Die Technik der modernen Mobilkommunikation: Grundlagen, Standards, Systeme und Anwendungen 3772356338

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Funkschau Technik

Hans Lobensommer

Die Technik der modernen _S Mobilkommunikation ee

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Grundlagen, Standards, Systeme und Anwendungen

Funkschau

Technik

Funkschau

Technik

Hans Lobensommer

Die Technik der modernen Mobilkommunikation Grundlagen, Standards, Systeme und Anwendungen

Mit 105 Abbildungen und 8 Tabellen

Franzis’

Die Deutsche Bibliothek — CIP-Einheitsaufnahme Lobensommer, Hans: Die Technik der modernen

Mobilkommunikation :

Grundlagen, Standards, Systeme und Anwendungen ; mit 8 Tabellen / Hans Lobensommer.

(Funkschau : Technik) ISBN 3-7723-5633-8

©

- München

1994 Franzis-Verlag GmbH,

: Franzis, 1994

München

Sämtliche Rechte - besonders das Übersetzungsrecht - an Text und Bildern vorbehalten. Fotomechanische Vervielfältigungen nur mit Genehmigung des Verlages. Jeder Nachdruck, auch auszugsweise und jede Wiedergabe der Abbildungen, auch in verändertem Zustand, sind verboten.

Satz: SatzStudio Pfeifer, Gräfelfing Druck: Offsetdruck Heinzelmann, München

Printed in Germany ® Imprime en Allemagne

ISBN 3-7723-5633-8

Vorwort

Der Markt für Mobilkommunikation entwickelt sich seit Ende der

achtziger Jahre zum größten Wachstumsmarkt der Telekommunikation in Nordamerika und in den Industrieländern Europas und

Asiens. Kein anderer Bereich der Telekommunikation hat einen so hohen Zuwachs an Teilnehmern und an Marktvolumen zu verzeichnen. Die hohen Teilnehmerzuwachsraten bei zellularen Mobilfunk-

systemen im Speziellen und der mobilen Telekommunikation im Allgemeinen zeigen, daß ein großer Bedarf an solchen Systemen in unserer Gesellschaft vorhanden ist. Der zelluare Mobilfunk, ein Teilbereich der Mobilkommunikation, verändert die Telekommunikation, die heute noch in hohem Maße

von drahtgebundenen und damit ortsgebundenen Systemen dominiert wird. Wie viele frustrierende Versuche sind heute oft erforderlich, wenn man jemanden telefonisch erreichen will. Die moderne Vermittlungs- und Übertragungstechnik schafft zwar in Sekundenschnelle weltweite Verbindungen;

gerufene ten, ihn gen, daß lich ist,

aber was hilft es, wenn sich der

Teilnehmer gerade nicht an dem Ort befindet, wo wir hofferreichen zu können? Repräsentative Untersuchungen zeidreiviertel aller Telefongespräche, bei denen es erfordermit einer ganz bestimmten Person zu sprechen, nicht

zustande kommen, weil die Anrufe in Sekretariaten, auf Anrufbeantwortern oder eben einfach bei den Personen landen, die das

Gespräch annehmen, aber zu dem gewünschten Teilnehmer nicht

weiterverbinden können. Der Mobilfunk kann dieses Problem lösen. Er rückt die Telekommunikation damit in eine neue Dimen-

sion.

Mobilkommunikation, ein Schlagwort dem wir fast täglich in der Presse begegnen, ist nur der Oberbegriff für eine Vielzahl von 5

Vorwort

Systemen, die heute verfügbar sind oder für die Zukunft geplant und entwickelt werden. Für den interessierten Laien ist es nicht immer einfach, sich in die-

ser Vielfalt zurechtzufinden. Das vorliegende Buch soll deshalb einen Überblick über die Systeme, deren technischen Aufbau und ihre Anwendungsmöglichkeiten vermitteln. Darüber hinaus soll das Buch im Teil 1 dem Leser auch einen Einblick in technisch-physikalische Grundprinzipien der Funktechnik gewähren, die in Mobilkommunikationsystemen angewendet werden.

Zu allen Zeiten haben neue Technologien Anlaß zu kontroversen Diskussionen in der Gesellschaft gegeben. Die Mobilkommunikation macht hier keine Ausnahme. Elektromagnetische Wellen, das Medium, mit dem in der Mobilkommunikation Nachrichten draht-

los übertragen werden, sind in die Diskussion geraten. Das Funktelefon, die Sendetürme und die damit verbundenen gesundheitlichen und ökologischen Aspekte geben hier Anlaß zu Auseinandersetzungen, die nicht immer auf sachlicher Ebene geführt werden. Auch hierzu soll das vorliegende Buch dem interessierten Leser Wissen vermitteln,

das ihn in die Lage versetzt, die Argumente,

diese Diskussionen geführt werden, sachlicher zu beurteilen.

München, im November 1993

mit der

Der Verfasser

Wichtiger Hinweis Die in diesem Buch wiedergegebenen Schaltungen und Verfahren werden ohne Rücksicht auf die Patentlage mitgeteilt. Sie sind ausschließlich für Amateur- und Lehrzwecke bestimmt und dürfen nicht gewerblich genutzt werden*). Alle Schaltungen und technischen Angaben in diesem Buch wurden vom Autor mit größter Sorgfalt erarbeitet bzw. zusammengestellt und unter Einschaltung wirksamer Kontrollmaßnahmen reproduziert. Trotzdem sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Der Verlag und der Autor sehen sich deshalb gezwungen darauf hinzuweisen, daß sie weder eine Garantie noch die juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für Folgen, die auf fehlerhafte Angaben zurückgehen, übernehmen können. Für die Mitteilung eventueller Fehler sind Autor und Verlag jederzeit dankbar. *) Bei gewerblicher Nutzung ist vorher die Genehmigung des möglichen Lizenzinhabers einzuholen.

Inhalt

Teil 1

Funktechnik-Prinzip und Anwendung

......

9

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12

Einleitung .::::aaa: saummaan raman nes um Elektromagnetische Schwingungen ............. Abstrahlung elektromagnetischer Wellen ......... Wellenlänge und Frequenzspektrum ............ Die Antenne ....... 220er Das Dezibäl -.: caaunı smamnms sun n ns um Antennengewimn ...... 2er ernennennn Feldstärke, Leistungsflußdichte und Dämpfung ..... Ausbreitung elektromagnetischer Wellen ......... Elektronisches Rauschen... ... 2... 2.222.200. Sisnal-Störabstand «ur: snunmnr ss enunne nee Modulation und Modulationsverfahren .......... Digitalisierung analoger Signale und SignalÜbBErtTagUNE an maus mau mn nn a Funkkanal und Frequenzraster .... 2... 2.222220. Multiplexverfahren ..... 2.2.2220 ennen Zugeriffeverlähten :zans:sawounn mann Hi Funkstörungen und Signaldämpfung ............

11 12 17 21 22 25 28 31 33 45 46 46

1.13 1.14 1.15 1.16

Teil 2

2.1 2.2

32 61 62 63 68

Mobilkommunikation — Systeme, Anwendungen, Leistungsfähigkeit.......... 73 Das schnurlose Telefon ......::: 22222220. Schnurloses Telefon der 1. Generation ........... CTl1-Standard ...: 2:2 oc oo.

CT2-Standard und Telepoint

..........

75 77 79

2.2... 84

Inhalt

4

DECT-Standard

........: 2:22:22 eeeeeneen

92

5 5.1 32 5.3 5.4 33

Zellularer Mobilfunk ........... 222200. Zellulare Netzstruktur .......2. 2.2220. Funknetzplanung . ........ 2222 22er eeennnn DasC- Netz „sus smunus ame nn anna a Das GSM-System (DVD2-Netz) .............. Mobile Endseräle . :s«suıreeuwurreawmers cm

99 100 103 110 124 147

6

PCN (Personal Communication Network)

.......

160

7 7.1 2:2 71.3 7.4 723

Funkruf (Paging Systeme) .......... 2.222200: Eurosignal ..... 2.2.2... 2 onen 6) 1 2 11) ER Infor uns ammnn nun mann Euromessage .... 22... on nennennn Eiities v0: smnamnı mm ans ne mm mn ei

171 175 180 190 190 191

8 8.1 8.2

Bündelfunksysteme .........: 222220 eeenen 201 Systeme mit analoger Sprachübertragung ........ 201 Systeme mit digitaler Sprachübertragung (TETRA) . 214

9 9.1

Mobile Datenübertragung .......... 222000. Modacom ....... 2.2.2 neee een ennnnn

218 224

10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5

Satellitenkommunikation ....... 222200000. Kommunikationssatelliten .......... 2222200. INMARSAT ....... 2.000 r rennen IRIDIUM ‚vzuuus oe emamms: asus om mann INMARSATP21......... 2.2.22 eceneeeeen GPS - Global Positioning System .............

237 238 247 250 253 254

1

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV-U)

.....

237

12

Marktzahlen - Tendenzen

.............222020.:

265

Anhang .....::::ccooeeee ernennen Abkürzungen : «una: cum n ns sn mns nm mms en ms Quellenverzeichnis ......:: 22222 o een Sachverzeichnis „ser iauun: sum ans seem mr nme

271 283 289 293

6.1 6.2

8

DE TEN eunasıeuuuns tinmmns ınummr im 163 Die El-Lizenz ........... 2 co cuessenen nn 167

Funktechni Pr inzip

und Anwendungen

1 Einleitung

Im Teil 1 werden die physikalischen und technischen Zusammenhänge in der Funktechnik besprochen. Es werden Fachbegriffe erörtert, die dem interessierten Leser die Möglichkeit bieten, sich in

der weiterführenden Literatur über Mobilkommunikation besser zurechtzufinden. Es soll dabei aber keinesfalls der Eindruck entstehen, daß im Teil 1 Grundlagen der Elektronik und Hochfrequenztechnik vermittelt werden. Dies würde den Rahmen des vorliegenden Buches erheblich überschreiten und muß deshalb auch der einschlägigen Fachliteratur vorbehalten bleiben. Der Teil 1 fordert vom Leser keine besonderenVorkenntnisse, sondern nur die Bereit-

schaft, Prinzipien der Funktechnik verstehen zu wollen.

In der Funktechnik bilden elektromagnetische Schwingungen, die als elektromagnetische Wellen in den freien Raum abgestrahlt werden, das Medium, oder genauer gesagt den Träger, mit dem Nachrichtensignale drahtlos von einem Sender zu einem Empfänger transportiert werden. Für die weiteren Betrachtungen müssen wir uns deshalb mit der Entstehung und Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen etwas eingehender beschäftigen. Eine kurze und prägnante Definition der elektromagnetischen Wellen lautet: Elektromagnetische Wellen sind periodische Zustandsänderungen eines elektromagnetischen Feldes, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Elektromagnetische Wellen unterscheiden sich durch ihre Frequenz bzw. durch ihre Wellenlänge. Das Spektrum der elektromagnetischen Wellen reicht vom technischen Wechselstrom über die Mikrowellen und das sichtbare Licht bis hin zu den radioaktiven Gammastrahlen und der sekundären Höhenstrahlung. Hinter dieser Definition verbergen sich sehr komplexe physikali11

1 Einleitung

sche Zusammenhänge, die in diesem Kapitel an einfachen Beispielen verständlich gemacht werden sollen.

1.1

Elektromagnetische Schwingungen

Elektromagnetische Wellen, die in der Funktechnik Verwendung finden, haben ihren Ursprung in elektromagnetischen Schwingungen, welche in elektrischen Schwingkreisen erzeugt werden. In Abb. 1.1a sehen wir einen elektrischen Schwingkreis, der aus einer Stromquelle z.B. einer Batterie (U), einer Spule (L), einem Kondensator (C) und einem Umschalter besteht. 1 ©

f

2

_— u

Abb.

1.1a: Einfache Anordnung zur Erzeugung elektromagnetischer Schwingung

Intervall Max.

1

Intervall

2

+

Max.

Abb.

12

1.1b: Elektromagnetische Schwingung

-

1.1

Elektromagnetische Schwingungen

Mit den Darstellungen in Abb. I.la und Abb. 1.1b wollen wir nun die Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen nachvollziehen. Intervall 1 Befindet sich der Schalter in Position 2, wird der Kondensator von

der Batterie aufgeladen. Am Kondensator entsteht ein Feld elektrischer Energie. Bringt man nun den Schalter in die Position 1, beginnt ein Entladestrom durch die Spule zu fließen, der seinerseits ein Magnetfeld aufbaut. Dieses Magnetfeld erzeugt eine Induktionsspannung, die der Spannung am Kondensator entgegenwirkt und den Entladestrom hemmt. Der Kondensator kann sich deshalb nur zeitverzögert über die Spule entladen. Der Entladestrom wird während der Entladung immer kleiner, bis er am Ende den Wert Null erreicht. Das vom Entladestrom hervorgerufene Magnetfeld bricht im gleichen Maße zusammen, wie der Entladestrom abnimmt.

Intervall 2 rl Das zusammenbrechende Magnetfeld bewirkt durch Induktion einen Stromfluß, der den Kondensator nun mit entgegengesetzter Polarität auflädt. Es entsteht wiederum ein elektrisches Feld. Der geladene Kondensator beginnt sich neuerlich über die Spule zu entladen und der Vorgang wiederholt sich auf die gleiche Art, wie er bereits im Intervall 1 beschrieben wurde. Auf diese Weise schwingt ein Strom zwischen Spule und Kondensator hin und her, der bei jedem Umladevorgang seine Polarität (+/-) ändert. In dem Schwingkreis werden so abwechselnd elektrische und magnetische Felder auf- und abgebaut. Da Spule und Kondensator einen Verlustwiderstand besitzen, dessen Ursache u.a. im konstruktiven Aufbau der beiden Komponenten, den dafür verwendeten Materialien, der Arbeitsfrequenz und

der Umgebungstemperatur zu finden ist, wird ein Teil der zugeführten Energie im Verlustwiderstand in Wärme umgewandelt. Dem Schwingungsvorgang wird so ständig Energie entzogen und die Schwingungen werden dadurch fortwährend gedämpft, bis sie schließlich vollständig aussetzen. (Abb. 1.2). In der Nachrichtentechnik benötigt man aber ungedämpfte, Kontinuierliche elektromagnetische Schwingungen. Der Energieverlust 13

1 Einleitung

Aa iR Abb. 1.2: Gedämpfte Schwingung

im Schwingkreis muß deshalb ausgeglichen werden. In unserem Beispiel kann man man dies mit dem Schalter in Abb. 1.1a realisieren. Immer in dem Moment,

in dem die Energie im Kondensator

gespeichert wird, muß der Schalter umgelegt werden, damit der Teil der Energie, der durch den Verlustwiderstand verloren geht, aus der Batterie wieder ersetzt werden kann. Um eine komplette Schwingung auszuführen, muß der Strom von Null bis zum positiven Maximum ansteigen, wieder auf Null absinken, von dort zum negativen Maximum ansteigen um dann wieder auf Null zurückfallen (Abb. 1.3). Werden diese Phasen in der Zeiteinheit von einer Sekunde durchlaufen, bezeichnet man das als Peri-

ode oder Schwingung mit der Frequenz von einem Hertz (Hz).

Wenn wir Schwingungen mit der Frequenz von 1 Hz erzeugen wollen, müssen wir unseren Schalter zweimal in einer Sekunde umstel-

len. In der Funktechnik liegt die Frequenz der elektromagnetischen Schwingungen jedoch im Bereich von ca. 150.000 bis 30 Milliarden Hz. Unser mechanischer Schalter wäre hier selbstverständlich viel zu träge. Man muß deshalb andere technische Maßnahmen ergreifen. Mit Transistoren und Röhren lassen sich nahezu trägheitslose Schalter aufbauen, die diese hohe Schaltfrequenzen mühelos beherrschen. Ersetzt man den Schalter durch eine solche spezielle Transistor- oder Röhrenschaltung, wird der Kondensator bei jedem Polaritätswechsel durch sogenannte Rückkopplung -auf die wir hier nicht näher eingehen wollen- an die Batteriespannung gelegt und

14

1.1

+

Elektromagnetische Schwingungen

+

0

B> f=1Hz

—

-

is

=

—

Abb. 1.3: Ungedämpfte elektromagnetische Schwingung

der Energieverlust im Schwingkreis damit ausgeglichen. Eine solche Anordnung

erlaubt

es, ungedämpfte,

Schwingungen zu erzeugen.

hochfrequente,

elektrische

Die Frequenz der elektromagnetischen Schwingungen, die in einem Schwingkreis erzeugt werden, ist durch die Kapazität des Kondensators und durch die Induktivität der Spule bestimmt (Eigenfrequenz des Schwingkreises). Es gilt die Regel: je kleiner Kapazität und Induktivität, desto höher die Eigenfrequenz des Schwingkreises. Die Eigen- oder Resonanzfrequenz ist die Frequenz, bei welcher der induktive Widerstand der Spule und der kapazitive Widerstand des Kondensators den gleichen Wert haben. In diesem Zustand sind die im Schwingkreis auftretenden Energieverluste am geringsten. Durch entsprechende Wahl von Kondensator und Spule lassen sich elektromagnetische Schwingungen mit der jeweils gewünschten Frequenz erzeugen. Damit haben wir die Funktion eines Schwingkreises zur Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen, wenn auch stark vereinfacht, beschrieben. Der in Abb. 1.1a dargestellte Schwingkreis wird „geschlossener Schwingkreis“ genannt, weil sich das magnetische Feld im wesentlichen in der Spule, und das elektrische Feld vor allem im Dielektrikum des Kondensators aufbaut und kaum nach außen in den freien Raum wirkt. Wenn wir in einem geschlossenen Schwingkreis die elektrisch wirksamen Platten oder Beläge des Kondensators voneinander entfernen, entsteht ein „offener Schwingkreis“. Dabei verringern wir 15

1 Einleitung

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Sendezone

3

Sendezone

4

Netzarchitektur für das Cityruf-System

ler

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EI

7.2 Cityruf

der Funkbedeckung identisch ist. Eine Rufzone kann aus einer Reihe von Sendezonen bestehen. Die Rufzonennummer ist Bestandteil der Teilnehmernummer. Die Rufzonennummer ist das Kriterium, zu welcher Funkvermittlungsstelle der Anruf geleitet wird (routing). Der Funkrufteilnehmer kann selbst bestimmen, ob er in einer oder in mehreren Rufzonen erreichbar sein will. Für jede zusätzliche Rufzone sind vom Teilnehmer gesonderte Gebühren zu entrichten. Dem Anrufer müssen diese Rufzonen nicht bekannt sein. Das System erkennt automatisch aus der Teilnehmernummer die Rufzone, die dem Teilnehmer fest zugeordnet ist. In der Funkvermittlung dieser Rufzone ist eine Heimatdatei (Register) eingerichtet, in der alle teilnehmerrelevanten

Daten

und

evtl. weitere

Rufzonen eingetragen sind, in denen der Teilnehmer zusätzlich gerufen werden will. Das „routing“ erfolgt automatisch zwischen den Funkrufvermittlungen. Die Funkrufvermittlung bildet das Interface zwischen dem öffentlichen Telefonnetz und dem Funkrufnetz. Im Cityruf-System ist darüber hinaus der Zugang aus dem Telex-, Teletex- und Btx-Netz möglich. Jeder Rufzone ist eine Funkrufvermittlung zugeordnet. An der Funkrufvermittlung können bis zu 30 Funkonzentratoren über Fernsprechleitungen angeschlossen sein. Die Funkrufvermittlungen sind untereinander in einem Maschennetz verbunden. Die Leitungsverbindungen dienen im wesentlichen zum Weiterleiten von Anrufen und zur Übertragung von Betriebsdaten für die Netzüberwachung. Die Anrufe aus den öffentlichen Netzen (PSTN, Tx,Ttx, Btx) werden in der Funkvermittlung in den POCSAG-Code umgesetzt und mit FFSK-Modulation an die Funkkonzentratoren übertragen. An jeder Funkrufvermittlung ist mindestens ein Funkrufkonzentrator angeschlossen, mit dem bis zu 32 Funkrufsender gesteuert werden können. Im Funkrufkonzentrator werden die FFSK-modulierten POCSAG-Signale verstärkt und auf die Funkrufsender verteilt. Wie bei Eurosignal, so arbeiten auch die Funkrufsender des Cityrufs im Gleichwellenbetrieb. Dabei müssen zwischen den Sendern Signallaufzeiten ausgeglichen und bestimmte Synchronisationsschemata eingehalten werden. Der Funkkonzentrator ist dazu einerseits 183

7

Funkruf (Paging Systeme)

mit allen Funkrufsendern über Fernsprechleitungen verbunden, andererseits empfängt er mit einem Funkmeßempfänger Testsignale, die alle Funkrufsender auf den drei Frequenzen aussenden. Im Funkmeßempfänger werden die empfangenen Testsignale ausgewertet und die Funkrufsender über die Leitungsverbindungen entsprechend gesteuert. Der Funkkonzentrator kann die Signale aller bei ihm angeschlossenen Funkrufsender aber nur dann richtig empfangen, wenn Sichtverbindung zwischen dem Funkkonzentrator und den Funkrufsendern besteht. Damit ist die maximale Reichweite der Funkrufsender durch den optischen Horizont in Abhängigkeit von der Antennenhöhe begrenzt. In ebenem Gelände beträgt der Radius einer Sendezone theoretisch bis maximal ca. 36 km. Die tatsächlichen Reichweiten sind aber jeweils von den örtlichen Gegebenheiten und der Funknetzplanung abhängig. Ein Funkkonzentrator und mehrere Funkrufsender, die im Gleich-

wellenbetrieb arbeiten, bilden eine Sendezone. Die Sendeleistung der Funkrufsender kann auf maximal 100 W (ERP) eingestellt werden. Damit erreicht man auch in Fahrzeugen und innerhalb von

Gebäuden Empfangsfeldstärken, die noch so hoch sind, daß für die

Funkrufempfänger keine Zusatzantennen erforderlich werden. Die len) nen den

Sendestationen sind mit rundumstrahlenden (omnidirektionaoder gerichteten Sendeantennen ausgerüstet. Welche Anteneingesetzt werden, ist von der geforderten Funkbedeckung und örtlichen Verhältnissen abhängig.

Frequenzen/ Übertragungsraten im Cityruf-System fl 465.970 MHz / 512 Bit/s (Cityruf) f2 466.072 MHz /1200 Bit/s (Cityruf + Zusatzdienst Euromessage) f3 466.230 MHz /1200 Bit/s (Zusatzdienst Inforuf)

Diese Frequenzen werden in allen Sendezonen verwendet. Damit in benachbarten Sendezonen keine Gleichkanalstörungen auftreten, muß man besondere Vorkehrungen treffen. Im Cityruf-System werden die drei Frequenzen in einem vorgegebenen Zyklus so eingeschaltet, daß in benachbarten Sendezonen niemals zum selben Zeit-

punkt auf gleichen Frequenzen gesendet wird. Die Zykluszeit, in der die Frequenzen geschaltet werden, ist vom Verkehrsaufkom184

7.2 Cityruf

f1

Sendezonen

Zeitschlitz

f2

1

f3 Zyklus

f1 f2

Zeitschlitz

2

f3

Zeit

fi f2

Zeitschlitz

3

f3

RX Abb. 7.5:

Ä_

=Sendefrequenz

Zeitschlitzverfahren

men abhängig und beträgt maximal zwei Minuten. Die Funkrufvermittlung steuert die Dauer der Schaltzyklen und damit auch die Länge der Zeitschlitze, in denen Nachrichten gesendet werden können. Die Sendezonen, in denen gleiche Zeitschlitze verwendet werden,

sind räumlich so weit voneinander entfernt, daß die Gleichkanalstö-

rungen im Funkbetrieb keine Auswirkungen zeigen. Das

Zeitschlitzverfahren

erfordert,

daß Anrufe

aus dem

öffentli-

chen Fernsprechnetz, aus dem Telex-, Teletex- und Btx-Netz in der Funkrufvermittlung mindestens für die Dauer der Zykluszeit zwischengespeichert werden. Um die Übertragungssicherheit zu erhöhen, kann bei geringem Verkehrsaufkommen die Aussendung der Funkrufe bis zu zweimal wiederholt werden. In einer Rufzone geschieht das in aufeinanderfolgenden Zyklen im gleichen Zeitschlitz. Im Folgenden sollen die einzelnen Schritte vom Anruf bis zum Aussenden eines Funkrufes deutlich gemacht werden. 185

7 Funkruf (Paging Systeme)

Für jede Rufklasse existiert eine eigene Zugangsnummer: Rufklasse 0 (Nur-Ton) Zugangsnummer 0164 Rufklasse 1 (numerisch) Zugangsnummer 0168 Rufklasse 2 (alphanumerisch) Zugangsnummer 01691 Der Anrufer, der einen Funkrufteilnehmer erreichen will, wählt die

der Rufklasse entsprechende Zugangsnummer und die Teilnehmernummer. Damit wird er automatisch mit der ihm nächstgelegenen Funkrufvermittlung verbunden.

