Mobiel breedband nu en in de toekomst

Gsm: Euro-standaard voor mobiel bellen

Edge en umts zijn nog niet overal beschikbaar, of de mobiele-telefonieproviders staan alweer klaar met hsdpa-apparatuur om hun netwerk nog sneller te maken. De consument maakt steeds vaker gebruik van niet alleen sms-diensten, maar surft ook mobiel en raadpleegt zelfs zijn e-mails op de gsm of smartphone. Hoe de bits en bytes zijn gsm bereiken en wat de verschillen nu precies zijn tussen gprs, umts, edge en hsdpa weten slechts weinigen. In dit artikel proberen wij de lezer in vogelvlucht langs deze mobiele breedbandtechnologieën te leiden om licht te laten schijnen in deze duisternis.

Europa vs. Amerika

De mobiele werker Terwijl in Amerika de 1900MHz-frequentieband gebruikt wordt om mobiel te bellen met tdma/damps-netwerken, is in Europa de gsm-standaard onbetwist leider voor draadloos telefoneren op verplaatsing. Gsm is een variant op het in Amerika gebruikte tdma die op frequenties van 800MHz en 1800MHz opereert.

Net zoals tdma heeft een gsm-toestel drie timeslots tot zijn beschikking. Deze slots kunnen eenvoudig voorgesteld worden als communicatiekanalen, wat dus inhoudt dat een gsm-gebruiker drie gegevensstromen tegelijk kan versturen en ontvangen. De maximale doorvoersnelheid van gegevens ligt daardoor op zowat 14,4 kbps.

Ontwikkeling van de gsm-standaard

In 1982 werd de Groupe Spéciale Mobile opgericht met als doel het ontwikkelen van een standaard voor mobiele telefonie. De groepering werd ondergebracht onder het toenmalige Cept. Deze instantie zou drie jaar nodig hebben om te besluiten dat er voor een digitaal systeem geopteerd zou worden. In 1985 echter tekenden Frankrijk, Italië, Groot-Brittannië en West-Duitsland een overeenkomst en een jaar later keurde Europa het gebruik van de 900MHz-frequentieband goed. In februari 1987 werd vervolgens een 'Memorandum of Understanding' opgesteld waarin vijftien commissieleden uit dertien landen zich ertoe engageerden de gsm-standaard te gaan invoeren.

Gsm Het zou echter nog tot 1991 duren voor het eerste gsm-gesprek plaats kon vinden, in Finland. In 1992, tien jaar na de oprichting van de Groupe Spéciale Mobile, was het Australische Telstra de eerste provider van buiten Europa die het document ondertekende en daarmee aangaf de standaard ook te gaan willen gebruiken. In 1993 uiteindelijk waren er tweeëndertig netwerken beschikbaar in 18 verschillende landen en doken ook de eerste commercieel verkrijgbare gsm-toestellen op. In Nederland werd het eerste gsm-netwerk in juli 1994 geopend door de toenmalige PTT Telecom. De in 1990 definitief vastgelegde standaard bepaalt overigens alleen de functies en interfacevereisten, maar zeggen niets over de te gebruiken hardware. Daarbij legt de Groupe Spéciale Mobile geen verplichtingen op, maar doet zij enkel aanbevelingen aan wie de standaard wil gaan implementeren.

De technologie

Communicatiesystemen Om spraakberichten te versturen - eenvoudig gezegd, om te kunnen bellen - codeert een gsm-toestel het geluid zodat er tussen de 11,4 kilobits per seconde en 22,8 kbps nodig zijn voor het doorsturen van de spraak. In het geval van de maximale bandbreedte, is overigens slechts 13 kbps gereserveerd voor de spraak, terwijl 9,8 kbps voor foutcorrectie moet dienen. Hoewel het op die manier doorgestuurde signaal nog uitstekend verstaanbaar is, moet gsm-communicatie het toch duidelijk afleggen tegen een isdn-signaal. Deze laatste technologie beschikt namelijk over een bandbreedte van 64 kbps voor het spraaksignaal.

Naast spraaktoepassingen, kan gsm ook gebruikt worden voor dataoverdracht middels fax- of datagesprekken. In die gevallen bedraagt de maximale doorvoersnelheid echter 9,6 kbps. Net zoals Cell Broadcast - het versturen van een bericht naar alle gebruikers in een bepaalde regio - en de mogelijkheid om data direct naar een gebruiker te sturen, worden deze toepassingen in België en Nederland echter weinig gebruikt.

