Antenna DiversityDer englische Begriff Antenna diversity bezeichnet ein Verfahren, bei dem mehrere Antennen pro Sender oder Empfänger verwendet werden, um Interferenz-Effekte bei der Funkübertragung zu reduzieren. Dies ist besonders bei mobilen Funkanwendungen sinnvoll.
Empfangsdiversity
Bei der Ausbreitung von Funkwellen treten Reflexionen der Funkwelle an Gebäuden auf, ähnlich wie beim Schall Echos in den Bergen. Es kann dann passieren, dass sich die direkte Funkwelle mit einer reflektierten Funkwelle an einer bestimmten Stelle genau auslöscht (Interferenz). Diese haben ja genau dieselbe Frequenz.
Benutzt man nun mehrere Empfangsantennen, so ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass sich mindestens eine der Antennen an einer Stelle befindet, die nicht von der Signalauslöschung betroffen ist. Entsprechend ist im Empfänger eine Funktion erforderlich, die erkennt, welche der Antennen gerade das beste Signal empfängt und dann deren Signal verwendet. Dazu kommen noch allgemeine Störungen und Pegelschwankungen.
Funktionsprinzip
Interferenz
Jede Antenne besitzt einen eigenen Empfänger, der das Antennensignal misst. Das Messergebnis geht dann zu einem Auswerter der einen elektronischen Schalter steuert und die Antenne dem Radio zuschaltet, die den höchsten Pegel, die geringsten Störungen beziehungsweise Interferenzen hat.
Es können aber auch mit aufwendigeren Verfahren die Signale aus mehreren Antennen gewichtet addiert werden, um den optimalen Signal-Rausch-Abstand zu erhalten. Alte Verfahren benutzen dazu ein sogenanntes "Scanning-Diversity", neuere das "Digital-Diversity".
Sendediversity
Da bei manchen Funkgeräten (z.B. Mobiltelefonen) die Realisierung von Empfangsdiversity zu aufwändig ist, kann auch senderseitig (hier: Mobilfunk-Basisstation) mit mehreren Antennen gearbeitet werden. Da das gleichzeitige Aussenden eines Funksignals über mehrere Antennen zu (unerwünschten) Richtwirkungen führen würde, muss entweder schnell zwischen den Sendeantennen umgeschaltet werden oder es wird zeitversetzt gesendet, was aus Sicht des Empfängers einer Mehrwegeausbreitung entspricht. Dies ist jedoch nur sinnvoll, wenn der Empfänger in der Lage ist, die Signale von mehreren Ausbreitungswegen zu kombinieren.
Antennenanordnungen
Es wird zwischen Raumdiversity und Polarisationsdiversity unterschieden.
Beim Raumdiversity werden (identische) Antennen in gewissem Abstand zueinander aber mit gleicher Ausrichtung montiert. Ein Mindestabstand von zehn Wellenlängen (= Faustformel) sollte eingehalten werden, um den Diversitygewinn voll auszunutzen.
Beim Polarisationsdiversity werden zwei Antennen mit einem Winkelunterschied von 90° zueinander montiert. Da sich Interferenz zu einem bestimmten Zeitpunkt und Ort meist nur auf eine Polarisationsrichtung auswirkt, kann durch mit gekreuzten Antennen ein Diversitygewinn erzielt werden.
Anwendungsbeispiele
Moderne Autos haben beispielsweise oft die Antennen in den Front-, Heck- oder auch Seitenscheiben und zum Teil auch in den Stoßstangen eingebaut.
Grundsätzlich bei allen WLAN-Accesspoints werden inzwischen zwei Antennen verwendet.
GSM- und UMTS-Basisstationen verwenden meistens Empfangsdiversity. Einige Hersteller von Netztechnik bieten bereits zusätzlich Sendediversity an.
Smart antennas
Einen Schritt weiter als Diversity geht das Prinzip der Smart antennas. Hierbei wird ein Array von vier oder mehr Antennen eingesetzt. Die Signale der Einzelelemente werden über einstellbare Phasenschieber kombiniert. Hierdurch entsteht eine Richtwirkung, die elektrisch eingestellt werden kann. Dazu dient das Prinzip der Phased Array Antenne.
Kategorie:Funktechnik
Antenne (Technik)Eine Antenne (von lateinisch antenna oder antemna – „Segelstange, Rahe“) sendet oder empfängt elektromagnetische Wellen.
Geschichte
Erstmals bemerkte Luigi Galvani im 18. Jahrhundert, dass Froschschenkel bei Gewitter oder in der Nähe einer Elektrisiermaschine zuckten, wenn sie mit einem kurzen Stück Draht verbunden wurden. Systematische Untersuchungen gehen zurück auf den deutschen Physiker Heinrich Hertz, aufbauend auf den theoretischen Grundlagen des Engländers James Clerk Maxwell. Dem Italiener Guglielmo Marconi gelang 1896 erstmalig die drahtlose Telegraphie.
Prinzip
Die Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen ist mit der Beschleunigung von Ladungen verbunden, die ein wechselndes Dipolfeld erzeugen. Eine einfache Dipolantenne kann man sich als entarteten Schwingkreis aus Kondensator und Spule vorstellen: die Kondensatorplatten werden auseinander gezogen, um 180° zueinander verdreht und zu einem Leiter geformt; die Leiter übernehmen gleichzeitig die Funktion der Spule.
Die Anordnung nennt man Hertzschen Dipol, wenn sie viel kleiner ist als die Wellenlänge λ der anregenden Wechselspannung. Sie ist für theoretische Überlegungen wichtig, da sich jede Antenne in kleine strahlende hertzsche Dipole zerlegen läßt.
Wird der Kreis schnell genug angeregt, bilden sich geschlossene elektrische (E) Feldlinien, die das Sytem mit Lichtgeschwindigkeit verlassen. Die senkrecht zum E-Feld verlaufenden Magnetfelder bilden geschlossene Kreise um den Leiter. Im Nahfeld nimmt die Feldstärke proportional zur dritten Potenz der Entfernung r ab. Im Fernfeld verringert sie sich lediglich proportional 1/r und ist deshalb auch in großen Entfernungen nachweisbar (sonst wären Sterne unsichtbar). Die elektromagnetischen Felder sind polarisiert. Das Empfangssignal nimmt ab, wenn Empfangs- und Sendeantenne nicht parallel zueinander ausgerichtet sind.
Eine Antenne hat einen hohen Wirkungsgrad, wenn sie auf die Wellenlänge abgestimmt ist, die sie empfangen oder senden soll. Eine stehende Welle kann sich dann ausbreiten, wenn die Antenne eine vielfache Länge von λ/2 besitzt. Die Stromknoten liegen an den offenen Enden einer Antenne. Bei einer symmetrischen Antenne befindet sich ein Spannungsknoten in der Mitte, an dem die Antenne niederohmig gespeist werden kann.
Antennenparameter
Verschiedene Parameter charakterisieren eine Antenne.
Der Wellenwiderstand auch Strahlungswiderstand ist die Impedanz einer Antenne. Maßeinheit: Ohm
Ein λ/2-Dipol hat eine Impedanz von 73 Ohm, die Impedanz von professionellen Antennen ist immer 50 Ω.
Der Wirkungsgrad gibt an, welchen Anteil der aufgenommenen Leistung die Antenne als elektromagnetische Strahlung abgibt.
Zum Testen einer Sendeanlage dient eine sogenannte künstliche Antenne mit dem Wirkungsgrad η von 0. Maßeinheit: %
Der Antennengewinn gibt an, wieviel Leistung eine Antenne in ihrer Hauptrichtung, bezogen auf eine Vergleichsantenne, abgibt oder empfängt. Maßeinheit: dBd bzw. dBi
der Öffnungswinkel ist der Winkel der Vorzugskeule im Richtdiagramm einer Antenne, bei dem das Signal auf die Hälfte abfällt. Maßeinheit: °
Die Bandbreite gibt den Frequenzbereich maximaler Empfindlichkeit der Antenne an, meist bezogen auf einen Abfall von 3dB.
Bandbreite und Öffnungswinkel können zusammengefasst werden zu einem 3 dimensionalen Bereich im Wellenvektor-Raum, k-Raum, Fourier-Raum (oder wie er auch gerade genannt wird) in dem die Impedanz der Antenne dem Empfänger / Sender angepasst ist. Bei einem Flugzeug oder Auto müssen viele Bereich dieses k-Raums den verschiedenen Instrumenten (Abstandsradar, Bodenradar, Mobiltelefon, AM-Radio, FM-Radio, GPS, Funk-Bojen, Sprechfunk, Satelliten-Internet) zugeordnet werden. Man hat dann die Wahl zwischen:
- Ein Menschen kann mit einem Auge in verschiedene Richtungen gucken und verschiedene Farbe (Frequenzen) sehen
- Ein Insekt braucht für jede Richtung ein eigenes Auge, welches nur eine Farbe sieht.
Antennen-Bauformen
Grundsätzlich ist eine Empfangsantenne auch zum Senden geeignet und umgekehrt (Reziprozitätsgesetz). Die Bauform verhindert meist einen wechselseitigen Einsatz, beispielsweise durch die begrenzte elektrische Belastbarkeit oder die Verschaltung elektrischer Vorverstärker. Da sich die Größe der Antennenelemente an der der Wellenlänge orientiert, ist die Frequenz ein wichtiges Kriterium für den Aufbau einer Antenne.
Die Auswahl sortiert die Antennen nach ihrem Bauprinzip :
Dipolantennen
- Einfache Dipolantennen
- T-Antenne
- L-Antenne
- Marconi-Antenne
- Faltdipol
- Schlitzantenne
- Patchantenne
- Schmetterlingsantenne
- Fraktalantenne
- logarithmisch periodische Antenne (LPA) [http://www.itnu.de/radargrundlagen/antennen/at12-de.html]
- Mehrfach-Dipolantennen
- Yagi-Antenne (eigentlich Yagi-Uda-Antenne)
- Quadantenne
- Reusenantenne
- phasengespeiste Antennen-Arrays (Gruppenantenne)
- Langdrahtantenne, Länge größer λ/2
- Beverage-Antenne
- Bodendipol
- Schrägdrahtantenne
Spiegelantennen
- Parabolantenne
- Offsetparabolantenne
- Cassegrain-Antenne
- Gregory-Antenne
- große Hornantenne (eine Begrenzungswand ist ein Spiegelsegment)
magnetische Antennen (magnetischer Loop)
- Ferritantenne
- Isotronantenne
- Rahmenantenne
Sonstige Antennen:
HB9CV-Antenne, Backfireantenne, Vorhangantenne, Delta-Loop, Slooper
Weitere Bauformen:
- Wendelantenne
- Mastantenne
- Schirmantenne
- Alexanderson-Antenne
- Richtstrahlantenne
- Schwundmindernde Antenne
- Wullenweber-Kreisantennenanlage
- Sendeantenne
Anmerkungen
- Tscherenkow-Licht ist ein weiteres Beispiel für die Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen. Ausgelöst wird sie durch Ladungsverschiebungen, die hochenergetische Partikel in Festkörpern oder Flüssigkeiten erzeugen. Die Anregungsfrequenzen sind so hoch, dass die Strahlung auch als sichtbares Licht ausgestrahlt wird.
