Femtozellen dienen der Reichweitenerweiterung von Mobilfunknetzen, vorwiegend 3G, in Gebäuden. Ihre Funktion ähnelt der von Lückenfüllern im digitalen terrestrischen Fernsehen (DVB-T). Im Wesentlichen handelt es sich um Mini-Basisstationen mit Funktechnik, die der in Mobilfunktürmen verwendeten entspricht. Das Interesse an diesen Systemen wächst stetig, was sich in der Gründung verschiedener Foren (femtoforum.org) und spezialisierter Konferenzen zeigt, obwohl ihre Einführung noch recht langsam voranschreitet. Die meisten Betreiber evaluieren die Geräte im Labor, andere haben Pilotversuche durchgeführt, und nur wenige bieten ihren Kunden ein kommerzielles Produkt an. Diese Situation dürfte sich jedoch in den kommenden Jahren ändern, da eine aktuelle Studie von ABI Research bis 2012 weltweit rund 150 Millionen Nutzer und 70 Millionen Zugangspunkte prognostiziert. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Analyse der bestehenden Technologie.
Die typische Architektur einer Femtozelle ist in Abbildung 1 dargestellt. Die beim Kunden installierte Funkausrüstung ähnelt einem WLAN-Zugangspunkt und ist für eine einfache Installation ausgelegt. Über eine Ethernet-Verbindung kann die Ausrüstung mit einem ADSL- oder Kabelmodem verbunden werden, um über den Internetanschluss des Kunden eine Verbindung zum Mobilfunknetz des Betreibers herzustellen. So erweitert der Betreiber die Reichweite seines Netzes innerhalb des Gebäudes, indem er den Internetanschluss des Kunden nutzt, während der Kunde von verbesserter Kommunikationsqualität bei geringeren Kosten profitiert. Dies ist ein Paradebeispiel für die Konvergenz von Festnetz und Mobilfunk, bei der – anders als bei anderen Architekturen – kein Dual-Mode-Endgerät erforderlich ist; vorhandene 3G-Mobiltelefone können weiterverwendet werden.
Die Installation einer Femtozelle im Haushalt eines Kunden birgt jedoch einige Herausforderungen, die nicht außer Acht gelassen werden dürfen. Zunächst ist die genaue geografische Lage des Geräts aus mehreren Gründen wichtig, unter anderem für die korrekte Weiterleitung von Notrufen und die optimale Planung von Sendeleistung und Kanälen, um Interferenzen zu vermeiden. Insbesondere kann ein Mobilfunkanbieter in benachbarten Gebieten unterschiedliche Funkkanäle und sogar Frequenzbänder nutzen. Daher ist die Kenntnis der Femtozellenposition entscheidend, um Störungen mit der Makrozelle desselben oder anderer Anbieter zu verhindern. Gängige Methoden zur Ortung von Mobilfunknutzern sind GPS und Basisstations-Triangulation, die jedoch in Innenräumen nicht funktionieren. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung der IP-Adresse des Internetanschlusses, die jedoch nur bei Anbietern zuverlässig ist, die sowohl Festnetz- als auch Mobilfunkdienste anbieten und die Kontrolle darüber haben. Hinzu kommt das Problem, dass Kunden das Gerät bewegen können, obwohl die Anbieter dies untersagen. Dies erschwert die Ortung erheblich. Beispielsweise könnten Privatkunden das Gerät in Büros oder andere Orte mit abweichenden Tarifen mitnehmen. Im Extremfall würde der Transport einer Femtozelle über internationale Grenzen hinweg sehr wahrscheinlich einen Verstoß gegen die Spektrumnutzungslizenzen darstellen.
Ein weiteres Problem für Mobilfunkbetreiber ist die Dienstqualität (QoS) für die Nutzer. Wie zahlreiche Pilotversuche gezeigt haben, führt die geringe Strahlungsleistung von Femtozellen dazu, dass viele Mobiltelefone nahe an der Reichweitengrenze arbeiten. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit von Kommunikationsausfällen in großen oder mehrstöckigen Häusern. Zudem wird die Internetverbindung mit Telefonaten geteilt, die eine Mindestkapazität von 500 kbit/s bei sehr geringer Latenz erfordern. Tatsächlich kommt es vor, dass Anrufe abbrechen, wenn ein Familienmitglied das Internet nutzt, um ein bandbreitenintensives Video herunterzuladen. Nur Betreiber, die kombinierte Festnetz-Mobilfunk-Dienste anbieten, können Mechanismen implementieren, um die Internetnutzung mit Femtozellen zu koordinieren und eine Mindest-QoS zu gewährleisten. Angesichts der Tatsache, dass die neuesten 3G-Mobiltelefone mit Geschwindigkeiten von 2 Mbit/s werben und der Zugang zu diesen Diensten zu Hause Priorität hat, müssen die Betreiber erhebliche Anstrengungen unternehmen, um die Einhaltung der Qualitätszusagen in Femtozellen sicherzustellen.
