Studie der RWTH Aachen

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Potential lizenzierter schmalbandiger
Funkrufdienste im Wettbewerb mit digitalen
Rundfunkdiensten sowie den Datendiensten
von GSM und GPRS
Studie im Auftrag der e*Message GmbH
Autoren:
Prof.-Dr. Ing. B. Walke
Dipl.-Ing. Marc Peter Althoff
Dipl.-Ing. Peyman Farjami
Dipl.-Ing. Christian Hamacher
Dipl.-Ing. Peter Stuckmann
Prof. Dr.-Ing. B. Walke
Lehrstuhl für Kommunikationsnetze
RWTH Aachen
Kopernikusstr. 16, AVZ
D-52074 Aachen
Internet: http://www.comnets.rwth-aachen.de
13.02.01
STUDIE290.DOC
Status: Release
Version 1.0
© 2001 ComNets, RWTH Aachen
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung der wesentlichen Ergebnisse ........................................... 4
Vorteile von Funkrufdiensten ...................................................................... 4
Hauptanwendungsgebiet für Funkrufdienste............................................. 4
Mobilfunksysteme sind für Punkt-zu-Punkt-Verkehr gebaut..................... 4
Dienste ......................................................................................................... 4
Kernaussagen der Studie............................................................................ 5
Einleitung............................................................................................................. 7
Konkurrenz durch den Massenmarkt GSM................................................ 7
Datendienste in GSM .................................................................................. 7
Zukünftige Rundfunkdienste ....................................................................... 7
Intelligente Endgeräte.................................................................................. 7
Vorteile von Funkrufdiensten ...................................................................... 7
Zusammenfassung...................................................................................... 8
Short-Message-Service............................................................................... 8
Cell Broadcast CBS..................................................................................... 8
GPRS ........................................................................................................... 8
Agententechnik ............................................................................................ 9
DVB-T........................................................................................................... 9
Electronic Payment mit dem Funkrufterminal ............................................ 9
Über den Lehrstuhl für Kommunikationsnetze......................................... 11
Konkurrenz durch GSM-Systeme ................................................................... 12
Einleitung.................................................................................................... 12
Der Short-Message-Service (SMS) in GSM................................................... 13
Architektur .................................................................................................. 13
Protokolle an der Funkschnittstelle........................................................... 13
Festnetzaspekte ........................................................................................ 14
Der SMS-Dienst im Vergleich zum Funkrufdienst ................................... 15
POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN
RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS
STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH
POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT
DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS
Kapazitätsabschätzung ............................................................................. 15
Der Cell Broadcast Service (CBS) in GSM .................................................... 17
Architektur .................................................................................................. 17
Dienste ....................................................................................................... 18
Kapazität des CBCH-Kanals..................................................................... 19
Kommerzielle Nutzung des CBCH ........................................................... 20
Performance and Capacity of GPRS Regarding Internet and WAP Applications
21
Introduction................................................................................................. 21
Internet Applications over GPRS .............................................................. 22
Results for different numbers of PDCHs .................................................. 23
Effects of the Multislot Class ..................................................................... 27
Pure HTTP Traffic...................................................................................... 29
Pure SMTP Traffic ..................................................................................... 30
Capacity Estimation................................................................................... 32
WAP based application over GPRS......................................................... 34
Simulation Results ..................................................................................... 37
Interpretation of simulation results ............................................................ 38
Agententechnologie im Endgerät .................................................................... 41
Intelligenter Terminal-Agent (Terminal-Funktion) für drahtlose unidirektionale Datendienste auf
Pager-Basis................................................................................................ 41
Hardware & Software Anforderungen ...................................................... 42
DVB – Technische Grundlagen....................................................................... 44
Überblick .................................................................................................... 44
DVB-T: Technische Grundlagen............................................................... 44
Datenübertragung über DVB-T................................................................. 45
Zukünftige Interaktive Systeme................................................................. 46
Nutzerbefragung zur Akzeptanz mobiler Datendienste über DVB-T...... 47
Kontext der Befragung .............................................................................. 47
Demographische Zusammensetzung ...................................................... 48
© 2001 COMNETS, RWTH AACHEN
2
Relevante Ergebnisse ............................................................................... 49
Electronic Payment mit Funkrufempfängern .................................................. 53
Anhang A: Kurzdarstellung der Funkschnittstelle in GSM ............................ 54
Die Funkschnittstelle.................................................................................. 54
Logische Kanäle ........................................................................................ 57
Hierarchie der Rahmenstrukturen ............................................................ 60
Erlaubte Kanalkombinationen................................................................... 63
Kanalkombinationen einer Zelle in Abhängigkeit von der erwarteten Zellauslastung
66
Anhang B: GPRS-Simulationsergebnisse...................................................... 68
Anhang C: Abschlusspräsentation.................................................................. 72
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Zusammenfassung der wesentlichen Ergebnisse
Vorteile von Funkrufdiensten
Funkrufdienste haben gegenüber allen anderen Techniken der drahtlosen
Nachrichtenübertragung , sei es Mobilfunk, Satellitenfunk oder schnurloser Übergang
in das Festnetz, unbestreitbare Vorteile:
•
technologisch bedingt eine fast 100%-ige
Teilnehmerendgerätes durch den Funkrufdienst
•
eine sehr geringe Empfängergröße
•
einen geringen Energieverbrauch mit entsprechend hohen Standzeiten der
Batterie
Erreichbarkeit
des
Hauptanwendungsgebiet für Funkrufdienste
Die Hauptanwendungsdomäne ist die zyklische Übertragung jeweils aktualisierter
Daten an den Funkrufempfänger, wobei durch Adressierung sichergestellt ist, dass
nur abonnierte Dienste empfangen werden. Der Umfang der im sog. Karussell
zyklisch aktualisierten Daten ist durch ist durch die Kapazität der lizenzierten
Trägerfrequenzen bestimmt. In gewissem Umfang ist die Übertragung von terminalindividuellen Daten (E-Mail) möglich, die über einen Festnetzzugang veranlasst
worden ist.
Mobilfunksysteme sind für Punkt-zu-Punkt-Verkehr gebaut
Aufgrund der ungewöhnlich hohen Lizenzgebühren für Frequenzen für mobile
Funkdienste ist zu erwarten, dass Mobilfunknetzbetreiber auch in Zukunft ihr
Hauptaugenmerk auf Punkt-zu-Punkt Individualkommunikation legen werden, weil sie
in den Hauptverkehrszeiten so am ehesten wirtschaftlich arbeiten können. In
Nebenzeiten steht viel ungenutzte Kapazität zur Verfügung, die sich aber kaum für
regionale oder landesweite Funkrufdienste eignet, weil die Teilnehmer
erfahrungsgemäß ein kontinuierliches Diensteangebot erwarten.
Dienste
Wegen der bestehenden und erwarteten Integrationsmöglichkeiten von Speicher- und
Verarbeitungsfunktionen und gleichzeitig geringem Energiebedarf solcher
Schaltungen, falls man auf schnelle Verarbeitung verzichtet, ergeben sich neue
Geschäftsfelder für Funkrufdienstanbieter. Ein intelligentes Terminal kann alle im
zeitlichen Verlauf empfangenen Daten speichern, korrelieren und daraus höherwertige
Informationen eigenständig generieren, wie z.B. Börsencharts, Rangtabellen für
Sportarten, Fahrpläne oder das Fernsehprogramm, je nach Wahl und Abonnement
des Terminalbenutzers. Für die Nutzung solcher Funktionen empfiehlt sich ein
Terminal mit vergrößertem Bildschirm und hoher Auflösung, das sich vermutlich nur in
Kombination mit anderen, nicht Mobilfunk-bezogenen Komponenten rechtfertigen
lässt. Ein Beispiel ist ein Personal Digital Assistant (PDA), wie sie z.B. von Palm
gefertigt werden. PDAs werden im kommenden Jahr mit Bluetooth-Funktionalität
ausgestattet sein, für den drahtlosen Zugang zum PC im Nahbereich und damit zum
Internet. Damit ergibt sich auf natürliche Weise ein Rückkanal, über den sich
zusätzlich individualisierte Dienste leicht ansteuern und aufrufen lassen.
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Der Hauptmarkt für Funkrufempfänger wird also in Zukunft für Anwendungen
gesehen, die eine sehr sichere Erreichbarkeit erfordern, oder wo vorbestimmte Inhalte
periodisch aktualisiert und im Terminal gut aufbereitet (grafisch) dargestellt werden,
mit geringen festen Nutzungsgebühren.
Kernaussagen der Studie
1. Funkruftechnik ist bei der schnellen und zuverlässigen Alarmierung
von Einzelpersonen und Gruppen anderen Funksystemen teilweise
deutlich überlegen
•
Bessere Ausleuchtung
•
Längere Standzeiten
•
Kurze Latenz
•
Gruppenruf
•
hohe Orts-/Zeitwahrscheinlichkeit
2. Funkruftechnik kann zusammen mit Agententechnik preiswert PIMähnliche Anwendungen realisieren, subjektiver Eindruck wie WAP
oder i-mode
3. GSM SMS ist ein Massenmarkt, aber
•
für zeitkritische Anwendungen unzuverlässig
•
Gruppenkommunikation schwierig
•
für den Endkunden teuer
•
Belastung der Signalisierungskanäle
4. GSM Cell-Broadcast
• wird kommerziell in Deutschland nicht/kaum genutzt
• von den Netzbetreibern nicht eingeführt, um GRPS/WAP nicht zu
kannibalisieren
• Infrastrukturkosten für Einführung von GSM CB gering
• lokalisierte Informationem sind möglich
5. GPRS
• ist Migrationsschritt zu UMTS
• Fokus Datenanwendungen und WAP (Punkt-zu-Punkt)
• Besserung bringt EDGE
5
• wahrscheinlich hohe Tarife wg. UMTS-Kosten
• PUSH-Dienste unökonomisch
6. DVB-T
• ist z.Z. keine Konkurrenz und bedient einen anderen Markt
• die Endgeräte sind sehr komplex ⇒ teuer, geringe
Standzeiten
7. Electronic-Payment Systeme
•
bieten Perspektive
•
Nutzer wollen mehr Kontrolle über ihr Geld
•
Internet-Zahlungssysteme
•
Verlängerung der Wertschöpfungskette
•
evtl. Partner im Finanzsektor notwendig
8. Rückkanalfähige Geräte
•
können den Markt für SMS angreifen und Paging erheblich
attraktiver für den Massenmarkt machen
•
Realisierung durch 2-way-paging (FLEX) oder hybride
Systeme
6
Einleitung
Konkurrenz durch den Massenmarkt GSM
Durch die Einführung von GSM ist mobile Kommunikation zu einem Massenmarkt
geworden. Mittlerweile nutzen über 30 Millionen Kunden in Deutschland GSMDienste. Dadurch sind die vorher etablierten Kommunikationssysteme wie der Funkruf
oder der Bündelfunk nicht mehr im unmittelbaren Fokus des allgemeinen Interesses.
In dieser Studie werden die schmalbandigen Funkrufdienste mit den Diensten
verglichen, die sich mit GSM oder anderen, breitbandigeren Systemen darstellen
lassen. Dabei wird unter anderem untersucht, weshalb solche schmalbandigen
Systeme auch heute durchaus noch eine Existenzberechtigung haben und
wirtschaftlich arbeiten können.
Datendienste in GSM
Zunächst werden die Systeme beleuchtet, die in einem ähnlichen Umfeld arbeiten und
die deshalb als potentielle Konkurrenz zu den Funkrufnetzen betrachtet werden
können. Zu diesen Systemen zählen die GSM-Netze, die mit dem Cell Broadcast
Service (CBS) und dem Short Message Service (SMS) teilweise ähnliche Dienste
anbieten können. Die Kapazität von den sich gerade im Aufbau befindlichen GPRSNetzen wird ebenfalls erläutert, da sich mit diesen Netzen ebenfalls Datendienste
unter anderem in PDAs realisieren lassen. Vor allem die neue „always on“-GPRSTechnik, die zusammen mit einer volumenabhängigen Tarifierung dem Kunden ein
völlig neues Nutzungsprofil ermöglicht, wird erläutert.
Zukünftige Rundfunkdienste
Einen anderen Weg gehen die DVB-T Netze, die sich zur Zeit in der
Erprobungsphase befinden. Hier werden auf sehr breiten Trägern (8 MHz)
multimediale Inhalte ausgestrahlt. Dabei handelt es sich um reine Rundfunkdienste,
die nicht rückkanalfähig sind und die in diesem Aspekt durchaus mit den bestehenden
schmalbandigen Funkrufnetzen vergleichbar sind. In Kombination mit
Mobilfunknetzen der zweiten und dritten Generation lassen sie sich zu hybriden
Netzen verbinden, die auch bidirektional Daten übertragen können und die so
hochratige Internet-Dienste mobil verfügbar machen.
Intelligente Endgeräte
In der Praxis ist ein Kunde aber nicht abstrakt an hohen Datenraten interessiert,
sondern an Diensten. Die Dienste können aber auch auf andere Weise dargestellt
werden, beispielsweise durch Softwareagenten, die empfangene Informationen im
Endgerät filtern und den Kundenwünschen entsprechend aufbereiten. Diesen
Agenten ist ebenfalls ein Kapitel dieser Studie gewidmet. Es handelt sich dabei um
eine Technik, die sowohl Funkrufnetze als auch die anderen Systeme einsetzen
können.
Vorteile von Funkrufdiensten
Funkrufdienste haben aufgrund der verwendeten Frequenzen eine viel höhere OrtsZeitwahrscheinlichkeit der Funkversorgung als jeder andere Funkdienst. Deshalb
erscheint es attraktiv, in Zusammenarbeit mit Zellularfunknetzbetreibern Dienste
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anzubieten, welche eine besonders hohe Sicherheit der Erreichbarkeit des
Teilnehmers durch Funkruf als Hauptkennzeichen haben. Ein Bespiel ist die
Benachrichtigung über in einer Mailbox eingegangene Nachrichten bestimmter
Prioritätsklassen.
Anhand ausgewählter Szenarien wird dann verglichen, wie eine bestimmte
Aufgabenstellung mit einem Funkrufdienst gelöst werden kann. Der direkte Vergleich
mit anderen Systemen offenbart dabei die Vorteile eines schmalbandigen
Funkrufsystems.
Zusammenfassung
Short-Message-Service
Der SMS-Dienst in GSM ist direkt vergleichbar mit einem selektiven Funkruf. SMS hat
den Vorteil, dass der Absender über den Empfang der Nachricht informiert werden
kann und das auch mehrere Zustellversuche durchgeführt werden können. Allerdings
hat GSM prinzipbedingt eine schlechtere Funkausleuchtung und kann deshalb nicht
den unmittelbaren Empfang der Nachricht garantieren. Der Funkrufdienst kann durch
eine sehr hohe Orts/Zeitwahrscheinlichkeit eine hohe Erreichbarkeit garantieren. Aus
diesem Grund ist der Funkrufempfänger überlegen, wenn die Alarmierung von
Personen sehr zeitnah und mit einer hohen Wahrscheinlichkeit erfolgen muss .
Cell Broadcast CBS
In GSM kann der Cell-Broadcast Dienst ohne Investitionen durch die Netzbetreiber
und mit den bestehenden Endgeräten genutzt werden. Allerdings haben die
Netzbetreiber kein Interesse daran, den gerade eingeführten WAP-Dienst zu
kannibalisieren und machen deshalb von dieser Technik fast keinen Gebrauch. Da es
keine Abrechnungsmöglichkeiten gibt, kann man es nur einsetzen, um sich vom
Wettbewerber abzusetzen, der die Technik aber ohne weiteres auch einführen kann.
Dabei wird wegen der fehlenden Abrechnungsmöglichkeit kein zusätzlicher Umsatz
für den Betreiber generiert. Aus diesem Grund ist mittelfristig nicht mit einer
Einführung in Deutschland zu rechnen. Allerdings kann man durch das zellulare
Prinzip mit dem CBS lokal begrenzt Informationen ausstrahlen. Dies ist ein Vorteil
gegenüber den Funkrufnetzen, die größere Flächen als kleinste unterteilbare Einheit
versorgen. Die Mobilstation kann Cell Broadcast Nachrichten nur empfangen, wenn
sie sich nicht im Gesprächsmodus befindet, sondern im sog. IDLE-MODE.
Die Datenrate, mit der beim CBS Daten übertragen werden, ist mit ca. 0,7kbit/s
vergleichsweise niedrig.
GPRS
Eine Abschätzung des Konkurrenzpotentials von WAP-basierten Paging-artigen
Diensten über GPRS kann erfolgen, indem das Verhalten einer Push-Anwendung auf
eines der erläuterten WAP-Verkehrsprofile abgebildet wird. Wenn vorausgesetzt wird,
daß die Antwortzeit für einen Push-Dienst nicht kritisch ist, jedoch unter 15 Sekunden
liegen sollte, so können etwa 50 Benutzer pro Paketdatenkanal parallel bedient
werden. Da für GPRS bis zu acht solcher Paketdatenkanäle pro Funkzelle
bereitgestellt werden können, ergibt sich eine maximal geschätzte Zahl an parallel
bedienbarer Benutzer von 400 pro Funkzelle. Jedoch ist in den ersten Phasen von
GPRS nicht damit zu rechnen, daß acht Paketdatenkanäle (PDCH) zur Verfügung
stehen werden. Ein realistischer Wert sind zwei bis vier PDCHs, damit würde sich eine
maximale Benutzerzahl von 200 pro Funkzelle ergeben. Ein Funkrufdienst dagegen
könnte eine unlimitierte Zahl von Benutzern in einer Zelle verkraften. Allerdings kann
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mit GPRS bei Bedarf immer ein Rückkanal eingerichtet werden. Diese Möglichkeit
besteht in Funkrufnetzen nicht.
Des weiteren ist zu berücksichtigen, dass GPRS den Übergang zu Netzen der 3.
Generation darstellt. Aufgrund der hohen Lizenzgebühren für Systeme der 3.
Generation (ca. 100Mrd. DM in Deutschland) ist nicht damit zu rechnen, dass das
Tarifmodell von GPRS hohe Datenraten zu niedrigen Preisen zulassen wird, um die
Einführung von UMTS nicht zu erschweren.
Agententechnik
Die heute verfügbaren Funkruf-Empfänger für Datendienste mit alphanumerischen
Anzeigen und begrenzter Speicherkapazität besitzen keine Möglichkeiten zur
nachträglichen Bearbeitung bzw. zur graphischen Darstellung der über Funk
empfangenen Daten. Durch die Integration eines solchen Funkruf-Empfängers in ein
leistungsfähigeres Terminal wie z.B. ein PDA (z. B. Palm Pilot) kann ein erheblicher
Mehrwert bzgl. der Aufbereitung und Darstellung der empfangenen Daten erzielt
werden. Durch den Einsatz eines sogenannten Terminal-Agenten in Verbindung mit
einem solchen mobilen Endgerät kann eine intelligente und nutzergerechte
Darstellung der über Funk empfangenen Daten vorgenommen werden.
Somit können z.B. die über Funkruf empfangenen Börsenkurse, die über eine vom
Benutzer einstellbare Zeitspanne gespeichert werden über beliebige Zeiträume (z.B.
