UMTS

UMTS ist ein Mobilfunkstandard der 3. Generation (3G). Nach Standardisierung durch das Europ¨aische Institut f¨ur Telekommunikationsnormen (ETSI) wurde der Standard von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) als einer der drei Mobilfunkstandards der 3. Genera-tion ausgew¨ahlt. Heute wird der Standard vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) gepflegt und weiterentwickelt⁶. Seit 2004 ist UMTS in Deutschland mit einer Daten¨ ubertra-gungsrate von 384 kbit/s verf¨ugbar. Als wichtige Weiterentwicklungen sind die Erweiterungen

6Im 3GPP partizipieren Standardisierungsorganisationen und Parxispartner aus der ganzen Welt. Das 3GPP ver¨offentlicht in regelm¨aßigen Abst¨anden Weiterentwicklungen der Mobilfunkstandards inReleases. UMTS wurde erstmalig imRelease 99aus dem Jahre 2000 standardisiert. Aktuell istRelease 11aus dem Jahr 2012, welches der achte Nachfolger vonRelease 99 ist. (siehe Onlineressourcehttp://www.3gpp.org/(abgerufen am 14.4.2014))

4.1 Aufbau mobiler Kommunikationsnetze

Radio Access Network

PSTN

Internet Kern-Netzwerk

PSTN = Public Switched Telephone Network (Netzwerk f¨ur ¨offentliche Telefonie)

Abbildung 4.4: Konfiguration einer 3G Infrastruktur (UMTS Mobilfunknetz). (vgl. On-lineressource http://www.altera.com/end-markets/wireless/cellular/

wir-cellular-infrastructure.html(abgerufen am 23.1.2014))

High Speed Downlink Packet Access(HSDPA) undHigh Speed Uplink Packet Access(HSUPA) zu nennen, zusammen HSPA, die die ¨Ubertragungsraten auf 14,4 Mbit/s im Downstream und 5,76 Mbit/s im Upstream erh¨oht haben. Außerdem hat sich durch HSPA gegen¨uber UMTS auch die RTT im Durchschnitt auf unter 100 ms verringert. Dennoch ist die RTT

gegen-¨uber WLAN sehr viel h¨oher. Tabelle 4.2 zeigt Messungen f¨ur UMTS/HSPA im Vergleich zu WLAN. HSPA erreicht hierbei bis zu 4,35 Mbit/s im Download und 3,97 Mbit/s im Upload.

Da sich bei den verwendeten Testger¨aten HSPA nicht mehr deaktivieren l¨asst, konnten leider keine Messungen mit dem UMTS-Standard gemacht werden. UMTS liefert jedoch stets min-destens 384 kbit/s im Download und 96 kbit/s im Upload. F¨ur Vergleichsmessungen bez¨uglich UMTS sei auf [TLKF09] verwiesen. Weitere Verbesserungen f¨ur UMTS sind unter dem Namen HSPA+ standardisiert und bei einigen Anbietern in Deutschland bereits verf¨ugbar [PH13].

Zudem befindet sich in Deutschland bereits auch das Mobilfunknetz der 4. Generation unter dem Namen Long Term Evolution (LTE) im Aufbau, welches nochmals verbesserte Daten-raten und k¨urzere Latenzzeiten verspricht. HSPA+ und LTE werden in dieser Arbeit nicht betrachtet. Die Ergebnisse der Analyse der hier betrachteten Technologien sollte es jedoch erm¨oglichen, Parameter zu bestimmen, um zuk¨unftig auch diese und weitere Technologien bez¨uglich ihrer Leistungsf¨ahigkeit bewerten zu k¨onnen.

UMTS ist ein fl¨achendeckendes Mobilfunknetzwerk, welches aus Zellen besteht. Eine ver-einfachte grafische Darstellung einer Mobilfunkkonfiguration ist in Abbildung 4.4 zu sehen.

Jede Zelle wird dabei von einer festen Antenne versorgt und deckt ein großes Fl¨ achenge-biet von mehreren Quadratkilometern ab. Die Komplexit¨at der Netzwerke ist dabei jedoch h¨oher als beispielsweise f¨ur WLAN, auch aufgrund der h¨aufigen Erweiterungen, sodass sehr hohe Latenzen f¨ur mobile Datenpakete ins Internet entstehen [TLKF09, S.120f.]. F¨ur die hier untersuchte UMTS/HSPA-Konfiguration (siehe Tabelle 4.1) wurde eine RTT von durch-schnittlich 85 ms bestimmt (siehe Tabelle 4.2). F¨ur UMTS sind sowohl dasFrequency

