INFO&GRUNDLAGEN
Universal Mobile
Telephone Service
Teil 1: Vom A-Netz bis UMTS
von Dipl.-Ing. Gregor Kleine
Die Versteigerung der
UMTS-Frequenzen hat (dank
des hohen Erlöses) ein enor-
mes Aufsehen erregt. Doch
was ist UTMS, worin unter-
scheidet es sich vom her-
kömmlichen Mobilfunk und
wohin führt der Weg in die
schöne neue Handy-Welt?
UMTS gehört zu einem der untereinander aus dem ehemaligen Projekt Gerätegeneration eine globale Eini-
kompatiblen Mobilfunksysteme (Portabilität), FPLMTS, Future Public Land Mobile gung bezüglich Frequenzbereich und
die die ITU unter der Bezeichnung IMT-2000 Telephone System, hervorgegangen. Übertragungsverfahren an. Durch
standardisiert hat. IMT steht dabei für Inter- Erstmals beim Mobilfunk strebt man die weltweite Normung - unter
national Mobile Telecommunications. Es ist für diese auch 3G genannte dritte anderem bei der ITU und bei ETSI -
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ist dann endlich mit den 3G-Handys er eine einzige weltweit eindeutige
Neue Einsatzgebiete
weltweites Roaming möglich. Nummer erhält.
von UMTS
Roaming bezeichnet die Möglichkeit, Die maximale Datenrate von UMTS
sich in anderen Funk-netzen und in wird 2 Mbit/s betragen. Diese Daten- Das weltweit benutzbare UMTS-Funktermi-
anderen Ländern mit dem rate kann aber nur im städtischen nal wird neben dem heute gängigen Telefon-
UMTS/IMT2000-Mobilfunkgerät frei Bereich und für quasi-ortsfeste Ver- betrieb mit SMS und WAP auch völlig neue
zu bewegen und es überall nutzen bindungen erzielt werden. Im mobi- Multimedia-Dienste möglich machen: Neben
zu können. Weltweites Roaming len Betrieb mit geringer Geschwin- Internetzugang, E-Mail und Electronic Ban-
würde es erlauben, in allen an UMTS digkeit (z.B. Fußgänger) sollen es king wird es Bildtelefonie und Videokonfe-
teilnehmenden Nationen mit dem immerhin noch maximal 384 kbit/s renzen über das UMTS-Handy geben. Musik-
eigenen Handy eine Verbindung zu sein. Garantiert erreicht sollen in hören wird mit MP3 über UMTS in großer
bekommen. Die Kennzeichnung jedem Fall, also auch z.B. bei schnel- Auswahl möglich sein. Schnelle Bildübertra-
eines jeden Teilnehmers mit einer ler Autofahrt, noch mindestens 128 gung in Form elektronischer Postkarten lässt
Mobilfunkrufnummer wird dann kbit/s werden. Familien und Freunde enger in Kontakt blei-
natürlich so angelegt werden, dass ben. Viele neue Einkaufsmöglichkeiten wird
es geben. Bezahlt werden kann ebenfalls mit
dem persönlich authentifizierten UMTS-
Handy. Desweiteren wird man sein persönli-
ches Handy als Schlüssel zur eigenen Woh-
Abkürzungs-Verzeichnis
nung einsetzen können. Außendienstmitar-
2G Second Generation (Mobile System)
beiter können per UMTS mobil mit dem
3G Third Generation (Mobile System)
eigenen Firmennetz verbunden bleiben. Ein
AMPS Analog Mobile Phone System (C-Netz-Verfahren in USA)
großer Einsatzbereich werden auch mobile
ANSI American National Standards Institute (USA)
Verkehrsleitsysteme, Flottenmanagement,
ARIB/TTC Association of Radio Industry and Business (Japan)
Notrufsysteme und Positionsermittlung von
BW Bandwidth
Fahrzeugen und Personen sein. Es können
CDMA Code Division Multiple Access
DCS Digital Cellular System (DCS1800) dann auch positionsabhängige neue Dienste
DECT Digital European Cordless Telephone angeboten werden, wie z.B. die Suche nach
EDGE Enhanced Data Rate for GSM Evolution
dem nächten Parkhaus oder den umliegenden
ETSI European Telecommunications Standardization Institut (Europa)
Restaurants.