Tages, Wochen-, Monats- und Jahresübersicht) zu einander ins Verhältnis gesetzt
und graphisch in Form von Diagrammen dargestellt werden. Dadurch entfällt die
Notwendigkeit, aufwendige Diagramme in Form von Graphikdateien zu übertragen,
was zur Zeit für auf WAP (Wireless Application Protocol) basierende Datendienste der
zellularen Mobilfunknetze der Fall ist. Da für die meisten Info-Dienste keine PushFunktionalitäten erforderlich sind, stellt diese unidirektionale Lösung eine
konkurrenzfähige Alternative zu den schmalbandigen Datendiensten in den zellularen
Mobilfunknetzen dar. Darüber hinaus können die obengenannten Datendienste
wesentlich kostengünstiger angeboten werden, da als Folge der hohen UMTSLizenzgebühren in Europa und der erwarteten Infrastrukturkosten zu erwarten ist, daß
Datendienste (trotz des bei Paketvermittlung möglichen Multiplexgewinns) pro
übertragenes Bit ähnlich viel kosten werden wie Sprachübertragung.
DVB-T
DVB-T ist die Technik, die beim digitalen Fernsehen eingesetzt werden soll. Da es
sich dabei ebenfalls zunächst um unidirektionale Dienste handelt, ist die Technik mit
einem Breitband-Funkrufnetz vergleichbar. Die Technik wird vorgestellt und mit der
bestehenden Technik verglichen. Außerdem werden aktuelle Forschungsvorhaben in
diesem Bereich erläutert. Die Ergebnisse einer Befragung von Kunden zu den
gewünschten Diensten ist ebenfalls Bestandteil dieses Abschnittes.
Electronic Payment mit dem Funkrufterminal
Die Mobilfunknetzbetreiber gehen heute davon aus, dass ihre Systeme (GPRS;
UMTS) in Zukunft sehr intensiv durch mit Zahlungsvorgängen zusammenhängende
Transaktionen belastet werden. Der Kunde zahlt mit seinem Endgerät und der Betrag
wird vom Netzbetreiber über die Mobilfunkrechnung belastet. Es ist offensichtlich,
dass viele elektronische Zahlungsvorgänge mit der unmittelbaren Leistungserbringung
(Eintritt) bzw. der Ware einhergehen, wobei eine Funkstrecke für den Nahbereich
völlig ausreichend wäre und ein zellulares Mobilfunknetz keine Vorteile hätte. Zu
denken ist an Nahbereichssysteme wie DECT oder Bluetooth, die, eingebaut in
leistungsfähiges Funkrufterminal, als eine kostengünstige Alternative angesehen
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werden können. In dieser Anordnung wäre sogar ein Wiederaufladen des PaymentSystems über den Funkrufdienst denkbar.
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Über den Lehrstuhl für Kommunikationsnetze
Der Lehrstuhl für Kommunikationsnetze der Rheinisch-Westfälischen Technischen
Hochschule (RWTH) Aachen ist der größte Lehrstuhl der Fakultät Elektrotechnik und
Informationstechnik. Unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Bernhard Walke arbeiten fast
40 Assistenten sowie 60-80 Studierende im Bereich mobiler Kommunikationsnetze.
Dabei findet die Forschung sehr industrienah statt, über 80% des Budgets besteht aus
Drittmitteln.
Folgende Themen werden stehen zur Zeit im Mittelpunkt des Interesses:
1. Zellulare Mobilfunksysteme (GSM, GPRS, UMTS)
2. Breitbandige Systeme (Wireless ATM, Hiperlan/2, IEEE 802.11)
3. Bündelfunksysteme (TETRA, TETRAPOL)
4. Fahrzeugbarkenkommunikation (Billing Systeme etc.)
5. Satellitensysteme
6. Terrestrische Rundfunksysteme (DVB, DAB)
7. Drahtlose Internetzugangstechnik
8. Planungsmethoden für Festnetze
9. Dienste für Kommunikationssysteme
10. Hybride Systeme der 4. Generation
Dabei steht die Leistungsbewertung der Systeme sowie die Entwicklung von neuen
Algorithmen im Vordergrund.
Die meisten dieser Systeme werden in dem Buch „Mobilfunknetze und ihre Protokolle“
detailliert beschrieben. Dieses Buch ist bei Teubner erschienen.
Eine genaue Übersicht über die gegenwärtigen Aktivitäten findet sich im Internet unter
http://www.comnets.rwth-aachen.de. Der sog. Annual Report stellt die Themen im
Detail vor.
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Konkurrenz durch GSM-Systeme
Einleitung
Die Entwicklung und Einführung von GSM war und ist ein großer wirtschaftlicher
Erfolg. Mittlerweile nutzen europaweit über 100 Millionen Menschen GSM-Dienste
und die Kapazität der GSM-Netze wächst immer weiter.
Obwohl die meisten Nutzer primär den Sprachtelefoniedienst nutzen, gibt es in GSM
eine Reihe von anderen Diensten. Neben den Datendiensten, die im Kapitel zum
Thema GPRS weiter erläutert werden, sind dies vor allem der Kurznachrichtendienst
SMS (Short Message Service) und der CBS (Cell Broadcast Service). Während der
SMS-Dienst vor allem bei Jugendlichen außerordentlich erfolgreich ist, wird der CBSDienst nur wenig genutzt. Die Ursache dafür werden im Folgenden erläutert.
Um ein Gesamtverständnis der Thematik zu erreichen, wird in Anhang A auf die
Kanalkodierung in GSM eingegangen.
In den folgenden drei Kapiteln werden die Dienste SMS, CBS und GPRS genauer
beleuchtet.
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Der Short-Message-Service (SMS) in GSM
Der Dienst, der in GSM zur Zeit die stärksten Zuwachsraten erreicht, ist der ShortMessage-Service SMS. Niemand konnte vorhersehen, dass so viele Kunden diesen
Dienst nutzen würde. Mittlerweile versenden einige, vor allem junge Kunden bis zu
800 SMS pro Monat. Der Dienst zeichnet sich vor allem durch niedriges
Datenvolumen, relativ hohe Kosten pro Bit und geringe Latenz aus. Er ist mit
Funkrufdiensten vergleichbar, basiert aber auf einem anderen Prinzip.
Architektur
Der SMS-Dienst wird in zwei Varianten erbracht: SMS, die von Mobilstationen
gesendet werden (SMS-MO für Mobile Originated) und SMS, die von Mobilstationen
empfangen werden, sog. SMS-MT (Mobile Terminated). Verschickt ein Teilnehmer
eine SMS von seinem Endgerät, wird diese an das sog. SMSC (Short Message
Service Center) versendet und von dort entweder als FAX, E-Mail oder als SMS an
den Adressaten zugestellt. Eine Übertragung der Nachricht über ein Funkrufsystem ist
bei entsprechenden Verträgen ebenfalls möglich. Eine typische SMS von Endgerät zu
Endgerät besteht also aus einer SMS-MO und einer SMS-MT. Eine SMS darf
maximal 140 Bytes lang sein. Dies entspricht 160 7-bit Zeichen. Diese
Längenbeschränkung resultiert aus dem Transportverfahren im GSM-Festnetz
(maximale Rahmengröße des MTP2 von SS7).
Nachricht
SMSC
BSC
BTS
Status
MTP2 (SS7)
LAPD
LAPDm
An der Funkschnittstelle zwischen Mobilstation und BTS kommen die bestehenden
Signalisierungsprotokolle zum Einsatz, die in einer eigenen Sektion erläutert werden.
Die BTS schickt die Daten über ISDN-Protokolle (LAPD) an die BSC, die dann über
SS7 mit dem SMSC verbunden ist. Sowohl LAPD als auch MTP basieren auf der
bekannten HDLC Protokollfamilie.
Protokolle an der Funkschnittstelle
Die Übertragung von SMS-Nachrichten erfolgt an der Funkschnittstelle auf die gleiche
Weise wie bei Signalisierungsinformationen. Da Signalisierungsinformationen
innerhalb und außerhalb einer Dienstenutzung übertragen werden können, kann man
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SMS auch in einem laufenden Gespräch versenden oder empfangen. Im folgenden
sollen die beiden Fälle separat erläutert werden:
Fall 1: Versand einer SMS ohne bestehende Layer-3 Verbindung
Eine Mobilstation, die keine aktive Funkverbindung mit dem GSM-Netz etabliert hat
und eine SMS versenden möchte, muss zunächst einen Zufallszugriff über den RACH
durchführen. Daraufhin bekommt die Station über den AGCH einen Kanal
zugewiesen, über den die weitere Signalisierung abläuft. Dieser Kanal besteht aus
einer SDCCH/SACCH-Kombination. Dieser Vorgang ist bis hierher identisch mit
einem Rufaufbau oder einem Location-Update. Der einzige Unterschied ist der, dass
kein TCH angefordert wird. Daher wird auch die ganze Verschlüsselungs-Prozedur
wie bei einem Datenruf- oder Gesprächsaufbau durchgeführt.
Die Mobilstation kann nun den SDCCH/SACCH verwenden, um die SMS-Nachricht
über ein eigenes Protokoll (SM-TP, Short Message Transfer Protocoll) an den SMSC
zu verschicken. Die Datenrate dieser Kanalkombination beträgt brutto 0,391 kbit/s.
Danach wird die Verbindung abgebaut und die Kanäle können von anderen Stationen
verwendet werden. Inklusive der ablaufenden Authentisierungsvorgänge beträgt die
Dauer zum Versenden einer SMS mindestens 3-5 Sekunden. Typische Werte liegen
noch darüber.
Empfängt eine Mobilstation eine SMS (SMS-MT), ist der Ablauf nahezu identisch.
Allerdings muss in diesem Fall das Netz zuvor einen Paging-Request an die
Mobilstation senden. Damit dauert dieser Vorgang unwesentlich länger.
Fall 2: Versand einer SMS bei bestehender Layer-3 Verbindung
Wenn sich die Mobilstation bereits in einem Gespräch befindet, ist bereits ein TCH mit
zugeordnetem SACCH zugewiesen worden. Über den SACCH werden kontinuierlich
Siganlisierungsinformationen mit einer Datenrate von 0,383 kbit/s ausgetauscht. Über
diesen Kanal kann parallel zu einer bestehenden Verbindung auch eine SMS
ausgetauscht werden. Allerdings steht nicht die volle Bitrate zur Verfügung, da sich die
SMS die Kapazität des SACCHs mit den Signalisierungsinformationen teilen muss. In
der Praxis beträgt die minimale Dauer zum Verschicken einer SMS parallel zu einer
bestehenden Verbindung ca. 5 Sekunden.
Festnetzaspekte
Nachdem die SMS beim SMSC angekommen ist, wird der Adressat ermittelt. Handelt
es sich um eine Mobilstation, wird der Adressat über HLR und VLR lokalisiert und
versucht, die SMS an die zugehörige MSC auszuliefern. Ist dies erfolgreich, wird die
Nachricht im SMSC gelöscht. Andernfalls kann die Nachricht mehrfach erneut
zugestellt werden, wobei in der Regel das Intervall zwischen den Zustellversuchen
vergrößert wird. Der SMSC kann auch über ein erneutes Einbuchen der Mobilstation
informiert werden. In diesem Fall wird die SMS sofort zugestellt.
Die SMSC sind große Computer, die über verschiedene Schnittstellen angesprochen
werden können. SMS können aus dem GSM empfangen werden, aber auch über das
Internet, über X.25-Zugänge oder über ISDN. Viele GSM-Netzbetreiber betreiben
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keine eigene SMSC, sondern nutzen externe Dienstleister wie Dr. Materna
(AnnyWay), um einen SMSC zu betreiben. Diese Dienstleister sorgen auch für das
Interworking zwischen verschiedenen Netzbetreibern. Aus diesem Grund dauert der
Versand einer SMS über ein solches Gateway zumeist etwas länger.
Die Laufzeiteffekte, die innerhalb des Festnetzes auftreten können, sind nicht
Bestandteil dieser Studie. Zumeist sind diese Zeiten allerdings vernachlässigbar.
Allerdings kann es in Spitzenzeiten zu erheblichen Überlastungen der SMSC
kommen. Dies ist regelmäßig an Silvester oder bei Großveranstaltungen (Love
Parade) sichtbar, bei denen SMS Laufzeiten bis zu 1.5h aufweisen.
Der SMS-Dienst im Vergleich zum Funkrufdienst
Vergleicht man den SMS-Dienst mit einem reinen Funkruf, so stellt man fest, dass
beide Dienste eine zeitnahe Benachrichtigung eines Empfängers ermöglichen. Bei
GSM kann man garantieren, dass die Nachricht ankommt, bei einem Funkruf nicht. Es
ist bei GSM sogar möglich, dem Absender eine automatische Empfangsbestätigung
zukommen zu lassen.
Allerdings ist die Funkausleuchtung eines GSM-Netzes aufgrund des zellularen
Charakters und des unterschiedlichen Frequenzbereiches prinzipbedingt der
Ausleuchtung eines Funkrufnetzes unterlegen. Wenn sich also ein GSM-Teilnehmer
kurzfristig außerhalb des Versorgungsbereiches aufhält, bekommt der die Nachricht
zwar trotzdem zugestellt, aber verzögert. Je nachdem, wie lange er außerhalb des
versorgten Gebietes war und wie viele Zustellversuche der SMSC schon
unternommen hat, kann die Verzögerung von einigen Sekunden bis zu einigen
Stunden betragen.
Bei einem Funkruf dagegen kann zwar nicht garantiert werden, dass ein Empfänger
die Nachricht erhält, aber die Wahrscheinlichkeit ist aufgrund der besseren
Ausleuchtung höher. Aus diesem Grund eignet sich der Funkruf für Alarmierungen
von Personen oder Personengruppen, die sehr zeitnah reagieren müssen.
Kapazitätsabschätzung
Im Kapitel CELL BROADCAST SERVICE werden zwei Zellkonfigurationen mit einem
Transceiver bzw. mit 4 Transceivern vorgestellt. Bei einem Transceiver stehen in einer
typischen Konfiguration 4 SDCCHs zur Verfügung, bei 4 Transceivern 20 SDCCHs.
Das bedeutet, dass ein Netzbetreiber in der Konfiguration mit den 20 SDCCHs
maximal 20 SMS-Nachrichten gleichzeitig an 20 verschiedene Mobilstationen
verschicken kann. Geht man von einer Dauer von 5 Sekunden pro SMS aus, können
also 20 SMS in 5 Sekunden verschickt werden. Dies entspricht einer Kapazität von
ca. 240 SMS pro Minute.
Für viele Anwendungen ist das ausreichend, aber für die Alarmierung von Personal
bei Störfällen in technischen Anlagen kann diese Zeitspanne erheblich zu lang sein. In
diesem Fall könnte der Netzbetreiber die Zellkonfiguration anpassen, aber er muß
gleichzeitig für eine sehr gute Ausleuchtung des Zielgebietes sorgen. Dies ist nicht
immer möglich.
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Der Funkruf ist in einer solchen Konfiguration dem SMS-Dienst möglicherweise
überlegen. Er hat eine höhere Wahrscheinlichkeit, Teilnehmer zu erreichen. Die
Dauer von der Alarmierung bis zum Aussenden des Funkrufs kann zwar bis zu 30
Sekunden betragen, aber danach werden direkt alle Funkrufempfänger gleichzeitig
alarmiert.
Man darf allerdings nicht vergessen, dass ein GSM-Netzbetreiber bei Bedarf auch
andere, besondere Kanalkombinationen einsetzen kann, die die SMS-Kapazität in
einer Zelle erheblich steigern. Dies reduziert allerdings die für Sprachkommunikation
zur Verfügung stehende Kapazität.
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Der Cell Broadcast Service (CBS) in GSM
Bei dem Cell Broadcast Service (CBS) handelt es sich um einen Rundsendekanal,
der in einer GSM-Zelle ausgestrahlt wird. Dieser Kanal kann von allen Mobilstationen
empfangen werden, die sich in der Zelle befinden und die sich nicht in einem
Gespräch befinden. Im folgenden wird die Architektur des CBS erläutert und
hergeleitet, welche Kapazität mit einem solchen Dienst verfügbar ist.
Architektur
CP
Nachricht
CP
CBC
BSC
BTS
Luftschnittstelle (Um)
Status
CP
Sprache
MSC
GSM-Netz
Abbildung 1: Architektur eines CBS-Systems
Abbildung 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines CBS-Systems innerhalb der GSMSystemarchitektur. Außerhalb des GSM-Netzes sind die sog. Content-Provider (CP),
die das GSM-Netz als Medium nutzen, um ihre Inhalte an Kunden auszustrahlen. In
der Regel tritt auch der Betreiber des GSM-Netzes als CP auf. Die Inhalte der
externen CP stehen nicht unter der Kontrolle der Netzbetreiber und könnten
beispielsweise Börseninformationen, Telematikdienste wie Staumeldungen,
Nachrichten oder Unterhaltung sein.
Der Netzbetreiber betreibt den sog. Cell Broadcast Center (CBC) als Teilkomponente
seines GSM-Netzes. Das CBC verwaltet die auszustrahlenden Informationen auf
einer logischen Ebene.
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Unter anderem werden folgende Parameter verwaltet:
•
Auswahl der Zielzellen für eine Nachricht
•
Wiederholrate (max. ca. alle 2 Sek.)
•
Zeitpunkt der letzten Ausstrahlung (Gültigkeit)
•
Auswahl des Kanals (CBCH-Wahl)
In der Regel wählt der CBC die Zellen nicht direkt über die Cell-ID aus, sondern
übergibt der nachgeschalteten Einheit, dem BSC (Base Station Controller), eine Liste
von Zellen, in denen eine bestimmte Nachricht ausgestrahlt werden soll. Ein
typisches GSM-Netz enthält einige hundert BSCs.
Von dem BSC wird bei Bedarf an den CBC zurückgemeldet, wie hoch die Auslastung
in einzelnen Zellen ist und wo Probleme bei der Ausstrahlung aufgetreten sind.
Der Base Station Controller (BSC) ist die Einheit in einem GSM-System, in dem große
Teile der Steuerung der Funkschnittstelle ablaufen. Dort werden die Nachrichten aus
dem CBC empfangen und auf die verschiedenen Zellen verteilt. Dabei wird auch die
Auslastung in den einzelnen Zellen berücksichtigt. Im BSC findet also eine
Ressourcenzuteilung statt. Falls die Ressourcen nicht ausreichen, um die
Anforderungen des CBC bezüglich Wiederholrate zu erfüllen, meldet die BSC dies
dem CBC.
Der BSC kommuniziert mit den Basisstationen (Base Transceiver Station, BTS) sowie
der Hauptvermittlung (Mobile Switching Center, MSC). Üblicherweise kann ein BSC
einige zehn bis hundert BTS steuern. An einer MSC können wiederum mehrere BSCs
angeschlossen sein. Die MSC schaltet die Sprachverbindungen.
Die BTS schließlich ist für das Ausstrahlen der Nachrichten zuständig. Dazu nutzt sie
den Cell Broadcast Channel (CBCH), der im folgenden Kapitel erläutert wird. Die
Zuteilung, welche Nachricht wann ausgestrahlt werden soll, erfolgt im BSC.
Die Mobilstation kann Cell Broadcast Nachrichten empfangen, wenn sie sich nicht im
Gesprächsmodus befindet (IDLE-MODE).
Dienste
Auf dem Rundsendekanal können neben den eigentlichen Nutzdaten auch sog.
SMSCB-Indizes ausgestrahlt werden. Diese ermöglichen den Endgeräten die
Sortierung der empfangenen CBS-Nachrichten in eine Menüstruktur, so dass sich der
Nutzer wie bei einem WAP-Browser durch die Information bewegen kann. Der
Empfang läuft im Hintergrund ab, so dass immer ortsspezifisch relevante
Informationen dargestellt werden können. So ist denkbar, immer die Adresse des
nächsten Geldautomaten abfragen zu können. Die Genauigkeit der Ortsinformation
wird in städtischen Gebieten einige 100m betragen, in ländlichen Gebieten auch
einige Kilometer.