- Nach dem Atommodell der klassischen Physik umkreisen negativ geladene Elektronen den Atomkern. Danach würde die Bahnbeschleunigung ein wechselndes Dipolfeld erzeugen, wodurch Atome ständig Energie in Form elektromagnetischer Wellen verlieren würden. Erst die Quantenmechanik fand mit der Einführung diskreter Energieniveaus eine Erklärung für die Stabilität von Atomen.
- Jede beschleunigte elektrische Ladung erzeugt elektromagnetische Strahlung: z.B. Synchrotronstrahlung, Röntgenröhre, Freie-Elektronen-Laser (FEL)
Bilder
Bild:Wurfantenne.jpg|Wurfantenne (zusammengerollter Faltdipol für UKW-Empfang).
Bild:Zimmerantenne.jpg|Aktive Zimmerantenne für VHF- und UHF-Empfang
Bild:20050609 1040 2804-800px--ultra-low-cost dvb-t schmetterlingsantenne.jpg|Selbstbau DVB-T Schmetterlingsantenne
Literatur
- Karl Rothammel, Antennenbuch, Frankh Verlag Stuttgart, 9. Auflage 1988, ISBN 3-440-05853-0
- Albrecht Hock, Arastou Tscharmi, Antennenpraxis Expert-Verlag, Dezember 1995, ISBN 3816911501
- Günther Grünbeck, Der Antennenbaukasten, Juli 2003, ISBN 3881803947
- Lothar Starke und Herbert Zwaraber, Praktischer Aufbau und Prüfung von Antennen- und Verteilanlagen, Hüthig Verlag, Juli 2002, ISBN 3778528971
Siehe auch
- Sendeantenne
- Antenna Diversity
- Papstfinger
- Rundfunk
- Kurzwellenrundfunk
- Stehwellenverhältnis
- EIRP Effective isotropic radiated power
- Frequenzbänder
- DVB-T, Schmetterlingsantenne
- Laser Communication Terminal (Optische Datenübertragung)
Weblink
- [http://www.wolfgang-rolke.de/antennas/ Breitbandantennen]
- [http://www.itnu.de/radargrundlagen/antennen/at01-de.html (Radar-) Antennentechnik]
Kategorie:Funktechnik
ja:空中線
ms:Antena
SenderAls Sender bezeichnet man im allgemeinen Sinn und in der Informationstheorie ein Lebewesen oder ein Gerät, das als Informationsquelle (Absender) eines Signals Informationen über einen Übertragungskanal oder Übertragungsweg, das Medium, von einem Ort zu einem anderen Ort an einen Empfänger schickt, also sendet.
Im Besonderen ist ein Sender:
- eine technische Anlage, die Signale in elektromagnetische Wellen umwandelt und in dieser Form abstrahlt, s. Sendeanlage
- ein Radiosender, s. Hörfunk
- der Absender eines Gegenstandes
EmpfängerAls Empfänger bezeichnet man:
- im Allgemeinen und im informationstheoretischen Sinne etwas (ein Lebewesen oder ein Gerät), das Dinge, Signale oder Informationen aus einem Übertragungskanal annimmt, also empfängt, welche von einem Sender an einem anderen Ort / zu einer anderen Zeit versendet wurden
- im technischen Bereich ein Empfangsgerät wie das Radio oder den Fernseher oder auch eine spezifische Baugruppe, die ein Antennensignal entstört, verstärkt und demoduliert
- in der Medizin einen Patienten, der gespendetes Gewebe (Organe, Haut, Blut, Knochenmark) von Mensch oder Tier als Ersatz für eigenes zur Genesung erhält; bei Implantation von anorganischem Material oder Verabreichung von Impfstoffen oder Medikamenten spricht man hingegen nicht von "Empfängern"
Ein menschlicher Empfänger ist jemand, der etwas entgegennimmt, wie ein Postempfänger oder ein Lohnempfänger.
Kategorie:Nachrichtentechnik
ja:受信機
FunktechnikFunktechnik ist die Methode drahtloser Übertragung von Signalen aller Art mit Hilfe elektromagnetischer Wellen.
Der Name "Funk" stammt aus den Anfängen der Funktechnik. So gab es um 1890 Knallfunkensender und Löschfunkensender. Selbst auf der Titanic kam noch ein Löschfunkensender zum Einsatz. Diese Sender knallten und erzeugten Funken - als Nebenprodukt entstanden hierbei auch die Funkwellen.
Beim Hörfunk und Fernsehen sendet ein Teilnehmer, der Radio- oder Fernsehsender, und alle anderen Teilnehmer auf diesem Kanal empfangen nur, ohne selbst zu senden.
Beim Sprechfunk oder beim Morsen senden mehrere Personen abwechselnd auf demselben Kanal (meist eine Frequenz oder ein Frequenzpaar), so dass Kommunikation in beide Richtungen möglich ist.
Neben Morsesignalen und Sprache werden auch stehende und bewegte Bilder, zum Beispiel Wettersatellitenbilder oder Fernsehen, und elektronische Nutzdaten aller Art übertragen.
In der jüngeren Geschichte der Funktechnik werden häufig direkt von den Geräten Kommunikationsprotokolle wie GSM, UMTS (beides für Mobiltelefone), 802.11 (drahtloses Computernetzwerk) oder Bluetooth (drahtlose Kommunikation mit digitalen Peripheriegeräten) verwendet.
Obwohl die Technik heutzutage eine ganz andere geworden ist, erhielt sich der namensgebende Wortbestandteil Funk in Begriffen wie Rundfunk, Mobilfunk, Hörfunk usw. sowie im Firmennamen Telefunken bis heute.
Siehe auch
- Funkdienst, Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation, Funkwetter, Hertz, Heinrich Rudolf
Weblinks
- http://www.gfu.de/pages/history/his_ifa.html
- http://www.kalina-funktechnik.de
- [http://www.deutsches-museum.de/bildung/veroeff/img/funktech.pdf Die Entstehung der Funktechnik] vom Deutschen Museum München
- http://16805.rapidforum.com/ Funkerforum
Kategorie:Funktechnik
Interferenz (Physik)Interferenz beschreibt die Überlagerung von zwei oder mehr Wellen nach dem Superpositionsprinzip.
Bei der Überlagerung von zwei Wellen mit gleicher Wellenlänge, gleicher Frequenz und gleichem Takt bzw. gleicher Phase verstärkt sich die Amplitude - man spricht dann von konstruktiver Interferenz; sind die beiden Wellen um 180° phasenverschoben, sodass ein Wellenberg mit einem Wellental zusammenfällt, löschen sie sich gegenseitig aus, wenn ihre Amplitude gleich groß ist - die sogenannte destruktive Interferenz.
In der Akustik erzeugen eng benachbarte Frequenzen bei Interferenz einen Mittelton, der Schwebungen aufweist. Interferenz zweier gegenlaufender Wellen gleicher Frequenz führt zu einer stehenden Welle.
Berechnung der Überlagerung zweier Wellen
... gleicher Frequenz und Amplitude, unterschiedlicher Phase
Die Überlagerung zweier Wellen gleicher Frequenz und Amplitude lässt anhand der trigonometrischen Additionstheoreme berechnen. Werden die beiden Wellen und mit der gemeinsamen Frequenz , der Amplitude und den Phasen und durch
: und
beschrieben, so ergibt sich für die resultierende Überlagerung der Wellen
:
d.h. es entsteht eine Welle derselben Frequenz, deren Amplitude von der Differenz der Phasen der beiden ursprünglichen Wellen abhängt und deren Phase das Mittel der Phasen der ursprünglichen Wellen ist.
Für gleiche Phasen der Wellen () wird der Cosinus Eins. Es ergibt sich eine Amplitude von , d. h. die Amplitude verdoppelt sich gegenüber den Ausgangsamplituden, was konstruktiver Interferenz entspricht. Für eine Phasendifferenz von 180°,() wird der Cosinus Null, d.h. die resultierende Welle verschwindet. Dies entspricht destruktiver Interferenz.
... gleicher Frequenz, unterschiedlicher Amplitude und Phase
Für gleiche Frequenz der Wellen, aber unterschiedliche Amplituden und Phasen lässt sich die resultierende Welle mittels Zeigerarithmetik berechnen. Die beiden Wellen und besitzen die gemeinsamen Frequenz , die Amplituden und und die Phasen und :
: und
Die resultierende Überlagerung der Wellen hat die Form
:
mit der Amplitude
:
und der Phase
:
Weißlichtinterferenz
Die Überlagerung kontinuierlich variierender Wellenlänge und Amplitude (Spektrum) erzeugt ein Interferenzmuster nur innerhalb der Kohärenzlänge. In der Weißlichtinterferometrie wird dieses Verhalten ausgenutzt um eine eindeutige Längenmessung zu erhalten. Ein weiteres Anwendungsbeispiel findet sich in der Optische Kohärenztomografie, die dadurch dreidimensionale Strukturen erfassen kann.
Beispiele
Optische Kohärenztomografie
Die Abbildung rechts zeigt die Interferenz von zwei kreisförmigen Wellengruppen gleicher Wellenlänge. Die Kreuze markieren die Lage der Quellen, die Kreise die Maxima der jeweiligen Teilwelle. An weißen Stellen tritt konstruktive, an schwarzen dagegen destruktive Interferenz auf.
Bemerkungen
Auf Interferenz beruht die begrenzte Auflösung optischer Geräte auf Grund der Beugung (Diffraktion).
Ein bekanntes Experiment, das die Wirkung der Interferenz verdeutlicht und oftmals zur Einleitung in die Quantenmechanik verwendet wird, ist das Doppelspaltexperiment (Thomas Young 1802). Dabei wird vor einer möglichst kompakten Elektronen- oder Photonenquelle ein Schirm mit zwei Spalten aufgestellt. Dahinter befindet sich ein Detektor bzw. weiterer Schirm, auf dem die Elektronen oder Photonen nachgewiesen werden. Ist nun bei der Durchführung des Versuchs ein Spalt verdeckt, so zeigt sich das erwartete Phänomen: beim Anwenden von Photonen ein Lichtstreifen auf dem letzten Schirm. Öffnet man nun aber beide Spalten, so entstehen nicht etwa zwei Lichtstreifen, sondern viele nebeneinander. Dies ist ebenfalls auf Interferenz zurückzuführen, da sich die Wellen des Lichts wie oben beschrieben überlagern und somit eine abwechselnde Anordnung von Licht- und Schattenstreifen bilden.
