So funktioniert das mobile Internet

"Per Mobilfunk höhere Datenraten als DSL" - so oder ähnlich bewerben die Netzbetreiber ihre mobilen Breitbandzugänge mit den Übertragungsverfahren HSDPA und HSUPA. Tatsächlich bietet die Technologie "High Speed Downlink Packet Access" oder kurz HSDPA in der Übertragungsrichtung vom Mobilfunknetz zum Teilnehmer heute Geschwindigkeiten von bis zu 21,6 Mbit/s. Die Deutsche Telekom will ihr Netz noch in diesem Jahr auf Downloadraten von 42,2 Mbit/s aufbohren. Das komplementäre Upload-Verfahren "High Speed Uplink Packet Access" (HSUPA) erreicht bereits bis zu 5,76 Mbit/s.

Um die angebotenen Bandbreiten ausnutzen zu können, benötigt man allerdings entsprechende Hardware auf der Client-Seite. Die Telekom bietet etwa mit dem "web’n’walk Stick Fusion III" in Kürze ein solches Produkt an. Die meisten derzeit angebotenen Smartphones und Surfsticks unterstützen nur Bandbreiten bis 7,2 Mbit/s im Downlink und 1,44 Mbit/s im Uplink.

Die Technik dahinter, auch als "High Speed Packet Access" (HSPA) bezeichnet, besteht aus einem Protokollzusatz für das Mobilfunknetz UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), mit dem sich die Datenraten, aber auch Latenzzeiten und Fehlerkorrekturverfahren mobiler Datenübertragungen spürbar tunen lassen. Im Folgenden lesen Sie, wie diese Standards im Detail funktionieren und was die Zukunft bringt.

Unterschiede der Funktechnik zwischen UMTS und GPRS/GSM/EDGE

Der 1992 eingeführte Mobilfunkstandard GSM (ursprünglich "Groupe Spéciale Mobile", später international in "Global System for Mobile Communications" umbenannt) war in seiner Architektur ganz auf die Übermittlung von Sprache ausgelegt. Jedem Teilnehmer steht ein eigener, dezidierter Kanal zur Verfügung. Um die raren Mobilfunkfrequenzen effizienter nutzen zu können, wurde ein Zeitschlitzverfahren eingeführt (englisch TDMA - "Time Division Multiple Access", übersetzt etwa: zeitbasierter Mehrfachzugriff). Bis zu acht Verbindungen lassen sich gleichzeitig auf derselben Funkfrequenz übertragen. Mit sogenannten Half-Rate-Codecs waren später sogar bis zu 16 Gespräche pro GSM-Trägerfrequenz möglich.

Die Datenmodi des GSM-Netzes waren zunächst auch auf leitungsvermittelte Verbindungen ausgelegt. Per "GSM-Modem" ließen sich 9,6 Kbit/s, später durch effizientere Codierung 14,4 Kbit/s übertragen. Mit wachsendem Bedarf an Übertragungsbandbreite wurde das Kanalbündelungsverfahren HSCSD ("High Speed Circuit-Switched Data") eingeführt. Es erlaubte die Kombination von bis zu vier 14,4-Kbit/s-"Kanälen" und somit Datenraten von bis zu 57,6 Kbit/s. Doch ein HSCSD-Nutzer belegte vier oder gar fünf (mit einem zusätzlichem Uplink-Kanal) der knappen und teuren GSM-Zeitschlitze. Die Entwicklung unterstrich jedoch die zunehmende Bedeutung von Datenverbindungen (insbesondere per IP für den mobilen Zugriff aufs Internet).

Die Lösung war die Einführung von GPRS, dem "General Packet Radio Service". Der wichtige Entwicklungsschritt war die Abkehr von leitungsorientierten Einwahlverbindungen hin zu paketvermittelten "Always On"-Verbindungen. Zwar nutzt auch GPRS die GSM-Zeitschlitze, stellt diese jedoch mehreren (Daten-)Teilnehmern einer Mobilfunkzelle gleichzeitig zur Verfügung. Je nach eingesetzter Kanalcodierung erlaubt GPRS theoretisch Datenraten bis zu 171,2 Kbit/s. In der Praxis sind Netze und Endgeräte heute auf 53,6 Kbit/s beschränkt. Der geplante Ausbau auf mehr Zeitschlitze oder verbesserte Codierungsschemata wurde von anderen Technologien überholt - etwa dem Datenmodus EDGE ("Enhanced Data Rates for GSM Evolution"), der durch eine modernisierte Netzarchitektur und Kanalcodierung Datenraten theoretisch bis zu 470 Kbit/s, in der Praxis bis 236,8 Kbit/s übertragen kann. Im Uplink liegt die maximale Datenrate bei 118,4 Kbit/s.

