Das Wachstum des IP-Datenverkehrs setzt Mobilfunknetze unter Druck.
Der Datenverkehr über das globale Internetprotokoll (IP) ist sprunghaft angestiegen, da Verbraucher und Unternehmen bandbreitenintensive Dienste wie Videostreaming, Online-Spiele und Cloud-basierte Software nutzen. Dieser Anstieg des Datenverkehrs wird durch den Ausbau schnellerer Breitbandnetze, sowohl im Festnetz als auch im Mobilfunk, ermöglicht.

Die mobile Datennutzung wird voraussichtlich dreimal schneller wachsen als der Festnetz-IP-Verkehr. Laut Ciscos Visual Networking Index wird der weltweite mobile Datenverkehr zwischen 2011 und 2016 um das 18-Fache steigen. Die Nachfrage nach Videoinhalten dürfte ein Haupttreiber dieses Wachstums sein. Auch die zunehmende Anzahl und Leistungsfähigkeit mobiler Geräte wie Smartphones, Tablets und Dongles treibt das Wachstum des mobilen Datenverkehrs an. Laptops mit Dongles erzeugen sogar 450-mal mehr Datenverkehr als Smartphones allein.

Die Mobilfunknetze stoßen bereits an ihre Kapazitätsgrenzen. Eine Möglichkeit für Betreiber, die Netzauslastung zu reduzieren, besteht darin, Kunden zu ermutigen, ihren mobilen Datenverkehr über WLAN oder Femtozellen auf Festnetz-Zugangsnetze auszulagern. Da ein Großteil des mobilen Datenverkehrs zu Hause oder am Arbeitsplatz verbraucht wird, ist dieser Ansatz für Betreiber attraktiv. Der Einsatz komplementärer Netzwerktechnologien für die mobile Datenübertragung hat ein neues Marktsegment geschaffen. Laut Cisco wurde im Jahr 2011 etwa ein Drittel des mobilen Datenverkehrs ausgelagert.

Die wachsende Nachfrage nach Datenkapazität in Mobilfunknetzen wirft interessante Fragen auf: Können oder sollten Glasfaser- und drahtlose Technologien koexistieren, oder sind sie letztendlich konkurrierende Technologien?

Drahtlose Technologien werden erläutert.
Die Kommunikation über Funk dient im Wesentlichen zwei Zwecken. Festnetz-Funkzugang erweitert oder ersetzt Festnetz-Telefonanschlüsse, während Mobilfunknetze auf die Kommunikationsbedürfnisse von Menschen unterwegs zugeschnitten sind. Für diese unterschiedlichen Anwendungsszenarien wurden verschiedene Technologien entwickelt.

Lokale Netzwerke (LANs) ermöglichen die Vernetzung einer lokalen Gruppe von Computern und anderen elektronischen Geräten. Drahtlose LANs wurden entwickelt, um die Internetverbindung an Orten zu gewährleisten, an denen die Verlegung von LAN-Kabeln schwierig oder teuer ist. Die Technologie wurde von der IEEE Standards Association unter dem Standard IEEE 802.11 standardisiert, ist aber unter dem Handelsnamen Wi-Fi bekannter.

Mobilfunknetze bieten Konnektivität über ein großes Gebiet und ermöglichen Nutzern die nahtlose Nutzung verschiedener Standorte im selben Netz oder sogar zwischen verschiedenen Netzen (Roaming).
Ursprünglich für Sprachdienste entwickelt, wurde die Mobilfunktechnologie später um die Datenübertragung erweitert. Die neueste Generation von Mobilfunkstandards, bekannt als Long Term Evolution (LTE), wurde von Grund auf für die Datenübertragung konzipiert.

Mobilfunknetztechnologie kann auch für festen drahtlosen Zugang konfiguriert werden. Der Betrieb von einem festen Standort aus führt zu einem besseren Signal und mindert Einschränkungen hinsichtlich Akkulaufzeit und Größe, wodurch die Gesamtleistung des Netzwerks verbessert wird.
Sehen wir uns diese Technologien genauer an.