Divisi-on Duplex (FDD) als auch das Time Division Duplex (TDD) Verfahren spezifiziert [Leh03, S. 67]. Bei FDD werden f¨ur Upload und Download verschiedene Frequenzen benutzt, was gleichzeitigen Upload und Download von Daten erm¨oglicht. Dieses Verfahren wird von allen deutschen Mobilfunkprovidern unterst¨utzt. Da jedoch Upload und Download verschiedene maximale ¨Ubertragungsraten aufweisen, kann man nur von asynchronem Voll-Duplex spre-chen. Beim TDD-Verfahren werden Download und Upload abwechselnd zeitlich getrennt auf einer einzigen Frequenz ¨ubertragen. Gegen¨uber beispielsweise WLAN sind Sendezeitpunk-te und Sendedauer hier aber festgelegt. Das TDD Verfahren wird in Deutschland jedoch nicht implementiert. Es entspricht eher einem Half-Duplex-Verfahren. Im Gegensatz zum CSMA/CA-Verfahren des Zugriffs auf die Luftschnittstelle bei WLAN wird bei UMTS/H-SPA das WCDMA-Verfahren (Wideband Code Division Multiple Access) verwendet. Dabei handelt es sich um ein Codemultiplexverfahren, bei dem das gleichzeitige Senden mehrerer Nachricht durch verschiedene Sender m¨oglich ist. Somit kann die ausgehandelte Datenrate einer UMTS/HSPA-Verbindung oft auch erreicht werden, da der aufwendige Kollisionserken-nungsmechanismus wie bei WLAN nicht implementiert werden muss⁷.

In Deutschland und auch vielen anderen L¨andern Europas werden an UMTS Endger¨ate nur private IP-Adressen ausgegeben. Die Ger¨ate befinden sich also praktisch hinter einem NAT-Router, wenn sie Verbindungen ins Internet aufbauen. Dieser Umstand macht die Ver-wendung von UDP-Paketen zur Kommunikation unm¨oglich. Auch hier sind demnach nur TCP-Verbindungen m¨oglich. Eine Verbindung zum Endger¨at aus dem Internet ist nie m¨ og-lich. Im Vergleich zu WLAN ist durch die erh¨ohte Reichweite auch eine wirkliche mobile Nutzung der Datenverbindung, also eine Nutzung im Freien, m¨oglich. Durch die mobile Nut-zung nehmen jedoch auch die St¨oreinfl¨usse zu, was die Verbindung instabiler macht und als Folge dessen auch in der verf¨ugbaren Bandbreite einschr¨ankt. Besonders kann sich dies aus-wirken, wenn ein Teilnehmer den Bereich einer Zelle verl¨asst und in eine neue Zelle hinein kommt. Hierbei kommt es zum Handover der Verbindung. Diese wird jedoch nicht, wie bei Sprachverbindungen ¨ublich, blitzschnell ¨ubergeben, ohne dass der Teilnehmer davon Notiz nehmen w¨urde. Da Datenverbindungen als nicht so wichtig eingestuft werden, werden diese abgebaut und f¨ur jede Antenne neu aufgebaut. DieserHandover kann mehrere Sekunden, im Extremfall sogar bis zu 1 min dauern. W¨ahrend desHandover k¨onnen keine Daten transferiert werden. Es ist somit nicht ratsam,Mobile Cloud-unterst¨utzte Anwendungen in der Bewegung via UMTS zu nutzen. Weitere Untersuchungen zur Nutzung von UMTS in der Bewegung sind beispielsweise in [TLKF09, S.117ff.] zu finden.

7

”Die entscheidende Neuerung von UMTS war [...] die Verwendung eines neuen Zugriffsverfahrens auf der Luftschnittstelle. Statt Frequenz- und Zeitmultiplex wie bei GSM verwendet UMTS ein Codemultiplex-Verfahren, um ¨uber eine Basisstation mit mehreren Benutzern gleichzeitig zu kommunizieren. Dieses Ver-fahren wird Code Division Multiple Access (CDMA) genannt. Im Unterschied zum Zeit- und Frequenzmul-tiplex von GSM senden hier alle Teilnehmer auf der gleichen Frequenz und zur gleichen Zeit. Die Daten jedes Teilnehmers werden dabei mit einem Code multipliziert, der m¨oglichst große Unterschiede zu Codes aufweist, die von anderen Teilnehmern zur gleichen Zeit verwendet werden. Da alle Teilnehmer gleichzei-tig senden, addieren sich alle Signale auf dem ¨Ubertragungsweg zur Basisstation. Die Basisstation kann jedoch die Daten der einzelnen Teilnehmer wieder aus dem empfangenen Signal herausrechnen, da ihr die Sendecodes der Teilnehmer bekannt sind.“ [Sau13, S. 143]