Konkurrenzwellen

Als Unterwegs-Surfer könnte man meinen, es gäbe mit GPRS, UMTS und WLAN-Hotspots bereits genügend Wege, die drahtlos ins Netz der Netze führen. Weit gefehlt: Jetzt tritt mit Wimax ein weiterer Spieler an, die Partie an sich zu reißen.

Unter der Flagge Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) segelt eine Breitband-Funktechnik, die sich noch in der Entwicklung befindet und in zwei Ausprägungen auf unterschiedliche Einsatzfelder zielt: Die eine Variante tritt als stationäre Funk-Alternative gegen das Festnetz-DSL an, gewissermaßen als "Wireless DSL" (W-DSL). Die andere lässt sich besser als Weitbereichs-WLAN beschreiben. Dabei versorgt die Wimax-Basisstation portable Endgeräte in einem verglichen mit WLAN erheblich größeren Hotspot von einigen Kilometern Durchmesser mit dem Netzzugang.

Auf der Fieberkurve von Euphorie, Enttäuschung und Ernüchterung, die neue Technologien gewöhnlich durchlaufen, befindet sich Wimax nach Einschätzung des Gartner-Marktanalytikers Ian Keene "derzeit auf dem Gipfel der überzogenen Erwartungen". Dort befanden sich auch die drahtlosen Ortsanschlusstechniken schon einmal: Ende der neunziger Jahre war Wireless Local Loop (WLL) der Kandidat, das Leitungsmonopol der vormals staatlichen Telefongesellschaften auf dem Weg zum Endkunden aufzubrechen. In Deutschland hatte die Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post (RegTP) in mehreren Runden bundesweit rund 1600 Lizenzen in den 3,5- und 26-GHz-Frequenzbändern erteilt. Doch wie überall platzten auch hierzulande die schönen Geschäftsmodelle und der von den Deregulierungspolitikern ersehnte Infrastruktur-Wettbewerb kam nicht in Gang. Zu den Preisen, die die Hersteller für ihre proprietären WLL-Systeme verlangten, war gegen die Telekom nicht anzukommen, die begann, ihren wirtschaftlich längst abgeschriebenen Kupferleitungen mit DSL neuen Umsatz zu entlocken.

Gute Aussichten

Neben den zwischenzeitlich erzielten technischen Fortschritten führen Branchenbeobachter vor allem drei Gründe an, weshalb Wimax mit besseren Voraussetzungen an den Start geht als WLL. Zum Ersten ist Wimax nicht auf ein Einsatzfeld festgelegt: Netzbetreiber können damit WLAN-Hotspots ebenso vernetzen wie die Basisstationen des Mobilfunks. Für den Endkunden bleibt das drahtlose Internet nicht auf den festen Hausanschluss und damit die eigene Wohnung beschränkt, der Zugang wird im Einzugsbereich einer Wimax-Station portabel.

Zweitens ist Wimax keine proprietäre Technik, die den Provider und seine Kunden langfristig an einen Hardware-Anbieter bindet. Ein weltweiter Standard fördert durch austauschbare Produkte den Wettbewerb und lässt wie schon bei WLAN mit steigender Nachfrage drastisch fallende Preise erwarten. Heute kostet ein Wimax-Adapter für die Hauswand noch rund 700 Euro.

Drittens hat sich nach dem Vorbild der WiFi Alliance, die sich für die Interoperabilität der WLAN-Produkte stark machte, mit dem Wimax-Forum ein Industriekonsortium gebildet. Ihm gehören von A wie Alcatel bis Z wie der chinesischen ZTE Corporation mehr als 200 Firmen an, die analog zur WiFi Alliance dem Wimax-Standard zum Durchbruch verhelfen wollen.

