Die Weiterentwicklung zellularer Dienste – 4G Mobile und MBS

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Mobile Broadband System MBS

Obwohl anscheinend neu, ist 4G schon seit weit mehr als zehn Jahren in der Entwicklung. Erste Forschungen wurden in Europa bereits in den frühen 90ern vorgenommen und zielten darauf ab, Hochgeschwindigkeitstechnologien für die drahtlose Datenübertragung zu entwickeln, die den Bedarf an mobiler Kommunikation bis 2020 abdecken könnten.

Das hierbei am weitesten getriebene Projekt war das mobile Breitband System MBS, eine Kooperation verschiedener Unternehmen und Universitäten mit Koordination durch die Europäische Kommission. Die Entwickler von MBS wollten ein zellulares System mit geringer Latenz, garantierter Quality of Service und einer Datenrate von OC3 (155 Mbps) entwickeln, Tausende Male schneller als alles, was zu jener Zeit auf dem Markt war. Und, unglaublich, sie hatten damit Erfolg. Der 1995 gebaute und vorgestellte MBS Prototyp hatte zwar „nur“ eine Datenrate von E3 (34 Mbps), aber man konnte einige Verbindungen parallel nehmen, um auf die gewünschte Datenrate zu kommen.

MBS wurde in verschiedenen Szenarien getestet, es gab sogar eine Verbindung zu einem Kraftfahrzeug, welches sich mit ca. 50 km/h um eine Stadt herum bewegte. Die physikalische Schicht von MBS war eine Variante von TDMA, während sich die höheren Schichten an ATM orientierten, was ja zu der Zeit vielfach als allgemeines Netzwerkprotokoll der Zukunft angesehen wurde. Die Erfinder von MBS haben aber dann klar erkannt, dass ein arbeitsfähiger Prototyp nicht das gleiche wie ein funktionierendes Netz ist und sich einen Zeitrahmen von 15 Jahren für die Kommerzialisierung gesetzt.

Man rechnete also mit der ersten kommerziellen Netzen in 2010 und mit einer flächigen Ausdehnung in 2020. Mittendrin hat sich allerdings die Spezifikation geändert: die physikalische Schicht wird jetzt auf Orthogonalem Frequency Division Multiplexing (OFDM) beruhen, einer Technologie, die dazu entwickelt wurde, ein Radiosignal unempfindlich gegenüber den Interferenzen zu machen, die durch unterschiedliche Wege auftreten können.

Außerdem wurde ATM durch IPv6 ersetzt. Weiterhin gibt es Diskussionen darüber, welcher Radiofrequenzbereich von dem System benutzt werden könnte. Der Prototyp benutzte das 60 GHz Band, wo es eine große Menge unbenutzter Bandbreite gibt, aber die Signalausbreitung und somit die Reichweite zwischen Sender und Empfänger ist nach heutigem Stand in diesem Band auf ca. 100m beschränkt. Daher würde ein flächendeckendes Netz Millionen von Basisstationen benötigen, die einen entsprechenden Bereich abdecken würden, der als Picozelle bezeichnet wird.

Frequenzwahl

Die Europes Wireless Strategy Initiative betrachtet auch den Frequenzbereich um 40 GHz, der ein günstigeres Ausbreitungsverhalten hat und deshalb zu größeren Zellen und entsprechend geringeren Netzwerkkosten führen würde.

Niedrigere Frequenzen kommen wegen der geforderten Datenraten nicht in Frage. Bei einem herkömmlichen Wabenkonzept benötigt man mindestens sieben unterschiedliche Frequenzbänder, auf die Informationen gepackt werden können. Sowohl amplituden- als auch frequenz- oder phasenorientierte Modulationsverfahren erzeugen Spektren doppelter Bandbreite und lediglich bei AM könnte man eines dieser beiden Seitenbänder abfiltern ohne Information zu verlieren.

AM wird aber bei den sehr hochfrequenten Übertragungssystemen nicht benutzt. Um die Übertragung zu sichern, wird man noch zusätzlich ein fehlererkennendes und -korrigierendes Verfahren einsetzen. Dies kostet bei mittelmäßiger Effizienz wenigstens den Faktor zwei. Die TDM-Verfahren kommen im Allgemeinen nicht über eine „Packungsdichte“ von 0,8 Bit/s/Hz hinaus.

Grob können wir also folgendes sagen: um einen Dienst mit einer Netto-Übertragungsrate von ca. 150 Mbit/s. pro Kanal aufzusetzen, erzeugt man einen Datenstrom mit Fehlererkennung von ca. 300 Mbit/s. Daraus macht ein TDM-Verfahren einen Datenstrom von ca. 375 Mbit/s pro Kanal, bei sieben Kanälen also 2.625 Gigabit/s. insgesamt. Die Modulation auf einen Träger macht daraus ein Signal von ca. 5,3 GHz. Durch viele Optimierungen ließe sich dieser Wert vielleicht noch halbieren, insgesamt ergibt sich aber ein Optimum nicht unter 2 GHz.

Wie wir uns erinnern, arbeiten drahtlose LANs im 2,4 GHz-Band, was aber nicht heißt, dass sie den Bereich von 0 Hz bis hierhin für sich alleine hätten. Sie dürfen lediglich einen schmalen Frequenzbereich im 2,4-GHz-Band benutzen, darum herum sind andere Funkdienste angesiedelt. Um ein Funksignal mit enthaltener Informationsbandbreite 2 Gbit/s unterzubringen, muss man daher schon auf 40 GHz oder mehr gehen.

Während sich andere Generationen drahtloser Netze darauf fokussiert haben, Sprache zu übertragen und andere Verkehrstypen nebenher Kurznachrichten abfackeln, ist MBS wirklich dienstneutral: eine große Pipe für Daten, egal, was diese Daten darstellen.