Ansonsten ist der Rundsendekanal dem Videotext ähnlich. Die Art der ausgestrahlten
Informationen ist ähnlich (vgl. GSM 03.41), es gibt keinen Rückkanal und die
Informationen werden periodisch wiederholt.
18
Kapazität des CBCH-Kanals
Die maximale Wiederholfrequenz des Cell Broadcast Channel CBCH beträgt 1.883
Sekunden, entsprechend einem 8x51er Multirahmen. In dieser Zeit können maximal
93 7-bit Zeichen übertragen werden, dies entspricht 88 Bytes. Die maximale
Nettodatenrate laut Standard beträgt ca. 0,782 kbit/s.
Der CBCH wird auch anstelle eines SDCCHs übertragen. SDCCHs werden in GSM
für die Signalisierung während der Rufaufbauphase verwendet (vgl. GSM05.02).
Dieser logische Kanal kann, wie auf Seite 63 beschrieben, in 2 Kombinationen
vorkommen:
1. als Teil des Broadcast-Kanals auf der Beacon-Frequenz; hier stehen 4 SDCCHs
zur Verfügung.
2. als exklusiver physikalischer Kanal mit 8 SDCCHs und zugehörigen SACCHs
Um den CBCH zu verwenden, muss der Netzbetreiber einen dieser SDCCHs für den
Betrieb als CBCH umkonfigurieren. Damit steht der Kanal nicht mehr als SDCCH zur
Verfügung. In kleineren Zellen mit wenigen beschalteten Frequenzen wird vor allem
die Kombination 1 vorkommen. Geht man von nur einer einzigen beschalteten
Frequenz aus, ergibt sich folgendes Bild:
Beispielrechnung 1:
1 Frequenz = 8 Zeitschlitze (TS)
TS(0):
Kontrollfrequenz mit Kanalkombination 5 von Seite 63,
FCCH + SCH + BCCH + CCCH + 4xSDCCH
TS(1-7):
Verkehrskanal für 7 Vollratengespräche oder 14 Halbratengespräche
TCH/F + SACCH/TF + FACCH/F
2x TCH/H+ 2x SACCH/FH + 2x FACCH/H
Verwendet man nun einen SDCCH als CBCH, so reduziert sich die Zahl der
Gespräche, die gleichzeitig signalisiert werden können, von 4 auf 3, mithin eine
Reduzierung um 25%. Dennoch wird dies für eine solche Zelle kaum ins Gewicht
fallen, da bei nur 7 gleichzeitig möglichen Gesprächen die Wahrscheinlichkeit, mehr
als 3 Rufe gleichzeitig aufbauen zu müssen, sehr gering ist. Allerdings wird der
SDCCH neben der Signalisierung bei Rufaufbau auch für die Übertragung von
Kurznachrichten (SMS) eingesetzt. Man kann also auch gleichzeitig weniger
Kurznachrichten pro Zeiteinheit verschicken. Der genaue Wert des Verlustes ist an
dieser Stelle stark von der Konfiguration des Netzbetreibers sowie vom Verhalten der
Nutzer abhängig.
Man darf bei dieser Betrachtung nicht außer acht lassen, dass der Netzbetreiber seine
Zelle nicht so auslasten wird, dass er voll ausgelastet ist. Nach der Erlang-B-Formel
kann er bei 7 Kanälen im Mittel maximal nur 2.9 Kanäle belegen, um eine
entsprechende Dienstgüte mit 2% Blockierwahrscheinlichkeit zu erreichen. Damit muß
in einer solchen Zelle das Sprachtelefonieaufkommen niedrig sein und die SDCCHs
werden nicht voll belastet.
Nach den vorgestellten Zellkonfigurationen auf Seite 66 ergibt sich bei einer Zelle mit
4 TRX (typisch für einen Netzbetreiber in Deutschland) folgende Rechnung:
19
Beispielrechnung 2:
4 Frequenzen = 32 Zeitschlitze (TS)
TS(0):
Kontrollfrequenz mit Kanalkombination 5 von Seite 63,
FCCH + SCH + BCCH + CCCH + 4xSDCCH
TS(1,2):
SDCCH/8 + SACCH/8
1
TS(3-32 )
Verkehrskanal für 7 Vollratengespräche oder 14 Halbratengespräche
TCH/F + SACCH/TF + FACCH/F
2x TCH/H+ 2x SACCH/FH + 2x FACCH/H
In dieser Konfiguration stehen dem Netzbetreiber 20 SDCCH Kanäle zur Verfügung (4
auf TS(0) und je 8 auf TS(1) und TS(2). Damit reduziert der Betreiber durch die
Nutzung eines SDCCHs als CBCH in dieser Kanalkombination die
Signalisierungskapazität auf SDCCH-Kanälen für Rufaufbau und SMS um ca. 5%.
Kommerzielle Nutzung des CBCH
Der CBCH wird zur Zeit in Deutschland nur von Mannesmann Mobilfunk (D2 privat)
und Viag Interkom aktiv genutzt. Mannesmann stellt mit Hilfe des CBCHs die
aktuellen Ortsvorwahlen auf dem Display des Telefons dar, die zu einem günstigeren
Tarif erreicht werden können.
Viag Interkom nutzt den CBCH, um die Koordinaten der Basisstationen auf einem
Kanal auszustrahlen und so lokalisierte Abrechnungsmethoden für die sog. „home
zone“ zu ermöglichen. Damit kann man zu Hause zu Ortsgesprächsgebühren
telefonieren.
Keiner der Netzbetreiber nutzt die Möglichkeiten von hierarchischen Menüs und
priorisierter Übertragung. Das verwundert zunächst, da die Kapazitätsverluste mit ca.
5% SDCCH-Kapazität in einer typischen Zelle vergleichsweise niedrig sind.
Die Gründe liegen auf der Hand: zum einen gab es bis vor kurzem nur wenig
Endgeräte, die die CBCH-Informationen auch ansprechend strukturiert aufbereiten
konnten. Erst die neuen Telefone mit integriertem grossen Display bieten den
entsprechenden Komfort. Hier ist allerdings direkt auch WAP zugänglich, was für die
Netzbetreiber erheblich viel lukrativer ist. Aus diesem Grund haben die Netzbetreiber
bisher keine Veranlassung gesehen, den Kunden via Cell Broadcast kostenlose
Informationen zur Verfügung zu stellen, wenn die Kunden für die gleiche Information
via WAP viel Geld bezahlen. Es ist davon auszugehen, dass sich dieser Sachverhalt
mit der Einführung von GPRS zunächst nicht ändern wird, weil das Tarifmodell von
GPRS an UMTS angelehnt sein wird.
1
Die Zeitschlitze TS(8) bis TS(32) liegen auf den weiteren TRX.
20
Performance and Capacity of GPRS Regarding Internet and WAP
Applications
Introduction
In the framework of the evolution of the Global System for Mobile Communication
(GSM) towards third-generation (3G) mobile communication systems known as
Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) new standards are presently
integrated into the existing mobile radio networks. The driving force for this
development is the predicted user demand for mobile data services that will offer
mobile Multimedia applications and mobile Internet access. After High Speed Circuit
Switched Data (HSCSD) has been introduced in some countries, the General Packet
Radio Service (GPRS) is available since end of 2000 in Europe and many countries
worldwide. With these new services mobile Multimedia applications with net bit rates
of up to 117 kbit/s will be offered and established on the market.
The main intention of integrating the GPRS into the GSM is to increase the number of
connections per bearer by utilizing the given physical channels more efficiently than
the existing phase 2 service. GPRS has been standardised by the European
Telecommunications Standards Institute (ETSI) as part of the GSM Phase 2+
development. It represents the first implementation of packet switching within GSM,
which is essentially a circuit switched technology. Packet switching means that GPRS
radio resources are used only when users are actually sending or receiving data.
Rather than dedicating a radio channel to a mobile data user for a fixed period of time,
the available GSM Traffic Channels (TCHs) can be concurrently shared as Packet
Data Channels (PDCH) between several users. The actual number of users
supported depends on the application being used and how much data is being
transferred. Through multiplexing of several logical connections on one or more GSM
physical channels, GPRS reaches a flexible use of channel capacity for applications
with variable bit rate. GPRS is extremely efficient in its use of scarce spectrum
resources and enables GSM operators to introduce a wide range of value added
services for market differentiation. It is ideal for `bursty' type data applications such as
email, Internet access or WAP based applications. It brings IP capability to the GSM
network for the first time and enables connection to a wide range of public and private
data networks using industry standard data protocols such as TCP/IP and X.25. For a
more detailed description of GPRS see the above mentioned book from Prof. Walke.
This chapter comprises performance analysis and capacity determination with the
GPRSim. The load scenarios are the Internet applications WWW and E-Mail and
WAP based applications. Internet and WAP applications are compared and finally an
estimation for a push service over WAP as potential competition to pager services is
given.
21
Internet Applications over GPRS
The simulated scenarios are characterized by fixed Packet Data Channel (PDCH)
configurations. The traffic mix is set to 30% WWW and 70% E-Mail sessions. The
traffic model parameters for these traffic types are set as described in the Tables 1.1
and 1.2. Further parameter settings can be looked up in [Stu00].
Table 1.1: Model parameters of a HTTP session
Parameter
Distribution
Mean
Pages per session
Intervals beween pages [s]
geometric
negative exponential
5.0
12.0
Objects per page
geometric
2.5
Object size [byte]
log2-Erlang-k
3700
Table 1.2: Mode parameters of an SMTP session
Bulk of data [byte]
E-Mail size
base quota
Distribution
log2-normal
Constant
Mean
10000
300
Variance
1000
---
The correlation between downlink IP throughput and the offered IP traffic is used to
calculate reference graphs for the regarded scenarios. The graphs are obtained by
dividing the offered IP traffic through the number of fixed PDCH. Each PDCH can only
carry a certain traffic, hence the intersection with the x-Axis presents the maximum
carryable traffic per PDCH.
In the following the measures used for performance analysis are described.
Mean throughput per user: For this, the downlink IP packet throughput is
measured on a per-train basis, i.e., IP packets that belong to the same request and
are therefore transmitted without interruption, e.,g., the data of a single object on an
HTML page. This is a crucial parameter for the system's Quality of Service from a
user's point of view. The statistical evaluation of this measure is done by counting the
amount of IP bytes received in each TDMA frame period, if a packet train is running.
Each value divided by the TDMA frame duration represents a value in the evaluation
sequence and is written to the evaluation container class. At the end of the simulation
the mean throughput is calculated from this evaluation sequence.
Mean throughput in the cell: The mean IP throughput in the cell is calculated from
the total IP data transmitted on all channels and for all users, divided by the simulation
duration. In the loss-free system regarded, this equals the offered traffic.
Mean IP packet delay: The end-to-end delay of IP packets is evaluated by means of
time stamps the packets are given, when the IP layer performes an SNDCP data
request for transmission. When the packet arrives at the receiver, the difference of the
current time and the timestamp value is calculated. This value is one element of the
evaluation sequence.
22
Mean PDCH utilization: The mean utilization is the time during which radio blocks
containing data or control information are transmitted over a PDCH divided through
the time it is assigned to the GPRS.
Results for different numbers of PDCHs
The following simulation results were gained for fixed PDCH configurations. The
number of PDCHs are the number of available GSM Channels for GPRS per radio
cell. The session probability for SMTP/HTTP is 70%/30%. SMTP is the model for EMail traffic, while HTTP is the model for WWW traffic. The results are valid for multislot
capability 1,2 and 4, i.e., the GPRS service is realized by allocating capacity of four
PDCH for each user.
Downlink IP throughput
Downlink IP throughput per cell (sum/time)
25
30
2 fixed PDCH
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
6 fixed PDCH
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
6 fixed PDCH
25
Downlink IP throughput [kbit/s]
20
15
10
20
15
10
5
5
0
5
10
15
20
25
30
0
Number of mobile stations
5
10
15
20
25
30
The maximum downlink IP throughput per user during a transmission is about 25 kbps
and decreases with the number of mobile stations.The same trend is given for the
downlink IP throughput per cell. For 3 fixed PDCH the maximum donwlink IP
throughput is about 20 kbps and the trend is equal to the scenarios with four and more
fixed PDCH.
23
Downlink IP delay
Downlink PDCH utilization
5
100
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
6 fixed PDCH
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
6 fixed PDCH
80
Downlink PDCH utilization [percent]
Downlink IP delay [s]
4
3
2
60
40
20
1
0
0
5
10
15
20
25
5
30
10
15
20
25
30
For 25 active users, the utilization reaches for all simulations more than 75%. At this
point, the cell throughput reaches a maximum value and the throughput per user
comes into a saturation.
According to the previous graphical presentations, the following graphs are based on
the same simulations, plotted over the offered IP traffic.
Number of Mobile Stations
Downlink IP delay
30
Downlink IP Throughput
5
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
6 fixed PDCH
25
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
6 fixed PDCH
25
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
6 fixed PDCH
20
4
20
15
10
3
2
1
5
0
5
10
15
20
Offered IP traffic [kbit/s]
25
30
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
5
10
15
20
25
30
The Downlink IP throughput decreases nearly linear with an increasing offered IP
traffic. Like the Downlink IP throughput, the Downlink PDCH utilization seems to be
linearly correlated with the offered IP traffic. This means that the offered IP traffic is
also carried by the system and no losses appear.
24
Downlink IP delay
Downlink PDCH Utilization, Quota SMTP/HTTP 70/30
5
100
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
6 fixed PDCH
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
6 fixed PDCH
80
4
3
2
1
60
40
20
0
5
10
15
20
25
0
30
5
10
PDCH Utilization vs. DL IP throughput
25
30
Reference Graph
100
25
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
6 fixed PDCH
80
20
15
20
60
40
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
0
1
2
3
4
5
Offered IP traffic / PDCH [kbit/s]
DL IP throughput [kbit/s]
6
7
Figure 1.1: Utilization and throughput for a variable number of PDCHs
Lengthening the graphs for the Downlink PDCH utilization until the intersection with
the x-Axis and dividing through the number of fixed PDCH leads to the first reference
graph (Figure 1.1).
An aproximation of the simulation results is given in Figure 1.2. Examples for the
capacity planning, based on this graphical presentations, are given in 1.2. In the
reference graph, the maximum carryable traffic per PDCH is 7 kbps.
Traffic per PDCH = 7 kbps
Reference Graph
Reference Graph
25
25
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
6 fixed PDCH
20
20
15
10
5
15
10
5
0
0
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
Figure 1.2: Simulation and Approximation in the Reference Graph
25
The traffic capacity of 7 kbit/s per PDCH is only valid for the traffic mix simulated,
namely 70 % Email (SMTP) and 30 % WWW (HTTP). However sensitivity
examinations have shown that this is a valid estimation for all TCP based traffic
(WWW, E-Mail). The throughput and delay are different for UDP-based traffic like realtime applications, which are not regarded in the context of copetitive applications for
messaging. WAP based applications will be regarded in the following chapters.
26
Effects of the Multislot Class
The following simulation results were gained to visualize the difference between the
multislot classes 2 and 4. The scenario is modeled according to the previous section
with 4 fixed PDCH.
30
30
Multislot class 2
Multislot class 4
Multislot class 2
Multislot class 4
25
25
20
15
10
20
15
10
5
5
0
0
5
10
15
20
25
30
5
10
15
20
25
30
The maximum downlink IP throughput in the simulation with multislot class 2 is about
60% of the value reached in the simulation with multislot class 4. The results converge
with an increasing number of mobile stations, hence the PDCH utilization allows no
higher throughput. Downlink IP throughput per cell and Number of mobile stations are
linear correlated, just as downlink PDCH utilization and the number of mobile stations.
Downlink IP delay
5
100
Multislot class 2
Multislot class 4
Multislot class 2
Multislot class 4
80
4
3
2
1
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
30
5
10
15
20
25
30
According to the previous graphical presentation, the following graphs are based on
the same simulations, parameterized with the cell throughput. The graphs are very
similar to the previous graphs, due to the linearity between downlink IP throughput and
number of mobile stations.
27
Downlink IP delay
30
30
5
Multislot class 2
Multislot class 4
Multislot class 2
Multislot class 4
Multislot class 2
Multislot class 4
25
25
20
15
10
20
4
15
10
3
2
1
5
5
0
0
5
10
15
20
25
0
5
30
10
15
20
25
30
5
10
15
20
25
As depicted in the previous graphical presentation, the downlink IP throughput
converges, starting at 15 kbps, for the regarded scenarios. The IP delay has a pole for
an offered IP traffic of 25 kbps independent of the selected multislot class.
Downlink PDCH Utilization, Quota SMTP/HTTP 70/30
Reference graph
100
25
Multislot class 2
Multislot class 4
ms 2
ms 4
20
Downlink IP throughput [kbps]
80
60
40
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
1
2
3
4
5
Offered IP traffic / PDCH [kbps/PDCH]
6
7
28
30
Pure HTTP Traffic
This section regards simulations with pure HTTP traffic. The maximum downlink IP
throughput reached in the simulations is 24 kbps. Due to the multislot class of the
regarded mobile stations, the value for 3 fixed PDCH is significantly below the values
for 4 and 5 fixed PDCH.
30
30
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
25
25
20
15
10
5
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
5
10
15
20
Downlink IP delay
30
5
100
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
80
4
25
3
2
1
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
30
5
10
15
20
25
30
The following three graphs present the previous simulations parameterized with the
offered IP traffic. For all simulated scenarios a maximum PDCH utilization is reached
between 15 and 20 active users.
5
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
25
25
4
20
15
10
20
Downlink IP delay
30
30
15
10
3
2
1
5
5
0
0
5
10
15
20
25
30
0
5
10
15
20
25
30
5
10
15
20
25
30
29
It is obvious, that the downlink IP throughput for 3 fixed PDCH and a lightly-loaded
system differs from the values for 4 and 5 fixed PDCH, since the regarded multislot
class is 4.
Downlink PDCH utilization, Quota SMTP/HTTP 70/30
100
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
80
60
40
20
0
5
10
15
20
25
30
Pure SMTP Traffic
An overview of QoS parameters obtained from simulations with 100% SMTP traffic is
given in this section. As expected, the downlink IP throughput decreases with an
increasing number of mobile stations. The maximum reached downlink IP throughput
is about 25 kbps and the maximum cell throughput is 28 kbps for a simulation with 30
mobile stations. Since the PDCH utilisation is at this point about 100%. 30 kbps seems
to be the maximum cell throughput for 5 fixed PDCH.
30
30
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
25
25
20
15
10
5
20
15
10
5
0
0
5
10
15
20
25
30
5
10
15
20
25
30
30
The PDCH utilization increases not so fast and more linear than the PDCH utilization
in the previous simulations for pure HTTP traffic.
Downlink IP delay
5
100
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
80
4
3
2
1
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
30
5
10
15
20
25
30
The following graphs present the previous simulations parameterized with the offered
IP traffic. As mentioned in the previous section, the reached downlink IP throughput for
3 fixed PDCH is significantly below the values obtained from simulations with 4 and 5
fixed PDCH.
30
Downlink IP delay
30
5
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
25
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
25
15
10
20
4
20
15
10
3
2
1
5
5
0
0
5
10
15
20
25
30
0
5
10
15
20
25
30
5
10
15
20
25
30
The PDCH utilization increases linear until the value 100% is reached.