In der Funkrufvermittlung wird die Teilnehmernummer ausgewertet. Gehört der Teilnehmer zur Rufzone dieser Funkrufvermittlung, werden in der Heimatdatei die Zugangsberechtigung und die Rufklasse überprüft. Darüber hinaus wird festgestellt, in welchen weiteren Rufzonen der Funkruf ausgesendet werden soll. Wird bei der Auswertung der Teilnehmernummer festgestellt, daß der Teilnehmer in einer anderen Funkrufzone registriert ist, wird der Anruf automatisch zur entsprechenden Funkrufvermittlung umgeleitet und die teilnehmerspezifischen Daten werden in der dortigen Heimatdatei abgefragt. Ist der Funkrufteilnehmer in der Heimatdatei registriert, bekommt der Anrufer über eine automatische Ansage die Bestätigung, daß sein Anruf ausgesendet wird (für NurTon Signal), oder die Aufforderung, seine Nachricht einzugeben (numerisch/ alphanumerisch). Im Vermittlungsrechner wird die Teilnehmernummer zur Übertragung auf der Funkstrecke in einen Adresscode umgewandelt und gegebenenfalls zusammen mit der eigentlichen Nachricht an weitere Funkrufvermittlungen übertragen, wenn die Funkrufnachricht in mehreren Rufzonen gesendet werden soll. Im Funkrufcontroller und in der Netzanschaltung, beide befinden sich in der Funkrufvermittlung, wird die Nachricht zum Aussenden vorbereitet. Dabei wird dem Adresscode und der Nachricht die Frequenz und ein Zeitschlitz in der entsprechenden Rufzone zugewiesen. Beide werden bis zur Übertragung an den Funkkonzentrator in eine Warteschlange eingereiht. Zur Übertragung auf der Leitungsverbindung zum Funkkonzentrator werden die Nachrichtensignale noch moduliert (FFSK-Modulation). Der Funkkonzentrator verstärkt diese 186

7.2 Cityruf Signale und leitet sie weiter an die Funkrufsender. Im Funkrufsender werden die Nachrichtensignale demoduliert und in einem weiteren Schritt der HF-Trägerfrequenz im FSK-Verfahren wieder aufmoduliert. Im Ausgangsverstärker der Sendestufe werden sie verstärkt und von der Antenne in dem bereits von der Funkrufvermittlung zugeordneten Zeitschlitz ausgesendet. Nach dem Einschalten des Hochfrequenzträgers, der einem Zeitschlitz zugeordnet ist, wird vom Funkrufsender zuerst eine Bitsequenz ausgesendet, um die Funkrufempfänger auf die Taktfrequenz des Sendesignals zu synchronisieren. Diese Bitsequenz nennt man Präambel. Im Anschluß an die Präambel folgen durchnumerierte Bitrahmen, welche die Adresscodierung und die Nachricht beinhalten. Die Teilnehmeradresse steht in einem Zusammenhang mit der Nummer der Bitrahmen. Dies ermöglicht nun, daß ein Funkrufempfänger nur dann aktiv ist, wenn der ihm zugeordnete Bitrahmen ausgesendet wird. In der übrigen Zeit verharrt der Funkrufempfänger im energiesparenden „sleep mode“. Voraussetzung ist allerdings, daß die Feldstärke ausreicht, um die Funkrufempfänger zu Beginn jeder Übertragung auf den Takt des Sendesignals zu synchronisieren. Nur-Ton Nachrichten kann man mit jedem Telefon (Puls- oder Mehrfrequenzwahl) eingeben und absenden. Numerische Nachrichten erfordern ein Telefon, das Mehrfrequenzwahl zuläßt oder ein Telefon mit Pulswahl und einem Zusatzgerät, wie es auch für die Fernabfrage von Anrufbeantwortern benützt wird. Für das Absenden alphanumerischer Nachrichten (Texte) gibt es Eingabegeräte in der Größe von Taschenrechnern. Über eine Tastatur wird der Text (maximal 80 Zeichen) in das Gerät eingegeben. Auf einem Display kann man den Text lesen und gegebenenfalls korrigieren. Will man den Text absenden, wählt man von jedem beliebigen Telefon die Zugangsnummer und die Funkrufnummer des gewünschten Teilnehmers. Ist eine Verbindung zur Funkrufvermittlungsstelle hergestellt und die Ansage zur Texteingabe erfolgt, hält man das Texteingabegerät nur an das Mikrofon des Telefons und betätigt die Taste „Senden“. Das Texteingabegerät sendet jedes Zeichen als Kombination von Einzeltönen zur Funkrufvermittlung, wo sie wieder in Zeichen übersetzt werden. 187

7 Funkruf (Paging Systeme)

Die Funkrufvermittlung kann auch über einen Telex- oder Teletexansschluß erreicht werden. Die Nachrichtenlänge ist dabei ebenfalls auf 80 Zeichen begrenzt. Sie kann wie ein Telex oder Teletex an die Funkrufvermittlung abgesetzt werden. Entsprechende Netzübergänge mit Signalkonvertierung sind dazu in den Funkrufvermittlungen vorgesehen. Der Zugang über Bildschirmtext ist sinngemäß gleich wie Telex und Teletex. Auch für Bildschirmtext ist in den Funkrufvermittlungen eine entsprechende Anschaltung vorgesehen. Neuerdings gibt es PC-Software, mit der Nachrichten aus dem PC über ein Modem an Cityruf eingegeben werden können. Im Cityrufsystem sind die Rufarten Einzelruf, Gruppenruf, melruf und Zielruf möglich.

Sam-

Einzelruf Der Einzelruf ist der Standardanruf im Cityruf-Netz. Er wird in den Rufzonen ausgesendet, für die der Teilnehmer eine Berechtigung besitzt. Der Einzelruf entspricht dem oben geschilderten Verbindungsaufbau. Gruppenruf Mehrere Funkrufempfänger können mit dieser Rufart gleichzeitig erreicht werden. Voraussetzung: alle Funkrufempfänger einer Teilnehmergruppe müssen eine gemeinsame Rufnummer besitzen die in der Heimatdatei hinterlegt ist. Die Funkrufempfänger müssen dazu für eine zweite Funkrufnummer (Gruppenrufnummer) programmierbar sein. Mit dem Gruppenruf kann z.B. eine Teilnehmergruppe in einem Gefahrenfall alarmiert werden. Sammelruf Im Gegensatz zum Gruppenruf werden die Teilnehmer hier nicht über eine gemeinsame Rufnummer gleichzeitig angerufen. Die Nachricht wird jedem Teilnehmer einzeln übermittelt. Dazu muß in der Funkvermittlung eine Liste der jeweils anzurufenden Teilnehmer hinterlegt sein. Der Sammelruf ist mit jedem Funkrufempfänger möglich. Die Funktion „Gruppenruf“ ist nicht erforderlich. Zielruf Teilnehmer, die sich regelmäßig in vielen verschiedenen Rufzonen 188

7.2

Cityruf

aufhalten, können mit dieser Rufart gezielt in einer dieser Rufzonen erreicht werden. Dazu ist es notwendig, daß für diesen Teilnehmer in der Heimatdatei die Rufzonen eingetragen sind, zu denen er einen Zugang hat. Der Anrufer wählt zusätzlich zur Zugangsnummer für die Rufart und die Teilnehmernummer noch die Kennung einer Rufzone. Um

den Aktionsradius des Teilnehmers erweitern zu können, hat

die Telekom das Leistungsmerkmal „Superzone“ eingeführt. Bei einem Anruf wird das Rufsignal in den Rufzonen gleichzeitig ausgesendet,

die

zu

einer

„Superzone“

zusammengefaßt

Superzone hat etwa die Ausdehnung eines Bundeslandes.

sind.

Eine

Für Cityruf hat sich im Laufe der Zeit eine weitere interessante Anwendungsmöglichkeit ergeben. Einige Firmen in Deutschland haben Cityruf in das Wartungs- und Überwachungssystem ihrer Produktionsanlagen mit einbezogen. Prozeßdaten und Alarmmeldungen aus Produktionsabläufen wie z.B. in der chemischen Industrie und in Raffinerien werden von Prozeßrechnern erfasst und verarbeitet. Ergeben diese Auswertungen, daß an bestimmten Anlagenteilen Eingriffe vor Ort durchgeführt werden müssen, besteht die Möglichkeit, das Wartungs- und Servicepersonal sofort und gezielt an diese Stellen zu dirigieren. Der Prozeßrechner oder ein entsprechendes Kontroll- und Steuerelement kann über eine Wählschaltung automatisch eine Funkrufvermittlung anrufen und dort eine vorher abgespeicherte Anweisung (alphanumerisch) als Gruppenruf absetzen. Das Personal, das mit Cityrufempfängern ausgerüstet ist, erhält diese Anweisungen als Klartext. Um sicherzustellen, daß die Nachricht auch empfangen wurde, wird sie so oft wiederholt, bis sie von einem gerufenen Teilnehmer telefonisch im Prozeßrechner oder an der entsprechenden Kontrollstelle quittiert wird. Das Cityrufsystem besitzt darüber hinaus noch die zwei Zusatzoder Mehrwertdienste „Inforuf“ und „Euromessage“.

189

7

Funkruf (Paging Systeme)

7.3

Inforuf

Inforuf wird über die Infrastruktur von Cityruf abgewickelt; die Informationen, die übertragen werden, stammen jedoch vom Nachrichten- bzw. Wirtschaftsinformationsdienst Reuters und von den VWD-Vereinigten Wirtschaftsdiensten. Über Inforuf werden von den beiden genannten Agenturen laufend aktualisierte Devisenoder Aktienkurse gesendet und aktuelle Wirtschaftsnachrichten verbreitet. Wegen der großen Datenmengen, die dabei abzuspeichern sind, ist der Empfang von Inforuf nur mit speziellen Funkrufempfängern möglich. Wird z.B. ein Aktienkurs aktualisiert, muß dazu nicht die gesamte Datei mit den Aktienkursen übermittelt werden. Es genügt, nur die jeweilige Änderung zu übertragen. Dazu sind in den Inforufempfängern spezielle Dateien eingerichtet, in welche die empfangenen, aktualisierten Daten über ein Programm geschrieben werden. Die Inforufempfänger haben eine Speicherkapazität von 80.000 Zeichen. Inforuf wird auf der Frequenz f, (466.230 MHz) mit 1200 bit/s ausgesendet. Die beiden genannten Agenturen und die Telekom bieten Inforuf als Paket an. Die Agenturen sind für die Informationsinhalte verantwortlich, die Telekom vermietet die Inforufempfänger und überträgt im Cityrufnetz die Daten. Ein Inforufteilnehmer kann außerdem auch die Dienstleistungen des Cityrufs in Anspruch nehmen. Cityruf kann selbstverständlich mit dem Funkrufempfänger für Inforuf empfangen werden.

7.4

Euromessage

Der

Name

Dienst

„Euromessage“

in Konkurrenz

„Eurosignal“ steht.

zum

deutet bereits darauf hin,

bereits

besprochenen

daß

dieser

Funkrufdienst

In Großbritannien, Frankreich, in der Schweiz und in Italien sind

Funkrufdienste im gleichen Standard wie Cityruf entstanden. Somit 190

7.5

hat es sich angeboten, diese Dienste unter dem Namen

ERMES

„Euromes-

sage“ zu vernetzen. Damit ist es für Cityrufteilnehmer möglich, in den genannten Ländern in den dortigen Funkrufnetzen Nachrichten zu empfangen. Euromessage wird in Deutschland nur in Verbindung mit Cityruf angeboten. Für den Empfang von Euromessage benötigt man einen Cityrufempfänger für die Frequenz f, mit der Kennzeichnung Euromessage. Der Zugang zu Euromessage ist denkbar einfach. Rechtzeitig vor Reiseantritt in eines der vier Länder, in denen Euromessage ausgesendet wird, muß sich der Teilnehmer über eine Servicerufnummer

der Telekom (01300300) telefonisch anmelden. Für die Zeitdauer des Aufenthaltes werden alle Anrufe (Nachrichten) in das Zielland umgeleitet. Bei der Anmeldung müssen deshalb auch die gewünschten Rufzonen im Ausland angegeben werden. Die Weiterleitung wird über die Heimatdatei des Teilnehmers veranlaßt, in der alle

dazu erforderlichen Daten vermerkt sind. Für die Teilnahme am Euromessage-Dienst werden von der Telekom zu den Cityrufgebühren zusätzlich monatliche Gebühren erhoben.

Bei der Miniaturisierung der Funkrufempfänger sind in den letzten Jahren enorme Fortschritte zu verzeichnen gewesen. Funkrufempfänger für Cityruf haben heute Abmessungen, die bei ca. Scm x 7cm liegen. Sie sind damit deutlich kleiner als eine Zigarettenschachtel. Den Uhrenherstellern Seiko und Swatch ist es gelungen, einen Funkrufempfänger in das Gehäuse einer Armbanduhr zu intergrieren. Der Uhren-Pager von Swatch ist ein Nurton-Empfänger mit integrierter Empfangsantenne, der in der Schweiz bereits seit Mitte 1993 auf dem Markt ist.

7.5

ERMES

Zur selben Zeit, als der paneuropäische Mobilfunkstandard GSM spezifiziert wurde, entstand auch die Forderung nach einem paneu191

7 Funkruf (Paging Systeme)

ropäischen Funkrufstandard. Mitte der achtziger Jahre war bereits klar zu erkennen, daß sich Eurosignal im europäischen Raum nicht weiter durchsetzt und damit auf Deutschland, Frankreich und die

Schweiz beschränkt bleibt.

ERMES (European Radio Message System) ist ein neues paneuropäisches Funkrufsystem mit internationalem Roaming, das von der ETSI (European Telecommunications Standards Institut) definiert wurde. Bei der Ausarbeitung dieses Standards haben die Fernmeldeverwaltungen der westeuropäischen Länder und Hersteller von Funkrufsystemen mitgewirkt. 1990 wurde der Standard veröffentlicht. 30 Netzbetreiber bzw. Fernmeldeverwaltungen haben ein Memorandum of Understanding (MoU) unterzeichnet, in dem der Netzaufbau und der Dienstbeginn für ERMES zeitlich geregelt sind. Unter anderem ist im MoU festgelegt, daß bis Januar 1994 bereits für 25% der Bevölkerung in den Unterzeichnerländern ERMES verfügbar ist. Bis 1995 soll ein Gebiet abgedeckt sein, in dem 50% der Bevölkerung lebt. 1997 soll im Endausbau jeweils 80% der Bevölkerung im jeweiligen Land mit ERMES erreichbar sein. ERMES-Grundstruktur Wie bei Cityruf handelt es sich auch bei ERMES um ein Funkrufsystem mit digitaler Zeichenübertragung. Die Codierung der Teilnehmeradresse (RIC Radio Identity Code) besteht aus 35 bits und ist so aufgebaut, daß für jedes Land 32 Millionen Codierungen vergeben werden können. Im System ERMES sind vier Empfangsarten vorgesehen: Nur Ton-Empfang ERMES erlaubt den Empfang von bis zu acht verschiedenen akustischen oder optischen Signalen pro RIC Numerische Nachrichten Für ERMES ist der Empfang von bis zu 20 Ziffern pro Ruf vorgesehen

Alphanumerische Nachrichten (Text) Im System ERMES können kurze Texte mit bis zu 400 Zeichen pro Ruf empfangen werden. 192

7.5 ERMES

Empfang von transparenten Daten Mit ERMES ist es möglich, z.B. für Zwecke der Fernsteuerung oder Fernüberwachung von Anlagen und Systemen, Texte und Dateien mit einer Länge bis zu 64 kbit zu empfangen. Diese Nachrichten werden vom System in einzelne Blöcke unterteilt, wobei jeder Block eine sogenanne „link number“erhält. Der erste Nachrichtenblock bekommt dabei die höchste „link number“. Entspre-

chend dem Verkehrsaufkommen sendet das System diese Nachrichtenblöcke zu verschiedenen Zeitpunkten aus und der Empfänger legt sie entsprechend ihrer „link number“ in seinem Nachrichtenspeicher ab. Wird der letzte Nachrichtenblock empfangen, der die „link number“ O besitzt, fügt der ERMES-Empfänger alle Blöcke zu einer Gesamtnachricht zusammen. Für ERMES sind 400 kHz im Bereich von viert. Das Frequenzband von 400 kHz ist Bandbreite von je 25 kHz aufgeteilt. Die nen sich automatisch auf jeden der 16 (Scanning- Prinzip).

169.4-169.8 MHz reserin 16 Kanäle mit einer Funkrufempfänger könKanäle synchronisieren

Die Funkschnittstelle ist bei ERMES so konzipiert, daß ein Vielfachzugriff in FDMA, in TDMA und in der Kombination beider Verfahren möglich ist. Damit läßt sich unterschiedliches Verkehrsaufkommen in einzelnen Netzabschnitten gut steuern und die Netze mehrerer Betreiber, die auf gleicher geographischer Fläche betrieben werden, funktechnisch leicht entkoppeln. Sendeprotokoll des ERMES-Systems Die Basisstruktur des Sendeprotokolls ist in Abb. 7.6 gezeigt. Jede Sequenz hat eine Dauer von einer Stunde und besteht aus Zyklen zu je einer Minute. Jeder Zyklus hat wiederum fünf Untersequenzen zu je 12 Sekunden. Man erhält damit eine gewisse Flexibilität in den Netzen, in denen TDMA als Vielfachzugriff zur funktechnischen Entkoppelung von benachbarten Sendezonen verwendet wird. Jede Untersequenz ist wiederum in 16 sogenannte „batches“ aufgeteilt. Zu seiner Identifizierung ist jedem „batch“ ein Buchstabe zugeordnet (von A bis P). 193

7

Funkruf (Paging Systeme) ;

Sequenz

4-----0.0. 01

| 02

103

[04 | 05

1h/60

Zyklen

[06 | 07 | os | 09 |

--

- --

10

==..-

>

:

57 1 58 | 59 | 60

Zyklus “

1min/ 01

5

Unterzyklen

02

03

04

05

Unterzyklus 12s/16 Batches AIBICcIDJEIFIG|

H|

0.755

Synchro.

nisierung

System-

information

IS

/

YJIKILIMINJO

| P

Batch

Adressen

Nachrichten

Abb. 7.6: Struktur des Ermes-Sendeprotokolls

Im ERMES-System sind 16 Klassen von Empfängern standardisiert. Jede Empfängerklasse ist einem „batch“ zugeordnet. Der „batch“-

Typ ist in den letzten 4 bits der Adresscodierung abgelegt. Jeder Batch besteht aus vier Bit-Rahmen: I. Sychronisationsrahmen Der Rahmen für die Synchronisation hat eine Länge von 2x30 bit. In den ersten 30 bits ist die Präambel, in den zweiten 30 bits das Synchronisationssignal enthalten. 2. Systeminformationsrahmen In diesem Rahmen sind unter anderem enthalten: e Ländercode e Betreibercode

194

7.5 ERMES

Rufzonennummer Frequenzen, die von diesem Betreiber benützt werden Zyklusnummer Nummer der Untersequenz Batch-Typ 3. Rahmen für die Adresscodierung In diesem Rahmen sind alle Adresscodierungen der Empfänger hintereinander abgelegt, für die in diesem „batch“ eine Nachricht ent-

halten ist. Am Ende dieser Aufzählung von Adresscodierungen wird ein Schlußzeichen angehängt. Ist in diesem „batch“ keine Nachricht enthalten, werden fünf Schlußzeichen eingetragen.

4. Textrahmen Dieser Rahmen enthält die eigentliche Nachricht für die Empfänger. Jede Nachricht beginnt mit einem Nachrichtenkopf, der aus 36 bits besteht und jeweils die Adresscodierung des Empfängers und eine Nachrichtennummer enthält. Im Abb.

7.7 ist das Prinzip dargestellt, wie das Channel scanning

und das Aufsynchronisieren auf einen „batch“ funktioniert.

Ein ERMES-Empfänger, der sich in einem Sendebereich auf einen Kanal synchronisiert hat, wird jeweils nur dann aktiviert, wenn sein „batch“ ausgesendet wird. Je nach Netzkonzept können zwischen gleichen „batches“ Pausen bis zu 12 Sekunden entstehen. Weil der

Funkrufempfänger zwischen diesen Pausen nur 0.75 Sekunden aktiv sein muß, ist der Energieverbrauch aus der Batterie außerordentlich gering. Der Empfänger kann so über hunderte von Stunden betrieben werden, bevor ein Batteriewechsel erforderlich wird. Damit ist

der Weg für die Miniaturisierung der Funkrufempfänger vorberei-

tet.

Es ist durchaus realistisch, daß ein großer Teil der ERMES-Funkrufempfänger für Nur-Ton-Empfang und für den Empfang von numerischen Nachrichten (bis zu 20 Ziffern) die Größe von Armbanduhren haben werden. ERMES-Netzstruktur Die Netzstruktur von ERMES gleicht im wesentlichen den Struktu195

7 Funkruf (Paging Systeme)

.—

12s mh

.

EB Aktiver

Batch

B

B

Abb. 7.7:

Kanalsynchronisation im ERMES-System

ren der bisher besprochenen Funkrufsysteme von Eurosignal und Cityruf. Im Abb. 7.8 ist die Struktur mit den einzelnen Netzelementen und ihren jeweiligen Schnittstellen dargestellt. 1. Funkrufvermittlung (PNC Paging Network Controller) Die Funkrufvermittlung bildet das Interface zu den öffentlichen Fernsprech- und Datennetzen. In der Funkrufvermittlung werden die ankommenden Anrufe und Nachrichten (numerisch/alphanumerisch) aufbereitet und über das Leitungsnetz zu den Funkrufkonzentratoren (PAC) oder anderen Funkrufvermittlungen weitergeleitet. In der Funkrufvermittlung befindet sich auch eine Heimatdatei, in 196

7.5 ERMES

Funkrufvermittlung

Funkkonzentrator

l | |

Basisstationen

l

A| ı

Br

ISON)

PNC

L,

PAC

|

Hr

Fo ı

BS l

|

l

IN

=

ı

=

Funkrufempfänger

l

I

I

=

ı

Abb. 7.8:

Ermes-Netzstruktur

der alle relevanten Daten der Teilnehmer gespeichert sind, die zu dieser Funkrufzone gehören. In mindestens einer Funkrufvermittlung eines Netzes befindet sich ein Betriebs- und Wartungssystem (Operation & Maintenance Center), von dem aus das gesamte Netz überwacht, gesteuert und konfiguriert werden kann. 2. Funkkonzentrator (PAC Paging Area Controller) Jede Sendezone besitzt einen Funkkonzentrator, der den Nachrichtenfluß zu den Basisstationen steuert und die Basisstationen einer

Sendezone überwacht und synchronisiert. Wie bei Eurosignal und Cityruf arbeiten die Sender in den Basisstationen von ERMES ebenfalls im Gleichwellenbetrieb.

3. Basisstation In der Basisstation sind die funktechnischen Einrichtungen enthalten (Sender, Antennen etc.), um die erforderliche Funkbedeckung zu erreichen. 4. Funkrufempfänger Der Funkrufempfänger bildet das letzte Glied in der Übertragungskette. Er kann als Nur-Ton-, Numerik- oder Alphanumerik-Empfänger aufgebaut sein. Er ist über seinen implementierten Adresscode einem Teilnehmer zugeordnet. Zwei ERMES-Schnittstellen sind von der ETSI bis ins Detail spezifiziert worden. Eine dieser beiden ist die Schnittstelle zwischen den

197

7 Funkruf (Paging Systeme)

öffentlichen Fernsprech- und Datennetzen und der Funkrufvermittlung, die andere ist die Schnittstelle zwischen der Basisstation und dem Funkrufempfänger (Luftschnittstelle). Beide Schnittstellen sind im wesentlichen Protokollschnittstellen. Die Schnittstellen zwischen der Funkrufvermittlung, dem Funkkonzentrator

und

der Basisstation,

kann

ein Hersteller

nach

seinen

eigenen technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten gestalten. Die standardisierte Luftschnittstelle ermöglicht es jedem Hersteller, ERMES-Funkrufempfänger zu entwickeln und zu produzieren.

Funkschnittstelle Wie bereits erwähnt, stehen für ERMES

400 kHz im Bereich von

169.4 - 169.8 MHz zur Verfügung. Dieser Frequenzbereich ist in 16 Kanäle mit jeweils 25 kHz Kanalbreite eingeteilt. Die Nachrichtendaten werden mit 6.25 kbit/s übertragen. Als Modulationsart auf dem Hochfrequenzträger ist 4APAM/FM eingesetzt. Mit dieser Modulationsart lassen sich Daten auch bei ungünstigen funktechnischen Verhältnissen noch sicher übertragen. Mit dem verwendeten Übertragungscode sind auch noch hohe Bitfehlerraten zu korrigieren, wie sie bei geringen Empfangspegeln häufig vorkommen. Für die Planung eines Funkrufnetzes im ERMES-Standard können sowohl

das

FDMA-Verfahren,

das

TDMA-Verfahren

oder

die

Kombination aus beiden berücksichtigt werden. Welches dieser Vielfachzugriffsverfahren angewendet wird, ist von der Anzahl der ERMES-Netze abhängig, die auf der gleichen Fläche betrieben werden (unterschiedliche Betreiber pro Region/Land). Das Übertragungsprotokoll auf der Luftschnittstelle unterstützt jedes der genannten Vielfachzugriffsverfahren, das heißt, auch die Funkrufempfänger beherrschen FDMA, TDMA oder die Kombination daraus. In Abb. 7.9 sind die drei Zugriffsverfahren graphisch dargestellt. Durch das einheitliche Übertragungsprotokoll und die standardisierte Schnittstelle zwischen den öffentlichen Fernsprech- und Datennetzen und den Funkrufvermittlungen (PNC) können die ERMES-Funkrufempfänger in allen Ländern Verwendung finden, 198

7.5 ERMES

FDMA

TDMA

FDMA TDMA Abb. 7.9: Zugriffsverfahren im ERMES-System

in denen ERMES-Netze in Betrieb sind. Ähnlich wie im GSM-Standard müssen hierzu aber Roaming-Verträge zwischen den einzelnen Betreibern abgeschlossen werden, damit der Netzzugang für die Teilnehmer geschaffen werden kann. In Europa erwartet man bis zum Jahr 2000 ca. 16 Millionen ERMES-Teilnehmer. Wie im GSMSystem, wird sich auch für die Funkrufempfänger ein Massenmarkt herausbilden, der billige, aber dennoch sehr leistungsfähige Geräte erwarten läßt. Am Ende dieses Kapitels muß noch kurz die Situation in Deutschland erwähnt werden. Die Telekom hat bereits Ende 1992 damit begonnen, in Berlin ein ERMES-Testnetz aufzubauen und in Betrieb zu nehmen. Dabei hat sich im Feldversuch gezeigt, daß 199

7 Funkruf (Paging Systeme)

unter ERMES

bestimmten

Umständen

Störbeeinflussungen

zwischen

und dem deutschen Kabelfernsehnetz auftreten, die nicht

tolerierbar sind. Der Feldversuch wurde deshalb vorübergehend abgebrochen. Im Sommer 1993 wurde noch nach einer brauchbaren technischen Lösung für dieses Problem gesucht. In den anderen europäischen Ländern, die das MoU unterzeichnet haben, werden Feldversuche mit ERMES durchgeführt, die bisher gute Ergebnisse aufweisen. Es ist daher anzunehmen, daß in wenigen Jahren in Westeuropa, aber auch in einigen osteuropäischen Ländern ein internationaler Funkrufempfang nach einem einheitlichen Standard möglich sein wird.

200

8 Bündelfunksysteme

8.1

Systeme mit analoger Sprachübertragung

Der Bündelfunk hat seinen Ursprung im traditionellen Betriebsfunk, den wir hier kurz besprechen wollen, um danach die technischen Leistungsmerkmale des Bündelfunks richtig bewerten zu können. Die wohl bekanntesten Anwendungen des Betriebsfunks sind der Taxifunk, die Funkeinrichtungen in öffentlichen Verkehrsmitteln und der Pannenhilfsdienste, sowie die Funkeinrichtungen von Speditionen und Energieversorgungsunternehmen. Im Betriebsfunk stehen in der Regel mehrere mobile Funkstationen mit einer Feststation (Funkzentrale) in Verbindung.

Mehr als 750.000 mobile und ortsfeste Funkgeräte sind in der Bundesrepublik im Einsatz. Diese verteilen sich auf ca. 110.000 private Einzelnetze. In den Frequenzbereichen, die für den Betriebsfunk reserviert sind, stehen aber bundesweit nur etwa 550 Sprechkanäle (Frequenzen) zur Verfügung. Die Teilnehmer in diesen Netzen müssen sich deshalb die wenigen Funkkanäle

als „Gemeinschafts-

frequenzen“ teilen. Häufig hat eine Gruppe von 100 bis 150 Teilnehmern nur einen einzigen Funkkanal zur Verfügung. Die Reichweite beträgt im Betriebsfunk in der Regel nicht mehr als 15 km. Alleine

diese

Zahlen

deuten

darauf

hin,

daß

mit

Betriebsfunk,

besonders in Ballungszentren, heute kein guter Service geboten werden kann. Darüber hinaus sind bei den Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) wie der Polizei, der Feuer-

wehr, dem Katastrophenschutz und dem Zoll, weitere 250.000 soge-

nannte nichtöffentliche Landfunkstellen in Betrieb.

