Kleiner, Leichter, Billiger

Größe
Gewicht
Laufzeit
Preis
Kostenreduktion durch Integrierte Schaltungen
Baseband Prozessor
Advanced RISC Machine (ARM)
Mixed Signal Design
Akkumulatoren

Während in Amerika der Kampf der Systeme tobte, tobte in Europa der Kampf der Geräte. Die verschieden Mobilfunkbetreiber unterschieden sich nicht wesentlich. Eventuell nur im Grad der Verfügbarkeit. Und es gab z.B. bezüglich der Sprachqualität keine großen Unterschiede.

Bestimmend waren die Endgeräte. Wie bereits beschrieben waren Autotelefone nicht mehr von Interesse. Man wollte Handgeräte. Möglichst klein und möglichst schick.

Motorola, Ericsson und Nokia hatten die ersten Schritte getan. Alle anderen Hersteller von Endgeräten mussten nun nachziehen.

Trends der Endgeräteentwicklung

Vier Dinge waren für ein erfolgreiches Mobilfunkgerät in der Anfangszeit von GSM bedeutend:

• Größe
• Gewicht
• Laufzeit
• Preis

So entstand in den neunziger Jahren ein Kampf der Anbieter über die Führerschaft des Mobilfunkgeräte Markt.

Größe

Das erste Ziel eines tragbaren Mobilfunkgeräts war, dass es bequem in der Hand lag und man es vielleicht 10 Minuten ans Ohr halten konnte, ohne zu ermüden. Und es musste auch natürlich leicht zu transportieren sein, in der Aktentasche oder in der Handtasche. Eigentlich erfüllte keines der ersten Geräte diese Kriterien, aber immerhin waren sie transportabel.

Es wurden Zielgrößen definiert. Wenn es bequem in eine Hand passen sollte, war eine Länge von 10 – 12 cm erstrebenswert. Bei einer Breite von 5 cm und einer Dicke von 2 cm wären eine ideales Volumen 120 ccm. Das war ein Viertel von den Geräten der ersten Generation. Mit dieser Größe würde es auch bequem in eine Hemdtasche passen. Das man ein Telefongerät in der Hemdtasche tragen konnte war lange ein starkes Verkaufsargument. Es gab angeblich einige Anbieter von Telefonen die spezielle Hemden anfertigen ließen, nur damit die von ihnen verkauften Geräte besser hineinpassten.

Integration war der Hauptweg die Größe eines Mobiltelefon zu verkleinern

Wie kann man die Größe verringern? Man muss alle Komponenten verkleinern. Die Hauptkomponenten sind hierbei die Leiterplatten mit der Elektronik und die Batterie. Die Leiterplatten kann man jedoch nur verkleinern, wenn man weniger elektronische Elemente auf ihr aufbringen muss. Man muss also die Anzahl der Elemente verringern und dies verlangt mehr und mehr Funktionalität auf immer weniger Integrierten Schaltungen unterzubringen. Man muss also Komponenten integrieren.

Gewicht

Das Gewicht ist entscheidend beim Tragen und Halten des Geräts. Gut wäre etwa das Gewicht eines Telefonhörers eines Festnetztelefons. Eine Zielgröße war hier 100 – 150 Gramm. Ein wichtiges Element beim Gewicht war die Batterie. Hier galt es einen Kompromiss zu finden zwischen Gewicht und Laufzeit des Telefons. Viele Anbieter boten Batterien mit unterschiedlicher Kapazität an. So konnten sie ein geringes Gewicht anbieten aber nur mit einer schwachen Batterie. Wenn die Kunden eine längere Laufzeit wollten, mussten sie eine schwerere Batterie kaufen.

Beim Gewicht war Anfangs vor allen die Batterie ein wesentlicher Faktor.

Ansonsten galt ähnliches wie bei der Größe. Wenn alles kleiner wird, wird es zumeist auch leichter.

Laufzeit

Es gab zwei Elemente bezüglich der Laufzeit. Die Standby Zeit und die Sprechzeit. Die Standby Zeit ist die Zeit wie lange ein Telefon passiv aber angemeldet im Netz ist. Ein GSM-Telefon, auch wenn es nur rumliegt, ist ja nicht passiv. Es muss ständig prüfen, ob ein Anruf eingeht und es muss prüfen ob sich die Netzwerkumgebung ändert und dies dem Netzwerk mitteilen.