Hoe werkt het

Als een gebruiker een gsm-gesprek wil voeren, communiceert deze altijd met het Base Transceiver Station met het sterkste signaal. Dit bts is in de meeste gevallen de dichstbijzijnde communicatiemast. Als het signaal deze bts bereikt heeft, wordt het ontdaan van de foutcorrectie die toegevoegd werden voor de draadloze overdracht om vervolgens doorgestuurd te worden naar een centraal basisstation: de Base Station Controller (bsc). Hier wordt het verkeer richting het Mobile Switching Centre (msc) gestuurd om van daaruit naar de centrale van de ontvangende partij gerouteerd te worden.

Een van de populairste toepassingen van gsm's, is echter een speciaal geval. Sms-berichten zijn namelijk niet opgenomen in de standaardfunctionaliteit van het gsm-netwerk, maar lopen via het signaleringsnetwerk in plaats van via het gewone communicatienetwerk. Een tekstbericht wordt bijgevolg van de bts, via de bsc naar de msc gestuurd om daar afgeleverd te worden bij de sms-centrale. Dit signaleringsnetwerk is onder andere bedoeld om de status van handsets door te geven en te bepalen waar een bepaalde gebruiker zich bevindt om zodoende een gesprek naar de juiste zendmast te kunnen leiden.

Het wereldrecord sms'en staat op 41,52 seconden

Gprs en edge

General Packet Radio Service, kortweg gprs, werd ontwikkeld als uitbreiding op de bestaande gsm-standaard en is bedoeld voor het verzenden van data over mobiele netwerken. Een van de kenmerken van gprs is dat gebruikers in principe altijd online zijn en afgerekend worden op de hoeveelheid data die zij versturen en ontvangen, in plaats van op de tijd die ze online doorbrengen. Een aantal providers weet hier echter een mouw aan te passen om gebruikers abonnementsformules op maat te presenteren, waarbij zij de keuze hebben tussen facturering per minuut of per megabyte.

De technologie

Gprs is een uitbreiding op de bestaande gsm-standaard en wordt daarom ook wel betiteld als een 2,5G-netwerk, aangezien gsm een netwerk van de tweede generatie is. In tegenstelling tot spraak zijn de databerichten die via een gprs-connectie verstuurd worden echter pakketgeschakeld, zodat er een aanpassing in de netwerkinfrastructuur van de provider nodig is.

In de Base Station Controller worden circuitgeschakelde spraakverbindingen en pakketgeschakelde dataconnecties immers uit elkaar gehaald. Terwijl de spraakgegevens naar het Mobile Switching Centre gestuurd worden, worden de datapakketten verwerkt door de Serving GPRS Support Node. Deze verleent de gebruikers toegang tot het netwerk, terwijl de Gateway GPRS Support Node de verbinding met het internet verzorgt.

Structuur van een GSM-netwerk met gprs (klik voor groter)

Doordat gprs meerdere timeslots tegelijk kan gebruiken, zijn hogere doorvoersnelheden mogelijk - in theorie zelfs tot 144kbps. Bovendien hoeft het aantal timeslots voor downstreamverkeer niet even groot te zijn als het aantal timeslots voor upstreamcommunicatie. Afhankelijk van de gebruikte codering en bijhorende foutcorrectie zijn dan ook verschillende snelheden haalbaar: 9 kbps, 13,4 kbps, 15,6 kbps en 21,4 kbps. Omdat een gebruiker nooit alle timeslots tegelijk zal toegekend krijgen door het netwerk, is de theoretische maximale doorvoersnelheid in de praktijk echter niet haalbaar.

Met de stijgende snelheid, daalt echter het percentage van het dekkingsgebied waar van de gprs-verbinding gebruik gemaakt kan worden. Nieuwere apparatuur laat gebruikers dan ook toe transparant van snelheid te switchen al naargelang de beschikbaarheid.

Edge

Omdat niet alle providers het migreren van hun netwerk naar umts-technologie zagen zitten, gingen ze brainstormen over een manier om de gprs-netwerken op te waarderen en zo hogere snelheden te kunnen bieden.