Genehmigungen für den Aufbau privater Betriebsfunknetze werden nicht an jedermann vergeben. Sie sind auf Unternehmen be201

8 Bündelfunksysteme

schränkt, die einer sogenannten Bedarfsträgergruppe zugeordnet werden können. Diese Bedarfsträgergruppen sind in die Kategorien A, B und C unterteilt. Zur Bedarfsträgergruppe A zählen z.B.

Behörden,

Handels- bzw.

Gewerbebetriebe

und Kurierdienste.

In

der Gruppe B findet man unter anderem Speditionen und Abschleppdienste. Bauunternehmen und Zulieferer des Baugewerbes gehören zur Gruppe C. Des weiteren gibt es Regelungen für Organisationen und Gesellschaften, die Genehmigungen für den Aufbau von regionalen Betriebsfunknetzen beantragen können. Dazu gehören zum Beispiel die Vereinigungen der Taxiunternehmen, der öffentliche und private Nahverkehr, die Pannenhilfsdienste der Automobilclubs, die Energieversorgungsunternehmen und die Betreibergesellschaften von Flughäfen, See- und Binnenhäfen. Im Betriebsfunk sind die Frequenzen den Teilnehmern fest zugeordnet. Weil sich viele Benutzer diese Frequenz teilen müssen, entstehen in den Zeiten des höchsten Verkehrsaufkommens in manchen Kanälen lange Wartezeiten. In einem Kanal kommen unter Umständen manche Gesprächsverbindungen nicht zustande, während vielleicht in anderen Kanälen noch Kapazität vorhanden ist, die nicht genützt werden kann. Insgesamt ergibt sich eine schlechte Ausnutzung der verfügbaren Frequenzen. Da im Dienstleistungsbereich die zunehmende Nachfrage für Mobilkommunikation seit Jahren nicht mehr gedeckt werden

konnte, mußte ein neues Konzept entwickelt werden, das eine bes-

sere

Frequenzökonomie

Betriebsfunk

entlasten

erlaubt

kann.

Das

und

das

neue

Konzept

den

traditionellen

heißt

„Bündel-

funk“. Der Standard für die deutschen Bündelfunknetze ist im wesentlichen vom Bündelfunkstandard MPT 1327 (MPT= Ministry of Post and Telecommunications) abgeleitet, der vom englischen Post- und Fernmeldeministerium festgelegt wurde. Damit eine hohe Frequenzwiederholungsrate erreicht wird und der Dienst auch großflächig angeboten werden kann, ist für Bündelfunknetze eine zellulare Struktur gewählt worden. In Deutschland

wurde dieser Standard als „ZVEI-RegioNet 43“ Standard 1989 ver-

öffentlicht (ZVEI=Zentralverband Elektrotechnik - und Elektro-

202

8.1

Systeme mit analoger Sprachübertragung

nikindustrie e.V.). Frankreich und Italien haben sich ebenfalls diesem Standard angeschlossen. Im Unterschied zum konventionellen Betriebsfunk steht in einem Bündelfunknetz für die Teilnehmer statt weniger gemeinsamer Frequenzen ein ganzes Frequenzbündel zur Verfügung, das von vielen Teilnehmern benützt werden kann. Wird z.B. eine Verbindung beendet und die Frequenz wieder frei, kann sie von anderen Teilnehmern sofort wieder benützt werden. Damit erreicht man eine wesentlich höhere Verfügbarkeit für die einzelnen Frequenzen und insgesamt eine höhere Teilnehmerkapazität für das Netz. Wenn gleichzeitig noch eine Sprechzeitbegrenzung eingeführt wird, läßt sich die Kapazität eines Bündelfunknetzes im Vergleich zu einem konventionellen Betriebsfunknetz um das Vier- bis Fünffache steigern. In Bündelfunksystemen finden wir ähnliche Netzelemente wie im zellularen Mobilfunk (Abb. 8.1) Der Master System Controller (MSC) ist in einem mehrzelligen Netz für die Netzsteuerung verantwortlich. Innerhalb einer Zelle wird der Gesprächsverkehr zwischen zwei Teilnehmern vom TSC

TSC

MSC

Master

OMC

TSC

ed

NSC

System

Controler

&

TSC

OMC

Trunked

Controler

Site

PABX

Basisstation Operation and Maintenance Center

Abb. 8.1:

Netzelemente im Bündelfunk

203

8 Bündelfunksysteme

BS

BS

TSC

BS

BS

Abb. 8.2: Bündelfunk-Netzkonfiguration 1

(Trunked Site Controler) überwacht und gesteuert. Die Basisstation übernimmt die Aufgabe der Verbindung zwischen den mobilen Endgeräten und dem Netz. In der Basisstation sind alle funktechnischen Einrichtungen für die Funkversorgung einer Zelle untergebracht. Mit dem OMC (Operation and Maintenance Center) kann das gesamte Netz überwacht und optimiert werden. Grundsätzlich gibt es zwei Netzkonfigurationen, nach denen Bündelfunknetze aufgebaut sind. Im ersten Fall (Abb. 8.2) werden die Basisstationen von einer TSC zentral gesteuert. Bei dieser Konfiguration sind die Infrastrukturkosten verhältnismäßig gering. Treten jedoch Systemfehler im TCS auf, ist das gesamte

Netz davon betroffen, weil keine Hardware-

Redundanz vorgesehen ist. Zwischen dem TSC und einer Basisstation ist jeweils eine Leitungsverbindung erforderlich. Leitungsverbindungen müssen in der Regel vom Betreiber des öffentlichen Telefonnetzes angemietet werden und sind teuer. Im zweiten Fall (Abb. 8.3) werden die Funkkanäle jeweils von einem TSC gesteuert. Dieser TSC ist mit ordneten Master System Controller (MSC) verbunden, bindungen zwischen den Zellen herstellt. Fällt eine davon nur eine Zelle betroffen. Der Funkverkehr in 204

einer Zelle dem übergeder die VerTSC aus, ist den anderen

8.1

Systeme mit analoger Sprachübertragung

MSC

BS

BS

TSC

TSC

BS TSC

Abb. 8.3: Bündelfunk-Netzkonfiguration 2

Zellen kann weiter aufrecht erhalten werden.

Fällt der MSC

aus,

sind zwar Verbindungen von Zelle zu Zelle nicht mehr möglich, der Betrieb in den einzelnen Zellen hingegen ist weiterhin gewährleistet. Im Bündelfunk gilt die Regel, daß mehr als 60% der Verbindungen innerhalb einer Zelle aufgebaut werden. Nur maximal 40% der Verbindungen werden über den MSC hergestellt. Das bedeutet, daß im Gegensatz zum Fall 1 höchstens halb soviele Mietleitungen benötigt werden. Das Konzept im Fall 2 erfordert einerseits einen höheren Kapitalaufwand für die Infrastruktur, bietet dafür aber andererseits durch

die Redundanz eine hohe Verfügbarkeit des Netzes. Wegen der wesentlich geringeren Anzahl der Verbindungsleitungen zwischen den TSC und dem MSC werden die Mietleitungskosten niedrig gehalten. Die Konfigurationen 1 und 2 können auch in gemischter Form realisiert werden. Damit ist für den Netzbetreiber sichergestellt, daß er entsprechend dem Verkehrsaufkommen und den betrieblichen Gegebenheiten, sein Netz nach technischen und wirtschaftlichen Erfordernissen aufbauen und erweitern kann. Die maximale Sendeleistung der Basis- und Mobilstationen ist in öffentlichen Bündelfunknetzen auf 6 W (ERP) beschränkt. Die 205

8

Bündelfunksysteme

Zelldurchmesser für eine großflächige Bedeckung beträgt etwa 10 25 km. In Bereichen mit hoher Verkehrsdichte kann der Zelldurchmesser auf minimal 2 km reduziert werden. In den privaten Bündelfunknetzen, deren Reichweite in der Regel auf Firmengrundstücke beschränkt ist, beträgt die Sendeleistung der Basis- und Mobilstationen nur 0.5-1 W (ERP). In Deutschland sind für die öffentlichen Bündelfunknetze die Frequenzbereiche 410-418 MHz und 420- 428 MHz festgelegt. Für örtliche, private Mobilfunknetze ist der Frequenzbereich 418-420 MHz und 428-430 MHz reserviert. Der Duplexabstand ist jeweils 10 MHz. Die Kanalbreite beträgt 12,5 kHz. Im MPT-Standard sind Frequenzbündel mit maximal 32 Funk- oder Verkehrskanälen pro Zelle vorgesehen. Die Verkehrskanäle werden für die Dauer eines Gesprächs dynamisch zugewiesen. Die dynamische Kanalzuweisung wurde bereits beim Thema „schnurlose Telefone“ in den Kapiteln 2, 3 und 4 besprochen. Die Signalisierung wird in getrennten Organisationskanälen mit 1200 bit/s digital durchgeführt. Jeder Zelle ist ein Organisationskanal zugeordnet.

Wie

in Betriebsfunknetzen,

so ist auch in Bündelfunknetzen

das

Gegensprechen oder genauer gesagt der Vollduplexbetrieb nicht möglich. Bündelfunk erlaubt nur den Betrieb im Semiduplexverfahren (Wechselsprechen). Die Gründe hierfür werden bei der Besprechung der Basisstation noch näher erläutert. Wird ein Teilnehmer im Bündelfunk gezielt, d.h. selektiv angerufen, können die anderen Teilnehmer dieses Gespräch nicht mithören. Die Privatsphäre wird hier im Gegensatz zum Betriebsfunk gewahrt. Der Grad der Abhörsicherheit ist im Bündelfunk jedoch ähnlich gering, wie bei den schnurlosen Telefonen nach dem CTIStandard. Wie in allen zellularen Netzen, bei denen der Standort der Teilnehmer automatisch ermittelt werden muß, sind auch im Bündelfunk

verschiedene Register vorgesehen, in denen Teilnehmerdaten für die vermittlungstechnischen Belange, für die Gebührenverrechnung aus dem öffentlichen Telefonnetz und statistische Auswertungen abgelegt sind. Im Netzkontroller (MSC) befindet sich das Masterre206

8.1

Systeme mit analoger Sprachübertragung

gister (MR), in dem alle Teilnehmer eingetragen sind, die im Netz eine Zugangsberechtigung besitzen. Darüber hinaus sind für jeden Teilnehmer und jede Teilnehmergruppe die Leistungsmerkmale eingetragen, für die eine Berechtigung besteht. Zur Unterscheidung der Netze verschiedener Betreiber ist es im MPT-Standard möglich, 64 Netzkennungen zu vergeben. Im MR wird darüber hinaus die Anzahl der Verbindungen und Verbindungszeiten, die vom TSC gesammelt werden, zwischengespeichert und für statistische Zwecke an das OMC weitergeleitet. Außerdem besteht im MR die Möglichkeit, bei Anrufen in das öffentliche Telefonnetz die Gebührentakte zu registrieren und den Teilnehmern zuzuordnen. Die Heimatdateien (Home Location Register HLR) und die Besucherdateien (Visitor Location Register VLR) sind im TSC eingerichtet und beinhalten die jeweils aktuellen Teilnehmerdaten. So sind im HLR alle Teilnehmer registriert, die zum TSC-Bereich gehören und aktiv sind. Im VLR werden alle Teilnehmer geführt, die momentan

in diesem TSC-Bereich aktiv sind, aber in der Hei-

matdatei eines anderen TSC-Bereichs eingetragen sind. Das Masterregister (MR) erhält seine aktuellen Informationen aus dem HLR und dem VLR.

Für die Signalisierung zwischen den Basisstationen und der TSC ist in der TSC ein Organisationskanal vorgesehen, der über eine PCM 30 Verbindung oder über eine Vierdraht-Leitung an der Basisstation angebunden ist und in dem die Signalisierung digital mit 1200 bit/s erfolgt. Zwischen der Netzsteuerung (MSC) und der Zellensteuerung (TSC) wird die Signalisierung digital mit 1200 bit/s auf einer Sprechleitung durchgeführt. Für die Verbindung zwischen zwei Mobilgeräten in der gleichen Zelle benützt man im Bündelfunk nur einen Verkehrskanal. Die Basisstation empfängt die Sprachsignale der ersten Mobilstation und sendet sie auf einer Frequenz, die 10 MHz über der Empfangsfrequenz liegt, ohne Verzögerung an die zweite Mobilstation. Für die zweite Station ist während dieser Zeit das Senden nicht möglich. Für die erste Station ist während dieser Zeit der Empfang gesperrt. Damit ist Senden und Empfangen für beide Mobilstationen zeitlich 207

8

Bündelfunksysteme

voneinander getrennt. Diese Art des Funkverkehrs nennt man in der Fachsprache Semiduplexbetrieb. Um

für alle Teilnehmer

Bündelfunknetzes

eine möglichst hohe

sicherzustellen,

Verfügbarkeit

des

ist in den öffentlichen Bündel-

funknetzen eine Begrenzung der Gesprächsdauer eingeführt (1-3 Minuten). Sollten dennoch kurzeitig zuwenige Sprechkanäle verfügbar sein, ist ein sogenannter Warteschlangenbetrieb vorgesehen d.h. Rufanforderungen werden vom System angenommen und hintereinander (seriell) abgearbeitet. Dabei wird dem Teilnehmer signalisiert, daß er sich in einer Warteschlange befindet. Die Mehrzahl der Gespräche von mobilen Teilnehmern werden durch die Begrenzung der Gesprächsdauer in der Zelle beendet, in der sie begonnen wurden. Aus diesem Grund hat man im Bündelfunk

auf das Leistungsmerkmal

„Handover“

verzichtet,

mit dem

Gespräche unterbrechungsfrei in eine Nachbarzelle weitergereicht werden. In mehrzelligen Netzen kann sich der Teilnehmer jedoch in jeder beliebigen Zelle einbuchen. Im Bündelfunksystem nach dem MPT-Standard sind eine Reihe von Verbindungsarten und Verkehrsbeziehungen definiert. Es gibt Verbindungen innerhalb einer Teilnehmergruppe, Querverbindungen zwischen verschiedenen Teilnehmergruppen und Verbindungen in das öffentliche Fernsprechnetz (PSTN) oder zu Telefon-Nebenstellenanlagen (PABX). Der Zugang aus dem PSTN in das Bündelfunknetz ist ebenfalls vorgesehen. Innerhalb des Bündelfunknetzes sind Selektiv- und Gruppenruf möglich. Diese beiden Rufarten können von Mobilgerät zu Mobilgerät oder von Mobilgerät zu einer ortsfesten Funkstelle (Bedienstelle) oder einer drahtgebundenen Bedienstelle erfolgen (Abb. 8.4) In einem Bündelfunknetz besitzt jeder Teilnehmer eine Rufnummer für den selektiven Anruf. Diese Nummer ist in der Regel wieder einer Teilnehmergruppe zugeordnet, die per Gruppenanruf erreichbar ist. Über die Rufnummer kann ein aktiver Teilnehmer (Mobilgerät eingeschaltet) jederzeit im Netz erreicht werden. Im Folgenden wird die Funktion eines Bündelfunknetzes am „Ein-

buchen“ und am Aufbau einer Gesprächsverbindung erläutert. 208

8.1

Systeme mit analoger Sprachübertragung

PABX

Zelle A

Zelle C

PSTN Abb. 8.4: Kommunikationsmöglichkeiten im Bündelfunk

Die Erklärungen werden durch die Darstellung in Abb. 8.5 unterstützt.

Für den Netzzugang müssen die Teilnehmer oder genauer gesagt die Endgeräte im Masterregister (MR) und im HLR eines TSC registriert sein. Das „Einbuchen“ oder Anmelden im Netz erfolgt auto-

matisch nach dem Einschalten des Mobilgerätes. Dabei sucht das Mobilgerät den Organisationskanal der nächstgelegenen TSC und sendet auf diesem ein Datentelegramm mit seiner Kennung ab. Ist das Mobilgerät in diesem TSC registriert, wird ein entsprechender Eintrag in der Heimatdatei (HLR) gemacht. Wenn das Mobilgerät in einem anderen TCS-Bereich „beheimatet“ ist, wird es in der Besu-

cherdatei gemeldet. kann jetzt mer den

(VLR) registriert. Der jeweilige Eintrag wird dem MR Damit ist die Anmeldeprozedur beendet. Das Mobilgerät jederzeit im Netz gefunden werden. Verläßt der TeilnehTSC-Bereich (dies wird durch Feldstärkemessungen im 209

8 Bündelfunksysteme Teilnehmer

"A"

Teilnehmer

|

|

BS

HLR

|

BS

Tsc

ı

"B"

|

BS

BS

OMC

TSC

VLR

_—

MSC

2

HLR

VLR

MR

Abb. 8.5: Verbindungsaufbau im Bündelfunknetz

Mobilgerät überprüft), beginnt die gleiche Anmeldeprozedur im neuen TSC-Bereich. Der Vorgang ist mit dem „Roaming“ in Mobilfunknetzen vergleichbar. Der Teilnehmer „A“ im Bereich der TSC 1 will nun eine Gesprächsverbindung zum Teilnehmer „B“ herstellen, der sich gerade im Bereich der TSC 2 aufhält. Der rufende Teilnehmer „A“ gibt die Rufnummer des Teilnehmer „B“ über die Zifferntastatur in sein mobiles Bündelfunkgerät ein. Mit Druck auf die Taste „#“ wird die Rufnummer zusammen mit anderen relevanten Netzinformationen

als Ruftelegramm abgeschickt. Über den Organisationskanal wird dieses Ruftelegramm digital zum TSC übertragen. Der TSC konsultiert sein HLR und VLR und prüft, ob der gerufene Teilnehmer in diesem

TSC-Bereich

eingebucht

ist.

Wird

der

Teilnehmer

„B“

weder im HLR noch im VLR gefunden, bekommt der Teilnehmer „A“ eine Mitteilung, daß sein Ruf in der Warteschlange eingereiht ist. Der TSC überprüft nun, ob eine Sprechleitung zum MSC frei ist. 210

8.1

Systeme mit analoger Sprachübertragung

Bei freiem Sprechkanal belegt der TSC die Sprechleitung und sendet das Ruftelegramm an den MSC. Im Master Register (MR) des MSC sind die aktuellen Aufenthaltsorte aller im Netz registrierten Teilnehmer eingetragen. Der MSC ermittelt über das MR, ob der Teilnehmer „B“ erreichbar ist (aktiv/nicht aktiv) und bei welchem TSC er eingebucht hat. Daraufhin wird zu diesem TSC eine Verbindung hergestellt. In unserem Fall wird der MSC feststellen können, daß sich der Teilnehmer

„B“ im Bereich des TSC

2 aufhält.

Der

TSC 2 überprüft, ob der gerufene Teilnehmer frei ist und bittet um die Gesprächszuteilung vom TSC1. Über den MSC wird das Gespräch durchgeschaltet und von beiden TSC wird die Verbindung zu den Teilnehmern

„A“

bzw.

„B“

hergestellt.

Den Teilnehmern

wird durch ein akustisches Zeichen mitgeteilt, daß die Gesprächsverbindung aufgebaut ist. Schaltet ein Teilnehmer sein Gerät aus, wird ein kurzes Telegramm ausgesendet, das dem TSC mitteilt, daß dieser Teilnehmer im Netz vorübergehend nicht erreichbar ist. Damit wird das erfolglose Suchen nach Teilnehmern, die nicht eingebucht sind, verhindert und das Netz nicht unnötig belastet. Neben der Sprachkommunikation bietet der Bündelfunk auch die Möglichkeit, Daten im Organisationskanal digital zu übertragen. Die Kapazität für die Datenübertragung ist jedoch begrenzt, da dem Organisationskanal originär andere Aufgaben zugeteilt sind. Man kann dennoch Statusmeldungen von und zu Mobilgeräten übermitteln oder Kurztexte in der Form übertragen, wie wir sie schon von den Paging-Diensten kennen. Auch im Sprachkanal können Daten über Modem oder Akustikkoppler gesendet und empfangen werden. Für die transparente Datenübertragung im Sprachkanal sind dazu im mobilen Bereich und bei den Feststationen entsprechende Ein- und Ausgabegeräte erforderlich. Laptop-Computer und Notebooks mit Funkmodem kommen hier zum Einsatz.

Im Rahmen des Aufbaus von regionalen und überregionalen Bündelfunknetzen werden in Deutschland Lizenzen für öffentliche und private Bündelfunknetze vergeben. In diesen Netzen

können

Dienstleistungen

öffentlich angeboten 211

8 Bündelfunksysteme

werden. So ist es gestattet, Bündelfunknetze mit dem öffentlichen Telefonnetz, einem öffentlichen Datennetz oder einer privaten Nebenstellenanlage zusammenzuschalten. Vom

Bundesminsterium

für

Post

und

Telekommunikation

(BMPT), das die Lizenzen vergibt, sind vier Lizenztypen festgelegt

worden.

Es gibt A-, B-, C- und D-Lizenzen.

Für alle Lizenzen müssen die

Netzbetreiber bei der Lizenzvergabe einmalige und dann jährliche Lizenzgebühren an den Lizenzgeber entrichten. A-Lizenzen werden für Gebiete erteilt, die von hoher wirtschaftli-

cher Bedeutung sind. Dabei werden die Regionen vom BMPT bestimmt und in einem Wettbewerb (Ausschreibung) an private Betreibergesellschaften vergeben.

In Gebieten, für die keine A-Lizenzen vorgesehen sind, können sich die A-Lizenzinhaber für B-Lizenzen bewerben. Die Vergabe erfolgt auf Antrag und in der Reihenfolge, in der die Anträge eingereicht werden und sie ist an die Erfüllung bestimmter Forderungen im Zusammenhang mit der A-Lizenz geknüpft. Die B-Lizenz Gebiete sind darüber hinaus in ihrer Ausdehnung begrenzt. So werden BLizenzen nur für Gebiete mit einer Fläche von maximal 15.000 qkm erteilt. Mit B-Lizenzen können eigenständige Netze aufgebaut, oder bereits bestehende A-Lizenz Netze erweitert werden. C-Lizenzen werden für räumlich stark eingegrenzte Bereiche vergeben. Mit einer C-Lizenz kann z.B. ein Bündelfunknetz auf zusammenhängenden Grundstücken großer Industriebetriebe oder für den Bereich eines Flughafens vergeben werden. C-Lizenzen werden auf Antrag erteilt. D-Lizenzen sind für private Bündelfunknetze vorgesehen, die auf der Fläche der gesamten Bundesrepublik verfügbar sind. Sie werden im wesentlichen der mobilen Datenübertragung vorbehalten sein. 1990 hat die Telekom die ersten öffentlichen Bündelfunknetze mit dem Namen „Chekker“ in den Großräumen Hamburg, Berlin,

212

8.1

Systeme mit analoger Sprachübertragung

Frankfurt, Stuttgart und Nürnberg aufgebaut. Die Leistungsmerkmale dieser Chekker-Netze entsprechen dem Standard ZVEI-RegionNet 43, der vom MPT 1327-Standard abgeleitet wurde. Im Gegensatz zu den Betriebsfunknetzen, die nur von Bedarfsträgern aufgebaut werden dürfen, hat zum Chekker-Dienst der Telekom jedermann Zugang. Mittlerweile gibt es Chekker-Netze in München,

an Rhein und Ruhr und in den neuen Bundesländern.

Ein

weiterer, zügiger Ausbau ist geplant. Die Nachfrage nach dieser relativ neuen Dienstleistung der Telekom ist noch sehr unterschiedlich. In Gebieten, in denen die Verhältnisse im konventionellen Betriebsfunk bereits chaotisch waren, hat der Chekker-Dienst eine

spürbare Erleichterung gebracht. In den neuen Bundesländern ist der Chekker-Dienst für viele Firmen häufig noch der Ersatz für die fehlende Telefoninfrastruktur. In anderen Gebieten hingegen ist die Nachfrage eher gebremst, vergleicht man sie mit dem Wachstum der digitalen Mobilfunknetze. Wie in allen Bereichen der Mobilkommunikation wird auch hier die Gebührenpolitik der Betreiber die Akzeptanz auf dem Markt nachhaltig beeinflussen. Berücksichtigt man die typischen Gesprächsgewohnheiten in den Mobilfunknetzen und Bündelfunknetzen,

so ist

heute der Bündelfunk, unter Berücksichtigung bestimmter Randbedingungen, bis zu 50% billiger als das Autotelefon.

Neben den Chekker-Netzen bestehen auch bereits regionale Netze von privaten Anbietern, die entsprechende Lizenzen erworben haben (A-/B-Lizenz). Private Bündelfunknetze mit C-Lizenzen, dürfen nicht der Allgemeinheit zugänglich gemacht werden. Sie sind in eng begrenzten Räumen aufgebaut (Betriebsgelände, Großbaustellen, Flughäfen) und im Gegensatz zu den öffentlichen Netzen auf die jeweiligen betrieblichen Belange des Netzbetreibers abgestimmt. Der Netzbetreiber fordert hier von den Herstellerfirmen Flexibilität bei der Anpassung der Netzinfrastuktur an betriebliche Veränderungen. Für die Funkausbreitung liegen oft erschwerte Bedingungen vor. 213

8

Bündelfunksysteme

Am Markt gibt es heute eine breite Palette von mobilen Bündelfunkgeräten die von einer Reihe von Herstellern angeboten werden. Wie im zellularen Mobilfunk geht auch hier der Trend zu kleinen, leichten Handgeräten, die aber den häufig recht rauhen Einsatzbedingungen im Bündelfunk entsprechen müssen.