Mit der Standardisierung eines "Broadband Wireless Access" hatte die IEEE-Arbeitsgruppe 802.16 schon 1999 begonnen. Zwei Jahre später legte sie eine erste Fassung der Funkschnittstelle für die klassischen Richtfunk-Frequenzen zwischen 10 und 66 GHz vor, die eine überwiegend freie Sicht zwischen den Stationen braucht. Nicht zuletzt unter dem Einfluss Intels verschob sich dann der Fokus auf die Übertragung im Frequenzbereich zwischen zwei und 11 GHz, wobei keine Sichtverbindung zwischen Basisstation und Client mehr nötig ist. Die zugehörige Standardergänzung 802.16a wurde 2003 fertiggestellt und beide Spezifikationen nach einer Revision zu 802.16d im vergangenen Jahr dann als 802.16-2004 alias "Wimax fixed" konsolidiert. Auch wenn sich viele Hersteller gerne mit dem Wimax-Schild schmücken, stellt dies nur eine der möglichen Implementierungen des 802.16-2004-Standards dar. Wimax ist jedoch lediglich eine Untergruppe dieses Standards.

Auf der für neue Techniken typischen Hype-Kurve steht Wimax nach Ansicht von Marktanalytikern das Tal der Tränen erst noch bevor.

Daneben bildete sich die Untergruppe 802.16e, die an einer Erweiterung für mobile Anwendungen bei niedrigen Geschwindigkeiten in lizenzpflichtigen und lizenzfreien Bändern unterhalb von sechs Gigahertz arbeitet. Der auch "Wimax mobile" genannte Standard soll noch im Laufe dieses Jahres verabschiedet werden.

Wimax inside

Intel selbst macht aus seinem Engagement für Wimax keinen Hehl. Zielgruppe des Unternehmens ist der nomadische Büroarbeiter, und als dessen Werkzeug ein Centrino-Notebook. Der Konzern will Wimax-mobile als Notebook-Basiskomponente etablieren und als Chipsatz-Hersteller in den interessanten Millionen-Stückzahlbereich kommen. Mit der Zahl Wimax-fähiger Endgeräte, so das Kalkül, steigt der Wettbewerbsdruck unter den Netzbetreibern, für die entsprechenden Funkanbindungen zu sorgen. Denn wenn sie es nicht tun, werden andere die Nachfrage bedienen.

Wimax positioniert sich zwischen WLANs und 3G-Mobilfunk (UMTS). Eifrige Verfechter sehen es indes mit UMTS auf Kollisionskurs.

Mit dem Centrino-Konzept – dem Paket aus Pentium-M-Prozessor, zwei I/O-Bausteinen und WLAN-Modul – ging diese Strategie schon einmal auf: Als Centrino Anfang 2003 mit einigen hundert Millionen Dollar Werbeaufwand in den Markt gedrückt wurde, zog der Absatz von WLAN-fähigen Notebooks und WLAN-Access-Points rapide an. Heute ist nahezu jeder neue Laptop WLAN-fähig.

Jetzt steht das Remake mit Wimax bevor, zunächst für die Fixed-Variante: Schon kurz nach der Verabschiedung des Standards im Herbst 2004 lieferte die Chip-Schmiede die ersten Rosedale-Muster aus. Seit April ist der "Pro/Wireless 5116 Broadband Interface"-Chip für 45 US-Dollar verfügbar. Inzwischen lassen auch andere Hersteller die Produktion von Wimax-fixed-Bausteinen anlaufen, so etwa Cygnus, Fujitsu, PicoChip oder Sequans. Die in Montreal ansässige Firma WaveSat will Intel preislich noch unterbieten und ihren DM256-Chip für 35 US-Dollar zur Jahresmitte auf den Markt bringen. Damit könnte sich der Endkundenpreis des Wimax-Modems anfangs zwischen 250 und 300 Dollar bewegen. WaveSats DM256-Chip steuert allerdings nur die Bitübertragung auf dem Physical Layer (PHY). Die Medienzugriffssteuerung muss ein zweiter Prozessor für den MAC-Layer (Media Access Control) erledigen.

