DECT, GSM, UMTS und danachZukünftige Kommunikationstechnologien

Dipl.-Ing. Marc Haase

Universität RostockFB Elektrotechnik und InformationstechnikInstitut für Angewandte Mikroelektronik und Datentechnik

Gliederung

n Rückblick¨ Die 1. und 2. Generation

n Die 3. Generation – die nahe Zukunft¨ IMT-2000 Familie¨ UMTS

n Vision zukünftiger Kommunikationssysteme

Die 1. und 2. Generation

Die 1. Generation

n Große Zellen mit hoher Reichweite

n Geringe Infrastrukturkostenn Geringe

Teilnehmerkapazitätn Hohe Sendeleistung bei

Basis- und Mobilstationn Niedrige Frequenzökonomie �P � :

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

Die 1. Generation

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

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

c

k2 k3 k4 k5 k6k1

f

t

c

f

t

c

Kanäle ki

Quelle: Schilling, Mobilkommunikation

Frequenzmultiplex

n Gesamte verfügbare Bandbreite wird in einzelne Frequenzabschnitte aufgeteilt

n Übertragungskanal belegt Frequenzabschnitt über gesamten Zeitraum

k2 k3 k4 k5 k6k1

f

t

c

Quelle: Schilling, Mobilkommunikation

f

t

c

k2 k3 k4 k5 k6k1

Zeitmultiplex

n Kanal belegt gesamten Frequenzraum für einen gewissen Zeitabschnitt

Quelle: Schilling, Mobilkommunikation

f

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

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

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

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

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

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

1995 2000 2005 2010

Subscriptions worldwide (millions)

Mobile subscribers

Wireline subscribers

Mobile Internet

Wireline Internet

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

1995 2000 2005 2010

Subscriptions worldwide (millions)

Mobile subscribers

Wireline subscribers

Mobile Internet

Wireline Internet

Wie geht es weiter?

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

Evolution der Datendienste

n immer mehr Daten mobil erreichbar n Sprachanteil nimmt nicht zu – umdenken erforderlichn Seit 1996 Kanalvermittelter Datendienst

Die 3. Generation

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

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

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!

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

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

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 !

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

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

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“

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

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

Vision zukünftigerKommunikationssysteme

Mobilität, Reichweite, Kosten

LokalerZugriff

MobilerZugriff

TransparenterTechnologie

Wechsel

Vision zukünftiger Systeme

n „Always Best Connected“n Ad-Hoc Netzwerken Ortsbasierte Diensten Multi-Mode Geräte

Mobile Gewinnaussichten

Source: Durlacher report on mobile commerce

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

0

Multimedia Messaging ServiceRegionale Gewinne 2005 und 2010

Source: UMTS ForumConsumer Business

0

2

4

6

8

10

Ser

vice

Rev

enu

es($

bio

)

North America Asia Pacific Europe Rest of World

12

14

16

18

2005 2010 2005 2010 2005 2010 2005 2010

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

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

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