8.2

Systeme mit digitaler Sprachübertragung/TETRA

Ein vereinigtes Europa ist ohne einheitliche Standards für die Telekommunikation langfristig nicht mehr denkbar. Für den digitalen Mobilfunk im GSM-Standard wurden hier bereits Zeichen gesetzt. Durch die immer enger werdenden wirtschaftlichen Verflechtungen in Europa ist es zwingend erforderlich, daß Bündelfunknetze in einem einheitlichen Standard länderübergreifend aufgebaut werden. Gerade im Güterfernverkehr ist es wichtig, daß internationales Roaming möglich ist. Das europäische Institut für Telekommunikations-Standards ETSI (European Telecommunications Standards Institut) in Nizza, erstellt zur Zeit die Spezifikation für ein digitales Bündelfunksystem, welches wie GSM den europäischen Standard bilden wird. Der Name für diesen digitalen Mobilfunkstandard lautet TETRA (Trans European Trunked Radio). Die Zielsetzung für diesen neuen Standard lautet: Neben den bekannten Diensten im analogen Bündelfunk soll die digitale Übertragung von Daten möglich werden und der Grad der Abbhörsicherheit in hohem Maße gewährleistet sein. Mit dem Einbringen von neuen Leistungsmerkmalen, soll er in Konkurrenz zum GSM-Standard treten und Dienstleistungen anbieten, die vom GSM-Standard nicht abgedeckt werden können. Darüber hinaus soll der neue Standard TETRA den Frequenzbereich ökonomischer nutzen, als dies bisher mit den analogen Bündelfunknetzen möglich ist. Infrastruktur und Endgeräte sollen bis 1995 im Markt verfügbar sein. Bei der Spezifizierung von TETRA versucht man möglichst viele Prinzipien und Techniken aus dem GSM-Standard zu übernehmen. Die Anlehnung an den GSM-Standard wird die Entwicklungszeiten bei den Herstellern abkürzen, weil Synergien 214

8.2

Systeme mit digitaler Sprachübertragung/TETRA

genützt werden können. Der Entwicklungsaufwand wird insgesamt geringer sein, was sich vorteilhaft auf die Preise für Infrastruktur und Endgeräte auswirkt. Der Mobilfunkstandard TETRA wird für den Frequenzbereich unter 500 MHz konzipiert. Das Kanalraster wird dabei 25 kHz betragen und der Sprechverkehr wird, wie im analogen MPT-Standard, im Semiduplex-Verfahren abgewickelt. Der Zugriff auf die Kanäle erfolgt mittels TDMA. Bei der Spezifizierung wird dabei besonderes Augenmerk auf die digitale Datenübertragung gelegt. Die Netzarchitektur von TETRA-Netzen entspricht im wesentlichen der von analogen Bündelfunknetzen. Auch hier unterscheidet man in Vermittlungssystem, Zellensteuerung und Basisstationen. Darüber hinaus ist für den Betrieb und die Überwachung des Netzes ein OMC (Operation and Maintenance Center) vorgesehen (Abb. 8.6).

|

8s

‚Le

HLR

ISDN

I

ıı-

ed

MSC

«ED

ss

PABX

Abb. 8.6: TETRA-Netzarchitektur

215

8 Bündelfunksysteme

TETRA-Netze können lokal, regional, national und international aufgebaut werden. Die Vermittlung bildet das Interface zwischen den Zellen und den öffentlichen Daten- und Telefonnetzen, sowie

privaten Nebenstellenanlagen, Zugang besteht.

in die über das TETRA-Netz

ein

In der Vermittlung befinden sich die Heimat- und die Besucherdatei (HLR/VLR), in denen die permanenten und temporären Teilnehmerdaten gespeichert sind. In Netzen mit nur einer Zelle übernimmt die Zellensteuerung die Aufgaben der Vermittlung. Das HLR ist in diesem Fall in der Zellensteuerung untergebracht. Das VLR

entfällt, da nur Teilnehmer aktiv sein können, die in diesem

Netz gemeldet sind. Die Zellensteuerung bildet das Interface zwischen den Mobilstationen und dem OMC. In den Basisstationen ist die Funktechnik untergebracht, die für die Kommunikation zwischen der Basisstation und den Mobilgeräten erforderlich ist. Geplante Leistungsmerkmale im TETRA-System: Sprechverkehr im Semiduplexverfahren Datenkompression für höhere Frequenzökonomie Funkausbreitung auch innerhalb von Gebäuden Direkter Zugang zu Datenpaketnetzen

Zugang zum Öffentlichen Daten- und Telefonnetz Zugang zu ISDN-Netzen Zugang zu privaten Nebenstellenanlagen Nettobitrate auf der Funkschnittstelle 19.2 kbit Maximale Geschwindigkeit eines mobilen Teilnehmers: 150 km/h Teilnehmer pro km?: max. 70 bei durchschnittlich 30 Sekunden Sprech- oder Datenverkehr max. 255 bei nur Datenverkehr Länge von Kurznachrichten: 100 bytes Wie Untersuchungen gezeigt haben, sind die GSM-Spezifikationen in etwas veränderter Form durchaus geeignet, um sie für Systeme im Frequenzbereich unterhalb von 500 MHz anzuwenden. Wenn für die Sprachübertragung nur Wechselsprechen (semiduplex) angewendet wird und der Handover von Zelle zu Zelle entfällt, kann ein

System entwickelt werden, dessen Infrastruktur- und Softwarekosten deutlich unter denen eines zellularen Mobilfunknetzes liegen.

216

8.2 Systeme mit digitaler Sprachübertragung/TETRA

Diese Vereinfachungen werden dazu führen, daß auch die Kosten und damit die Preise für die Mobilgeräte niedrig gehalten werden können. Die ersten TETRA-Netze sollen 1995 aufgebaut werden.

217

9 Mobile Datenübertragung

In den vorangegangen Kapiteln sind bereits eine Reihe von Mobilkommunikationsystemen besprochen worden, die neben anderen charakteristischen Leistungsmerkmalen auch die Übertragung von Daten vorsehen. Keines dieser Systeme ist jedoch für die Datenübertragung optimiert. In diesem Kapitel sind die Forderungen aufgezeigt, die an die mobile Datenübertragung gestellt werden und es wird untersucht, in welchem Maße diese Forderungen von den heute verfügbaren Systemen erfüllt werden. Grundsätzlich sind die Qualitätsanforderungen an eine Funkverbindung für Datenübertragung weitaus höher, als jene für den Sprechverkehr. Gleiches gilt auch für die Datenübertragung in leitungsgebundenen Netzen. In mobilen Funksystemen ist wegen der physikalischen Besonderheiten bei der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen die Funkverbindung zeitlich und räumlich von sehr unterschiedlicher Güte. In diesen Systemen müssen deshalb Übertragungsprotokolle mit Prozeduren zur Fehlerkorrektur eingesetzt werden. Übertragungsgeschwindigkeit und Bitfehlerrate stehen in engem Zusammenhang. Mit zunehmender Übertragungsgeschwindigkeit steigt auch die Wahrscheinlichkeit, daß Bitfehler auftreten (z.B. durch Laufzeitprobleme bei der Mehrwegeausbreitung).

Die Übertragungssicherheit ist ein weiterer Aspekt, der einen hohen Stellenwert besitzt. Hier ist im Besonderen die Verschlüsselung der Daten gemeint, die den Anwender vor illegalem Mithören schützen soll. Desweiteren müssen Sicherheitmechanismen eingebaut sein, die den unberechtigten Zugriff auf das Netz verhindern (Passwörter, Chipkarten etc.). 218

9 Mobile Datenübertragung

Ein modernes System für mobile Datenübertragung muß so konzipiert sein, daß Daten gesendet und empfangen werden können. Es muß möglich sein, die Daten vor dem Aussenden zwischenzuspeichern. Damit ist sichergestellt, daß bei einer Unterbrechung der Funkverbindung keine Daten verloren gehen. Kommt die Funkverbindung neuerlich zustande, können die Daten automatisch aus dem Speicher gelesen und neuerlich an den Empfänger gesendet werden. Der mobile Teilnehmer muß im Netz vom System automatisch gefunden werden können. Nur so hat er die Möglichkeit, zu jeder Zeit und unabhängig von seiner Position, Daten zu empfangen. Moderne Übertragungsverfahren mit Frequenz- und Zeitmultiplex, müssen bei den Endgeräten Stromspartechniken zulassen, die eine lange Standzeit der Akkus und damit eine lange Betriebsdauer garantieren. Schurlose Telefone (cordless telephone) Für die schnurlosen Telefone nach dem CT1- und CT2-Standard ist die Datenübertragung nicht relevant. Beide Standards sind für die Sprachübertragung optimiert, haben eine geringe Reichweite und sind hauptsächlich innerhalb von Gebäuden eingesetzt. Sinnvolle Anwendungen im Zusammenhang mit der mobilen Datenübertragung sind nur schwer vorstellbar. Anders sind die Verhältnisse für Telefone nach dem DECT-Standard.

In

diesem

Standard,

der

auch

für

den

Einsatz

in Büros

geschaffen wurde (z.B. Schnurlos-PABX), ist die Datenübertragung ein wesentliches Leistungsmerkmal. Damit wird es möglich, drahtlose LAN’s (Local Area Network) aufzubauen, die allerdings im Vergleich zu drahtgebundenenen LAN’s keine hohen Datenübertragungsraten zulassen. Obwohl der DECT-Standard in jeder Hinsicht die Forderung an ein modernes Mobilkommunikationssystem für die Datenübertragung erfüllen würde (TDMA/TDD, Zellstruktur,

Handover,

Authentification

etc.),

ist er für unsere

Betrachtung nicht von wesentlicher Bedeutung, da es heute noch keine öffentlichen, d.h. für jedermann zugänglichen Dienste im DECT-Standard gibt. 219

9 Mobile Datenübertragung

Funkruf (Paging) Mit Einschränkungen kann man auch die Funkrufdienste zu den mobilen Datenübertragungsdiensten zählen, weil numerische und alphanumerische Nachrichten übertragen werden können. Der gravierendste Nachteil dabei ist, daß diese Systeme nur unidirektional,

d.h. in einer Richtung funktionieren. Darüber hinaus ist bei den heute verfügbaren Systemen (z.B. Cityruf) die Länge der Nachrichten stark eingeschränkt. Erst mit der Einführung von ERMES wird es möglich, Nachrichten mit einer maximalen Länge von 64 kbit pro Funkruf zu übertragen. Da Paging-Systeme nur den Empfang von Daten zulassen, können sie aus Sicht der Datenübertragung im wesentlichen nur für Informationsdienste wie z.B. Inforuf verwendet werden. Die Übertragungsprotokolle besitzen zwar Fehlerkorrektur-Prozeduren, die übrigen Leistungsmerkmale werden jedoch den Forderungen für mobile Datenübertragung nicht gerecht. Bündelfunk Bündelfunk ist im wesentlichen für die analoge Übertragung von Sprache entwickelt worden. Ebenso wie in analogen Telefonsystemen, ist auch im Bündelfunk die transparente Übertragung von Daten im Verkehrskanal über ein Modem möglich. Im Signalisierungskanal können Statusdaten und Kurznachrichten digital übermittelt werden. Die Protokolle im Bündelfunk berücksichtigen nur den Verbindungsauf- und -abbau, wie dies in der Telefonie üblich ist. Es ist weder Fehlerkorrektur noch Datenredundanz vorgesehen. TETRA, das zukünftige digitale europäische Bündelfunksystem bildet hier eine Ausnahme. Es ist speziell für Datenübertragung konzipiert (siehe Kapitel 8.2). In TETRA-Standard ist die Übertragung von „Sprache + Daten“ oder nur „Daten“ spezifiziert. In der Ver-

sion „Daten“ wird TETRA damit das erste, europaweit verfügbare, mobile Datenübertragungssystem sein, in dem internationales Roaming ein Grundleistungsmerkmal sein wird. Die Daten werden im Paket-Modus gesendet und empfangen. TETRA, das technologisch an GSM angelehnt sein wird, erfüllt in vollem Umfang die Forderungen, die an die mobile Datenübertragung gestellt werden.

220

9 Mobile Datenübertragung

Zellulare Mobilfunksysteme (analog) Ähnlich wie bei den analogen Bündelfunksystemen sind hier keinerlei Prozeduren zur Fehlerkorrektur vorgesehen. Die Schnittstelle zu den Mobilfunknetzen bildet jeweils das öffentliche Telefonnetz. Damit wird die Zeit für den Auf- und Abbau einer Verbindung im Verhältnis zur Datenübertragungszeit unverhältnismäßig hoch. Neben diesem Nachteil besitzen die Mobilfunknetze jedoch den unbestrittenen Vorteil, daß sie flächendeckend verfügbar sind, was

sie für eine Reihe von Anwendern besonders attraktiv macht. Generell kann jedoch gesagt werden,

daß analoge Mobilfunksy-

steme, wie das C-Netz, die Forderungen, die an die mobile Daten-

übertragung gestellt werden, insgesamt nicht erfüllen. Eine Ausnahme bildet hier der Faxdienst, der aber auf Grund seiner Konzeption den Telefondiensten zugerechnet wird. Digitale Mobilfunksysteme (GSM- DCS 1800) Datenübertragung ist ein Bestandteil im GSM-Standard. Die maximale Übertragungsrate beträgt 9600 bit/s. Der digitale GSM-Standard erlaubt den Zugang zum Öffentlichen Fernsprechnetz, zu ISDN und zu den leitungs- und paketvermittelten Datendiensten. Die Übertragung von Daten in Form von Datenpaketen, heute die wirtschaftlichste Art der Datenübertragung, wird zukünftig im Übertragungsprotokoll von GSM vorgesehen. Der Verbindungsaufbau im digitalen GSM-Standard ist ebenso wie bei den analogen Mobilfunksystemen für die Telefonie optimiert, wodurch für die Datenübertragung unnötig hohe Belegungszeiten für den Funkkanal entstehen. In leitungsvermittelten Datennetzen ergeben sich wegen der relativ geringen Übertragungsgeschwindigkeit im Dialogbetrieb weitere, hohe Belegungszeiten der Verkehrskanäle und damit eine unökonomische Nutzung des Frequenzspektrums. Dies schlägt sich beim Teilnehmer in entsprechenden Kosten nieder. Die wirtschaftliche Übertragung im Paketmodus ist für GSM derzeit noch nicht verfügbar. Im Gegensatz zu den analogen Mobilfunksystemen sind bei GSM die mobilfunkspezifischen Probleme wie Signalverzerrung durch Mehrwegeempfang, geringe Empfangsfeldstärke und Unterbre221

9 Mobile Datenübertragung

chungen bei Zellwechsel durch entsprechende Fehlerkorrekturmechanismen im Übertragungsprotokoll berücksichtigt. Wenn das Leistungsmerkmal „Paketvermittlung“ realisiert ist, wird GSM genau wie TETRA, ein mobiles Datenübertragungssystem, das den Anforderungen an ein mobiles System voll gerecht wird. Für den DCS 1800-Standard gelten sinngemäß die gleichen Aussagen wie für GSM, da beide Standards miteinander identische Übertragungsprotokolle verwenden. Mobilfunknetze mit dem DCS

1800 Standard werden generell als

„low cost“ Systeme konzipiert. Es bleibt dem Betreiber überlassen,

ob er seinen Teilnehmern die Möglichkeit eröffnet, Datenübertragung durchzuführen. Dazu muß er die entsprechende Infrastruktur im Netz vorsehen (zusätzliche Kosten). Ebenso müssen am Markt entsprechende Endgeräte (Terminals) angeboten werden. Zellulare Systeme zur mobilen Datenübertragung Systeme für mobile Datenübertragung, bei denen die Schnittstelle in das öffentliche Netz die Datenpaketnetze sind, wurden in den vergangenen Jahren weltweit aufgebaut. Hierbei handelt es sich um Netze, die ganz speziell für die Datenübertragung optimiert wurden. Ältere Systeme nach dem Prinzip der Leitungsvermittlung bieten Vorteile durch den relativ einfachen Systemaufbau. Die Vermittlungsanlagen unterscheiden sich nicht von denen der Telefonie und sie können zum Teil gemeinsam genutzt werden. Bei der Übertragung einer Nachricht ist für die Dauer der Übertragung ein Funkkanal und eine Leitung im drahtgebundenen Netz belegt und steht während dieser Zeit für keinen weiteren Teilnehmer zu Verfügung. Ist eine Dialogverbindung zu einem Host-Rechner aufgebaut und steht der Teilnehmer über eine Tastatur mit dem Rechner in Verbindung, wird der Funkkanal, in dem z.B. mit 9600

bit/s übertragen werden könnte, im besten Fall nur mit 2-3 bit/s genützt. Während der Pausen, die bei der Tastatureingabe entstehen, bleibt der Kanal ungenützt. Eine Wirtschaftlichkeit wäre in solchen Systemen nur dann zu erreichen, wenn kontinuierlich große 222

9 Mobile Datenübertragung

Datenmengen übertragen würden. Da dies aber für die mobile Datenübertragung nicht zu erwarten ist, sind solche Systeme aus frequenzökonomischen Gründen und aus wirtschaftlichen Erwägungen nicht sonderlich gut für den mobilen Datenverkehr geeignet. Die Alternative bildet hier das Prinzip der Datenpaketübertragung. Hierbei werden die Nachrichten (Daten) in Abschnitte von z.B 256 Bit aufgeteilt, mit einer Adresse versehen, alles zusammen

in einem Bitrahmen gepackt, daher der Ausdruck Datenpaket, und über die Funkstrecke zur Funkvermittlung und in das öffentliche Datenpaketnetz gesendet. Längere Nachrichten sind in entspre-

chend viele „Pakete“

unterteilt. Das Datenpaket

wird dann,

ent-

sprechend seiner codierten Adresse über mehrere Netzebenen an den Empfänger geleitet (routing). Im Moment, in dem das Datenpaket die erste Vermittlungsstelle erreicht hat und die Übergabe erfolgt, ist der Funkkanal wieder frei und kann für den nächsten Teilnehmer genützt werden. Ein Funkkanal hat damit eine Kapazität, die für den Datenverkehr von bis zu 1000 mobilen Teilnehmern

ausreicht. Zur Ermittlung der Übertragungsgebühren kann statt der Übertragungsdauer die übertragene Datenmenge herangezogen werden. Dies gibt dem Netzbetreiber mehr Freiheiten bei der Tarifgestaltung. Es ist möglich, Datenpakete z.B. nach verschiedenen Prioritäten zeitversetzt zu senden, um damit die Netz- und Systemkapazität besser zu nutzen. Dies war eine sehr stark vereinfachte Darstellung der Datenpaketübertragung, es sollte aber auch nur das Grundprinzip der Datenpaketübertragung im Zusammenhang mit mobilen Netzen dargestellt werden. Am Beispiel des mobilen Datenübertragungsdienstes „Modacom“ werden die Leistungsmerkmale solcher Systeme aus der Sicht der Mobilkommunikation etwas genauer erörtert.

223

9 Mobile Datenübertragung

9.1

Modacom

Nach zweijähriger Testphase hat die Telecom im Juni 1993 den öffentlichen Betrieb mit dem mobilen Datenkommunikationssystem „Modacom“

aufgenommen.

Modacom

unterstützt die Daten-

übertragung im Paket-Modus. Das Funknetz ist zellular aufgebaut. Die Schnittstelle zu den drahtgebundenen Teilnehmern und zu Hostrechnern (Datenbanken) bildet das öffentliche Datenpaketnetz Datex-P der Telekom mit einer Datenübertragungsrate von 64 kBit/s. Die Vermittlung und Übertragung von Datenpaketen erfolgt im Datex-P Netz nach dem Protokoll X.25 von CCITT (Commite Con-

sultatif International de Tel&graphique et T&l&phonique). Im Fachjargon spricht man deshalb auch von X.25-Netzen und meint damit Datenpaketnetze. Da in Funknetzen andere Bedingungen herrschen wie in drahtgebundenen Netzen, sind auch hier andere Übertragungs- und Vermittlungsprotokolle anzuwenden. Modacom arbeitet mit RD-LAP (Radio Data Link Access Protocol). RD-LAP ist ein herstellereigenes Protokoll der Firma Motorola, dem Lieferanten für die Infra-

struktur von Modacom. RD-LAP erlaubt eine Datenübertragungsrate von 9600 Bit/s.

Die Systemarchitektur und die dazu erforderlichen Netzkomponenten ähneln sehr dem Aufbau der bisher besprochenen zellularen Mobilkommunikationssysteme (Abb. 9.1). Die wichtigsten vier Netzelemente sind: — Basisstation BS (Base Station) — Funkkonzentrator ACC (Area Communication Controller) — Funkvermittlung RNG (Radio Network Gateway) — Betriebs- und NMC (Network Management Center) Service-Center

In der Basisstation sind alle funktechnischen Einrichtungen untergebracht, die erforderlich sind, um eine Funkverbindung zwischen den mobilen Endgeräten und den Basisstationen herzustellen. In der Basisstation erfolgt die Modulation und Demodulation der 224

9.1

"5:

HLR

Modacom

VLR

I

DATEX-P

= _

BS

NM

® HLR

VLR

Abb. 9.1: Modacom-Systemarchitektur

Funksignale. Für Modacom stehen heute bundesweit 32 Duplexkanäle mit einem Duplexabstand von 10 MHz im Frequenzbereich von 417-437 MHz zur Verfügung. Weitere 32 Kanäle sind für einen zukünftigen zweiten Betreiber im gleichen Frequenzbereich reserviert. Das Modacom-Netz ist ein Kleinzellennetz mit einem typischen Zellradius ca. 4 km (in Ballungsgebieten). Diese Kleinzellenstruktur ermöglicht eine hohe Teilnehmerkapazität im Netz. Die Sendeleistung der Basisstation beträgt 6W (ERP) pro Datenkanal. Damit wird auch in den kritischen Zellrandgebieten noch eine ausreichende Empfangsfeldstärke erzielt. Die maximale Sendeleistung der mobilen Endgeräte beträgt maximal 3W (ERP).

(Terminals)

Eine weitere Funktionseinheit in der Basisstation ist der Base Station Controller (BSC). Er bildet die Verbindung zwischen dem Funkteil und der Funkvermittlung (ACC). Im BSC werden die niederfrequenten, digitalen Datensignale so aufbereitet, daß sie im Sender der Basisstation dem hochfrequenten Träger eines Funkkanals aufmoduliert werden können. Im BSC geschieht auch die 225

9 Mobile Datenübertragung

Zuordnung der Datenströme zu den Funkkanälen, die in der Basisstation verfügbar sind. Der BSC überwacht darüber hinaus den gesamten Funkverkehr, der in der Basisstation abgewickelt wird. Bitfehler, die auf der Funkstrecke von einem mobilen Datentermi-

nal zur Basistation entstehen, werden im BSC korrigiert. Die von der Basisstation funktechnisch abgedeckte Fläche ist die Zelle oder der Funkversorgungsbereich. Die Funkvermittlungen (ACC) sind im Modacom-Netz, ähnlich wie bei anderen zellularen Systemen, dezentral aufgebaut. Wie

schon

der Name

ACC

(Area

Communication

Controller)

andeutet, wird mit diesem Netzelement der Datenverkehr in einem

Funkvermittlungsbereich gesteuert. Der ACC bildet die Schnittstelle zwischen dem Datex-P Netz und den Basisstationen. An einem ACC können bis zu 64 Basisstationen (= 64 Zellen) angeschlossen werden. Nehmen wir an, daß jede Funkzelle durchschnittlich 8 km Durchmesser hat, daß sich die Zellgrenzen etwas überlappen und keine Lücken im Zellverband vorhanden sind, so läßt sich mit 64 Zellen eine Fläche mit ca. 110-120 km Durchmesser funktechnisch gut versorgen. Solch enge Zellstrukturen sind jedoch nur in wirtschaftlichen Ballungszentren ökonomisch sinnvoll. Der ACC besteht aus zwei Einheiten, dem Radio Network Control-

ler (RNC) und dem Radio Network Gateway (RNG). In Abb. 9.2 ist der Aufbau des ACC schematisch dargestellt. Der RNC ist aus Gründen der Betriebssicherheit doppelt vorhanden. Während über einen RNC der Verkehr abgewickelt wird, ist der andere RNC im Standby-Betrieb. Er kann bei Ausfall des ersten RNC innerhalb weniger Sekunden den Verkehr des anderen RNC übernehmen und den Datenverkehr im Funkvermittlungsbereich wieder sicherstellen. Die Aufgaben des RNC sind die Protokollkonvertierung von X.25 nach RD-LAP und umgekehrt (entsprechend der Datenflußrichtung), die Weiterleitung abgehender Daten an die entsprechenden Basisstationen und das Roamingmanagement, wenn Funkteilnehmer in den Bereich eines anderen ACC wechseln. Die ACC’s sind untereinander über das Datex-P Netz verbunden. 226

9.1

Modacom

Datex-P

j

ACC

|

|

RNG

|

| |

[

|

RNC (Betrieb)

|

A

|

Koppelung

]

RNC (Stand

|

| by)

B

| |

|

Umschalter

A/B

|

|

| |

|

Abb. 9.2: Schematische Darstellung des ACC

Wie der Name schon sagt, ist das Radio Network Gateway die Verbindung zwischen dem Modacom-Netz und dem Datex-P Netz. Im RNG werden Daten vom RNC zum Datex-P Netz weitervermittelt. Umgekehrt leitet das RNG Daten aus dem Datex-P Netz an den RNC und von dort zu den Basisstationen. Im RNG wird das Teilnehmermanagement durchgeführt. Wie in anderen zellularen Systemen, so sind auch bei Modacom Heimatdateien (HLR) und Besucherdateien (VLR) vorhanden, in denen alle relevanten Teilnehmerdaten gespeichert sind. Beide Dateien gehören zum RNG. Das RNG registriert alle Verkehrsdaten, die einerseits für die Betriebsführung und Betriebsstatistik, andererseits für die Gebührenverrechnung an die Teilnehmer wichtig sind und überträgt sie zum NMC. Das Network Management Center (NMC) ist die Kommandozentrale für das Modacom System. Es ist mit allen ACC’s über das 227

9 Mobile Datenübertragung

Datex-P Netz verbunden. Im NMC laufen alle Verkehrsdaten zur Nachbearbeitung und Auswertung zusammen. Fehler, die im Netz auftreten, können mit Fehlerdiagnoseprogrammen eingegrenzt und unter Umständen aus der Entfernung behoben werden. Der Systemoperator kann von einem Bedienplatz solche Diagnoseprogramme in jedem der einzelnen Netzelemente ablaufen lassen. Es ist damit möglich, aus der Entfernung die Ursache für einen Fehler, der z.B. kontinuierlich in einem BSC auftritt, festzustellen und zu unterscheiden, ob es sich dabei um einen Hardwarefehler oder um ein

Softwareproblem handelt. Je nach Diagnose, werden Eingriffe in die Software vorgenommen oder das Servicepersonal zu dem fehlerhaften BSC beordert. Für den Netzbetreiber ist das NMC der Schlüssel zur wirtschaftlichen Betriebsführung Die Verarbeitung der Gebührendaten kann sowohl dezentral bei den ACC erfolgen, als auch zentral im NMC durchgeführt werden. Je höher das Verkehrsaufkommen ist, umso mehr Zeit muß in den

ACC’s für die eigentliche Aufgabe aufgewendet werden; nämlich den Datenverkehr zu leiten und Protokolle zu konvertieren. Bei hohem Verkehrsaufkommen wird die Aufbereitung der Gebührendaten deshalb automatisch mehr und mehr in das NMC verlagert. Entsprechend dem Verkehrsaufkommen und der Teilnehmerzahl, aber auch wegen der räumlichen Ausdehnung eines Netzes kann es notwendig werden, zwei oder gar mehrere NMC’s aufzubauen. Im Folgenden wird das Einbuchen ins Netz und der Verbindungsaufbau für den Datenverkehr besprochen. Die Endgeräte für den Modcom-Dienst sind entweder NotebookPC’s mit Funkmodem oder speziell für Modacom entwickelte, mobile Datenterminals. Das Datenterminal hat bereits vom Hersteller hardwaremäßig eine Identifikationsnummer implementiert. Die Notebook-PC’s haben eine ladbare Sende- und Empfangssoftware, in der die Teilnehmerkennung hinterlegt ist. Diese Identifikation wird vom Netzbetreiber im HLR des ACC gespeichert, der dem Teilnehmer als Heimatdomäne zugewiesen wird. Als Heimatdomäne bezeichnet man im Modacom-Dienst den Funkvermittlungsbereich, in dem sich ein Teilnehmer zum Empfangen und Sen228

9.1

Modacom

den von Nachrichten hauptsächlich aufhält. Der entsprechende ACC wird gemäß dem Sprachgebrauch in der Paketvermittlungs-

technik auch als „home node“ bezeichnet.

