" der 3GPP und unter

"Wireless World Initiative New Radio" des EU intitierten IST Konsortiums bekannten Programme,

erwähnt werden.

3.2.2. Long Term Evolution (LTE) und System Architecture Evolution [18]

Das "3rd Generation Partnership Project", auch 3GPP ist die Organisation, die die Technischen Spezifikationen des UMTS-Systems erstellt hat.

Aktuell befasst sich das 3GPP mit der Standardisierung und Weiterentwicklung des UMTS-

Systems zu einem Nachfolgesystem, und benennt diesen Prozess "Long Term Evolution". In diesem Prozess lief die "Study Phase" Ende 2006 aus und aktuell hat die Standardisierungsphase begonnen.

Diese sollte ursprünglich September 2007 abgeschlossen sein, aktuell ist aber ein Termin im Sommer 2008 realistisch. Solch ein System der 4.

Mobilfunkgeneration soll dabei die folgenden genannten Eigenschaften aufweisen.

Technische Grundlage bildet ein Funknetz, dass Datenraten von 100 Mbit/s im Downlink auf einem 20 MHz Band und 50 Mbit/s im Uplink bietet und ein Set

von 7 Frequenzbändern verschiedener Breite zwischen 1,25 MHz und 20 MHz bereitstellt.

Verschiedene Mobilitätskriterien werden definiert (optimaler Empfang bis 15 km/h, bis 120 km/h guter Empfang und möglicher Empfang bis 500 km/h) und

Multimedia Broadcast und Multicast sollen ermöglicht werden.

Der wichtigste Aspekt ist die Vereinfachung der Systemstruktur hin zu einer flachen, einheitlichen Architektur. Abbildung 21 soll diese Architektur

beispielhaft verdeutlichen. Auf der linken Seite sind als Teil des eUTRAN zwei Basisstationen, auch

eNode B genannt, zu erkennen. Vor dem Core Netz sieht man das Radio Access Network, das eventuell

auch von einem Fremdanbieter gemietet werden kann. Hinter dem Access Gateway befindet sich

schließlich der Home Inter Access System Gateway, der einen alleinigen und wohldefinierten Zugang zum Mobilfunksystem für andere Netze darstellt.

Abb. 21 Modell des eUTRAN [12]

Um dies zu erreichen, wird von einem einheitlichen Core Net und eUTRAN ausgegangen, das vollständig

paketvermittelt arbeitet, und zwar auch bei Echtzeitanwendungen und "conversational class

traffic" - also Gesprächsverbindungen. Die Komplexität der Architektur soll durch weniger

Optionen der Datenverarbeitung und Vermeidung von redundanten Pflichtelementen in verschiedenen Netzteilen gesenkt werden. Die Protokollarchitektur soll ebenfalls flacher und damit einfacher werden. Gleiche Funktionen im Funk- und im Core - Netzen sollen vermieden werden, außerdem soll es keine

dedizierten Kanäle mehr geben. (Allein die Einführung von HSDPA und HSUPA in der 3,5ten

Generation brachten 6 neue Kanäle in den Standard.) Die Signalisierung beispielsweise soll über einen vom eNode B zugewiesenen variablen

Kanal erfolgen. Für Vereinfachung sorgt auch eine Reduzierung der möglichen Zustände, die ein

Protokoll annehmen kann. Abbildung 22 zeigt als Beispiel das RRC-Protokoll nur noch mit den

Zuständen Idle und Conected.

Abb. 22 Die RRC Protokoll mit der neuen MAC-hs Schicht [12]

Radikal erscheint der Schritt Soft-Handovers und damit Makro Diversity zu entfernen, um die

Komplexität des Netzes zu senken. Andererseits erhalten die vom Soft Handover befreiten Node Bs

mehr Funktionalität: Mobility Management, um Hard Handovers zu ermöglichen und IP-Header-

Kompression, um möglichst kleine IP Pakete bei Voice Verbindungen zu ermöglichen fallen in deren Aufgabenspektrum. Diese effizientere und flachere Netzarchitektur führt zu einem geplanten Transfer Time Intervall von 1 ms und Antwortzeiten, also

Latencies, im Idealfall von 5 ms: deutlich kleiner, als bei UMTS.

