Der Ericsson Mobility Report weist weltweit allein im ersten Quartal dieses Jahres 120 Mio. neue Mobilfunkteilnehmer aus (28 Mio. in Indien, 26 Mio. in Afrika, 19 Mio. in China, usw., der geringste Zuwachs mit einer Million in Westeuropa). Für Ende 2019 werden weltweit 9,2 Mrd. Teilnehmer prognostiziert. Man geht also davon aus, dass bis dahin die Anzahl der Mobilfunkteilnehmer die Anzahl der Menschen auf unserer Erde übersteigen wird. Im Jahr 2013 betrug die Menge der konsumierten Daten pro aktiven Teilnehmer und pro Monat im Durchschnitt 650 MByte. Im Jahr 2019 soll diese Zahl auf 2,5 GByte steigen. Die Kombination beider Faktoren wird für einen exponentiellen Anstieg des Datenverkehrs weltweit sorgen. Der folgende Artikel beschreibt, wie bereits heute die Übertragung dieser immensen Datenmengen realisiert wird und wie die Betreiber eines Mobilfunknetzes sicherstellen, dass sie Endkunden auch morgen eine zufriedenstellende Qualität (Quality of Experience) bieten.
2G, 3G, 4G-Technologie und zukünftige Verbesserungen
Betrachtet man die verschiedenen Mobilfunktechnologien 2G (GSM, GPRS, EDGE), 3G (UMTS, HSPA, HSPA+) und 4G (LTE/LTE-Advanced), wird deutlich, dass sowohl die Einführung neuer Übertragungstechnologien auf der Luftschnittstelle zwischen Netz (Basisstation) und Endgerät, als auch eine optimierte Architektur des Mobilfunknetzes signifikante Verbesserungen gebracht haben. Die theoretisch maximal erreichbare Datenrate pro Endgerät hat sich von wenigen 100 kBit/s (EDGE) über 42 MBit/s (HSPA+) zu 300 MBit/s (LTE) entwickelt. Moderne, kommerziell verfügbare LTE-Endgeräte, erreichen in einer idealen Laborumgebung 150 MBit/s. Im Netzbetrieb reduzieren jedoch Ausbreitungsbedingungen und das Shared-Channel-Prinzip die erreichbare Downloadgeschwindigkeit, weil die verfügbare Bandbreite unter allen gleichzeitig aktiven Nutzern aufgeteilt wird.
Carrier Aggregation ist eines der wichtigsten Features
Durch die Einführung von LTE konnten Netzbetreiber die steigenden Anforderungen erfüllen. LTE verfügt über einen spezifischen enhanced Multimedia Broadcast Multicast Service (eMBMS). Dieser erlaubt es, mehreren Teilnehmern in einer Zelle die gleiche Ressource (Frequenz und Zeit) zuzuordnen. Es handelt sich um eine sehr effiziente Methode, um z. B. Mobile TV-Anwendungen zu adressieren, bei der viele Teilnehmer zur gleichen Zeit die gleichen Daten empfangen.
Ebenso lassen sich mehrere 20-MHz-Träger für ein einzelnes Endgerät kombinieren. Netzbetreiber verfügen im Allgemeinen über mehrere Frequenzbänder, z. B. bei 800, bei 1800 und bei 2600 MHz. Wird in all diesen Bändern LTE eingesetzt, können mit Hilfe des sogenannten Carrier Aggregation (CA) Features theoretisch bis zu fünf einzelne Träger kombiniert werden. Zurzeit befinden sich Endgeräte, die zwei Träger unterstützen, im kommerziellen Betrieb. Endgeräte, die drei Träger kombinieren können, sind bereits in der Entwicklung. CA ist zurzeit die bedeutendste LTE-Verbesserung, welche es erlaubt, Datenraten weiter zu steigern.
Ältere Lösungen bleiben wichtig
Bei allen Verbesserungen die LTE und LTE-Advanced mit sich bringen, darf man jedoch nicht vergessen, dass die Integration in bestehende Mobilfunktechnologien essentiell ist. Eine flächendeckende Versorgung mit 4G erfordert Zeit, so dass effiziente Handover in die verfügbaren 2G-und 3G-Technologien eine Notwendigkeit bleiben. Ausserdem gibt es viele Anwendungsfälle, bei denen eine kleine Datenrate ausreichend ist, jedoch der Fokus auf einer kosteneffizienten Lösung liegt und zudem sehr lange Batterielaufzeiten gefordert sind. In diesem sogenannten Machine-to-Machine-Umfeld werden daher vielfach Module mit vergleichsweise einfacher GPRS-Technologie genutzt. Zwar werden auch bei LTE einige Vereinfachungen eingeführt, die M2M-Anwendungen adressieren, trotzdem ist zu erwarten, dass bereits etablierte und vor allem kosteneffiziente Lösungen auch weiterhin eine signifikante Rolle spielen werden.