FDD Frequency Division Duplexing
Mit UMTS wird sich das Handy also mehr in
FDMA Frequency Division Multiple Access
Richtung eines mobilen PCs entwickeln. Dis-
FPLMTS Future Public Land Mobile Telephone System
plays und Eingabemöglichkeiten werden
GMSK Gaussian Minimum Shift Keying
gegenüber heutigen Handys viel komforta-
GSM Global System for Mobile Communications
bler sein.
(ursprünglich: Groupe Speciale Mobile)
GPRS General Packet Radio Service
Stand der Technik
HSCSD High Speed Circuit Switched Data
IMT International Mobile Telecommunications
Ursprung des Mobilfunks war das A-Netz
ITU International Telecommunications Union
LNA Low Noise Amplifier (Tabelle 1), dessen Endgeräte mehr als DM
LO Local Oscillator
8000,- kosteten und rund 15 kg wogen. Der
MSS Mobile Satellite Service
Betrieb war umständlich, da per Handver-
NMT Nordic Mobile Telephone (C-Netz-Verfahren in Skandinavien)
mittlung mit einem Operator gearbeitet
NTT Nippon Telecom & Telegraph Corporation (C-Netz-Verfahren in
wurde. Anrufe vom Festnetz gingen über die
Japan)
Inlandshandvermittlung, solche vom Mobil-
PA Power Amplifier
telefon kamen durch  Anpiepsen eines Funk-
PCS Personal Communications System
operators zustande. Trotzdem wurde mit dem
QPSK Quaternary Phase Shift Keying, Vierphasenumtastung
A-Netz eine Flächendeckung von 80 %
8PSK 8 Phase Shift Keying, 8fach Phasenumtastung
erreicht.
SIM Subscriber Identity Module
Der Mobilfunk im Selbstwählverfahren
SMS Short Message Service
begann in Deutschland und einer Reihe von
TACS Total Access Communication System (Großbritannien)
TCP/IP Transport Control Protocol / Internet Protocol Nachbarländern dann Anfang der 70er Jahre
TD/CDMA Time Division CDMA mit dem so genannten B-Netz, das im Volks-
TDD Time Division Duplexing
mund als Autotelefon bekannt wurde. Das
TDMA Time Division Multiple Access
Versorgungsgebiet war in einzelne Funkver-
TTA Telecommunications Technologies Association (Südkorea)
kehrsbereiche von etwa 20...30 km Radius
UMTS Universal Mobile Telephone Service
eingeteilt, die von sog. festen Landfunkstel-
UTRA UMTS Terrestrial Radio Access
len versorgt wurden. Sollte ein Autotelefon
VCO Voltage Controlled Oscillator
angerufen werden, so musste der Aufent-
WAP Wireless Access Protocol
haltsort bekannt sein, um die zu wählende
W-CDMA Wideband Code Division Multiple Access, Wideband-CDMA
Kennziffer der Landfunkstelle ermitteln zu
WRC World Radiocommunication Conference
können. Auch Luxemburg, die Niederlande
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und Österreich betrieben ein B-Netz.
Dem analogen B-Netz folgte Anfang der 80er WWW-Informationsquellen
Jahre das C-Netz, welches erstmals als zel-
Organisationen:
lulares Funknetz unter Wiederverwendung
UMTS-Forum www.umts-forum.org
von Funkkanälen in entfernten Zellen aufge-
UMTS-Lizensierungsstand www.umts-forum.org/licensing.htm
baut wurde. Trotz internationaler Einigungs-
International Telecommunication Union www.itu.int/imt
versuche entstanden in den einzelnen Indu-
European Telecommunications Standards Institute www.etsi.org/umts
striestaaten unterschiedliche analog arbei- Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post www.regtp.de
tende C-Netz-Systeme: Während die USA ihr Regierungsbehörde UK www.spectrumauctions.gov.uk
Universal Wireless Communications Consortium www.uwcc.com
AMPS-System (= Analog Mobile Phone
Third Generation Partnership Projec www.3gpp.org
System) einführten, gab es in Großbritannien
das TACS-Verfahren (= Total Access Commu-
Hersteller und Betreiber:
nication System) und in Skandinavien NMT
Ericsson www.ericsson.com
(= Nordic Mobile Telefone).
