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Feature Stories - Neue Mobilfunknetzarchitektur verspricht mobile Videodienste und geringe Umweltbelastung

Seitdem vor nunmehr dreißig Jahren die ersten Mobiltelefone verkauft wurden, hat sich an der Architektur des Mobilfunknetzes an sich nur wenig verändert. Will man aber im Bereich Mobilkommunikation mit der aktuellen Bandbreite und den Erwartungen der Nutzer Schritt halten, ist eine Umgestaltung fällig. EU-finanzierte Forscher schlagen nun eine Lösung vor, die mobiles Video-Streaming und Onlinespiele für die Nutzer zu bieten hat und außerdem einen völlig neuen Markt für Netzwerkinfrastrukturanbieter erschließen könnte.

Digitale Wirtschaft

Mobilfunkbasisstationen mit all ihren Funkantennen, Sendeempfängern und Signalprozessoren bildeten lange Zeit das Rückgrat der mobilen Kommunikation - genauer gesagt, seitdem in den frühen 1980er Jahren das erste kommerzielle Mobilfunknetz in Betrieb ging. Die zum Übertragen und Bearbeiten von Signalen mobiler Geräte und zum Verbinden dieser mit dem Telefonnetz genutzten Basisstationen sowie die zugrunde liegende Mobilfunkarchitektur haben bis jetzt relativ gute Dienste geleistet. Auch die steigende Anzahl und Geschwindigkeit mobiler Geräte, die mit der Einführung von Mobildiensten der dritten Generation (3G) eingetreten ist, wurden gut gemeistert. Es gibt allerdings Anzeichen dafür, dass unsere aktuelle Architektur möglicherweise den nächsten Schritt der Mobilkommunikation in Richtung 4G nicht so gut verkraften wird. Und die Anwender fordern Breitbandgeschwindigkeiten, wie sie bereits in der Festnetzkommunikation angeboten werden. 4G verspricht Datenraten von bis zu einem Gigabit pro Sekunde (Gbps) für stationäre Nutzer und von bis zu 100 Megabit pro Sekunde (Mbps) für Mobilgeräte - das ist Dutzende Male schneller als die gegenwärtigen 3G-Dienste. Soll die Nachfrage des Marktes nach mobilen Breitbandanwendungen befriedigt werden, so müssen mehrere herausfordernde Aufgaben gelöst werden. So müssen die Basisstationen mit einem verstärkten Andrang von Signalen aus verschiedenen Kommunikationstechnologien klarkommen, um eine breitere Palette an Dienstleistungen abzudecken - angefangen beim Telefonieren im Netz bis hin zum Streaming von Videos und Onlinespielen. Die Signalverarbeitungstechnik innerhalb der Basisstationen wurde somit immer komplexer und wird in Zukunft auch noch weitaus komplexer werden. 4G wird außerdem bei höheren Frequenzen betrieben werden, um mehr Bandbreite bereitzustellen, was letztlich bedeutet, dass das Signal nicht mehr so weit vorankommt. Deshalb wird die von einer einzelnen Basisstation abgedeckte Fläche - eine sogenannte Zelle - viel kleiner sein. Man wird mehr Zellen und daher mehr Basisstationen benötigen, um eine bestimmte Reichweite zu gewährleisten. Da aber Interferenzen zwischen den Basisstationen eine stärkere Rolle als die Zellgröße spielen, kann die Systemkapazität nicht linear erhöht werden und es werden außerdem mehr Antennen benötigt, um eine bestimmte Reichweite abzudecken. Tatsächlich könnte die aktuelle Mobilfunkarchitektur auch in der 4G-Ära weiterhin Einsatz finden, vorausgesetzt aber, sie wird an mehr und kleinere Zellen, mehr Antennen und Basisstationen mit komplexeren Signalverarbeitungskomponenten angepasst. Schließlich war dies - trotz der hohen Infrastrukturkosten - die Strategie, die die Betreiber bei der Umstellung von 1G auf 2G und auf das aktuelle 3G verfolgten. Möglichweise gibt es aber einen besseren Weg. "Wir haben versucht, die einfachste mögliche Lösung zu finden und das war die Trennung der Signalverarbeitung von den Basisstationen und deren Ausführung an einem zentralen Ort", erklärt Paulo Pereira Monteiro von Nokia Siemens Networks Portugal. "Tschüss" Basisstation? Monteiro koordinierte ein Forscherteam, das innerhalb des EU-finanzierten FUTON-Projekts an der Entwicklung einer Hybridarchitektur arbeitete, bei der Hochgeschwindigkeits-Glasfaserkabel eingesetzt werden, um Signale zwischen Fernantenneneinheiten (Remote antenna units, RAU) und einer Zentraleinheit zu übertragen, in der die Signalverarbeitung ausgeführt wird. Fernantenneneinheiten könnten daher Basisstationen im Grunde