31
Downlink PDCH utilization, Quota SMTP/HTTP 70/30
100
3 fixed PDCH
4 fixed PDCH
5 fixed PDCH
80
60
40
20
0
5
10
15
20
25
30
Capacity Estimation
The objective of this section is to find the necessary number of channels to guarantee
a certain QoS. It is also possible to calculate the QoS, e.g. the downlink IP throughput,
based on the available number of channels.
With the fixed PDCH simulations (Figure 1.1), gained from the GPRSim GPRS
simulator, capacity planning can be done according to the next three steps:
1. estimate the number of users per cell
2. calculate the user specific offered traffic and the offered traffic per cell
3. calculate the needed number of PDCHs
The needed number of PDCHs is calculated, based on the postulated QoS, e.g. the
needed user throughput, whereby the number of needed PDCH the quota of
estimated traffic and acceptable traffic per PDCH is.
PDCH=Estimated Traffic/AcceptsableTraffic per PDCH
The projected offered traffic per User is 540 kbyte/h (9 kbyte/s) with 70% SMTP and
30% HTTP.
Example: Estimating the needed channels
To visualize the above introduced dimensioning procedure, the following example is
given. In this case, the QoS is given in advance and the number of channels used is
calculated. With a given, resp. wanted downlink IP throughput of 12.5 kbps, the
needed number of PDCH can be calculated according to the next three steps:
•
•
•
estimate the number of users per cell
User = 10
calculate the offered traffic per user and the total offered for the regarded scenario
Offer/User = 540 kbyte/h = 4320 kbit/h = 1.2 kbps
Total offer = 43200 kbit/h = 12 kbps
gain the carriable traffic per PDCH from the respective reference graph
→ Acceptable Traffic per PDCH = 3.5 kbps/PDCH
→ needed PDCH: 3.4
32
To fit the simulations, it is necessary to round of the calculated number of PDCH to the
next integer value.
Example: Estimating the downlink IP throughput per user
Calculation of the downlink IP throughput for a certain number of PDCH and an
estimated number of users, is straight forward by the inversion of the previous
approach.
Let the number of given PDCH be 4 and the estimated number of users per cell 10.
→ given number of PDCH: 4
User = 10 For the regarded load scenario (70 % smtp and 30 % http), the offered
traffic per user is about 540 kbyte per hour, resulting in a total offer for 10 users of 12
kbps:
Offer/User = 540 kbyte/h = 4320 kbit/h = 1.2 kbps
Total Offer = 43200 kbit/h = 12 kbps
•
•
traffic per PDCH
→ PDCH = 3 kbps/PDCH
Quality of Service
→ Throughput/User = 12 kbps
33
WAP based application over GPRS
For the WAP traffic models some application classes with their related parameters
have been regarded. In addition to the parameters mentioned above, the `hold on'
option, according to the WAP specification, is also examined. All other parameters are
set to the one sused in tables 1.3 and 1.4. The most important untoggled parameters
are outlined in table 1.6, an overview of the parameters of the different simulation
series are given in table 1.5.
Table 1.3: Achieved Parameters for the WAP Loadgenerator
Value
mean
standard
deviation
log2
mean
News
Response Time of Network [s]
4.8679
10.8073
Reading Time of User [s]
11.3938
16.5082
Size of ‚Get Request‘ – Packet [byte] 82.1504
26.1636
6.3138
Size of ‚Content‘ – Packet [byte]
638.4286 389.8619 8.9235
Number of decks retrieved during one 22.25
session
E-Mail
2.910
8.2359
9.9819
22.1847
Size of ‚Get Request‘ – Packet [byte] 112.0709 57.7488
6.719
582.8583 269.6853 8.9573
session
M-Commerce
1.6654
3.8349
10.6866
13.0844
Size of ‚Get request‘ – Packet [byte]
84.32
16.5236
6.3712
640.98
342.8864 9.0620
Number of decks retrieved during one 20
session
Common
3.4145
14.0849
13.7556
116.8409
Size of ‚Get Request‘ – Packet [byte] 108.1966 84.6781
511.0638 367.9254 8.5073
session
All packet sizes are the amount of raw data the WTP layer generates
log2
variance
0.1151
1.4451
0.1994
0.8791
0.0771
0.9407
1.7303
The parameters for the timers and counters are as in table 1.4. The parameter for the
maximum deck size is chosen to be 1397 byte according to the first CS WAP capable
device on the german market, the Nokia 7110.
34
Table 1.4: Additional Parameters needed for the WAP Traffic Model
Description
Retry- and Acknowledgement- timer: after expiration (no acknowledgement send) the data gets retransmitted
Wait for timeout interval: time the client waits after the last acknowledgement
Number of retries: how many times does WTP try to transmit a packet
(request, response, acknowledgement and ‚hold on‘) again
Maximum decksize: UDP data does not exeed this size
Value
60 s
240 s
4
1397 bytes
The graphs shown later in this chapter always refer to the number of concurrent users,
i.e. if a user has ended a session, a new session is started immediately (inter-arrivaltime set to zero). For capacity planning, this value has to be mapped to a number of
users that can use the WAP service. This can be done through the examination of the
users behavior to use the service, i.e. the distribution how likely a certain number of
users concurrently will use the service.
The graphs will be refernced by the page number and the subfigure in alphanumerical
order, e.g. 44 (b) means the upper right graph on page 44.
The measures to be considered are in view of the
User: The response time of the network; time from sending the request for a deck until
the result is received, i.e. when the result can be displayed for the user
System: The cell throughput (sum of all data transported divided by the time needed)
and the PDCH utilization (ratio between blocks containing data or control
information to all blocks transmitted)
Table 1.5: Overview on Simulation Series and the parameters used
Number
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
•
•
‚direct hold
on‘ set to
On
On
On
On
On
On
on
on
on
on
Segment
Size IP
512
1500
1500
1500
1500
1500
1500
1500
1500
1500
Traffic
Mix
Mix
Mix
Mix
Mix
Mix
E-Mail
News (paper)
M-Commerce
Common
error on
channel
0
0
0
13.5% (12dB)
13.5% (12dB)
0
0
0
0
0
No. of
PDCH’s
1
1
1
1
4
4
1
1
1
1
‚Mix‘ means 50% Common, 25% E-Mail, 15% News(paper) and 10% MCommerce
Each series with the parameter ‚Mobile Stations‘ set to 1, 2, 4, 6, 10, 20, 25, 30,
40, 45 and 50 (not all simulated right now, graph may be truncated)
35
Table 1.6: Overview of fixed parameters for Simulation Series
Parameter
set to
Simulated Time
80 min real-time
multislot capability of mobiles (number of parallel usable channels 4
in up- and downlink direction)
inter-arrival-time between sessions
0
probability for WAP sessions
1
maximum session duration
15 min
MTU of LLC layer
1520 byte
LLC window size
16
IP header compression
factor 0.125
mode of RLC/MAC layer
acknowledged
coding scheme
2
mobility model
none / fixed C/I
Sensitivity Analysis
For the sensitivity to traffic characteristics, the following graphs show the response
time of the server over the number of concurrent users (MS), the total (cell) IP
throughput in up- and downlink direction over the MS and the PDCH utilization over
the MS. The mean session duration and the number of sessions during 80 min.
simulated time duration is also depicted over the number of MS.
The sensitivity analysis regards the parameters (shown in the left upper corner of the
graphs) :
•
•
•
•
•
IP segment size (SSIP): series 1 versus 2
hold on': series 2 versus 3
error on channel: series 4 and 5 versus 3 and 6
number of PDCH`s: series 5 and 6 versus 3 and 4
traffic: series 7-10
The curves gained from simulations show inconsistencies for higher load situations
due to statistical reliability over limited simulated time.
Sensitivity to Segment Size IP (SSIP)
This parameter sets the size of IP packets segmented (and re-assemblied) in the IP
layer. The more the packets are segmented, the more data has to be transmitted as
for each segment a related header is generated. 42 (b), (c) and (d) show this behavior,
since the throughput and utilization significantly rises by around 10%.
The procedure implemented for SAR uses no processing time, so response times in
1
42 (a) are not significantly different .All other simulations were done by using the
option `SSIP' set to a size of 1500 byte.
Sensitivity to `direct hold on' option
1
The curves show inconsistencies for higher load situations due to statistical reliability over limited simulatied
time.
36
The difference in this option is, that the server sends a `hold on' message directly after
the request has arrived or waits until the timer for processing has expired. 43 (c)
shows the effect that response times tend to be higher with `direct hold on' set
to `on'. Since the `hold on' packets are sent in downlink direction, the DL IP throughput
is significantly touched by around 10%, just like the PDCH utilization.The UL IP
throughput is not significantly touched.
All other series were simulated using `direct hold on' set to `on'.
Effects of error on channel
The errorfree channel provides a slightly better response time over the channel with
an error of 13.5% (12 dB), especially to be noticed when comparing the graphs for 1
PDCH used, series (2) and (4) in 43 (i). The total IP throughput and PDCH utilization
(Figures 44 (a), (b)) is comparably higher in the errorfree case as transmitting
conditions are better. The better response times lead to a lower session duration (44
(c)), which can be put down to that, if the same amount of decks are requested, this
takes a shorter period of time with low response times.
Effects of number of PDCHs
The response times drop (43 (i)), session durations corrospondingly fall (44 (c)), IP
throughput and PDCH utilization recede (Figure 44 (a), (b)) when 4 instead of 1 PDCH
are available for GPRS. The gain of using a quadruplication of the number of PDCHs
equals not a linear factor of 4. The response times shrink roughly by a maximum factor
of 1/3 , the IP throughput falls only by a maximum factor of 2/3.
This behavior is explained in detail in the next paragraph (Interpretation to traffic
characteristics)
Sensitivity to traffic characteristics
For the sensitivity it is only to remark that different user profiles significantly change the
results (44 (e) – (h)). Please refer to the section Overall Analysis for the interpretation
of the results.
Simulation Results
For the sake of clarity the detailled results of the GPRS performance simulations have
been moved to Annex B.
37
Interpretation of simulation results
Besides the look at the results for each seperate user profile in the first section and an
overall interpretation and performance analysis, a comparison between WAP and
HTTP traffic is presented in section Overall Analysis on this page.
The different user profiles
Obviously the different user profiles and their parameters featured in the framework of
this thesis strongly affect the results (44 (e) – (h) and 45 (a) – (b)). There are two
associations clearly to be noticed:
1. The total up- and downlink throughput corresponds to the mean values of the
packet sizes in up- and downlink direction, `Get Request' and `Content' (profile
`M-commerce' with highest DL IP throughput, profile `News' with lowest UL IP
throughput
2. The response time on the profile `News' and `M-Commerce' is relatively long as
they have the biggest size of the `Content' packets
Other correlations may possibly be found, if the parameters for the different user
profiles would be changed to a higher extend.
Overall Analysis
All simulations show, that the downlink IP throughput and the PDCH utilization
reaches a maximum and then descends if more traffic is generated. Even so, the
number of sessions and the response times do not show a connection to this
phenomenon. From the users point of view the QoS is defined by the response time
for a request, so this is to be rated. In the framework of this study, the delay and time,
the gateway needs to fetch a WML file over HTTP and the Internet, is not regarded,
i.e. set to zero. The time for an acceptable response time is here exemplarily set to 4
seconds. With this boundary value a performance analysis can be done by using 43
(h). Series 4 and 5 are chosen here, as they approximate a situation with errors on the
channel, likely to be encountered in real operation, most. In this case a multiplexing
gain of roughly a factor of 25 can be found when using one channel as GPRS PDCH
in comparison to using this channel as a CS GSM channel with 9600 kbit/s and the
factor of 8.5 for 4 channels (34 divided by 4 channels). On the other hand, QoS rises
by over a factor of 2, if a basis of 20 active stations are taken when the number of
PDCH is switched from 1 to 4.
From the sytem`s point of view the throughput and PDCH utilization reaches a
maximum around 15-20 concurrently active stations for the same scenario.
The bad performance gain of 4 over 1 PDCH (roughly factor 2 in response times
overall) can be explained by the low utilization of the PDCH, shown in Figure 43 (i), (j),
originated from the amount of small packets generated from WAP users, which are
enforcing frequent and relative to the transmission phase high RLC/MAC signalling
delays. The RLC/MAC layer has to multiplex the MS on the GPRS channel and
therefore a temporary block flow (TBF) for each transmission has to be established.
This method for multiplexing is very effective if a larger amount of data is transferred in
one bulk, but if small amounts of data from many users are to be transmitted -- like the
packets in WAP – the updating of context between resources and current users uses
comparatively high resources in form of signalling on the channel. The phenomenon
that the system throughput decreases with more active MS (beginning with 30 MS)
can be explained with inefficient scheduling mechanisms in the RLC/MAC layer. This
38
can be solved by optimizing the RLC/MAC implementation for a large number of users
per cell being active at the same time. When looking at the utilization when HTTP
instead of WAP is used, it reaches a maximum of 100\% at 20 mobiles active (45 (f)).
Although the utilization recede for WAP in higher load situations, the number of
sessions almost linearly grow at the cost of higher response times leading to longer
session times for the same amount of decks retrieved during one session.
These circumstances can be seen throughout all simulations.
Comparison of HTTP and WAP traffic
Figure 45 (e) shows the throughput during the transmission phase of a HTTP session.
According to the parameters for the Internet model (2.5 objects per page with a size of
3700 byte/s) this can be calculated to equivalent response times shown in 45 (c). The
IP throughput in downlink direction and the PDCH utilization of the same simulations
are depicted in Figure 45 (d) and 45 (f). When comparing these simulations executed
with 3 and 4 PDCH to WAP simulations in the Figures 45 (e) – (h), the advantage of
WAP over HTTP can be seen. The gain in response time is always greater than factor
2 when comparing WAP using 1 PDCH and HTTP using even 4 PDCH. Assuming
that WAP may use also 4 PDCH, this raises to factor 10 by taking 20 MS as a basis.
The results point out that the channel is more utilized by HTTP. This shows that WAP
traffic lets open reserves of radio resources for other applications.
Estimated Performance of the Push Services
An estimation can be done by mapping the behavior of the push service to a profile
introduced in this study. A push service would, once activated, transfer information
(`Content' packets) in DL direction with the WTP class 1. When comparing this to the
implemented method of requesting data with WTP class 2, it becomes visible,
that there would be no
• `Get Request', which are sent in UL direction; there is no bottleneck, as the UL IP
throughput is only a fraction of the DL IP throughput and can therefore be
neglected
• `hold on' packets, which are sent in DL direction, but only touch the performance
by around 10% (1) and have no major effect on the capacity
Due to these facts, a mapping to the `Common' profile can be done, assuming that the
time between 2 pushes corrospond to the reading time. The `Common' profile can
then be taken for the estimation of a Paging service (or Push Service). Supposed, that
response times are not relevant for the push service, there is no maximum reached
with 50 MS (44 (e)). The address space on the air interface, nevertheless, is 32 MS
per radio cell. Since for GPRS not more than 4 PDCH will be available in the next
years the theoretical maximum of 128 WAP users that can be served in parallel
without a limit for the response time. This value is only possible, if no other services
are requested and served by the GPRS network.
39
Konkurrenzpotential von WAP über GPRS in Hinblick auf Paging-Dienste
Eine Abschätzung des Konkurrenzpotentials für WAP-basierte Paging-Dienste über
GPRS kann erfolgen, indem das Verhalten einer Push-Anwendung auf eines der
erläuterten WAP-Verkehrsprofile abgebildet wird. Wenn vorausgesetzt wird, daß die
Antwortzeit für einen Push-Dienst nicht kritisch ist, jedoch unter 15 Sekunden liegen
sollte, so können etwa 50 Benutzer pro Paketdatenkanal parallel bedient werden. Da
für GPRS bis zu acht solcher Paketdatenkanäle pro Funkzelle bereitgestellt werden
können, ergibt sich eine maximal geschätzte Zahl an parallel bedienbarer PagingBenutzer von 400 pro Funkzelle. Jedoch ist in den ersten Phasen von GPRS nicht
damit zu rechnen, daß acht Paketdatenkanäle (PDCH) zur Verfügung stehen werden.
Ein realistischer Wertist vier PDCHs, damit würde sich eine maximal Benutzerzahl von
200 pro Funkzelle ergeben. Da der Adressraum auf der Funkschnittstelle die Anzahl
bedienbarer Benutzer auf 32 pro PDCH limitiert, ergibt sich ein maximaler Wert von
128 bedienbaren WAP-Benutzer pro Funkzelle. Dies setzt voraus, dass keine
anderen Dienste ausser dem betrachtete Push-Dienst angefordert und bedient
werden.
Im Gegensatz dazu kann ein Funkrufdienst bei nicht-personalisierten
Informationsdiensten eine beliebige Anzahl von Nutzern pro Flächenelement tragen.
Durch eine Erhöhung der Nutzerzahlen entstehen hier keine weiteren Kosten. Da aus
dem Internet bekannt ist, dass die meisten Kunden auf die gleichen Seiten zugreifen,
kann man den Kunden ähnliche Dienste anbieten.
40
Agententechnologie im Endgerät
Intelligenter Terminal-Agent (Terminal-Funktion) für drahtlose unidirektionale
Datendienste auf Pager-Basis
Die Übertragungsanforderungen an Datendienste für mobile Teilnehmer können in
vielen Anwendungen (z.B. reine Push-Dienste) durch deutlich kostengünstigere
Punkt-zu-Mehrpunkt-Systeme wie die existierenden Funkrufsysteme (PagingSystems) realisiert werden. Die Betreiber dieser Funkrufsysteme stellen heute schon
Datendienste für ihre Teilnehmer mit dem entsprechenden Funkruf-Empfänger bereit,
um sie z.B. über die aktuellen Börsenkurse, Wirtschafts- und Wetternachrichten zu
informieren.
Darüber hinaus verfügen solche Funkrufnetze im Vergleich zu zellularen
Mobilfunknetzen über eine bessere Funkversorgung. Somit können die über Funkruf
angebotenen Datendienste auch überall da, wo es keine ausreichende
Funkversorgung durch die zelluleren Mobilfunknetze gibt (z.B auf den Bahnstrecken)
in Anspruch genommen werden.
Des weiteren sind sie auch in schwierigem elektromagnetischen Umfeld wie
Krankenhäusern einsetzbar, da die Endgeräte (Pager) nur empfangen und selbst
nicht senden.
Die heute verfügbaren Funkruf-Empfänger für Datendienste mit alphanumerischen
Anzeigen und begrenzter Speicherkapazität besitzen keine Möglichkeiten zur
nachträglichen Bearbeitung (Vergleich der Daten über verschiedene Zeiträume) bzw.
zur graphischen Darstellung (Erstellung von Diagrammen) der über Funk
empfangenen Daten.
Durch die Integration eines solchen Funkruf-Empfängers in ein leistungsfähigeres
Terminal (höhere Speicherkapazität, graphik-fähiges Display und größere
Prozessorleistung) wie z.B. ein PDA (Personal Digital Assistant) kann ein erheblicher
Mehrwert bzgl. der Aufbereitung und Darstellung der empfangenen Daten erzielt
werden.
Durch den Einsatz eines sogenannten Terminal-Agenten in Verbindung mit einem
solchen mobilen Endgerät kann eine intelligente und nutzergerechte Darstellung der
über Funk empfangenen Daten vorgenommen werden. Der Terminalagent besteht
aus einem vom Benutzer konfigurierbaren Code.
