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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
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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
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Subscriptions worldwide (millions)
Mobile subscribers
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Mobile Internet
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Subscriptions worldwide (millions)
Mobile subscribers
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Mobile Internet
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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