Wi-
Fi ist eine der beliebtesten drahtlosen Kommunikationstechnologien, die heutzutage eingesetzt werden, vor allem weil sie einfach zu installieren, einfach zu bedienen und kostengünstig ist.

Diese Technologie ermöglicht es elektronischen Geräten wie Computern und Druckern, Daten in einem lokalen Netzwerk (LAN) per Funk statt per Kabel auszutauschen. Die drahtlose Verbindung erfüllt dieselbe Funktion wie ein Ethernet-Kabel zwischen Computer und Router oder Switch. Der Router ermöglicht es dann den im LAN angeschlossenen Computern, mit dem Weitverkehrsnetz (WAN) zu kommunizieren.

Viele Geräte verfügen heutzutage über integriertes WLAN, beispielsweise PCs, Smartphones, Tablets, Videospielkonsolen oder internetfähige Fernseher. Dadurch können sie sich über einen drahtlosen Zugangspunkt oder „Hotspot“ mit einer Netzwerkressource wie dem Internet verbinden.

WLAN ist im Haushalt sehr beliebt geworden und ermöglicht kabellose Internetverbindungen überall. Auch die mobile Nutzung von WLAN in Cafés und anderen öffentlichen Räumen nimmt rasant zu. Einige Städte und Ballungszentren bieten bereits eine flächendeckende WLAN-Abdeckung.

Ein WLAN-Zugangspunkt kann Daten über Entfernungen von wenigen Metern (beispielsweise durch dicke Wände hindurch) bis zu vielen Kilometern senden und empfangen, vorausgesetzt, es gibt keine Hindernisse und das Signal ist stark genug. Da WLAN hauptsächlich unlizenzierte Frequenzen nutzt, ist die Signalstärke in der Praxis meist begrenzt, um Interferenzen zwischen verschiedenen Nutzern zu vermeiden. Mit speziellen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen lassen sich jedoch Reichweiten von mehreren Kilometern erzielen.

Die maximale Reichweite und Kapazität eines WLAN-Systems hängen von der verwendeten Version des IEEE-802.11-Standards sowie den vom Hardwarehersteller implementierten Optionen ab. IEEE 802.11-1997 war der ursprüngliche Standard für drahtlose Netzwerke, wobei sich zunächst 802.11b, gefolgt von 802.11g und 802.11n, weit verbreitete.

Der 1999 veröffentlichte Standard 802.11b nutzte das ursprüngliche 2,4-GHz-Frequenzband mit einer Reichweite von 30 Metern und maximalen Geschwindigkeiten von 11 Mbit/s, was damals mit Breitbandgeschwindigkeiten vergleichbar war.
Um mit den steigenden Breitbandgeschwindigkeiten Schritt zu halten, wurde 2003 eine neue Version, 802.11g, veröffentlicht. Diese erhöhte die Datenrate auf 54 Mbit/s durch ein effizienteres Codierungsverfahren, behielt aber die 2,4-GHz-Frequenz bei.

Mit der 802.11n-Erweiterung im Jahr 2009 wurde die Sache komplexer. Diese ermöglichte den Betrieb auf breiteren Frequenzkanälen im 2,4-GHz- und 5-GHz-Band sowie die Nutzung mehrerer Antennen. Die MIMO-Technologie (Multiple Input Multiple Output) erlaubt es mehreren Nutzern, sich mit einem einzigen WLAN-Zugangspunkt zu verbinden, indem jedem Nutzer eine eigene Antenne zugewiesen wird. 802.11n bietet eine maximale Datenrate von 150 Mbit/s pro Antenne (bei einem 40-MHz-Kanal) und unterstützt bis zu vier Antennen.

Aktuell finalisiert das IEEE die Arbeiten an 802.11ac, das Geschwindigkeiten von bis zu 867 Mbit/s pro Antenne (bei einem 160-MHz-Kanal) verspricht und die Anzahl der unterstützten Antennen auf acht erhöht, was eine theoretische maximale Gesamtkapazität von 6,93 Gbit/s ermöglicht. Die ersten Produkte, die vor der endgültigen Festlegung des Standards auf den Markt kamen, bieten eine Konfiguration mit bis zu 1,3 Gbit/s.