Die Abwärtskompatibilität zum Mobilfunk älterer Generationen soll dabei möglichst gewahrt bleiben.

Besonders die Carrier legen Wert auf die Möglichkeit eines "Fallbacks" z.B. in die GSM-Technik, falls es

die Empfangslage nötig macht.

3.2.3. Wireless World Initiative New Radio (WINNER) [19]

Ausgangspunkt der Arbeiten des WINNER-Projekts ist die von der IMT-2000 erstellte Vision eines

Kommunikationsnetzes, wie es in Bild 23 zu sehen ist und in dem "Framework and overall objektives of

the future development of IMT-2000 and systems beyond IMT-2000" erläutert wird.

Abb. 23 Verbund mehrerer Netze im Mobilfunkbereich [13]

Zusammengefasst sieht die IMT-2000 folgende Mobilkommunikationsstruktur der Zukunft:

1. Entstehende und existierende Zugangsnetze sollen in eine paketbasierte Plattform

eingebunden werden 2. neue Zugangssysteme mit deutlich gesteigerter

Performance sollen entstehen.

Das WINNER-Projekt sieht dabei seine Aufgabe in der Entwicklung einer Netzzugangstechnologie, dem geplanten WINNER Radio Interface. Dieses soll eine einzige universelle Funkschnittstelle, die aufgrund

ihrer Eigenschaften auch als Chamäleon-Schnittstelle bezeichnet wird, darstellen: Sie soll dem Nutzer transparent den Zugang aus oder in

verschiedenste Netztypen gewährleisten, indem sie skalierbar, adaptiv für verschiedene Szenarios

kurzer oder weiter Reichweite erschaffen wird. Dies wäre die Voraussetzung, um dem "always on"

Prinzip, einer Mobilkommunikation zu jeder Zeit von überall, näher zu kommen. Im Rahmen des WINNER

Projektes sollen die dafür erforderlichen Technologien für den Funkzugang, die

Kooperationsmechanismen auf Funkebene zwischen den einzelnen Netztypen und die damit verbundenen

Kanalmodelle und Techniken, das Spektrum zu teilen und aufzuteilen, erforscht werden.

4. Konsortien und Projekte in der Mobilfunkentwicklung

In diesem Abschnitt sollen die wichtigsten an der Entwicklung der Mobilfunkzukunft beteiligten

Institutionen und Projektgruppen genannt werden. Wie schon erwähnt, ähneln sich die

selbstgesteckten Ziele der Gruppen in sehr auffälliger Weise und orientieren sich an den im Abschnitten zu 3.2.1. angeführten Merkmalen.

ITU-R und IMT-2000

Die ITU-R hat mit dem Projekt IMT-2000 die Anforderungen an ein Mobilfunksystem der 3.

Generation erstellt, die u.a. von UMTS erfüllt werden. Abbildung 23 zeigt außerdem den Aufbau eines

Internetzes mit verschiedener

Mobilfunktechnologien und Generationen. Auch in der Entwicklung der 4. Mobilfunkgeneration wird die

ITU einen Rahmen geben, indem Vorschläge von Mitgliederorganisationen von der ITU als Standard anerkannt werden und damit sehr hohen Einfluss

und Gültigkeit erhalten.