Neuer Fokus: Von Sprach- zur Datenkommunikation

GSM und GPRS werden auch als zweite Generation des Mobilfunks bezeichnet (nach der ersten Generation, die analoge Verfahren nutzte wie in Deutschland die A-, B- und C-Netze). EDGE wird häufig als Übergangstechnologie und somit als "2,5 G" betrachtet. Bei der Konzeption der dritten Generation (auch "3G" - die landläufige Bezeichnung für UMTS) lag der Schwerpunkt nicht mehr länger auf Sprach-, sondern vielmehr auf Datenkommunikation. Die gesamte Netzarchitektur ist auf IP-Datenverkehr ausgerichtet. Und das gilt auch für das Funkübertragungsverfahren.

Statt der für leitungsvermittelte Verbindungen optimierten Zeitschlitze nutzt UMTS das für Paketdatenübertragung ausgelegte Code-Multiplex-Verfahren. Seine englischen Bezeichnungen CDMA ("Code Division Multiple Access") beziehungsweise W-CDMA ("Wideband-CDMA") charakterisieren diese Übertragungstechnik.

W-CDMA nutzt für die Signalübertragung das gesamte verfügbare Frequenzspektrum - im Fall von UMTS sind das 5 MHz. Man spricht auch von einem "Spread Spectrum"-Verfahren. Damit der Empfänger das für ihn bestimmte Signal aus dem übertragenen Gesamtgemisch "heraushören" kann, identifiziert er "seine" Datenpakete anhand eines Verschlüsselungscodes, des sogenannten Spreiz-Codes.

Die Code-basierte Spread-Spectrum-Übertragung ist nicht nur für paketvermittelte Verbindungen optimiert - sie profitiert auch von günstigeren Übertragungseigenschaften und erlaubt somit eine effizientere Nutzung der verfügbaren Funkfrequenzen. Die Zahl möglicher Nutzer wird nicht mehr durch die Zahl der verfügbaren Frequenzen und Zeitschlitze, sondern durch die von ihnen benötigte Bandbreite definiert.

Architektur von GSM- und UMTS-Netzen

Nicht nur das Übertragungsverfahren auf der sogenannten Luftschnittstelle (also der verwendete Funkstandard), sondern auch die Netzarchitektur wurde bei UMTS auf den Schwerpunkt Datenübertragung optimiert. Die Struktur eines GSM/GPRS-Netzes bildet noch die Vermittlungsfunktion ab: ein "Mobile Switching Center" oder kurz MSC übernimmt das "Durchschalten" der Verbindungen, der sogenannte "Base Station Controller" oder kurz BSC steuert die "Base Transceiver Stations" (BTS) und somit die einzelnen Funkzellen. Für die Datenübertragung sind Gateways (GGSN - "Gateway GPRS Support Node") ins IP-Netz vorgesehen.

UMTS: Die IP-gerechte Netzstruktur

Im Vergleich dazu repräsentiert die Architektur eines UMTS-Netzes dessen Fokus auf IP-basierte Datenübertragung: Man unterscheidet das "Core Network", das mit Elementen wie einem "Mobile Switching Center Server" (MSCS) und "Media Gateway" (MGW) die Signalisierung und Vermittlung übernimmt, und das eigentliche Funknetz ("UMTS Terrestrial Radio Access Network", kurz UTRAN). Letzteres ist aus mehreren Radio Network Controllern (RNC) aufgebaut. Sie steuern wiederum die einzelnen Funkzellen, die bei UMTS als "Node B" bezeichnet werden. Ihre Funktion entspricht den BTS des GSM-Netzes.

Wichtiger als die etwas unterschiedlichen Fachbegriffe für die Netzkomponenten ist die unterschiedliche Aufgabenverteilung: UMTS-Netze sind in mehreren logischen Schichten organisiert. Sie trennen den Datenverkehr von der Signalisierung und Vermittlung. Eine dritte Schicht ist dann die Serviceschicht (englisch "Service Layer"), die für die einzelnen Netzdienste, aber auch für die Netzüberwachung zuständig ist.

UMTS aufgerüstet: Tuning per HSDPA und HSUPA

Mit der kommerziellen Einführung von UMTS in Deutschland im Jahr 2004 bot das 3G-Netz eine Datenübertragungsgeschwindigkeit von bis zu 384 Kbit/s im Downlink und 64 Kbit/s im Uplink. Die dafür verwendeten Codierungsverfahren sind im sogenannten "Release 99" des UMTS-Standards definiert - der Fassung des Standards, die im Jahr 1999 verabschiedet wurde.