In den Endgeräten sind neben der Teilnehmeridentifizierung, die u.a. die Nummer des home node und sog. logische Time slots enthält, auch alle im Netz verfügbaren Frequenzen hinterlegt. Schaltet der Teilnehmer sein Gerät ein, kann er sich mit einem ein-

zigen Tastendruck automatisch im Netz anmelden. Die Basisstationen senden dazu permanent und auf allen verfügbaren Funkkanälen

sogenannte „Channel marker“ aus. Ein „Channel marker“ ist ein Datenpaket, in dem die Kennungen des Netzes, des Funkvermitt-

lungsbereiches, der Basisstation und des Sendekanals hinterlegt sind. Das mobile Endgerät durchsucht nach dem Einschalten solange die im Netz verfügbaren Kanäle, bis es auf einen Channel marker trifft. Dabei wird die Feldstärke gemessen, mit der dieser Channel marker empfangen wird und die Bitfehlerrate wird festgestellt. Zur Feststellung der Bitfehlerrate enthält der Channel marker eine Referenzinformation. Entsprechend der Feldstärke und der Bitfehlerrate entscheidet das Terminal,

ob es sich auf diesen

Kanal synchronisiert, oder einen Kanal mit besseren Empfangsbedingungen suchen soll. Ist das Terminal mit dem Funknetz synchronisiert, sendet es ein Datenpaket mit seiner Identifikation und der Nummer

des „home nodes“ an die Basisstation. Von dort werden

die Daten an den ACC gesendet und dort mit den Daten im HLR

verglichen.

In seiner Heimatdomäne

ist die Nummer

des

„home

node“ mit der Nummer des ACC identisch. Seine Zugangsberechtigung wird im Heimatregister (HLR) überprüft und das Terminal mit dem Status „empfangsbereit“ registriert. Dem Terminal wird mit einem Datenpaket vom ACC bestätigt, daß es im Netz eingebucht ist.

Gehört das Endgerät zu einer anderen Heimatdomäne, wird das Datenpaket zuerst in der Besucherdatei (VLR) abgelegt. Die relevanten Teilnehmerdaten werden in der entsprechenden Heimatdatei überprüft, teilweise übernommen und der aktuelle Funkvermittlungsbereich im HLR eingetragen. Das VLR meldet dann in einem 229

9 Mobile Datenübertragung

Datenpaket an das Terminal, daß die Einbuchung erfolgreich abgeschlossen ist. Damit ist im Netz bekannt, daß der Teilnehmer empfangsbereit ist, und über welche Basisstation er zu erreichen ist. Bei Modacom wird ein Zellwechsel nicht vom System, sondern ähnlich wie im DECT-Standard vom mobilen Terminal veranlaßt. Der Auslöser für diesen Zellwechsel ist die Qualität der Funkverbindung, die vom Terminal ständig überprüft wird. Ein Zellwechsel kann auch gleichzeitig den Wechsel in einen anderen Funkvermittlungsbereich zur Folge haben. Wie in den anderen zellularen Mobilkommunikationsystemen wird diese Prozedur als Roaming bezeichnet. Roaming ist immer mit einer Neuanmeldung des mobilen Terminals verbunden. Bevor das Terminal in den neuen Funkversorgungsbereich überwechselt, werden in der Heimatdatei (HLR) die entsprechenden Teilnehmerdaten überprüft und in die Besucherdatei (VLR) des ACC im neuen Funkvermittlungsbereich eingetragen. Ist der Zellwechsel durchgeführt, erfolgt im HLR der Heimat-

Bi a_& \

Domäne

.

1

HLR

VLR

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ACC

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230

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X.25

Netz

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ACC

2

4

N.

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Sun

Abb. 9.3:

Roaming

.

_ _

Host

\

/

Host

9.1

domäne

ein Eintrag, mit dem

Hinweis,

in welchem

Modacom

Funkvermitt-

lungsbereich das Terminal derzeit aktiv ist. Alle weiteren Bewegungen (Zellwechsel), die dieses Terminal im neuen Funkvermittlungsbereich ausführt, werden im VLR des dortigen ACC registriert.

Alle Datenpakete, die vom ACC (NRC) an das mobile Terminal ausgesendet werden, enthalten einen sogenannten Header, eine Adreß- oder Informationszeile, in der unter anderem die Adresse

des mobilen Terminals enthalten ist. Das Terminal horcht in den Datenkanal hinein und nimmt nur diese Datenpakete an, die im Header seine Adresse enthalten. Datenpakete mit anderen Adressen werden ignoriert.

Hier ist deutlich das Prinzip der paketorientierten Übertragung zu sehen. Zwischen dem Terminal und dem ACC besteht keine physikalische Verbindung, wie dies in den Fernsprechnetzen und den leitungsvermittelten Datennetzen der Fall ist. Die Zuordnung und Weiterleitung der Nachricht geschieht nur anhand der jeweiligen Adresse.

Solche

Verbindungen

werden

„virtuelle“

Verbindungen

genannt.

In einem drahtgebundenen Datenpaketnetz hat jeder Teilnehmer bzw. jede Datenendeinrichtung (Data Terminal Equipment DTE) eine Identnummer, die mit einer Telefonnummer vergleichbar ist. Aus ihr geht eindeutig hervor, zu welchem Vermittlungsbereich sie gehört und wohin das Datenpaket weiterzuleiten ist. Wird dagegen eine Verbindung aus dem Datex-P Netz zu einem Modacom Terminal aufgebaut, ist der Zielort für die Datenpakete jedoch nur das Gateway im nächstgelegenen ACC. Das ACC überprüft in seiner Heimat- und Besucherdatei, ob der Teilnehmer in diesem Vermitt-

lungsbereich aktiv ist, konvertiert die Datenpakete vom X.25 Protokoll in das RD-Lap Protokoll und übermittelt sie zum Aussenden an die Basisstation. Gehört das Terminal zu einem anderen ACCBereich, werden die Datenpakete dorthin weitergeleitet. Im Modacom-Dienst gibt es auch Datenübermittlungen von mobilen Teilnehmern untereinander, die im RD-LAP Protokoll abgewickelt werden. Weil aber auch die Möglichkeit besteht, Daten zu X.25 Teilnehmern zu senden oder von dort zu empfangen, muß das 231

9 Mobile Datenübertragung

ACC erkennen können, wohin die Datenpakete zu leiten sind und welches Protokoll angewendet werden muß. Der Modcom-Dienst kennt verschiedene virtuelle Verbindungstypen. Einer davon ist die Verbindung zwischen den mobilen Teilnehmern. Sie dient in erster Linie dem sogenannten „messaging“. Darunter versteht man den Austausch von Daten und Textnachrichten zwischen mobilen Terminals. Die Datenpakete werden in den Terminals jeweils mit der Zieladresse und dem Absender versehen und über die ACC’s weitervermittelt. Die Nutzung dieser Verbindungsart ist mit der monatlichen Grundgebühr im Modacom-Dienst abgedeckt. Für

Daten,

die zu

Datex-P

Teilnehmern

oder

zu

Hostrechnern

gesendet werden, sind weitere drei Verbindungstypen möglich. Für die Nutzung dieser Verbindungstypen werden zusätzliche, monatliche Gebühren fällig. Im HLR sind die jeweiligen Zugangsberechtigungen eingetragen. Bei den virtuellen Verbindungen zwischen Teilnehmern im Modacom Netz und dem Datex-P Netz unterscheidet man, aus welcher Richtung die Verbindung aufgebaut wird. Mit dem Verbindungstyp 1 wir eine Virtuelle Verbindung von einem Modacom-Teilnehmer zu einem beliebigen X.25 Teilnehmer aufgebaut. Der Verbindungstyp 2 ermöglicht eine Verbindung aus dem Datex-P Netz zu einem Modacom-Terminal. Mit dem Verbindungstyp 3 können von einem X.25 Anschluß im Datex-P Netz mehrere Modacom-Terminals gleichzeitig erreicht werden. In der Gegenrichtung können die Modacom-Terminals Verbindungen zu diesem stationären X.25 Anschluß aufbauen. Da dieser Verbindungstyp im wesentlichen für die Steuerung von Fahrzeugflotten konzipiert ist, nennt man ihn auch kurz „Flottenverbin-

dung“. Abb. 9.4 zeigt diese Verbindungstypen.

Der Verbindungstyp 1 wird hauptsächlich für die Verbindung zu einem Hostrechner benützt. Damit werden Abfragen in Datenbanken und firmeneigenen Informationssystemen für Außendienstmitarbeiter möglich. 232

9.1

MODACOM

Modacom

Datex-P

Typ1: X25. Verbindung

Typ2: X25. Verbindung

Typ3: Flottenverbindung

Messaging

Abb. 9.4: Verbindungstypen im Modacom-Dienst

Der Verbindungsstyp 2 schafft die Möglichkeit, einem ModacomTeilnehmer aus dem Datex-P Netz Nachrichten zu übermitteln. Darüber hinaus können mit dieser Verbindungsart Fernsteuerung (remote control) und Meßdatenerfassung realisiert werden (siehe Anwendungen für Modacom). Der Verbindungstyp 3 bietet die höchste Fexibilität und die meisten Möglichkeiten. Für jede Verbindungsart ist eine bestimmte Prozedur oder richtiger gesagt, ein bestimmtes Routingverfahren für die Datenpakete erforderlich. Um die Bedienung der mobilen Terminals zu vereinfachen und den Verbindungsaufbau zu erleichtern, wird das jeweils erforderliche Routing in sogenannten logischen Slots abgelegt, die für jeden Teilnehmer im ACC eingerichtet werden. Bei der Anmeldung im Modacom-Dienst vergibt der Netzbetreiber pro Teilnehmergerät bis zu fünf logische Slots. Der Teilnehmer gibt an, zu welchen Host-Rechnern oder zu welchen X.25 Teilnehmern er automatischen Verbindungsaufbau wünscht. Der Netzbetreiber hinterlegt daraufhin für diese Verbindungen das entsprechende Routingverfahren im ACC. Wünscht der mobile Teilnehmer eine virtuelle Verbindung zu einem Anschluß,

der in einem seiner Slots hinterlegt ist, gibt er nur die

233

9 Mobile Datenübertragung

Slotnummer an. Das System vollzieht dann automatisch das erforderliche Routing. Anwendungsbeispiele für Modacom Führung und Steuerung von Fahrzeugflotten Die Führung von Fahrzeugflotten wurde bisher mit Mobilfunksystemen für Telefonie durchgeführt. Systeme, die für die Datenübertragung optimiert sind, bringen in diesem Bereich viele Vorteile und erlauben Anwendungen, wie sie für die Datentechnik typisch sind. Ein Anwendungsfall von besonderem Interesse ist die automatische Lokalisierung der Fahrzeuge in Verbindung mit GPS (Global Positioning System, siehe Kapitel 10). Damit kann die Führung und Steuerung der Fahrzeugflotte komplett automatisiert werden. Informationsverteilung Über Modacom lassen sich Informationen von allgemeinem Interesse an alle Teilnehmer verteilen bzw. können wie im Btx abgerufen werden. Beispiele: Presse, Wirtschaft, Sport, Verkehr, Wetter etc. Erstellung von Angeboten und Abwicklung von Bestellungen Mit Modacom ist es möglich, Kostenvoranschläge, Angebote und Bestellungen im Echtzeitbetrieb zu erstellen. Das System hat dabei Zugriff auf zentrale Datenbanken in denen die relevanten Daten stets in aktualisierter Form

(Produkt, Preis, Lagerbestand, Liefer-

zeit etc.) zur Verfügung stehen. Dies ermöglicht beispielsweise einem Handelsvertreter, Kostenvoranschläge und Angebote direkt vor Ort bei seinen Kunden mit einem mobilen PC (Notebook) oder Datenterminal zu erstellen und Bestellungen aufzugeben. Da das System im Echtzeitbetrieb arbeitet, können damit Lieferzeiten drastisch gesenkt werden. Mobiles Büro Für Banktransaktionen,

Verkauf von

Eintrittskarten etc. können

„mobile Büros“ an temporären Standorten (Ausstellungen, Kongressen, Sportveranstaltungen usw.) mit mobilen Datenterminals eingesetzt werden.

234

9.1

Modacom

Einrichtungen für den Zahlungsverkehr Zur Überprüfung von Kreditkarten können mobile Terminals an temporären Standorten oder z.B. in Taxis installiert werden. Bargeldautomaten können ebenfalls auf diese Weise Überprüfungen vornehmen. Kommunikation mit Datenbanken Mit einem mobilen Terminal können Recherchen in Datenbanken durchgeführt werden. Anwendungsbeispiele hierfür sind im medizinisch-klinischen Bereich (Notfälle, medizinische Erstversorgung etc.) und im Bereich des Reparaturservices (Fehlerdiagnose, Reparaturanleitungen). Desweiteren ist es möglich, Zählerstände (Gas, Wasser, Strom etc.) vor Ort in Datenbanken zu aktualisieren. Systeme für Meßdatenerfassung, Fernsteuerung und Fernmessung Für bestimmte Anwendungsfälle in Technik und Wissenschaft ist es erforderlich, zu erfassen

Meßdaten von weit entfernten Meßstationen zentral (Verkehrsaufkommen, Temperatur, Wasserstände,

Windgeschwindigkeiten, Radioaktivität, etc.). Da an solchen Meßstationen in der Regel nur geringe Datenmengen anfallen, ist es im allgemeinen unwirtschaftlich, diese Meßstationen über konventionelle Übertragungsleitungen (Telefon- oder Datennetz) an eine zentrale Meßdatenerfassung anzubinden. Hier bietet Modacom eine interessante Alternative. Ebenso ist es möglich, auf diese Art verschiedenste Systeme (z.B. Sirenen für den ABC-Alarm) fernzusteuern.

Austausch von Dateien Für die Reparatur von Geräten und Maschinen oder zur Übertragung von Grafikdokumenten (z.B. Schaltplänen, Bauplänen usw.) ist es oft erforderlich, auf spezielle, in einem Zentralrechner hinter-

legte Software zugreifen zu können.

Die Mehrzahl dieser Anwendungen sind interaktiv und beschränken sich auf relativ geringe Datenmengen, die zwischen einem mobilen Teilnehmer und dem Zentralrechner ausgetauscht werden. Diese Anwendungen werden in der Regel nur von geschlossenen Benutzergruppen verwendet. Modacom dient hierbei als „Platt233

9 Mobile Datenübertragung

form“ bzw. transparentes Transportmedium für die Datenübertragung. Austausch von Kurznachrichten zwischen Modacom Terminals Ein Modacom-Terminal muß nicht immer notwendigerweise „mobil“ sein, es kann auch stätionär aufgebaut sein. Damit läßt sich

Datenverkehr z.B. auf Großbaustellen, wo weder Fernsprechleitungen noch Datenleitungen verfügbar sind, zwischen den einzelnen Bauabschnitten und der Bauleitung durchführen.

236

10

Satellitenkommunikation

Am 4. Oktober 1957 begann der erste künstliche Satellit, der russische „Sputnik“,

die Erde zu umkreisen.

Für die Menschheit

war

dies damals ein unerhörtes Ereignis. Satelliten gehören heute zum technischen Alltag. Wenn es sich nicht gerade um ein spektakuläres nationales oder internationales Projekt handelt, findet ein Satellitenstart in der Tagespresse keinerlei Beachtung mehr. Die ersten Satelliten, die von Russen und Amerikanern in erdnahe

Umlaufbahnen gebracht wurden, waren Produkte ehrgeiziger, nationaler Prestigeprojekte mit ausgeprägtem politischen Hintergrund. Der Wettlauf beider Nationen hat aber bewirkt, daß innerhalb weniger Jahre mehrstufige Trägerraketen entwickelt wurden, die in der Lage waren, Nutzlasten mit einem Gewicht von mehr als 1000 kg in Umlaufbahnen zu befördern. Damit war es zum ersten Mal möglich, auch Satelliten als Relaisstationen für den interkontinentalen Nachrichtenverkehr auf geostationären Bahnen zu positionieren. Diente die Raumfahrttechnik bis zu diesem Zeitpunkt nur der Forschung und militärischen Zwecken, kam nun eine zivile Komponente mit wirtschaftlichem Hintergrund hinzu. Der seitdem weltweit rasant angestiegene Bedarf an Infrastruktur zur Nachrichtenübermittlung und Informationsverbreitung, hat dazu geführt, daß auf der geostätionären Umlaufbahn an einigen Stellen schon akuter Platzmangel herrscht und daß die verfügbaren Frequenzressourcen immer geringer werden. Nur mit ausgeklügelten Datenkompressions- und Modulationsverfahren ist es heute noch möglich, hohe Bitraten in den schmalen Frequenzbändern zu übertragen, die für die Satellitenkommunikation zur Verfügung stehen. 237

10 Satellitenkommunikation

Der Aufbau einer Satellitenverbindung für Sprache, Daten- oder Fernsehbilder von Europa nach Australien ist heute eine Selbstverständlichkeit. Satellitendirektempfang von Fernsehprogrammen mit Parabolantennen ist weltweit nichts Ungewöhnliches mehr. Mit Satelliten in hohen Umlaufbahnen kann eine Funkbedeckung erreicht

werden,

wie

sie

mit

erdgebundenen

Systemen,

unter

Berücksichtigung wirtschaftlicher Erfordernisse, nicht möglich ist.

Die vielfältigen Systeme und Anwendungen der Nachrichtenkommunikation mit Satellitentechnik sind nur noch für denjenigen überschaubar, der sich damit beruflich befaßt. Wir wollen deshalb auch

nur jene Systeme erörtern, die bereits heute für die Mobilkommunikation von Bedeutung sind und die beiden Projekte „IRIDIUM“ und „INMARSAT

P21“ etwas näher betrachten, die zukünftig eine

bedeutende Rolle in der Mobilkommunikation spielen könnten.

Zu Beginn dieses Kapitels müssen wir uns aber mit einigen technischen und physikalischen Grundlagen der Satellitenkommunikation vertraut machen, damit wir die Leistungsmerkmale der verschiedenen Systeme beurteilen und die technischen und wirtschaftlichen Risiken, die für die Betreiber bestehen, richtig einschätzen können.

10.1

Kommunikationssatelliten

Für Kommunikationssatelliten sind Umlaufbahnen (Orbits) möglich:

grundsätzlich

folgende

drei

Neigungswinkeln

zur

a) Umlaufbahn über dem Äquator (z.B. geostationär) b) Umlaufbahn über die Pole c)

Umlaufbahnen

Äquatorebene

mit

unterschiedlichen

Nur auf der geostationären Bahn sind die Satelliten 24 Stunden sichtbar. Auf den anderen Bahnen ist die Sichtbarkeitsdauer von der Bahnhöhe und der Bahnneigung gegenüber dem Äquator abhängig. 238

10.1

Äquatorbahn

Polarbahn

Kommunikationssatelliten

Bahnneigung gegen den

Äquator Abb. 10.1:

Satelliten-Umlaufbahnen

Was hält einen Satelliten auf seiner Bahn?

Damit ein Satellit eine vorgegebene Umlaufbahn einhält, muß zwischen der Fliehkraft (Zentrifugalkraft), die auf den Satelliten wirkt und der Erdanziehung (Gravitation) Gleichgewicht herrschen. Ist diese Forderung nicht erfüllt, würde ein Satellit entweder in den freien Raum entweichen (Fliehkraft zu groß) oder auf die Erde zurückfallen (Fliehkraft zu klein). Je schneller ein Körper rotiert, desto höher wird die Fliehkraft. Die Erdanziehung nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Aus diesen beiden physikalischen Gesetzen läßt sich erkennen, daß eine Beziehung zwischen Umlaufgeschwindigkeit (Rotation), Bahnhöhe , (Entfernung zum Erdmittelpunkt), Fliehkraft und Gravitation besteht. Für

jede

Bahnhöhe

erforderlich,

damit

ist eine zwischen

bestimmte

Umlaufgeschwindigkeit

der Fliehkraft

und

der

Gravitation

Gleichgewicht herrscht (siehe Tabelle 1). Man sagt deshalb auch, Satelliten bewegen sich auf Gleichgewichtsbahnen.

Wie aus der Tabelle 1 zu ersehen ist, sind für geringe Bahnhöhen große Geschwindigkeiten und für hohe Umlaufbahnen nur kleine Geschwindigkeiten notwendig, um die Gleichgewichtsforderung zwischen Zentrifugalkraft und Gravitation zu erfüllen. Die geostationäre Bahn ist eine Umlaufbahn, die sich parallel zum Äquator in einer Entfernung von 35730 km befindet. Die Umlauf239

10 Satellitenkommunikation

Tabelle 1 Höhe km

Geschwindigkeit km/s

Umlaufzeit | Umläufe pro Tag

0

7.91

84.5 min

17

300

7.75

90

min

16

557

1.58

96

min

15

1730

7.05

2

Std.

12

4200

6.15

3

Std.

8

6430

5.60

4

Std.

6

11000

4.80

6.3 Std.

35900

3.06

24

Std.

3.8 1

zeit für einen Satelliten auf dieser Bahn beträgt bei einer Geschwindigkeit von 3.06 km/s genau 23 Stunden 56 Minuten und 4 Sekunden. Diese Umlaufzeit entspricht der Erdrotation. Auf dieser Bahn bewegt sich ein Satellit synchron zur Erde und scheint deshalb an einem Punkt festzustehen. Die Satelliten für den direkten Empfang von Fernsehprogrammen (z.B. die Astra-Satelliten oder der Deutsche Fernmeldesatellit Kopernikus) bedecken aus dieser Position 24 Stunden lang immer die gleiche Fläche auf der Erde. Sie verhalten sich dabei (mit wenigen Einschränkungen) wie ortsfeste Sendeanlagen. Empfangsantennen für den Direktempfang können deshalb auf einen Satelliten ausgerichtet und fixiert werden. Teuere und aufwendige Systeme für die Nachführung der Empfangsantennen entfallen. Satelliten werden heute Umlaufbahn gebracht:

auf zwei

Arten

in eine

geostationäre

Ariane-Startverfahren

Eine Trägerrakete schießt den Satelliten direkt in eine sogenannte geostationäre Transferbahn ein (Abb. 10.2). Die Bahn hat ca. 185 km Perigäums- und etwa 36000 km Apogäumshöhe. Perigäum ist der erdnächste, Apogäum ist der erdfernste Punkt. 240

10.1

Diese Transferbahn

ist wie man

in Abb.

Kommunikationssatelliten

10.2 sehen

kann,

stark

elliptisch. Der Satellit benötigt deshalb einen sogenannten Apogäumsmotor, einen Raketenantrieb mit flüssigem Treibstoff, der ihn auf eine Driftbahn (Kreisbahn) in ca 36000 km bringt, auf der er seine Position erreicht, und von der er auf die einige Kilometer tiefer gelegene, geostationäre Bahn langsam absteigt. Dieses Startverfahren wird z.B. für Satellitenstarts mit der Ariane-

Trägerrakete benützt. b) Shuttle-Startverfahren Der Satellit wird mit dem Space-Shuttle auf eine kreisförmige Umlaufbahn in ca. 280 km gebracht und dort ausgesetzt. Der Satellit erhält im Perigäum vom einem Perigäumsmotor (Flüssigkeitsantrieb) einen Impuls, der ihn zum Apogäum befördert. Dort bekommt er einen weiteren Impuls vom Apogäumsmotor, der ihn auf die Driftbahn bringt, auf der er seine geostationäre Position erreicht.

Ariane-Startverfahren

Perigäum

Shuttle-Startverfahren geostationäre

Bahn Apogäum

/

geostationäre Bahn

7

Abb. 10.2: Startverfahren für geostationäre Satelliten

241

10

Satellitenkommunikation

S1 Polarregion

s2

IN) $S1,52,S3

Abb. 10.3:

Um

einen

=

geostationörer

Satellit

Funkbedeckung der Erdoberfläche mit geostationären Satelliten

Nachrichtensatelliten

auf einer

geostationären

Bahn

„parken“ zu können, sind für den Start sehr viel Energie, und damit

große, leistungsstarke Raketen erforderlich. Für niedrig fliegende Satelliten ist erheblich weniger Aufwand erforderlich. Da auf Grund der geringen Entfernung (wenige hundert Kilometer) auch die Satelliten kleiner gebaut werden können (leistungsschwächere Sender, geringerer Stromverbrauch, kleinere Stromversorgung etc.) sind kleinere, weniger aufwendige Raketen für den Start ausreichend. Mit drei geostationären Satelliten läßt sich ein großer Teil der Erde funktechnisch bedecken (Abb. 10.3) Für Funkverbindungen von und zu einem Nachrichtensatelliten ist Sichtverbindung erforderlich. Wie aus Abb. 10.3 zu erkennen ist, gibt es aus der geostationären Position heraus Probleme bei der Bedeckung von Ländern in hohen Breitengraden, in denen geostationäre Satelliten nur ganz niedrig über dem Horizont stehen und deshalb von Hindernissen in der optischen Achse zum Satelliten (Gebäude, Wald, Hügel und Berge) leicht verdeckt werden können. In den Polargegenden, in denen die Sichtbarkeit der Satelliten mit dem optischen Horizont zusammenfällt, ist ein Empfang nicht 242

10.1

Kommunikationssatelliten

mehr möglich. Elektromagnetische Wellen, die aus niedrigen Positionen über dem Horiziont empfangen werden, sind durch den längeren Weg durch die Erdatmosphäre stark gedämpft. Für den Empfang werden deshalb auch Parabolantennen mit größerem Durchmesser und damit größerem Antennengewinn erforderlich. Bei der Wahl der Frequenzen für Satellitenverbindungen (Aufwärtsstrecke = up-link /Abwärtsstrecke = down-link) sind einige Faktoren hinsichtlich der Anwendungen erforderlich, für die der Nachrichtensatellit eingesetzt wird. Faktoren:

Je höher die Frequenz ist, desto höher wird das Eigenrauschen eines Empfängers. Ein schwaches Signal vom Satelliten kann vom Eigenrauschen des Empfängers überdeckt werden. Um dies zu verhindern, muß entweder die Sendeleistung des Satelliten oder der Gewinn der Empfangsantenne erhöht werden. Der Antennenöffnungswinkel ist frequenzabhängig. Je höher die Frequenz ist, desto kleiner wird der Öffnungswinkel einer vorgegebenen Antenne. Je größer der Antennendurchmesser ist, desto geringer wird der Öffnungswinkel. Die Beziehung zwischen Frequenz, Antennendurchmesser und Öffnungswinkel lautet: 2

.

