Studie der RWTH Aachen
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Studie der RWTH Aachen
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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 2 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 3 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 4 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 5 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS • 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 6 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 7 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 8 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 9 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS werden können. In dieser Anordnung wäre sogar ein Wiederaufladen des PaymentSystems über den Funkrufdienst denkbar. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 10 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 11 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 12 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 13 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 14 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 15 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 16 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 17 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 18 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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: STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 19 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 20 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 21 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 22 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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] 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 Number of mobile stations 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 23 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 Number of mobile stations Number of mobile stations 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 Downlink IP throughput [kbit/s] Downlink IP delay [s] Number of Mobile Stations 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 Offered IP traffic [kbit/s] 25 30 5 10 15 20 Offered IP traffic [kbit/s] 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 24 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 Downlink PDCH utilization [percent] Downlink IP delay [s] 4 3 2 1 60 40 20 0 5 10 15 20 25 0 30 5 10 Offered IP traffic [kbit/s] 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 Downlink IP throughput [kbit/s] Downlink PDCH utilization [percent] 15 20 Offered IP traffic [kbit/s] 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 Downlink IP throughput [kbit/s] Downlink IP throughput [kbit/s] 20 15 10 5 15 10 5 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 Offered IP traffic / PDCH [kbit/s] 2 3 4 5 6 7 Offered IP traffic / PDCH [kbit/s] Figure 1.2: Simulation and Approximation in the Reference Graph STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 25 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 26 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. Downlink IP throughput Downlink IP throughput per cell (sum/time) 30 30 Multislot class 2 Multislot class 4 Multislot class 2 Multislot class 4 25 Downlink IP throughput [kbit/s] Downlink IP throughput [kbit/s] 25 20 15 10 20 15 10 5 5 0 0 5 10 15 20 25 30 5 Number of mobile stations 10 15 20 25 30 Number of mobile stations 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 Downlink PDCH utilization 5 100 Multislot class 2 Multislot class 4 Multislot class 2 Multislot class 4 80 Downlink PDCH utilization [percent] Downlink IP delay [s] 4 3 2 1 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 Number of mobile stations 5 10 15 20 25 30 Number of mobile stations 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 27 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS Number of Mobile Stations Downlink IP Throughput 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 Downlink IP delay [s] Number of Mobile Stations Downlink IP throughput [kbit/s] 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 Offered IP traffic [kbit/s] Offered IP traffic [kbit/s] 15 20 25 Offered IP traffic [kbit/s] 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] Downlink PDCH utilization [percent] 80 60 40 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 Offered IP traffic [kbit/s] 25 30 1 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 2 3 4 5 Offered IP traffic / PDCH [kbps/PDCH] 6 7 28 30 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. Downlink IP throughput per cell (sum/time) Downlink IP throughput 30 30 3 fixed PDCH 4 fixed PDCH 5 fixed PDCH 3 fixed PDCH 4 fixed PDCH 5 fixed PDCH 25 Downlink IP throughput [kbit/s] Downlink IP throughput [kbit/s] 25 20 15 10 5 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 Number of mobile stations 25 30 5 10 15 20 Number of mobile stations Downlink IP delay 30 Downlink PDCH utilization 5 100 3 fixed PDCH 4 fixed PDCH 5 fixed PDCH 3 fixed PDCH 4 fixed PDCH 5 fixed PDCH 80 Downlink PDCH utilization [percent] 4 Downlink IP delay [s] 25 3 2 1 60 40 20 0 0 5 10 15 20 Number of mobile stations 25 30 5 10 15 20 Number of mobile stations 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. Number of Mobile Stations Downlink IP Throughput 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 [s] Number of Mobile Stations Downlink IP throughput [kbit/s] Downlink IP delay 30 30 15 10 3 2 1 5 5 0 0 5 10 15 20 Offered IP traffic [kbit/s] 25 30 0 5 10 15 20 Offered IP