Allerdings versprach UMTS von Anfang an Datenraten von bis zu 2 Mbit/s. Ursprünglich sollte diese Höchstgeschwindigkeit nur an räumlich sehr begrenzten Hotspots zur Verfügung stehen. Doch dieses Konzept wurde schnell verworfen und nicht in die Praxis umgesetzt. An seine Stelle trat HSDPA, der "High Speed Downlink Packet Access". Die erste Ausbaustufe wurde im 2005 veröffentlichten "Release 5" des Funkstandards spezifiziert. Sie erhöhte die Datenraten im Downlink auf bis zu 1,8 Mbit/s und hob die Uplink-Datenrate gleichzeitig auf 384 Kbit/s an.

Das maßgeblich an der Standardisierung beteiligte Herstellergremium 3GPP ("3rd Generation Partnership Project") und die für die Ratifizierung der Standards zuständige ITU (International Telecommunications Union) erkannten schnell, dass der Bedarf an mobilen Datenraten kontinuierlich steigen würde. Deshalb folgte im Jahr 2006 die nächste Ausbaustufe, auch als "Release 6" bekannt. Sie beschleunigte den Downlink per HSDPA auf 3,6 Mbit/s. Parallel dazu wurde auch eine deutlich schnellere Uplink-Technologie vorgestellt: HSUPA ("High Speed Uplink Packet Access") stellte Uplink-Datenraten von bis zu 1,44 Mbit/s zur Verfügung.

Mit "Release 7" wurde "HSPA+" eingeführt, auch "eHSPA" (evolveld HSPA) genannt. Damit stehen theoretisch bis zu 42,2 Mbit/s im Downlink und 11,5 Mbit/s im Uplink zur Verfügung. Mit Release 8 und 9 kamen weitere Übertragungsverbesserungen hinzu, so dass nun im Downlink sogar bis zu 84,4 Mbit/s spezifiziert sind. Einen ausführlichen Überblick über HSPA+ finden Sie unter http://www.umtslink.at/content/ehspa-grundlagen-287.html.

Praxis macht schrittweise Steigerung notwendig

Man mag sich nun fragen, warum die Spezifikationen immer nur schrittweise festgelegt werden. Der einfache Grund: Sowohl die Bauteile in den Endgeräten als auch die Komponenten im UMTS-Kern- und Funknetz sind von der jeweils verfügbaren Prozessortechnologie abhängig. Höhere Datenraten erfordern leistungsfähigere Bauteile. Nur wenn diese sowohl im Mobilfunknetz als auch in den Handys und Datenmodems zur Verfügung stehen, lässt sich die jeweils spezifizierte Übertragungstechnologie auch tatsächlich in der Praxis realisieren.

In der Praxis bedeutet dies allerdings, dass die Kunden für jeden neuen Geschwindigkeitsschritt oder die Einführung zusätzlicher Übertragungsverfahren wie HSUPA+ auch neue Hardware kaufen müssen. Nur wenn der eingesetzte Chipsatz bereits auf eine höhere Ausbaustufe ausgelegt ist, lassen sich die vom Netz angebotenen höheren Datenraten eventuell durch ein Firmware-Update nutzen.

Beachten sollte man zudem, dass die angegebenen Datenraten jeweils Maximalwerte sind. Wegen der Besonderheiten der W-CDMA-Funktechnik sinken die praktisch erzielbaren Werte mit der Anzahl der eingebuchten Teilnehmer und der Entfernung zur Funkantenne beziehungsweise zum "Node B". In der Praxis liegen die erzielbaren Werte bei etwa zwei Dritteln bis der Hälfte der jeweiligen Maximalangaben. Letztlich hängen die Datenraten jedoch von der Anzahl der Teilnehmer und dem Netzausbau des jeweiligen Anbieters ab.

Technik: So funktioniert HSDPA

Wie aber konnten HSDPA und HSUPA die Datenraten von UMTS so deutlich steigern? Die beiden Verfahren setzten an verschiedenen Stellen an, um die UMTS-Übertragung zu tunen. Wichtigstes Ziel dabei war jedoch, dass die gerade erst teuer installierten 3G-Netze für diese Protokollerweiterungen nicht aufwendig umgebaut werden sollten. Sofern die in den Basisstationen eingesetzten Komponenten ausreichend leistungsfähig waren, sollte ein Software-Upgrade genügen. Gleichzeitig sind allerdings auch Ausbaumaßnahmen im Kernnetz notwendig - schließlich müssen die "Node B" bei höheren Datenraten auch über schnellere Backbones an den IP-Verkehr angebunden werden, damit die übermittelten Daten schnell genug zu- und abfließen können.