_ 70x

Offnungswinkel = 77

ı = Wellenlänge

d = Antennendurchmesser

Für die Mobilkommunikation hat der Öffnungswinkel der Antennen eine besonders große Bedeutung. Je kleiner der Öffnungswinkel einer Sende-/Empfangsantenne ist, desto genauer muß sie ausgerichtet sein, bzw. nachgeführt werden. Je größer der Öffnungswinkel ist, umso weniger genau und schnell muß nachgeführt werden, damit der Sichtkontakt zur Antenne nicht verloren geht. Bei fest auf Fahrzeugen installierten Antennen ist eine automatische Nachführung noch in gewissem Umfang möglich, für Antennen von tragbaren Geräten wird dies außerordentlich problematisch. Hier ist die geeignetste Antenne ein Rundumstrahler (omnidirektionale Antenne). Es muß also ein geeigneter Kompromiß zwischen 243

10

Satellitenkommunikation

Antennenöffnungswinkel und Frequenz gefunden werden. Wenn wir uns die Frequenzbänder in Tabelle 2 ansehen, die international festgelegt sind, werden wir sehr schnell feststellen, daß für Anwendungen in der Mobilkommunikation nur der niedrigste Frequenzbereich zwischen 1.5 GHz und 1.6 GHz in Frage kommen kann. Der Öffnungswinkel einer Antenne, der in diesem Bereich noch 14 Grad beträgt, reduziert sich bei 14 GHz auf ganze 1.5 Grad. Tabelle 2 Frequenzzuteilung für mobile und feste Satellitenfunkdien-

ste (Auszug)

Frequenz in GHz

Einsatzbereich

1.5300 — 15440

mobile Anwendungen “down-link“

1.6265 - 1.6455

mobile Anwendungen „up-link“

2.5000 2.6550 3.4000 4.5000

— —

2.6550 2.6900 4.2000 4.8000

fester Satellitendienst „down-link

5.7250 - 7.0750

fester Satellitendienst „up-link“

10.700.-.11.700

Direktsendende Rundfunk/TV-Dienste „down-link“

11.700 - 12.500

Direktsendende Rundfunk/TV-Dienste „down-link“

12.500 - 12.750

fester Satellitendienst „downlink“

12.750 - 13.250

fester Satellitendienst „up-link“

Ein Satellitensystem besteht immer aus zwei Segmenten, dem Satelliten, der in der Regel nur die Übertragungsfunktion übernimmt und dem Bodensegment, der Erdfunkstelle, in welcher der wesentli-

che Teil der Systemintelligenz zusammengefaßt ist. Geostationäre Satelliten haben ihre Parabolantennen (Sende-und Empfangsanten244

10.1

Kommunikationssatelliten

nen) immer auf einen Punkt der Erde ausgerichtet. Die erforderlichen Steuerbefehle zur Lagekontrolle bekommt der Satellit von der Bodenstation. Die einzelnen Systemkomponenten des Raumsegments werden ebenfalls von der Bodenstation überwacht. Für Nachrichtensatelliten ist typisch, daß auch alle Vermittlungsaufgaben von der Bodenstation erledigt werden. Der Satellit ist somit nur die Repeater-Station für Signale, die ihn in einem eng fokusierten Strahl auf einer bestimmten Trägerfrequenz von der Bodenstation erreichen und die er verstärkt in einem anderen Frequenzbereich auf die Erde zurücksendet. Der Grad der Bedeckung auf der Erde ist vom Öffnungswinkel der Sendeantenne des Raumsegments und der Ausrichtung dieser Antenne abhängig. Je größer der Durchmesser der Sendeantenne bei einer vorgegebenen Frequenz ist, desto kleiner wird der Öffnungswinkel einer Parabolantenne und desto enger ist die Strahlungskeule. Enge Strahlungskeulen (SpotBeams) mit denen man gezielt kleine Gebiete auf der Erde abdecken will, erfordern relativ große Antennendurchmesser beim Satelliten,

wenn die Sendefrequenz nicht entsprechend hoch gewählt wird. Die Empfangsantennen für Telemetriedaten (Daten zur Lageregelung und Bahnkorrektur) und Steuersignale sind beim Satelliten als omnidirektionale Antennen ausgebildet. Somit ist der Satellit auch dann noch von der Bodenstation zu erreichen, wenn er auf Grund eines

Defektes in eine instabile Fluglage gerät und die Parbolantennen nicht mehr auf die Erde bzw. die Bodenstation ausgerichtet sind.

Wie bereits gesagt, besteht die Aufgabe eines Nachrichtensatelliten in einem geostationären Orbit darin, Signale von einer Erdfunkstelle zu empfangen, zu verstärken und wieder auf die Erde zurückzustrahlen. Dazu werden sogenannte Transponder eingesetzt. Ein Nachrichtensatellit besitzt mehrere solcher Transponder. Im CBand (6 GHz uplink/ 4 GHz downlink) hat ein Transponder bei einer Frequenzbandbreite von 500 MHz 8-12 Sende- und Empfangskanäle mit einer Kanalbreite von jeweils 36-54 MHz. In Abb. 10.4 ist das Blockschaltbild eines Tranponders im C-Band (4/6 GHz) exemplarisch dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung hat dieser Transponder nur einen Kanal. 245

10

Satellitenkommunikation

Empfangs-

Sende-

antenne

antenne

BT

|

Rauscharmer Eingangs-

verstärker

TUT

. Miuar

]

| 1

. Filter

|

|

|

|

|

|

Leist ungsverstärker

|

Oszillator

|

I_------

|

-___

J

|

Abb. 10.4: Vereinfachtes Blockschaltbild eines 4/6 GHz-Transponders

Der Transponder besitzt einen rauscharmen Eingangsverstärker, in dem das ankommende Signal von der Erdfunkstelle verstärkt wird und einen Frequenzumsetzer, der die „up-link“ Frequenz von 6 GHz in die „down-link“Frequenz von 4 GHz umsetzt. Das Aus-

gangssignal des Frequenzumsetzers wird über einen Leistungsverstärker zur Antenne geführt und auf die Erde zurückgestrahlt.

Die Tendenz bei der Entwicklung neuer Nachrichtensatelliten geht dahin, daß man immer mehr Intelligenz in das Raumsegment verlagert. Für die Nachrichtentechnik bedeutet dies, daß zukünftige Satelliten auch Vermittlungsaufgaben übernehmen müssen (zum Bordrechner gesellt sich ein Vermittlungsrechner) und nicht nur wie heute, ausschließlich als Repeater eingesetzt werden. Die Implementierung von Vermittlungfunktionen erlangt besondere Bedeutung für Verbindungen zwischen mobilen Teilnehmergeräten und Querverbindungen zwischen mehreren Satelliten. Das heißt mit anderen Worten,

in Zukunft werden

das PSTN

und die terrestri-

schen Mobilfunknetze durch ein „fliegendes“ Satellitennetz ergänzt werden.

246

10.2

INMARSAT

10.2 INMARSAT Der Name Inmarsat (International Maritime Satellite Organization) steht für eine Organisation, die 1979 zum Aufbau eines weltweiten, von geostationären Satelliten gestützten, öffentliches Kommunikationssystems für die internationale Schiffahrt gegründet wurde. Die Mitglieder sind Telekommunikationsverwaltungen und Betreibergesellschaften aus 67 Ländern. Inmarsat wurde als „non profit“Organisation mit Sitz in London gegründet, d.h. Inmarsat muß nur kostendeckend arbeiten. Die Inmarsat-Dienste werden von den Mitgliedern im internationalen Wettbewerb angeboten. In Deutschland werden die InmarsatDienste von der Telekom vermarktet. Inmarsat, ursprünglich für die Schiffahrt gegründet, ist heute der weltweit einzige Anbieter für globale, mobile Kommunikation. Das Inmarsat-System besteht aus 11 geostationären Satelliten, ca. 40 Erdfunkstellen mit den jeweiligen Übergängen zu den nationalen und internationalen,

Teilnehmeranlagen.

öffentlichen Telefonnetzen und den mobilen

Die 11 geostationären Satelliten befinden sich auf Positionen, von denen

sie

die

drei

Ozeanregionen

(Atlantik,

Pazifik,

Indischer

Ozean) und die Landmasse der Erde, vom Äquator bis in Höhen

von ca. 75° nördlicher und südlicher Breite, bedecken. Die Bedek-

kungsgebiete überlappen sich dabei. Die vier Betriebssatelliten der 2. Generation befinden sich auf den folgenden Positionen:

Atlantik-Ost:

Inmarsat 2F2 15° West

in Betrieb seit 03.91 Atlantik-West:

Inmarsat 2F4 54° West in Betrieb seit 06.92

Indischer Ozean:

Inmarsat 2F1

64,5° Ost in Betrieb seit 10.90

247

10

Satellitenkommunikation

Pazifik

Inmarsat 2F3

178° Ost in Betrieb seit 01.92

Die vier Betriebsatelliten der ersten Generation wurden zwischen 09.82 und 03.84 in Betrieb genommen. Sie befinden sich auf Positionen, die gegenüber den Satelliten der 2. Generation nur um weniger als 2 Grad verschoben sind und werden nach wie vor eingesetzt. Die Großväter unter den Inmarsat-Satelliten bilden die drei MarisatSatelliten aus der Gründungszeit von Inmarsat. Diese Satelliten wurden in der Zeit von Februar bis Oktober 1976! in Betrieb genommen und bilden heute noch das Ersatzkontingent. Wie alle anderen geostationären Satelliten, können auch die Inmarsat-Satelliten die Polarregionen im Norden und im Süden nicht erreichen. Vier der elf Satelliten sind im Besitz der Inmarsat-Organisation (Inmarsat-2 Satelliten). Die weiteren sieben Satelliten sind von den Betreiberorganisationen Intelsat, ESA (Europa) und Comsat (USA) für Reservekapazitäten und als Ersatzsatelliten angemietet. Damit hat Inmarsat eine außerordentlich hohe Verfügbarkeit und kann mit einer entsprechend hohen Teilnehmerkapazität aufwarten. Für die Verbindung zwischen den mobilen Inmarsat-Teilnehmergeräten und den geostationären Satelliten werden die sog. L-Band Frequenzen benutzt. Der Satellit sendet zum Teilnehmergerät im Trägerfrequenzbereich 1.5300 GHz- 1.5450 GHz (downlink). Der Frequenzbereich für die Strecke vom mobilen Teilnehmergerät zum Satelliten (up-link) reicht von 1.6265 GHz - 1.6455 GHz. Für die Verbindungen zwischen Erdfunkstelle und Satelliten werden Frequenzen aus dem C-Band verwendet (4 GHz down--link, 6 GHz up-link). Die Inmarsat-Organisation bietet heute vier Dienste an. Der älteste, seit 1979 verfügbare Inmarsat A-Dienst erlaubt analoge Sprachübertragung, Datenübertragung bis 9.600 Bit/s und Telexbetrieb. Dieser Dienst wurde für die Kommunikation von und zu Schiffen aufgebaut. Die Schiffsanlagen haben mechanisch nachführbare Parabolantennen mit einem Durchmesser von 80 bis 150 cm. Am Markt werden auch transportable Inmarsat-A Anlagen für den 248

10.2

INMARSAT

Betrieb an Land angeboten. Eine transportable Inmarsat-A Anlage hat je nach Ausbaugrad und Dauer der Verfügbarkeit (Sende/Empfangszeit) ein Gewicht zwischen 20 kg und 60 kg. Solche transportablen Anlagen wurden während des Golfkrieges von Reporterteams zur Berichterstattung (Ton) eingesetzt. Viele haben sich damals nicht recht erklären können, wie die Direktverbindungen aus Bagdad zustande kamen, Inmarsat hat es möglich gemacht. Inmarsat A-Anlagen kosten zwischen 50.000 und 100.000 DM. Inmarsat A wird langfristig vom digitalen Inmarsat B-Dienst abgelöst werden, der noch 1993 in Betrieb gehen soll. Die Parabolantennen für Inmarsat B haben einen maximalen Durchmesser von 85 Zentimeter. Die Anlagen werden insgesamt kleiner, leichter und billiger sowie, dank der Digitaltechnik, mehr Funktionalität aufweisen. Seit 1989 bietet Inmarsat einen Dienst an, der es erlaubt, Telefon-

und Datenverbindungen von und zu Verkehrsflugzeugen aufzubauen. Da in einem Flugzeug keine nachführbaren Parabolantennen eingebaut werden können, verwendet man sogenannten Array-

Antennen. Diese Antennen bestehen aus einer Vielzahl von einzel-

nen Antennenelementen, die abhängig vom Kurs des Flugzeugs, elektronisch auf einen Inmarsat-Satelliten ausgerichtet werden.

Die Kosten eines Flugfunkterminals belaufen sich auf bis zu 400.000 DM! Mehrere internationale Verkehrsfluggesellschaften bieten diesen Service bereits Geschäftsreisenden auf Langstreckenflügen an. Inmarsat C ist für langsame Übertragung kleiner Datenmengen (600 Bit/s) konzipiert, Sprachübertragung ist nicht möglich. Weil

der

Inmarsat

C-Dienst

mit

kleinen,

rundumstrahlenden

Antennen (Multistrip- und Helixantennen) auskommt, ist er besonders für mobile Anwendungen in Fahrzeugen geeignet. Eine Reihe von Speditionen, die international operieren, benützen Inmarsat C für ihr „Flottenmanagement“.

Damit können sie über das öffentli-

che Datennetz ständig mit ihren Fahrzeugen Kontakt aufnehmen und bekommen dabei in Verbindung mit GPS (Global Positioning System), auf das wir später noch zu sprechen kommen, auch noch die aktuellen Positionsdaten ihrer Fahrzeuge übermittelt.

249

10

Satellitenkommunikation

Da in solchen und ähnlichen Einsatzbereichen meistens nur kleine Datenmengen (einige hundert Bits) ausgetauscht werden, ist die geringe Übertragungsrate ausreichend und akzeptabel. Inmarsat C ist heute schon als Ergänzung zu den terrestrischen, mobilen Datendiensten zu sehen. Der digitale Inmarsat M-Dienst ist eine abgemagerte Version von Inmarsat B. Wie bei Inmarsat B ist Sprach- und Datenübertragung möglich. Die Bitrate beschränkt sich in beiden Fällen auf 4800 Bit/s. Die hohe Qualität von Inmarsat A und B kann damit nicht erreicht werden. Das Endgerät paßt dafür in einen Aktenkoffer und verleiht seinem Besitzer weltweite kommunikative Unabhängigkeit. Als vorerst letztes, aber vielleicht interessantestes Projekt, plant Inmarsat den Aufbau eines neuen, satellitengestützten Mobilfunk-

dienstes, für den Handgeräte zum Einsatz kommen.

Das Projekt,

das mit dem Namen Inmarsat P21 geführt wird, ist weiter unten umfassender beschrieben. Wie die Aufzählung zeigt, hat die satellitengestützte Mobilkommunikation bereits Tradition. Bislang war sie aber auf spezielle Einsatzbereiche beschränkt. Die nächsten beiden Projekte die wir besprechen wollen, sind so konzipiert, daß für satellitengestützte Mobilkommunikation ein breiter Anwendungsbereich eröffnet

wird.

10.3

Das IRIDIUM-Projekt

Iridium ist der Name für ein satellitengestütztes Kommunikationssystem, das die amerikanische Firma Motorola 1998 in Betrieb neh-

men will.

In der ersten Projektierungsphase war geplant, mit 77 Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen (LEO = Low Earth Orbit) ein weltumspannendes Mobilfunknetz aufzubauen, das den Einsatz von Teilnehmergeräten in der Größe von GSM-Handies erlaubt. Der Projektname ist von den 77 Elektronen des Iridiumatoms abgeleitet. 250

10.3 Das IRIDIUM-Projekt

Zwischenzeitlich wurde das Projekt überarbeitet und optimiert, was dazu führte, daß nur noch 66 aktive und 7 Reservesatelliten benötigt werden. Das Iridium-Netz soll den Teilnehmern Telefon-, Fax- Per-

sonenruf-, und Datenübertragungsdienste sowie funkdienst an allen Orten des Erdballs bieten.

einen

Ortungs-

Zum Start der ersten 21 Satelliten hat die Firma Motorola bereits mit dem russischen Raketenherstellers Krunichev einen Vertrag abgeschlossen. Krunichev wird mit drei Proton-Raketen jeweils sieben Satelliten in eine niedrige Erdumlaufbahn bringen. Die weiteren Satelliten werden mit Delta-2-Trägerraketen der amerikanischen Firma Mc Donell Douglas und mit chinesischen Trägerraketen vom Typ „Langer Marsch“ in ihre Umlaufbahnen transportiert. Wie funktioniert Iridium?

Iridium ist ein zellulares Mobilfunksystem, bei dem sich nicht der Teilnehmer im Netz bewegt, sondern das Netz sich kontinuierlich über dem Teilnehmer fortbewegt. Die Verbindungen zwischen den Teilnehmergeräten und den Satelliten werden im Frequenzband L (1.5/1.6 MHz) abgewickelt. Für die Querverbindungen zwischen den Satelliten untereinander und zu den sogenannten Gatewaystationen (Erdfunkstellen mit Vermittlungseinrichtungen zum PSTN) werden die Frequenzen des Ka-Bandes (20/30 MHz) verwendet. Die Satelliten des Iridium-Systems bewegen sich auf sechs Umlaufbahnen. Umlaufbahn 1 und 6 sind 23° voneinander getrennt. Die Bahnen 2-5 haben jeweils einen Abstand von 31.4° zueinander. Auf jeder Umlaufbahn befinden sich elf Satelliten. Die Bahnhöhe der Satelliten beträgt 760 km. Damit ist sichergestellt, daß der Winkel zu einem Teilnehmergerät stets mindestens 8° beträgt. Für den Übergang in das PSTN sind vorläufig 20 Gateway-Stationen vorgesehen, die über die ganze Welt verstreut sind. Jeder Satellit hat im L-Band 48 Beams, die unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Sendeleistungen arbeiten. Die Beams bewe-

gen sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 450 km/min über die Erdoberfläche hinweg. Da jeder Beam nur eine Fläche mit einem Durchmesser

von

ca.

400-600

km

abdeckt,

muß

bei

einer

251

10 Satellitenkommunikation

Gesprächsverbindung von einem Teilnehmergerät zu einem Satelliten durchschnittlich jede Minute ein Handover ausgeführt werden. Der Handover erfolgt dabei entweder von einem Beam zu einem anderen Beam desselben Satelliten oder von Satellit zu Satellit. Da von

vornherein

klar ist, wie

die Beams

nacheinander

über

eine

bestimmte geographische Fläche streichen, ist dem System bereits beim Verbindungsaufbau

bekannt, wie der „Zellwechsel“,

in die-

sem Fall von einem Beam zum anderen, zu erfolgen hat. Hier ist das Iridium-System weniger komplex als ein terrestrisches Mobilfunknetz. Andererseits hat Iridium ein Problem zu bewältigen, daß in einem Land-Mobilfunknetz nicht besteht: Je näher sich die Satelliten zur Polarregion hin bewegen, umso mehr überschneiden sich die Beams verschiedener Satelliten. Dies führt dazu, daß Beams zeitweise ausgeschaltet werden müssen. Das bedeutet, von den insgesamt 3168 Zellen (66 - 48) können nur 2150 Zellen gleichzeitig aktiv sein. Obwohl für das System FDMA/ TDMA eingesetzt wird und die Sprache mit nur 4.8 kBit digital übertragen wird, läßt sich daran schnell erkennen, daß Iridium nie die Teilnehmerkapazität eines terrestrischen Mobilfunknetzes im GSM-Standard erreichen kann. Von Motorola wird auch immer wieder betont, daß Iridium nicht die bereits bestehenden, zellularen

Netze ersetzen soll. Iridium wird überall dort Anwendung finden, wo heute noch wenig Infrastruktur für Telekommunikation vorhanden ist und wo Mobilfunknetze fehlen oder überlastet sind. Man erwartet für Iridium bis zum Jahr 2000 weltweit ca. 1.5 Millionen Teilnehmer. Im Jahr 2008 soll Iridium mit ca. 3 Millionen Teilnehmern seine maximale Kapazität erreicht haben. Die Gesprächsgebühren werden sich auf ca. 3 US Dollar pro Minute belaufen. Im Herbst 1993 war in der internationalen Wirtschaftspresse zu lesen, daß die Anfangsinvestitionen für das Iridium-Projekt, an dem sich eine Vielzahl von internationalen Firmengruppen beteiligen will, gesichert seien. Die Gesamtkosten wurden mit 3.4 Milliarden US Dollar veranschlagt. Es ist damit das bisher größte private Projekt in der Satellitenkommunikation und in der Weltraumtechnik. Iridium steht jedoch noch ein Problem ins Haus, welches das Projekt noch zu Fall bringen könnte. Da Iridium seine Dienste weltweit 252

10.4 Das Projekt INMARSAT — P21

anbieten muß -nur so ist die geplante Teilnehmerzahl zu erreichenmüssen diesem System auch weltweit Betreiberlizenzen erteilt werden. Es liegt nun jeweils bei den nationalen Telekommunikationsbehörden, ob sie Iridium auf ihrem Hoheitsgebiet als neuen Telekommunikationsdienst zulassen. Auch wenn die Hürde der technischen Probleme überwunden

ist, ist nicht sichergestellt, daß auch

die politische Hürde überwunden werden kann.

10.4

Das Projekt INMARSAT — P21

Die Inmarsat-Organisation stellt sich der Herausforderung von Iridium. Hinter dem Projekt P21 steht die gleiche Absicht, die Iridium verfolgt, nämlich ein globales, satellitengestütztes Netz für mobile Kommunikation aufzubauen und 1999 damit den öffentlichen Betrieb aufzunehmen. Verfolgte Inmarsat zu Beginn auch eine ähnliche technische Lösung wie Iridium, ein Netz mit Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen aufzubauen, so hat man sich aber im Juli 1993 wieder davon abgewendet. Zweifel am wirtschaftlichen Erfolg eines solchen Systems sind aufgekommen. Inmarsat will nun andere Wege gehen. Statt vieler LEO’s sollen 10-15 Satelliten auf Umlaufbahnen in einer Höhe von ca. 10.000 km in Umlauf gebracht werden. Darüber hinaus besteht noch die Alternative, die fünf Satelliten in einer geostationären Umlaufbahn vorsehen. Die Imarsat-Organisation wird noch im Winter 1993/94 darüber entscheiden, welcher Projektvariante der Vorzug gegeben wird. Die Realisierungskosten für das Projekt P21 sind mit ca. 1.5 Milliarden US Dollar veranschlagt, was gerade der halben Summe entspricht, die Iridium Kosten soll. Für den Inmarsat-Dienst sollen auch Endgeräte mit einem Gewicht zwischen 300 und 500 Gramm zum Einsatz kommen. Bereits für Iridium sind diese Vorgaben eine technische Herausforderung. Angesichts der erheblich größeren Distanzen, die beim Projekt P21 zwischen Teilnehmergerät und Satellit zu überwinden sind, scheint die Realisierbarkeit auf den ersten Blick doch sehr fragwürdig zu sein. 253

10

Satellitenkommunikation

Der Knackpunkt dafür sind die hohen erforderlichen Sendeleistungen, die angesichts der Diskussion um die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV-U) sicherlich nicht unumstritten sind und die leistungsstarken Akkus, die dafür notwendig werden. Dennoch ist für zuviel Pessimismus kein Anlaß gegeben. Gerade bei der Miniaturisierung von Mobiltelefonen sind in der letzten Zeit Erfolge erzielt worden, die vor ein paar Jahren noch jeder in das Reich der Utopie verbannt hätte. Obwohl man sich bei Iridium bereits mit dem Test von Teilsystemen beschäftigt und Inmarsat erst die Planung beginnt, scheint es doch so zu sein, daß Inmarsat im Moment die besseren Karten besitzt.

Als international operierende Organisation mit Mitgliedern aus 67 Staaten, die häufig auch das Monopol für die Telekommunikationsdienste in ihren jeweiligen Ländern besitzen, dürften die ordnungspolitischen Probleme (weltweite Zulassung und Lizenzierung), die Iridium noch zu bewältigen hat, für Inmarsat keine besonders hohe Hürde darstellen. Inmarsat, als Betreiber von elf geostationären Satelliten, mit einer weltweit operierenden Techniker-Crew, kann auf Erfahrungen zurückgreifen, die bei Iridium erst aufgebaut werden müssen. Neben den bereits vorhandenen geostationären Satelliten hat Inmarsat Zugriff auf mehr ca. 40 Erdfunkstellen in allen Erdteilen, eine Infrastuktur, die auch teilweise für das Projekt P21 genutzt werden kann.

Es bleibt abzuwarten,

welches Projekt sich

letztlich durchsetzt. Der zukünftige Teilnehmer hat seine Entscheidung bereits gefällt. Er verlangt eine hohe Verfügbarkeit zu angemessenen Kosten.

10.5

GPS-Global Positioning System

GPS wurde im Auftrag des amerikanischen Verteidigungsministeriums ab ca. 1970 zur hochgenauen Ortung bzw. Standortbestimmung entwickelt. 1974 hat man erste Systemtests durchgeführt. Das ursprünglich nur für militärische Anwendungen verfügbare System wurde 1990 auch für die zivile Nutzung freigegeben. GPS bildet eine ideale Ergänzung zu Mobilkommunikationsdiensten, die zur Steue254

10.5 GPS-Global Positioning System

rung von Fahrzeugflotten eingesetzt werden. Bei Modacom, dem heute in Deutschland verfügbaren Dienst zur mobilen Datenübertragung, sind Anwendungen in Verbindung mit GPS möglich. Das GPS-System besteht aus 21 Satelliten (+3 Reservesatelliten), die sich auf sechs unterschiedlichen Bahnen in einer Entfernung von 20200 km mit einer Umlaufzeit von zwölf Stunden um die Erde bewegen. Die Satellitenbahnen sind jeweils um 55° zueinander versetzt und so verteilt, daß an jeder Stelle der Erde immer 5 bis 11 Satelliten mindestens 5° über dem Horizont sichtbar sind. Aus den Abständen der Satelliten zueinander und dem Abstand zum Empfänger auf der Erde lassen sich zu jeder Zeit die Koordinaten des Standortes des GPS-Empfängers berechnen. In einem LKW, in dem sowohl Modacom als auch ein GPS-Empfänger installiert sind, können in einem bestimmten Intervall die jeweiligen Standortdaten automatisch vom GPS-Empfänger ermittelt werden. Über Modacom ist es möglich, diese Daten als Datenpakete an einen Rechner, einen PC oder an eine Workstation in einer zentralen Leitstelle zu übergeben. Unter Verwendung digitalisierter Landkarten, kann der jeweilige Standort des LKW’s auf einem Bildschirm angezeigt werden. Wie funktioniert GPS?

