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Mobilfunk-Messtechnik

Herausforderung Big-Data

8. September 2014, 10:38 Uhr | Meik Kottkamp, Technologie Management Mobilfunk bei Rohde & Schwarz, München

Der Datenhunger im zellularen Mobilfunk ist ungebrochen. Die Prognosen zu Teilnehmerzahlen und der von modernen Smartphones verarbeiteten Datenmengen sagen exponentielles Wachstum voraus. Die Rede ist von einer Verzehnfachung des mobilen Datenverkehrs in den kommenden sechs Jahren. Wie werden bereits heute diese immensen Datenmengen realisiert? Und wie stellen Netzbetreiber sicher, dass sie auch künftig die steigenden Herausforderungen durch Big-Data erfüllen?

Als tägliche Nutzer des mobilen Internets wundert uns die aktuelle Entwicklung nicht. Aber befragen wir heute unsere Eltern und Kinder, wie intensiv sie ihre Smartphones nutzen, so erhalten wir sehr unterschiedliche Antworten. Sie spiegeln nur zu gut den rasanten technischen Fortschritt, aber auch die Entwicklung in der Bedienerfreundlichkeit der Endgeräte, wider. Der Ericsson-Mobility-Report weist weltweit allein im ersten Quartal dieses Jahres 120 Millionen neue Mobilfunkteilnehmer aus: 28 Millionen in Indien, 26 Millionen in Afrika, 19 Millionen in China, et cetera. Den geringsten Zuwachs mit einer Million zeigt Westeuropa.

Für Ende 2019 werden weltweit 9,2 Milliarden Teilnehmer prognostiziert. Man geht also davon aus, dass bis dahin die Anzahl der Mobilfunkteilnehmer die Anzahl der Menschen auf unserer Erde übersteigen wird. Im Jahr 2013 betrug die Menge der konsumierten Daten pro aktiven Teilnehmer und pro Monat im Durchschnitt 650 MByte. Im Jahr 2019 soll diese Zahl auf 2,5 GByte steigen. Die Kombination beider Faktoren wird für einen exponentiellen Anstieg des Datenverkehrs weltweit sorgen. Gesucht sind Lösungsansätze auf die Frage, wie bereits heute die Übertragung dieser immensen Datenmengen realisiert wird und wie die Betreiber eines Mobilfunknetzes sicherstellen, dass sie Endkunden auch morgen eine zufriedenstellende Qualität – Quality-of-Experience - bieten.

Eigenschaften verschiedener Mobilfunk-Technologien
Betrachtet man die verschiedenen Mobilfunktechnologien 2G (GSM, GPRS, EDGE), 3G (UMTS, HSPA, HSPA+) und 4G (LTE/LTE-Advanced) wird deutlich, dass sowohl die Einführung neuer Übertragungstechnologien auf der Luftschnittstelle zwischen Netz (Basisstation) und Endgerät als auch eine optimierte Architektur des Mobilfunknetzes signifikante Verbesserungen gebracht haben. Die theoretisch maximal erreichbare Datenrate pro Endgerät hat sich von wenigen 100 kBit/s (EDGE) über 42 MBit/s (HSPA+) zu 300 MBit/s (LTE) entwik-kelt. Moderne, kommerziell verfügbare LTE-Endgeräte erreichen in einer idealen Laborumgebung 150 MBit/s. Im Netzbetrieb reduzieren jedoch Ausbreitungsbedingungen und das Shared-Channel-Prinzip die erreichbare Downloadgeschwindigkeit, weil die verfügbare Bandbreite unter allen gleichzeitig aktiven Nutzern aufgeteilt wird. Nichtsdestotrotz hat insbesondere die LTE-Technologie die verfügbaren Datenraten und auch die Netzkapazität erheblich gesteigert. Dies beruht auf den folgenden wesentlichen Bestandteilen:

Einer hohen Systembandbreite von 20 MHz, die einem einzelnen Teilnehmer zur Verfügung gestellt werden kann.
Ausnutzung des so genannten Spatial-Multiplexings (MIMO-Technologie), also die Verwendung von zwei beziehungsweise vier Sende- und Empfangsantennen, was bei ausreichend unkorrelierten Ausbreitungspfaden eine Verdopplung beziehungsweise Vervierfachung der maximalen Datenrate erlaubt.
Schnelles OFDMA-Multiplexing, das heißt Zuteilung von Ressourcen (in Frequenz und Zeit) können jede Millisekunde geändert werden. Die kleinste Ressource, die einem Endgerät zugeordnet werden kann, ist ein so genannter Ressource-Block (RB), der in der Frequenz 180 kHz und in der Zeit 0,5 ms umfasst.
Höherwertige Modulationsverfahren, konkret QPSK, 16QAM und 64QAM.

Eine schlanke Netzwerkarchitektur und die ausschließlich paketvermittelte Datenübertragung erlauben außerdem schnelle Reaktionszeiten des Mobilfunknetzes. Dies führt dazu, dass beispielsweise Internetseiten auf einem LTE-Smartphone deutlich schneller aufgebaut werden können als bei Verwendung älterer Technologien.