UMTS aufs Abstellgleis?

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Der David, der den Goliaths der Telekommunikationswelt zeigt, wo es langgeht - das ist der Stoff, aus dem die Legenden fürs Sommerloch gestrickt sind. So jubelten denn auch Tagesthemen, ZDF, Spiegel und andere Medien ein Verfahren in die Höhe, mit dem der 18-jährige Hildesheimer Abiturient Sascha Haenel im Mai im Bundeswettbewerb Jugend forscht den mit insgesamt 5000 Mark dotierten Technik-Preis davongetragen hatte. Seinerzeit nahm davon kaum jemand Notiz [1].

Jetzt aber steht scheinbar eine Mobilfunkrevolution bevor, die das mit Milliardenaufwand entwickelte UMTS vermeintlich aufs Abstellgleis schiebt und die Bieter im derzeit laufenden Versteigerungsverfahren wie Deppen aussehen lässt: Haenels Übertragungs-Software kann ‘Datenpakete 500-mal schneller übertragen’ als bisher, wusste der Spiegel zu berichten; ‘keine großen Investitionen, keine neue Technik, lediglich das Handy muss anders programmiert werden’.

Mysteriöse Technik

Große Worte. Nur über die Technik, die solche Wunder vollbringt, ist bislang wenig zu erfahren. Haenel hatte der sechsköpfigen Jury von Jugend forscht das System bei der Ausscheidung mit einer Übertragung zwischen Paderborn und seiner Heimatstadt Hildesheim demonstriert - ‘über ein ganz reales GSM-Netz’, wie es heißt. ‘Wir haben uns seine gigantische Geschwindigkeit in Paderborn vorführen lassen’, erklärte Juror Gregor Tyrchan von der Bergischen Universität Gesamthochschule Wuppertal; ‘er kam bei der Vorführung auf 550 kBit/s’. Das wäre immerhin noch rund 57-mal schneller als die 9,6 kBit/s heute.

Der 18-jährige Hildesheimer Abiturient Sascha Haenel will mit seinem HBCDC genannten Verfahren den Mobilfunk per GSM revolutionieren.

Eine Datei, deren Übertragung auf herkömmliche Weise zehn Sekunden dauerte, benötigte mit dem HBCDC-Verfahren des Preisträgers - die Abkürzung steht für High Bandwidth Cellular Data Channel - nur zwei Sekunden, berichtete auf Anfrage Jury-Mitglied Hartwig Mackeprang, Nachrichtentechniker, Professor an der Pädagogischen Hochschule Weingarten und selbst mehrfacher Jugend-forscht-Preisträger in den siebziger Jahren. Das wäre dann nur noch ein Faktor 5 gegenüber dem heutigen GSM-Netz.

Fakt ist, dass die Jugend-forscht-Prüfer keine eigenen Messungen zum effektiven Datendurchsatz durchführten, sondern sich die Datenraten von dem Testprogramm Haenels anzeigen ließen. Dabei vertrauten sie darauf, wie einer der Juroren gegenüber c't einräumte, ‘dass die vorgeführten Displays und Handys nicht intern gesteuert waren’.

Es gibt bislang keine aussagekräftigen Darstellungen, wie das Verfahren zu der wundersamen Datenraten-Vermehrung auf die vom Preisträger behaupteten 448 kBit/s im herkömmlichen GSM-Netz kommen will. Nun rätselt die Fachwelt, so sie die Behauptung überhaupt für bare Münze nimmt, wo diese Kapazität herkommen soll. Die Haenel-Handys nutzen ‘fürdie Datenübertragung die Gesprächspausen, um die Datenpakete zu übertragen’, erläuterte der Jury-Vorsitzende Klaus Helling, Professor für Technik-Didaktik an der Pädagogischen Hochschule Ludwigsburg das Verfahren gegenüber dpa.

