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DatenkommunikationProf. Jürgen Plate |
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DatenkommunikationProf. Jürgen Plate |
Betrachten wir nun die erwähnten Dienste näher - teils von der Technik (DATEX, ISDN, ADSL), teils vom Diensteangebot (Mailboxen, Online-Dienste). Zuvor aber ein Blick in die Geschichte. Zur Datenfernübertragung nutzen viele Onliner ein Modem - den Modulator/Demodulator. Das Modem ist schon eine betagte Erfindung:
| 1940 | George Robert Stibitz bedient in einer spektakulären Demonstration von New York aus per Teleprinter seinen Computer-Vorläufer New Hampshire. Die Verbindung zwischen den beiden Geräten stellt er über eine Telefonleitung her. Damit ist die DFÜ geboren. |
| 1958 | In den Vereinigten Staaten verkauft man bereits erste richtige Modems. Die Geräte kommen von AT&T und schaffen Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 300 Bps. In Deutschland beginnen die Hersteller erst 1985 mit dem Verkauf von Modems. |
| 1982 | Akustikkoppter - eigentlich Vorläufer des Modems - kommen auf den deutschen Markt. Die Geräte schaffen ebenfalls Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu 300 Bps. Zur Orientierung: Damit überträgt man 30 Zeichen pro Sekunde - die meisten Menschen lesen schneller. |
| 1988 | ISDN (Integrated Services Digitat Network) kommt nach der Testphase nun zu den Endanwendern. Damit lassen sich Geschwindigkeiten von bis zu 128 Kbit/s erreichen. |
| 1993 | werden die schnellen ISDN-Kanäle erst beliebt und zunehmend als Internet-Leitung genutzt. |
| 1999 | Es gibt erste ADSL (Asymmetric Digitat Subscriber Line)-Anschlüsse für Business-Anwender. Vorraussetzung: Der Standort muß im Umkreis von 5 km um den Provider liegen. Nun ist es für jedermann möglich, einen 768 Kbit/s schnellen Datenstream zu nutzen. |
Datex-P bietet asynchrone Übertragung mit 300, 1200 und 2400 BPS und synchrone Übertragung mit 2400, 4800, 9600, 48000 und 64000 BPS. Neben den virtuellen Wahl-Verbindungen sind auch permanente virtuelle Verbindungen möglich, die wie eine Standleitung benutzt werden können. Das folgende Bild zeigt die öglichkeiten zu Datex-P. Datex-P eignet sich besonders für kurze Dialoge (Datenbankabfragen, Buchungsvorgänge, etc.) über weltweit 150 Datennetze in 80 Ländern. Die Gebührenstruktur von Datex-P ist recht kompliziert; die Kosten setzen sich aus Verbindungszeit, Entfernung und übertragener Datenmenge zusammen. In Deutschland sind Vermittlungsstellen in allen größeren Städten.
Bei Datex-P erhält jeder Teilnehmer eine Benutzerkennung, wobei zwischen reinen Informationsanbietern (z. B. Mailboxen) und "normalen" Benutzern unterschieden wird. Der Anbieter erhält einen Datex-P-Hauptanschluß mit einer eigenen Datex-P-Telefonnummer (NUA = Network User Address). Über diesen Hauptanschluß ist nur Datenaustausch möglich. Der Teilnehmer beantragt bei der Telekom eine Benutzerkennung (NUI = Network User Identification), die es dem Vermittlungsrechner gestattet, die Gebühren abzurechnen. Auch R-Gespräche sind möglich, bei denen der Angerufene die Kosten übernimmt. Zur Aufnahme der Verbindung wird der nächstgelegene Vermittlungsknoten angerufen und dann die NUI eingegeben. Danach kann man den gewünschten Partner angeben und die Verbindung herstellen lassen. Dann läuft alles wie mit der Modem-Verbindung über die normale Telefonleitung.
Beim ISDN-Basisanschluß stehen zwei parallel nutzbare Kanäle mit einer Übertragungsrate von je 64000 BPS zur Verfügung. Für Steuer- und Verwaltungszwecke gibt es einen weiteren Kanal mit 16000 BPS, der jedoch nicht frei verfügbar ist. Diese Teilnehmerschnittstelle S0 ist genormt; es lassen sich bis zu acht Endgeräte anschließen. Für größere Anlagen gibt es einen Multiplexer, der 12 Basis- anschlüsse zeitmultiplex verwaltet. Schließlich kann der ISDN- Konzentrator bis zu 500 Basisanschlüsse mit der Ortsvermittlung koppeln. Derzeit gibt es folgende ISDN-Dienste:
Als Dienstmerkmale bietet ISDN:
Damit die Übertragung trotz der relativ hohen Datenrate störungsfrei verlaufen kann, wird durch eine Adaptionslogik und ein gesteuertes Filter das ISDN-Gerät an die Eigenschaften der Leitung angepaßt, um so Störungen optimal auszufiltern. Das folgende Diagramm zeigt schematisch den Aufbau.
Adaptionslogik und
Filter sorgen dafür, daß dem Mischverstärker ein Signal zugeführt
wird, das dann dem Störsignal genau entgegengesetzt wirkt. So wird
die Störung am Empfänger ausgelöscht.
Beim Telefonieren zeigt sich aber ein Problem: man muß die Sprache
digitalisieren, digital übertragen und dann beim Empfänger wieder
in ein analoges Signal zurückwandeln. Die Digitalisierung erfolgt
mit einer Abtastrate von 8 kHz; jeder Wert wird als 8-Bit-Zahl
aufgenommen (8 kHz * 8 bit = 64 kBit/s). Über den zweiten Kanal
kann noch das Bild der Teilnehmer übertragen werden, fertig ist
das Bildtelefon.