Jeder der 21 Satelliten besitzt eine hochgenaue Uhr, die von einer zentralen Atomuhr auf der Erde synchronisiert wird. Die Satelliten senden ständig Meldungen, die aus zwei Teilen bestehen. Im sogenannten Ephemeris-Teil sind die Satellitenposition und die Uhrzeit enthalten, mit der sich die hochgenaue Uhr des GPS-Empfängers synchronisiert. Mit dem zweiten Teil der Nachricht, dem Almanac-

Teil, ermittelt der GPS-Empfänger alle Satelliten, die im Moment am Himmel zu sehen sind und deren Bahndaten. Von den vier Satelliten, die über dem GPS-Empfänger am höchsten stehen, werden Positionsdaten und Uhrzeit errechnet. Weil sich die Satelliten, während sie senden, weiterbewegen (ca. 5 km/s), die Signale aber eine durch die Entfernung vorgegebene 255

10

Satellitenkommunikation

Laufzeit haben (durchschnittlich 70 ms), müssen zuerst die Positionen der Satelliten genau ermittelt werden um daraus den Standort auf der Erde errechnen zu können. Dies geschieht in einem iterativen (sich wiederholenden) Rechenvorgang. GPS sendet auf der Frequenz 1575.42 MHz Position und Uhrzeit in zwei

unterschiedlichen

Codes,

dem

„precision

code“

und

dem

„coarse acquisition code“ (C/A code) . Der „precision code“ ist nur für militärische Zwecke nutzbar. Der C/A code steht seit 1990 auch für zivile Anwendungen zur Verfügung. Mit dem C/A-Code, bei dem absichtlich geringe Fehler bei der Uhrzeit und bei den Bahndaten der Satelliten eingebaut sind, lassen sich zur Zeit Ortsbestimmungen mit einer Genauigkeit von bis zu 25 m durchführen. Das amerikanische Verteidigungsministerium hat sich vorbehalten, die Genauigkeit des C/A-Codes jährlich und bei Bedarf zu verändern. Auf einer zweiten Frequenz ( 1227.6 MHz ) wird ausschließlich der „precision code“

ausgesendet.

in verschlüsselter Form

für militärische

Zwecke

GPS-Empfänger für den C/A-Code sind heute in der Größe von Handfunkgeräten von einer Reihe von Herstellern auf dem Markt erhältlich. Der Preis beträgt zwischen 1500 und 2000 DM.

256

11

Zum

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV-U)

Abschluß

des technischen

Teils

wesentlichen zur Mobilkommunikation

dieses

Buches,

in dem

Stellung genommen

im

wird,

ist es erforderlich, ein Thema zu erörtern, das zu sehr kontroversen

Diskussionen Anlaß gibt und in weiten Teilen der Bevölkerung Verunsicherung hervorruft. Das Thema heißt in der Fachsprache „elektromagnetische Verträglichkeit-Umwelt“ oder kurz EMV-U und beinhaltet die Wirkungen von elektromagnetischen Wellen auf die Umwelt und im Besonderen die Wirkung auf den menschlichen Organismus. In Deutschland ist diese Diskussion im Zusammenhang mit dem Aufbau der neuen, digitalen Mobilfunknetze entstanden. Grundsätzlich muß man dabei zur Kenntnis nehmen, daß bereits seit mehr

als siebzig Jahren die Funktechnik auf internationaler Ebene intensiv genutzt wird, ohne daß dabei umwelt- oder gesundheitsschädigende Auswirkungen bekannt geworden sind. Obwohl sich die Wissenschaft bereits seit geraumer Zeit mit dieser Thematik beschäftigt, gibt es keine Hinweise, die darauf hindeuten, daß elektromag-

netische Wellen unsere Gesundheit beeinträchtigen können. Durch die Berichterstattung in den Medien besteht jedoch heute in der Öffentlichkeit der Verdacht, daß die Einwirkung von elektromagnetischen Wellen auf den menschlichen Organismus langfristig wohl doch gesundheitsschädigende Wirkungen zeigen kann. Will man sich sachlich mit diesem diesem Thema beschäftigen, ist es unumgänglich, sich zuerst über physikalische Zusammenhänge, angewandte Techniken und die wissenschaftlich gesicherten Fakten zu informieren.

Der Leser, der hier in eine ernsthafte Diskussion

257

11

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV-U)

eintreten will, ist aufgefordert, sich in der einschlägigen Literatur und in Fachaufsätzen zu informieren, in denen kompetente Wissenschaftler und Sachverständige zu diesem sehr komplexen, interdisziplinären Thema Stellung nehmen. Die Ausführungen in diesem Kapitel können deshalb nur eine grobe Zusammenfassung von Fakten darstellen, die aber die eine oder andere Darstellung in der öffentlichen Diskussion ins rechte Licht rücken kann.

Fakten: Der Mensch war während seiner ganzen Evolutionsgeschichte immer schon elektromagnetischen Wellen aus natürlichen Strahlungsquellen und dem Magnetfeld der Erde ausgesetzt. Die Ursachen des Erdmagnetismus sind noch nicht gänzlich geklärt. Vermutlich entsteht er durch die Reibung des Eisenkerns der Erde mit den darüber liegenden flüssigen Erdschichten. Die ständigen Luftbewegungen in der Erdatmosphäre erzeugen elektrische Felder. Deutlich sichtbar wird dies durch die Blitzentladungen bei Gewittern. Kernfusionsprozesse, die in der Sonne und in den Sternen ablaufen,

senden Wellen aus dem gesamten Spektrum der elektromagnetischen Wellen auf die Erde. Dabei erzeugen aber nur die Wellen bis zu einer Frequenz von ca. 38 GHz auf der Erde eine signifikante Feldstärke. Elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich darüber, vor allem aber die Röntgen- und Gammastrahlen werden im wesentlichen in der Erdatmosphäre absorbiert. Die natürliche Strahlung bildet eine ausgezeichnete Meßbasis, da ihr alle auf der Erdoberfläche lebenden Organismen gleichermaßen ausgesetzt sind. Die künstlich erzeugten elektromagnetischen Wellen unterscheiden sich physikalisch nicht von den natürlichen elektromagnetischen Wellen. Die Wissenschaft unterteilt sie in die sogenannten nichtionisierenden und die ionisierenden elektromagnetischen Wellen. Die nichtionisierenden elektromagnetischen Wellen umfassen den Bereich der Niederfrequenz über die Radio- und Mikrowellen bis hin zum sichtbaren Licht. Im Verhältnis zu den ionisierenden Wel258

11

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV-U)

len, sind die nichtionisierenden elektromagnetischen Wellen langwellig und energiearm. Dabei gilt: je länger die Wellen, desto energieärmer sind sie. Aus diesem Grund haben elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich, der in der Funktechnik genützt wird, viel weniger Energie als beispielweise das sichtbare Licht. Die thermischen Wirkungen von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen im nichtionisierenden Bereich sind sehr gut bekannt. Hierbei muß bedacht werden, daß die Wärmewirkung in direktem Zusammenhang mit der Frequenz und der Leistung der elektromagnetischen Wellen steht. In der Medizin wird diese Wärmewirkung für die Behandlung einer Reihe von Krankheiten gezielt eingesetzt. Erkrankte Körperpartien werden dabei über eine kurze Entfernung, also konzentriert, elektromagnetischen Wellen mit hoher Frequenz und relativ hoher Leistung ausgesetzt. Das Ergebnis ist eine spürbare Erwärmung des behandelten Körpergewebes. Bei Funksendern haben wir es mit gänzlich anderen Verhältnissen zu tun. Wie wir aus dem Teil 1 dieses Buches wissen, reichen hier

die Sendeleistungen von ca. 50 W bei Mobilfunksendern bis zu einigen hundert kW bei Rundfunk- und Fernsehsendern. Die Leistungsdichte der hochfrequenten elektromagnetischen Felder nimmt aber, wie wir an einer Berechnung und Beispielen noch feststellen werden, bereits mit geringer Entfernung soweit ab, daß thermische Effekte, die gesundheitliche Auswirkungen haben könnten, nicht auftreten. Um eine gesundheitliche Gefährdung von Personen zu vermeiden, die aus beruflichen Gründen starken, hochfrequenten, elektromagnetischen Feldern ausgesetzt sein könnten, aber auch zum Schutz der Bevölkerung, gelten in Deutschland für den Umgang mit elektromagnetischen Wellen strenge Richtlinien. Im Normenentwurf 0848 der DIN/VDE-Kommision sind im Teil 2 die Maßnahmen zum „Schutz von Personen im Frequenzbereich

von 30 Kilohertz bis 300 Gigahertz“ festgelegt. Darin sind unter anderem die Abstände zu Sendeantennen für den genannten Frequenzbereich definiert, die eingehalten werden sollen, um Personen

259

11

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV-U)

vor thermischen Wirkungen der elektromagnetischen Wellen zu schützen. Ähnliche Normen gelten in den anderen europäischen Staaten. Im Zuge der Harmonisierung europäischer Normen werden diese zur Zeit zu einer allgemein gültigen, einheitlichen Regelung zusammengefaßt. Neben den thermischen Wirkungen von elektromagnetischen Wellen gibt es auch sogenannte nicht-thermische Effekte. Diese sind jedoch nur für einen Teil der ionisierenden elektromagnetischen Wellen nachgewiesen. Ionisierende elektromagnetische Wellen liegen im Frequenzspektrum oberhalb des sichtbaren Lichts. Sie sind extrem kurzwellig und sehr energiereich. Von ihnen ist bekannt, daß sie bei entsprechender Intensität und entsprechend langer Exposition Veränderungen des Zellgewebes, aber auch genetische Veränderungen hervorrufen können (Röntgenstrahlen, Gammastrahlen). Seit etwa vierzig Jahren beschäftigt sich die Wissenschaft auf internationaler Ebene mit der Frage, ob elektromagnetische Wellen im Funkbereich gesundheitliche Schädigungen hervorrufen können. In diesem Zeitraum sind mehr als 10.000 wissenschaftliche Artikel und Berichte zu diesem Thema veröffentlicht worden. Das Ergebnis all dieser Forschungsarbeiten zeigt, daß nach dem heute vorliegenden Erkenntnisstand,

bei Beachtung

der geltenden

Schutzbestimmun-

gen, keine Anzeichen für eine Gesundheitsschädigung durch elektromagnetische Wellen im Funkbereich zu erkennen sind. Mit der Eröffnung der digitalen Netze D1 und D2 ist in Deutschland der zellulare Mobilfunk ins Licht der Öffentlichkeit gerückt worden. Eigenartigerweise entzündet sich die Diskussion um die EMV gerade an den Basisstationen dieser beiden Netze. Die Sendeanlagen von Rundfunk und Fernsehen, von Polizei und Notdiensten, die Anlagen für die zivile und militärische Flugsicherung und der Bündelfunk scheinen nicht zu existieren. Selbst das C-Netz ist nicht unmittelbar von der Diskussion betroffen. Schuld ist wohl der einmalige Umstand, daß von den Netzbetreibern innerhalb kurzer Zeit weit mehr als tausend Basisstationen errichtet wurden. Von der Presse wird dieser Netzaufbau wie ein sportlicher Wettkampf kom260

11

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV-U)

mentiert. Da die gleichen Medien aber auch über eine mögliche Gesundheitsgefährdung durch elektromagnetische Wellen berichten und diese Darstellungen nicht immer einen sachlichen Bezug haben, ist es nicht verwunderlich, daß dies in hohem Maße zur Ver-

unsicherung in der Bevölkerung beiträgt.

Die Experten und Sachverständigen sagen heute schon, daß Gefahr nicht von den elektromagnetischen Wellen, sondern von unsachlichen Darstellungen droht. Wer sich in dem vorliegenden Buch durch den Teil 1 und 2 vorgearbeitet hat weiß, daß die Konzeption der zellularen Mobilfunknetze so angelegt ist, daß mit kleiner Sendeleistung gearbeitet werden muß, um Gleichkanalstörungen zu vermeiden oder um sie möglichst gering zu halten. Nur damit und mit Maßnahmen wie der adaptiven Leistungsanpassung kann man eine gute Frequenzökonomie erreichen, die wiederum eine hohe Teilnehmerzahl im Netz erlaubt. Die maximale Sendeleistung der Basisstationen im C-Netz beträgt 35 Watt bei Frequenzen im Bereich von 450 MHz . In den D-Netzen werden Sender mit maximal 50 Watt eingesetzt. Die höhere Sendeleistung in den D-Netzen ist durch die stärkere Dämpfung bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im 900 MHz-Bereich begründet. Im E-Netz, das 1994 in Betrieb geht, werden die Sendeleistungen wegen der kleineren Zellradien nur ca. 10 Watt und weniger betragen. An den folgenden Beispielen soll gezeigt werden, daß die festgelegten Grenzwerte für die thermische Wirkung auch dann nicht erreicht werden, wenn man sich nahe an der Antenne einer Basis-

station befindet. Sendeleistung (ERP): Frequenz: Entfernung: Antennengewinn: Gesucht:

50 Watt 450 MHz 8m 5 dB Leistungsflußdichte L, „p

5 dB = Faktor 3.162 (siehe Anhang) L 50 - 3.162 LFD”

4.7.8

L, ro = 0.1965 W/m?

261

11

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV-U)

Der zulässige Grenzwert nach DIN für die Leistungsflußdichte beträgt bei einer Frequenz von 450 MHz 2W/m2 für einen zeitlich unbegrenzten Aufenthalt in diesem Bereich. In dem Rechenbeispiel wird nur der zehnte Teil dieses Wertes erreicht. Erst im Abstand von weniger als 2.5 m wird der zulässige Grenzwert überschritten. Beim Richtfunk werden trotz hohem Gewinn der Parabolantennen (> 30 dB), auch wenige Meter vor und neben der Antenne keine hohen Leistungsflußdichten erreicht, da die Sendeleistung (einige mW bis max. ca. 10 W) wegen der möglichen Beeinflußung anderer Richtfunkstrecken gering gehalten werden muß. Die niedrige Sendeleistung wird mit hohem Antennengewinn ausgeglichen. Wegen der Erdkrümmung sind zwischen der Sende- und Empfangsantenne nur begrenzte Übertragungsstrecken (Funkfeldlängen) möglich. Die Leistungsflußdichte vor den Sendeantennen erreicht selbst bei einer Sendeleistung von 10 W und einer Frequenz von 2.6 GHz weniger als die Hälfte des zulässigen Grenzwertes. Bei digitalen Richtfunkverbindungen in Bereich von 26 GHz, wie sie auch im Mobilfunk für die Anbindung von Basisstationen an einen BSC (Base Station Controller) verwendet werden, liegen die Leistungsflußdichten in unmittelbarer Nähe der Sendeantenne nur bei einem Vierzigstel des nach DIN zulässigen Grenzwertes. Die Beispiele sollen zeigen, welche Stellung der Mobilfunk hier in Bezug auf die DIN-Grenzwerte einnimmt. Mehr als die Sendeantennen sind die Mobiltelefone und hier vor allem die Handhelds in die Diskussion geraten. Ihnen wird nachsagt, daß sie gesundheitschädigende Wirkungen im Bereich des Kopfes hervorrufen können. Mit maximal 2 W ist die Sendeleistung dieser Geräte gering. Nach den strengen Empfehlungen der deutschen Strahlenschutzkommision ist dabei kein Sicherheitsabstand zur Sendeantenne erforderlich (siehe Tabelle A). Bei den tragbaren Mobiltelefonen (Portables), die maximale Sendeleistungen bis zu 8 W aufweisen, ist durch die Bauweise sichergestellt, daß der empfohlene Abstand zur Antenne eingehalten werden kann. Der Telefonhörer hat hier eine Kabelverbindung zum Sendeteil, sodaß der Abstand zum Kopf mehr als 40 cm beträgt. Bei Autotelefonen (Ein262

11

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV-U)

baugeräten), die mit den höchsten, im Mobilfunk zulässigen Leistungen (max.20W, es werden aber nur Endgeräte bis max. 15W hergestellt) arbeiten, befindet sich die Antenne entweder am Dach oder am Heck des Fahrzeugs. Die Abstände werden auch in diesem Fall eingehalten, da die Blechkonstruktion des Fahrzeugs die elektromagnetischen Wellen weitgehend abschirmt. Die Strahlenschutzkommission der Bundesrepublik Deutschland (SSK) hat zum Schutz vor elektromagnetischer Strahlung beim Mobilfunk am 12.12.1991 eine Empfehlung herausgegeben, in der festgelegt ist, wie groß die Mindestabstände zwischen Sendeantenne eines Mobilfunkgerätes und dem Kopf des Benutzers in Abhängig-

Frequenzbereich

(MHz)

450

900

900

1800

|Betriebs|art

analog

analog

digital

digital

|System

C450

NMT

GSM

DCS1800

|Sendespitzenleistung

|Mindestabstände |Expositionsbereiche |kontrolliert öffentlich

0.5

kein

kein

1

2

4

5

5

20

20

10

60

0.5

kein

kein

1

2

5

5

6

D

20

20

40

2

kein

kein

4

kein

2.5

8

2.5

5

20

4

8

|1

kein

kein

2

kein

2

8

Be

7

20

6

12

(W)

(em)

(em)

263

11

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV-U)

keit von der Sendeleistung sein sollen. Die in der Tabelle A angegebenen Werte gelten für den öffentlichen Expositionsbereich. Daneben gibt es den sogenannten kontrollierten Bereich mit reduzierten Entfernungswerten. Diese reduzierten Entfernungswerte gelten für Personen, die im allgemeinen aus beruflichen Gründen elektromagnetischen Wellen ausgesetzt sein können, dabei aber bestimmte Sicherheitsregeln beachten müssen. Grundlage für diese Empfehlungen sind die Ergebnisse von umfangreichen internationalen Forschungsarbeiten über die biologischen Wirkungen von elektromagnetischen Wellen. Alle bisherigen Erkenntnisse werden jedoch häufig in der Öffentlichkeit als nicht ausreichend angesehen, um einen endgültigen Beweis für die Unbedenklichkeit der Wirkung von elektromagnetischen Wellen im Funkbereich zu liefern. Es gibt eine Reihe von wissenschaftlichen Ansätzen und kritischen Fragen aus der Öffentlichkeit, die durch die Forschung noch zu beantworten sind. Gerade deshalb ist es wichtig, daß alle an der Diskussion zum Thema EMV-U beteiligten Gruppen bereit sind, sich sachlich mit dem Thema auseinandersetzen. Die Bundesrepublik ist weltweit bislang das einzige Land, in dem eine Forschungsgemeinschaft mit dem Ziel gegründet wurde, die öffentliche Diskussion mit Sachwissen zu unterstützen. Von der Forschungsgemeinschaft Funk e.V., in der Behörden, Unternehmen, Rundfunkanstalten und Verbände in Deutschland zusammen-

gefaßt sind, werden wissenschaftliche Untersuchungen über mögliche biologische Wirkungen von hochfrequenten elektromagnetischen Feldern im Bereich der Funktechnik veranlaßt, koordiniert

und gefördert und die Öffentlichkeit über die Ergebnisse informiert. Die Information der Öffentlichkeit zu diesem Thema muß in der Wissenschaft, bei den Herstellern und in der Politik einen hohen Stellenwert bekommen, da die Funkdienste in unserer

Gesellschaft heute einen wichtigen sozialen und wirtschaftlichen Faktor darstellen.

264

12

Marktzahlen — Tendenzen

Wer sich über aktuelle Marktentwicklungen im Mobilkommunikationsbereich informieren will, muß auf die jeweilige Fachpresse, die wöchentlich oder monatlich erscheint, zurückgreifen. Ein Buch kann höchstens aktuelle Daten bis zur Fertigstellung des Manuskripts beinhalten und wird damit den Ansprüchen der sich weltweit rasant entwickelnden Mobilkommunikation sicherlich nicht gerecht werden können. Es sollen deshalb nachfolgend einige Prognosen und Tendenzen aufgezeigt werden, um eine gewisse Vorstellung von der Größe des Mobilkommunikationsmarktes zu bekommen, der wirtschaftlich immer mehr an Bedeutung gewinnt. Hat in den achtziger Jahren der PC die Arbeitswelt an vielen Stellen völlig verwandelt, so sprechen die Experten heute davon, daß in diesem und im nächsten Jahrzehnt die Telekommunikation der Antriebsmotor für wirtschaftliche und gesellschaftliche Entwicklungen sein wird. Die Rolle, welche dabei die Mobilkommunikation einnehmen wird, ist eng mit der gesamtwirtschaflichen Situation in den Industrieländern verbunden. Bliebe die Mobilkommunikation im wesentlichen nur auf den Geschäftsbereich beschränkt, könnten Zukunftsprognosen mit guter Treffsicherheit gestellt werden. Mobilkommunikation kann aber erst dann erfolgreich sein, wenn sie den Massenmarkt, d.h. den

privaten Bereich erreicht. Auf den privaten Telefonanschluß im drahtgebundenen, öffentlichen Telefonnetz, kann und will heute niemand mehr verzichten. Will man diesen Hauptanschluß mit einem schnurlosen Telefon in begrenzten Umfang mobil machen, bedeutet dies eine einmalige Investition in das Endgerät. Die monatlichen Telefongebühren, die man vom Netzbetreiber monatlich berechnet

bekommt,

bleiben

davon

unberührt.

Entscheidet

265

12

Marktzahlen — Tendenzen

man sich hingegen für einen der in diesem Buch aufgezeigten Mobilkommunikationsdienste, ergibt sich eine vollkommen andere Situation. Jeder dieser Dienste bildet gewissermaßen einen Zusatz und eine Ergänzung zu den drahtgebundenen Hauptanschlüssen. Gerade

das

Wort

Zusatz

läßt

darauf

schließen,

daß

man

unter

bestimmten Umständen auch darauf verzichten kann. Diese Frage stellt sich immer dann, wenn der Preis für diese zusätzliche Dienst-

leistung über dem liegt, was der zukünftige Teilnehmer dafür zu investieren bereit ist. Für jemanden, dessen geschäftlicher Erfolg davon abhängt, ob er Mobilkommunikation einsetzt oder nicht, ist diese Frage schnell beantwortet. Der Preis bildet dort einen festen Posten in der Kalkulation. Im Privatsektor ist hingegen nur das Preis/Leistungsverhältnis für die Akzeptanz eines Mobilkommunikationsdienstes ausschlaggebend. Das Preisniveau wird dabei jeweils von den wirtschaftlichen Möglichkeiten dieses Bereichs bestimmt. Andererseits steigt die Akzeptanz für Mobilkommunikationsdienste in dem Maße an, in dem sie den drahtgebundenen Teilnehmeranschluß substituieren kann. Weltweit sind hier aber durch die bestehenden Telekommunikationsmonopole und durch gesetzliche Regelungen noch verhältnismäßig hohe Hürden aufgebaut. Da die Entwicklung der Deregulierung der drahtgebundenen Telekommunikationsnetze in erster Linie von politischen Entscheidungen, in den jeweiligen Ländern abhängig ist, lassen sich Aussagen über die Größe des zukünftigen Mobilkommunikationsmarktes in Europa und in der Welt nur mit Einschränkungen machen. In den folgenden Grafiken werden Daten und Fakten dargestellt, die heute von den Experten allgemein als zutreffen anerkannt sind. In Abb. 12.2 ist die Teilnehmerprognose für die verschiedenen Mobilkommunikations-Dienste und -systeme für Westeuropa im Jahr 2000 aufgezeigt. Es ist deutlich zu sehen, wie der analoge Mobilfunk an Bedeutung verliert. Man schätzt, daß der analoge Mobilfunk bis Ende 1994 noch bis auf ca. 6.5 Millionen Teilnehmer zunimmt, dann aber bis zum Jahr 2000 auf ca. 3 Millionen Teilneh-

mer zurückgeht.

266

12

Marktzahlen - Tendenzen

Konzerne Bündelfunk

Zellular C-Netz D1I/D2

Funkruf

Mittlere Firmen PCN Zellular ElNetz

Schnurlose Telefone

Privatpersonen

Niedrig gem Abb. 12.1:

Kosten/Leistungsmerkmale ====$ Hoch

Positionierung der Mobilkommunikations-Systeme

Teilnehmer im Jahr 2000 Millionen

35

30

30

22

6

0 GSM

Bündel-

funk

[ 3

Mobilfunk

analog

6

] DCS

1800

Schnurlose

Telefone

Funkruf

Abb. 12.2: Teilnehmer Prognose nach Systemen

In Abb. 12.3 sind die prognostizierten Teilnehmerzahlen für GSM und PCN/ DCS 1800 für Westeuropa dargestellt. Mit den verbleibenden 3 Millionen Teilnehmern aus den analogen Netzen, ergibt dies im Jahr 2000 ca. 45 Millionen Teilnehmer in zellularen Mobil-

funksystemen. Das bedeutet, daß im Jahr 2000 jeder achte Europäer Mobilfunkteilnehmer ist.

267

12

Marktzahlen —- Tendenzen

Zellularer Mobilfunkmarkt Westeuropa (kumuliert) Millionen

Teilnehmer

48 42 36

Analog 1985

86

88

90

92

94

96

98

2000

Abb. 12.3 Teilnehmerprognose für den zellularen Mobilfunk

Die Teilnehmerentwicklung in Osteuropa bis zum Jahr 1998 ist für GSM und den Analogstandard NMT 450 im Abb. 12.4 aufgezeigt. Aufgrund der wirtschaftlichen Umstände sind in den Ländern des ehemaligen Ostblocks nur ca. 650.000 Teilnehmer zu erwarten. NMT 450 ist heute in diesen Ländern der am weitesten verbreitete Mobilfunkstandard.

Einer der Gründe

dafür ist die Tatsache, daß

z.Z. nur der Frequenzbereich um 450 MHz für den Mobilfunk überall frei ist. Der Frequenzbereich um 900 MHz ist von der militärischen Flugsicherung belegt und wird nur langsam freigegeben, da noch viel Flugsicherungsgerät in diesem Frequenzbereich in Betrieb ist. Der GSM-Standard ist dabei, sich als digitaler Weltstandard durchzusetzen. Nur in Japan hat man einen eigenen digitalen Mobilfunkstandard favorisiert. Die Entwicklung in den USA und in Lateinamerika ist noch nicht abzusehen. Wie es aussieht, könnte es sein,

daß in den USA für PCS neben anderen Standards auch der europäische Mobilfunkstandard DCS 1800 im Frequenzbereich von 1900 MHz zum Einsatz kommt. 268

12

Marktzahlen — Tendenzen

Mobilfunkteilnehmer Osteuropa

Tausend 700 _

650 _ 600 _

550

BE

in

ss

[___] 2m7450

mi

Total

400 _ 350 — 300 _ 250

{|

200 _ 150 _ 100 _ 50_—

1993

1994

1995

1996

1997

1998

Abb. 12.4 Teilnehmerprognose für den zellularen Mobilfunk in Osteuropa Quelle: EMC

Report Nr. 22, 08/93

Mittlerer

Osten

Abb. 12.5 Verbreitung von GSM und PCN/ DCS 1800

269

12

Marktzahlen —- Tendenzen

Die mobilen Datendienste werden nach den Schätzungen der Experten bis zum Jahr 2000 ca. 4.2 Milionen Teilnehmer in Westund Osteuropa aufweisen (Abb. 12.6). Dabei ist nicht differenziert, in welchen Systemen Datenübertragung durchgeführt wird (GSM, DCS1800, Bündelfunk und Systeme wie Modacom).

