Historie und Entwicklung der Mobilfunksysteme

1. Mobile Kommunikation
2. Mobilfunksysteme der 2. und 3. Generation – eine Übersicht
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# ÜBERBLICK ZUM DRITTEN HAUPTKAPITEL #

Nachfolgend werden die wichtigsten Vertreter der etablierten Mobilfunksysteme – $\text{Stand 2011}$ – kurz vorgestellt:

• $\rm GSM$  – "Global System for Mobile Communications":   Zweite Mobilfunkgeneration  $\rm (2G)$;
      eine ausführliche Beschreibung finden Sie im dritten Kapitel des Buches  Beispiele von Nachrichtensystemen.

• $\rm UMTS$  – "Universal Mobile Telecommunications System":   Dritte Mobilfunkgeneration  $\rm (3G)$
      eine ausführliche Beschreibung finden Sie im vierten Kapitel des Buches  Beispiele von Nachrichtensystemen.

Im Einzelnen werden behandelt:

• Charakteristika und Beispiele der verschiedenen Mobilfunkgenerationen  $\rm (1G, 2G, 3G)$,
• einige Statistiken über die Steigerung der Teilnehmerzahlen im Mobilfunk,
• grundlegende Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen GSM und UMTS,
• wichtige Systemkomponenten:   Sprach– und Kanalcodierung, Interleaving, Verschlüsselung,
• die Vielfachzugriffsverfahren FDMA/TDMA (GSM)  und  CDMA (UMTS),
• die Modulationsverfahren GMSK (GSM)  und  OFDM (UMTS),
• die Weiterentwicklungen HSCSD, GPRS, EDGE (GSM)  sowie  HSDPA, HSUPA (UMTS).

Anschließend wird im  vierten Kapitel  dieses Buches das neuere Mobilfunksystem  $\rm LTE$  ("Long Term Evolution")  ausführlicher behandelt.

Vorläufer der heutigen Mobilfunknetze

Heutzutage (2017) weiß jedes Kind, was Mobilfunk ist, und nur wenige Jugendliche können sich heute vorstellen, dass auch ein Leben ohne Smartphone, Facebook und den unzähligen Mobilfunk–Features möglich ist.  Noch vor nicht einmal dreißig Jahren wussten nur wenige etwas über Mobilfunk und noch weniger hatten bis dahin jemals ein Handy in der Hand.

Wichtige Voraussetzung für die Realisierung mobiler Kommunikationssysteme war die Theorie der elektromagnetischen Wellen, die  James Clerk Maxwell  1864 entwickelt hat und die von  Heinrich Hertz  entscheidend weiterentwickelt wurde.  Ein weiterer großartiger Pionier der Funktechnik war  Guglielmo Marconi, der 1896 die drahtlose Telegrafie erstmals öffentlich demonstrierte und dem 1901 die erste Transatlantik–Funkübertragung gelang.  1909 erhielt er für seine Erfindungen den Nobelpreis.

Da die Marconi–Technik auch in der Transatlantik–Schifffahrt intensive Anwendung fand und deren Nutzung nach dem Untergang der Titanic (1912) sogar vorgeschrieben wurde, kann man die Entstehung mobiler Kommunikationssysteme etwa auf den Beginn des 20. Jahrhunderts datieren.

Das erste Mobilfunknetz in Deutschland war das 1958 in Betrieb genommene und 1977 stillgelegte  $\rm A–Netz$, das im Frequenzbereich von  $\text{156 MHz}$  bis  $\text{174 MHz}$  mit analoger Frequenzmodulation  $\rm (FM)$  arbeitete und bundesweit von bis zu  $11\hspace{0.05cm}000$  Teilnehmern  (aber sicher nicht gleichzeitig)  genutzt wurde.  Die Sendetechnik füllte den Kofferraum großer Limousinen.

Auch das von 1972 bis 1994 betriebene  $\rm B–Netz$  basierte auf analoger FM um  $\text{150 MHz}$.  Dieses wurde zu seiner Blütezeit um 1985 von  $27\hspace{0.05cm}000$  Teilnehmern genutzt und stellte  $850$  Funkkanäle zur Verfügung, wobei bereits die Wiederverwendung gleicher Frequenzen in genügend weit voneinander entfernten Funkzellen berücksichtigt ist.  Das Volumen der Sende– und Empfangseinrichtungen war aufgrund der zwischenzeitlichen Fortschritte auf dem Gebiet der Mikroelektronik deutlich kleiner als beim A–Netz.