ISDN begann 1987 mit zwei Pilotprojekten in Mannheim und Stuttgart. Mittlerweile sollte überall in Deutschland ein ISDN- Basisanschluß zu erhalten sein. Das Problem ist derzeit, daß es außer Telefonnebenstellenanlagen bisher kaum ISDN-fähige Geräte gibt. Über einen sogenannten "Terminaladapter" (TA) lassen sich jedoch die bisher verwendeten analogen Endgeräte (Telefax, Telefon, Modem) an das ISDN-Netz anschließen.
Eine besondere Eigenschaft von ISDN macht dieses System
auch für die Verbindung von Computernetzen interessant. Der
Verbindungsaufbau erfolgt im Sekundenbereich. Man kann also die
ISDN-Verbindung durch geeignete Hard- und Software nach "außen"
hin so erscheinen lassen wie eine Standleitung. So fallen nur dann
Gebühren an, wenn wirklich Daten übertragen werden.
Die Datenkommunikation über ISDN kann entweder per ISDN-Schnittstellen
(ISDN-Modem oder ISDN-Steckkarte) in den Rechnern zweier Teilnehmer erfolgen (64000 BPS),
es gibt jedoch auch Übergänge zu anderen analogen und digitalen
Diensten (z. B. Datex-P). Hier hängt die
Übertragungsgeschwindigkeit vom Partner ab (Datex-P bis 9600 BPS).
Über Terminaladapter mit V.24-Schnittstelle sind Raten bis zu
56000 BPS möglich. Um der Software die Kommunikation mit dem ISDN-Interface
zu ermöglichen, existieren zwei Standard-Softwareschnittstellen: CAPI
(Common Application Programming Interface) bietet eine genormte Schnittstelle für
ISDN-Karten und -Schnittstellen. Der entsprechende Treiber wird vom Hardwarehersteller
geliefert. CFOS ist ein FOSSIL-Treiber, der den Befehlssatz analoger Modems emuliert.
Er setzt auf dem CAPI-Treiber auf und erlaubt die Ansteuerung der Schnittstelle mit
herkömmlichen Kommunikationsprogrammen.
Seit Anfang 1994 steht neben dem nationalen ISDN (nach FTZ 1TR6) ein für ganz Europa einheitliches System, Euro-ISDN (DSS1 = Digital Subscriber Signalling System 1), zur Verfügung. Es unterscheidet sich in einigen Dienstmerkmalen und dem Steuerprotokoll auf dem D-Kanal. Euro-ISDN hat inzwischen das nationale ISDN abgelöst.
In den USA werden abweichende D-Kanal-Protokolle verwendet, der nationale Standard ISDN-1 und das von AT&T eingeführte 5ESS-Verfahren. Bedingt durch eine andere Codierung im B-Kanal werden damit bei der Datenübertragung nur 56 kBit/s erreicht. Je nach Anschluß steht ferner teilweise nur ein einziger B-Kanal zur Verfügung.
Die Technik ist ganz einfach: An die zwei Drähte Ihres bisherigen
Telefonanschlusses wird ein Netzabschlußgerät (NT), die Anschlußeinrichtung
mit zwei ISDN- Steckdosen (IAE), angeschaltet.
Damit stehen zwei Nutzkanäle
(B-Kanäle) für die Datenübertragung mit einer Leistung von 64
KBit/s und ein D-Kanal an Ihrem ISDN-Basisanschluß zur Verfügung. Über
den D-Kanal wird der Versand der Daten gesteuert.
An einen Mehrgeräteanschluß können insgesamt 12 ISDN-Steckdosen angeschlossen
werden, wobei die Anzahl der angeschlossenen Endgeräte grundsätzlich auf
8 Geräte beschränkt ist (+ 4 Daten-Endeinrichtungen).
Es dürfen max. 4 ISDN-Telefone betrieben werden, da sonst die
Spannungsversorgung des NT (Netzabschluß) nicht ausreicht. Wenn die Telefone
ihre eigene Stromversorgung besitzen, gilt diese Beschränkung natürlich nicht.
Die ISDN-Steckdosen (IAE) werden dabei parallel geschaltet.
Vom Netzknoten der Telekom bis zum Netzabschluß beim Kunden reicht eine
Kupferdoppelader aus, um einen ISDN-Anschluß zu realisieren.
Vom Netzabschluß (NT), der eine 230-Volt-Versorgung braucht, werden
die einzelnen Endgeräte im Bussystem vieradrig verdrahtet. Das heißt, es
kann in der Regel das vorhandene analoge Leitungsnetz zur Einrichtung
eines ISDN-Anschlusses genutzt werden.
Auch bei einem Mehrgeräte-Anschluss kann übrigens eine Telefonanlage mehrere (meist auch analoge) Geräte versorgen, doch erhöht sich dadurch die Anzahl der verfügbaren Rufnummern nicht, denn zu diesem Anschlusstyp gehören ja maximal zehn MSNs. Gespräche innerhalb der Telefonanlage kosten keine Gebühren, während ein Telefonat zwischen den direkt am S0-Bus angeschlossenen Telefonen eines Mehrgeräteanschlusses dasselbe kostet wie ein Ortsgespräch zu einem ganz anderen Teilnehmer.
Anlagen- und Mehrgeräteanschluss verwenden zwar dasselbe D-Kanal-Protokoll, übertragen jedoch auf Grund der unterschiedlichen Anforderungen nicht die gleichen Daten. Ein ISDN-Gerät muss daher nicht nur zum D-Kanal-Protokoll, sondern auch zum Anschlusstyp passen. Die meisten lassen sich umschalten, viele merken auch automatisch, an welchem Anschlusstyp sie stecken. Ähnliches gilt beim Anlagenanschluss für ISDN-Geräte, die innerhalb der Telefonanlage eingesetzt werden sollen. Viele dieser Anlagen verwenden intern den Bus-Typ UP0 der zum herkömmlichen S0-Bus inkompatibel und in manchen Punkten herstellerspezifisch ist. In der Regel kann man daher beispielsweise eine ISDN-Karte nur an einer Telefonanlage benutzen, wenn diese auch über einen internen S0-Bus verfügt.