WiMAX
(ein Akronym für Worldwide Interoperability for Microwave Access) ist eine IP-basierte Funktechnologie, die drahtlose MANs als Alternative zu DSL- und Kabelnetzen bietet. Sie basiert auf der IEEE-802.16-Standardfamilie, auch WirelessMAN genannt.

Parallel zu den Standardisierungsbemühungen des IEEE fördert das WiMAX Forum die Akzeptanz der Technologie, indem es eine Marke dafür etabliert und die Interoperabilität durch ein Zertifizierungsprogramm stärkt.

WiMAX bietet eine ähnliche Leistung wie 802.11/Wi-Fi-Netzwerke, jedoch mit der Reichweite und Dienstqualität von Mobilfunknetzen. Es ermöglicht drahtlosen Breitbandzugang über eine Entfernung von bis zu 50 Kilometern für Festnetzanschlüsse und etwa ein Drittel dieser Entfernung für mobile Nutzer.

Das Problem von Interferenzen mit anderen Netzwerken wird durch einen technischen Ansatz reduziert. WiMAX arbeitet sowohl auf lizenzierten als auch auf unlizenzierten Frequenzen; lizenzierte Frequenzen bieten ein reguliertes Umfeld, das für Mobilfunkbetreiber geeignet ist.

Wie WLAN haben sich auch die WiMAX-Standards über mehrere Technologiegenerationen hinweg weiterentwickelt. Während der ursprüngliche Fokus von WiMAX auf der drahtlosen Nutzung an festen Standorten lag, gab es später Bestrebungen der Branche, auch mobile WiMAX-Dienste anzubieten. Der daraus resultierende Standard, der 2005 verabschiedet und im Standard 802.16e beschrieben wurde, ist daher als Release 1 bekannt.

Mobile WiMAX Release 2.0, das 2011 zugelassen und in 802.16m beschrieben wurde, ist auch als WirelessMAN-Advanced bekannt. Es bietet schnellere Download- und Upload-Geschwindigkeiten als die vorherige Technologiegeneration, mit maximalen Download-Geschwindigkeiten von bis zu 365 Mbit/s für mobile Nutzer und über 1 Gbit/s für Festnetzanschlüsse (erreicht durch die Kombination mehrerer Frequenzbänder).

Wie bei Wi-Fi hängt die tatsächliche Geschwindigkeit, die von WiMAX-Geräten unterstützt wird, von verschiedenen technischen Optionen ab, wie beispielsweise der Anzahl der Antennen und der Menge des verfügbaren Frequenzspektrums.

WiMAX 2 wurde von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) offiziell als „echte 4G“-Mobilfunktechnologie anerkannt. Die ITU hat in ihrer Spezifikation „International Mobile Telecommunication Union-Advanced“ (IMT-Advanced) dargelegt, was ihrer Ansicht nach einen echten Generationswechsel in der Mobilfunktechnologie im Vergleich zur vorherigen dritten Generation (3G) darstellt. Zu den Anforderungen gehört die Fähigkeit, dauerhafte Datenübertragungsraten von 100 Mbit/s für Mobilfunkverbindungen und 1 Gbit/s für Festnetzverbindungen bereitzustellen.

Obwohl WiMAX ursprünglich auf der gleichen Stabilität wie Wi-Fi basierte, ähnelt es in seinen Funktionen aktuell eher LTE. WiMAX und LTE gelten oft als Konkurrenten, scheinen sich aber auch anzunähern. Zukünftige Versionen des WiMAX-Standards sollen ein Framework bereitstellen, das mehrere Luftschnittstellen unterstützt, darunter sowohl 802.16 als auch die TDD-Variante (Time Division Duplex) des LTE-Standards.