Edge-pc-kaart Edge, een acroniem voor Enhanced Data Rates for GSM Evolution, laat snelheden tot 384Kbps toe, hoewel deze snelheid in de praktijk zelden gehaald wordt. Een van de technieken die men gebruikt om hogere snelheden te kunnen bereiken, is gebruikmaken van een andere modulatietechniek. Dankzij de 8PSK-technologie kan meer informatie per datablok verstuurd worden. Om edge aan te kunnen bieden, hoeven providers geen hardwareveranderingen door te voeren in hun gsm-netwerk. Wel moeten edge-ondersteunende zenders en ontvangers in het basisstation geïnstalleerd worden. Vanzelfsprekend moeten de mobiele telefoons wel aangepast worden om de nieuwe modulatie toe te kunnen passen.

Umts

Umts-kaartje in laptop Umts - Universal Mobile Telecommunications System - wordt in Europa algemeen beschouwd als opvolger voor de gsm-gprs-combinatie en wordt daarom ook als 3G-netwerk betiteld. In tegenstelling tot gprs, is umts immers geen uitbreiding op een bestaande netwerkspecificatie, maar gaat het om een geheel nieuwe technologie. Dit betekent ook dat providers hun infrastructuur, met name de antennes, moeten aanpassen aan het gebruik van deze mobiele technologie.

Technologie

Providers die reeds gsm en gprs aanbieden, moeten investeren in aanpassingen om hun apparatuur geschikt te maken voor de hogere snelheden. De Mobile Switching Centres, Gprs Service Nodes en de authenticatiesystemen kunnen echter wel hergebruikt worden. Op plaatsen waar een provider de nodige aanpassingen gedaan heeft, krijgen gebruikers een maximumsnelheid van 384Kbps beschikbaar. Dit ligt overigens fors lager dan het theoretische maximum van 2Mbps.

In tegenstelling tot de gsm-standaard, is umts gebaseerd op w-cdma-technologie. Een nadeel van deze keuze is dat w-cdma een relatief breed spectrum van 5MHz-frequentiebanden nodig heeft, waardoor de technologie in sommige landen slechts langzaam ingevoerd kon worden doordat overheden aarzelden om de nodige frequenties vrij te geven. Volgens de umts-specificaties moeten de frequentiebanden tussen 1885 en 2025MHz gereserveerd worden voor de uplink, terwijl de downlink over de band tussen 2110 en 2200MHz loopt. In Amerika besloten de meeste providers echter voor een lagere frequentieband te kiezen voor de uplinkverbinding.

Umts-antenne De grootste investering voor providers die umts willen gaan aanbieden, zit dan ook niet in de aanpassingen van hun backboneinfrastructuur, maar wel in het verkrijgen van de nodige licenties op een frequentieband en het aanpassen van de zendmasten. Dit zorgde er in 2001 voor dat verschillende bazen van mobiele-telefonieproviders met de handen in het haar zaten. Zij hadden immers grof geld neergeteld voor de umts-frequenties, maar met het klappen van de internethype zagen zij de waarde van die frequentiebanden drastisch dalen.

Een belangrijk verschil ten opzichte van de gsm-standaard, is de manier waarop de backbone gevormd wordt. Deze kan namelijk op verschillende technologieën gebaseerd zijn en kan onder andere gebruikmaken van een internetverbinding, maar ook van isdn-, gsm- of umts-connecties. Deze interface, aangeduid als Generic Radio Access Network of GeRAN, beschrijft de drie onderste lagen van het osi-netwerkmodel. Zowel de onderste fysieke laag, de datalaag als de netwerklaag worden in de GeRAN voorzien. De protocollen die daarvoor gebruikt worden, worden bestempeld als de Radio Resource Management-protocollen en omschrijven via welke wegen het signaal van de mobiele handsets naar het vaste netwerk gestuurd kan worden.

Aangezien umts een geheel nieuwe technologie is, is deze in principe niet compatibel met gsm-netwerken. Daarom zijn umts-telefoons die in Europa gebruikt worden zonder uitzondering hybride toestellen die zowel umts- als gsm-taal spreken. Gebruikers die zich in een gebied zonder umts-dekking bevinden of zich tijdens een gesprek naar zo'n gebied verplaatsen, worden dan ook transparant overgeschakeld naar het gsm-netwerk.