| Leistungsmerkmale | Standard | Komfort |
|---|---|---|
| Halten einer Verbindung | * | * |
| Umstecken am Bus | * | * |
| Mehrfachrufnummer (3 Rufnummern) | * | * |
| Übermittlung der Rufnummer des Anrufers | * | * |
| Übermittlung der Verbindungsentgelte am Ende der Verbindung | - | * |
| Anrufweiterschaltung | - | * |
| Anklopfen | - | * |
| Leistungsmerkmale | Standard | Komfort |
|---|---|---|
| Durchwahl inklusive Rufnummernblock | * | * |
| Dauerüberwachung der Funktionsfähigkeit des Anschlusses | * | * |
| Übermittlung der Rufnummer des Anrufers | * | * |
| Übermittlung der Verbindungsentgelte am Ende der Verbindung | - | * |
| Anrufweiterschaltung | - | * |
| Leistungsmerkmale | Standard | Komfort |
|---|---|---|
| Durchwahl inklusive Rufnummernblock | * | * |
| Dauerüberwachung der Funktionsfähigkeit des Anschlusses | * | * |
| Übermittlung der Rufnummer des Anrufers | * | * |
| Übermittlung der Verbindungsentgelte am Ende einer Verbindung | - | * |
| Anrufweiterschaltung | - | * |
Ankommende Gespräche auf ein besetztes Endgerät werden zu einem vorher programmierten Ziel weitergeschaltet.
| Bezeichung | ADSL | SDSL | HDSL | VDSL |
|---|---|---|---|---|
| Bitrate in Senderichtung (Nutzer zum Netz) | 16 bis 768 kBit/s | 1,544 MBit/s bzw. 2,048 MBit/s | 1,544 MBit/s bzw. 2,048 MBit/s | 1,5 bis 2,3 MBit/s |
| Bitrate in Empfangsrichtung (Netz zum Nutzer) | 1,5 bis 9MBit/s | 1,544 MBit/s bzw. 2,048 MBit/s | 1,544 MBit/s bzw. 2,048 MBit/s | 13 bis 52 MBit/s |
| überbrückbare Leitungslänge | 2,7 bis 5,5 km | 2 bis 3 km | 3 bis 4 km | 0,3 bis 1,5 km |
| benötigte Adernpaare | 1 | 1 | 2 bei 1,544 MBit/s, 3 bei 2,048 Mbit/s | 1 |
| Verfügbarkeit | seit Mitte 90er Jahre | seit Anfang 90er Jahre | Seit Anfang 90er Jahre | ab Ende 90er Jahre |
| benutzte Bandbreite | bis ca. 1MHz | ca. 240 kHz | ca. 240 kHz | bis ca. 30 MHz |
| POTS im Basisband | ja | nein | nein | ja |
| ISDN im Basisband | nein | nein | nein | ja |
Bleiben wir bei ADSL, das für den privaten Verbraucher am interessantesten ist. Ob man per ADSL angeschlossen werden kann, hängt in erster Linie von der Beschaffenheit des Ortsnetzes ab. Führen die Kupferdrähte des Telefonanschlusses direkt in die Vermittlungsstelle, dann gibt es normalerweise kaum Probleme. Anders dagegen, wenn die Leitungen schon vor der Vermittlungsstelle zusammengefaßt werden. Diese "Digital Loop Carrier" (DLC) fassen den Daten- und Sprachverkehr von mehreren Telefonleitungen zusammen und übertragen den resultierenden Datenstrom über Breitbandleitungen oder per Glasfaser an die Vermittlungsstelle. Bei ADSL müssen beide Modems direkt mit dem Kupferkabel verbunden sein, DLCs verhindern die Datenübertragung per ADSL.
Die Telekom sieht wegen der hervorragend ausgebauten Ortsnetze beim ADSL-Regelbetrieb keinerlei Probleme: Nahezu alle Teilnehmer sin direkt angebunden und 70 bis 80 Prozent der Anschlußleitungen sind kürzer als 1,7 Kilometer. In der Vermittlungsstelle endet die Telefonleitung im sogenannten DSL Access Multiplexer (DSL-AM). Er leitet den Telefonverkehr an den Telefonnetz-Switch weiter; der Datenverkehr wird direkt dem Datennetz des Betreibers zugeführt.
Zwischen 30 und etwa 130 kHz findet die Übertragung des Upstream statt, die darüberliegenden
Frequenzen werden für den Downstream benutzt. Welches Modulationsverfahren für ADSL eingesetzt
werden soll, ist in der Industrie noch umstritten. Drei Leitungscodes stehen zur Auswahl: die
Quadraturamplituden (QAM), die damit eng verwandte Carrierless Amplituden/Phasenmodulation CAP
und die für bereits mehrere Standards ausschlaggebende Diskrete Multiton-Verfahren DMT. DMT
teilt den für die Datenkommunikation verfügbaren Frequenzbereich in über 250 schmale
Frequenzbänder auf, die jeweils etwa 4 kHz umfassen. Die Mittenfrequenzen dieser Bänder sind
die Träger, auf die die zu übertragenden Daten mittels QAM aufmoduliert werden. Die
Standardisierungsgremien ANSI und ETSI legen in ihren ADSL-Standards fest, daß jede
Trägerfrequenz maximal 15 Bit pro Signalwechsel transportiert. Diese Anzahl muß nicht für
jede Frequenz gleich sein. Die beiden an der Übertragung beteiligten Modems testen die
zwischen ihnen liegende Kabelstrecke und erstellen eine Bitzuweisungstabelle (Bit loading
table), die für jede Trägerfrequenz die optimale Modulation festlegt. Sie hängt in erster
Linie vom Dämpfungsverhalten der Leitung und von den vorhandenen Störeinflüssen auf der
Übertragungsstrecke ab. Diese Bitzuweisungstabelle erlaubt es dem ADSL-Anbieter, die
maximal verfügbare Bandbreite vorab einzustellen. So kann er die angebotenen Datendienste
differenzieren und zu unterschiedlichen Preisen anbieten - alles auf Grundlage einer
einheitlichen Hardware. Wie groß die maximale Datenrate bei einem ADSL-Anschluß ist, hängt vom Zustand und vor allem von der Länge der Leitungen ab. Je länger die Leitung ist, umso größer ist die Dämpfung, die die Signale erfahren - vor allem die im oberen Frequenzbereich. Entfernungen bis zu drei Kilometer erlauben Datenraten zwischen 6 und 8 Mbit/s. Je weiter der Teilnehmer von der Ortsvermittlung entfernt ist, umso kleiner ist die maximal erreichbare Datengeschwindigkeit.