Nokia www.nokia.com
Das Kanalraster im C-Netz betrug zunächst
Alcatel www.alcatel.de
20 kHz, womit rund 100.000 Teilnehmer mög-
Motorola www.motorola.com
lich waren. Der unerwartet große Erfolg des
Nortel www.nortelnetworks.com
C-Netzes machte dann aber die Änderung
Nippon Telecom & Telegraph Corporation www.nttdocomo.com
auf 12,5-kHz-Kanalraster notwendig, was Africa Cellular www.cellular.co.za
zusammen mit der Bildung von kleineren Zel-
len eine Kapazitätserhöhung auf über 1 Mio.
Teilnehmer ergab. Mit dem C-Netz, das von
Siemens als  C-Tel 450 Standard entwickelt oberes Band nur ein Bereich bei 1,9 Differenz zwischen Downlink-Fre-
wurde, konnten wichtige Erfahrungen bezüg- GHz zur Verfügung. Das Verfahren quenz und Uplink-Frequenz, im 900-
lich der Arbeitsweise eines zellularen Mobil- wird dort PCS genannt (Personal MHz-Band 45 MHz, bei DCS1800
funknetzes gemacht werden: Die Prozedur Communications System). In Europa sogar 95 MHz. Mit Triple-Band-Han-
der Übergabe einer Funkverbindung von stehen im 900-MHz-Bereich (GSM dys ist es möglich, alle drei Fre-
einer Basisstation an die nächste (Handover) 900) 125 (erweitert: 173) Kanalpaare quenzbereiche benutzen zu können.
und die Verwaltung von im Netz befindlichen und im 1800-MHz-Band (DCS 1800) Damit ist ein GSM-Empfang nicht
Teilnehmern inklusive Gebührenerfassung 374 Kanäle für den Aufbau eines zel- nur in Europa, sondern auch in den
und -abrechnung zählen zu diesen neuen Ver- lularen Funknetzen zur Verfügung. GSM-Netzen Nordamerikas möglich.
fahren. Auch wurde erstmals eine persönli- Bei einem Kanalabstand von 200 kHz Das GSM-Netz ist in einzelne Funk-
che Benutzerkarte (SIM-Karte, später SIM- beträgt der Duplexabstand, also die zellen unterteilt, in denen jeweils
Modul) eingesetzt, die aus einem frei erhält-
lichen, aber so zunächst nicht benutzbaren
Endgerät ein personenbezogen abrechenbares
Mobiltelefon machte. Der Flächendeckungs-
grad erreichte erstmals 100 %, vorausgesetzt
UMTS
2000
es wurden 15 W starke Mobilgeräte einge-
setzt. Die Handgeräte erreichten aber nur
Kbit/s
maximal 1 W Sendeleistung.
GSM wurde in Deutschland nach seiner Stan-
EDGE
dardisierung durch ETSI dann 1992 in Form
384
der D-Netze (D1 - Telekom und D2 - Mannes-
mann AG) eingeführt, zu denen kurz danach
noch die E-Netze (E Plus, Viag Interkom)
kamen. Erstmals gab es damit öffentliche GPRS
115
digitale Funkkommunikation zwischen Mobil-
teilnehmer und Basisstation. GSM startete
mit dem 900-MHz-Band, das von den beiden
D-Netzen benutzt wird. Später mussten zur
Kapazitätserweiterung in Zonen hohen
HSCSD
Gesprächsaufkommens (zum Beispiel Bahn- 57,8
höfe) weitere 800-MHz-Frequenzen und der
1,8-GHz-Bereich (DCS 1800) hinzugenommen
GSM+
14,4
werden. Dual-Band-Handys können beide
GSM
9,6
Frequenzbereiche ohne hörbare Übergangs-
probleme ausnutzen. Die E-Netze arbeiten
1992 2000 2001 2003
ausschließlich im 1,8-GHz-Band.
000183 - 1 - 11
In Nordamerika hat sich GSM nicht flächen-
deckend, sondern nur in einigen inselförmi-
gen Netzen etabliert. Allerdings steht hier als
Bild 1. Entwicklung von GSM zu UMTS.