Mobilkommunikation:
Ein Mobilfunknetz ist, wie der Name schon sagt, ein Funknetz, das aus mehreren Funkzellen besteht. Jede dieser Zellen wird von mindestens einem fest installierten Sende- und Empfangsgerät, der sogenannten Basisstation, versorgt. Die Zellen decken unterschiedliche geografische Gebiete ab und ermöglichen so eine Funkabdeckung über ein deutlich größeres Gebiet als die Fläche einer einzelnen Zelle. Tragbare Sende- und Empfangsgeräte (Mobiltelefone oder andere Geräte) können in jeder Zelle verwendet werden und sich während der Übertragung zwischen mehreren Zellen bewegen.

Mobilfunknetze nutzen lizenzierte Frequenzen. Mobilfunknetzbetreiber müssen Frequenzen „uneingeschränkt“ erwerben, wodurch ihnen die ausschließlichen Übertragungsrechte in einem bestimmten Frequenzband gewährt werden, in der Regel durch eine Auktion und oft zu erheblichen Kosten.

Beim Einschalten registriert sich ein Mobilgerät mithilfe eindeutiger Kennungen im Mobilfunknetz, um über eingehende Anrufe informiert zu werden. Das Gerät sucht permanent nach dem stärksten Signal umliegender Basisstationen und wechselt zwischen diesen, um die Signalstärke aufrechtzuerhalten, während sich der Nutzer im Netz bewegt. So bleibt die Verbindung bestehen.

Die in der Funkschnittstelle verwendete Technologie hat sich im Laufe der Jahre erheblich verändert. Die erste Generation (1G) der Mobilfunksysteme, basierend auf analoger Technologie, ermöglichte ausschließlich Sprachanrufe.
Mit dem Aufkommen der zweiten Generation (2G) wurden die analogen Netze durch digitale ersetzt. Die größte Verbreitung der 2G-Technologie ist das Global System for Mobile Communications (GSM). Es handelt sich um eine leitungsvermittelte Technologie, die sich ideal für die Sprachübertragung eignet, jedoch Einschränkungen bei der Datenübertragung aufweist.

Im Jahr 2000 wurde mit der Einführung des General Packet Radio Service (GPRS) die Paketübertragung erweitert und der Internetzugang für Mobiltelefone mit Geschwindigkeiten von bis zu 56 kbit/s ermöglicht. Weitere Verbesserungen der GSM-Netze wurden durch die Einführung von Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) erzielt, wodurch die maximale Datenübertragungsrate auf 236,8 kbit/s erhöht wurde.

1998 wurde das 3rd Generation Partnership Project (3GPP) gegründet, eine Kooperation zwischen Normungsorganisationen und der Industrie, um die zukünftige Entwicklung GSM-basierter Mobilfunktechnologien voranzutreiben. Daraus entstand die UMTS-Standardfamilie (Universal Mobile Telecommunications System) der dritten Generation (3G), die das GSM-Kernnetz nutzt, aber einen neuen Luftschnittstellenstandard auf Basis von Wideband Code Division Multiple Access (W-CDMA) aufweist.

Bei der Einführung von UMTS wurden nicht nur schnellere und zuverlässigere Datenübertragungsraten von bis zu 384 kbit/s geboten, sondern es basierte auch auf einer verbesserten Plattform, die die gleichzeitige Nutzung von Sprache und Daten ermöglichte. Weiterentwicklungen von UMTS führten zu noch höheren Datenraten, wobei High Speed ​​Packet Access (HSPA) anfänglich Geschwindigkeiten von bis zu 14,4 Mbit/s unterstützte. Die theoretisch maximale Datenrate stieg auf 42 Mbit/s, als HSPA Evolved (HSPA+) netzweit eingeführt wurde.

Parallel zur Entwicklung der GSM-Technologien verfolgten Mobilfunkbetreiber in anderen Teilen der Welt unterschiedliche Ansätze. In Nordamerika und Südkorea entschieden sich einige Betreiber für IS-95 oder cdmaOne, woraus sich CDMA-2000 und später CDMA Evolution-Data Optimized (EV-DO) weiterentwickelten. Time Division Synchronous Code Division Multiple Access (TD-SCDMA) ist eine Funkschnittstelle, die für UMTS-Mobilfunknetze in China entwickelt wurde.