In der Messtechnik werden Interferometer eingesetzt. Diese nutzen Interferenzerscheinungen zur Messung von Längen oder Phasenverschiebungen.
Weblinks
- [http://www.virtualuniversity.ch/mathematik/36.html Javaapplet zur Veranschaulichung]
Kategorie:Quantenphysik
Kategorie:Optik
Kategorie:Akustik
Kategorie:Wellenlehre
Signal-Rausch-AbstandDas Signal-Rausch-Verhältnis (auch (Signal-)Rauschabstand, abgekürzt SNR oder S/N vom Englischen signal to noise ratio) ist ein Maß für die Qualität eines aus einer Quelle stammenden Nutzsignals, das von einem Rauschsignal überlagert ist. Es ist als Verhältnis der verfügbaren Leistung des Nutzsignals der Signalquelle zur verfügbaren Rauschleistung der gleichen Signalquelle definiert.
Anwendungen
Das Signal-Rausch-Verhältnis dient zur Beurteilung der Qualität eines Kommunikationspfades. Um die Information sicher aus dem Signal extrahieren zu können, muss sich das Nutzsignal deutlich vom Untergrundrauschen abheben. Die Empfänger können dies erst ab einem bestimmten Signal-Rausch-Verhältnis sicher gewährleisten. Fällt das SNR, steigt die Fehlerrate.
Daher ist die Industrie bemüht, das SNR auf den Kommunikationspfaden zu maximieren bzw. das minimal benötigte SNR der Empfänger herunterzusetzen.
Relevant ist das SNR bei allen Anwendungen der Informationsübertragung wie etwa der
Mobiltelefonie, Rundfunk, Fernsehen, drahtloser Datenübertragung (Bluetooth, WLAN usw.), aber auch in akustischen Anwendungen und Spektrometern.
Damit lässt sich das SNR zum Beispiel mit dem Bildauflösungsvermögen optischer Geräte vergleichen.
Definition
Das Signal-Rausch-Verhältnis ist definiert als das Verhältnis der vorhandenen mittleren Signal-Leistung zur vorhanden mittleren Rauschleistung, wobei der Ursprung der Rauschleistung nicht berücksichtigt wird.
Als Verhältnis von Größen gleicher Maßeinheit ist das Signal-Rausch-Verhältnis dimensionslos. Es ist also:
Da aber die Signalleistung bei vielen technischen Anwendungen um mehrere Größenordnungen größer ist als die Rauschleistung, wird das Signal-Rausch-Verhältnis oft im logarithmischen Maßstab dargestellt. Man benutzt dazu die Pseudoeinheit Bel (Einheit) (B) beziehungsweise deziBel (dB).
Rauschleistung
Zur korrekten Ermittlung des SNR ist es wichtig, die Rauschleistung richtig zu ermitteln. Bevor das Signal-Rausch-Gemisch an einem Ausgang ankommt, durchläuft es mehrere Zweitore, die Nichtlinearitäten, Verstärkungen und Filter beinhalten können. Das relevante Rauschen wird dadurch immer bandbreitenbegrenzt sein.
Die relevante Rauschleistung ergibt sich dann durch Integration über die gesamte Bandbreite, wobei die Frequenzabhängigkeit der Amplitude - also die spektrale Leistungsdichte- berücksichtigt werden muss.
Einheiten des SNR sind unter anderem:
dBa, dBa(F1A), dBa(HA1), dBa0, dBm, dBm(psoph), dBm0, dBm0P, dBrn, dBrnC, dBrn(f 1 -f 2), dBrn(144-line), pW, pWp, and pWp0.
Abschätzung mit Hilfe der Autokorrelationsfunktion
siehe Korrelation, Autokorrelation
Berechnung mittels Spannung
Bei hinreichend kleinen Frequenzen und schmalbandiger elektromagnetischer Nutzsignal- und Rauschleistung können Signal-Rausch-Verhältnisse auch über effektive Spannungs- oder Stromamplituden ausgedrückt werden. Da die verfügbare Leistung in diesem Fall dem Quadrat des Effektivwerts der Spannung proportional ist, gilt dann
woraus folgt:
Verbesserung des SNR
Bei der Verbesserung des SNR ist es hilfreich, wenn man Kenntnisse über die Eigenschaften des Signal bzw. über die Eigenschaften des Rauschens hat.
Mit diesem Wissen kann man teilweise sehr gezielt Rauschen unterdrücken.
Durch größere Signalstärken
Bei der Übertragung ist die einfachste Möglichkeit, ein hohes SNR zu erhalten, das Senden großer Signalamplituden.
Sendet man hohe Signalamplituden und bleibt innerhalb der linearen Bauteiltolerzanzen, ist das Rauschen vergleichsweise gering.
Mit Kompressor/Expander-Systemen
Etwas ausgefeilter ist die Technik mit Kompressor/Expander-Systemen, dem sogenannten Kompander.
Bei der Aufzeichnung zeichnet man leise Abschnitte laut auf, spielt sie aber nur leise ab. Dadurch erreicht man, dass die leisen Signalabschnitte trotzdem mit geringer SNR abgespielt werden.
Durch Filtern
Hat man beispielsweise ein Nutzsignal, dessen Signalfrequenzen im Bereich liegen, so weiß man, dass Signalanteile mit Frequenzen oberhalb von und unterhalb von Störsignale sind. Filtert man diese Signalanteile heraus, erhöht sich das SNR.
Durch Autokorrelationsfunktion
Ist man nicht am gesamten Signal interessiert, sondern beispielsweise nur an dessen Frequenz, kann man sich der Autokorrelation (vgl. Korrelation) bedienen, um Signalrauschen zu unterdrücken.
Obwohl das Rauschen teils sehr beeindruckend gemindert wird, kann man mit dieser Methode die Cramer-Rao-Grenze nicht unterschreiten.
Die Cramer-Rao-Grenze gibt die Mindestgröße für die Frequenzunsicherheit in Abhängigkeit von der Abtastfrequenz, der Anzahl der vorhandenen Signalperioden und dem SNR an.
Keine Rauschunterdrückung
Keine Rauschunterdrückung erreicht man durch breitbandiges Verstärken des Signals, da sowohl das Signal als auch das Rauschen gleichermaßen verstärkt werden.
Zeitliche Konstanz des SNR
Gerade bei mobilen Anwendungen (wie der Mobiltelefonie) bleiben weder Signalleistung noch Rauschleistung zeitlich konstant.
Während die Signalleistung von der Entfernung Sender - Empfänger und dem Dielektrikum abhängt, können in der Umwelt zeitlich und räumlich verschiedene Rauschquellen das lokale Rauschniveau erhöhen.
So reagieren die Funkschließsysteme moderner Automobile empfindlich auf andere Geräte im ISM-Band (schnurlose Kopfhörer, WLAN und andere).
Abgrenzung
Werden von Rauschen überlagerte Signale digital verarbeitet, dann ist es für die konkrete Anwendung oft günstiger daraus eine äquivalente Bitfehlerrate abzuleiten.
Kategorie:Nachrichtentechnik
WLan
Wireless LAN // (Wireless Local Area Network, WLAN, Kabelloses Lokales Netzwerk) bezeichnet ein „drahtloses“ lokales Funknetz, wobei meistens ein Standard der IEEE 802.11-Familie gemeint ist. Das Kürzel Wi-Fi wird oft fälschlich mit WLAN gleichgesetzt.
Im Gegensatz zum Wireless Personal Area Network (WPAN) haben WLANs größere Sendeleistungen und Reichweiten und bieten im allgemeinen höhere Datenübertragungsraten. WLANs stellen Anpassungen der Schicht 1 und 2 des OSI-Referenzmodells dar, wohingegen in WPANs z.B. über eine im Protokoll vorgesehene Emulation der seriellen Schnittstelle und PPP bzw. SLIP eine Netzverbindung aufgebaut wird.
Betriebsarten
SLIP
Ein WLAN kann auf zwei Arten (Modi) betrieben werden - im Infrastruktur-Modus oder im Ad-hoc-Modus.
Im Infrastruktur-Modus wird eine Basisstation, häufig ein Wireless Access Point, speziell ausgezeichnet. Er koordiniert die einzelnen Netzknoten. Häufig ist diese Basis-Station dann auch Mittler in ein weiteres Netz, das sowohl Funknetz als auch ein klassisches Kabelnetz sein kann. Infrastrukturnetze erfordern, implementiert man sie sinnvoll, mehr Planung. OLSR ist ein spezielles Ad-hoc Protokoll.
Im Ad-hoc-Modus ist keine Station besonders ausgezeichnet, sondern alle sind gleichwertig. Ad-Hoc-Netze lassen sich schnell und ohne großen Aufwand aufbauen. Es ist nicht vorgesehen, dass Pakete weitergereicht werden. Es kann also vorkommen, dass ein physikalisch zentral stehender Computer das gesamte Netz erreichen kann, ein Computer am Randbereich jedoch nur einen Teil.
WLANs nach IEEE 802.11 und HIPERLAN unterstützen beide Betriebsmodi. Gerade in WPANs werden gerne Ad-Hoc-Verfahren eingesetzt.
Datensicherheit
Verschlüsselung
Teil des WLAN-Standards IEEE 802.11 ist Wired Equivalent Privacy (WEP), ein Sicherheitsstandard, der den RC4|RC4-Algorithmus enthält. Die enthaltene Verschlüsselung mit nur 40 Bit bzw. 104 Bit, bei einigen Herstellern auch 128 Bit oder 232 Bit, reicht jedoch selbst bei 232 Bit (256 Bit genannt) längst nicht aus. Durch das Sammeln von Schlüsselpaaren sind Known-Plaintext-Attacken möglich. Es gibt frei erhältliche Programme, die sogar ohne vollständigen Paketdurchlauf in der Lage sind, einen schnellen Rechner vorausgesetzt, das Passwort zu entschlüsseln, wobei das bei einem 232-Bit-Schlüssel etwas dauern kann, aber eben nicht unmöglich ist. Jeder Nutzer des Netzes kann den gesamten Verkehr zudem mitlesen. Die Kombination von RC4 und Zyklische Redundanzprüfung|CRC wird als mathematisch unsicher betrachtet.