Wer ADSL anbietet, muß dafür sorgen, daß beim Kunden ein POTS-Splitter installiert wird. An und für sich keine große Sache, im Prinzip genau das gleiche Vorgehen, das wir vom NTBA für den ISDN-Anschluß gewohnt sind. Doch die Marktführer Compaq, Intel und Microsoft sehen darin offensichtlich ein größeres Problem, daß ihrer Meinung nach die schnelle Verbreitung von ADSL-Anschlüssen verhindern oder zumindest verlangsamen könnte. Aus diesem Grund soll mal wieder ein Süppchen am Rande der weltweiten Standardisierung gekocht werden, die sogenannte Universal ADSL Working Group UAWG. Neben den meisten großen nordamerikanischen Netzbetreibern wie AT&T oder MCI und der japanischen NTT, sind seit kurzem auch die wichtigsten europäischen Telekommunikationsunternehmen der UAWG beigetreten - auch die Deutsche Telekom. Erklärtes Ziel der UAWG ist es, eine einfache ADSL-Variante zu entwickeln. Dieses Universal-ADSL, auch als UDSL bezeichnet, soll ohne POTS-Splitter auskommen, so daß der Anbieter keinerlei Installationsarbeiten beim Kunden ausführen muß. Zudem sollen weitere technische Vereinfachungen dafür sorgen, daß ADSL-Modems billiger hergestellt und verkauft werden können. So muß ein UDSL-Modem zum Beispiel statt der vom ANSI und ETSI festgelegten 15 lediglich 8 Bit pro Zustandswechsel auf die Trägerfrequenzen aufmodulieren können. Der Preis: UDSL erzielt Datenraten von max. 1,5 MBit/s im Downstream und 512 kBit/s im Upstream. Die Telekom will in der UAWG dafür Sorge tragen, daß bei der Spezifikation des Universal-ADSL auf ISDN Rücksicht genommen wird. Sie ist mit der splitterlosen Lösung nicht glücklich und präferiert eine saubere Trennung zwischen den Verantwortungsbereichen "Kunde" und "Netzbetreiber" - ähnlich wie beim ISDN-NTBA. Ob sich die UAWG letztendlich durchsetzen kann, ist fraglich. Die in der UAWG vertretenen Unternehmen wollen ihre Ergebnisse der Studiengruppe 15 der International Telecommunication Union ITU vorlegen, die sich mit der Standardisierung von ADSL befaßt. Die UAWG-Vorschläge bilden somit die Grundlage für den ITU-Standard G.Lite.
| Adressierung | Datenblock 1 | CRC |
| Adressierung | Datenblock 2 | CRC |
| Adressierung | Datenblock 3 | CRC |
Die Modems senden bei etwa 417 MHz und empfangen auf ca. 427 MHz. Es stehen je 32 Kanäle im 12,5-kHz-Raster zur Verfügung. Die Modulation erfolgt mit einem vierstufiges FSK-Verfahren mit Trellis-Codierung. Fehlerhafte Pakete werden wiederholt. Das Verfahren entspricht weitgehend dem X.25-Standard. Mehrere Funkmodems teilen sich eine Frequenz durch zeitlich verschachtelte Aussendung der Datenpakete. Je nach Netzbelastung ist die Nettodatenrate geringer als 9600 BPS, typischerweise kann man mit 2000...5000 BPS rechnen. Die Infrastruktur des Netzes ist in Zellen aufgebaut, ähnlich wie die Sprach-Mobilnetze C und D. Die Basistationen stehen in 10 ... 30 km Abstand. Ein Funkmodem bucht sich bein Einschalten automatisch bei der Basisstation, die es mit der größten Feldstärke empfängt. Während der Fahrt erfolgt ein automatisches Weiterreichen ur nächsten Basisstation.
Jedes Modacom-Modem hat eine feste Terminalnummer, über die es im Netz adressiert und identifiziert wird. Um Daten an ein Modem zu senden, muß man nur dessen Nummer, nicht aber seinen Aufenthaltsort zu kennen. Ist ein Modem nicht erreichbar, speichert das Modacom-Netz Daten bis zu 45 KByte (bzw. 100 Datenpakete) über mehr als 24 Stunden. Auch die Modems selbst haben einen Zwischenspeicher (10 ... 64 KByte), der die Daten aufnimmt, wenn der angeschlossene Computer abgeschaltet ist. Das Modacom-Netz ermöglicht drei unterschiedliche Verbindungsarten, die auch Auswirkung auf die anfallenden Gebühren haben:
Neben terrestrischen Verbindungen sind auch Weitverbindungen über Satellit möglich. Die Terminalstation (Terminal-Node-Controller, TNC, meist ein Computer) zerlegt die zu sendenden Daten in einzelne Pakete und fügt Adressierungs- und Prüfinformation hinzu. Die Datenblöcke entsprechen dem HDLC-Format. Wie bei Modacom werden fehlerhaft empfangene Blöcke automatisch wiederholt. Ein Datenpaket ist folgendermaßen aufgebaut:
| Anfangsflag | Adreßfeld | Steuerfeld | Datanblock | CRC | Endeflag |
Die Station steuert nach Verbindungsaufbau auch automatisch die Sende-/Empfangsumschaltung. Sie kann auch als Relaisstation dienen und die Datenpakete an eine andere Station weiterleiten. Durch das zeitlich verschachtelte Senden und die eindeutige Adressierung der Pakete kann zudem eine Frequenz von mehreren Stationen gleichzeitig genutzt werden. Dazu beobachtet der TNC die Arbeitsfrequenz und schickt erst dann ein Paket, wenn der Kanal frei ist. Senden zufällig mehrere Stationen gleichzeitig, kommt es zu einer Kollision. Jede sendewillige Station wartet dann eine bestimmte Zeit, bevor sie wieder sendet. Die Zeitdauer wird zufallsgesteuert.