traffic [kbit/s] STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 25 30 5 10 15 20 25 30 Offered IP traffic [kbit/s] 29 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 Downlink PDCH utilization [percent] 80 60 40 20 0 5 10 15 20 Offered IP traffic [kbit/s] 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. Downlink IP throughput Downlink IP throughput per cell (sum/time) 30 30 3 fixed PDCH 4 fixed PDCH 5 fixed PDCH 3 fixed PDCH 4 fixed PDCH 5 fixed PDCH 25 Downlink IP throughput [kbit/s] Downlink IP throughput [kbit/s] 25 20 15 10 5 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 Number of mobile stations 25 30 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 5 10 15 20 Number of mobile stations 25 30 30 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 Downlink PDCH utilization 5 100 3 fixed PDCH 4 fixed PDCH 5 fixed PDCH 3 fixed PDCH 4 fixed PDCH 5 fixed PDCH 80 Downlink PDCH utilization [percent] Downlink IP delay [s] 4 3 2 1 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 5 10 Number of mobile stations 15 20 25 30 Number of mobile stations 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. Downlink IP Throughput Number of Mobile Stations 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 Downlink IP delay [s] Number of Mobile Stations Downlink IP throughput [kbit/s] 4 20 15 10 3 2 1 5 5 0 0 5 10 15 20 Offered IP traffic [kbit/s] 25 30 0 5 10 15 20 Offered IP traffic [kbit/s] 25 30 5 10 15 20 25 30 Offered IP traffic [kbit/s] The PDCH utilization increases linear until the value 100% is reached. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 31 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS Downlink PDCH utilization, Quota SMTP/HTTP 70/30 100 3 fixed PDCH 4 fixed PDCH 5 fixed PDCH Downlink PDCH utilization [percent] 80 60 40 20 0 5 10 15 20 25 30 Offered IP traffic [kbit/s] 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 32 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 33 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 Response Time of Network [s] 2.910 8.2359 Reading Time of User [s] 9.9819 22.1847 Size of ‚Get Request‘ – Packet [byte] 112.0709 57.7488 6.719 Size of ‚Content‘ – Packet [byte] 582.8583 269.6853 8.9573 Number of decks retrieved during one 25.4 session M-Commerce Response Time of Network [s] 1.6654 3.8349 Reading Time of User [s] 10.6866 13.0844 Size of ‚Get request‘ – Packet [byte] 84.32 16.5236 6.3712 Size of ‚Content‘ – Packet [byte] 640.98 342.8864 9.0620 Number of decks retrieved during one 20 session Common Response Time of Network [s] 3.4145 14.0849 Reading Time of User [s] 13.7556 116.8409 Size of ‚Get Request‘ – Packet [byte] 108.1966 84.6781 Size of ‚Content‘ – Packet [byte] 511.0638 367.9254 8.5073 Number of decks retrieved during one 19.438776 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 34 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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) STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 35 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 36 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 37 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 38 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 39 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 40 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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: STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 41 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS • 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 42 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 43 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 44 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 45 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 46 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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). STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 47 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS • 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 48 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 ht en tie n Ak ac hr ic N et te r W t-I nf o To ur is N ot fa ll R ei se e ffi c O eM 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 49 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 50 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 60 50 nicht 40 wenig Interessiert sehr 30 Bezahlung 20 10 f au et Ti ck in e O nl ve rk nk in er c Ba m C om E- g e en . N ac hr ic ht et c n se at io nk ur Ak t ie rm rin fo te W et ni nf or m at st io n e o is te To Ve ur rk eh N ot fa lld is Re ie n n at io eb ür ce rs in fo i le M ob rm O ffi ng di lo a wn do f ile in g, ws -b ro W eb M es sa gi n g, eM ai l, Ch a t 0 • Abbildung 4: Ergebnisse der Akzeptanzbefragung nach beispielhaften Diensten 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Text Bild Audio N ac hr ic ht en Ak tie n W et te r l To ur is t-I nf o N ot fa l e R ei s ffi ce O ng Br ow si eM ai l 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 51 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 1% 29% Ja Nein Optional 56% keine Antwort 14% Abbildung 7: Akzeptanz von Werbung zur Finanzierung des Dienstes STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 52 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 53 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 F n-1 7 0 1 2 3 4 5 6 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 54 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 55 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 56 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 