Effizienter dank besserer Modulation

Ein wichtiger Baustein zur Effizienzsteigerung bei HSPA sind neue, verbesserte Modulationsverfahren. HSDPA und HSUPA basieren auf den Varianten QPSK (englisch "Quadrature Phase Shift Keying", übersetzt: Vierphasen-Modulation) und dem noch leistungsfähigeren 16-QAM ("16 Level Quadrature Amplitude Modulation", also 16-stufige Quadratur-Amplitudenmodulation). QPSK kann per Phasenmodulation pro "Codesignal" 2 Bits gleichzeitig übermitteln. 16-QAM verwendet zusätzlich eine Amplitudenmodulation und überträgt so mit einem Codewort 4 Bits gleichzeitig. Allerdings steigt mit zunehmender Bandbreite auch die Empfindlichkeit gegenüber Störungen. Im Vergleich zu QPSK verdoppelt 16-QAM die Bandbreite - gleichzeitig sinkt aber die Störsicherheit, und die Menge von Interferenzstörungen nimmt zu.

Die Uplink-Technologie HSUPA setzt statt QPSK und 16-QAM eine robustere 1-Bit-Modulation namens Binary Phase Shift Keying (BPSK) ein. Sie erlaubt das Senden von Daten auch bei vergleichsweise stark gestörter Funkverbindung.

Vorwärts-Fehlerkorrektur und intelligente Rekonstruktion

Ein wichtiges Grundprinzip ist deshalb, dass die höherwertigen Codier-Schemata vom Netz nur solchen Endgeräten zugewiesen werden, die sich in geringer Entfernung vom Node B befinden und somit eine gute Signalqualität empfangen. Jeder Teilnehmer empfängt genau die Datenrate, die nach seinen aktuellen Empfangsbedingungen realisierbar ist. Das Endgerät informiert die Basisstation über die aktuelle Empfangsqualität. Je besser die Funkqualität, desto mehr Daten werden übertragen. Dies stellt sicher, dass sich mehr Daten fehlerfrei übertragen lassen. Aufwendige Fehlerkorrekturmaßnahmen können so in vielen Fällen ganz vermieden werden.

Erkennt das Funknetz jedoch, dass die Empfangsqualität sinkt, fügt es den Nutzdaten redundante Daten hinzu. Mit ihrer Hilfe kann das Endgerät auch fehlerhaft empfangene Datenblocks selbstständig rekonstruieren. Die bei schlechten Funkverbindungen verwendete Codier-Rate von 1/4 bedeutet, dass ein Viertel der übertragenen Daten Nutzdaten sind - drei Viertel also für die Fehlerkorrektur benötigt werden. Im Gegensatz dazu kann bei optimalem Funkkontakt auf die Fehlerkorrektur verzichtet werden. Dann kommt eine Codier-Rate von 4/4 zum Einsatz - und somit die maximal mögliche Datenrate.

Die folgende Tabelle zeigt die möglichen Kombinationen von Modulation, Codier-Rate und Anzahl parallel genutzter Übertragungs-"Kanäle":

Das im HSPA-Standard vorgesehene AMC ("Adaptive Modulation and Coding") sorgt dafür, dass sich Basisstation und Endgerät je nach Signalqualität und Netzbelastung bei laufender Verbindung auf das jeweils am besten geeignete Codierungsschema einigen.

Die bei HSUPA eingesetzte BPSK-Codierung (Binary Phase Shift Keying) kann bei der W-CDMA-Codierung einen, zwei, vier oder sechs Codes pro Teilnehmer nutzen. Daraus ergeben sich folgende maximal mögliche Datenraten:

Die angegebene Codier-Rate von 4/4 kommt wieder nur bei glasklaren Funkverbindungen zum Einsatz, die auf jede Fehlerkorrektur verzichten können. In der Alltagspraxis lassen sich daher eher die bei der Codier-Rate "3/4" angegeben Datenraten erreichen

Schneller, optimierter, effizienter

Neben Signalcodierung und Fehlerkorrektur realisiert HSPA weitere Verbesserungen in der Struktur des UMTS-Netzes. Das wichtigste Ziel ist hier eine Verringerung der Latenzzeiten. Typisch für Mobilfunkübertragungen ist nämlich, dass die Wartezeit auf Antworten deutlich höher ausfällt als vom Festnetz gewohnt. Jede interaktive Kommunikation wird dadurch quälend langsam. Das zeigt sich bereits beim Aufbau komplexer Webseiten, wirkt sich noch viel schlimmer jedoch bei Text- und Audio-Chats, Videokonferenzen und ähnlichen Anwendungen aus.