Eine zweite Lösungen bieten spezielle GSM-Modems, die mit einem speziellen Modulationsverfahren die Eigenheiten des Sprachsignals nachahmen und auch die im Netz auftretenden Zeitverzögerungen berücksichtigen. Durch dieses Verfahren sind aber nur Datenraten bis 1000 BPS zu erreichen. Das TKL-GSM-Modem kann Daten wahlweise über den Sprachkanal (1000 BPS) oder den Datenkanal (9600 BPS) übertragen.
Für die Übertragung auf der Luftschnittstelle benötigt man Kanäle, um die Verbindung herstellen zu können. Dazu unterscheidet man in logische und physische Kanäle. Die logischen Kanäle werden aufgeteilt in Verkehrskanäle und in Signalisierungskanäle. Die Verkehrskanäle dienen der Übertragung von Nutzdaten, wie z.B. Sprache in leitungs- oder paketvermittelter Form. Die Signalisierungskanäle dienen der Übertragung von Daten, die für die Zuweisung von Kanälen oder der Lokalisierung der Mobilstation benötigt werden. Diese logischen Kanälen werden von den physikalischen übertragen. Für den GSM-Betrieb sind zwei Frequenzbänder mit 45 MHz Bandabstand reserviert. Der Frequenzbereich zwischen 935 und 960 MHz wird von den Feststationen (downlink) benutzt, der zwischen 890 MHz und 915 MHz dient als Sendebereich der Mobilstation (uplink). Insgesamt ist ein Trägerabstand von 200 kHz definiert und ein Grenzabstand von 100 kHz jeweils an den Grenzen des Frequenzbereiches, so das insgesamt 124 Kanäle zur Verfügung stehen. Diese Kanäle werden bei der TDMA-Technik durch ein Zeitmultiduplexverfahren in 8 Timeslots (Zeitschlitze) aufgeteilt, von jeweils 0,577 ms Länge. Die 8 Timeslots dieses Kanals werden zu einem TDMA-Rahmen zusammengefaßt. Die Timeslots werden durchnummeriert von 0 bis 7. Dieselben Timeslots in aufeinanderfolgenden Rahmen ergeben einen physikalischen Kanal. Eine Mobilstation verwendet im Uplink und Downlink dieselben Timeslots. Damit sie nicht gleichzeitig empfangen und senden muß, werden die TDMA-Rahmen des Uplinks mit drei Timeslots Verzögerung zum TDMA-Rahmen des Downlinks gesendet. Beim Verbindungsaufbau wird der zu einem Sprachkanal gehörende Timeslot über den Signalisierungskanal an die Mobilstation übermittelt. Die Nettodatenrate eines Timeslots der Luftschnittstelle beträgt im full-rate Verfahren 13 kb/s. Da die Luftschnittstelle verglichen mit leitungsgebundenen Übertragungswegen aber sehr fehleranfällig ist (Bitfehlerraten schlechter als 10-3 sind keine Seltenheit), reduziert die aufwendige Fehlersicherung die effektiv nutzbare Datenrate auf 9,6 kb/s.
Jeweils ein Funkkanal-Paar kann also im Zeitmultiplex-Verfahren für bis zu acht Sprach- oder Datenverbindungen gleichzeitig genutzt werden. Die Gesamt-Rohdatenrate auf einem Funkkanal beträgt 270,83 kBit/s, wovon ein erheblicher Teil allerdings der Fehlererkennung und -korrektur dient.
| HLR Home Location Register |
AC Authenti- cation Center |
|||||
| VLR Visitor Location Register |
EIR Equipment Ident. Register |
BTS Base Transceiver Station |
||||
| | | | | |||||
| ISDN | _________ |
MSC Mobile Switching Center |
______ |
BSC Base Station Controller |
_____ | BTS Base Transceiver Station |
| | | ||||||
| BTS Base Transceiver Station |
||||||
| Aufbau eines GSM-Funknetzes | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
Beim Einschalten des GSM-Telefons wird anhand der Chipkarte in der AC-Datei geprüft, ob und bei welchem Netzbetreiber das Gerät registriert ist. In der Gerätedatei EIR können die Daten z.B. von gestohlenen Telefonen gespeichert werden, damit sie nicht mehr benutzt werden können. Wenn man den eigenen Heim-Bereich verläßt, wird eine Kopie der Gerätedaten von der HLR-Datei des Heim-MSC in die VLR-Datei des neuen regionalen MSC kopiert. Die Vermittlungszentralen (MSC) sorgen für den Übergang ins öffentliche ISDN und betreuen jeweils mehrere Basisstations-Zentralen BSC, von denen wiederum jede mehrere Basisstationen BTS steuern kann. Während der Fahrt erfolgt innerhalb weniger Millisekunden ein automatisches Handover zur nächsten Basisstation, ohne daß die Verbindung dadurch unterbrochen wird. Wenn man ins Ausland fährt, kann man sich dank Roaming in das Netz eines dortigen Providers einbuchen. Prinzipiell stellt der GSM-Standard die bei ISDN verfügbaren Dienstmerkmale wie z.B. Makeln (Wechsel zwischen zwei gehaltenen Gesprächen) zur Verfügung. Bei der Sprachübertragung arbeiten GSM-Telefone mit einem aufwendigen Kompressions-Verfahren (LPC, linear predictive coding, lineare Vorhersage-Codierung), um trotz der im Vergleich zu ISDN relativ geringen Datenrate eine halbwegs brauchbare Verständlichkeit zu erzielen. (Daß das noch keineswegs das Ende der Fahnenstange ist, beweist die nochmals halbierte Datenrate bei den Inmarsat-Phone-Geräten!)