ersetzen und dabei für Netzabdeckung in jeder Zelle sorgen und die Funksignale in optische Signale umwandeln, die in der Zentraleinheit verarbeitet werden. "Fernantenneneinheiten sind kleiner, kostengünstiger sowie einfacher zu installieren und zu warten als eigenständige Basisstationen - sie könnten auch an einen Laternenpfahl angebaut werden. Ihre Auswirkungen auf die Umwelt sind daher viel geringer und auch ihr Energieverbrauch", betont der FUTON-Koordinator. Die Fernantennen arbeiten quasi als verteilte Antennen einer Verbund-Basisstation mit der Zentraleinheit als Kern des Ganzen. Glasfaserkabel sind aufgrund der geringen Dämpfung und einer enormen Bandbreite die "logische Wahl", um auf transparente Weise Informationen zwischen der Zentraleinheit und den Fernantenneneinheiten zu übertragen, wie Monteiro erläutert. Obgleich die Übertragung von Funksignalen über Lichtwellenleiter nicht neu ist - sie ist seit langem im Bereich Kabel-TV-Signalübertragung im Einsatz - stellt der FUTON-Ansatz eine grundlegend neue Implementierung der Technologie dar. Da sie eine gemeinsame Signalverarbeitung aus mehreren Fernantenneneinheiten gestattet, könnten Mobilgeräte mit mehreren Antennen - bei perfekter Zusammenarbeit zwischen diesen - gleichzeitig kommunizieren. Gegenwärtig verursachen Signale von verschiedenen Basisstationen negative Interferenzen auf einem Signal, aber die Fähigkeit zur Vernetzung mit mehreren Fernantenneneinheiten würde für mehr Bandbreite für mehr Nutzer in deren Reichweite sorgen. "Derzeit treibt man eine Menge Aufwand, um die Interferenzen zwischen den Zellen auf ein erträgliches Maß zu reduzieren, und es wird immer schwieriger, da die Anzahl der heterogenen Services mit verschiedenen Anforderungen zunimmt, so dass oft - jedes Mal, wenn der Markt eine Netzwerkvergrößerung fordert -, eine signifikante Neuplanung [erforderlich ist]", so Monteiro. "Mit der FUTON-Architektur unterliegt man diesen Einschränkungen nicht, und wenn das Netzwerk erweitert werden muss, können neue Fernantenneneinheiten dynamisch eingebunden werden." Das FUTON-Team präsentierte seine Arbeit in einer Serie von Proof-of-Concept-Demonstrationen, die in Tests zeigten, wie das System in der Realität funktionieren könnte. Monteiro merkt jedoch an, dass auf der Strecke noch viel zu tun sei und ein Konsens zwischen Betreibern, Serviceanbietern und Geräteherstellern erzielt werden müsse, bevor die Architektur kommerziell umgesetzt werden könne. "Da gibt es ziemlich viele Variablen. Es ist nicht die einzige Variante, um den Herausforderungen der Schaffung von echten Breitbandgeschwindigkeiten auf mobilen Geräten gerecht zu werden, aber uns erscheint sie als die einfachste und effizienteste", bilanziert der FUTON-Koordinator. Das Projektkonsortium, zu dem die "Großen" aus der Industrie und die Betreiber wie Nokia Siemens Networks, Alcatel-Thales III-V Labs, Telecom Portugal, Hellenic Telecommunications und VIVO gehört, bemüht sich mit diesem Ziel im Hinterkopf aktiv um das Thema Standardisierung. Monteiro zufolge wird es jedoch wahrscheinlich noch sechs bis zehn Jahre dauern, bevor die FUTON-Forschungsergebnisse in kommerzielle Anwendungen einfließen werden. Gleichwohl ist er zuversichtlich, dass mit Hilfe der FUTON-Architektur ein völlig neues Segment im Mobilfunknetzmarkt entstehen könnte. Waren Basisstationen und Netzwerkinfrastrukturen bis jetzt weitgehend die Domäne der richtig großen Mobilfunkbetreiber, so sieht Monteiro nun die Chance für Drittanbieter, eine Funk-Glasfaser-Infrastruktur aus Fernantenneneinheiten und Zentraleinheiten aufzubauen und diese dann an Betreiber zu vermieten - was neuen Anbietern die Tür zum Mobilfunk-Telekommunikationsmarkt öffnen dürfte. Das FUTON-Projekt erhielt im Unterprogramm "The network of the future" des Siebten EU-Rahmenprogramms (RP7) eine Forschungsfinanzierung in Höhe von 6,58 Millionen EUR. Nützliche Links: - 'Fibre-optic networks for distributed extendible heterogeneous radio architectures and service provisioning' - FUTON-Projektdatensatz auf CORDIS Weiterführende Artikel: - Mobiles Internet unter einem Dach - EU-Projekt spart Energie mit 4G-Mobilfunk - Mit dem Genesis-Projekt zu globalen Funkverbindungen