Als letztes Vorgängermodell der heutigen Systeme ist das noch ebenfalls analog aufgebaute  $\rm C–Netz$  im Frequenzbereich um  $\text{ 450 MHz}$  zu nennen, das in Deutschland in den Jahren zwischen 1986 und 2000 von der Deutschen Bundespost betrieben wurde.  Es hatte 1993 seine maximale Teilnehmerzahl von  $850\hspace{0.05cm}000$, bot eine Flächenabdeckung von immerhin  $98\%$  und stellte mit „Handover” und „Roaming” auch schon einige Features bereit, die bei den nachfolgenden Mobilfunkgenerationen zum Standard wurden.

Das C–Netz rechnet man zur  $\text{ersten Mobilfunkgeneration}$  wie auch einige andere nahezu zeitgleich entstandene zellulare Systeme in anderen Ländern:

• $\rm AMPS$  (Advanced Mobile Phone Service), Bell Labs, USA, 1979,
  
• $\rm ACS$  (Advanced Cellular Sytem), Fa. Comvik, Schweden, 1981,
  
• $\rm NMT$  (Nordic Mobile Telephone), Schweden–Norwegen–Dänemark, 1981 und 1986,
  
• $\rm TACS$  (Total Access Communication Standard), Großbritanien, 1985,
  
• $\rm RTMS$  (Radio Telephone Mobile System), Italien, 1985,
  
• $\rm RC 2000$  (Radio Com 2000), Frankreich, 1986.
  

Mobilfunksysteme der zweiten Generation

Alle oben genannten Mobilfunksysteme der ersten Generation  $\rm(1G)$  waren nationale Lösungen mit folgender Konsequenz:

• Es war nicht möglich, zwischen den einzelnen Systemen zu kommunizieren.
  
• Die Endgeräte  (von „Handy” sollte man noch nicht reden)  ließen sich nur im jeweiligen Netz einsetzen, wodurch der Markt sehr eingeschränkt war und der wirtschaftliche Erfolg ausblieb.
  

Anfang der 1980er Jahre gab es schon erste Bestrebungen zu einer Systemvereinheitlichung.  Es entstand die zweite Generation  $\rm(2G)$  von Mobilfunksystemen, gekennzeichnet durch

• eine durchgehend digitale Sprachübertragung,
  
• die Bereitstellung von Datendiensten.
  
  

Bei den Mobilfunksystemen der zweiten Generation war die Sprachübertragung die zentrale Aufgabe und die Datenübertragung eher sekundär, wohingegen ein Kennzeichen der dritten Generation – zum Beispiel von  $\rm UMTS$  – das so genannte „mobile Internet” wurde.

Der bedeutenste 2G–Mobilfunkstandard war  $\rm GSM$  – Global System for Mobile Communications.  Dieses im Kapitel  Systemarchitektur und Basiseinheiten von GSM  vorgestellte System war nicht nur in Europa weit verbreitet, sondern es haben sich diesem Standard auch viele Regionen weltweit angeschlossen. GSM war die bis dahin am schnellsten wachsende Kommunikationstechnologie aller Zeiten.

Die verschiedenen GSM–Systeme waren

• $\text{GSM 900}$:   Frequenzen um  $\text{900 MHz}$  (D–Netze; in Deutschland TD1 und Vodafone D2),
  
• $\text{GSM/DCS 1800}$:   Frequenzbereich um  $\text{1.8 GHz}$  (E–Netze; in Deutschland alle damaligen Betreiber),
  
• $\text{GSM/PCS 1900}$:   Frequenzbereich um  $\text{1.9 GHz}$  (vorwiegend in den USA eingesetzt).
  
  

Daneben werden zu den Mobilfunksystemen der zweiten Generation auch gezählt:

• das 1993 in Japan in Betrieb gegangene  $\rm PDC$–Netz  (Personal Digital Cellular),
  
• der „Schnurlos–Standard”  $\rm DECT$  (Digital Enhanced Cordless Telecommunications),
  
• die Satellitensystemstandards  $\rm LEO$  (Low Earth Orbit)  und  $\rm MEO$nbsp; (Medium Earth Orbit),
  
• das terrestrische Flugfunknetz   ⇒   $\rm TFTS$  (Terrestrical Flight Telephone System),
  
• Versuchsnetze in den USA wie  $\rm D–AMPS$  und  $\rm Qualcomm–CDMA$.
  
  

Schließlich zählt man zu den 2G–Mobilfunksystemen auch „Drahtlose Teilnehmeranschlüsse” mit sehr begrenzter Mobilität wie 

• $\rm WLL$  (Wireless Local Loop)  und 
• $\rm RLL$  (Radio in the Local Loop).
  