3GPP

Die 3rd Generation Project Partnership vereinigt verschiedene internationale

Standardisierungsgremien zur Weiterentwicklung der aktuellen dritten Mobilfunkgeneration und zur Standardisierung der vierten Generation. Die Liste der Partner sieht wie folgt aus: ARIB (Japan), ETSI (Europa), ATIS (USA), TTA (Korea), TTC (Japan),

CCSA (China) (siehe Abkürzungsverzeichnis). Der Wechsel der Modulationsart auf OFDM und der

Einsatz von MIMO-Systemen, beide in Abschnitt 3.1. erläutert, stellen wichtige Veränderungen im

Mobilfunknetz dar. Beispiele in der Entwicklungsarbeit auf Netzwerkebene können in

Abschnitt 3.2.2. betrachtet werden.

WWRF[20]

Das Wireless World Research Forum ist ein Konsortium, das von Alcatel, Ericsson, Motorola und Siemens gegründet wurde und durch White Papers Visionen und Strategische Forschungsziele für die

Entwicklung des Mobilfunk geben möchte. Die meisten Anforderungen (z.B. ein All IP Networt,

AIPN, sowie transparenter Zugang zu heterogenen kooperativen Netzen) decken sich sehr genau mit

denen anderer Institutionen. Auffällig sind weiterhin der Wunsch nach "I-Centric", also Ich-bezogener,

und damit personalisierte und gruppenspezifische Dienste, sowie die Unterstützung von Sensornetzen.

IST - WINNER

Bestandteil des 6. EU-Rahmenprogramms ist die "Information Society Technology" Priority,

abgekürzt IST. WINNER ist wiederum ein Projekt der IST unter der Organisation von SIEMENS. Das genaue Vorhaben dieses Gremiums wurde in

Abschnitt 3.2.3 erläutert

Andere

Die weltweit wichtigsten Mobilfunknetzbetreiber haben sich unter der Next Generation Mobile Networks, NGMN zusammengeschlossen, um

Vorschläge für die Netzentwicklung zu erarbeiten. Des Weiteren findet man viele regional geprägte

Konsortien und Institutionen. Beispielsweise möchte in Japan das Industriekonsortium Mobile IT Forum

(mITF) an der Standardisierung der 4. Mobilfunkgeneration mitwirken. Vergleichbar ist das

New Generation Mobile Committee (NGMC) aus Korea. Beim Industriekonsortium Future Technology

for Universal Radio Environment (FuTURE) aus China wird außerdem noch ein verstärkter Nationaler

Bezug ins Spiel gebracht: Das Konsortium hat das Ziel Chinas Wettbewerbsfähigkeit im Standardisierungsprozess der vierten

Mobilfunkgeneration und Chinas allgemeine Forschungsfähigkeiten zu verbessern. Auch die

DARPA hat in einem Szenario von schrumpfender verfügbarer Militärbandbreite im Funkspektrum und

gleichzeitig gesteigertem Bedarf an höheren Datenraten ein Programm namens next Generation

Communication (XG) gestartet. Der zivile Sektor soll von den Entwicklungen ebenfalls profitieren.

5. Fazit und Ausblick

Die Ausführungen dieser Arbeit haben gezeigt, dass trotz unterschiedlichster Interessengruppen sich

ähnliche Entwicklungen im Mobilfunk abzeichnen: Steigerung der Datenraten durch effizientere

Modulationstechniken und Übertragungsverfahren sowie flache und schnelle IP-basierte

Netztopologien, die das Zusammenspiel verschiedener Netzarten ermöglichen, sind zu

erwarten.

Ausblick [21]

Für den Benutzer bieten sich somit datenintensive Anwendungen an - beinahe erinnert das

Nutzungsprofil an das eines WLANs. Und auch im WLAN Sektor geht die Entwicklung Richtung

höherer Datenraten und besserer Erreichbarkeit. Z.B. sieht der Standard IEEE 802.11n durch den

Einsatz von MIMO-Techniken Datenraten vor, die denen im Mobilfunk der 4. Generation in nichts

nachstehen. Dazu kommen noch neue Entwicklungen, wie z.B. WiMAX und WiBro, und gleichzeitig sieht die Entwicklungsagenda der Mobilfunkanbieter die Anbindung zu und an

Fremdnetze durch transparente und möglichst einheitliche Schnittstellen vor. Eine Verschmelzung

der Systeme scheint damit nicht mehr ausgeschlossen.