Es ist bekannt, dass bei Telefongesprächen die Sprechpausen statistisch bis zu 60 Prozent der gesamten Übertragungszeit ausmachen - ein Umstand, der schon vor langer Zeit etwa bei Seekabeln oder Satellitenstrecken mit Leitungsvervielfachern (Digital Circuit Multiplication Equipment DCME) ausgenutzt wurde. Die Gesprächspausen werden mit den Sprachsignalen anderer Verbindungen aufgefüllt, sodass sich insgesamt die Kapazität erhöht.

Wenn bei einem GSM-Telefonat nur 40 % der 13 kBit/s auf dem Sprachkanal tatsächlich genutzt werden, stünden mit einer Voice Activity Detection (VAD) rechnerisch zwar rund 7,8 kBit/s für andere Teilnehmer oder Zwecke zur Verfügung; bei acht Zeitschlitzen macht das allerdings insgesamt nur 62,4 kBit/s aus und bliebe selbst unter günstigsten Annahmen weit unter den laut Haenel selbst im GSM-Netz erreichbaren 448 kBit/s.

Haken und Ösen

DCME-Einrichtungen sind allerdings netzbasiert und nicht endgerätegesteuert. Um die Sprechpausen für ein asynchrones Multiplexing auszunutzen, müsste ein Master-Handy Netzfunktionen übernehmen, in sämtliche Verbindungen anderer Teilnehmer derselben Funkzelle hineinhorchen, in den Lücken eine Verbindung aufbauen, Daten senden, und rechtzeitig wieder abbrechen, ohne dass dem anderen Teilnehmer Sprachdaten verloren gehen. Da im GSM-System immer nur ein Teilnehmer eine Verbindung halten kann - das Handy des zwischenzeitlich ‘weggedrückten’ Teilnehmers sie also wieder neu aufbauen müsste -, wäre das wegen der unvermeidlichen Signallaufzeiten nicht verlustlos zu verwirklichen. Für ‘absolut irreal’ hält einer der führenden Mobilfunk-Experten in der Bundesrepublik, Professor Bernhard Walke von der RWTH Aachen, das Konzept.

Zudem gibt es Voice Activity Detection im GSM-System schon. Sie dient aber anderen Zwecken: Um den mittleren Sendepegel aller Handys in einer Funkzelle möglichst gering zu halten und damit Interferenzstörungen zu begrenzen, wird in den Sprechpausen die Übertragung so lange unterbrochen, bis VAD wieder ein Sprachsignal erkennt (Discontinous Transmission DTX). Das hat den für Handys nicht unerheblichen Nebeneffekt, Batterieleistung zu sparen. Vor allem aber ermöglicht die Minimierung der Gleichkanalstörungen, die Zellen zu verkleinern und den Frequenzwiederholungsfaktor zu steigern. Auf der GSM-Luftschnittstelle VAD in Verbindung mit DCME einzuführen, liefe demnach mitnichten auf ein simples Umprogrammieren der Handys hinaus, sondern würde massive Eingriffe in die für den Sprachverkehr optimierte Architektur des GSM-Systems erfordern, mit Änderungen von der Hardware bis zum Layout der Funkzellen.

Dass das GSM-System Kapazitätsreserven besitzt, ist nicht neu. Tatsächlich ist ein Heer von Entwicklern mit nichts anderem beschäftigt, als an allen Parametern herumzuschrauben. Ausgefeilte Strategien sollen auch noch das letzte Quantum an Übertragungskapazität aus den Anlagen und Systemen herausknautschen.

Industrie im Tiefschlaf?