Anders als WaveSat kombiniert Intel beide Funktionen im Rosedale-Baustein. Das Herzstück kommender Wimax-Modems enthält außer der obligatorischen Fast-Ethernet-Schnittstelle einen TDM-Controller zum Übergang an eine digitale T1/E1-Standleitung (1,544 bzw. 2,048 MBit/s) oder ein Analog-Frontend für ein herkömmliches Telefon. Den je nach Einsatzbereich unterschiedlichen HF-Baustein von Drittanbietern wie Atmel oder Athena steuert der Controller über sein RF-Interface an. Die OFDM-Modulation/Demodulation erledigt ein DSP-Kern und um die Protokollabwicklung kümmern sich zwei integrierte ARM9-Prozessorkerne.

Fest gemauert

Der Standard 802.16-2004 definiert für den Frequenzbereich unterhalb 11 GHz auf dem Physical Layer drei Übertragungsarten: Einträger-Modulation, 256-OFDM und 2048-OFDMA. Das Wimax-Forum forciert zunächst 256-OFDM.

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ist ein Vielträgerverfahren, das sich wegen seiner Robustheit unter anderem bei ADSL, DVB-T sowie den 802.11a/g-WLANs bewährt hat. Es verteilt den Datenstrom innerhalb der Kanalbandbreite auf eine Vielzahl von schmalen Trägern. Frequenzabhängiger Schwund beeinträchtigt die Übertragung weniger stark als bei Einträger-Modulation, weil er nur einzelne Sub-Träger betrifft und sich mit Equalizern sowie geeigneten Korrekturverfahren kompensieren lässt. OFDM ist ferner attraktiv, weil man die nötige Fast-Fourier-Transformation (Umwandlung des Signals vom Frequenz- in den Zeitbereich und umgekehrt) in Hardware als fest programmierten Funktionsblock relativ leicht implementieren kann.

Bei Wimax arbeitet 256-OFDM mit 256 Trägern und Kanalbandbreiten von 1,25 bis 20 MHz. Bei einer Modulationseffizienz von fünf Bit/s pro Hz überträgt solch ein System maximal rund 100 MBit/s in einem 20 MHz breiten Kanal. Im 5,8-GHz-Block von 5,725 bis 5,825 GHz - einem Frequenzbereich, den das Wimax-Forum neben dem bisher für WLL vorgesehenen 3,5-GHz-Band favorisiert - hätten fünf solcher Kanäle Platz. Mit "intelligenten" Antennen könnte eine Basisstation die Kanalkapazität noch steigern, was die Gesamtkapazität in Richtung ein Gigabit/s hochtreibt [1]. Als realistische Datenrate gelten heute zwei bis sechs MBit/s pro Teilnehmer in einer bis zu drei Kilometer großen Funkzelle.

Wie WLAN arbeitet Wimax mit adaptiver Modulation. Abhängig von der Qualität der Funkverbindung (Bitfehlerrate respektive Signal/Rausch-Verhältnis) moduliert es die OFDM-Träger mit unterschiedlichen Verfahren, die zwischen einem und sechs Bit pro Zustandswechsel übertragen (BPSK, QPSK, 16QAM und 64QAM). Bei guter Verbindung bekommt man die höchste Übertragungsrate, weiter entfernte Stationen niedrigere. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) stellt schließlich eine Variante von OFDM dar, die die Sub-Träger unterschiedlichen Nutzern zuweist. Damit könnten sich beispielsweise mehrere Provider eine Basisstation teilen.

Qualitätssicherung

Wimax soll hinsichtlich der Übertragungsqualität unterschiedliche Bedürfnisse befriedigen: Carrier Grade etwa für Netzbetreiber, die Mobilfunk-Basisstationen statt per Kabel per Funk anbinden wollen und dafür eine dem Festnetz vergleichbare Zuverlässigkeit benötigen, Business Class für drahtlose Standleitungen mit garantierter Dienstgüte für Geschäftskunden sowie Consumer Class mit der Internet-typischen Best-Effort-Zustellung für den privaten Endkunden in Gestalt von W-DSL.