Markt und Geräte:
Sprint hat den Femtozellen-Service bisher am erfolgreichsten implementiert. Der Service namens Airave ist bereits in vielen US-Haushalten im Einsatz. Das von Samsung hergestellte Gerät kostet rund 100 US-Dollar, die direkt an den Endkunden weitergegeben werden. Sprint bietet jedoch Tarife an, die erhebliche Einsparungen auf der monatlichen Rechnung ermöglichen. Abbildung 2 zeigt ein Foto des Geräts sowie eine Skizze, die die einfache Installation für den Kunden veranschaulicht.
In Europa führen mehrere Mobilfunkanbieter weiterhin Femtozellen-Pilotprojekte durch, wobei Vodafone und O2 besonders hervorzuheben sind. Prognosen zufolge werden sie in Kürze ihre ersten Produkte und Tarife vorstellen. Beispielsweise hat das britische Unternehmen Ubiquisisys kürzlich das Produkt ZoneGate auf den Markt gebracht (siehe Abbildung 3). Zu den Hauptmerkmalen gehören:
- Zukünftige Migration zum 3GPP Iu-h-Femtozellenstandard.
- Kontinuierliche Überwachung benachbarter GSM- und UMTS-Makrozellen zur Anpassung an die Umgebung.
- Algorithmen zur Optimierung von Sendeleistung, Frequenz und Pseudozufallscodierung zur Sicherstellung der Netzabdeckung und Minimierung von Interferenzen.
- Transparenter Handover zwischen Femtozelle und Betreibernetz.
- Unterstützung von HSPA mit Downloadgeschwindigkeiten von 7,2 Mbit/s und bis zu vier simultanen Sprach- oder Datenverbindungen.
- Multiplexierter, priorisierter und verschlüsselter Sprach- und Signalisierungsdatenverkehr mittels IPsec.
- Web-2.0-Servicearchitektur.
Laut dem Ranking des Beratungsunternehmens ABI Research vom Mai 2008 belegte Ubiquisys den ersten Platz unter den Femtozellenanbietern, basierend auf den Kriterien Produktimplementierung und Innovation. Die übrigen Unternehmen sind in Tabelle I aufgeführt. Konkret wird erwartet, dass der Femtozellenmarkt eine ähnliche wirtschaftliche Entwicklung wie in Abbildung 4 dargestellt aufweisen und im Jahr 2012 einen Wert von über 1 Milliarde US-Dollar erreichen wird.
Bislang haben wir uns auf 3G-Femtozellen konzentriert, obwohl dies nicht die einzige Option ist. Beispielsweise plant der US-amerikanische Betreiber Comcast die Einführung von WiMAX-Femtozellen in der zweiten Jahreshälfte 2009. Die Geräte sollen die Netzabdeckung in Gebäuden erweitern und gleichzeitig VoIP-Anrufe über das Kabelnetz des Betreibers leiten. Da Comcast HDTV, VoIP und Breitband-Internet (Triple Play) anbietet, ermöglicht die WiMAX-Femtozelle in diesem Fall mobiles Telefonieren im Haushalt. Der Chiphersteller picoChip bietet eine ganze Reihe softwarekonfigurierbarer Referenzmodule für die Entwicklung von 3G- und WiMAX-Femtozellen an. Im letzteren Fall stellt das Referenzdesign PC8530 die IEEE 802.16e OFDMA PHY- und Lower-MAC-Implementierung bereit (Abbildung 5). Dieses Design kann auf den PC8532 aufgerüstet werden, um WiMAX Wave 2 und IO-MIMO zu unterstützen.
Es ist offensichtlich, dass 3G- und WiMAX-Technologien in den nächsten Jahren im Zugangsnetz in einem starken Wettbewerb stehen werden. Es ist noch zu früh, um das Ergebnis vorherzusagen, wahrscheinlich wird jedoch eine Kompromisslösung gefunden, bei der sich beide Technologien je nach Dienst oder Anwendung und Art des Endbenutzers ergänzen.
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Francisco Ramos Pascual. Doktor der Telekommunikationstechnik. Ordentlicher Professor an der Polytechnischen Universität Valencia.