Aus diesen Gründen haben sich technische Ergänzungen entwickelt, etwa WEPplus, Wi-Fi Protected Access (WPA) als Vorgriff und Teilmenge zu 802.11i, Fast Packet Keying, Extensible Authentication Protocol (EAP), Kerberos oder High Security Solution, die alle mehr oder weniger gut das Sicherheitsproblem von WLAN verkleinern.
Der Nachfolger des WEP ist der neue Sicherheitsstandard 802.11i. Er bietet eine erhöhte Sicherheit durch die Verwendung von TKIP bei WPA bzw. Advanced Encryption Standard (AES) bei WPA2 und gilt zur Zeit als nicht zu entschlüsseln, solange man bei der Einrichtung keine trivialen Passwörter verwendet, die über eine Wörterbuch-Attacke geknackt werden können. Als Empfehlung kann gelten, mit einem Passwortgenerator Passwörter zu erzeugen, die Buchstaben in Groß- und Kleinschreibung, Zahlen und Sonderzeichen enthalten und nicht kürzer als 32 Zeichen sind.
WPA2 ist das Äquivalent der WiFi zu 802.11i das mit dem Verschlüsselungsalgorithmus AES (Advanced Encryption Standard mit Schlüssellängen von 256 Bit) arbeitet und in neueren Geräten meist unterstützt wird. Ein genaues Betrachten der technischen Daten um herauszufinden, ob WPA2 auch tatsächlich unterstützt wird, empfiehlt sich allerdings vor dem Kauf. Einige Geräte lassen sich durch Austausch der Firmware mit WPA2-Unterstützung nachrüsten. Jedoch erfolgt hier meist die Verschlüsselung ohne Hardwarebeschleunigung sodass diese Zugewinne an Sicherheit durch starke Einbußen bei der Geschwindigkeit erkauft werden.
Eine alternative Herangehensweise besteht darin, die Verschlüsselung komplett auf IP-Ebene zu verlagern. Hierbei wird der Datenverkehr beispielsweise durch die Verwendung von IPsec oder auch durch einen VPN-Tunnel geschützt. Besonders in freien Funknetzen werden so die Inkompatibilitäten verschiedener Hardware umgangen, eine zentrale Benutzerverwaltung vermieden und der offene Charakter des Netzes gewahrt.
Beim so genannten WarWalking werden mit einem WLAN-fähigen Notebook oder PDA offene WLAN-Netze gesucht. Diese werden dann mit Kreide markiert (WarChalking). Das Ziel ist hierbei entweder, Sicherheitslücken aufzudecken und dem Betreiber zu melden, oder aber einen kostenlosen Internetzugang zu erhalten oder gar Daten auszuspähen oder zu manipulieren. Fährt man bei der Suche eines WLAN-Netzes mit einem Auto, so spricht man von WarDriving.
Authentifizierung
Extensible Authentication Protocol ist ein Protokoll zur Authentifizierung von Clients. Es kann zur Nutzerverwaltung auf RADIUS-Server zurückgreifen. EAP wird hauptsächlich innerhalb von WPA für größere WLAN-Installationen eingesetzt.
Gesundheit
Die von WLAN-Geräten benutzten Funkfrequenzen liegen um 2,4 GHz, im Mikrowellenbereich.
Es herrscht allgemein Unsicherheit darüber, ob die Strahlungsleistungen, die von Mobilfunk- oder WLAN-Geräten ausgehen, schädliche Auswirkungen auf Organismen haben. Bei den Leistungen innerhalb eines Mikrowellenherdes oder in der Nähe militärischer Radaranlagen sind schädliche Auswirkungen unbestritten.
Im Unterschied zu GSM senden WLAN-Geräte jedoch mit einer deutlich niedrigeren Sendeleistung (0,1 Watt statt 1-10 Watt) und mittels Frequenzspreizung mit einer höheren Bandbreite. Die Energie pro Frequenzband ist also deutlich niedriger und teilweise kaum vom Hintergrundrauschen zu unterscheiden.
Zu beachten ist allerdings, dass die 0,1 Watt (bei 802.11b/g) bzw. 1 Watt (bei 802.11a/h) nicht die Grenze des technisch Möglichen darstellen. Es handelt sich vielmehr um eine gesetzgeberische bzw. regulatorische Grenze. Viele WLAN-Komponenten sind technisch in der Lage höhere Sendeleistungen zu bieten. Hinzu kommt der Antennengewinn als zusätzliche Verstärkung. Besonders in Kombination mit leistungsstarken Antennen ist hier Vorsicht geboten. Die 0,1 bzw. 1 Watt Sendeleistung beziehen sich auf das Gespann Sender und Antenne.
Reichweite und Antennen
Die Antennen handelsüblicher 802.11 Endgeräte lassen 30 bis 100 Meter Reichweite auf freier Fläche erwarten. Mit neuester Technik lassen sich sogar 80 Meter in geschlossenen Räumen erreichen.
Bessere WLAN-Hardware sollte den Anschluss einer externen Antenne erlauben. Mit externen Rundstrahlantennen lassen sich bei Sichtkontakt 100 bis 300 Meter im Freien überbrücken.
Leichtbauwände mindern die Reichweite, sind aber einzeln kein Hindernis; dagegen werden Stahl und Beton nicht durchdrungen, können im Außenbereich aber experimentell als Reflektorwand dienen, um Funklöcher “auszuspiegeln”. Bäume, insbesondere dicht belaubte, sind ebenfalls Hindernisse für WLAN-Verbindungen.
WLAN nach 802.11b (maximal 11 Mbit/s brutto) oder 802.11g (maximal 54 Mbit/s brutto) funkt im 2,4-GHz-Band (Wellenlänge von 12,5 cm). Damit werden alle Gegenstände ab einer Dicke von 12,5 cm zu echten Wellenbrechern. Je stärker die elektrische Leitfähigkeit des Materials, desto stärker der Effekt. Außerdem können leitende Gegenstände in der Nähe von Antennen deren Richtcharakteristik stark beeinflussen.
WLAN nach 802.11a (maximal 54 Mbit/s brutto) funkt im 5-GHz-Band, in dem ein größerer Frequenzbereich (455 MHz) zur Verfügung steht und damit 19 nicht überlappende Frequenzen (in Deutschland) nutzbar sind. Auch dieser Frequenzbereich ist in Deutschland lizenzfrei nutzbar. Im Normalbetrieb nach 802.11a sind 30 mW Sendeleistung erlaubt. Unter strengeren Auflagen (TPC, Transmit Power Control und DFS, Dynamic Frequency Selection) sind höhere Sendeleistungen bis 1000 mW gestattet. TPC und DFS sollen sicherstellen, dass Satellitenverbindungen und Radargeräte nicht gestört werden (World Radio Conference 2003). Dies und die höheren Kosten der Hardware auf Grund der höheren Frequenz bewirken, dass sich 802.11a noch nicht gegen 802.11b oder g durchgesetzt hat.
Mit speziellen Richtfunkantennen lassen sich bei Sichtkontakt mehrere Kilometer überbrücken. (Hier werden teilweise irrsinnige Rekorde mit Verbindungen über mehrere hundert Kilometer ohne aktiven Verstärker – abgesehen von den Antennen – erzielt. Allerdings funktioniert das nur zwischen hohen Bergen; auf dem Meer endet nach etwa 30 km durch die Erdkrümmung der Sichtkontakt.)
Antennen bringen einen Sende- wie Empfangs-Gewinn (Antennengewinn, in dBi), indem sie elektromagnetische Wellen bündeln. Rechtlich darf die Sendeleistung aller Komponenten zusammengenommen in Deutschland 100mW (=20dBm) EIRP (bei 2,4 GHz) bzw. 1000 mW EIRP (bei 5,7 GHz mit TPC und DFS) nicht übersteigen. Es besteht keine Meldepflicht. Der Betreiber trägt die Verantwortung, dass seine Anlage die vorgeschriebenen Grenzwerte nicht überschreitet. Es dürfen in Deutschland uneingeschränkt auch selbstgebaute Antennen verwendet werden; hierfür ist keine Amateurfunklizenz notwendig, da die Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post (RegTP, früher Bundespost, BAPT) und heute Bundesnetzagentur für Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen, die entsprechenden Frequenzbereiche in einer Allgemeinzuteilung lizenzfrei gestellt hat.
Berechnet wird die Sendeleistung (in dBm) eines WLAN-Gerätes aus:
:+ Sendeleistung (dBm)
:+ Gewinn Verstärker (dB) (falls vorhanden)
:- Dämpfung Kabel (dB)
:- Dämpfung Stecker (dB)
:- Dämpfung Blitzschutz (dB)
:+ Gewinn Antenne (dBi)
:─────────────────────────────────────
:= Gesamtsendeleistung
Berechnet wird lediglich der Sendeweg. Für den Empfangsweg wurden von Seiten des Gesetzgebers keine Beschränkungen erlassen.
Einige WLAN-Geräte beherrschen auch Antenna Diversity-Modes, bei denen die durch Interferenzen verursachten Fehler verringert werden, indem zwei Antennen gleichzeitig zum Empfang bzw. abwechselnd zum Senden verwendet werden.
WDS Bridging und Repeating
Manche Access-Points (APs) bieten die Möglichkeit, in einen „Bridging-/Repeating-Modus“ zu wechseln. Hierbei können zwei oder mehrere APs zu einem Verbund zusammengeschaltet werden. Diese Verschaltung findet auf der Ebene der MAC-Adresse (Schicht 2 im OSI-Modell) statt. Im Betrieb als Bridge (Brücke), bei dem zwei APs zusammengeschlossen werden, ohne dass weitere Clients Zugang erhalten, dienen die APs sozusagen als Ersatz eines Kabels (Point-to-Point-Verbindung). Im Repeating-Modus (Point-to-Multi-Point) werden mehrere Access Points miteinander verbunden, und zusätzlich können sich Clients wie Laptops verbinden. Damit kann man die Reichweite eines einzelnen WLAN-Netzes erhöhen. Diese Funktionalität wird Wireless Distribution System (WDS) genannt. Es handelt sich jedoch nicht um eine Hersteller-übergreifende Norm, sodass es nicht gewährleistet ist, dass zwei Geräte unterschiedlicher Hersteller sich verständigen können.
Nachteile:
1. Für jeden zusätzlichen AP im Bridging-Mode halbiert sich die Übertragungsleistung, da die Daten über den gleichen Kanal geschickt werden und für jeden AP erneut geschickt werden müssen.