Der Beitrag der Messtechnik ist umfassend
Die Messtechnik spielt sowohl bei der Einführung neuer Technologien als auch im Betrieb bestehender Mobilfunknetze eine zentrale Rolle. Unzählige Testlösungen sind erforderlich, bei der Entwicklung von hochintegrierter Chiptechnologie für moderne Smartphones und bei der Herstellung von Endgeräten, Basisstationen und Vermittlungsknoten im Mobilfunknetz des Betreibers. Des Weiteren kommen Testlösungen bei der Inbetriebnahme des Netzes und zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit des Netzes im Betrieb zum Einsatz. Der Messtechnikspezialist Rohde & Schwarz und seine Töchter SwissQual und ipoque bieten ein umfassendes Portfolio für den gesamten Lebenszyklus eines Mobilfunknetzes.
Die Funktionen des Mobilfunknetzes überprüfen
Zunächst gilt es für Netzbetreiber, die richtigen Infrastrukturprodukte zum Betrieb des Netzes zu selektieren. Unter anderem kommen hier Signalgeneratoren und Spektrum-/Signalanalysatoren zum Einsatz. Im Endgerätebereich definiert das Global Certification Forum (GCF) diverse Tests, deren Erfüllung für eine Zertifizierung gefordert sind. Viele Betreiber spezifizieren zusätzliche Tests, die besondere Anforderungen ihres Netzes widerspiegeln. Ein Testgerät wie der R&S CMW500 Wideband Radio Communication Tester emuliert hierzu alle notwendigen Funktionen des Mobilfunknetzes und überprüft sowohl, ob sich das Endgerät richtig verhält (funktionaler Test der implementierten Protokolle), als auch ob dessen Hardware korrekt implementiert ist, beispielsweise, ob es Vorgaben zur maximalen Sendeleistung einhält.
Es sind Analysen bis zur Paketebene erforderlich
Bei der Inbetriebnahme einer Basisstation im Feld sind handliche Testgeräte gefragt, mit denen sich schnell überprüfen lässt, ob z.B. die regulatorischen Anforderungen erfüllt werden. Nach der Inbetriebnahme müssen Mobilfunkbetreiber ihr Netz optimieren, das heisst Parameter wie Handover-Schwellwerte müssen angepasst werden oder Lücken in der Abdeckung aufgespürt werden, um bestmögliche Datenraten zu realisieren. Das SwissQual QualiPoc implementiert eine Messapplikation in einem handelsüblichen Smartphone. So kann die Testlösung wie eine normale App genutzt werden. Damit können Netzbetreiber insbesondere die Leistungsfähigkeit aus Sicht des Endnutzers (end user experience) bewerten. Im Kernnetz des Mobilfunkbetreibers, wo alle Datenströme verarbeitet werden, ist es heute zunehmend wichtig, bis auf Paketebene den Datenverkehr analysieren zu können. Dies erlaubt es, den Datenverkehr zu klassifizieren und so Datenpakete eines Services (oder gleichartiger Services) optimal durch das Netz zu routen. Die Deep Paket Inspection (DPI)-Technologie erlaubt hierbei die Analyse bis auf Paketebene. Die gleiche Funktionalität ist auch im Endgerätetest von besonderem Interesse.
Die Mobilfunkbranche diskutiert bereits 5G
Im Betrieb eines Mobilfunknetzes kann es letztlich auch immer zu unvorhersehbaren Störungen kommen. Diese gilt es schnellstmöglich zu identifizieren und zu eliminieren. Monitoring-Tools im Mobilfunknetz ebenso wie mobile Interference-Hunting-Lösungen kommen hierbei zum Einsatz. So können beispielsweise defekte Leuchtreklamen Interferenzen in einem Empfangsband einer Basisstation auslösen und so den gesamten Datenverkehr einer Zelle beeinträchtigen.
Die hohe Leistungsfähigkeit der LTE/LTE-Advanced Technologie, dessen Integration mit bestehenden 2G/3G-Mobilfunknetzen und eine optimierte Nutzung von WLAN erlauben es Netzbetreibern, auch mittelfristig die fortlaufend steigenden Big Data-Anforderungen ihrer Endkunden zu erfüllen. Broadcast/Multicast-Lösungen erweitern die Flexibilität im System. Zudem spielen bereits heute M2M-Anwendungen eine grosse Rolle. Es wird erwartet, dass allein bedingt durch die steigende Anzahl der Dinge, die künftig miteinander kommunizieren werden (Internet of Things), weitere signifikante Verbesserungen erforderlich sind. Daher diskutiert die Mobilfunk- branche im Forschungsumfeld bereits 5G mit Blick auf das Jahr 2020 und danach. Auch Rohde & Schwarz und seine Töchter Swiss-Qual und ipoque sind aktiv in die 5G-Forschungsarbeit eingebunden.
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