Der erforderliche Terminal-Agent zur intelligenten Aufbereitung der über einen
Funkruf-Empfänger empfangenen Datendienste ist durch folgende Merkmale
charakterisiert:
41
•
Die über Funkruf empfangenen Daten werden gespeichert und zu einer
nutzergerechten Darstellung aufbereitet, indem die zu verschiedenen Zeitpunkten
empfangenen Daten über beliebige vom Benutzer einstellbare Zeiträume zu
einander ins Verhältnis gesetzt und graphisch als Diagramme dargestellt werden.
•
Die Konfiguration der persönlichen Daten erfolgt durch den Benutzer auf dem
Terminal, um eine Filterung und Personalisierung der empfangenen Daten
vorzunehmen.
•
Es werden nicht nur die über Funkruf empfangenen aktuellen Daten für die
Aufbereitung und die graphische Darstellung verwendet, sondern es ist auch ein
Zugriff auf bereits vorhandene beliebige Datenbankinhalte möglich, indem über eine
Datenverbindung zwischen dem Terminal und einem Rechner mit InternetAnbindung eine Synchronisierung veranlasst wird.
•
Eine Aktualisierung (Update) der Funktion erfolgt automatisch als ladbarer Code
über Funk oder das Internet.
Somit können z.B. die über Funkruf empfangenen Börsenkurse, die über eine vom
Benutzer einstellbare Zeitspanne gespeichert werden über beliebige Zeiträume (z.B.
Tages, Wochen-, Monats- und Jahresübersicht) zu einander ins Verhältnis gesetzt
und graphisch in Form von Diagrammen dargestellt werden. Dadurch entfällt die
Notwendigkeit, aufwendige Diagramme in Form von Graphikdateien zu übertragen,
was zur Zeit für auf WAP (Wireless Application Protocol) basierende Datendienste der
zellularen Mobilfunknetze der Fall ist. Darüber hinaus können bei Bedarf Maximal-,
Minimal- und Mittelwerte der empfangenen Daten über beliebige Zeitintervalle im
Terminal berechnet und angezeigt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur nutzergerechten Darstellung der Informationen ist die
terminal-seitige und dynamische Erstellung von Tabellen anhand der übertragenen
Daten wie z.B. die Ergebnisse von Sportereignissen. Somit kann z.B. die aktuelle
Fußball-Bundesliga-Tabelle bei Bedarf im Terminal erstellt und angezeigt werden,
ohne daß die Tabelle als Graphikdatei übertragen werden muß.
Anhand der terminal-seitigen Konfiguration der Funktion durch den Benutzer kann
eine Personalisierung der Datendienst-Inhalte vorgenommen werden. Dadurch
werden aus der Gesamtmenge der gesendeten Daten nur die für den Benutzer
relevanten Inhalte gespeichert und bearbeitet.
Der Terminal-Agent kann sowohl als Hardware-Einrichtung (gemeinsam auf der zu
integrierenden Funkrufempfänger-Hardware) als auch als ladbare Software im
Terminal realisiert werden.
Hardware & Software Anforderungen
Zur Realisierung des oben beschriebenen Konzeptes sind folgende Hardware- und
Software-Voraussetzungen erforderlich:
•
Die Hardware-Realisierung des Pager-Empfängers (POCSAG, FLEX, ERMES,
...) als Steckkarte bzw. externes Modul.
•
Ein mobiles Endgerät zur Verarbeitung und Darstellung der Daten mit
Erweiterungsmöglichkeiten zwecks Integration der Pager-Hardware in Form einer
42
Steckkarte und/oder eines externen Moduls. Hierfür eignen sich z.B. die PDAs
Palm Pilot der Firma Palm bzw. Visor der Firma HandSpring.
•
Die Verfügbarkeit eines API (Application Programming Interface) um eine
Schnittstelle zwischen der Pager-Hardware und dem zu programmierenden
Terminal-Agenten bereitzustellen.
•
Die Verfügbarkeit eines SDK (Software Development Kit) zur Entwicklung der
Software (Terminal-Agent) auf der entsprechenden Plattform.
Die durchgeführten Recherchen haben für die verschiedenen Hardware-Möglichkeiten
folgendes ergeben:
Interne Steckkarten
Für alle Palm Pilot-Modelle mit einem Slot für Zusatz-Steckkarten (z.B. Palm III)
existiert bereits eine Pager Card der Firma Motorola mit der Bezeichnung "Motorola
Synapse Pager Card", um beliebige Pager-Anwendungen für den Palm Pilot zu
realisieren.
Diese Pager Card unterstützt jedoch ausschließlich den in den USA verbreiteten
FLEX-Standard im Frequenzband 929 bis 932 MHz und nicht den POCSAGStandard. Diese Pager Card wird in den USA von dem Funkrufnetzbetreiber
PAGEMART eingesetzt und geliefert, um den Palm Pilot-Nutzern Datendienste
(Aktienkurse, Wirtschafts- Wetter- und Sportnachrichten, ...) per Funkruf zur
Verfügung zu stellen.
Für die vergleichbaren PDAs der Firma Handspring (Visor) wird es ab September
2000 eine entsprechende Pager Card der Firma Global Access mit der Bezeichnung
"InfoMitt pager" als Steckkarte geben. Diese Karte unterstützt ebenfalls nur den FLEXStandard. In den USA wird diese Pager Card von dem Funkrufnetzbetreiber SkyTel
verwendet und für Prepaid-Datendienste geliefert.
Es ist nun zu klären, ob die oben genannten Kartenhersteller einen Exklusiv-Vertrag
mit den jeweiligen Funkrufnetzbetreibern haben oder die Karten allgemein erhältlich
sind und mit dem entsprechenden SDK frei programmierbar sind.
Von Motorola gab es bis Anfang 1999 einen entsprechenden Link auf der Homepage
(www.motorola.com/pagercard) zum Downloaden des SDK für die "Motorola Synaps
Pager Card". Dieser Link ist zur Zeit leider nicht mehr vorhanden!
Externe Module
Für diese Variante existiert bereits die Informationsplattform Slyfox der Firma
Swissphone für Palm Pilot-Modelle III und V, die sämtliche Hardware- und SoftwareAnforderungen des oben beschriebenen Konzeptes erfüllt.
Das Slyfox-System besteht aus einem Funk-Empfänger basierend auf dem
POCSAG- bzw. dem ERMES-Standard, der über die serielle Schnittstelle des Palm
Pilot angeschlossen wird, mit einer API, einem SDK und verschiedenen
Anwendungen (Terminal-Agenten).
Der entscheidende Nachteil dieses Systems liegt darin, dass es sich um eine externes
Modul handelt, dass Vergrößerung und Gewichtserhöhung des PDA zufolge hat.
43
DVB – Technische Grundlagen
Überblick
DVB (Digital Video Broadcast) bezeichnet ein digitales System zur Übertragung von
Ton, Videobildern und Daten über verschiedene Transportsysteme (z.B.
Fernsehkabel, Satellit und terrestrischer Rundfunk).
Das Verfahren wurde 1996 bei der ETSI (European Telecommunications Standards
Institute) standardisiert, und ist heute weltweit entweder im Regelbetrieb, oder wird im
Testbetrieb zur Vorbereitung geplanter Anwendungen untersucht.
Während DVB ursprünglich als System zur Übertragung von digitalem Fernsehen
konzipiert wurde, existieren inzwischen Erweiterungen des Standards, die eine
Übertragung von Daten und sogar die Kapselung von verschiedenen
Kommunikationsprotokollen (z.B. Internet Protocol / IP) ermöglichen.
Entsprechend den gängigen Systemen der Fernsehbildübertragung gibt es unter der
Überschrift DVB verschiedene Standards:
DVB-C (DVB-Cable): Digitales Kabelfernsehen
DVB-S (DVB-Satellite): Digitales Satelliten-Fernsehen
DVB-MC/MS (DVB-Microwave Multipoint Distribution System): Mikrowellen-basierte
Fernsehübertragung bei Frequenzen unter/über 10GHz, typisch 40 GHz.
DVB-T (DVB-Terrestrial): Terrestrischer Fernsehrundfunk
Da für einen Paging-Dienst ein drahtloses System mit einer Trägerfrequenz benötigt
wird, die eine Übertragung auch ohne Sichtverbindung zur Sendeantenne oder dem
Satelliten zulässt, ist in diesem Kontext nur die terrestrische Version DVB-T
interessant. Im weiteren Verlauf dieser Übersicht wird deshalb ausschließlich DVB-T
betrachtet.
DVB-T: Technische Grundlagen
Da DVB-T zur weiträumigen Fernsehversorgung sowohl in städtischen als auch in
ländlichen Gebieten entwickelt wurde, waren hohe Anforderungen einerseits an die
Robustheit des Übertragungsverfahrens und andererseits an die Flexibilität bezüglich
der Abwägung zwischen Robustheit und effektiver Ausnutzung der verfügbaren
Bandbreite zu erfüllen.
Speziell in städtischen Gebieten wird der Funkempfang durch die Überlagerung des
Nutzsignals durch zeitlich verzögerte, an Gebäuden etc. reflektierte
Signalkomponenten erschwert. Aufgrund seiner Resistenz gegenüber Störungen
durch diese Mehrwegeausbreitung der Radiowellen wurde als Übertragungsverfahren
COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ausgewählt.
44
Um die geforderte Flexibilität in der Abwägung zwischen Robustheit der Übertragung
und effektiver Nutzung des verfügbaren Spektrums zu gewährleisten, wurden an allen
Stufen der Übertragungskette eine Palette von möglichen Übertragungsparametern
standardisiert:
•
Kanalbandbreite: 6MHz, 7MHz, 8MHz
•
Modulationsverfahren: 4-PSK, 16-QAM, 64-QAM
•
Zahl der OFDM-Träger: 6817 (8K-FFT), 1705 (2K-FFT)
•
OFDM-Schutzintervall: 1/4, 1/8, 1/16, 1/32
•
Innere Code-Rate: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8
Durch Kombination dieser Konfigurationsparameter kann eine spektrale Effizienz
zwischen 0.65 und 4.2 bit/Hz erreicht werden. Für einen 8 MHz breiten Fernsehkanal
entspricht das nutzbaren Bitraten zwischen 4,98 und 31,67 Mbit/s, wovon aber nur ein
kleiner Anteil von ca. 10% für die Datenübertragung zur Verfügung steht.
In verschiedenen Feldtests konnte bestätigt werden, daß DVB-T, obwohl ursprünglich
nicht speziell für den mobilen Empfang entwickelt, in seiner robustesten Konfiguration
(nutzbare Bitrate 4,98 Mbit/s) sehr wohl für die mobile Anwendung mit
Geschwindigkeiten von 200km/h geeignet ist. Andere Studien mit verbesserten
Empfängern haben für diese Geschwindigkeit sogar eine maximale nutzbare
Datenrate von 14 Mbit/s ergeben. Dabei hängt die erreichbare Maximalgeschwindigkeit für erfolgreichen, ungestörten Empfang sehr von den
Ausbreitungsbedingungen ab. Bei Verwendung des robustesten Modus
(Nutzdatenrate 4,98 Mbit/s) ist jedoch unter allen zu erwartenden
Ausbreitungsbedingungen ein Empfang bei autobahntypischen Geschwindigkeiten
möglich.
Datenübertragung über DVB-T
DVB ist ursprünglich zur digitalen Übertragung von Fernsehbildern entwickelt worden.
Es wurden inzwischen aber Erweiterungen des ursprünglichen Standards
veröffentlicht, die eine Übertragung beliebiger Daten erlauben. Es wurden folgende
Transportmodi standardisiert:
Data piping: asynchrone, Ende-zu-Ende Datenübertragung
Data streaming : streaming-orientiert, unsynchronisiert und synchronisiert
Multiprotocol encapsulation : Übertragung von Datagrammen (wie z.B. IP)
Data carousels: Daten-Dienste, die eine periodische Übertragung von Datenblöcken
erfordern
Allen diesen Modi ist gemeinsam, daß die Datenübertragung über einen MPEG-2
Datenstrom erfolgt, in den die Daten eingebettet werden müssen. Dies wurde bei der
Definition der DVB-Standards als einheitliche Quellencodierung festgelegt. Das
bedeutet, dass die Endgeräte MPEG-2-Empfänger benötigen mit entsprechend hoher
Verarbeitungsleistung und hohem Energiebedarf.
Die einzelnen Modi unterscheiden sich durch die Struktur, die den Nutzdaten des
MPEG-2 TS-Datenstromes aufgeprägt wird. Während im Data Piping-Modus die
gesamte Nutzdatenmenge der Anwendungsebene transparent zur Verfügung gestellt
45
wird, schreibt der Data Streaming-Modus eine Paketstruktur entsprechend der PES
(Packet Elementary Stream)-Spezifikation des MPEG-2 Standards vor. Dieses
Datenformat dient dazu, verschiedene Datenströme (Streams) in einen DVB –
Übertragungskanal zu multiplexen, und im Falle eines synchronen Streams den Takt
der Quelle auf der Empfängerseite wiederherstellen zu können. Im Multiprotocol
Encapsulation-Modus wird unter anderem in jeden TS-Rahmen Adressinformation
und eine Prüfsumme eingebettet. Der DataCarousel-Mode dient zur zyklischen
Übertragung von Informationsblöcken, aus denen sich der Empfänger die benötigten
Blöcke herausfiltern kann. Zu diesem Zweck sind in den Nutzdaten des TS-Stromes
hierarchische Kontrollinformationen eingebettet, die den Inhalt einzelner Datenblöcke
beschreiben, in logische Gruppen einteilen und adressieren.
Gegenüber dem transparenten Übertragungsmodus des Data Piping sind die anderen
Modi mit einem zusätzlichen Verwaltungsaufwand belastet, der die nutzbare Bitrate
reduziert. Andererseits kann die zusätzlich transportierte Verwaltungsinformation
genutzt werden, um schon auf DVB-Systemebene effektiv zusätzliche Dienste zu
erbringen, z.B.
Data Streaming: Wiederherstellung des Quelltaktes zu Synchronisationssdzwecken
Multiprotocol Encapsulation: Teilnehmeradressierung, Fehlererkennung
Data Carousel: Strukturierung und Adressierung des Datenstroms
Zukünftige Interaktive Systeme
Allen bisher genannten Anwendungen ist gemeinsam, daß sie nicht über einen
Rückkanal verfügen. Dies ergibt sich zwangsläufig aus der Tatsache, daß DVB-T als
traditionelles Runfunkmedium nicht über einen Rückkanal verfügt. Im Zuge der zu
beobachtenden Konvergenz von mobilen und festen Netzen ist jedoch der Trend
spürbar, auch in einer mobilen Kommunikationsumgebung dieselben interaktiven
Kommunikationsmöglichkeiten zu erwarten, wie sie in den Festnetzen verfügbar sind.
Die DVB-Standards enthalten zu diesem Zweck Spezifikationen für den Aufbau eines
schmalbandigen Rückkanals über das Telefonnetz oder das Fernsehkabel.
Außerdem wird in mehreren zur Zeit laufenden Forschungsprojekten (z.B. DRiVE,
Comcar) an der Integration breitbandiger digitaler Rundfunkdienste mit den drahtlosen
Kommunikationsnetzen der dritten Generation (UMTS) gearbeitet.
Allen diesen Ansätzen ist gemeinsam, daß sie einen Grad von Netzanbindung
schaffen, der über das traditionelle One-Way Paging hinausgeht. Während bei den
Rückkanaldefinitionen im Rahmen der DVB-Standards das interaktive Fernsehen im
Vordergrund steht (Benutzerbefragung und elektronische Abstimmung der Zuschauer,
Tele-Shopping, etc.), ist das Ziel der Projekte DRiVE und Comcar die vollwertige,
transparente Anbindung der mobilen Benutzer an das Internet, verbunden mit der
Bereitstellung von Mehrwertdiensten, die erst durch die Verbindung von
breitbandigem Rundfunk mit den zellularen Funknetzen möglich werden
(asymmetrische, breitbandige Multimediadienste wie Video-Streaming on-demand,
Ausnutzung der Ortsinformation für ortsabhängige Informationsdienste, Ausnutzung
der Authentifizierungsmechanismen im zellularen Funknetz für InternetTransaktionen, etc.).
Generell kann hiermit die gesamte Palette der üblichen Internetdienste genutzt
werden, begrenzt nur durch die zur Verfügung stehende Kapazität. Hier liegt
gleichzeitig die größte Herausforderung für die neue Technologie: wie in allen
Funksystemen ist auch hier die zur Verfügung stehende Kapazität begrenzt, und
hängt stark vom Zusammenspiel von Zellgröße und Nutzerdichte ab. Während diese
Problematik in traditionellen zellularen Telefonnetzen gut verstanden ist, ist die
46
Kapazität von paketorientierten, mobilen Datenübertragungsnetzen noch Gegenstand
der Forschung. Zusätzliche Probleme schafft die große Zellgröße der Rundfunknetze,
die ja nicht unter dem Aspekt der Kapazitätsoptimierung geplant wurden. Deshalb ist
die Nutzung von DVB-T für die Individualkommunikation sehr eingeschränkt und
dürfte die Ausnahme bleiben.
Da sich alle Teilnehmer, die sich im Sendebereich eines DVB-T-Senders befinden,
dessen Kapazität teilen müssen, müsste die hohe zur Verfügung stehende Bandbreite
unter alle Teilnehmer für Individualkommunikation aufgeteilt werden, wobei pro
Teilnehmer nur ein kleiner Antiel übrig bleibt. Abhilfe schafft hier nur die Ausnutzung
der Rundfunkcharakteristik des Mediums (indem vorrangig Informationen übertragen
werden, die gleichzeitig für mehrere Nutzer interessant sind – wodurch aber eine
transparente Internetanbindung nicht mehr möglich ist), oder durch eine Reduktion der
Zellgröße, was jedoch nennenswerte Investitionen in die Infrastruktur erforderlich
macht. DVB-T wird deshalb fast ausschließlich für Mehrpunkt- und
Rundfunkkommunikation Anwendung finden.
Die
genaue
wirtschaftliche
und
technologische
Beurteilung
dieser
Kapazitätsüberlegungen
hängt
stark
von
den
zu
erwartenden
Nutzungscharakteristiken und den angebotenen Diensten ab. Diese sind momentan
Gegenstand der Forschung, unter anderem in den genannten Projekten. Hier liegen
allerdings aufgrund des frühen Stadiums dieser Projekte noch keine verläßlichen
Ergebnisse vor.
Nutzerbefragung zur Akzeptanz mobiler Datendienste über DVB-T
Im Rahmen des aktuellen, europäisch geförderten Forschungsprojektes DRiVE wurde
eine internetbasierte Nutzerbefragung durchgeführt, um das ökonomische Potential
typischer mobiler Internetdienste abzuschätzen. Diese Untersuchung ist für
Funkrufnetzbetreiber ebenfalls interessant, da sie mögliche Migrationspfade in neue
Techniken aufzeigt.
Die Umfrage wurde von Bertelsmann MediaSystems im Rahmen des DRiVE –
Projektes entwickelt und im Zeitraum zwischen Juni und August 2000 durchgeführt.
Während dieses Zeitraumes wurde die Umfrage auf mehreren Internet-Präsenzen der
Bertelsmann-Gruppe publiziert, und die Reaktionen auf den unter dem URL
http://umfrage.qubiz.com/drive_deutsch.html weiterhin verfügbaren Fragebogen
aufgezeichnet.