GPRS steht für "General Packet Radio Services" und hat die paketvermittelte Datenübertragung über die GSM-Luftschnittstelle zum Inhalt. GPRS unterstützt beinahe alle Datenübertragungsprotokolle, inklusive X.25 und IP. Damit kann der Benutzer mit jeder Datenquelle, wie z. B. dem Internet oder dem Intranet seines Unternehmens, verbunden sein. Der Benutzer zahlt bei GPRS das übertragene Datenvolumen und kann mit der Datenquelle ständig verbunden sein! E-Mails erreichen somit sofort seinen Empfänger und nicht erst nach Einwahl und Abfrage des Kontos beim ISP. Weiterhin sind bei GPRS höhere Datenübertragungsraten als bei "normalem" GSM möglich.
Bei einem GSM-Telefonat wird die Sprache in digitaler Form in Zeitschlitzen im System des Netzbetreibers übertragen. Hierbei teilen sich bis zu 7 Teilnehmer eine Sende-/Empfangsfrequenz. Ein weiterer Zeitschlitz wird zusätzlich für die Signallisierung benötigt. Die Wiederholrate dieser Zeitschlitze ist so hoch, das wir beim Telefonieren gar nicht merken, das die Sprache nicht kontinuierlich übertragen wird. Bei einer herkömmlichen Datenübertragung über das Handy wird also eine Leitung permanent für die Dauer der Verbindung aufrecht erhalten. Dies ist auch dann der Fall, wenn auf seiten des Anwenders gar keine Daten übertragen werden sollen, da er mit der Aufnahme von Informationen beschäftigt ist. Das ist für beide Seiten nachteilig: Der Netzbetreiber kann sein Netz nicht effizient ausnutzen, der Anwender muß ein teures Verbindungsentgelt bezahlen, obwohl er effektiv seine Verbindung nur einige wenige Minuten genutzt hat. Anders die Datenübertragung in lokalen Netzwerken (LAN) oder dem Internet. Diese Medien sind paketorientiert, das heißt die zu übertragenen Daten werden in kleine Pakete unterteilt und auf die Reise geschickt. Ist die Übertragung abgeschlossen, steht das Netz wieder für andere Anfragen zur Verfügung. Netzwerkkapazität wird also nur dann in Anspruch genommen, wenn sie benötigt wird, ist aber sofort wieder freigegeben, wenn keine Daten mehr übertragen werden müssen. GPRS basiert genau auf dieser paketvermittelten Technologie.
Bei paketvermittelten Diensten kann generell zwischen verbindungsorientierten und verbindungslosen Diensten unterschieden werden. Bei verbindungslosen Diensten (Datagrammdiensten) wird in jedem Paket die vollständige Adresse des Empfängers und Absenders abgelegt und unabhängig von den anderen Paketen durch das Netz geschleust. Pakete zwischen zwei Kommunikationspartnern im Netz gehen möglicherweise unterschiedliche Wege und können sich sogar überholen. Bei verbindungsorientierten Diensten ist der Übertragungsweg für die Dauer der logischen Verbindung fest vorgegeben. Verbindungsorientierung hat den Nachteil, daß für den Auf- und Abbau einer logischen Verbindung ein gewisser Verwaltungsaufwand entsteht und die Verbindung Ressourcen in den Vermittlungsstellen belegt. Sie bietet allerdings den Vorteil, daß die Reihenfolge der übertragenen Pakete gesichert ist und dem Anwender die Möglichkeit geboten wird, die Dienstqualität (quality of service, QOS) beim Verbindungsaufbau zu bestimmen. Die zur Verfügung stehende Übertragungskapazität wird bei GPRS von allen Teilnehmern in einer Funkzelle geteilt, d. h. ein Teilnehmer belegt die Funkstrecke nur, wenn wirklich Pakete übertragen werden. Es existieren Protokolle, die den fairen Zugriff auf die Funkstrecke gewährleisten. Desweiteren unterstützt GPRS den Übergang in öffentliche Paketnetze. Durch die Paketvermittlung kann einiger Overhead vermieden werden, wie er bei Leitungsvermittlung entsteht.So ergibt sich eine höhere Nettobitrate pro Zeitschlitz von 14 Kbit/s. Bei der maximalen Nutzung von acht Zeitschlitzen ergibt sich somit eine maximal erreichbare Nettobitrate von 110 Kbit/s. In GSM-Phase 2+ ist für GPRS eine Datenübertragungsrate bis knapp unter 100 Kbit/s vorgesehen.
GPRS unterstützt die Übertragung von Daten zwischen einem Sender und einem oder mehreren Empfängern. Sender bzw. Empfänger können mobile Geräte oder einfache Datenendeinrichtungen sein. Die Datenendeinrichtung ist entweder direkt an das GPRS-Netz oder an externe Datennetze angeschlossen, während mobile Geräte über die Basisstation an das GPRS-Netz angeschlossen sind. Die Realisierung von GPRS erfordert größere Änderungen in der Netzarchitektur von GSM, um die von GPRS unterstützte Paketvermittlung zu ermöglichen. Die wichtigste Änderung ergibt sich aus der Einführung der GPRS Support Nodes (GSN), die die Paketvermittlung übernehmen und als Gateway zu den Paketnetzen dienen. Die GSN sinf auch für das Mobilitätsmanagement (Roaming) der Teilnehmer verantwortlich. Hieraus ergeben sich die zwei Hauptfunktionen des GSN: die Gateway- und die Roamingfunktion. Für die Erfüllung dieser Funktionen sind zwei unterschiedliche Subsysteme vorgesehen. Die Gatewayfunktion wird vom Gateway GPRS Support Node (GGSN) wahrgenommen, während der Serving GPRS Support Node (SGSN) für das Roaming zuständig ist. Durch die Zuordnung einer temporären, dynamischen Adresse zur Mobilstation wird es dem SGSN möglich, beim Roaming eine Identifizierung der Mobilstation vorzunehmen. Aus der Sicht des Teilnehmers erfolgt die Adressierung wie gewohnt über seine IP-Adresse.