Die von 3GPP entwickelte LTE-Standardfamilie (Long Term Evolution) soll einen gemeinsamen Upgrade-Pfad für die verschiedenen Standards weltweit bieten. Diese Konvergenz der Technologien soll Namensgeber gewesen sein. LTE ist ein revolutionäres Upgrade, das eine neue Funkschnittstelle sowie Verbesserungen am Kernnetz erfordert.

LTE (Release 8 und 9) bietet theoretisch eine Download-Geschwindigkeit von bis zu 300 Mbit/s und eine Upload-Geschwindigkeit von bis zu 75 Mbit/s auf einem 20-MHz-Kanal bei Verwendung hochwertiger Geräte (4x4-MIMO-Antennen). Aktuell im Handel erhältliche LTE-Mobiltelefone unterstützen jedoch typischerweise eine maximale Datenrate von 100 Mbit/s im Download und 50 Mbit/s im Upload.

LTE Advanced (Release 10 und 11) hat den Entwicklungsprozess der Mobilfunknetzstandards auf den aktuellen Stand gebracht. LTE Advanced erfüllt die anspruchsvollsten Anforderungen der ITU für „echtes 4G“ gemäß IMT-Advanced und bietet dauerhafte Datenübertragungsraten von 100 Mbit/s für Mobilfunkverbindungen und 1 Gbit/s für Festnetzverbindungen. Allerdings ist anzumerken, dass hierfür bis zu fünf Betreiber 20 MHz Spektrum bereitstellen müssten, was für die meisten Betreiber aufgrund fehlender Spektrumressourcen praktisch nicht umsetzbar ist.

Drahtlose Übertragungsgeschwindigkeiten in der Praxis
Wie wir im vorherigen Abschnitt gesehen haben, verbessern sich drahtlose Technologien ständig und sind heute theoretisch in der Lage, Geschwindigkeiten zu erreichen, die mit denen von Festnetzanschlüssen, einschließlich Glasfaser bis zum Haus (FTTH), konkurrieren und diese manchmal sogar übertreffen.

Die theoretischen Geschwindigkeiten drahtloser Netzwerke werden in der Praxis jedoch nie erreicht. Dafür gibt es mehrere Gründe:

Technische Umsetzung: Höchste Datenraten lassen sich nur mit High-End-Hardware erreichen, sowohl beim Endgerät des Nutzers als auch beim Zugangspunkt bzw. der Basisstation des Netzwerks. Drahtlose Geräte passen ihre Leistung stets an den kleinsten gemeinsamen Nenner an; sowohl die Netzwerkkomponenten als auch das Endgerät des Nutzers müssen die geforderte Geschwindigkeit unterstützen. Für die praktische Anwendung von MIMO-Verfahren muss die Antenne zudem mindestens eine halbe Wellenlänge entfernt sein. Bei 2 GHz entspricht eine halbe Wellenlänge 7,5 cm. Gerade bei kleinen Endgeräten ist ein solcher Abstand zur Antenne schwer zu realisieren.
Protokoll-Overhead: Die maximale theoretische Geschwindigkeit beinhaltet einen erheblichen Overhead durch Netzwerkprotokolldaten, die drahtlose Verbindungen aus Sicherheits- und Zuverlässigkeitsgründen übertragen müssen. Die tatsächliche Datenrate ist daher immer niedriger. Insbesondere der WLAN-Overhead kann einen erheblichen Teil der Übertragungskapazität ausmachen, vor allem in Umgebungen mit mehreren überlappenden Netzwerken, wie beispielsweise in einem Mehrfamilienhaus.

(Fortsetzung in der nächsten Ausgabe)

Autor:

Mitwirkende: Stephen Hough - Sterlite Technologies Ltd, José Salgado - PT Inovação, Jim Crowfoot -
Senko Advanced Components, Didi Ivancovsky - Broadcom, Wolfgang Fischer -
Cisco, Pauline Rigby - freiberufliche Redakteurin.

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