Bei Geräten, die mehrere Standards unterstützen (zum Beispiel IEEE 802.11b und g), kann die WDS-Bridge auf 802.11g laufen und die Clients auf IEEE 802.11b. Somit reduziert sich die Datenrate für die Clients an einem AP nicht und zwischen Clients von verschiedenen APs nur minimal.
2. Als Verschlüsselung ist nur WEP möglich, da keine dynamisch verteilten Schlüssel möglich sind.
Seit kurzem ist auch WPA2 möglich, dies allerdings nur bei bei wenigen Herstellern (AVM) und auch dort nur mit der exakt selben Hardware. [http://www.ip-phone-forum.de/forum/viewtopic.php?t=26931 Forum] Bisher also eher ein Beta-Test.
Gesellschaftliches
Clients-Karte für Notebooks]]
In bestehenden Netzen sind die Endverbraucher um große Provider versammelt, über die der Datenverkehr relativ zentral abgewickelt wird, was die großen Provider in eine mächtige Position bei der Kontrolle des Datenverkehrs erhebt. Der Benutzer tritt hier relativ konsumorientiert am Rande der Netzwerke auf.
Durch Wegfall der Kosten einer teuren kabelgebundenen Infrastruktur können Bürgerschaften mit dieser Technik öffentliche Netze errichten. Bildlich wird gerne das Entstehen einer Datenwolke im Äther als frei verfügbares Allgemeingut über einer Gemeinde, geschildert. Ihr volles Potential entwickelt diese Idee durch Protokolle für Mesh-Netze (MANET, Mobiles Ad-hoc-Netzwerk).
Es gibt seit wenigen Jahren weltweit lokale Initiativen in dieser Richtung. Eine deutsche Anlaufstelle ist zum Beispiel http://www.freifunk.net. Der österreichische Pedant dazu ist http://www.funkfeuer.at
Frequenzen
Überblick über die Frequenzbänder
Es gibt mittlerweile mehrere WLAN-Frequenzbänder, die teilweise auf völlig unterschiedlichen Frequenzen arbeiten:
Die Kanalbandbreite beträgt bei allen Standards zwischen 10 und 30 MHz.
Datenraten
Bei der Betrachtung der Datenraten ist allerdings zu berücksichtigen, dass sich alle Geräte im Netz die Bandbreite teilen. Weiterhin sind die angegebenen Datenraten Bruttowerte und selbst unter optimalen Bedingungen liegt die erreichbare Netto-Datenrate nur wenig über der Hälfte dieser Angaben.
Die 802.11 WLAN Hardware nutzt einen breiten Frequenzbereich um einen Kanal herum für die Datenübertragung. Deshalb gibt es nur drei überlappungsfreie Frequenzbänder im zugelassenen Spektrum (ISM). Manche Netzwerkadapter nutzen mehrere Bänder gleichzeitig um die Datenrate zu steigern. Störungsfreier Betrieb mit voller Datenrate ist nur möglich, wenn der Abstand zwischen den benutzen Kanälen mindestens vier Kanäle beträgt. Solch eine mögliche Kanalbelegung ist in der Tabelle als „keine Überschneidung“ angegeben.
Literatur
- Martin Sauter, Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme, September 2004, ISBN 3-528-05886-2, http://www.cm-networks.de
- Jörg Roth: Mobile Computing. dpunkt, Berlin 2002, ISBN 3898641651
- Armin Medosch: Freie Netze – Geschichte, Politik und Kultur offener WLAN-Netze. Heise, Hannover 2004, ISBN 3936931100 (Das Buch steht unter einer Creative Commons-Lizenz und kann als [ftp://ftp.heise.de/pub/tp/buch_11.pdf PDF-Datei] heruntergeladen werden)
- Ulf Buermeyer: [http://www.hrr-strafrecht.de/hrr/archiv/04-08/index.php3?seite=7 Der strafrechtliche Schutz drahtloser Computernetzwerke (WLANs)]. In: HRRS. Heft 8/2004. S. 285
- Mike Radmacher: Sicherheits- und Schwachstellenanalyse entlang des Wireless-LAN-Protokollstacks (als [http://www.m-lehrstuhl.de/mcommerce/veranstaltung/WS_2004_AG/Diplomarbeit%20-%20Sicherheits-%20und%20Schwachstellenanalyse%20entlang%20des%20Wireless-LAN-Protokollstacks.pdf PDF])
- Thomas Otto: Netzwerkauthentifizierung im WLAN, TU Braunschweig, April 2004 (als [http://www.ibr.cs.tu-bs.de/arbeiten/schmidt/otto_eap/otto_eap.pdf PDF])
- Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik ([http://www.bsi.de/ BSI]) : [http://www.bsi.de/literat/doc/wlan/index.htm Sicherheit im Funk-LAN (WLAN, IEEE 802.11)] [http://www.bsi.de/literat/doc/wlan/wlan.pdf PDF]
Siehe auch
- IEEE 802.11 für technische Details zu Frequenzbändern, Übertragungsraten etc.
- HIPERLAN und HomeRF – Alternative Standards
- Wireless Access Point, Hotspot, Bluetooth, Wireless Adapter, Freie Funknetze, SSID, WLAN-Sniffer, Wardriving, WiMAX, WMAN, Wireless mesh network
Weblinks
- [http://wiki.uni-konstanz.de/wlan Umfangreiche Infos zu WLAN, Standards, FAQ und Chipsätzen]
- [http://www.wlan-skynet.de/ Große WLAN-Richtfunk-FAQ für 5 GHz-WLAN (802.11a)]
- [http://www.hellfish-rm.de/down/WLAN-FAQ.pdf kleine WLAN FAQ] (PDF)
- [http://www.wlan-router.net allgemeine WLAN-Router Infos]
- [http://www.lancom-systems.de/produkte/feature/index.php Techpaper: gut zu lesende Hintergrundinformationen zu den Verschlüsselungs- und Authentifizierungsmechanismen] (Zu empfehlen: TP-WLAN-80211i-DE.pdf)
- [http://www.netgear.de/Support/Basiswissen/wireless_lan_grundlagen.html Basiswissen - Wireless LAN Grundlagen] auf den Seiten von Netgear
- [http://wlan.eicar.org/ EICAR Task Force on Wireless LAN Security] Zusammenschluss unterschiedlichster Interessenvertretungen (englisch)
Kategorie:WLAN
Kategorie:Funktechnik
ja:無線LAN
Global System for Mobile Communications
Das Global System for Mobile Communications (GSM) ist ein volldigitaler Mobilfunknetz-Standard, der hauptsächlich für Telefonie aber auch für leitungsvermittelte und paketvermittelte Datenübertragung sowie Kurzmitteilungen (Short Messages) genutzt wird. Es ist der erste Standard der sogenannten zweiten Generation als Nachfolger der analogen Systeme der ersten Generation und ist der weltweit am meisten verbreitete Mobilfunk-Standard.
GSM wurde mit dem Ziel geschaffen, ein mobiles Telefonsystem anzubieten, das Teilnehmern eine europaweite Mobilität erlaubte und mit ISDN oder herkömmlichen analogen Telefonnetzen kompatible Sprachdienste anbot.
In Deutschland ist GSM die technische Grundlage der D- und E-Netze. Hier wurde GSM 1992 eingeführt, was zur raschen Verbreitung von Mobiltelefonen (umgangssprachlich: Handy) in den 1990er-Jahren führte. Der Standard wird heute in 670 GSM-Mobilfunknetzen in rund 200 Ländern und Gebieten der Welt als Mobilfunkstandard genutzt; dies entspricht einem Anteil von etwa 78 Prozent aller Mobilfunkkunden. Es existieren später hinzugekommene Erweiterungen des Standards wie HSCSD, GPRS und EDGE zur schnelleren Datenübertragung. Zum Zutritt in die Netze stehen insgesamt ca. 1700 Handymodelle zur Verfügung.
Im Oktober 2005 nutzten weltweit 1,55 Milliarden Menschen GSM und täglich kommen 1 Mio. neue Kunden dazu - hauptsächlich aus den Wachstumsmärkten Afrika, Indien, Lateinamerika und Asien. Rechnet man alle Mobilfunkstandards zusammen, so sind weltweit ca. 2 Milliarden Menschen mobil. Das gaben die GSM Association und die GSA im Oktober 2005 bekannt. Nach Angaben der Deutschen Bank wurden im Jahr 2003 277 Milliarden US-Dollar mit GSM-Technik umgesetzt.
2003
Die Entstehung von GSM
Ende der 1950er Jahre nahmen die ersten analogen Mobilfunknetze in Europa ihren Betrieb auf (in Deutschland das A-Netz). Ihre Bedienung war jedoch kompliziert, und sie verfügten nur über Kapazitäten für wenige tausend Teilnehmer. Zudem gab es innerhalb Europas nebeneinander mehrere verschiedene Systeme, die zwar teilweise auf dem gleichen Standard beruhten, sich aber in gewissen Details unterschieden. Bei der nachfolgenden Generation der digitalen Netze sollte eine ähnliche Situation vermieden werden.
- 1982: Bei CEPT wird die Groupe Speciale Mobile (etwa Arbeitsgruppe für Mobilfunk) eingerichtet. Ihre Aufgabe war es, einen einheitlichen pan-europäischen Mobilfunkstandard zu entwickeln.
- 1987: 17 GSM-Netzbetreiber in spe aus 15 europäischen Ländern bilden eine Kooperation und unterzeichnen am 7. September in Kopenhagen das GSM MoU (Memorandum of Understanding).
- 1989: Die Groupe Speciale Mobile wird ein Technical Committee beim European Telecommunications Standards Institute (ETSI), das durch die EG-Kommission 1988 gegründet worden war.
- 1989: In Deutschland erhalten die Deutsche Bundespost und Mannesmann die Lizenz, je ein Netz auf GSM-Basis aufzubauen (die sogenannten D-Netze)
- 1990: Die Spezifikationen der Phase 1 des GSM 900-Standards werden eingefroren, d.h. sie werden nicht mehr verändert und können für die Herstellung von Mobiltelefonen und Netztechnik verwendet werden.
- 1990: Die Anpassung der Spezifikationen an den Frequenzbereich bei 1800 MHz (DCS 1800) beginnt.
- 1991: Die Groupe Speciale Mobile wird umgenannt in Standard Mobile Group (SMG). GSM bleibt erhalten als Bezeichnung für den Standard selbst und steht nun für Global System for Mobile Communications.
- 1991: Die Spezifikationen für DCS 1800 werden eingefroren.
- 1991: Die ersten lauffähigen Systeme werden vorgeführt (z.B. auf der Messe Telecom 91).
- 1992: Viele europäische GSM 900-Betreiber beginnen mit dem kommerziellen Netzstart.