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Tabelle 1. Mobilfunknetze in Deutschland
Generation Netz Betrieb Teilnehmer Frequenzbereich Kanalpaare Kanalraster Duplexabstand Modulation
- A 1958-1977 10.500 150-MHz-Bereich 16 - - FM, analog
- B 1972-1994 27.000 148 - 163 MHz 38 20 kHz 4,6 MHz FM, analog
1 G C 1981-2000 300.000 450 - 465 MHz 287 12,5 kHz 10 MHz FM, analog
D seit 1992 z.Zt. 880 - 960 MHz 173 45 MHz
2 G D / E E seit 1994 400 Mio. 1710 - 1880 MHz 374 200 kHz 95 MHz GMSK, digital
weltweit 1850 - 1990 MHz 299 80 MHz
3 G UMTS ab 2001 - 1885 - 2025 MHz,
2110 - 2200 MHz 12 5 MHz 190 MHz WCDMA, digital
einige der 173 zur Verfügung ste- Jahren die Nachfrage nach Multime- Steigerung je Jahr. Deshalb bieten einige
henden Frequenzen für Funkverbin- dia-Anwendungen stetig steigen, so Netzbetreiber schon heute als Zwi-
dungen zum Handy eingesetzt wer- dass hier die GSM-Technik mit ihren schenschritt auf dem Weg vom 2G-Standard
den können. Jede Frequenz wie- niedrigen Datenraten nicht mehr GSM zum 3G-Standard UMTS/IMT-2000 ver-
derum bedient bis zu acht ausreicht. Lösung dieses Problems schiedene Techniken an, die eine schnellere
Teilnehmer im Zeitschlitzverfahren sind zunächst ein Upgrade der GSM- Datenübertragung im GSM-Netz möglich
(TDMA). Mit jeder neuen eingesetz- Netze mit Techniken, die die Daten- machen (Bild 1). Diese als 2.5G-Generation
ten Kanalfrequenz steigt die mögli- rate erhöhen. Schließlich soll dann bezeichneten Verfahren sind alle rückwärts-
che Anzahl gleichzeitig in einem der Übergang zu UMTS einen großen kompatibel zu GSM, bisherige GSM-Geräte
Telefongespräch befindlicher Handys Sprung bei der maximal möglichen werden nicht gestört und nicht mit den
also um acht. Handys, die nur im Datenrate auf bis zu 2 Mbit/s brin- neuen Diensten ausgestattete GSM-Netze
Funknetz standby sind, empfangen gen. arbeiten korrekt auch mit neuen Handys
einen der Organisationskanäle, um Charakteristisch für Multimedia- zusammen.
auf ankommende Gespräche zu war- Anwendungen ist die unsymmetri- Das normale GSM-Verfahren erlaubt eine
ten. sche Datenübertragung. Bei der Datenrate von 9,6 kbit/s je GSM-Kanal, das
Heutige GSM-Handys bestehen aus Internetnutzung werden wesentlich heißt TDMA-Zeitschlitz. Jeder GSM-Frequenz
Chipsets von zwei bis vier hochinte- höhere Datenvolumina von der ist mit acht Zeitschlitzen in der Lage, acht
grierten Bausteinen. Einchip-Lösun- Basisstation zum mobilen Terminal GSM-Kanäle zu tragen. Aufsetzend auf die-
gen des Basisbandteils befinden (Handy, ...) im Downlink übertragen, sen Standard bieten sich verschiedene Wege,
sich in Entwicklung. Es muss dann als umgekehrt vom Mobil-Terminal die Datenrate zu erhöhen:
nur noch der HF-Teil mit ein bis zwei zum Festnetz im Uplink-Kanal. Im Zunächst gibt es mit HSCSD, High Speed Cir-
kleineren Bausteinen angeschaltet Gegensatz zur Sprachübertragung, cuit Switched Data, eine in den zahlreichen