Das GSM-System arbeitet mit einer Kombination von FDMA und TDMA (Frequency Divison beziehungsweise Time Division Multiple Access). Für FDMA wird der verfügbare Frequenzbereich in Funkkanäle von jeweils 200 kHz Bandbreite aufgeteilt, und jeder dieser Funkkanäle wiederum über Zeitmultiplex in Zeitschlitze unterteilt, sodass pro Funkkanal acht Verkehrskanäle (Traffic Channels TFC) zur Verfügung stehen. Unter optimalen Bedingungen steigert HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) die Übertragungsraten durch die Bündelung von vier Verkehrskanälen (Zeitschlitzen) zu je 14,4 kBit/s auf bis zu 57,6 kBit/s; im E1-Netz (E-Plus) sind heute 28,8 kBit/s möglich. GPRS (General Packet Radio Service), momentan in der Einführungphase, wird paketorientiert Daten mit bis zu 107,2 kBit/s übertragen können.

GPRS stützt sich auf verschiedene, Coding Schemes (CS) genannte Verfahren der Kanalkodierung; je mehr Redundanz zur Fehlerkorrektur dabei in das Signal eingebaut wird, desto geringer ist die Nutzrate. Dies beginnt bei CS1 mit 9,6 kBit/s und schöpft bei CS4 mit 21,4 kBit/s, wobei fast keine Fehlerkorrektur mehr stattfindet, die volle Kapazität der Luftschnittstelle von 22,4 kBit/s schon nahezu komplett aus. Die Kodierung wird, beginnend mit CS1, zwischen Mobil- und Basisstation ausgehandelt und hängt von der Qualität der Übertragungsverhältnisse ab. Unter günstigsten Bedingungen wären damit maximal acht Zeitschlitze mit CS4, entsprechend 171,2 kBit/s, erreichbar.

Die meisten Netze werden sich auf CS2 (13,4 kBit/s pro Kanal) und eine Gesamt-Nutzdatenrate von 107,2 kBit/s beschränken. Der Grund: Das für die Sprachtelefonie optimierte GSM setzt die 13 kBit/s der Sprachcodecs in den Handys intern in so genannten Transcoding Units in 16-kBit/s-Signale um, damit jeweils vier GSM-Sprachkanäle in einen 64-kBit/s-ISDN-Kanal Platz finden und die Multiplex-Hierarchie im Festnetz-Backbone gewahrt bleibt. Bei den höherratigen Kanalkodierungen müsste eine neue Transportstruktur für die Signale eingeführt werden. ‘Die Wahrscheinlichkeit, dass jemand diesen Weg geht, ist extrem gering’, schätzt Joachim Ebinger von Nokia die Lage ein, ‘weil dann auch andere Technologieschritte möglich sind’.

So beispielsweise mit EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), einem System, das ebenfalls beträchtliche Umrüstungen erfordert. Der wesentliche Schritt ist die Ersetzung der bisherigen GMSK-Modulation (Gaussian Minimum Shift Keying) unter Beibehaltung des 200-kHz-Frequenzrasters von GSM durch ein neues 8PSK-Modulationsverfahren (8-stufiges Phase Shift Keying) mit einer erheblich höheren spektralen Effizienz, das Datenraten bis zu 384 kBit/s ermöglicht. EDGE ist tatsächlich eine Alternative zu UMTS - für Betreiber beispielsweise, die bei der Lizenzauktion leer ausgegangen sind. Denn EDGE verwendet, anders als UMTS, genau die gleichen Frequenzen wie GSM; die Umrüstung erfordert eine Ersetzung der GSM-Transceiver durch EDGE-Transceiver, und das System ist abwärtskompatibel. Jeder EDGE-Transceiver unterstützt auch GSM. ‘Da EDGE ein besserer Träger für HSCSD und GPRS ist, wird ihre Leistung durch E-CSD und E-GPRS sogar noch gesteigert’, betont Ebinger.

HBCDC

Interessanterweise ist in der Eigendarstellung seines Ansatzes, die Haenel im April bei Jugend forscht einreichte, von Sprechpausenausnutzung, wie sie die Jugend-forscht-Jury erwähnt, keine Rede. Er beschreibt das Verfahren als HSCSD-Multiplex, bei dem die Daten beim Sender auf HSCSD-Kanäle verteilt und beim Empfänger wieder zusammengesetzt werden.