- 2000: Die GSM-Standardisierungsaktivitäten werden nach 3GPP überführt. Die Arbeitsgruppe dort trägt die Bezeichnung TSG GERAN (Technical Specification Group GSM EDGE Radio Access Network).
Technik
Allgemein
Im Unterschied zum Festnetz gibt es bei einem Mobilfunknetz diverse zusätzliche Anforderungen:
- Die Teilnehmer sind mobil und können somit von einer Funkzelle in eine andere wechseln. Geschieht dies während eines Gesprächs oder einer Datenverbindung, dann muss die Gesprächsverbindung von einer Basisstation zur nächsten übergeben werden (Handover), damit das Mobiltelefon seine Funkverbindung immer zu der bestgeeigneten Basisstation bekommt. In Ausnahmefällen kann das Gespräch auch über eine benachbarte Basisstation geführt werden, um Überlastungen zu vermeiden.
- Da auf der Funkschnittstelle nur eine begrenzte Bandbreite zur Verfügung steht, müssen die Nutzdaten stärker komprimiert werden als im Festnetz. Um den Anteil der Bandbreite, der für Signalisierungsvorgänge verwendet werden muss, klein zu halten, wurden die Signalisierungsnachrichten bitgenau spezifiziert, um sie so kurz wie möglich zu halten.
- Mobiltelefone verfügen nur über eine begrenzte Akkukapazität, die sparsam genutzt werden sollte. Generell gilt, dass Senden mehr Energie kostet als Empfangen. Deshalb werden im Standby-Betrieb so wenige Daten wie möglich gesendet und die Zahl der Status-Meldungen ist gering.
Akku]
Standardisierung
Die Standardisierung von GSM wurde bei CEPT begonnen, von ETSI (Europäisches Institut für Telekommunikationsnormen) weitergeführt und später an 3GPP (3rd Generation Partnership Project) übergeben. Dort wird GSM unter dem Begriff GERAN (GSM EDGE Radio Access Network) weiter standardisiert. 3GPP ist somit für UMTS und GERAN verantwortlich.
Reichweite
Die mit GSM erzielbaren Reichweiten schwanken stark, je nach Geländeprofil und Bebauung. Im Freien sind bei Sichtkontakt teilweise 35 km und mehr erreichbar, in den Städten dagegen teilweise nur 200 Meter.
Grundsätzlich gilt jedoch, dass mit GSM 900 aufgrund der längeren Wellenlänge größere Reichweiten erzielbar sind als mit GSM 1800.
Entsprechend der Reichweite wird die Zellengröße festgelegt. Dabei wird auch die prognostizierte Nutzung berücksichtigt, um Überlastungen zu vermeiden.
Verwendete Frequenzen
GSM arbeitet mit unterschiedlichen Frequenzen für den Uplink (vom Mobiltelefon zum Netz) und den Downlink (vom Netz zum Mobiltelefon). Die folgenden Frequenzbänder werden verwendet:
Insbesondere auf dem amerikanischen Kontinent sind nicht alle Bänder in allen Ländern verfügbar (zum Beispiel in Brasilien nur 1800 MHz, in den USA und Kanada nur 850 MHz und 1900 MHz).
In Deutschland findet GSM-Mobilfunk in den Frequenzbereichen 890-915 MHz, 935-960 MHz, 1725-1780 MHz und 1820-1875 MHz statt.
In Österreich sind die Frequenzbereiche 890-914 MHz, 935-960 MHz, 1710-1722 MHz, 1725-1781 MHz, 1805-1817 MHz und 1820-1876 MHz für GSM reserviert.
In der Schweiz wird GSM auf den Frequenzen 880-885 MHz, 887-915 MHz, 925-930 MHz, 932-960 MHz, 1710-1785 MHz und 1805-1880 MHz verwendet.
Physikalische Übertragung auf der Luftschnittstelle
Schweiz
Die digitalen Daten werden mit einer Mischung aus Frequenz- und Zeitmultiplexing übertragen. Das GSM Frequenzband wird in mehrere Kanäle unterteilt, die einen Abstand von 200 kHz haben. Sende- und Empfangsrichtung sind getrennt. Bei GSM 900 sind im Bereich von 890 - 915 MHz 124 Kanäle für die Aufwärtsrichtung (Uplink) zur Basisstation und im Bereich von 935 - 960 MHz 124 Kanäle für die Abwärtsrichtung (Downlink) vorgesehen. Jede Trägerfrequenz transportiert zeitversetzt acht Nutzkanäle. Die TDMA-Rahmendauer beträgt 4,615 ms, jeder Rahmen ist geteilt in acht Zeitschlitze (englisch Timeslots) zu je 0,577 ms langen Bursts (=Sendeimpulsen).
Als Modulationsverfahren findet Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) Verwendung. Dies ist eine Phasenmodulation, bei der die Amplitude konstant bleibt. Mit EDGE wurde dann 8-PSK eingeführt. Während bei GMSK pro Symbol nur 1 bit übertragen werden kann, sind dies bei 8-PSK 3 bit, jedoch wird dafür ein höheres Signal-Rauschleistungsverhältnis bei der Funkverbindung benötigt.
Da bei einer Entfernung von mehreren Kilometern das Funksignal durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit (Lichtgeschwindigkeit) soweit verzögert werden kann, dass der Burst des Mobiltelefones nicht mehr innerhalb des vorgegebenen Zeitschlitzes bei der Basisstation ankommt, ermittelt diese die Signallaufzeit und fordert das Mobiltelefon auf, den Burst etwas früher auszusenden. Dazu teilt sie dem mobilen Gerät den Parameter Timing Advance (TA) mit, der den Sendevorlauf in 3,7 μs-Schritten vorgibt. Dies entspricht jeweils einem Bit. Der Timing Advance hat einen Wertebereich von 0 bis 63. Die Dauer eines Bits entspricht bei Lichtgeschwindigkeit einer Wegstrecke von ca. 1,1 km, und da für die Laufzeit Hin- und Rückrichtung zusammen betrachtet werden müssen, entspricht eine Änderung des Timing Advance um eins einer Entfernungsänderung von ca. 550 m. Somit ergibt sich eine maximale Reichweite von ca. 35 km, die jedoch mit technischen Tricks erweitert werden kann.
Nach dem Sende-Burst schaltet das Mobiltelefon auf die um 45 MHz versetzte Empfangsfrequenz, und empfängt dort den Burst des Rückkanals von der Basisstation. Da Uplink und Downlink um drei Zeitschlitze versetzt auftreten (von den acht), genügt eine Antenne für beide Richtungen. Zur Erhöhung der Störfestigkeit kann auch das Frequenzpaar periodisch gewechselt werden (frequency hopping), so entsteht eine Frequenzsprungrate von 217 Sprüngen pro Sekunde.
Bei einer Bruttodatenübertragungsrate von 271 kbit/s je Funkrahmen bleiben je Kanalschlitz noch 33,9 kbit/s brutto übrig. Von dieser Datenrate sind 9,2 kbit/s für die Synchronisation des Rahmenaufbaus reserviert, so dass 24,7 kbit/s netto für den Nutzkanal übrig bleiben. Durch die Übertragung per Funk liegen in diesem Bitstrom noch viele Bitfehler vor.
Die Datenrate pro Zeitschlitz von 24,7 kbit/s wird in 22,8 kbit/s für die kodierten und verschlüsselten Nutzdaten des Verkehrskanals (Traffic Channel) und 1,9 kbit/s für die teilnehmerspezifischen Steuerkanäle (Control Channel) aufgeteilt. Die Kanalkodierung beinhaltet eine Reihe von Fehlerschutzmechanismen, so dass für die eigentlichen Nutzdaten noch 13 kbit/s übrig bleiben (im Fall von Sprachdaten). Eine später eingeführte alternative Kanalkodierung erlaubt die Verringerung des Fehlerschutzes zugunsten der Anwendungsdaten, da bei Datenübertragungsprotokollen im Gegensatz zur Sprachübertragung bei Bitfehlern eine Neuanforderung des Datenblocks möglich ist.
Netzarchitektur
Control Channel
Hardware
GSM-Netze sind in vier Teilsysteme unterteilt:
- Mobiltelefon, Fachausdruck: Mobile Station (MS)
Die Mobile Station besteht aus einer Antenne, an die eine Sende- und Empfangseinheit angeschlossen ist, Stromversorgung, Lautsprecher und Mikrofon (oder externe Anschlüsse) und einer Möglichkeit, einen anderen Teilnehmer auszuwählen (typischerweise Tastatur oder Spracheingabe). Üblicherweise enthält die Mobile Station zusätzlich ein Display, um die Telefonnummer des Anrufers sowie Kurzmitteilungen anzuzeigen.
- Mobilfunksendesystem, Fachausdruck: BSS (Base Station Subsystem).
Es besteht typischerweise aus mehreren unterschiedlich ausgerichteten Antennen, auch BTS (Base Transceiver Station) genannt. Die Antennen sind mit einer Steuerungseinheit, verbunden, die in einem geschlossenen Raum in direkter Nähe zu den Antennen untergebracht ist. Mehrere Antennen werden von einer Steuerungseinheit (BSC, Base Station Controller) überwacht, die die Funkverbindungen überwacht und ggf. Zellwechsel (Handover) einleitet. Da bei Telefongesprächen innerhalb des Mobilfunknetzes ein komprimierender Audiocodec verwendet wird, wird eine Umwandlungseinheit (TCE, Transcoding Equipment) für die Konvertierung zwischen GSM- und ISDN-Audiocodec benötigt.
- Vermittlungsteilsystem, Fachausdruck: Network Subsystem (NSS).
Bestandteile des NSS sind das MSC (Mobile Switching Center), das die eigentliche Vermittlungsstelle und die Schnittstelle zwischen Funknetz und Telefonnetz darstellt. Ebenfalls zum NSS gehört das VLR (Visitor Location Register), das Informationen über alle mobilen Teilnehmer speichert, die sich innerhalb des Funknetzes aufhalten. Das HLR (Home Location Register) speichert dagegen Informationen über alle Teilnehmer, die Kunden des Funknetzeigentümers sind. Für die Authentifizierung ist das AUC (Authentication Center) zuständig, das EIR (Equipment Identity Register) speichert Informationen über die verwendeten Mobile Stations.
- Kontrolle und Überwachung des Mobilfunknetzes erfolgt durch das OMC (Operation and Maintenance Center).
Adressierung
In einem GSM-Netz werden folgende Nummern zur Adressierung der Teilnehmer verwendet: Die MSISDN (Mobile Subscriber ISDN Number) ist die eigentliche Telefonnummer, unter der ein Teilnehmer weltweit zu erreichen ist.