Zur Realisierung der Dienstklassen definiert der Standard zwei Funktionen: Bandwidth Allocation kann bestimmten Verbindungen (Basisstation zu Endgerät) eine gewisse Bandbreite garantieren. Das passiert für Anwendungen mit fester Datenrate schon beim Verbindungsaufbau, doch können Stationen auch bei bestehendem Link per Request für eine bestimmte Frist oder dauerhaft mehr Bandbreite anfordern.

Intels Rosedale-Chip für Wimax fixed versorgt nicht nur Rechner mit drahtlosem Internet. Über sein TDM-Interface kann er optional auch analoge Telefone bedienen.

Quality-of-Service (QoS) sieht wie beim Ethernet-LAN unterschiedliche Vorfahrtstufen und eigene Queues für die Nutzdaten im Up- und Downlink vor. Die Stufen gliedern sich unter anderem nach Latenz (Laufzeit im Netz) und Jitter (zeitliches Schwanken des Paketempfangs). Sprachübertragung braucht beispielsweise tendenziell niedrige Latenz und Jitter, während höhere Werte bei der Übertragung von Internet-Seiten noch nicht stören.

Ferner unterstützt der Standard das Senden und Empfangen sowohl im Time Division Duplex (TDD) als auch im Frequency Division Duplex (FDD). Bei TDD wechseln sich Up- und Downlink zeitversetzt auf derselben Frequenz ab, während die Ströme bei FDD auf verschiedenen Frequenzen gleichzeitig fließen können. H-FDD (Half-Duplex FDD) stellt eine Mischform dar, bei der die Teilnehmer auf verschiedenen Frequenzen, jedoch nicht zur selben Zeit senden. Das reduziert die Endgerätekosten, weil der Hochfrequenzteil mit einer deutlich einfacheren Sender-/ Empfängerentkopplung als bei FDD auskommt.

On the road

Unklar ist derzeit, wie sich die Kompatibilität von Wimax fixed und Wimax mobile sichern lässt. Durch die forcierte Markteinführung von 802.16-2004-Systemen noch vor der Verabschiedung von 802.16e ist heute keineswegs gewährleistet, dass ein Wimax-mobile-fähiges Notebook morgen mit den installierten Fixed-Basisstationen kommuniziert.

Wimax wird zunächst feste Verbindungen (fixed, IEEE 802.16-2004) herstellen. Später sollen Laptops mit Adaptern nach einem eigenen Standard folgen (mobile, 802.16e).

Das Markenzeichen Wimax suggeriert hier eine Kompatibilität, die in Wirklichkeit nicht vorhanden ist, weil es sich unter dem gemeinsamen Dach um zwei recht verschiedene Versionen handelt. Ursprünglich sollte für Wimax mobile derselbe Physical Layer (256-OFDM) wie bei der stationären Version zum Zuge kommen, doch unterdessen hatte Südkoreas ehrgeizige Industriepolitik mit WiBro (Wireless Broadband) ein paralleles Projekt auf den Weg gebracht, für das Samsung und LG die Übertragungsart SOFDMA (Scalable OFDMA) entwickelten.

Mit 2048 Trägern pro Kanal bietet SOFDMA Vielfachzugriff, der durch Untergruppen-Bildung (Sub-Channelization) und variable FFT mobile Anwendungen deutlich besser unterstützt: Während 256-OFDM den Vielfachzugriff allein über Zeitschlitze regelt (TDMA), erlaubt SOFDMA in einer Kombination von TDMA und OFDMA zusätzlich den Zugriff auf Untergruppen von Frequenzträgern.