In der Sprechzeit ist praktisch alles aktiv. Hier ist vor allem der Sender der Teil, der die meiste Energie verbraucht.

Anfangs hatten GSM Geräte eine Standby Zeit von 10-12 Stunden und eine Sprechzeit von etwa einer Stunde. Dies führte dazu, dass Kunden stets 1-2 geladene Ersatzbatterien mit sich führten. Man verlängert die Standby Zeit zunächst einmal durch Optimierung der Abläufe im Telefon. Es geht darum, alles was gerade nicht gebraucht wird abzustellen. Hierfür ist es notwendig, dass man ein Gerät so gestaltet, dass man auch wirklich alles abschalten kann. Dies ist nicht selbstverständlich. Ein Trick der Hersteller bestand z.B. darin, dass sie sogar den Hauptoszillator (26 MHz) ausgeschaltet haben. Stattdessen ließ man einen einfachen Oszillator wie man ihn in Uhren verwendet weiterlaufen und erweckte damit das System wieder zum Leben wenn z.B. ein Paging Channel abgefragt werden musste.

Die Kunst langer Laufzeiten besteht darin, alles auszuschalten was gerade nicht gebraucht wird.

Um die Sprechzeit zu optimieren, versuchte man ebenfalls nicht aktive Elemente abzuschalten. Bei TDMA ist dies ja auch möglich. Man sendet und empfängt ja nur in jeweils einem von 8 Zeitschlitzen. Nur dort verbraucht man dann auch Energie. Den meisten Strom verbraucht vor allen der Sendeverstärker. Also sollte man diesen so effizient wie möglich gestalten und nur mit der notwendigen Leistung senden lassen.

Ein weiterer Faktor bei den Laufzeiten war natürlich auch der Stromverbrauch. Bei der Entwicklung neuer Schaltungen und vor allen neuer ICs sollte besonderes Augenmerk auf den Stromverbrauch gelegt werden. Eine erhebliche Stromersparnis kam vor allen beim Übergang zu neuen Halbleitertechnologien. Mit jedem neuen „Node“ wurden die Schaltungen nicht nur schneller, sie verbrauchten auch weniger Strom.

Preis

Vielleicht das wichtigste Element ist der Preis des Telefons. Anfangs waren die Preise von GSM Telefonen noch bei 3000 DM (1500 Euro). Doch schon nach einem Jahr konnte man kein Telefon mehr über 1000 DM verkaufen. Der Preis, damit sich ein Mobiltelefon gut verkauft wurde bei etwa 300 DM gesehen. Dann würde das Telefon ein Gebrauchsgegenstand werden, wie ein Radio oder Fernseher.

Der Preis setzt sich aus vielen Dingen zusammen. Viel ändert sich am Preis, wenn man wie oben beschrieben zu höherer Integration kommt. Höhere Integration bedeutet weniger und kleinere Leiterplatten und weniger Komponenten. Weniger Komponenten sind auch wichtig für eine schnellere Produktion. Schließlich bestückt man Leiterplatten mit Maschinen und je länger die Bestückung dauert und je mehr Teile man bestücken muss desto teurer wird die Produktion. 

Je weniger Komponenten ein Telefon hat, desto weniger störanfällig ist es und umso schneller und somit günstiger läßt es sich produzieren.

Weiterhin braucht man hohe Stückzahlen. Je mehr man von einem Telefon produziert umso günstiger sind die Kosten. Wurden früher nur ein paar tausend Telefone eines Models gefertigt so waren es nun 100.000 und mehr.

Somit gab es zusammenfassend für die Hersteller die folgende Zielsetzung:

	Anfang	Ziel	Faktor
Größe	1000 – 3000 ccm	120 ccm	10
Gewicht	500 – 2000 g	100 g	10
Standby Zeit	10 h	48 h	5
Gesprächszeit	1 h	6 h	6
Preis	1000 – 2000 DM	300 DM	3 – 7

Kostenreduktion durch Integrierte Schaltungen

Der Löwenanteil an Sparpotential lag bei den Halbleiterherstellern. Sie musste die Anzahl an Komponenten verringern und den Stromverbrauch senken. Die Verringerung der Komponenten geschah hierbei hauptsächlich durch Integration.

Der Baseband Prozessor

Die folgenden digitalen Funktionen lassen sich integrieren.