In diesem Zeitraum konnten 1126 Antworten erhoben werden. Nach Elimination von
Duplikaten und widersprüchlichen oder unsinnigen Antworten verblieben noch 756
auswertbare Fragebögen. Die Auswertung der Ergebnisse ist noch nicht
abgeschlossen; dem Lehrstuhl stehen jedoch als Projektpartner vorläufige
Auswertungsergebnisse zur Verfügung.
Kontext der Befragung
Die Umfrage wurde als Bemühung präsentiert, die Bedürfnissen potentieller Nutzer
einer drahtlosen, für den Benutzer transparenten Internetanbindung zu ermitteln.
Dabei wurde die Betonung auf die Bereitstellung multimedialer Inhalte in einer
Fahrzeugumgebung mit leistungsfähigen Endgeräten gelegt (siehe Abbildung 2).
47
• Abbildung 2: Bildliche Vorstellung der Fahrzeugplattform in der Umfrage
Basis des zugrundeliegenden Internetdienstes ist die Vorstellung einer UMTSAnbindung, bei der die inhärente Bandbreitenknappheit durch die für den Benutzer
transparente Einbindung von hochbandbreitigen Rundsendediensten (wie z.B. DVBT) gemildert wird. Dabei soll, in Abhängigkeit von den Dienstgüteanforderungen der zu
übertragenden Daten, der Dowlink der Kommunikationsbeziehung wahlweise über die
UMTS-Verbindung oder den zur Datenübertragung genutzten Rundsendekanal des
DVB-T – Systems erfolgen.
Demographische Zusammensetzung
Die überwiegende Mehrheit der Teilnehmer war männlich (83%), mit einem deutlichen
Schwerpunkt in der Altersgruppe 18-35 Jahre (vergl. Abbildung2).
80%
70%
60%
50%
40%
DRiVE
30%
Internet
20%
10%
Internet
0%
up to 18
DRiVE
18-35
more than 35
• Abbildung 3: Aufteilung der Teilnehmer nach Altersgruppen
Dabei war im Vergleich zur von Bertelsmann ermittelten Altersverteilung der Nutzer
von deren Internetangebot eine Überrepräsentation der mittleren Altersgruppe
festzustellen.
48
Relevante Ergebnisse
Ziel der Befragung war die Ermittlung der Akzeptanz mobiler, bidirektionaler
Internetdienste, vorzugsweise in einem Fahrzeugumfeld (Pkw, Bahn, etc.). Viele der
endgerätespezifischen Fragen, sowie ein Teil der Fragen zu den gewünschten
Diensten, sind daher in Zusammenhang mit den hier behandelten PagingAnwendungen nur eingeschränkt relevant, da sie sich entweder, im Falle der
Endgeräte, stark an den Möglichkeiten fest im Fahrzeug eingebauter Komponenten
orientieren, oder, im Falle der Anwendungen, eine hochbandbreitige bidirektionale
Netzanbindung erfordern.
Von hoher Relevanz sind jedoch die Ergebnisse bezüglich der gewünschten
Datendienste, sowie die Bereitschaft sowohl den Dienst als auch die Endgeräte zu
bezahlen.
Aus Abbildung 4 ist ersichtlich, daß eine hohe Akzeptanz der Nutzer für einige Dienste
besteht, die gut durch einen Paging-artigen Dienst zu erbringen sind. Speziell
Messaging – Dienste genießen bei den Nutzern eine hohe Priorität, verbunden mit
einer großen Bereitschaft, für die Nutzung des Dienstes zu bezahlen. Andere positiv
bewertete Angebote sind Nachrichtendienste und Verkehrsinformationen. Dort ist die
Bereitschaft entgeltpflichtige Dienste zu nutzen zwar geringer, jedoch immer noch
überdurchschnittlich hoch. Außerdem sind hier werbefinanzierte Modelle denkbar, bei
denen zumindest ein Teil der Kosten durch mit den Inhalten gekoppelte Werbung
finanziert werden könnte.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Text
Bild
Audio
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O
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ai
l
Br
ow
si
ng
Video
Abbildung 5 zeigt, daß die Mehrheit der Nutzer für die meisten relevanten Dienste
eine textuelle Präsentation bevorzugt. Diese Präsentationsform ist ebenfalls
besonders geeignet für die Darstellung auf handlichen, portablen und akkuversorgten
Endgeräten, und damit für Paging-Dienste äußerst geeignet.
49
Die beiden folgenden Diagramme befassen sich mit der Frage nach der Akzptanz
verschiedener Bezahlungsmodelle zur Finanzierung des Dienstes. Zunächst wurde
erfragt, in welchen Bereich ein monatlicher Abonnementpreis liegen sollte (siehe
Abbildung 6).
Es zeigt sich, daß die Mehrheit der Nutzer bereit ist, ein gewisses Nutzungsentgelt zu
akzeptieren, teilweise sogar mit erheblichen monatlichen Kosten. Außerdem wurde
erhoben, ob die potentiellen Nutzer Werbung als Mittel zur Finanzierung des Dienstes
akzeptieren würde. Auch hier ist eine große Akzeptanz festzustellen.
Bei beiden Fragen muß jedoch relativierend berücksichtigt werden, daß im
Zusammenhang der Befragung stets von einem vollen, bidirektionalen Internetzugang
ausgegangen wurde.
50
60
50
nicht
40
wenig
Interessiert
sehr
30
Bezahlung
20
10
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Ch
a
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0
• Abbildung 4: Ergebnisse der Akzeptanzbefragung nach beispielhaften Diensten
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90
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70
60
50
40
30
20
10
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Video
Abbildung 5: Bevorzugte Präsentationsform für verschiedene Inhalte
1%
2%
11%
0-10 Euro
49%
11-25 Euro
26-50 Euro
> 50 EURO
37%
keine Antwort
Abbildung 6: Bereitschaft zur Bezahlung des Dienstes
51
1%
29%
Ja
Nein
Optional
56%
keine Antwort
14%
Abbildung 7: Akzeptanz von Werbung zur Finanzierung des Dienstes
52
Electronic Payment mit Funkrufempfängern
Es ist denkbar, mit Funkrufemfängern in Zukunft auch Finanzdienstleistungen wie z.B.
Electronic Payment zu erbringen. Allerdings müssen einige Besonderheiten beachtet
werden, da der Funkrufempfänger zunächst nicht rückkanalfähig ist.
Der Funkrufempfänger der Zukunft kann mit Hilfe von Bluetooth oder DECT in die
Lage versetzt werden, über Nahbereichskommunikation kleinere Beträge an Kassen
digital auszutauschen. Die Funktionalität ist in etwa mit der der Geldkarte vergleichbar.
In Zukunft wird es für Kunden an vielen sog. Point-of-Sale (POS) möglich sein,
Transaktionen drahtlos auszuführen. Wie bei der Geldkarte besteht aber immer das
Problem, den entsprechenden Betrag auf das Transaktionsterminal (die Karte bzw.
der Funkrufempfänger) übertragen zu bekommen. Es ist vorstellbar, den Pager mit
einem sicheren privaten Schlüssel auszustatten und den Betrag über eine
verschlüsselte Individualnachricht auf den Pager zu buchen. Auf diese Weise hat der
Nutzer eines kombinierten Funkrufempfängers/Transaktionsterminals den Vorteil, bei
Bedarf das Transaktionsterminal aufzuladen, ohne einen Geldautomaten aufsuchen
zu müssen. Statt dessen kann das Aufladen von zuhause über das Internet ausgelöst
werden.
Eine alternative Architektur zum Einsatz von Funkrufempfängern für elektronischen
Zahlungsverkehr ähnelt dem Einsatz von GSM: der Kunde gibt an Automaten die
Rufnummer seines Funkrufempfängers ein. Daraufhin löst der Automat über eine
Datenverbindung eine Anfrage aus und der Kunde bekommt über einen
verschlüsselten Individualruf einen Freischaltcode (Transaktionsnummer TAN)
zugeschickt, den er in das Gerät eingibt. Der Kunde bekommt den Betrag dann über
seine Funkrufrechnung berechnet. Durch den erheblich niedrigeren Preis einer
Funkrufnachricht im Vergleich zu einer SMS und der überlegenen Ausleuchtung kann
ein solcher Dienst auch in nicht mit GSM versorgten Gebieten konkurrenzfähig
dargestellt werden. Wichtig ist, dass der Kunde auf diese Art und Weise immer weiß,
welche Beträge er authentisiert hat. Der Betreiber eines Funkrufnetzes kann die Zahl
seiner Vertragskunden auf diese Weise erhöhen und verdient an den Transaktionen
anteilig mit.
Ein ähnliches Geschäftsmodell käme für Transaktionen im Internet zum Einsatz. Hier
ist das Problem, dass Kunden nur ungern mit ihrer Kreditkarte bezahlen. Stattdessen
kann der Betreiber eines Funkrufnetzes als Autorisationsstelle auftreten und dem
Kunden den Freischaltcode für die Nutzung eines Internetdienstes über den
Individualruf zustellen. Allerdings gibt es im Internet eine Vielzahl von MicropaymentVerfahren, so dass eine solche Technik nur in Kooperation mit einflussreichen
Partnern Erfolg haben kann.
Geht man noch einen Schritt weiter und versetzt die Automaten an den
Zahlungsstellen in die Lage, dem Funkrufempfänger über Nahbereichskommunikation
den aktuellen Standort mitzuteilen, kann der Funkrufempfänger sogar lokalisierte
Informationen darstellen (location based services). Das Funkrufnetz strahlt regional
relevante Informationen über das Datenkarussell aus. Das Endgerät sammelt diese
und stellt aus den empfangenen Daten nur die Daten dar, die für den aktuellen, exakt
bekannten Aufenthaltsort des Kunden interessant sind.
53
Anhang A: Kurzdarstellung der Funkschnittstelle in GSM
Die Funkschnittstelle
Die Funkschnittstelle liegt zwischen der Mobilstation (MS) und dem restlichen GSM.
Physikalisch gesehen findet der Informationsfluß zwischen der Mobilstation und der
Feststation statt. Eine logische Betrachtung zeigt jedoch, daß die Mobilstationen mit
der Feststationssteuerung (BSC) und der Mobilvermittlungsstelle (MSC),
kommunizieren. Die Übertragungsrate über die Funkschnittstelle beträgt 270,833
kbit/s. Diese Rate müssen reduziert sich allerdings durch Fehlerschutz und andere
Effekte erheblich. Da sich mehrere Teilnehmer einer Funkverbindung die verbleibende
Datenrate teilen müssen, verbleibt eine erheblich niedrigere Nettodatenrate pro
Nutzer.
Multiplex-Struktur
Neben der Sprachcodierung und der Modulation spielt insbesondere das
Multiplexverfahren eine wichtige Rolle. In den GSM-Empfehlungen ist eine
Kombination von Frequenzmultiplex und Zeitmultiplexverfahren standardisiert, wobei
Vielfachzugriff der Mobilstationen auf diese Systeme angewandt wird.
In den folgenden Abbildungen wird gezeigt, wie durch die Verknüpfung von FDM
(Frequency Division Multiplex) und TDM (Time Divison Multiplex) ein physikalischer
Kanal realisiert wird, vgl. Kanal 0 auf Frequenz Fn+1 und die Abschnitte Bursttypen
und Zeitmultiplexstruktur.
Physikalischer Kanal, charakterisiert durch die Frequenz F n+1 und den Zeitschlitz 0
Frequenz
F
n+1
7
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
3
4
5
6
7
F
n
7
0
1
2
3
4
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7
0
1
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F
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7
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5
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7
0
1
2
3
4
5
6
7
0,577 0,577 0,577 0,577 0,577 0,577 0,577 0,577 0,577 0,577 0,577 0,577 0,577 0,577 0,577
Zeit (ms)
4,615
Realisierung der physikalischen Kanäle mittels FDM und TDM
54
Das GSM benutzt das schon in analogen Mobilfunknetzen erfolgreich erprobte
Zellularkonzept, in welchem die geographische Fläche planerisch in hexagonale
Funkzellen unterteilt wird mit einer BTS (Base Transceiver Station) je Zelle, mit der die
Mobilstationen in Verbindung treten können. Funkzellen werden in Gruppen (Cluster)
zusammengefaßt, wobei jede bestimmte FDM-Kanäle exklusiv benutzt. Gleiche
Frequenzen werden erst in genügend großen räumlichen Abständen in benachbarten
Clustern wiederverwendet.
Der Zellenradius kann entsprechend der Nutzerdichte variieren. In großen Funkzellen
ist die Wahrscheinlichkeit, daß ein mobiler Teilnehmer seine Zelle während eines
Gespräches verläßt und ein Handover notwendig ist, geringer als in kleinen Zellen.
Kleine Zellen erlauben hingegen eine bessere Ausnutzung des Frequenzbandes
durch den Betreiber, da mit geringerer Sendeleistung gearbeitet wird, das Cluster eine
geringere Ausdehnung hat und somit die zur Verfügung stehenden Frequenzen in
kleineren räumlichen Abständen wiederholt werden können. Im praktischen Einsatz
wird die Größe von Zellen durch das Verkehrsaufkommen, die maximale
Sendeleistung der BTS, die der Zelle zugeteilten Frequenzen und die topologischen
Gegebenheiten bestimmt.
So haben Zellen in ländlichen Gebieten einen Radius von bis zu 35km. Größere
Zellenradien würden eine Signalschleifenlaufzeit von mehr als der im Standard
festgelegten Maximallaufzeit von 0,233 ms verursachen. In Ballungsgebieten liegt der
Radius u. U. nur bei 300m, wodurch eine Verkehrskapazität von bis zu 200 Erl./km
möglich ist. Um die Kapazität noch weiter zu steigern, werden Zellen in Sektoren
aufgeteilt.
Frequenzmultiplex-Struktur
Eine der wichtigsten Kriterien beim Entwurf der Funkschnittstelle war eine mögliche
effiziente Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Frequenzbandes. Für das GSM
wurden europaweit zwei 25 MHz breite Frequenzbänder im 900 MHz Band reserviert.
Die Übertragung vom Mobilgerät zur Basisstation wird dabei im Bereich von 890 MHz
bis 915 MHz abgewickelt, in umgekehrter Richtung wird das Frequenzband von 935
MHz bis 960 MHz benutzt. 15 MHz an den unteren und 1 MHz an den oberen
Bandgrenzen stehen europaweit erst ab 2001 zur Verfügung. Weitere 10 MHz
zwischen 880 und 890 MHz bzw. 925 und 935 MHz sind nach Wegfall der
gegenwärtigen Nutzung als GSM Erweiterungsband vorgesehen. Zwischen Sendeund Empfangsfrequenz besteht ein Duplexabstand von 45 MHz.
Die Frequenzbänder werden in Kanäle von 200 kHz Bandbreite unterteilt, somit sind
insgesamt jeweils 124 FDM Kanäle für den Sende- und den Empfangsbetrieb
verfügbar.
Zusätzlich sind weitere 374 Frequenzkanäle bei 1800 MHz verfügbar. Diese Bänder
(GSM1800) sind ebenfalls in 200kHz-Träger unterteilt. Zur Zeit gibt es in Deutschland
2 GSM900-Betreiber, die allerdings zusätzlich Frequenzen bei 1800MHz zugeteilt
bekommen haben. Weiterhin gibt es im GSM1800-Band zwei reine GSM1800Betreiber.
55
Frequenzband der Mobilstation
Downlink
Uplink
890
Frequenzband der Basisstation
915
MHz
935
Kanäle:
1
960
2
3
124
200 kHz
Jede Mobilstation kann sämtliche 124 Trägerfrequenzpaare belegen, wobei aber die
Kanäle 1 und 124 nach den GSM-Spezifikationen möglichst nicht benutzt werden
sollen. Die verbleibenden 200 kHz Bandbreite werden als Schutzband zu im
Frequenzband benachbarten Systemen freigehalten.
Zeitmultiplex-Struktur
Auf einer Trägerfrequenz werden durch ein TDM-Verfahren physikalische TDMKanäle realisiert, wobei die Zeitachse in 8 periodische Zeitschlitze der Dauer 0,577 ms
geteilt wird. Acht Zeitschlitze werden zu einem TDM-Rahmen (Frame) der Dauer
4,615 ms zusammengefasst. Da diese Zeitkanäle im Vielfachzugriff genutzt werden,
spricht man in der GSM-Empfehlung vom TDMA-Rahmen.
Ein physikalischer Kanal ist durch seine Trägerfrequenz und seinen ihm zur
Verfügung stehenden, alle 4,615 ms wiederkehrenden Zeitschlitz charakterisiert.
Jeder Zeitschlitz besitzt eine Länge entsprechend der Dauer von 156,25 bit bzw.
0,577 ms (15/26 ms). Diese Länge ergibt sich aus der Übertragungsrate des
Modulationsverfahrens (1625/6 kbit/s) und der Anzahl an Bits, die man in einem Slot
übertragen möchte. Genutzt wird ein Slot durch Bursts der Länge 148 bit, die, um
Überlappungen mit anderen Bursts zu vermeiden, um die Schutzzeit entsprechend
der Dauer von 8,25 bit kürzer als Slots sind. Die Datenübertragung erfolgt somit
mittels Bursts. Wenn Nachrichten länger als ein Burst sind, werden sie auf mehrere
Bursts aufgeteilt und dann übertragen.
56
TB: Tail-Bit
TB
3
Normal Burst
Encrypted
Bits
TrainingsEncrypted
57 1 sequence 26 1 Bits
TB
57
3
Guard
8,25
3
Guard
8,25
3
Guard
8,25
3
Guard
8,25
Frequency Correction Burst
TB
3
Fixed Bitpattern
142
TB
Synchronization Burst
TB
Encrypted
3 Bits
Extended
Trainingsequence
39
64
Encrypted
Bits
TB
39
Dummy Burst
TB
3
Fixed Bitpattern
58
Trainingssequence 26
Fixed Bitpattern
58
TB
Access Burst
Ext. TB Sync.-Sequence
8
41
Encrypted
Bits
36
TB
3
Guard Interval
68,25
0,577 ms or 156,25 bit
Das Zeitmultiplexverfahren wird auf dem Uplink- und auf dem Downlinkkanal
angewandt. Damit die Mobilstationen nicht gleichzeitig senden und empfangen
müssen, werden die TDMA-Rahmen vom Uplink mit einer Verzögerung von drei
Zeitschlitzen gesendet. Durch den Parameter Timing Advance (TA) kann diese
Verzögerung um eine Zeitspanne entsprechend der Dauer bis zu 63 bit verkürzt
werden, um die Schleifenlaufzeit BTS-MS-BTS zu kompensieren.
Logische Kanäle
Logische Kanäle entstehen durch Zuordnung von Zeitschlitzen physikalischer Kanäle.
Demzufolge werden Daten eines logischen Kanals in entsprechenden Zeitschlitzen
des physikalischen Kanals übertragen. Logische Kanäle können dabei einen Teil des
physikalischen Kanals oder den ganzen Kanal belegen. Hat z.B. der physikalische
Kanal eine Übertragungsrate von 4*a, so kann ein logischer Kanal K1 mit einer
57
Datenrate von 3*a und ein zweiter logischer Kanal K2 mit der Datenrate a auf dem
gleichen physikalischen Kanal übertragen,
In der GSM-Empfehlung wurden nach diesem Prinzip mehrere logische Kanäle für die
Signalisierung definiert, die in zwei Hauptgruppen unterteilt sind: Verkehrskanäle und
Steuerkanäle.
Verkehrskanäle
Als Verkehrskanäle (TCH) werden die logischen Kanäle bezeichnet, über die
Nutzinformation zwischen Teilnehmern während einer Verbindung ausgetauscht wird.