Um das reibungslose Nebeneinander von durchschaltevermittelten Kanälen (GSM) und paketvermittelten Kanälen im selben Netz gewährleisten zu können, muß auf der Luftschnittstelle eine dynamische Ressourcenverwaltung vorgenommen werden. Hierbei wird den durchgeschalteten Kanälen eine höhere Priorität zugeordnet, indem in der Aufbauphase einer GSM-Verbindung der betroffene Kanal für GPRS-Pakete gesperrt wird. Innerhalb eines Trägers können die verfügbaren Zeitschlitze nebeneinander von GSM und GPRS genutzt werden. Zu einem bestimmten Zeitpunkt kann so ein Teil der Zeitschlitze durch GSM genutzt werden, während ein anderer Teil der Zeitschlitze von GPRS-Diensten belegt ist.
Bei den von GPRS unterstützten Diensten wird unterschieden zwischen Point-to-Point-Diensten (PTP) und Point-to-Multipoint-Diensten (PTM):
Weil man sich jedoch noch nicht über die exakte Festlegung der Netzwerk-Architekturen einigen konnte, wird man in den Anfangstagen, also etwa ab dem Jahr 2002 (in Japan will man schon 2001 beginnen) noch die bestehenden Netz-Infrastrukturen benutzen. Man wird übrigens wegen der bestehenden Abwärtskompatibilität hier bei uns die jetzt in Betrieb befindlichen GSM-Handys weiter benutzen können.
1998 wurde ein Rahmenstandard ausgearbeitet. Darin enthalten sind sowohl die angestrebten Ziele bei der Verwirklichung des Projektes als auch ein Zeitplan bis zur Einführung des Systems.
Um die Übertragungsgeschwindigkeit bei UMTS auf die oben genannten Werte steigern zu können, bedarf es noch einigen Aufwands in der Übertragungstechnik. In der Special Mobile Group (SMG) der ETSI hatte sich die Entscheidung auf zwei konkurrierende Systeme zugespitzt, die zum Einsatz kommen sollen. Auf der einen Seite das von einer Allianz von Alcatel, Bosch, Italtel, Motorola, Nortel, Siemens und Sony favorisierte TD-CDMA-Zugriffsverfahren, das sich eng an das TDMA-Zugriffsverfahren (Time Division Multiple Access) von GSM anlehnt und auf der anderen das von Ericsson und Nokia propagierte WCDMA-System, das eine breitbandige Weiterentwicklung des CDMA-Verfahrens (Code Division Multiple Access) darstellt.
Bei der ETSI hat man sich entschieden, für die Luft-Schnittstelle (also fr die Übertragungs-/Modulationsart per Hochfrequenz) eine Kombination aus Mehrfachzugriff im Breitband-Code-Multiplex (Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA) und im Zeitmultiplex-Zugriff (Time Division Multiple Access, TD/CDMA) einzusetzen. WCDMA wird zur Versorgung größerer Gebiete und TD/CDMA für lokale Anwendungen genutzt werden. Insgesamt verspricht das CDMA-Verfahren eine hühere Kanalkapazität und niedrigeren Leistungsverbrauch im Handy bei GSM-ähnlicher Sprachqualität. Gearbeitet werden wird übrigens in Europa in zwei Frequenzbändern bei 1950 und 2150 MHz.
TD-CMDA
Entlang der Zeitachse, pro Trägerfrequenz, verwendet das TD-CMDA dieselbe Grundstruktur
wie das GSM-System. Die Bandbreite eines Trägers ist bei TD-CMDA jedoch mit 1,6 MHz
achtmal größer als die eines 200-kHz-GSM-Trägers. Dies erlaubt es, jedem
Timeslot wiederum mit bis zu acht "Kode-Schlitzen" zu füllen, von denen
wiederum jeder einen zusätzlichen Verkehrskanal definiert. Dabei wird das Sendesignal
mit einer Chiprate von 2,167 Mchips/s über die gesamte Breite des Trägers von
1,6 MHz gespreitzt. Der Vielfachzugriff auf die Funkschnittstelle besteht demnach in der
Zuordnung eines Trägers, eines Timeslots im Rahmensignal und eines zugehörigen
Codes zu einem Verkehrskanal. Insgesamt ergeben sich so 64 Sprachkanäle pro Träger.
Mit diesen 64 Kanälen kann man nun flexibel die verschiedenen Datenraten von 9,6 kbps
bis 2 Mpbs einstellen, indem man die Kanäle kombiniert.
Die identische Rahmenstruktur und Taktung vereinfacht das Zusammenwirken mit den herkömmlichen GSM-Systemen beträchtlich. Die Handover-Prozeduren beim Wechsel von einer Funkzelle in die Nächste sind weitgehend die gleichen wie im bestehenden GSM-System und die Dual-Mode-Endgeräte lassen sich mit wenig Aufwand realisieren. Weiterhin läßt sich die GSM-Technik so schrittweise erweitern und das Risiko eines Systembruchs vermeiden. Durch eine paketvermittelte Datenübertragung würde der Nutzer den Übertragungskanal nur dann in Anspruch nehmen, wenn tatsächlich Datenpakete übertragen werden. So kann die gesamte Bandbreite des Übertragungsweges als Pool allen Anwendern zur Verfügung gestellt werden und somit effizienter als bei den leitungsvermittelten Übertragungsverfahren des jetzigen GSM-Systems genutzt werden.