Die Entstehungsgeschichte von GSM

Der GSM–Standard wurde um 1990 mit dem Ziel eingeführt, ein einheitliches paneuropäisches mobiles Telefonsystem und –netz anbieten zu können.  Die Nutzung zur Datenübertragung stand nicht im Mittelpunkt, wurde aber durch Zusatzspezifikationen hinsichtlich Datenrate stetig verbessert.

Nachfolgend einige Daten zur historischen Entwicklung von GSM:

• 1982  Bei der „Conférence Européenne des Postes et Télécommunications” (CEPT) wird die Groupe Spécial Mobile – abgekürzt GSM – eingerichtet.
• 1987  Es wird eine Kooperation zwischen 17 zukünftigen Betreibern aus fünfzehn europäischen Ländern gebildet und mit der GSM–Spezifikation begonnen.

• 1990  Die Phase 1 der GSM 900-Spezifikation (für 900 MHz) wird abgeschlossen.  Es beginnt die Anpassung für das System GSM/DCS 1800 (Digital Cellular System) um die Frequenz 1.8 GHz.

• 1992  Die meisten europäischen GSM–Netzbetreiber beginnen den kommerziellen Betrieb mit Sprachdiensten.  Ende 1992 sind bereits dreizehn Netze in sieben Ländern „on air”.

• 1995  Die Phase 2 der Standardisierung beginnt und beinhaltet Fax, Daten und SMS–Roaming sowie Anpassungen für GSM/PCS1900, das im selben Jahr in den USA in Betrieb geht.

• 1999  Mit der Einführung von  $\rm WAP$  (Wireless Application Protocol)  wird es erstmals möglich, Inhalte des Internets und andere interaktive Dienstangebote auf Mobilgeräte zu übertragen.

• 1999  Durch die Einführung von  $\rm HSCSD$  (High Speed Circuit–Switched Data)  wird die Datenrate von 9.6 auf 14.4 kbit/s erhöht und durch Bündelung von vier TDMA–Kanälen weiter auf 57.6 kbit/s.

• 2000  Die Erweiterung  $\rm GPRS$  (General Packet Radio Service) vereinfacht den drahtlosen Zugang zu paketvermittelten Datennetzen.  Die maximale Datenrate beträgt (theoretisch) 171 kbit/s.

• 2000  Mit der „Phase 2+” wird $\rm EDGE$  (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) definiert, womit die GPRS–Rate theoretisch verdreifacht werden könnte.  Tatsächlich erreicht man aber nur 384 kbit/s.

• 2006   T–Mobile beginnt als erster deutscher Mobilfunkanbieter mit der Bereitstellung von EDGE.  In den nächsten Jahren ziehen in Deutschland die Betreiber Vodafone, O2 und E–Plus nach.

Datenrate bei GSM und seinen Weiterentwicklungen

Die Grafik zeigt die Entwicklung der GSM–Datenübertragungsrate in linearem Maßstab.

• Die Abszisse bezeichnet das Jahr der Markteinführung (in Deutschland), nicht das der Standardisierung.
• Dazwischen lagen stets etliche Jahre.
  

Mobilfunksysteme der dritten Generation

Schon kurz nach der GSM–Standardisierung zeigte sich, dass damit der Bandbreitenbedarf zur Nutzung multimedialer Dienste nicht gedeckt werden kann.  Die nächste, dritte Generation von Mobilfunksystemen sollte auf dem  CDMA–Prinzip  ("Code Division Multiple Access").  Wesentliche Vorarbeiten waren:

• 1949   Erste Ideen zum CDMA–Verfahren durch  Claude Elwood Shannon  und  John Robinson Pierce.
  

• 1970   Verschiedene CDMA–Entwicklungen für militärische Systeme, beispielsweise  $\rm GPS$  (Global Positioning System).
  

• 1989–1992   Grundlagenforschung zu zukünftigen Mobilfunksysteme im Rahmen des EU–Programms  $\rm RACE–1$  (Research, Analysis, Communication, Evaluation).
  

• 1992–1995   EU–Programm  $\rm RACE–2$.  Schwerpunkt „Entwicklung von Systemkonzepten”, basierend auf den Ergebnissen von RACE–1.
  
  

Erste Überlegungen zum Standard  $\rm IMT–2000$  ("International Mobile Telecommunications at 2000 MHz")  wurden von der ITU 1992 angestellt.  Daraus entwickelte sich mit  $\rm UMTS$  ("Universal Mobile Telecommunications Systems") das bekannteste Mobilfunksystem der dritten Generation  $\rm (3G)$.  Bis zur Markteinführung in Deutschland (2004) waren aber noch einige Zwischenschritte nötig:

• 1996   Gründung des UMTS–Forums in Zürich – Umbenennung des geplanten europäischen Standards „W–CDMA” in „UMTS”.