Bei GPRS sind Ping-Zeiten von 600 Millisekunden und mehr typisch. EDGE konnte den Wert bereits auf 400 bis 500 ms senken, UMTS in der Standardausführung erreicht etwa 200 bis 300 ms. Mit HSPA sinken die Ping-Zeiten auf typischerweise 50 bis 200 ms.

Um die Latenzzeiten zu verringern, war es notwendig, die Steuerung der Paketübertragung (das sogenannte Scheduling) näher an die Basisstationen (Node B) heranzubringen. Diese Funktion, die bei UMTS ursprünglich im Radio Network Controller (RNC) angesiedelt war, wandert bei HSPA deshalb direkt in die Steuerungsmodule der Node B. Dies entlastet die RNC und spart Übertragungszeiten. Zudem sendet HSPA verlorene Datenpakete schneller neu, als es bei UMTS (Release 99) möglich war.

Shared Channel Transmission und Fast Hybrid Automatic Repeat Request

Doch HSPA nutzt noch weitere Tricks zur Effizienzsteigerung. Während das CDMA-Verfahren an sich jeder "Verbindung" von Netz zu Endgerät einen individuellen Code und somit einen eigenen virtuellen Kanal zuweist, kann HSPA bei Bedarf einen Übertragungscode mehreren Verbindungen zuweisen. Dieses Verfahren, das als "Shared Channel Transmission" bezeichnet wird, erlaubt es, die in einer UMTS-Funkzelle verfügbare Bandbreite noch besser auszunutzen.

Eine weitere Besonderheit von HSPA ist ein optimiertes Protokoll, mit dem das Endgerät fehlerhaft empfangene Datenpakete sehr schnell neu anfordern kann. Dieses als FH-ARQ (Fast Hybrid Automatic Repeat Request) bezeichnete Verfahren senkt die Latenzzeiten weiter ab. Wie auch das grundsätzliche Scheduling, verlagert HSPA auch die ARQ-Funktion von den Radio Network Controllern (RNC) in die Basisstationen (Node B).

Die Klassen der HSDPA-Endgeräte

Wie bereits erwähnt, müssen HSPA-Endgeräte die notwendige Rechenleistung bieten, um die jeweils gewünschte Codierrate, Fehlerkorrektur und Latenzzeiten unterstützen zu können. HSPA-Protokollelemente wie FH-ARQ erfordern zusätzliche Rechenleistung. Und auch wenn mehrere "Shared Channels" (sogenannte HS-DSCH-Codes - High Speed Downlink Shared Channels) gleichzeitig genutzt werden sollen, erhöht dies die Anforderungen an die Rechenleistung.

Je nach Hardware werden zudem eines oder beide der Codierungsverfahren QPSK und 16-QAM unterstützt, und auch die Zuordnung der Spreizcodes muss innerhalb bestimmter Zeitvorgaben (TTI - Transmission Time Interval) unterstützt werden.

Alle diese Anforderungen führen dazu, dass für HSPA zwölf verschiedene Endgeräteklassen definiert wurden, die jeweils spezifische Werte und Leistungsdaten unterstützen müssen. Mit Release 7 kamen acht weitere Gerätklassen hinzu, Release 8 und 9 definieren jeweils vier neue Geräteklassen, so dass es nun insgesamt 28 Kategorien gibt

Die ersten HSDPA-Geräte auf dem Markt unterstützten die nachträglich definierte Kategorie 12. Heute übliche HSDPA/HSUPA-Geräte zählen zu den Kategorien 9 und 10.

LTE - Long Term Evolution

LTE setzt auf Mimo (Multiple Input Multiple Output) und OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), was Datenraten von 100 Mbit/s im Down- und 50 Mbit/s im Uplink ermöglichen soll. Der auch als "4G" bezeichnete Standard ist anders als HSPA keine Weiterentwicklung von UMTS sondern definiert eine komplett neue Funkschnittstelle. Deshalb sind neben neuen Netzen auch neue Endgeräte nötig, um die Vorteile nutzen zu können. Erste kommerzielle LTE-Netze gibt es in Skandinavien, Testläufe in Deutschland verliefen viel versprechend. LTE wird aber allgemein weniger als Alternative zu UMTS denn als Ersatz für DSL in Gebieten gesehen, die nicht mit schnellen kabelgebundenen Breitbandtechnologien versorgt sind. (TecChannel/haf)