Fraglich ist allerdings, ob der Nutzer diesen Weg

mitgehen möchte. Die Resonanz auf die neuen Möglichkeiten durch UMTS hatte nicht den Effekt,

den beispielsweise die GSM-Einführung erzielte. Es mangelt förmlich an einer "Killerapplikation", die den neuen Techniken zum Durchbruch auf dem Markt verhelfen. Vielleicht kann das Internet ein

Vorbild für die weitere Entwicklung sein? Die Erhöhung der für den Endbenutzer verfügbaren

Datenraten im Internet brachte eine ganze Reihe an Killerapplikationen von ganz alleine mit sich. Ich

denke aber, wichtige Faktoren waren dabei einmal das in etwa gleich bleibende Preisniveau der Internetanbindung und außerdem die freien

Gestaltungsmöglichkeiten im Internet, während im Mobilfunk jede neue Datendienstgeneration (von

GPRS bis hin zum Internet über UMTS) mit kräftigen Preisaufschlägen verbunden war und das

verfügbare Angebot sehr spezifisch auf eine von Marketingexperten definierte Ideal - Benutzergruppe

zugeschnitten ist (die es im schlimmsten Fall gar nicht gibt). Mehr noch scheinen

Mobilfunknetzbetreiber eine völlig neue Preispolitik einzuschlagen, indem nicht wie beim Internet für die Datenmenge abgerechnet wird, sondern für die Art der Daten. Nokia entwickelte dazu beispielsweise Techniken, die den Betreibern die Möglichkeit gibt

den Datenverkehr zum Teilnehmer zu klassifizieren. Hauptsächlich, um den Kunden daran zu hindern den Mobilfunksprachdienst durch Benutzung von

Voice over IP ("Daten-") Verbindungen zu umgehen. Damit lassen sich jedoch auch neue

Kostenabrechnungsmodelle entwickeln, indem z.B. der Dienst eines Drittanbieter nicht mehr vom

Kunden direkt bezahlt wird, da der Kunde für die Art

der übertragenen Daten vom Mobilfunkbetreiber abgerechnet wird.

Wohin diese Entwicklung jedoch bei zukünftigen heterogenen und ineinander verwobenen Netzen

geht, lässt sich zur Zeit jedoch nur schwer abschätzen.

Abkürzungen

3GPP 3rd Generation Partnership Project

AMC Adaptive Modulation and Coding

ARIB Association of Radio Industries and Businesses

ATIS (ehem. T1)Alliance for Telecommunications Industry Solutions

CCSA China Communications Standards Association

CDMA Code Division Multiple Access

DARPA Defense Advanced Research Projects Agency

DCH Dedicated Channel

DFT Diskrete Fourier-Transformation

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution

FPGA Field Programmable Gate Array

ETSI European Telecommunications Standards Institute

GPRS General Packet Radio Service

hs-DSCH High Speed Downlink Shared Channel

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

IDFT Inverse Diskrete Fourier-Transformation

IFFT Inverse Fast Fourier Transformation

IMT-2000 International Mobile Telecommunications-2000

ISO International Standardization Organization

IST Information Society Technology

ITU-R International Telecommunication Union, Abteilung Radio (Funk)