• 1998   Übernahme der Modi „W–CDMA” und „TD–CDMA” in den UMTS–Standard auf der ETSI–SMG–Sitzung in Paris.

• 1998   Gründung des 3gpp–Forums (3rd Generation Partnership Project) durch die Gremien ETSI–SMG, T1P1, ARIB TTC und TTA.

• 1999   Verabschiedung des Standards UMTS–R99 (Release 1999) durch die ETSI.  Dieser gilt als Basis für die ersten verfügbaren UMTS–Endgeräte.

• 2001   UMTS Release 4 als Weiterentwicklung von UMTS–R99:  Quality of Service (QoS) wird nun nicht nur an der Funkschnittstelle, sondern auch im Festnetz unterstützt.

• 2001   Erstes kommerzielle UMTS–Netz des norwegischen Unternehmens TELENOR.

• 2002   UMTS Release 5: Die an das GSM–Festnetz angelehnte Architektur wird durch ein vollständig IP–basiertes Netz ersetzt.  Zusätzlich Definition von  $\rm HSDPA$.

• 2002   Erste UMTS–Sprach– und Datenverbindung von Nortel Networks und Qualcomm.  Diese Firmen gelten als Vorreiter bei der Umsetzung der UMTS–Technologie.

• 2005   UMTS Release 6:  Dem Nutzer wird ein verbesserter QoS und dem Anbieter eine effektivere Ressourcenverwaltung geboten.  Daneben Definition von  $\rm HSUPA$.

• 2007   UMTS Release 7:  Berücksichtigung von Realzeitapplikationen wie  $\rm VoIP$  (Voice over IP) und  $\text{Evolved EDGE}$  (kurz nach der Markteinführung von 2G–EDGE).

Diese Jahreszahlen beziehen sich jeweils auf die Spezifizierung.  Bis zur tatsächlichen Nutzung einer Weiterentwicklung hat es meist noch zwei bis vier Jahre gedauert.

Fassen wir die bisherige Aufzählung kurz zusammen, wobei wir uns vorwiegend auf die Situation in Europa und insbesondere in Deutschland um das Jahr 2011 beziehen:

$\text{Definition:}$  Zu den  $\text{Mobilfunksystemen der dritten Generation (3G)}$ zählt man:

• $\rm UTRA–FDD$  ("UMTS Terrestrial Radio Access–Frequency Division Duplex") nach den UMTS–Spezifikationen bis einschließlich Release 7.
  

• Enthalten sind  $\rm HSDPA$  ("High Speed Downlink Packet Access") gemäß UMTS Release 5 und  $\rm HSUPA$  ("High–Speed Uplink Packet Access") nach UMTS Release 6.
  

• Die GSM–Weiterentwicklung  $\rm EDGE$  (in höheren Modi mit 8–PSK–Modulation) wird „3G” zugeordnet; dagegen zählt man  $\rm GPRS$  noch zu den 2G–Systemen.

Mit den genannten Standards war die Entwicklung von UMTS noch lange nicht abgeschlossen:

• Im Dezember 2008 wurde mit der Release 8 unter anderem die Variante  $\rm E–UTRA$  ("Evolved UTRA") spezifiziert, besser bekannt als  "Long Term Evolution"  $\rm (LTE)$.
  

• Bereits im März 2011 wurde dann mit der UMTS Release 10 das bis dahin noch gar nicht eingeführte LTE zu  "LTE Advanced"  $\rm (LTE–A)$ weiterentwickelt.
  
  

Diese 2011 neuesten Mobilfunkstandards werden im vierten Hauptkapitel des vorliegenden Buches  Mobile Kommunikation  ausführlich behandelt.  Man zählt sie zur vierten Generation der Mobilfunksysteme  $\rm (4G)$.  Bereits zu diesem Zeitpunkt war absehbar, dass noch weitere Generationen folgen sollten.  Was sich auch bewahrheitet hat.

Vorher beschäftigen wir uns aber in stark komprimierter Form  (Details finden Sie im Buch „Beispiele von Nachrichtensystemen”)  mit

• den  Gemeinsamkeiten zwischen GSM und UMTS,
  

• den  Charakteristika von GSM, sowie
  

• den  Charakteristika von UMTS.
  
  

Auf der nächsten Seite belegen wir mit einigen im Internet veröffentlichten Zahlen den Erfolg des digitalen Mobilfunks in den Jahren bis 2009. In der Zeit danach gab es einen erkennbaren Rückgang hinsichtlich GSM und einen überproportionalen Anstieg bei UMTS und LTE.