werden. Relativ neu sind Dual-Mode- die symmetrische Datenraten in Basisstationen einfach nachzurüstende
Handys, die sich unterwegs als Realzeitübertragung voraussetzt, Methode, um die Datenrate im GSM-Netz zu
GSM-Mobilfunkgerät und zu Hause kann ferner bei Multimedia mit steigern: Durch eine effizientere Kodierung
innerhalb der Reichweite der eige- paketweiser Datenübertragung steigert man zunächst die Datenrate je GSM-
nen DECT-Basisstation als schnurlo- gearbeitet werden. Die Pakete brau- Kanal von 9,6 kbit/s auf 14,4 kbit/s (so
ses Telefon verhalten und damit zu chen dabei nicht in Realzeit und genanntes GSM+). Desweiteren werden
Hause das preiswertere Festnetz auch nicht in der richtigen Reihen- dann mehrere GSM-Kanäle parallel aufge-
nutzen. folge einzutreffen. Die Kapazitäts- baut, so dass sich die Datenrate in Schritten
Der Erfolg von GSM war besser als verteilung zwischen Uplink und von 14,4 kbit/s steigern lässt. Fasst man vier
ursprünglich angenommen. Heute Downlink kann je nach Bedarf durch Kanäle, also vier TDMA-Zeitschlitze, auf einer
soll es etwa 24 Millionen GSM-Han- Zuweisung der Resource Funkkanal GSM-Frequenz, zusammen, so kommt man
dys in Deutschland und weltweit eingestellt werden. auf eine Datenrate von 57,6 kbit/s. Diese Form
etwa 400 Millionen GSM-Mobilfunk- der Kanalzusammenschaltung stellt eine lei-
teilnehmer geben. Für das Jahr 2010 tungsvermittelte Verbindung dar, die Verbin-
Von GSM nach UMTS
prognostiziert man etwa 1,8 Milliar- dung in den einzelnen GSM-Kanälen besteht
den Teilnehmer. Der asiatische Raum Der Bedarf an Datenübertragung zu also ständig und wirkt als ob eine Leitung
wird Hauptträger dieses Zuwachses mobilen Geräten wächst in den letz- zwischen den Teilnehmern installiert ist.
sein. In Europa wird in den nächsten ten Jahren stetig mit 40 % bis 50 % Natürlich erfolgt dann auch die Abrechnung
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über das Produkt aus Anzahl der GSM-Kanäle
Durchschnittliche Dauer Durchschnittliche Dauer
im zusammengeschalteten Bündel und dem
für den Versand einer E-Mail für den Versand eines Fotos
7 Min.
Zeittakt. Das macht HSCSD im Vergleich zu
mit zehnseitigem Anhang in guter Qualität
den anderen GSM-Erweiterungstechniken für
85 Sek.
den Nutzer relativ teuer.
Ein weiterer Nachteil dieser Technik ist die
lange Zeitdauer von bis zu einer Minute, die
70 Sek.
zum Aufbau einer solchen HSCSD-Verbin-
dung notwendig ist. HSCSD lässt sich aller-
dings im heutigen GSM-Netz rein durch Soft-
ware-Änderungen in den Basisstationen
implementieren, so dass einige Netzbetreiber
dieses Verfahren bereits heute anbieten. E-
Plus kann seinen Kunden bereits seit länge-
31 Sek.
28 Sek.
rem HSCSD mit zunächst 14,4 kbit/s, also
einem einzigen GSM-Kanal anbieten. D2 -
@
Mannesmann möchte baldmöglichst nach-
14 Sek.
10 Sek.
ziehen.