Die IMSI (International Mobile Subscriber Identity) ist dementsprechend die interne Teilnehmerkennung, die auf der SIM gespeichert wird und zur Identifizierung eines Teilnehmers innerhalb eines Funknetzes verwendet wird. Aus Datenschutzgründen wird die IMSI nur bei der initialen Authentisierungsprüfung der mobilen Station über das Funknetz gesendet, in weiteren Authentisierungsprüfungen wird stattdessen eine temporär gültige TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) verwendet. Für das Roaming, also das Telefonieren innerhalb eines fremden Mobilfunknetzes wird die MSRN (Mobile Station Roaming Number) verwendet.
Einige wichtige Funktionen innerhalb von Mobilfunknetzen
Handover
Hauptartikel: Handover
Eine der wichtigsten Grundfunktionen in zellularen Mobilfunknetzen ist der vom Netz angestoßene Zellwechsel während eines laufenden Gesprächs, wenn der Teilnehmer sich über Zellgrenzen hinweg bewegt.
Mobility Management
Mehrere Prozeduren im GSM-Netz behandeln die Bewegung (Mobility) der Teilnehmer im Netz. Damit ein mobiler Teilnehmer, der sich irgendwo im Netzgebiet befindet, auch angerufen werden kann oder ihm eine SMS zugestellt werden kann, muss ständig die Voraussetzung dafür bestehen, dass der Teilnehmer eine Suchanfrage (genannt Paging) empfangen kann. Hierzu muss sein aktueller Aufenthaltsort in gewisser Granularität ständig nachgeführt werden.
Zur Verringerung des Aufwands im Kernnetz und zur Verlängerung der Akku-Laufzeit wird zentral nur die Location Area erfasst, in der sich ein eingebuchtes Mobiltelefon befindet. Wo es sich innerhalb dieses Gebietes befindet, ist nicht bekannt. Um Energie und Übertragungskapazität zu sparen, meldet sich das Mobiltelefon im Standby-Betrieb nur in Abständen von mehreren Stunden oder beim Wechsel der Location Area beim Netz. Beim Herstellen der Verbindung wird über alle Basisstationen das Mobiltelefon gesucht und bei Meldung die Basisstation festgelegt.
Dem Mobiltelefon dagegen ist genau bekannt, in welcher Funkzelle es sich befindet. Im Standby-Betrieb scannt es die Nachbarzellen, deren Trägerfrequenzen es von der Basisstation auf speziellen Informationskanälen mitgeteilt bekommt. Wird das Signal einer der Nachbarzellen besser als das der aktuellen Zelle, dann wechselt das Mobiltelefon dort hin. Bemerkt es dabei eine Änderung der Location Area, dann muss es dem Netz seinen neuen Aufenthaltsort mitteilen.
Roaming
Hauptartikel: Roaming
Da viele Mobilfunkbetreiber aus verschiedenen Ländern Roamingabkommen getroffen haben, ist es möglich, das Mobiltelefon auch in anderen Ländern zu nutzen und weiterhin unter der eigenen Nummer erreichbar zu sein und Gespräche zu führen.
Sicherheitsfunktionen
Authentisierung
Roaming
Jedem Teilnehmer wird bei der Aufnahme in das Netz eines Mobilfunkbetreibers ein Subscriber Authentication Key zugeteilt. Der Schlüssel wird in der SIM-Karte und im HLR gespeichert.
Zur Authentisierung wird der MS vom Netz eine Zufallszahl (Challenge) geschickt. Aus der Zufallszahl und dem Subscriber Authentication Key wird mit dem Algorithmus A3 der Authentisierungsschlüssel (Signed Response) berechnet. Der Authentisierungsschlüssel wird vom Netz im AuC und von der MS getrennt berechnet und das Ergebnis vom VLR verglichen. Stimmen sie überein, ist die MS authentisiert.
Nutzdatenverschlüsselung
Zur Verschlüsselung wird aus der Zufallszahl von der Authentisierung beidseitig mit dem Algorithmus A8 ein Kodeschlüssel (engl.: Cipher Key) bestimmt. Der Kodeschlüssel wird vom Algorithmus A5 zur symmetrischen Verschlüsselung der übertragenen Daten verwendet.
Anonymisierung
Um eine gewisse Anonymität zu gewährleisten, wird die eindeutige Teilnehmerkennung IMSI, über die ein Teilnehmer weltweit eindeutig zu identifizieren ist, auf der Luftschnittstelle verborgen. Stattdessen wird vom VLR eine temporäre TMSI generiert, die bei jedem Location Update neu vergeben wird und nur verschlüsselt übertragen wird..
Benutzerauthentisierung
Der Benutzer muß sich gegenüber der SIM-Karte als berechtigter Nutzer authentisieren. Dies geschieht mittels einer PIN. Es ist auf der SIM-Karte festgelegt, ob die PIN-Abfrage deaktiviert werden kann. Wurde die PIN dreimal in Folge falsch eingegeben, wird die SIM-Karte automatisch gesperrt. Um sie wieder zu entsperren ist der PUK (Personal Unblocking Key) erforderlich. Der PUK kann zehnmal in Folge falsch eingegeben werden bevor die SIM-Karte endgültig gesperrt wird.
Dienste für den Benutzer
Festnetzseitig basiert der GSM-Standard auf dem ISDN-Standard und stellt deshalb ähnliche vermittlungstechnische Leistungsmerkmale bereit. Mit der Möglichkeit Kurznachrichten (SMS, kurz für Short Message Service) zu senden und zu empfangen, wurde ein neuer Dienst geschaffen, der begeistert angenommen worden ist und mittlerweile eine wichtige Einnahmequelle für die Netzbetreiber geworden ist.
Sprachübertragung
Für die Sprachübertragung bei GSM wurden im Laufe der Jahre mehrere Codecs standardisiert.
Full Rate Codec (FR)
Der erste GSM Sprachcodec war der Full Rate (FR) Codec. Für ihn steht nur eine Datenrate von 13 kbit/s zur Verfügung (im Unterschied zu 64 kbit/s bei ISDN). Die Audiosignale müssen deshalb stark komprimiert werden, um trotzdem eine akzeptable Sprachqualität zu erreichen. Beim FR-Codec wird eine Mischung aus Langzeit- und Kurzzeit-Prädiktion verwendet, die eine effektive Komprimierung ermöglicht.
Technisch werden jeweils 20 ms Sprache gesampelt und gepuffert, anschließend dem Sprachcodec unterworfen (13 kbit/s). Zur Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC) werden die 260 Bits eines solchen Blocks in drei Klassen eingeteilt, dementsprechend, wie stark sich ein Bitfehler auf das Sprachsignal auswirken würde. 50 Bits des Blocks werden in Klasse Ia eingeteilt. Sie sind am stärksten zu schützen und erhalten eine CRC-Prüfsumme von 3 Bits, für Fehlererkennung (und Error Concealment). Zusammen mit 132 Bits der Klasse Ib, die etwas weniger zu schützen sind, werden sie einem Faltungs-Code unterworfen, der aus den 185 Eingangsbits 378 Ausgangsbits generiert. Die restlichen 78 Bits werden ungeschützt übertragen. So werden aus 260 Bits Nutzdaten 456 Bits fehlergeschützte Daten, wodurch die erforderliche Bitrate auf 22,8 kbit/s steigt.
Die 456 Bits werden auf acht Halbbursts zu je 57 Bits aufgeteilt, so dass sich kurzzeitige Störungen möglichst wenig auswirken. Obwohl ein Funkkanal äußerst fehleranfällig ist, kann so eine sehr gute Sprachqualität erreicht werden, die die analoge Funktelefonie übertrifft.
Half Rate Codec (HR)
Mit der Einführung des Half Rate Codecs wurde es möglich, auf einem Zeitschlitz der Luftschnittstelle nicht nur ein, sondern zwei Gespräche gleichzeitig abzuwickeln. Wie der Name sagt, steht für HR nur die halbe Bandbreite zur Verfügung wie für den FR-codec. Um trotzdem eine brauchbare Sprachqualität zu erreichen, ist für die Kodierung ungefähr die drei- bis vierfache Rechenleistung erforderlich wie beim FR-codec. Weil die Sprachqualität trotzdem eher mäßig ist, wird HR von den Mobilfunknetzbetreibern nur dann eingesetzt, wenn eine Funkzelle überlastet ist.
Enhanced Full Rate Codec (EFR)
EFR arbeitet mit derselben Datenrate wie der Full Rate Codec, nämlich 13 kbit/s. Durch einen leistungsfähigeren Algorithmus wurde eine bessere Sprachqualität erreicht.
Adaptive Multirate Codec (AMR)
Hierbei handelt es sich nicht um einen einzelnen, sondern um acht Codecs. Diese haben unterschiedliche Datenraten von 4,75 bis 12,2 kbit/s. Je geringer die Datenrate der Sprachdaten ist, um so mehr Bits stehen für die Kanalkodierung und damit zur Fehlerkorrektur zur Verfügung. Somit wird der 4,75 kbit/s Codec als der robusteste bezeichnet, weil trotz hoher Bitfehlerhäufigkeit bei der Funkübertragung noch ein verständliches Gespräch möglich ist. Während eines Gespräches misst das Mobilfunknetz die Bitfehlerhäufigkeit und wählt den dafür geeignetsten Codec aus.
Datenübertragung
Wird ein GSM-Kanal für Datenübertragung genutzt, erhält man nach den Dekodierschritten eine nutzbare Datenrate von 9,6 kbit/s. Diese Übertragungsart wird Circuit Switched Data (CSD) genannt. Eine fortschrittliche Kanalkodierung ermöglicht auch 14,4 kbit/s, bewirkt bei schlechten Funkverhältnissen aber viele Blockfehler, so dass die "Downloadrate" tatsächlich niedriger ausfallen kann als mit erhöhter Sicherung auf dem Funkweg. Deshalb wird in Abhängigkeit von der Bitfehlerhäufigkeit zwischen 9,6 und 14,4 kbit/s netzgesteuert umgeschaltet (=Automatic Link Adaptation, ALA).
Beides ist jedoch für viele Internet- und Multimediaanwendungen zu wenig, so dass Erweiterungen unter dem Namen HSCSD und GPRS geschaffen wurden, die eine höhere Datenrate ermöglichen, indem mehr Bursts pro Zeiteinheit für die Übertragung genutzt werden können. HSCSD nutzt eine feste Zuordnung mehrerer Kanalschlitze, GPRS nutzt Funkschlitze dynamisch für die aufgeschalteten logischen Verbindungen (besser für den Internetzugang). Eine Weiterentwicklung von GPRS ist E-GPRS. Dies ist die Nutzung von EDGE für Paketdatenübertragung.