Dabei werden Sprache und Daten digital mittels unterschiedlicher Codierverfahren
übertragen.
Je nach Art des in Anspruch genommenen Dienstes (z.B. Sprachübertragung,
Kurznachrichtendienst (SMS), Datenübertragung, Telefax) werden unterschiedliche
Übertragungskapazitäten benötigt. So wird zwischen den folgenden Verkehrskanälen
unterschieden:
Bm-Kanal: Über den Bm-Kanal (m=mobile), der auch Vollratenkanal (Full-Rate TCH)
heißt, wird mit der Bruttodatenrate von 22,8~kbit/s übertragen. Für Übertragung von
Sprachinformation benötigt die digitalisierte und codierte Sprache lediglich 13 kbit/s.
Die restliche Kapazität wird bei der Sprachübertragung für Fehlerkorrektur genutzt.
Über den Bm-Kanal ist Übertragung von Daten mit 12, 6 bzw. 3,6 kbit/s möglich.
Lm-Kanal: Der sogenannte Halbratenkanal (Half-Rate TCH) überträgt brutto mit 11,4
kbit/s. Mit den verfügbaren Sprachcodecs für Halbratenkanäle kann eine Verdopplung
der Kanalzahl des GSM bei unverändertem Frequenzbedarf erzielt werden. Die
Entwicklung leistungsfähiger Sprachcodieralgorithmen erfolgte 1995, ihre
wirtschaftliche Einführung erfolgte ab 1996/97. Datenübertragung ist hier mit Bitraten
von 6 bzw. 3,6 kbit/s möglich.
Steuerkanäle
Steuerinformation dient zur Signalisierung und zur Steuerung des Systems und wird
nicht bis zu den Teilnehmern durchgereicht. Typische Aufgaben, die mit Hilfe von
Steuerinformation bewältigt werden, sind die Signalisierung zur Vermittlung von
Verkehrskanälen, das Mobilitätsmanagement oder die Zugriffssteuerung auf
Funkkanäle.
Steuerinformation wird über die sog. Steuerkanäle übertragen, die in Anlehnung an
das ISDN auch als Dm-Kanäle bezeichnet werden. Die Steuerkanäle bieten den
Mobilstationen einen paketorientierten, kontinuierlichen Signalisierdienst, um innerhalb
des PLMN jederzeit Nachrichten von Basisstationen empfangen bzw. Nachrichten
senden zu können.
Da die Steuerung und das Management eines Mobilfunknetzes bei weitem mehr
Signalisierungsaufwand als in einem Festnetz erfordert, wurden drei Gruppen von
Steuerkanälen im GSM definiert:
58
•
Broadcast Control Channel (BCCH),
•
Common Control Channel (CCCH), und
•
Dedicated Control Channel (DCCH).
Broadcast Control Channel (BCCH)
Über diesen Kanal wird Information über das PLMN auf einer Punkt-zu-MehrpunktVerbindung von der Feststation an die Mobilstationen der Funkzelle übertragen.
Kennzeichnung des Netzes, Verfügbarkeit bestimmter Optionen wie Frequency
Hopping, Voice Activity Detection) sowie die von der Feststation und benachbarten
Feststationen verwendeten Frequenzen sind Beispiele von Information, die über den
BCCH mitgeteilt wird.
Zu den Unterkanälen des BCCH gehört der sogenannte Frequency Correction
Channel (FCCH), über den der Mobilstation der Frequency Correction Burst zur
eventuellen Korrektur der Sendefrequenz übertragen wird.
Ein weiterer Unterkanal des BCCH ist der Synchronisation Channel (SCH). Über ihn
werden der Mobilstation Synchronisation Bursts übertragen, um ihr zu ermöglichen,
sich zeitlich zu synchronisieren.
Die über den BCCH und dessen Unterkanäle übertragenen Nachrichten werden
ausschließlich im Simplex-Modus von der Feststation zum Endgerät übertragen.
Common Control Channel (CCCH)
Diese Bezeichnung ist ein Oberbegriff für Steuerkanäle, über die die
Verbindungsaufnahmen zwischen Netz und Mobilgerät abgewickelt werden.
Zu den CCCH-Kanälen gehören:
•
Paging Channel (PCH): Dieser Kanal existiert nur in Downlink-Richtung und
wird zur selektiven Adressierung eines gerufenen Mobilgerätes bei einem
Verbindungswunsch aus dem Netz (eingehender Ruf) aktiviert.
•
Random Access Channel (RACH): Dieser Zugriffskanal kommt nur in UplinkRichtung vor und ermöglicht der Mobilstation über ein S-ALOHA
Zugriffsverfahren, bei der Feststation Kanalkapazität für einen
Verbindungswunsch anzufordern.
•
Access Grant Channel (AGCH): Auf diesem logischen Kanal antwortet die
Feststation der Mobilstation auf eine über den RACH eingetroffene Nachricht.
Über den AGCH, der nur in Downlink-Richtung existiert, wird der Mobilstation
entsprechend
dem
vom
Netzbetreiber
gewählten
Verbindungsaufbaumechanismus, ein SDCCH oder ein TCH zugewiesen.
Dedicated Control Channel (DCCH)
Diese Bezeichnung ist ein Oberbegriff für drei bidirektionale Punkt-zu-Punkt
Steuerkanäle, über die mit unterschiedlichen Bitraten Signalisierungsnachrichten zur
Verbindungssteuerung übertragen werden. Man kann zwischen folgenden DCCHKanälen unterscheiden:
59
•
Stand-Alone Dedicated Control Channel (SDCCH): Dieser Kanal wird immer
dann betrieben, wenn der Verkehrskanal nicht zugewiesen ist und wird der
Mobilstation zugeordnet, solange nur Steuerinformation übertragen wird. Die
vom SDCCH benötigte Kanalkapazität ist mit 782 bit/s geringer als die des
TCH.
Steuerinformation des SDCCH betrifft z.B.
Registrierung,
Authentifizierung,
Aufenthalts-Koordinierung
und
Daten
zur
Verbindungseinrichtung.
•
Slow Associated Dedicated Control Channel (SACCH): Dieser Kanal wird
immer parallel zum TCH oder SDCCH zugeordnet. Über den SACCH werden
mit einer Datenrate von 950 bit/s Systeminformationen vom Netz zur
Mobilstation und Meßdaten über Pegel- und Empfangsqualität von der MS an
das Netz übertragen.
•
Fast Associated Dedicated Control Channel (FACCH): Dieser Kanal wird
kurzfristig nur dann eingerichtet, wenn ein Verkehrskanal existiert und benutzt
dabei dessen Zeitschlitze. Das bedeutet, daß der FACCH in einer
Kanalkombinationsstruktur die Zeitschlitze belegt, die sonst für den TCH
reserviert sind. Ein FACCH wird z.B. für einen bevorstehenden Handover
eingerichtet, wobei die dafür benötigten Steuerdaten über den FACCH
übertragen werden. Dieser Kanal erlaubt u.a. Bitraten von 4600 bit/s bzw.
9200 bit/s.
Hierarchie der Rahmenstrukturen
Bisher wurden die Aufteilung des GSM-Frequenzbereichs in 124 FDM-Kanäle mit
ihrer TDMA-Kanalstruktur sowie die Aufgaben der logischen Kanäle und die
Benutzung der verschiedenen Bursts dargestellt.
Im GSM werden die TDMA-Rahmen, die acht Zeitschlitze zur Übertragung der
verschiedenen Bursts enthalten, in sog. Mehrfachrahmen zusammengefaßt.
60
Man unterscheidet zwei verschieden lange Mehrfachrahmen:
26er Multiframe und 51erMultiframe.
In 26er Mehrfachrahmen werden die Bursts der Verkehrskanäle (TCH) und der ihnen
zugeordneten SACCHs und FACCHs übertragen. Jedem Verkehrskanal wird einer
von 8 (bei Halbratenübertragung 16) Zeitschlitzen eines TDMA-Rahmens
zugewiesen. Die zugehörigen 8 SACCHs werden im zwölften TDMA-Rahmen
übertragen. Der letzte TDMA-Rahmen (25) des 26er Mehrfachrahmens wird nur
benutzt, wenn weitere 8 SACCHs für Halbratenübertragung benötigt werden. Zur
Übertragung von FACCHs werden Zeitschlitze des TCHs gestohlen.
Die Daten der Kanäle FCCH, SCH, BCCH, RACH, AGCH, PCH, SDCCH, SACCH/C
und CBCH werden in 51er Mehrfachrahmen gesendet. Generell wurde festgelegt,
daß Sprache und Daten in den 26er Mehrfachrahmen und Signalisierungsdaten
(außer SACCH/T und FACCH) in den 51er Mehrfachrahmen übertragen werden. Von
dieser Regel wurde allerdings bei der Einführung des Paketdatendienstes
abgewichen, vgl. Kapitel GPRS.
51 der 26er Mehrfachrahmen und 26 der 51er Mehrfachrahmen werden zu einem
Superrahmen (Superframe) zusammengefaßt und 2048 Superrahmen ergeben einen
Hyperrahmen. Zur Übertragung eines solchen Hyperrahmens werden nahezu 3,5
Stunden gebraucht.
Abbildung zeigt die Beziehung zwischen dem 51er und 26er Mehrfachrahmen. Die
BCCH Rahmen des 51er Multiframes werden alle 240 ms während des unbenutzten
26. Rahmens des 26er Multiframes decodiert.
61
Die logischen Kanäle werden unter Verwendung von immer wieder zyklisch
durchlaufenen Mehrfachrahmenmustern auf einen physikalischen Kanal abgebildet.
Die zeitlich korrekte Positionierung der Zyklen wird durch die Synchronisation von
BTS und Mobilstation erreicht. Das BSS stellt in jeder Zelle einen Referenzzähler zur
Verfügung, nach dem die Zeitschlitze numeriert werden und nach dem sich das
Abbildungsschema der Mehrfachrahmen richtet. Im GSM wird jedem Zeitschlitz eine
Nummer gegeben. Zusammen mit der TDMA-Rahmennummer kann dann jeder
Zeitschlitz eindeutig identifiziert werden. Durch eine mehrere Ebenen umfassende
Rahmenstruktur wird der Zähler der TDMA-Rahmennummern bis zu 2,715,648 groß.
Aus Gründen der Verschlüsselung wurde eine solch große Zahl notwendig, da der
verwendete
Verschlüsselungsalgorithmus
die
TDMA-Rahmennummer
als
Eingangsparameter verwendet.
Abbildung zeigt die Realisierung von Verkehrs- und Signalisierkanälen auf einem
physikalischen (Frequenz-)Kanal. Für jeden TDMA-Rahmen des entsprechenden
Mehrfachrahmens ist eine Scheibe der gezeigten 'Walze' vorgesehen, die 8
Zeitschlitze (den TDMA-Rahmen) trägt.
62
Erlaubte Kanalkombinationen
Die logischen Kanäle werden nicht beliebig auf die beiden Mehrfachrahmen verteilt,
sondern folgen bestimmten Mustern. Aus dem GSM-Standard 05.02 folgt ein Satz
erlaubter Kanalkombinationen (KK), dargestellt durch ihre Mehrfachrahmen:
•
KK1 : TCH/F + FACCH/F + SACCH/TF
•
KK2 : TCH/H(0,1) + FACCH/H(0,1) + SACCH/TH(0,1)
•
KK3 : TCH/H(0) + FACCH/H(0) + SACCH/TH(0) +TCH/H(1)
•
KK4 : FCCH + SCH + BCCH + CCCH
•
KK5 : FCCH + SCH + BCCH + CCCH + SDCCH/4(0,1,2,3) +
SACCH/C4(0,1,2,3)
•
KK6 : BCCH + CCCH
•
KK7 : SDCCH/8 + SACCH/8
63
Ein physikalischer Kanal enthält genau eine dieser Kombinationen. Die Gruppe CCCH
teilt sich in die Kanäle PCH, AGCH und RACH auf. Die Zahlen in den Klammern
hinter den logischen Kanälen geben die Nummern der logischen Unterkanäle an. Das
bedeutet, daß es im Fall des SDCCH/4 auf einem physikalischen Kanal vier SDCCHs
gibt, die von jeweils einer Mobilstation benutzt werden.
Die gemeinsame Nutzung eines physikalischen Kanals durch mehrere logische
Kanaltypen heißt nicht, daß alle diese Kanäle gleichzeitig benutzt werden können.
Durch das Abbilden von Kombinationen logischer Kanäle auf einen physikalischen
Kanal erreicht man zwar, daß auf einem physikalischen Kanal mehrere logische
Kanäle plaziert werden können, diese treten aber im Abstand von mindestens einer
TDMA-Rahmenlänge nacheinander auf. Die Durchnumerierung der TDMA-Rahmen
erlaubt es dann, daß die physikalischen Schichten beider Kommunikationspartner sich
des gerade passenden logischen Kanals beim Senden bzw. Empfangen bedienen.
Die Mehrfachrahmen der möglichen Kanalkombinationen werden in den folgenden
Abbildungen dargestellt. Die abgebildeten Mehrfachrahmenkombinationen sind aus
Tabellen hergeleitet, die sich in der Serie 05.02 des GSM Standards befinden. Die
Tabellen beschreiben, welche Zeitschlitze und welche Frequenzen der jeweilige
logische Kanal benutzen darf.
Kanalkombination 1: TCH/F + FACCH/F + SACCH/TF
Kanalkombination 2: TCH/H (0,1) + FACCH/H (0,1) + SACCH/TH (0,1)
Kanalkombination 3: TCH/H(0) + FACCH/H(0) + SACCH/TH(0) + TCH/H(1)
64
Kanalkombination 4: FCCH + SCH + BCCH + CCCH
Kanalkombination 5: FCCH + SCH + BCCH + CCCH + SDCCH/4 (0,1,2,3)
Kanalkombination 6: BCCH + CCCH
65
Kanalkombination 7: SDCCH/8 + SACCH/8
Kanalkombinationen einer Zelle in Abhängigkeit von der erwarteten
Zellauslastung
Das BSS stellt in einer Zelle einen Satz von logischen Kanälen zur Verfügung, die auf
mehreren physikalischen Kanälen liegen. Der Netzbetreiber bestimmt aufgrund des
für diese Zelle erwarteten Verkehrs eine Kanalkonfiguration, die den Regeln des
letzten Abschnittes genügen muß. Jeder einzelne Transceiver (TRX) kann auf jedem
Zeitschlitz acht Kanalkombinationenanbieten. Der Zeitschlitz (TN) wird durch die
Zeitschlitznummer gekennzeichnet. Drei übliche Kombinationen werden hier kurz
vorgestellt:
Zelle niedriger Kapazität mit einem TRX:
•
TN 0: FCCH + SCH + BCCH + CCCH + SDCCH/4(0,1,2,3) +
SACCH/C4(0,1,2,3),
•
TN 1 bis 7: TCH/F + FACCH/F + SACCH/TF.
Zelle mittlerer Kapazität mit vier TRXs:
•
Einmal auf TN 0: FCCH + SCH + BCCH + CCCH,
•
Zweimal: SDCCH/8 + SACCH/8,
•
29mal: TCH/F + FACCH/F + SACCH/TF.
Zelle großer Kapazität mit 12 TRXs:
66
•
Einmal auf TN 0: FCCH + SCH + BCCH + CCCH,
•
Einmal auf TN 2: BCCH + CCCH,
•
•
•
Fünfmal: SDCCH/8 + SACCH/8,
•
87mal: TCH/F + FACCH/F + SACCH/TF.
Die Mobilstation erfährt nach erfolgreicher Synchronisation durch die
Systeminformation des BCCH, welche Kanalkombinationen ihr von dem BSS auf
welchen physikalischen Kanälen angeboten werden. Abhängig von ihrem
momentanen Betriebszustand (Ruhezustand oder dedizierter Zustand) benutzt sie
eine bestimmte Untermenge aus diesem Kanalangebot.
Auffällig ist, daß der BCCH stets zusammen mit den logischen Kanälen SCH und
FCCH auftritt, und daß er immer auf Zeitschlitz 0 zu finden ist. Diese Festlegung dient
der Erleichterung der Synchronisation beim erstmaligen Kontakt der Mobilstation mit
der BTS. Bei sehr hohem erwarteten Verkehr werden zusätzliche Kombinationen
hinzugefügt.
Eine noch ausführlichere Darstellung des GSM-Systems und der Funkschnittstelle
findet sich im Buch „Mobilfunknetze und ihre Protokolle“, das bei Teubner erschienen
ist (ISBN 3-519-16430-2).