57 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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: STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 58 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS • 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: STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 59 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS • 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 60 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 61 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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. STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 62 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 63 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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) STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 64 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS Kanalkombination 4: FCCH + SCH + BCCH + CCCH Kanalkombination 5: FCCH + SCH + BCCH + CCCH + SDCCH/4 (0,1,2,3) Kanalkombination 6: BCCH + CCCH STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 65 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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: STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 66 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS • Einmal auf TN 0: FCCH + SCH + BCCH + CCCH, • Einmal auf TN 2: BCCH + CCCH, • Einmal auf TN 4: BCCH + CCCH, • Einmal auf TN 6: 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). STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 67 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 Number of Active Stations 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 Number of Active Stations 20 25 30 Number of Active Stations 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) Simulation Series (2) Simulation Series (7) 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 Number of Active Stations 20 25 30 Number of Active Stations Response Time of Server Total Downlink IP Throughput 9 600 ‘direct hold on’ on (2) ‘direct hold on’ off (3) 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 ‘direct hold on’ on (2) ‘direct hold on’ off (3) 0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Number of Active Stations STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Number of Active Stations 68 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS Total Uplink IP Throughput Downlink PDCH Utilization 180 80 ‘direct hold on’ on (2) ‘direct hold on’ off (3) 160 70 60 Downlink PDCH Utilization [%] Total Uplink IP Throughput [byte/s] 140 120 100 80 60 40 30 20 40 1 PDCH, errorfree (2) 4 PDCH, errorfree (6) 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 Number of Active Stations Number of Active Stations Session duration Number of Sessions 800 35 40 45 50 35 40 45 50 600 ‘direct hold on’ on (2) ‘direct hold on’ off (3) 750 ‘direct hold on’ on (2) ‘direct hold on’ off (3) 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 Number of Active Stations 25 30 Total Downlink IP Throughput 9 800 1 PDCH, errorfree (2) 4 PDCH, errorfree (6) 1 PDCH, error 13.5% (12 dB) (4) 4 PDCH, error 13.5% (12 dB) (5) 8 700 7 Total Downlink IP Throughput [byte/s] Response Time of Server (mean) [s] 20 Number of Active Stations Response Time of Server 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 Number of Active Stations STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 1 PDCH, errorfree (2) 4 PDCH, errorfree (6) 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 Number of Active Stations 69 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS Total Uplink IP Throughput Downlink PDCH Utilization 250 80 1 PDCH, errorfree (2) 4 PDCH, errorfree (6) 1 PDCH, error 13.5% (12 dB) (4) 4 PDCH, error 13.5% (12 dB) (5) 70 60 Downlink PDCH Utilization [%] Total Uplink IP Throughput [byte/s] 200 150 100 50 40 30 20 50 1 PDCH, errorfree (2) 4 PDCH, errorfree (6) 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 Number of Active Stations Session duration 25 30 35 40 45 50 35 40 45 50 Number of Sessions 800 600 1 PDCH, errorfree (2) 4 PDCH, errorfree (6) 1 PDCH, error 13.5% (12 dB) (4) 4 PDCH, error 13.5% (12 dB) (5) 1 PDCH, errorfree (2) 4 PDCH, errorfree (6) 1 PDCH, error 13.5% (12 dB) (4) 4 PDCH, error 13.5% (12 dB) (5) 700 500 600 400 Number of Sessions Duration of Sessions (mean) [s] 20 Number of Active Stations 500 300 400 200 300 100 200 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 Number of Active Stations 20 25 30 Number of Active Stations Response Time of Server Total Downlink IP Throughput 10 700 E-Mail traffic (7) News(paper) traffic (8) M-Commerce traffic (9) Common traffic (10) 9 600 Total Downlink IP Throughput [byte/s] Response Time of Server (mean) [s] 8 7 6 5 4 3 500 400 300 200 2 100 E-Mail traffic (7) News(paper) traffic (8) M-Commerce traffic (9) Common traffic (10) 1 0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 5 10 15 Number of Active Stations Total Uplink IP Throughput 25 30 35 40 45 50 Downlink PDCH Utilization 180 90 E-Mail traffic (7) News(paper) traffic (8) M-Commerce traffic (9) Common traffic (10) 160 80 140 70 Downlink PDCH Utilization [%] Total Uplink IP Throughput [byte/s] 20 Number of Active Stations 120 100 80 60 60 50 40 30 40 E-Mail traffic (7) News(paper) traffic (8) M-Commerce traffic (9) Common traffic (10) 20 20 0 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Number of Active Stations STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Number of Active Stations 70 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS Session duration Number of Sessions 900 600 E-Mail traffic (7) News(paper) traffic (8) M-Commerce traffic (9) Common traffic (10) 800 E-Mail traffic (7) News(paper) traffic (8) M-Commerce traffic (9) Common traffic (10) Number of Sessions Duration of Sessions (mean) [s] 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 Number of Active Stations 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 Number of Active Stations 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 Number of Active Stations 10 15 20 Number of Active Stations 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 Number of Active Stations 15 20 15 20 Number of Active Stations Response Time DL IP Throughput 25 2500 WAP traffic, 1 PDCH, error 13.5% (12 dB) (4) WAP traffic, 4 PDCH, error 13.5% (12 dB) (5) HTTP traffic, 3 PDCH‘s, error 13.5% (12 dB) HTTP traffic, 4 PDCH‘s, error 13.5% (12 dB) WAP traffic, 1 PDCH, error 13.5% (12 dB) (4) WAP traffic, 4 PDCH, error 13.5% (12 dB) (5) HTTP traffic, 3 PDCH‘s, error 13.5% (12 dB) HTTP traffic, 4 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 Number of Active Stations STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 0 5 10 Number of Active Stations 71 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 2 72 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 Systeme im Vergleich 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 Systeme im Vergleich STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 4 73 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS SPEECH (HS-)CSD GPRS SMS CBS Anwendungen GSM FUNKRUF DVB-T Die Systeme ergänzen sich bei einigen Anwendungen. Systeme im Vergleich 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 Systeme im Vergleich STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 6 74 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 Systeme im Vergleich 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 Systeme im Vergleich STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 8 75 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 Systeme im Vergleich 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 Systeme im Vergleich STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 10 76 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 Systeme im Vergleich 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%) Systeme im Vergleich STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 12 77 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 Systeme im Vergleich 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 Systeme im Vergleich STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 14 78 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 Systeme im Vergleich 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 Systeme im Vergleich STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 16 79 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 • Empfang auch unter schwierigen 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 Systeme im Vergleich 17 Dienste: Broadcast (1) Definition: Ausstrahlen von aktuellen Informationen an mehrere Empfänger, z.B. Börsenkurse, Fernsehprogramm, Nachrichten GSM SMS GSM CBS • weltweit nutzbar • wenig neue Infrastruktur • teuer • stark lokalisierte Information möglich • unökonomisch • unzuverlässig in Hochlastsituationen • höhere Belastung der Signalisierungskanäle • kein kommerzieller Betrieb wg. WAP/GPRS • unkomfortable Endgeräte Systeme im Vergleich STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 18 80 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS Dienste: Broadcast (2) DVB-T Funkruf • hohe Datenraten • Empfang auch unter schwierigen 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 Systeme im Vergleich 19 Dienste: Personalisierte Informationen Definition: Ausstrahlen von angepassten Informationen an einen Empfänger, z.B. Depotinformationen, Vereinsnachrichten etc. GSM/GPRS WAP Funkruf • weltweit nutzbar • preiswert • hohe Datenraten • subjektiver Eindruck durch Agententechnik ähnlich WAP • bidirektional • teuer • kein Rückkanal • unzuverlässig in Hochlastsituationen • teilweise hohe Latenz Systeme im Vergleich STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 20 81 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 Entwicklungsmöglichkeiten für Funkrufsysteme STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 22 82 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS Ablauf einer Transaktion 2. Kontoinfo, Betrag, POS-ID 1.Kontoinfo 4. TAN Internet POS TERMINAL 5. Kontoinfo, TAN PAGING NETWORK 3. TAN BANK Entwicklungsmöglichkeiten 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 Entwicklungsmöglichkeiten für Funkrufsysteme STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 24 83 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 Entwicklungsmöglichkeiten 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 26 84 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 28 85 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 30 86 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS Diskussion und Fragen Diskussion 31 Erweiterungsfolien GPRS-Simulationen Erweiterungsfolien STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 32 87 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 34 88 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 36 89 POTENTIAL LIZENZIERTER SCHMALBANDIGER FUNKRUFDIENSTE IM WETTBEWERB MIT DIGITALEN RUNDFUNKDIENSTEN SOWIE DEN DATENDIENSTEN VON GSM UND GPRS 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 STUDIE DER RWTH AACHEN IM AUFTRAG DER E-MESSAGE GMBH © 2001 COMNETS, RWTH AACHEN 37 90