Treffender wäre es wohl, von einer HSCSD-Kanalbündelung zu reden, die ähnlich der Bündelung von ISDN-B-Kanälen im Festnetz über die bei HSCSD ohnehin vorgesehene Bündelung von Zeitschlitzen (Verkehrskanälen) hinausgeht, indem sie eine oder mehrere zusätzliche Verbindungen zum Empfänger über weitere Frequenzkanäle aufbaut. Praktisch heißt das, dass Sender und Empfänger statt jeweils mit einer Mobilstation über mehrere Handys im Tandembetrieb kommunizieren.

Dies ließe sich tatsächlich, wie Haenel behauptet, ‘in jedem HSCSD-kompatiblen Netz ohne Hard- oder Softwareänderung betreiben’. Nur schafft ein solcher Funk-Datenbus über mehrere parallele HSCSD-Verbindungen keine zusätzlichen Ressourcen im Netz; die ‘UMTS-Alternative bis zum Jahresende’ ist eine Medien-Ente. Denn jeder weitere zugeschaltete Kanal steht anderen Teilnehmern nicht mehr zur Verfügung; sofern die Kosten der multiplen Verbindungen nicht ohnehin abschrecken, würden die Haenel-Handys als Hacker-Tool die GSM-Funkzellen schnell zusammenbrechen lassen. Das GSM-Netz ist mit einer Blocking Rate von zwei Prozent dimensioniert, das heißt mit einer Wahrscheinlichkeit von zwei Prozent hört der Teilnehmer bei der Einwahl ein Besetztzeichen. Jede wirksame Kanalbündelung müsste die Blocking Rate schlagartig in die Höhe treiben - eine Verschlechterung der Dienste-Qualität, an der kein Netzbetreiber interessiert sein kann.

Wie Haenel auf die von ihm angegebenen 448 kBit/s kommen will, hat er in seiner Darstellung nicht begründet. Selbst mit der vollen, vom ETSI spezifizierten Datenrate von 57,6 kBit/s pro HSCSD-Verbindung benötigte er dazu mindestens acht parallele Frequenzkanäle. Da steht der Implementierung in realen Endgeräten einiges im Wege. Die Handys im GSM-System arbeiten nämlich im Halbduplex-Betrieb; sie senden oder empfangen im Wechsel. Die Übertragung auf mehreren Frequenzkanälen im Funkbus hingegen erfordert einen gleichzeitigen Sende- und Empfangsbetrieb. Das macht erhebliche Zusatzmaßnahmen im Terminal nötig, um die Außerband-Energie des Sendebands unter den Mikrovolt-Bereich zu drücken, den der Empfänger am Eingang als Nutzsignalpegel auf der Empfangsfrequenz erwartet. ‘So etwas wird niemand bauen’, meint Bernhard Walke; ‘wenn ich in den Bereich von 400 kBit/s kommen will, dann muss ich das Modulationsverfahren und die Kanalkodierung ändern, und dann lande ich beispielsweise bei EDGE’.

Aber Haenel weiß sein System wirksam zu verkaufen. Als ‘zweibeinige PR-Agentur’ beschreibt ihn ein Juror von Jugend forscht. Und der Spiegel wusste zu berichten, auf einem Kongress habe kürzlich ein Siemens-Manager den Nachwuchsforscher zur Seite genommen und ihm gesagt, ‘was Hunderte von Leuten in unseren Entwicklungsabteilungen nicht geschafft haben, das haben Sie ganz allein herausbekommen’. Sowohl dem Adressaten dieses Lobs als auch dem Spiegel ist die feine Ironie offenbar entgangen. (jk)

Literatur

[1] Mobilfunk mit 448 kBit/s, c't 12/2000, S. 61

[2] Dusan Zivadinovi´c, Surf-Tempo mit HSCSD, c't 13/2000, S. 42 (jk)