6 Sek.
5 Sek.
Beim GPRS-Verfahren, dem General Packet
2 Sek.
Radio Service, wird ein anderer Weg beschrit-
ten: Die Datenübertragung erfolgt über freie
Kapazitäten des GSM-Netzes in Form von
Datenpaketen nach TCP/IP-Protokoll. Unbe-
nutzte Kanäle/Zeitschlitze werden so für die
paketweise Übertragung der Daten ausge-
nutzt. Ein bestimmter Zeitschlitz kann bei
0000183 - 1 - 12
GPRS sogar dynamisch mehreren Benutzern
zugeordnet werden. Durch die Zerlegung der
Daten in eigenständige Pakete, die eine Zie-
ladresse enthalten, kann der GSM-Kanal Wechselt man von der in GSM-Net- ähnlichen Multimedia-Betrieb
durch Aneinanderreihen von Paketen unter- zen benutzten GMSK-Modulation bereits mit EDGE einzuführen. Die
schiedlicher Quellen bestmöglich ausgenutzt (Gaussian Minimum Shift Keying) notwendigen neuen Transceiver sind
werden. Diese Verbindung heißt denn auch zum höherwertigen Modulationsver- preiswerter als der rasche Neuauf-
paketvermittelte Verbindung, da keine dau- fahren 8PSK (Phase Shift Keying, bau völlig neuer Funknetze für
ernde physikalische Verbindung besteht. Phasenumtastung), so kann man in UMTS. Verschiedene Zukunftszena-
Vielmehr ist die Verbindung durch die paket- einem bisherigen GSM-Funkkanal, rien sehen denn auch vor, die im Fol-
weise Übertragung nur scheinbar permanent. auf dem sonst die acht TDMA-Zeit- genden beschriebenen UMTS-Fre-
Nach der Einwahl des GPRS-Handys ins Netz schlitze für acht GSM-Kanäle sitzen, quenzbereiche zunächst für EDGE-
ist es praktisch dauernd online. Das führte bis zu 384 kbit/s übertragen. Dieses Signalen zu nutzen. Später werden
zum Schlagwort  Always On -Betrieb als Fea- Verfahren führt zur nochmaligen Ver- dann die Basisstationen auf UMTS
ture von GPRS. Die Abrechnung einer solchen dreifachung der Datenrate gegen- hochgerüstet. Desweiteren ist zu
Verbindung kann selbstverständlich nur über GPRS und wird EDGE, Enhan- erwarten, dass im Aufbaustadium
anhand der übertragenen Datenmenge statt- ced Data rates over GSM Evolution, von UMTS zunächst nur die groß-
finden. genannt. Es nutzt in diesem Maxi- städtischen Bereiche in den Genuss
Mit GPRS steigt die Datenrate gegenüber den malfall mit 384 kbit/s die ganze zur dieser neuen Technik kommen wer-
14,4 kbit/s des effizienter kodierten GSM- Verfügung stehende Bandbreite den. Daher bietet EDGE für die nicht
Kanals bei schwacher Belegung des GSM- eines GSM-Funkkanals. Es ist aber versorgten Bereiche einen Weg, auch
Netzes auf maximal 115,2 kbit/s. Eine erste auch an eine dynamische Untertei- zu hochratiger Datenkommunikation
Ausbaustufe von GPRS soll aber nur etwa 50 lung des Funkkanals zwischen 8PSK via GSM zu kommen. Passend dazu
kbit/s erreichen. (bei EDGE) und GMSK (bei GSM) im sind Dual-Mode/Dual-Band-End-
Die Deutsche Telekom hat ihr D1-Netz bereits TDMA-Betrieb gedacht. Dabei ist geräte mit GSM und UMTS im
auf GPRS umgestellt. Dazu ist die Bündelung jeder Zeitschlitz mit 48 kbit/s im Gespräch.
der Kapazität von zwei GSM-Kanälen im 8PSK-Fall zu rechnen. (000183-1)rg
Downlink möglich, was einer Datenrate von Zur Aufrüstung eines GSM-Netzes
maximal 28,8 kbit/s entspricht. Im Jahr 2001 dient ein kombinierter GMSK/8PSK-
soll GPRS dann auf drei bis vier Kanäle erwei- Transceiver, der sich beliebig - auch
tert werden, was wiederum maximal 57,6 dynamisch - zwischen beiden Modu-
kbit/s entspricht - ebenso viel wie bei HSCSD. lationsarten umschalten lässt. Da Im zweiten und abschließenden Teil
D2, E-Plus und Viag Interkom (E2) möchten mit EDGE praktisch die gleiche des Artikels um die Frequenzvertei-
die Umstellung bis Ende 2000 flächen- Datenrate erreicht wird, wie sie eine lung, die Lizensierung und natürlich
deckend geschafft haben. Lediglich passende durchschnittliche UMTS-Verbindung um die technischen Grundlagen des
GPRS-Kundengeräte fehlen derzeit noch. bringen wird, ist geplant, UMTS- Universal Mobile Telefone Service.
62 Elektor 11/2000
ISDN
ISDN
GPRS
EDGE
GPRS
EDGE
9,6 kb/s
9,6 kb/s
128 kb/s
144 kb/s
384 kb/s
128 kb/s
144 kb/s
384 kb/s
57,6 kb/s
57,6 kb/s
oder
HSCSD
oder
HSCSD
heutiges
GSM
heutiges
GSM
konventionelles
Modem
konventionelles
Modem