Umtriebige Koreaner

In der Befürchtung, dass es den umtriebigen Asiaten dank ihres zeitlichen Vorsprungs gelingt, einen defacto-Industriestandard zu etablieren, soll der damalige US-Handelsbeauftragte Robert Zoellick im vergangenen Jahr dem Vernehmen nach die koreanische Regierung unter Druck gesetzt haben, dafür zu sorgen, dass sich die WiBro-Akteure an der IEEE-Standardisierung beteiligen. Jedenfalls fasste Koreas Regierung im Juli 2004 einen entsprechenden Beschluß. Nach der Aufnahme der 2048-Träger-Variante als Option geht WiBro nun ebenfalls unter dem Label 802.16e an den Start.

Im November 2004 starteten die Koreaner den ersten Feldversuch, schon kommendes Jahr soll die Markteinführung beginnen. Bis 2010, so die Prognosen, wird WiBro in dem von der Regierung bereitgestellten Frequenzband zwischen 2300 und 2400 MHz mehr als 10 Millionen Teilnehmer mit mindestens 512 kBit/s und maximal drei MBit/s im Downlink bedienen. Der Uplink wird 128 bis 1024 kBit/s schnell sein, und alles mobil mit Geschwindigkeiten bis etwa 60 km/h und automatischem Handover beim Zellwechsel.

Die attraktive Alternative stellt Netzbetreiber vor das Problem, wie es um die Kompatibilität zu dem von Intel und dem Wimax-Forum forcierten 256-OFDM bestellt ist – derzeit eine heiß umstrittene Frage, zu der jeder Hersteller eine andere Auskunft gibt. Intel ist überzeugt, dass sich die Kompatibilitätsfrage durch einen Kombo-Chipsatz lösen lässt, der künftig beide Wimax-Varianten unterstützt. Ob diese Aussicht Netzbetreiber überzeugt, über Schnuppertests hinaus schon jetzt zu investieren, bevor sich ein klarer Migrationsweg von Wimax fixed zu mobile abzeichnet und die Folgekosten der Nachrüstung kalkulierbar sind, bleibt abzuwarten.

Run auf die Frequenzen

Ob es dem Schwergewicht Intel mit dem Centrino-Remake gelingt, Wimax eine Bresche zu schlagen, ist keineswegs ausgemacht. Denn es gibt markante Unterschiede zwischen dem WLAN- und dem Wimax-Hotspot-Modell. Ersteres operiert mit geringen Sendeleistungen in lizenzfreien Bändern und ist in erster Linie ein Endgeräte-Geschäft: Jeder kann im Laden einen Access Point erstehen und daheim sofort die WLAN-Fähigkeiten seines Laptops nutzen. Wimax hingegen ist auf lizenzpflichtige Frequenzen angewiesen und beruht auf dem Subskriptionsmodell. Es setzt Netzbetreiber voraus, bei denen man einen Account einrichten muss – da sieht der User nicht unmittelbar den Nutzen eines integrierten Adapters im Laptop.

Zudem hängt der Erfolg von Wimax von den Gegenstrategien der 3G-Netzbetreiber und von der Frequenzpolitik der Regulierungsbehörden ab. Die Mobilfunkbetreiber können auf flächendeckende Netze aufsetzen und haben einen großen Teil der notwendigen Investitionen, insbesondere für die Antennenstandorte, bereits erbracht. Was die Breitbandigkeit angeht, bieten ihnen die effizienteren Modulationsverfahren noch Spielraum nach oben: Mit 16QAM wird HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) den maximalen Datendurchsatz im Downlink von den 384 kBit/s der jetzigen UMTS-FDD-Systeme auf etwa 14 MBit/s steigern. Der noch für dieses Jahr erwartete HSUPA-Standard (High-Speed Uplink Packet Access) soll vergleichbare Bruttoraten im Uplink bringen. Im nächsten, Super3G getauften Schritt zeichnen sich bereits Geschwindigkeiten zwischen 20 und 100 MBit/s ab.