Lokalisierung
Die Position eines Mobiltelefons ist für den Mobilfunkbetreiber durch die permanente Anmeldung am Netz in gewissen Genauigkeitsgrenzen bekannt. Im Standby-Betrieb ist sie zumindest durch die Zuordnung zur aktuell verwendeten Location Area gegeben. Diese Information wird bei Bewegung der Mobilstation regelmäßig aktualisiert (siehe oben). Im Gesprächsbetrieb kann die Position eines Mobiltelefons genauer bestimmt werden. Hierbei gibt es mehrere Verfeinerungen. Jede Basisstation befindet sich an einem bekannten Standort und besitzt in der Regel mehrere Richtantennen (oft drei) mit bekannten Senderichtungen. Der Abstand zur derzeitig verwendeten Basisstation kann über den Wert des Timing-Advance-Parameters (TA) mit einer Schrittweite von ca. 550 Metern geschätzt werden. Durch Triangulation über Antennen benachbarter Basisstationen kann weiter verfeinert werden.
Die meisten Dienste werden allein auf Basis des Standortes einer Basisstation angeboten. Nach und nach werden die derzeitige Netze aber auch hin zu höherer Genauigkeit der Lokalisierung umgestellt.
So wird von einigen Netzbetreibern der Schwerpunkt der Fläche geliefert, die die betroffene Richtantenne abdeckt.
Die Genauigkeit ist abhängig von der Zellengröße und variiert eheblich. Insbesondere ist jeder Punkt von mehreren Zellen überdeckt und eine Einbuchung erfolgt je nach Auslastung unterschiedlich ggf. auch in einer großräumigen Schirmzelle.
GSM-Ortung stellt je nach Anwendungsfall eine Alternative zum GPS dar, da insbesondere die Installation erheblich einfacher ist (keine spezielle Antenne). Geofencing ist sogar mit speziellen GSM-Geräten im Pushverfahren möglich, d.h. das System meldet sich autonom, wenn es nicht mehr in den definierten Räumen ist.
Die Fähigkeit zur Lokalisierung wird für verschiedene Dienste genutzt. Einige Betreiber bieten Infodienste als Location Based Services, so dass Kunden Restaurants oder Hotels in ihrer Nähe finden können. Es gibt auch Routenplaner, die über das Mobiltelefon angeboten werden und diese Informationen auswerten. Durch die ungefähre Ortsbestimmung werden auch Flottenmanagement für Transportunternehmen oder eine Hilfe zum Wiederauffinden eines liegengelassenen Mobiltelefons möglich.
Mit spezieller Hardware (Powermanagement, Schutzklasse) sind industrielle Anwendungen über mehrere Jahre realisierbar. Die Verwendung für Rettungsdienste ermöglicht das schnelle Auffinden von Unfallopfern, da diese oft ihren Aufenthaltsort nicht genau kennen oder falsch angeben. In manchen Ländern (z.B. den USA) wird bei einem Notruf automatisch die Position des Teilnehmers bestimmt und übermittelt.
Ein Sonderfall ist die lautlose SMS, mit der das Netz zur genauen Lokalisierung eines Mobiltelefons ohne Kenntnisnahme eines Verbindungsaufbaus durch den Nutzer erzwungen werden kann. Dieses Verfahren wird in der Strafverfolgung als Hilfsmittel der Polizei eingesetzt. Mit Verweis auf "Gefahr im Verzug" erfolgt dies zum Teil auch ohne richterliche Prüfung. Diese Praxis ist jedoch [http://www.heise.de/newsticker/meldung/35915 umstritten].
Erweiterungen und Weiterentwicklungen von GSM
GSM wurde ursprünglich hauptsächlich für Telefongespräche, Faxe und Datensendungen mit konstanter Datenrate konzipiert. Burstartige Datensendungen mit stark schwankender Datenrate, wie es beim Internet üblich ist, wurden nicht eingeplant.
Mit dem Erfolg des Internets begann daher die sog. "Evolution von GSM", bei der das GSM-Netz komplett abwärtskompatibel mit Möglichkeiten zur paketorientierten Datenübertragung erweitert wurde. Es sollten außerdem nur minimale Kosten durch den Austausch von vielfach verwendeten Komponenten entstehen.
HSCSD
Durch die Kopplung von mehreren Kanälen erreicht HSCSD insgesamt eine höhere Datenrate. Um HSCSD nutzen zu können, braucht man ein kompatibles Mobiltelefon, auf Seiten des Netzbetreibers sind Hardware- und Softwareänderungen bei Komponenten innerhalb der Basisstationen und des Kernnetzes erforderlich.
GPRS
GPRS erlaubt zum ersten Mal eine paketvermittelte Datenübertragung. Der tatsächliche Datendurchsatz hängt unter anderem von der Netzlast ab. Bei geringer Last kann ein Nutzer mehrere Zeitschlitze parallel verwenden, während bei hoher Netzlast jeder GPRS-Zeitschlitz auch von mehreren Benutzern verwendet werden kann. GPRS erfordert beim Netzbetreiber allerdings innerhalb des Kernnetzes zusätzliche Komponenten (den GPRS Packet Core).
EDGE
Mit EDGE wurde durch eine neue Modulation (8PSK) eine Erhöhung der Datenrate ermöglicht. Mit EDGE werden GPRS zu E-GPRS (Enhanced GPRS) und HSCSD zu ECSD (Enhanced Circuit Switched Data) erweitert.
Streaming
Streaming services erfordern eine minimale garantierte Bandbreite. Dies ist in GPRS ursprünglich nicht vorgesehen. Inzwischen (d.h. ab 3GPP release 99) wurden durch Einführung entsprechender Quality of service Parameter und einige andere Eigenschaften die Voraussetzungen dafür geschaffen, echtes Streaming über GPRS zu ermöglichen.
Generic Access
Seit Mitte 2004 wird in den Standardisierungsgremien an einer Methode gearbeitet, die es Mobilgeräten erlauben soll, GSM-Dienste statt über die GSM-Luftschnittstelle auch über jede Art von anderen (IP-)Übertragungssystemen zu nutzen. Hierzu sollen die Sendestationen von WLAN, Bluetooth, etc. über sogenannte Generic Access Controller ans GSM core network angeschlossen werden. Die GSM-Nutzdaten sowie die Signalisierungsdaten werden dann durch das IP-Netz hindurchgetunnelt.
Literatur
- Martin Sauter, Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme, September 2004, ISBN 3-528-05886-2, http://www.cm-networks.de
- Jochen Schiller: Mobilkommunikation. München 2003, ISBN 3-8273-7060-4
- Eberspächer, Jörg: GSM, Global System for Mobile Communication: Vermittlung, Dienste und Protokolle in digitalen Mobilfunknetzen. Stuttgart, Leipzig 2001, ISBN 3-519-26192-8
- Mouly+Pautet: "The GSM System for Mobile Communications", Frankreich 1992, ISBN 2-9507190-0-7
- Prof. Dr.-Ing. B. Walke: Mobilfunknetze und ihre Protokolle 1, Stuttgart 2001, ISBN 3-519-26430-7
Siehe auch
- GSM-Codes
- UMTS
- Mobile Terminated Call
- Mobile Originated Call
- Mobilfunkgesellschaft
Weblinks
- [http://www.gsmworld.com alle GSM-Netze weltweit, Netzkarten, Partner]
- [http://www.gsacom.com Global mobile Suppliers Association mit aktuellem Counter aller GSM-Kunden (engl.)]
- [http://www.ero.dk/gsm?frames=0 ERO: GSM-Spektrum in Europa (engl.)]
Kategorie:Mobilfunk
Kategorie:Funktechnik
ja:GSM
ko:GSM
Phased Array AntenneEine Phased Array Antenne (Phased Array = Phasengesteuertes Feld) ist eine Richtantenne, deren Sende- / Empfangsrichtung sich ohne mechanische Änderungen an der Antenne bewerkstelligen lassen.
Während bei einer klassischen Richtantenne der Sender in einen Parabolspiegel sendet und dieser die Bündelung übernimmt, werden bei einer Phased Array Antenne die Phasenwinkel, der in einer Matrix angeordneten Sendeelemente, genutzt, um durch Interferenz eine Bündelung zu erzielen. Die Sendeenergie wird in der gewünschten Richtung verstärkt, während die unerwünschten Richtungen durch destruktive Interferenz ausgelöscht werden. Die einzelnen Sendeelemente benötigen hierbei keine Bündelungseinrichtungen.
Um den Abstrahl- / Empfangswinkel z.B. nach oben zu verlagern, muss nur der Phasenwinkel der oberen Elemente früher einsetzen, während der Phasenwinkel der unteren Elemente auf später eingestellt wird. Dadurch wird die Wellenfront gegenüber der Antennenfläche angewinkelt, und der Abstrahlwinkel neigt sich nach oben. Wenn der Phasenwinkel der äußeren Elemente nach-, der der inneren vorgestellt wird, wird der Abstrahlwinkel der Antenne größer.
Vorteile von Phased Array Antennen:
+ Extrem genaue Richtwirkung. bis hin zum Fixieren der Sendeenergie auf einen Punkt in beliebiger Entfernung (Brennglaseffekt)
+ Strahlschwenkung im Mikrosekundenbereich möglich.
+ Keine komplexe Form der Antenne nötig, eine flache, rechteckige Fläche genügt
+ Sehr flexible Antennencharakteristik möglich (Richtstrahler, Fächerstrahler, Sektorstrahler)
+ Hohe Redundanz durch hohe Anzahl an Sende- / Empfangselementen.
Nachteile:
- Hoher Technikaufwand zur Strahlschwenkung nötig.
- Eingeschränkter Richtwinkel (Technisches Maximum +/- 60°, wirtschaftlich sind <30°)
- Hohe Präzisionsanforderungen an die Elemente, die zur Phasenverschiebung nötig sind.
- Geringe Bandbreite der Antenne, da die Abstände der Sendeelemente untereinander in etwa λ/2 entspricht.
Weblinks
- [http://www.itnu.de/radargrundlagen/antennen/at18-de.html gute Erklärung unter Radargrundlagen von Christian Wolff]
Kategorie:Funktechnik
Kategorie:FunktechnikKategorie:Nachrichtentechnik
Kategorie:Leitungslose Telekommunikationsverfahren
Lei das SesmariasA lei das Sesmarias foi promulgada em Portugal durante o reinado de D. Fernando I. Tinha por finalidade fixar as populações rurais nas suas regiões de origem.
liczniki Doda i Virgin Opony Online Casino Zamwienia publiczne
|