Die Erfolgsgeschichte des digitalen Mobilfunks

Die folgenden Angaben stammen aus dem Vorlesungsmanuskript  [Hin08]  sowie aus verschiedenen im Internet gefundenen Artikeln, zum Beispiel aus  [Göt08] und [Waa10].  Kein einziger Eintrag in einer der Tabellen geht auf eigene Recherchen der LNTwww–Autoren zurück.

Steigerungsraten der deutschen Mobilfunknetze  (als die Summe der vier deutschen Anbieter)

• In den Jahren von 1992 bis 2008 stieg die Anzahl der registrierten mobilen Endgeräte von einer Million auf mehr als 100 Millionen (erste Zeile).  Seit Ende 2005 übersteigt die Anzahl der mobilen Teilnehmeranschlüsse bereits die Einwohnerzahl Deutschlands.
  

• Die größten Zuwachsraten gab es 1992 direkt nach der GSM–Einführung  (allerdings noch auf niedrigem Niveau)  sowie um die Jahrtausendwende  (dunklere Hinterlegungen in der Zeile 2).  Wir erinnern uns an die Euphorie dieser Zeit kurz vor „Platzen der Internetblase”, als die Versteigerung der deutschen UMTS–Lizenzen für insgesamt 20 Jahre Laufzeit und 120 MHz Bandbreite mehr als 100.000.000.000 DM (≈ 50.8 Milliarden Euro) einbrachte.
  

• Aber auch die Zuwachsraten im neuen Jahrtausend (zwischen 5% und 10%) waren beachtlich, wenn man berücksichtigt, dass 2008 jeder in Deutschland Lebende inklusive Säuglingen und Greisen im Mittel schon 1.3 Mobiltelefone besessen hat.
  

• Eine ganz besondere Erfolgsgeschichte war die Einführung der Kurzmitteilungen (englisch:  Short Message Services, SMS).  Beispielsweise wurden 2008 in deutschen Mobilfunknetzen fast 30 Milliarden solcher Kurznachrichten verschickt (dunklere Hinterlegung in Zeile 4).
  

Steigerungsraten der deutschen Mobilfunknetze von 1992 bis 2008

Entwicklung der Mobilkommunikation weltweit  (basierend auf der URL–Seite von  GSMworld)

• 2009 gab es weltweit mehr als 4.3 Milliarden mobile Teilnehmer.  Zum Vergleich:   Die Anzahl der Festnetzanschlüsse lag seit 2005 jeweils knapp unter einer Milliarde  (wohl auch, weil eine Telefonanlage nur als ein Anschluss zählt), und nahm seitdem leicht, aber stetig ab.
  

• Die jährlichen Steigerungsraten weltweit lagen Ende der 2000–er Jahre durchaus über 20% und damit über dem für Deutschland geltenden Wert. Dies lässt sich sicher damit erklären, dass in manchen Ländern 2009 noch keine solche Sättigung festzustellen war wie in Mitteleuropa.
  

• Der GSM–Anteil lag zwischen 2006 und 2009 stabil bei etwa 80%.  Der UMTS–Anteil (inkl. HSDPA) stieg von 2007 bis 2009 von 4% auf 9%, im wesentlichen auf Kosten des japanischen „PDC” und des amerikanischen Systems „cdma2000”.

Mobile Teilnehmeranschlüsse weltweit 2007 – 2009 (GSM und UMTS)

Verteilung der mobilen Teilnehmeranschlüsse auf die einzelnen Kontinente  (Zahlen aus den Jahren 2008 und 2009)

• Der interessanteste Markt für mobile Kommunikationssysteme war zu dieser Zeit (2008/2009) eindeutig Asien.  2009 waren bereits 44% aller Teilnehmer dort registriert und der prozentuale Anteil ist inzwischen sicher noch weiter angestiegen.
  

• Zu berücksichtigen ist auch, dass der prozentuale Anstieg des Asien–Anteils von 42.2% (2008) auf 44% (2009) in absoluten Zahlen einen Anstieg um 350 Millionen Anschlüsse bedeutet hat.
  

• Der relative Marktanteil von Westeuropa ist von 13.4% (2008) auf 11.8% (2009) gesunken, obwohl die absolute Zahl von 493 Millionen auf 510 Millionen gestiegen ist.  Die gleiche Tendenz lässt sich auch bei anderen „Erste–Welt–Regionen” wie USA/Kanada ablesen.
  

Mobile Teilnehmeranschlüsse (2008/2009) in den einzelnen Kontinenten

Aufgabe zum Kapitel

Aufgabe 3.1: Entwicklungen des Mobilfunks