Structuur van een UMTS-netwerk (Klik voor groter)

Hsdpa

Omdat mobiel breedband steeds vaker gebruikt werd en toepassingen als video on demand heel wat bandbreedte vereisen, werd een nieuwe technologie bedacht. Hsdpa is in principe niets meer dan een nieuwe versie van de umts-standaard en wordt ook wel als netwerk van de 3,5^e generatie gezien. High-Speed Downlink Packet Access wordt momenteel door providers uitgerold en biedt nu al downloadsnelheden tot 1,8Mbps of 3,6Mbps. In de nabije toekomst moet het echter haalbaar worden om gegevens met een snelheid van 14,4Mbps te downloaden.

Promoplaatje hsdpa Om deze hogere snelheden mogelijk te maken, werden de w-cdma- en td-cdma-specificaties uitgebreid met een extra communicatiekanaal. Dit 'high-speed downlink shared channel' wordt, zoals de naam al aangeeft, alleen maar gebruikt voor het downloaden van informatie en werkt anders dan de rest van de voor umts gebruikte cdma-kanalen. Voor dit hs-dsch-kanaal werden twee features van de overige cdma-kanalen overboord gezet en ingeruild voor een drietal nieuwe technologieën. Daardoor kon men gebruik gaan maken van 'Adaptive Modulation and Coding'.

Dit houdt in dat de modulatie van gegevensstromen gewijzigd kan worden naarmate de signaalkwaliteit voor een gebruiker toeneemt of afneemt. De eerste berichten worden met qpsk-modulatie verstuurd tegen een maximumsnelheid van 1,8Mbps, maar als het bereik voldoende blijkt te zijn, wordt er automatisch overgeschakeld op het snellere 16QAM, wat een dubbele datadoorvoersnelheid kan bieden ten opzichte van qpsk.

Een tweede technologie die de hogere snelheden mogelijk moet maken, is de nieuwe manier om pakketjes te schedulen. Elke hspda-telefoon verstuurt namelijk zowat vijfhonderd keer per seconde een bericht naar de centrale waarin deze aangeeft hoe het met de signaalkwaliteit gesteld is. Op basis van deze informatie bepaalt het base station vervolgens naar welke gebruikers gegevens gestuurd zullen worden in het volgende tijdsframe van twee miliseconden. Bovendien worden er naarmate de signaalkwaliteit beter of slechter is respectievelijk meer of minder gegevens in dat tijdsframe verstuurd. Doordat er verschillende 'channelisation codes' gebruikt kunnen worden, kunnen gegevens bovendien naar meerdere gebruikers tegelijkertijd verstuurd worden.

Afhankelijk van de bandbreedte die voor telefoongesprekken en niet-hsdpa-surfers gereserveerd wordt, kunnen een aantal kanaalcodes ingezet worden voor hsdpa-gebruikers. Op het moment dat een gebruiker verbinding maakt met het base station, communiceert dit met de handset over een aantal 'scheduling channels'. Deze kanalen zijn op hun beurt weer geheel onafhankelijk van de communicatiekanalen en worden gebruikt om door te geven met welke kanaalcode de gegevens verstuurd zullen worden.

In 2006 zijn de eerste Nederlandse providers begonnen met het aanbieden van hsdpa-toegang op hun mobiele netwerk, waarbij T-Mobile in april de spits afbeet. Vodafone volgde begin oktober en inmiddels is ook KPN aan het lijstje hsdpa-providers toegevoegd. Deze laatste claimt bovendien al een dekkingspercentage van negentig procent van de bevolking te kunnen bieden, terwijl Vodafone hoopt deze dekkingsgraad in maart te bereiken. Telfort lijkt nog geen hsdpa-plannen te hebben, maar houdt het voorlopig bij edge, waarmee het bedrijf wel al landelijke dekking realiseerde. Doordat deze provider overgenomen werd door KPN, staat de opwaardering van het Telfort-netwerk naar umts echter tijdelijk 'on hold'.

Dekkingsgebied voor mobiel internet met een 'HSDPA/UMTS/EDGE/GPRS Mobiel Internet Kaart' van KPN

Wifi, wimax en concurrenten

Naast alle technologieën voor mobiel bellen, zijn er ook nog een aantal andere spelers op de markt die aan mobiele breedbandtoegang werken.