MIMO Multiple Input Multiple Output

MISO Multiple Input Single Output

mITF mobile IT Forum

MMS Multimedia Messaging Service

NGMN Next Generation Mobile Networks

nPSK n-Stufiges Phase Shift Keying

nQAM n-Stufige Quadratur Amplituden Modulation

OSI Open Source Initiative

RNC Radio Network Controller

SDR Software Defined Radio

SIMO Single Input Multiple Output

SISO Single Input Single Output

STTI Short Transmition Time Interval

TCP Transmission Control Protocol

TDMA Time Division Multiple Access

TTA Telecommunications Technology Association

TTC Telecommunications Technology Committee

TTI Transmission Time Interval

UE User Equipment

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network

WiBro Wireless Broadband

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

WLAN Wireless Local Area Network

XG Next-Generation Communications

Quellenangaben

[1] Script zu "Mobile Communications" Prof. Haardt, TU Ilmenau

[2] http://de.wikipedia.org/wiki/MIMO_%28Nachrichtentechnik%29 Wikipedia, Artikel "MIMO

(Nachrichtentechnik)" Stand 16. 01. 2007

[3] Script zu "UMTS-Netze" Prof. Mitschele-Thiel, TU Ilmenau

[4] Script zu "Mobile Communications" Prof. Haardt, TU Ilmenau

[5] Script zu "Drahtlose Nachrichtenübertragung" Dr. Wolf, TU Ilmenau

[6] http://de.wikipedia.org/wiki/Richtcharakteristik Wikipedia, Artikel "Richtcharakteristik" Stand

16. 01. 2007

[7]

Andreas Molisch, Martin Steinbauer, Martin Toeltscht, Ernst Bonek, Reiner S. Thomä,

Capacity of MIMO Systems Based on Measured Wireless Channels, IEEE Journal on Selected

Areas in Communications, Vol. 20, No. 3, April 2002

[8] http://umtslink.at/cgi-bin/reframer.cgi?../HSDPA/hsdpa_grundlagen2.php Stand 16. 01. 2007

[9] http://umtslink.at/cgi-bin/reframer.cgi?../HSDPA/hsdpa_grundlagen1.php Stand 16. 01. 2007

[10] http://user.it.uu.se/~carle/Notes/images/SlowStart.png Stand 16. 01. 2007

[11] http://de.wikipedia.org/wiki/OFDM Wikipedia, Artikel "Richtcharakteristik" Stand 16. 01.

2007

[12] http://www.3gpp.org/Highlights/LTE/LTE.htm Stand 16. 01. 2007

[13] https://www.ist-winner.org/about.html Stand 16. 01. 2007

[14]

Der Abschnitt 2.2 entstand auf Grundlage von http://umtslink.at/cgi-

bin/reframer.cgi?../HSDPA/hsdpa_grundlagen1.php Stand 16. 01. 2007 und

http://umtslink.at/cgi-bin/reframer.cgi?../HSDPA/hsdpa_grundlagen2.php Stand 16. 01. 2007

[15] Der Abschnitt 3.1.1 entstand mit Hilfe von

http://rfdesign.com/images/archive/0101Puegel30.pdf Stand 16. 01. 2007

[16] Der Abschnitt 3.1.2 entstand auf Grundlage vom Artikel "Rudelfunk" aus c't Nr. 8 2005 S. 132

[17]

Der Abschnitt 3.1.3 entstand mit Hilfe von

http://de.wikipedia.org/wiki/Software_Defined_Radio Wikipedia, Artikel "Richtcharakteristik"

Stand 16. 01. 2007

[18]

Der Abschnitt 3.2.2 entstand mit Hilfe von http://www.3gpp.org/Highlights/LTE/LTE.htm

Stand 16. 01. 2007 und

Matthias Schneider, Alcatell Lucent

[19] Der Abschnitt 3.2.3 entstand mit Hilfe von https://www.ist-winner.org/about.html Stand 16.

01. 2007

[20]

Grundlage für diesen Abschnitt bildet http://www.wireless-world-

research.org/general_information/GenInfoDocuments/WWRF17_General_Chair_Uusitalo.pdf

Stand 16. 01. 2007

[21] Im Abschnitt 5 wurden Informationen aus http://www.heise.de/tr/artikel/53140 Stand 16. 01.

2007 verwendet.