WCMDA
Bei diesem System sind GSM und WCMDA zwei unabhängige Systeme. Zwar stützt sich das
WCMDA-Netz in seiner Architektur auf die selben Komponenten wie die GSM-Netze, doch das
Verfahren, mit dem der Zugriff auf die Luftschnittstelle erfolgt, ist grundlegend anders. WCMA
trennt die verschiedenen Kanäle ausschließlich durch nutzerspezifische hochbitratige
Codes, sogenannten Spreizcodes, mit denen das Sendesignal multipliziert und damit in ein über
den gesamten Frequenzbereich verteiltes Rauschen transformiert wird, aus dem nur ein synchron mit
dem selben Code operierenden Empfänger es wieder herausfiltern kann. Die Träger werden
hierbei auf 5 MHz verbreitert, was eine bessere Steuerung der Sendeleistung der Mobilstation
zulässt.
Das Verfahren erlaubt sowohl paket- als auch leitungsvermittelte Dienste mit mehrfachen Verbindungen gleichzeitig pro Sitzung. Beim Verbindungsaufbau muss nicht erst ein freier Timeslot oder eine freie Frequenz gesucht werden und der Wechsel der Nutzerbitrate gestaltet sich verhältnismäßig einfach. Auch müssen keine Frequenzpläne erstellt werden: Dieselben Frequenzen können in benachbarten Zellen erneut verwendet werden. Beim GSM-System darf wegen dem nötigen Störabstand erst in jeder 9. Zelle dieselbe Frequenz wiederverwendet werden, bei TD-CMDA wenigstens noch in jeder dritten.
Bei diesem Verfahren muß eine kompliziertere Handover-Prozedur verwendet werden, dadurch werden die Ressourcen von zwei Basisstationen gleichzeitig beansprucht. Zudem reagiert das System sehr sensibel auf Schwankungen des Signalpegels, was eine aufwendige Fast Power Control Prozedur zum Anpassen der Sendeleistung verlangt. Zudem würden die Abmessungen eines WCMDA-Handys größer ausfallen, weil zu dem WCMDA-Modul zusätzlich ein GSM-Modul und ein DECT-Sende- und Empfangsteil integriert werden müßte.
Da sich bisher keiner dieser beiden Vorschläge durchsetzen konnte, einigte man sich auf einen Kompromiss, der auf ein TD/WCMDA-System hinzielt. Danach soll dort, wo die UMTS-Schnittstelle mit Kanalpaaren im Frequenz Division Duplex für den Up- und Downlink-Channel arbeitet, die WCMDA-Technik zum Zuge kommen; beim FDMA-Betrieb im Time Division Duplex mit nur einem Träger für den Hin- und Rückkanal hingegen TD-CMDA. Das Wideband-CMDA wird damit stärker an die Zeitstruktur des GSM-Systems angepasst, und TD-CMDA kann die Aufgaben der Schnurlostelefonie und des asymetrischen Datenverkehrs übernehmen. Ob damit das Ziel eines einheitlichen Air Interface nur noch formal aufrecht erhalten wird oder ob es gelingt, die Stärken beider Systeme zu vereinen, bleibt abzuwarten. Weitere Infos und Möglichkeiten zum Gedankenaustausch bietet das UMTS-Forum:
Mailboxen sind Computer, die man per Telefon und Modem oder über ISDN erreichen
kann, und die bestimmte Dienstleistungen anbieten. Der Mailbox-Computer wird per
Modem/ISDN-Adapter angerufen und bietet dem Benutzer die unterschiedlichsten Nutzungsmöglichkeiten:
Datenaustausch mit anderen Benutzern (Nachrichten und Dateien), sogenannte 'Foren'
oder 'schwarze Bretter', die den Newsgruppen entsprechen, Programmbibliotheken,
aus denen die Benutzer Programme abrufen und im eigenen Computer speichern können,
Unterhaltung mit anderen Benutzern (Chat) und Spiele, die man mit anderen Benutzer
der Mailbox spielt. Die Leistungen der Mailbox sind aber alle zunächst auf
einen einzigen Rechner beschränkt, also eine relativ kleine Gruppe von Personen.
Aus dieser Isolation heraus entstanden dann einerseits Mailboxdienste wie Compuserve, die weltweit Rechner unterhalten (Einwählpunkte, 'Points of Presence'). Die Daten laufen aber in einer Zentrale zusammen. Einen anderen Weg, die lokale Begrenzung zu überwinden, sind die Mailboxnetze wie z. B. das Fidonetz. Hier tauschen die Mailboxrechner nachts oder sogar stündlich die neuen Mitteilungen vollautomatisch untereinander aus. Beim Fidonetz geht das beispielsweise hierarchisch zu. Übergeordnete Knotenrechner tauschen die Informatioenen mit der darunterliegenden Hierarchistufe aus. Dort wird dann genauso verfahren, bis die Info am Ende der Kette (dem sogenannten 'Point') angelangt ist. Ein weiterer Unterschied vieler Mailboxnetze ist die Form der Datenweitergabe von Einträgen in 'schwarzen Brettern' und E-Mail. Beim Fidonetz werden die Daten grundsätzlich nach dem gleichen Verfahren transportiert, es wird hier in 'personal mail' (entpricht E-Mail) und 'netmail' (entspricht News) unterschieden. Inzwischen wird bei fast allen größeren Mailboxen neben den lokalen Informationen auch ein Zugang zum Internet in Form von News und E-Mail geboten. Außerdem gibt es Übergänge (Gateways) zwischen den Netzen.
Die verschiedenen Online-Dienste zeichnen sich durch teilweise sehr unterschiedliche
Angebote aus. Die beiden größten in Deutschland sind AOL und
T-Online. Sie bieten alle ein großes Angebot an Tagesinformationen (Agenturnachrichten,
Börseninformationen etc.), Computerinformationen und elektronischen Treffpunkten
(Diskussionsforen und Konferenzen).
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