67
Anhang B: GPRS-Simulationsergebnisse
Response Time of Server
Total Downlink IP Throughput
9
600
SSIP 512 byte (1)
SSIP 1500 byte (2)
8
Total Downlink IP Throughput [byte/s]
Response Time of Server (mean) [s]
500
7
6
5
4
3
2
400
300
200
100
1
SSIP 512 byte (1)
SSIP 1500 byte (2)
0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
5
10
15
Number of Active Stations
20
25
30
35
40
45
50
Downlink PDCH Utilization
Total Uplink IP Throughput
80
180
SSIP 512 byte (1)
SSIP 1500 byte (2)
160
70
Downlink PDCH Utilization [%]
Total Uplink IP Throughput [byte/s]
140
120
100
80
60
60
50
40
30
40
20
20
SSIP 512 byte (1)
SSIP 1500 byte (2)
10
0
0
5
10
15
20
25
30
Session duration
Number of Sessions
20
25
30
35
40
45
0
50
800
5
15
35
40
45
50
35
40
45
50
600
SSIP 512 byte (1)
SSIP 1500 byte (2)
Simulation Series (1)
700
500
600
400
Number of Sessions
Duration of sessions (mean) [s]
10
500
300
400
200
300
100
200
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
5
10
15
20
25
30
9
600
‘direct hold on’ on (2)
‘direct hold on’ off (3)
8
500
7
6
5
4
3
2
400
300
200
100
1
0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
68
180
80
160
70
60
140
120
100
80
60
40
30
20
40
1 PDCH, errorfree (2)
1 PDCH, error 13.5% (12 dB) (4)
4 PDCH, error 13.5% (12 dB) (5)
10
20
0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
5
10
15
20
25
30
Session duration
Number of Sessions
800
35
40
45
50
35
40
45
50
600
750
500
700
650
Number of Sessions
Duration of Sessions (mean) [s]
50
600
550
500
450
400
300
200
400
350
100
300
250
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
5
10
15
25
30
9
800
1 PDCH, error 13.5% (12 dB) (4)
4 PDCH, error 13.5% (12 dB) (5)
8
700
7
20
6
5
4
3
2
600
500
400
300
200
1
100
0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1 PDCH, error 13.5% (12 dB) (4)
4 PDCH, error 13.5% (12 dB) (5)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
69
250
80
1 PDCH, error 13.5% (12 dB) (4)
4 PDCH, error 13.5% (12 dB) (5)
70
60
200
150
100
50
40
30
20
50
1 PDCH, error 13.5% (12 dB) (4)
4 PDCH, error 13.5% (12 dB) (5)
10
0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
5
10
15
Session duration
25
30
35
40
45
50
35
40
45
50
Number of Sessions
800
600
1 PDCH, error 13.5% (12 dB) (4)
4 PDCH, error 13.5% (12 dB) (5)
1 PDCH, error 13.5% (12 dB) (4)
4 PDCH, error 13.5% (12 dB) (5)
700
500
600
400
Number of Sessions
20
500
300
400
200
300
100
200
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
5
10
15
20
25
30
10
700
E-Mail traffic (7)
News(paper) traffic (8)
M-Commerce traffic (9)
Common traffic (10)
9
600
8
7
6
5
4
3
500
400
300
200
2
100
E-Mail traffic (7)
Common traffic (10)
1
0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
5
10
15
25
30
35
40
45
50
180
90
E-Mail traffic (7)
Common traffic (10)
160
80
140
70
20
120
100
80
60
60
50
40
30
40
E-Mail traffic (7)
Common traffic (10)
20
20
0
10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
70
Session duration
Number of Sessions
900
600
E-Mail traffic (7)
Common traffic (10)
800
E-Mail traffic (7)
Common traffic (10)
Number of Sessions
500
700
600
500
400
400
300
200
300
100
200
100
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
5
10
15
Answer Time / Internet Traffic
25
30
35
40
45
50
IP Throughput (cell)
24
2500
3 PDCH‘s
4 PDCH‘s
22
20
total IP Throughput (cell) [byte/s]
2000
18
Answer Time [s]
20
16
14
12
10
8
1500
1000
500
6
4
3 PDCH‘s
4 PDCH‘s
2
0
0
5
10
15
20
0
5
10
15
20
IP Throughput (train)
PDCH Utilization
3000
100
3 PDCH‘s
4 PDCH‘s
90
2500
PDCH Utilization [%]
IP Throughput (train) [byte/s]
80
2000
1500
1000
70
60
50
40
30
500
20
3 PDCH‘s
4 PDCH‘s
0
10
0
5
10
15
20
0
5
15
20
15
20
Response Time
DL IP Throughput
25
2500
WAP traffic, 1 PDCH, error 13.5% (12 dB) (4)
HTTP traffic, 3 PDCH‘s, error 13.5% (12 dB)
2000
DL IP Throughput [byte/s]
20
Response Time [s]
10
15
10
5
1500
1000
500
0
0
0
5
10
15
20
0
5
10
71
Anhang C: Abschlusspräsentation
PAGING
in Konkurrenz zu zellularem Mobilfunk
und digitalen Rundfunkdiensten
Studie im Auftrag der
e*message GmbH Berlin
Dipl.-Ing. M.P. Althoff
Lehrstuhl für Kommunikationsnetze
der Technischen Hochschule Aachen
Prof. Dr.-Ing. B. Walke
Struktur der Präsentation
Anwendungen
Anwendungen und
und Dienste
Dienste
Technologischer
Technologischer Überblick
Überblick
Funkruf
Funkruf
GSM,GPRS
GSM,GPRS
DVB-T/DAB
DVB-T/DAB (digitaler
(digitaler Rundfunk)
Rundfunk)
Bewertung
Bewertung der
der Techniken
Techniken für
für
unterschiedliche
unterschiedliche Dienste
Dienste
Entwicklungspotential
Entwicklungspotential von
von Funkrufsystemen
Funkrufsystemen
Systeme im Vergleich
2
72
Anwendungen aus Sicht der Nutzer
hierarchische Struktur
Nutzer sieht nur die
Dienste
Dienste greifen auf
technische Lösungen zu
und verstecken Details vor
dem Nutzer
Der gleiche Dienst kann
mit Hilfe verschiedener
technischer Lösungen
erbracht werden
Nutzer
Nutzer
Dienste
Dienste
Technik
Technik
3
Dienste und heute mögliche Techniken
Einzelalarmierung
Funkruf
Gruppenalarmierung
Funkruf
Short Message Service
Funkruf
GSM Cell Broadcast
Broadcast
Personalisierte
Informationen
Short Message Service
Funkruf
GPRS / WAP
4
73
SPEECH
(HS-)CSD
GPRS
SMS
CBS
Anwendungen
GSM
FUNKRUF
DVB-T
Die Systeme ergänzen sich bei einigen Anwendungen.
5
Funkruftechnologie im Überblick
niedrige Datenraten
(1,2 kbit/s)
(2.4 kbit/s in Vorbereitung)
hohe Reichweite
gute Empfangsqualität auch bei
schlechten Empfangssituationen
geringe Latenz
Gruppenruf leicht möglich
preiswerte und kleine
Endgeräte verfügbar
Hohe Standzeit
6
74
Technik von GSM (Überblick)
zellulares Mobilfunksystem
weltweit erfolgreich mit hoher
Marktpenetration
ausgereifte Technik mit Fokus
auf Sprachkommunikation
Datendienste werden z.Z. in
den Markt eingeführt
Zusatzdienste wie SMS und
Cell Broadcast
ständig Weiterentwicklungen
7
GSM-Funkschnittstelle
Bruttodatenrate
270.83 kbit/s
MS
RAN
CN
8 periodisch
wiederholte
Zeitschlitze
Frequenz
4,615 ms
f0 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0
f1 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0
kombiniertes
TDMA/FDMAVerfahren
f2 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0
Kanäle, die in einer Zelle
verfügbar sind
Zeit
8
75
Short Message Service (SMS) (1)
Maximal 160 Zeichen mit einer Bruttodatenrate von 0.38 kbit/s
Maximal 4 SMS / sec., typisch ca. 5 Sekunden, wenn noch keine
Funkverbindung besteht
Typische Kapazität einer SMSC:
200.000 SMS/h
800.000 Zustellversuche/h
BSC
SMSC
BSC
9
Short Message Service (SMS) (2)
Sehr beliebter Dienst
Normale Verzögerung zwischen
Absenden und Zustellen ca. 10 Sekunden
SMSC: Übergänge zu anderen GSMNetzen, zum Internet, zu X.25, ISDN, FAX
sowie zu Pagingnetzen (optional)
Mehrfache Zustellversuche zu einer MS
Quittierung möglich
Bidirektionaler Dienst – SMS-MO/MT
Durch Nutzung von Signalisierungskanälen
(SDCCH/SACCH) parallel zu einer
bestehenden Sprachverbindung möglich
Aber:
Aber: Zu
ZuStoßzeiten
Stoßzeitentotale
totaleÜberlastung
Überlastungdes
desNetzes
Netzesdurch
durchsehr
sehrhohes
hohes
Verkehrsaufkommen
Verkehrsaufkommen
10
76
Cell Broadcast Service (CBS) (1)
Maximal 93 Zeichen mit einer Bruttodatenrate von 0.38 kbit/s
Ausgestrahlt in der Ausleuchtzone einer oder mehrerer BTS
Mobilstationen können bis zu 48 Kanäle speichern
Maximale Frequenz: 1 Nachricht / 2 Sekunden
BSC
CP
CP
IN
CBC
BSC
GSM-Netz
11
Cell Broadcast Service (CBS) (2)
⇒
⇒
Keine Bestätigung der Mobilstationen
Neu eingehende Nachricht eines Kanals überschreibt
vorherige Mitteilung
Videotext-ähnlicher Dienst
Keine Verschlüsselung
Lokalisierte Information möglich
Bisher kein kommerzieller Einsatz in deutschen GSM-Netzen
für Informationsaussendung da sonst Kannibalisierung der
WAP-Angebote
Verwendet den Signalisierungskanal CBCH zu Lasten des
SDCCH
Reduktion
Reduktion der
der Rufaufbau/SMS-Kapazität
Rufaufbau/SMS-Kapazität um
um ca.
ca. 5%
5% in
in
einer
typischen
Zellkonfiguration
(max.bis
zu
25%)
einer typischen Zellkonfiguration (max.bis zu 25%)
12
77
GPRS / WAP
GSM-MS belegt Kanal (TCH) nicht mehr permanent,
sondern nutzt paketierte Datenübertragung (PDCH)
dadurch viele MS auf einem Zeitschlitz parallel
Fokus Datenanwendungen (IP) und WAP
Einführung Ende 2000, nahtloser
Übergang zu IMT-2000/UMTS
Volumenorientierte Tarifierung
Subjektiver Eindruck:
schwerfällig, teuer
Situation wird sich erst mit EDGE verbessern. EDGE führt eine neue
Funkschnittstelle ein
⇒ höhere Einführungskosten
13
Digitale Rundfunkdienste (DVB-T/DAB) (1)
neue Technik für digitalen Rundfunk
sehr hohe Datenraten (bis 4.9MBit/s, geplant bis 11Mbit/s)
sehr große Zellen (bis 60km, typisch 40-50km)
geplant: IP-basierte Dienste, auch
Multicast
Mobile Empfänger (Fahrzeuge)
DVB-T
z.Z große Empfänger mit
hoher Leistungsaufnahme
IP
notwendig
DVB-T
14
78
Digitale Rundfunkdienste (DVB-T/DAB) (2)
Multimedia-Paging möglich
Datenraten muß bei Einzelruf auf die Teilnehmer
aufgeteilt werden
⇒ Nettodatenrate pro Teilnehmer aufgrund der
großen Zellen sehr viel niedriger
Einsatz in Spektrum geplant, das den
Rundfunkanstalten „gehört“
⇒ Kompetenzprobleme
Aufwendige Funkschnittstelle erfordert
komplizierte Empfänger
in UK in den Markt eingeführt,
europaweite Einführung umstritten
15
Dienste: Einzelruf
Definition: zeitnahe Benachrichtigung einer einzelnen Person
mit einer kurzen alphanumerischen Nachricht
z.B. für Ärzte mit Bereitschaftsdienst, Manager, etc.
GSM SMS
Funkruf
• bestätigter Dienst
• garantierte Laufzeit
• bei Bedarf Sprachtelefonie
möglich
• Empfang auch unter schwierigen
Bedingungen
• bidirektional
• europaweite Netze im Aufbau
• weltweit nutzbar
• sehr lange Standzeiten
• keine garantierte Laufzeit
• unidirektional & unbestätigt
• Empfang nur bei GSMcoverage möglich
• für bestimmte Anwendungen
zusätzlich Telefon notwendig
16
79
Dienste: Gruppenruf
Definition: zeitnahe Benachrichtigung einer Gruppe von
Personen mit einer kurzen Nachricht
z.B. für Feuerwehr, Notfälle, Betriebsstörungen
GSM SMS
Funkruf
• bestätigter Dienst
• garantierte, kurze Laufzeit
• Sprachtelefonie möglich
Bedingungen, hohe Zustellwahrscheinlichkeit
• keine garantierte Laufzeit
• Empfang nur bei GSMcoverage möglich
• niedrige Kosten
• hohe Verzögerung bei großen
Gruppen, die sich in einer Zelle
aufhalten
• Missbrauch schwierig
• sehr lange Standzeiten
• unidirektional & unbestätigt
17
Dienste: Broadcast (1)
Definition:
Ausstrahlen von aktuellen Informationen an mehrere
Empfänger, z.B. Börsenkurse, Fernsehprogramm, Nachrichten
GSM SMS
GSM CBS
• wenig neue Infrastruktur
• teuer
• stark lokalisierte Information
möglich
• unökonomisch
• unzuverlässig in
Hochlastsituationen
• höhere Belastung der
Signalisierungskanäle
• kein kommerzieller Betrieb
wg. WAP/GPRS
• unkomfortable Endgeräte
18
80
Dienste: Broadcast (2)
DVB-T
Funkruf
• hohe Datenraten
Bedingungen
• multimediafähig
• neue Infrastruktur erforderlich
• preiswert
• in GER noch nicht eingeführt
• sehr lange Standzeiten, kleine
Empfänger
• Spektrum bei
Rundfunkanstalten
• niedrige Datenraten
• große Empfänger mit kurzer
Standzeit
• komplexe Übertragungstechnik
19
Dienste: Personalisierte Informationen
Definition:
Ausstrahlen von angepassten Informationen an einen
Empfänger, z.B. Depotinformationen, Vereinsnachrichten etc.
GSM/GPRS WAP
Funkruf
• preiswert
• hohe Datenraten
• subjektiver Eindruck durch
Agententechnik ähnlich WAP
• bidirektional
• teuer
• kein Rückkanal
• unzuverlässig in
Hochlastsituationen
• teilweise hohe Latenz
20
81
Agententechnik für Pagingsystemen
Datenkarussell strahlt periodisch Informationen aus
selbstlernende Software auf dem Endgerät
organisiert die Rohdaten und bereitet diese für den
Benutzer auf
Nutzer hat transparenten Zugriff auf ihn
interessierende Informationen,
vgl. mit WAP-Diensten
interessant als Erweiterungsmodul
für bestehende PDA-Lösungen
(EPOC, PALM-OS)
⇒
⇒ Kostengünstige
Kostengünstige Realisierung
Realisierung attraktiver
attraktiver Dienste
Dienste
Entwicklungsmöglichkeiten
für Funkrufsysteme
21
Elektronische Zahlungssysteme
Kreditkartenzahlung im Internet unbeliebt wg.
Sicherheitsproblematik
Einmal-TANs via Funkruf erlauben sichere
Bezahlung
ebenfalls einsetzbar an Automaten und POSTerminals
Bluetooth wäre ideale
Ergänzung
Starker Partner aus dem
Finanzsektor erforderlich
für Funkrufsysteme
22
82
Ablauf einer Transaktion
2. Kontoinfo, Betrag,
POS-ID
1.Kontoinfo
4. TAN
Internet
POS
TERMINAL
5. Kontoinfo, TAN
PAGING
NETWORK
3. TAN
BANK
für Funkrufsysteme
23
Rückkanal für Funkrufsysteme
in den USA erfolgreich eingeführt (FLEX)
Potential, viel Geld aus dem zellularen
Markt abzuziehen (GSM,UMTS)
völlig neuartige Dienste mit attraktiven
Endgeräten möglich
Rückkanal über
FLEX
GSM/GPRS
anal. Bündelfunk
TETRA
hybride Systeme
für Funkrufsysteme
24
83
Hybride Systeme (4G)
WirelessAccessPoint
Þ Infoterminal
Þ Internet access (cheap)
Application
Server
Internet
Application
Server
AdHoc
networks
AdHoc
Networking
GSM/GPRS
UMTS
Network
Wireless LAN
Access Point
(HL/2, 802.11)
MMS
Services
DAB/DVB-T
broadcast
Funkruf
für Funkrufsysteme
25
Bewertung (1)
1. Funkruftechnik ist bei der schnellen und zuverlässigen
Alarmierung von Einzelpersonen und Gruppen
anderen Funksystemen teilweise deutlich überlegen
Bessere Ausleuchtung
Längere Standzeiten
Kurze Latenz
Gruppenruf
hohe Orts-/Zeitwahrscheinlichkeit
2. Funkruftechnik kann zusammen mit Agententechnik
preiswert PIM-ähnliche Anwendungen realisieren
subjektiver Eindruck wie WAP o.ä.
Bewertung
26
84
Bewertung (2)
3. -GSM SMS ist ein Massenmarkt
-für zeitkritische Anwendungen unzuverlässig
-Gruppenkommunikation schwierig
-für den Endkunden teuer
-Belastung der Signalisierungskanäle
4. -GSM Cell-Broadcast wird kommerziell in GER
nicht/kaum genutzt
-von den Netzbetreibern nicht eingeführt, um
GRPS/WAP nicht zu kannibalisieren
-Infrastrukturkosten für Einführung von GSM CB gering
-lokalisierte Information
Bewertung
27
Bewertung (3)
5. -GPRS ist Migrationsschritt zu UMTS
-Fokus Datenanwendungen und WAP
(Punkt-zu-Punkt)
-Besserung bringt EDGE
-wahrscheinlich hohe Tarife wg. UMTS-Kosten
-PUSH-Dienste unökonomisch
6. -DVB-T ist z.Z. keine Konkurrenz und bedient
einen anderen Markt
-die Endgeräte sind sehr komplex
⇒ teuer
-geringe Standzeiten
Bewertung
28
85
Bewertung (4)
7. -Electronic-Payment Systeme bieten Perspektive
-Nutzer wollen mehr Kontrolle über ihr Geld
-Internet-Zahlungssysteme
-Verlängerung der Wertschöpfungskette
-evtl. Partner im Finanzsektor notwendig
8. -rückkanalfähige Geräte können den Markt für
SMS angreifen und Paging erheblich attraktiver
für den Massenmarkt machen
-Realisierung durch 2-way-paging (FLEX) oder
hybride Systeme
Bewertung
29
Fazit
Funkrufsysteme belegen eine anderweitig
unbesetzte Marktnische
Funkrufsysteme haben trotz „alter“ Technik
für bestimmte Anwendungen technische
Überlegenheit
durch die hohen Lizenzkosten muß zellularer
Mobilfunk teuer bleiben
Funkrufsysteme haben erhebliches
Entwicklungspotential und können dem
zellularen Mobilfunk durch attraktive Dienste
und Endgeräte Marktanteile abnehmen
Bewertung
30
86
Diskussion und Fragen
Diskussion
31
Erweiterungsfolien
GPRS-Simulationen
Erweiterungsfolien
32
87
Personalisierte Informationen
Dienstplattform WAP über GPRS bzw. WWW über
GPRS ermöglicht personalisierte Informationsdienste
Kapazität hier definiert durch die Anzahl
bedienbarer Benutzer pro Funkzelle mit oder
ohne Berücksichtigung von einzuhaltenden
Dienstgüteparametern (hier die Antwortzeit eines
WAP-Decks oder einer WWW-Seite)
Kapazität wird begrenzt durch die
Funkressourcen (Anzahl verfügbarer Kanäle,
Adressraum)
GPRS-Simulationen
33
Simulation zur Kapazitätsabschätzung
Prototypische Implementierung der Protokolle
der GPRS-Funkschnittstelle
Stochastische Modellierung von protokollspezifischem Quellverkehr (WWW, E-Mail, WAP)
Stochastische Modellierung der Fehler auf dem
Funkkanal durch konstante Blockfehlerwahrscheinlichkeit
Integration der Module in ein Systemmodell mit
zellularer Struktur und einer Anzahl von Mobilund Basisstationen
Durchführung von Simulationen und statistische
Auswertung signifikanter Leistungskenngrößen
GPRS-Simulationen
34
88
Ergebnisse für Internet und WAP über
GPRS
Betrachtung des Verlaufs der Antwortzeiten eines
WAP-Decks und einer WWW-Seite über die
Anzahl zu bedienenden Mobilstationen.
Parameter
1,3 und 4 GSM-Kanäle (PDCH) pro Zelle für
GPRS verfügar
Multislotfähigkeit 4 Downlink Slots
Verkehrsmodell: WAP-Deck im Mittel 511 byte
WWW-Seite im Mittel etwa 10 Kbyte
GPRS-Simulationen
35
Antwortzeiten über Systemlast
WAP-Verkehr
1 bzw. 4 PDCH
Kanal fehlerfrei
bzw. fehlerbehaftet
Vergleich WAP-WWW
1 bzw. 4 PDCH für WAP
3 bzw. 4 PDCH für WWW
Kanal fehlerbehaftet
GPRS-Simulationen
36
89
Konkurrenz im Vergleich zu Paging
Antwortzeit unkritisch für Paging-Dienste, da
nicht vom Benutzer initiiert
Bis zu 50 Benutzer pro PDCH bedienbar mit
mittlerer Antwortzeit von 15 Sekunden
Adressraum an der Funkschnittstelle limitiert die
Anzahl parallel bedienbarer Benutzer auf 32
Anzahl verfügbarer PDCHs pro Funkzelle wird in
den nächsten Jahren 4 nicht überschreiten, da
Sprachdienste weiter bevorzugt werden
Es können theoretisch also maximal 128
Benutzer parallel pro Funkzelle bedient werden,
wenn keine anderen Anwendungen über GPRS
angefordert werden
GPRS-Simulationen
37
90

Studie der RWTH Aachen

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