Das bedeutet,

ca. 8-10% der Teilnehmer an der Mobilkommunikation werden ihr jeweiliges System zur Datenübertragung benützen. Millionen

to

5

a 1993

I 1994

Abb. 12.6:

270

[

] 1995

1996

1997

1998

1999

2000

Teilnehmerprognose für mobile Datendienste in Europa

Anhang

1 Dezibel - Berechnungsbeispiele Verstärkung liegt dann vor, wenn die Ausgangsleistung P, größer ist als die Eingangsleistung P,, P v= B v = Verstärkungsfaktor für ein Verhältnis >1 E Ist die Ausgangsleistung PA kleiner als die Eingangsleistung P,, so bezeichnet man dies in der Hochfrequenztechnik als Dämpfung P a= m a = Dämpfungsfaktor für ein Verhältnis 300 277

Anhang

MHZ ein. Bei niedrigeren Frequenzen überwiegen andere Effekte, welche die elektromagnetischen Wellen bei der Ausbreitung beeinflussen, wie z.B. die Absorption an der Erdoberfläche und an der Ionosphäre. An zwei Rechenbeispielen soll nun die Auswirkung der Freiraumdämpfung deutlich gemacht werden. Die Übertragungsstrecke sind dabei 780 km, die mittlere Strecke zwischen der Erdoberfläche und einem Satelliten in niedriger Umlaufbahn (Low Earth Orbit Satellite) und 36.000 km, die kürzeste Entfernung zu einem geostationären Satelliten. 1. Entfernung h = 780 km, Frequenz = 1.6 GHz (L-Band) \

Wellenlänge

=

300.000 - 10? 716-0

x\ = 0,1875 m Freiraumdämpfung a = —20 log

4 «n - 780 - 10° 0.1875

a= -154,3 dB 2. Entfernung h = 36.000 km, Frequenz = 1.6 GHz (L-Band) . 300.000 - 10? Wellenlänge A = 16.0 X = 0,1875 m .

_

Freiraumdämpfung a = —20 log

4» u - 36.000 -10°? Ol

-187.6dB a= Setzt man in beiden Rechnungen statt 1.6 GHz (L-Band) 14 GHz (Ku-Band) ein, so ergibt sich bei einer Entfernung von 780 km eine Dämpfung von —173.2 dB, bei 36.000 km Entfernung ein Dämpfungswert von —206.5 dB. Was bisher für Satellitenverbindungen gesagt wurde, gilt im weitesten Sinne auch für terrestrische Richtfunkverbindungen mit hohen Antennen und kleinem Öffnungswinkel. Dabei ist der Öffnungswin278

5 Gleichwelle — Gleichwellenfunk

kel der Antenne frequenzabhängig (je höher die Frequenz desto kleiner der Öffnungswinkel der Antenne)

5 Gleichwelle — Gleichwellenfunk Im Zusammenhang mit den Paging-Diensten in Kapitel 7 wurde der Begriff

„Gleichwellenbetrieb“

von

Funkrufsendern

erwähnt.

An

dieser Stelle soll der Begriff für den interessierten Leser näher erläutert werden. Die Gleichwelle läßt sich am besten über den Umweg des Mehrwegeempfangs erklären. Mehrwegeempfang entsteht dann, wenn die von der Antenne eines Senders abgestrahlten elektromagnetischen Wellen an Hindernissen (Berge, Gebäude, Wälder usw.) reflektiert werden und zusammen mit der direkten Welle den Empfänger erreichen. Elektromagnetische Wellen erfahren bei der Reflexion eine Phasendrehung. Treffen diese phasenverschobenen Wellen auf die direkte Welle, werden sie vektoriell addiert. Das Ergebnis daraus ist, daß entsprechend der Phasenlage der reflektierten Wellen die Amplitude der direkten Welle gedämpft oder verstärkt wird und die Feldstärke ab- oder zunimmt. Werden nur reflektierte Wellen empfangen, die sich überlagern, kann dies oft bereits im Bereich von wenigen Quadratmetern zu erheblichen Feldstärkeschwankungen führen. Trifft beim Empfänger hingegen auch noch die direkte Welle ein, sind diese Schwankungen nicht so ausgeprägt, weil reflektierte Wellen im allgemeinen eine geringere Amplitude als direkte Wellen besitzen und die Beinflussung damit in Grenzen bleibt. Der Mehrwegeempfang stellt im Mobilfunk den Regelfall dar. Da die direkten und die reflektierten Wellen vom gleichen Sender stammen, handelt es sich in jedem Fall um Wellen mit gleicher Frequenz und gleicher Modulation. Nun kann man sich vorstellen, daß mehrere Sender im gleichen Funkversorgungsgebiet so koordiniert werden können, daß sie elektromagnetische Wellen abstrahlen, die einen Empfänger wie beim Mehrwegeempfang erreichen. 279

Anhang

Damit man von „Gleichwellen“ sprechen kann, müssen diese Sen-

der mehrere Bedingungen erfüllen:

1. Die Sendefrequenzen müssen sehr genau eingehalten werden. 2. Die Modulation muß in allen beteiligten Sendern in Phase sein, d.h. die Modulation muß aus der gleichen Quelle stammen und zur gleichen Zeit ausgesendet werden. Darüberhinaus muß die Modulation in allen Sendern den gleichen Frequenzhub (Modulationsgrad) aufweisen. 3. Die Laufzeitunterschiede der elektromagnetischen Wellen zwischen den einzelnen Sendern und dem Empfänger müssen möglichst gering bleiben. Um diese Forderungen technisch erfüllen zu können, muß man hochkonstante HF-Oszillatoren einsetzen und das Modulationssignal von einer zentralen Modulationsquelle so auf die beteiligten Sender verteilen, daß keine Phasenverschiebung entsteht (Ausgleich der Gruppen- und Phasenlaufzeiten). Damit die Unterschiede der Signallaufzeiten von den Sendern zum Empfänger möglichst gering bleiben, dürfen die Abstände zwischen den Sendern nicht zu groß gewählt werden. Der Gleichwellenfunk bietet vor allem für den Funkruf große Vorteile. Im Gegensatz zu den Mobilfunknetzen, bei denen man mit der Zellstruktur einen möglichst hohen Grad der Frequenzwiederholung erreichen will, sind die Verhältnisse im Funkruf gerade umgekehrt. Hier besteht die Forderung, eine relativ große Fläche mit der gleichen Frequenz zu versorgen. Die Feldstärkeverteilung in dieser Fläche soll möglichst gleichmäßig sein, damit sichergestellt ist, daß die Funkrufempfänger in dieser Fläche auch überall erreicht werden können. Sind die Gleichwellensender nicht allzuweit voneinander entfernt (weniger als 30 km), entstehen relativ große Überlappungsgebiete, in denen die Feldstärke der beteiligten Sender nahezu gleich ist. Funklöcher, die durch Abschattung eines Sender entstehen, werden durch die anderen Sender „aufgefüllt“.

280

6 Zellulare Mobilfunksysteme (analog) im Vergleich

6 Zellulare Mobilfunksysteme (analog) im Vergleich SYSTEM Frequenzbereich Kanalzahl Kanalraster (kHz) Duplexabstand

(MHz)

Modulationsart Indirekte Entfernungsmessung Chipkarte

C-450 |NMT450|NMT900| TACS |Radiocom| AMPS | NTT (C-Netz) 2000 (USA) | (Japan) 450-461 | 453-468 | 890-960 | 890-960 | 406-430 | 825-890 | 870-940 287 180/220 | 1.999 1000 256 666 600 20/12.5 25 12.5 25 12:5 30 25 10 10 45 45 10 45 55 FSK ja

FFSK_| nein

FFSK nein

PSK nein

FFSK nein

PSK nein

PSK nein

ja

nein

nein

nein

nein

nein

nein

1985

1981

1986

1985

1985

1984

1979

(Teilnehmerkarte)

Jahr der ersten Netzinbetriebnahme

Frequenzbereiche verschiedener Mobilkommunikations-Standards TACS

EEE NUT ©00 BEE U AMPS NMT

450

BEE c450

m

EMMEN cr1 5

I

R

cT1

er2

HT 450 500 800 900 960

DECT

Des 1800

FERN 1700

1800

1900

281

Anhang

Leistungsklassen für GSM-Endgeräte Leistungsklasse

max. Leistung

1

Typ

20 W (43 dBm)* FahrzeugInstallation

2

8 W (39 dBm)

. u

3

5 W (37 dBm)

!

4

2 W (33 dBm)

ehr

9

0.8 W (29 dBm)

tragbare Geräte

|

* Geräte mit einer Leistung von 20 W sind nie hergestellt worden

re

Reichweiten von Funkstandards

Ein DECT CT1/CT2 200m

300m

DECT/CT2 cT1i

N

CS 1800

N

Zellradius

0.4 - 8km

Zellradius

GSM innerhalb von Gebäuden

282

im

Freien

2

-

-

35km

Verwendete Abkürzungen

AC ACC AD AM AMPS ASIC

Authentication Center Area Communication Controller

BMPT

Bundesministerium für Post und Telekommunikation (Deutschland) Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (Deutschland) bit per second Basisstation (Sende-/Empfangsstation) Basestation Controler Basestation Sub-System Base Tranceiver Station (Sende-/Empfangsstation) Bildschirmtext (Deutschland)

BOS bps BS BSC BSS BTS Btx

C C450 CCS No.7 CDMA CEPT

Antenna diversity Amplituden-Modulation

American Mobile Phone Standard 800 MHz

Application Specific Integrated Circuit

Analoges Mobilfunksystem 450 MHz von Siemens (C-Netz in Deutschland) Commun Channel Signalling No. 7 Code Division Multiple Access Conference europ£Enne de postes et telecommunications (Konferenz der europäischen Post — und Fernmelde-verwaltungen) 283

Verwendete Abkürzungen

CPU cIl CT2 CT3

CTO

D Datex-P

DCS 1800 DECT DTE DTX E EEPROM EIR EMV-U EPROM ERMES ERP ETSI

Central Processing Unit (Zentraleinheit eines Rechners) Cordless Telephone No.1 (Europa) Cordless Telephone No.2 (Europa) Cordless Telephone No.3 (Europa, entspricht DECT in einem etwas veränderten Frequenzbereich) Cordless Telephone No. 0 (pseudo Standard für schnurlose Telefone aus USA und Südostasien)

Öffentliches Datennetz für Paketvermittlung in

Deutschland Digital Cellular System 1800 MHz Digital European Cordless Telecommunication Data Terminal Equipment (Daten-Endgerät) Discontinuous Transmission

Electrically Erasable Programable Read Only Memory Equipment Identification Register (Endgeräte Datei) Elektromagnetische Verträglichkeit-Umwelt Erasable Programable Read Only Memory European Radio Message System Effective Radiated Power (wirksame ausgestrahlte Leistung) European Telecommunications Standard Institute

FCC FDM FDMA 284

Federal Communications Commission (USBehörde für Telekommunikation) Frequency Division Multiplex Frequency Division Multiple Access

Verwendete Abkürzungen

FFSK FH FM

GPS GSM GSMK

H HF HLR HS I IMSI

Fast Frequency Shift Keying (digitales Modulationsverfahren) Frequency hopping Frequenz-Modulation

Global Positioning System Global System for Mobile Communications Gaussian Minimum Shift Keying (digitales Modulationsverfahren)

High Frequency Home Location Register (Heimatdatei) Heimstation

ISDN IWF

International Mobile Sybscriber Identity (GSMSystem) International Maritime Satellite Organization Name für ein satellitengestütztes Kommunikationssystem für den Einsatz von Handtelefonen (Motorola) Integrated Services Digital Network Inter-Working Function

KW

Kurzwelle (Short Wave)

LAN LCD LF LW

Lokal Area Network Liquid Crystal Display Low Frequency Langwelle (Long Wave)

INMARSAT IRIDIUM

285

Verwendete Abkürzungen

M MF MODACOM MPT MS MSC MSIN MW N NMC NMT 450 NMT 900 NTT

Medium Frequency Zellulares System zur mobilen Datenübertra-

gung in Deutschland Ministry of Post and Telecommunications (Großbritannien) Mobile Station (mobiles Endgerät) Mobile Switching Center (Mobilfunkvermittlung) Mobile Subscriber Identity Number (GSMSystem) Mittelwelle (Medium Wave)

Network Management Center Nordic Mobile Telephone 450 MHz Nordic Mobile Telephone 900 MHz Nippon Telephone and Telegraph (Bezeichnung für das analoge Mobilfunksystem in Japan)

OgK

Organisationskanal im deutschen C-Netz Operation and Maintenance Center Operation and Maintenance System

PABX

Privat Access Branch Exchange (NebenstellenAnlage) Paging Area Controller Puls-Amplituden-Modulation Personal Computer Personal Communication Network Personal Communication System Public Data Network Personal Identity Number Phasen-Modulation Paging Network Controller

OMC OMS

PAC PAM PC PCN PCS PDN PIN PM PNC 286

Verwendete Abkürzungen

POCSAG PSK PSPDN PSTN R Radiocom 2000

RD-LAP RNC RT

SHF SIM SSK SsSs

Post Office Code Standardization Advisory Group (Großbritannien) Phase Shift Keying Packet Switched Public Data Network Public Switched Telephone Network

analoges Mobilfunksystem 400 MHz (Frankreich) Sende-/Empfangsprotokoll für MODACOM Radio Network Gateway Radio-Terminal (Sender/Empfänger in einer Basisstation)

Super High Frequency Subscriber Identity Number (GSM-System) Strahlenschutzkommission der Bundesrepublik Deutschland Switching Sub-System

TSC

Total Access System (analoges Mobilfunksystem 900 MHz) Traffic-Channel (Verkehrskanal im GSMSystem)) Time Division Duplex Time Division Multiplex Time Division Multiple Access Trans European Trunked Radio Temporary Mobile Subscriber Identity (GSMSystem) Trunked Site Controller

UHF UKW

Ultra High Frequency Ultrakurzwelle

TACS TCH TDD TDM TDMA TETRA TMSI

287

Verwendete Abkürzungen

V VAD VDE VHF VLR x X.25 Z ZVEI

288

Voice Activity Detection Verband Deutscher Elektrotechniker e.V. Very High Frequency Visitor Location Register (Besucherdatei)

Sende/Empfangsprotokoll für Datenpaketnetze

Zentralverband der Elektrotechnik und Elektronikindustrie (Deutschland)

Literaturverzeichnis/

QOuellenverzeichnis

Armbrüster Dr., Heinrich

Elektromagnetische Wellen Ausbreitung im Raum und in Wellenleitern Siemens Verlag 1973 Auerbach, Richard Amateurfunkantennen

Franzisverlag München 1977 Connor, F.R.

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Kammerlander, Karl

Strukturen im Mobilfunksystem C450 Telcom report Nr.9 Siemens AG München 1986

Flack, Mike Cellular Communications for Data Transmission NCC Blackwell, Manchester-Oxford 1990

289

Literaturverzeichnis/Ouellenverzeichnis

Garcia Dominguez, Armando Calculo de Antenas Marcombo Boixareu Editores Barcelona 1991

Georg Dr., Reinhard Strahlungsbelastung durch Funkeinrichtungen FIBA-Kongress EMV, München 1992 Gierlach, Werner

Antennen und Funkwellenausbreitung DARC-Verlag, Baunatal 1983 Greiner Dr., Günter Funktechnik, Kurzwellenkommunikation

Fachverlag Schiele&Schön, Berlin 1990 Jagoda, A. Villepin, M. de Mobile Communications B.G. Teubner, Stuttgart 1993 Jondral, Friedrich

Funkanalyse B.G. Teubner, Stuttgart 1991 Kautz, T. Mielke, B. Alles über Modacom

Franzisverlag München 1993 Kedaj, J.

Joussen, F.

Henschel, G.

Mobilfunk

Neue Medien Gesellschaft Ulm 1993 Kessler, Torsten

Funkrufdienste im praktischen Einsatz Franzisverlag München 1992 Mende, Herbert G.

Antennen für Rundfunk und Fernsehempfang Franzisverlag München 1977 290

Literaturverzeichnis/Ouellenverzeichnis

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Rolle, Gerhard Mobile Kommunikation

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Grundlagen der Funktechnik Hüthig Verlag, Heidelberg 1985 Roth, Karl-Heinz

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Franzisverlag München 1993

291

Literaturverzeichnis/Ouellenverzeichnis

Wiesner, L.

Fernschreib- und Datenübertragung über Kurzwelle Siemens AG München 1984 Young, Harry E.

Wireless Basics Telephony Div., Intertec Publishing Corp. Chicago 1992

292

Sachverzeichnis

A

B

A-Lizenz 212 A-Netz 99

B-Lizenz 212 B-Netz 99

Abhörsicherheit 82 Absorptionsschwund 69 Adresscodierung 182, 187, 195 Alphanumerik-Empfänger 181, 197 Alphanumerische Nachricht 180, 192 Amplitudenmodulation 47 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen 33 AMPS 281 Analog 52 Analoge Mobilfunknetze 99, 110, 281 Anrufumleitung 122, 160 Antenna diversity 139 Antenne 22 Antennendiagramm 30 Antennengewinn 28 Apogäum 240 Area Communication Controller 224 Ariane Startverfahren 240 ASIC 150 Atmosphärische Störungen 71 Authentication Center

129, 131

Bahnhöhe 238, 239 Bahnparameter 255 Beam 245,251 Betriebsfunk 201

Bitraten-Anpassung

140

Bodenwelle 33, 34 BS Basistation 93, 111, 130 BSC Basestation Controller

BSS Base Station System

130

BTS Base Tranceiver Station Bündelfunk 201

130 130

c C-Lizenz 212 C-Netz 110 C450 110 Call barring 143 CCSNo.7 122 CDMA 66 CEPT 79 Chekker 212 Chip-Karte 119, 133 Cityruf 180 Cluster 105 Coarse aquisition code 256 Coded Mark Inversion 58 Cordless Telephone 75 CTi 79

293

Sachverzeichnis

CT2 CTO

84 77

F

D D-Netz 124 Dämpfung 25

Datenldienste

145

— paket 221 — übertragung 218 DCS 1800 163 DECT 9 Dezibel 25 Digitaler Bündelfunk 214 Digitaler Funkruf 191 Digitalisierung 52 Dipol 22 Down-Link 81,243 DTX 137 Duplexabstand 80 Duplexverfahren 80

Fax-Dienst 121,145 FDM % FDMA 64 Feldstärke 31 FFSK 281 FH Frequency hopping 138 Fliehkraft 239 FM 50 Forschungsgemeinschaft Funk e.V. 264 Freiraumdämpfung 277

Frequenzlbereiche

— multiplex 50 spektrum 22 —- umsetzer 246 wiederholung 101

Funk kanalbreite

zelle

113, 134

Ein-Ton-Signalisierung 173 Einzelruf 188 EIR Equipment Identity Register 132 Elektromagnetische Wellen 17 EMV-U 257 Endgeräte 147 Entfernungsmessung 108 Entzerrer 69 ERMES 191 ERP 30 Essential Services 142 Euromessage 190 Eurosignal 175 Expositionsbereich 263

294

95, 101

G

167

Einbuchen

61

netzplanung 103 rufvermittlung 173 ruf 171

E E-Netz

281

Geostationär

42, 238

Gleichgewichtsbahn Gleichkanalstörung

239 68

Gleichwelle 279 Gleichwellenfunk 279 Gleichwellensender 279

GPS

254

Gravitation

239

Gruppenruf 188 GSM 124 GSM-Chipsatz 150 GSM-Frequenzband GSM-Netzstruktur

128 129

Sachverzeichnis

H

Luftschnittstelle

Halbwellendipol Handover

LW Langwelle

23

141

22,34

95, 117

Handy 150 Heimatdomäne 228 HF 2 HLR Home Location Rgister HS 75

IMSI 135 Inbandsignalisierung Inforuf 190 INMARSAT 247 Inmarsat-P21 254 Interferenzen

132

116

36, 68

Ionosphäre 37 IRIDIUM 250 ISDN 129, 143, 144 IWF Interworking Funktion 158

Masterregister 206 Mehrfachreflexion 38 Mehrwegeempfang 68 Meßdatenerfassung 235 MF 22 Mittelwelle 22,35 Mobile Endgeräte 147 Mobiles Büro 234 MODACOM 224 Modulation 46 Modulationsverfahren 46 MPT 202 MS Mobile Station

145,

75,111

MSC Mobile Switching Center 112, 129, 131 MSIN 135 Multiplexverfahren 62

K Kanallbreite

61

— codec 140, 141 — entzerrer 69 —- raster 80 Kommunikationssatelliten Kurznachrichten 143 KW Kurzwelle 22,37

238

Nachbarkanalstörung Netzkontroller 206 NMC 227 NMT450 281 NMT 900 281 NTT 281 Numerik-Empfänger

L

Oo

LAN Local Area Network 97 LCD 152 Leistungsflußdichte 31 LF 2 Lichtgeschwindigkeit 18 Low Earth Orbit (LEO) 42,250

Öffnungswinkel

68

181

243

OgK 112 OMC Operation and Maintenance Center 129 OMS Operation and Maintenance System 132

295

Sachverzeichnis

pP PAC

197

Paging-Systeme

171

PAM 55 Parabolantenne 43, 245 PCM Puls-Code-Modulation 57 PCN Personal Communication Network 160 PCS Personal Communication

System Perigäum

162 240

PIN 88,120 PM Phasenmodulation 51 PNC 196 POCSAG 18 Polarisation - horizontal 19 Polarisation - vertikal 20 Polarisation - zirkular 21 Polarisationsschwund 70 Precision Code 256

PSK Phase Shift Keying

PSTN

75

Q Quantisierung

56

R Radiocom 2000 123, 281 Raumwelle 33, 36, 37 Rauschen 45

RD-LAP 224 Repeater - passive RNC 226 Roaming 115 RT 130 Rufklassen 186

156

296

T TACS 123, 281 TCH 130 TDD 86 TDM 63 TDMA 64 Telepoint 84 Teleservices 142 TETRA _ 214 Textrahmen 195 TMSI 136 Tonfolge 174 Trägerfrequenz 47 Transponder 245 TSC 203

U

Ss Sammelruf 188 Satellitenbahnen

281

Satellitenkommunikation 237 Schnurloses Telefon 75 Schwingkreis - offen 16 Schwingkreis - geschlossen 16 Schwingung - gedämpft 14 Schwingung - ungedämpft 15 Seitenbänder 49 Semiduplexverfahren 208 Sendeleistung 30 Sendezonen 184 SHF Super High Frequency 22 Shortmessage 143 Shuttle-Startverfahren 241 Signal/Störabstand 46 SIM 133 SSS Switching Subsystem 131

238

UHF Ultr High Frequency UKW 22,40 Ultrakurzwelle 40 Up-link 243

22

Sachverzeichnis

z

V VAD

Zeitmultiplex

137

Verbindungstypen (Modacom)

233

VHF Very High Frequency Viertelwellen Dipol 23

VLR

131

22

63

Zellstrukturen 108 Zellulare Netzstruktur Zellularer Mobilfunk Zellwechsel 113

Zentrifugalkraft

100 99

239

w Wellenlänge 21 Winkelmodulation

51

297

Datenübertragung

transparent

La

Rd

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ISBN 3-7723-5932-9 ÖS 460,-/SFr 57,-/DM 59,—

Wenn Sie über die Neuanschaffung

11/93)

einer Betriebsfunkanlage nachdenken und sich über Netze, Betreiber, Geräte und Kosten informieren

@ Bündelfunkgeräte @ Chekkernetze der Telekom @ private oder

lokale Bündelfunknetze EITHER

@ kleines

Bündelfunk in Deutschland

(Preise:

sehen Sie im Detail, wie Bündelfunk arbeitet. Aus dem Inhalt: © Betriebsfunk in Deutschland

Stand

möchten, dann ist dieses Buch genau das Richtige. Anhand bereits installierter und geplanter Netze

Pernsteiner, Peter; 1993, 199 S. ISBN 3-7723-6573-6

ÖS 311,-/SFr 38,80/DM 39,80

Franzis-Fachbücher erhalten Sie in jeder Buch- und Fachhandlung. Franzis-Verlag GmbH . 80296 München : Telefon 089 / 51 17-285 - Telefax 089 / 51 17-377

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Franzis-Fachbücher erhalten Sie in jeder Buch- und Fachhandlung.

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Moderne

Telekommunikation Barth, Helmut; 1992, 183 S.

ISBN 3-7723-4611-1 ÖS 382,-/SFr 47,-/DM 49,-—

Jetzt wird die moderne Telekommunikationstechnik transparent: Mit diesem Buch verschaffen Sie sich ganz einfach den totalen Überblick! Sie lernen die verschiedenen Dienste der Telekom CH UT RITA 50 52 0 ETC TC ATOLL, ISDN. Sie erfahren alles über Mobilfunk und sehen, was die verschiedenen Karten bieten, Sie wissen, welche Hard- und Software Sie benötigen und auf welche Normen es ankommt.

Mit

diesem Wissen sind Sie bestens für den Kauf neuer Geräte und Systeme gerüstet!

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Fachbegriffe der Telekommunikation

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englisch/deutsch

Glass, Günter; 1992, 223.

ISBN 3-7723-4591-3 ÖS 311,-/SFr 38,80/DM 39,80 Das unentbehrliche Wörterbuch! Wenn Sie in der Telekommunikation kompetent mitreden möchten, technische Dokumente übersetzen (LS @ 2141) LEST LE LED St; [0 LEul ul LU) dieses Kompaktwörterbuch mit seinen über 6500 Stichwörtern stets weiter. Gerade die neuen - und heute so wichtigen - Begriffe des Mobilfunks finden Sie besonders ausführlich erläutert.

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Fachbegriffe der

Schwerpunkt Mobilfunk deutsch/englisch

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Lobensommer,

Die Technik der modernen

Mobilkommunikation

Mit dem vorliegenden Buch erhalten Sie einen Überblick über sämtliche Systeme der

modernen Mobilkommunikation, deren technischen Aufbau und die jeweiligen Anwendungsmöglichkeiten. Darüber hinaus erhält der Leser auch einen leicht verständlichen Einblick in technisch-physikalische Grundprinzipien der Funktechnik.

Fachbegriffe aus der Funk- und Telekommunikationstechnik werden mit Beispielen ausführlich erläutert und erleichtern so dem Leser, Vergleiche und Bewertungen der verschiedenen Systeme der Mobilkommunikation vorzunehmen. Wer privat oder beruflich in der Zukunft im Bereich Mobilkommunikation mitreden und

mitentscheiden muß, findet in diesem Buch das detaillierte Wissen, um die Vor- und Nachteile der Systeme zu beurteilen und deren Grenzen zu erkennen.

Aus dem

Inhalt:

@ Funktechnik — Prinzip und Anwendung @ Digitalisierung @ Multiplexverfahren

@ Funkstörungen und deren Ursachen @ Das schnurlose Telefon

@ Der DECT-Standard @ Zellularer Mobilfunk @ Das D-Netz

@ Der GSM-Standard (D-Netze) @ Endgeräte

@ PCN-Personal Communication Network @ Funkrufdienste @ Bündelfunk

@ Mobile Datenübertragung @ Satellitengestützte Mobilkommunikation @ Marktzahlen - Tendenzen

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ISBN

3-7723-5633-8

783772

356339