Mit der Centrino-Einführung hob der Anteil von Notebooks mit integriertem WLAN ab. Intel hofft, den gleichen Effekt mit Wimax wiederholen zu können. (Quelle: Intel)

Gegen den Top-down-Ansatz der im 3rd Generation Partnership Project (3GPP) versammelten Mobilfunk-Industrie setzt das Wimax-Forum auf das organische Wachstum von unten: Fallende Preise sollen den Zug ins Rollen bringen, und je mehr unterwegs aufspringen, desto mehr gewinnt er an Fahrt. Doch bei diesem Bottom-up-Ansatz wird Wimax auf lange Sicht eine lokale Zugangstechnik bleiben, und die Abdeckung der Hotspots "spotty". Als Flickenteppich kann Wimax mit der 3G-Mobilität nicht konkurrieren. "Wimax wird 3G nie verdrängen", ist Gartner-Analytiker Ian Keene überzeugt; "aber das muss es auch nicht, um einen Markt zu finden".

Nische oder Platzhirsch?

Ob Wimax mobile eine Chance hat, mehr als eine lokale Ergänzung in der Breitband-Nische zwischen WLANs und 3G zu werden, entscheiden letztlich die Regulierer. Eine wesentliche Voraussetzung zur Überwindung des Flickenteppich wären einheitliche Frequenzzuteilungen in den drei ITU-Weltregionen, aber die gibt es noch nicht. Das freie 5,8-GHz-Band in den USA ist in Europa und Asien anderweitig belegt. Das 3,5-GHz-Band ist mit Ausnahme des asiatisch-pazifischen Raumes bisher für stationäre Funkzugänge festgelegt und müsste für echte mobile Anwendungen mit Zellenwechsel und Roaming erst umgewidmet werden. Auch auf das UMTS-Erweiterungsband haben die Wimax-Strategen ein Auge geworfen, in den USA ist dieser Teil des Spektrums sogar schon für Advanced Wireless Systems freigegeben.

Wimax-mobile-Adapter werden anfangs dieser noch nicht Wimax-kompatiblen Ripwave-Karte von Navini ähneln.

Mit Wimax wird die Zahl der Funkzugänge ins Internet nicht nur größer, sondern unter der Haube steigt die Vielfalt nochmals durch die uneinheitliche Frequenzzuteilung für diese Techniken in den verschiedenen Weltregionen - eine Fragmentierung, die weder den an großen Stückzahlen interessierten Ausrüstern noch dem Endkunden nutzt. Durch Multiband- und Multimode-Geräte lässt sich vielleicht ein Teil der Vielfalt vor dem Endnutzer verbergen, doch stößt dieser Ansatz schnell an technische und wirtschaftliche Grenzen.

Wenn man "any service, anytime, anywhere" so übersetzt, sich eines Tages mit demselben Endgerät und demselben Nutzerkonto überall auf der Welt breitbandig einloggen zu können, dann rückt dieses Ziel einstweilen wieder in die Ferne – eine schöne Vision, aber angesichts der widerstreitenden wirtschaftlichen Interessen nicht sehr realistisch. (ea)

Literatur

[1]	Dr. Thomas Kaiser, Rudelfunk, Antennengruppen verbessern Funkverbindungen, c't 8/05, S. 132
[2]	Kay Glahn, Generationenvertrag, Die Pläne der Industrie für die neuen Funknetze, www.heise.de/mobil/artikel/61099
[3]	Holger Eriksdotter, Surfen in der Pampa, Mit dem Super-WLAN Wimax bekommen auch ländliche Gebiete einen schnellen Internetzugang, www.heise.de/mobil/artikel/60491
[4]	Dusan Zivadinovic, Kabel kappen, Neue Funktechniken erweitern das Spektrum drahtloser Anwendungen, www.heise.de/mobil/artikel/56596
[5]	Jens Weller, Schneller Funk überall, Mit Wimax drahtlos zum Endkunden, www.heise.de/mobil/artikel/55325