Wifi

WiFi Alliance-logo Wifi is onder tweakers algemeen bekend als draadloze-netwerktechnologie. Hoewel wifi-producten meestal ingezet worden voor thuisnetwerken en ter vervanging van bekabelde netwerken in bedrijven, zijn er ook bedrijven die een toekomst voor wifi weggelegd zien als mobiel-breedbandtechnologie. Het bekendste voorbeeld is het door Google aangelegde wifi-netwerk in Mountain View, waarbij gebruikers gratis draadloos kunnen surfen door in te loggen met hun Google-account. Ook initiatieven als Fon willen een open netwerk voor mobiele internettoegang realiseren.

Wimax

Wimax, de Worlwide Interoperability for Microwave Access, is een nieuwe standaard die ontwikkeld werd door het WiMAX Forum en die gebaseerd is op de ieee 802.16-netwerkstandaard. Wimax is overigens niet alleen bedoeld voor het opzetten van complete netwerken van de vierde generatie, maar is bij uitstek geschikt om verschillende wifi-hotspots met elkaar te verbinden of om de 'last mile' van kabel- of dsl-netwerken te vervangen. Belangrijke voordelen van wimax ten opzichte van wifi zijn het grotere bereik en de betere encryptiemogelijkheden, die bij wifi eerder beperkt zijn met wep- en wpa-versleuteling.

In theorie kan een wimax-netwerk een bereik van 70 mijlen (112 kilometer) voorzien van een communicatiesnelheid van 70Mbps. Deze snelheden en specificaties zijn echter alleen haalbaar in ideale omstandigheden, waarbij een perfecte 'line of sight' een van de belangrijkste voorwaarden is. In de praktijk zal in de meeste gevallen dan ook slechts een snelheid van 10Mbps gehaald worden, en dat in een straal van 2km rond het basisstation. Een belangrijk nadeel van deze technologie, is bovendien dat alle gebruikers die op een basisstation aangesloten zijn, de beschikbare bandbreedte met elkaar moeten delen.

Toch zijn er mobiele telefonieproviders die in wimax een uitstekend hulpmiddel zien om hun netwerkcapaciteit uit te breiden. Zo heeft het Amerikaanse Sprintel al aangekondigd dat het de komende jaren drie miljard dollar zal gaan investeren in de uitbouw van een wimax-netwerk voor dataintensieve toepassingen om zo zijn telefonienetwerk te ontlasten. Telefoonfabrikant Nokia kondigde al aan dat het in 2008 de eerste wimax-telefoons wil gaan verkopen.

WiBro

Wireless Broadband is een in Korea ontwikkelde technologie die als alternatief voor wimax moet dienen. Een aantal kenmerken zijn de theoretische datadoorvoersnelheid van 30 tot 50Mbps en het bereik van een tot vijf kilometer. In de prakijk blijken deze cijfers echter beduidend lager te liggen. Hoewel de technologie in Korea ontwikkeld werd en voornamelijk daar gepromoot wordt, zijn ook een aantal internationale providers geïnteresseerd in wibro. Telecom Italia rolde in februari 2006 onder andere een wibro-netwerk uit ter gelegenheid van de Olympische Winterspelen, waarbij downloadsnelheden van 10Mbps gehaald werden. Het Amerikaanse Sprint en het Britse BT zijn momenteel bezig met onderzoek naar de implementatie van wibro.

Ultra Mobile Broadband

Umb is de naam waaronder de 3GPP aan een verbeterde standaard voor mobiele telefonie werkt. Doelstellingen van deze technologie zijn onder andere het beduidend verhogen van de capaciteit en het ondersteunen van snelheden tot 280Mbps, tegen lagere kostprijzen. Naar verwachting zal umb tegen halverwege dit jaar tot standaard verheven worden, waarna providers in 2009 zouden beginnen met het commercieel aanbieden van deze mobiele internettoegang.

Slot

Het is duidelijk dat de vraag naar mobiel bandbreedte de komende jaren sterk zal toenmenen, en providers (in Nederland) zijn druk bezig met de upgrade naar hsdpa-technologie om de verwachte groei aan te kunnen. Het is echter de vraag of hsdpa in staat zal zijn de gewenste kwaliteit te bieden. Het gebruik van wifi en andere draadloze technieken blijft vooralsnog beperkt tot een enkel experiment of een stunt van Google. Voor dichtbevolkte gebieden lijkt Wimax een goede techniek te zijn om de draadloze communicatie te verzorgen, maar de beste oplossing moet komen uit de implementatie van 4G-netwerken met snelheden tot 100Mbps, iets wat providers in China blijkbaar al hebben ingezien.