• DSP
• Microcontroller
• Timer
• Chipkartenleser

Einen solchen Chip der die verschieden Komponenten integriert nennt man den Basisband Prozessor oder auf englisch Baseband Processor. Dieser Begriff kommt aus der „Funkwelt“. Gefunkt wird im RF (Radio Band). Super Heterodyne Empfänger erzeugen dann eine Zwischenfrequenz (ZF) bevor auf es auf das sogenannte Basisband heruntergemischt wird. Das Basisband ist somit das eigentliche Nutzsignal, welches bei GSM eine Bandbreite von etwa 200 kHz hat und digitalisiert wird. Folglich nennt man die Verarbeitung des heruntergemischten Nutzsignals Baseband Processing.

Die Integration auf einen Chip, einen Application Specific Integrated Circuit (ASIC) war bislang keine klassische Aufgabe eines Endgeräte Herstellers. Vielmehr braucht man hierfür ein Team, welches in der Lage ist ASICs herzustellen.

Die renommierten Halbleiterhersteller erkannten schnell, dass sich mit dem Mobilfunk ein neuer Geschäftszweig öffnete in denen Millionen von ICs benötigt werden. Man konnte es sich praktisch nicht leisten nicht dabei zu sein. So bauten die folgenden Firmen an Basisbandlösungen.

• Texas Instruments
• Motorola (später Freescale)
• AT&T (später Agere)
• Siemens Halbleiter (später Infineon)
• Philips Semiconductors (später NXP)
• Analog Devices
• VLSI
• LSI

Die Halbleiterhersteller arbeiteten eng mit den Endgeräteherstellern zusammen. So hatten Motorola, Philips und Siemens ihre entsprechenden Halbleiterwerke. Texas Instruments hatte schnell eine strategische Allianz mit Nokia. Ericsson arbeitete mit Philips und VLSI zusammen. 

Fast alle Halbleiterfirmen hatten ihren eigenen DSP welchen sie entweder direkt für GSM entwickelten oder für GSM zurechtschneiderten. Z.B. musste Motorola aus seinem berühmte 56000 DSP welcher eine Wortbreite von 24 bit hatte eine 16 bit Version bauen damit er für GSM einsetzbar war. 

Schwieriger war es für manche Hersteller einen passenden Mikrocontroller zu finden. Ein üblicher 8 bit Mikrokontroller war zu leistungsschwach. Ein für die Computersparte entwickelter Controller wie etwa Intels 80×86 Architektur war wenig geeignet und verbrauchte zu viel Strom.

Advanced RISC Machine (ARM)

In den späten achtziger Jahren plante Apple ein neues Produkt. Ein Personal Digital Assistant (PDA). Dies war praktisch der Großvater des iPads. Später kam er als Apple Newton auf den Markt. Von Anfang an, war es Apple klar, dass sie für dieses Produkt einen speziellen Controller/Prozessor brauchten. Dieser sollte sehr leistungsfähig sein aber wenig Strom verbrauchen. Schließlich sollte der PDA ein tragbares Gerät werden.

Einen passenden Controller hatte die englische Firma Acorn den sie für ihre PCs entwickelt hatten. Dieser hatte eine RISC Architektur. RISC steht für Reduced Instruction Set Computer. Dies bedeutet, dass der Prozessor einen einfachen und beschränkten Befehlssatz hat. Typischerweise konnte mit einem Befehl auch nur eine einzelne Funktion ausgeführt werden. Das scheint zunächst ein Nachteil zu sein. Auf der anderen Seite macht diese Architektur den Prozessor schnell, da die Instruktionen schneller ausgeführt werden können. Außerdem wird weniger Strom benötigt.

Apple kontaktierte Acorn und zusammen mit der Halbleiterfirma VLSI gründeten sie 1990 die Advanced RISC Machine ltd. Apple brachte das Geld, Acorn den Prozessor und VLSI die Halbleitertechnologie. Die ersten Chips die ARM entwickelte gingen dann auch in den Apple Newton.

Das Geschäftsmodell von ARM war jedoch nicht CPU Chips zu bauen und zu vermarkten, sondern ihre Architektur zu lizenzieren. 1993 war Texas Instruments einer der ersten Nutzer des ARM, allerdings noch nicht für den Mobilfunkmarkt. Aber TI war überzeugt genug von der Architektur von ARM, dass sie Nokia vorschlugen diese zu verwenden. Der damalige ARM Prozessor hatte jedoch eine 32 bit Architektur. Dies besorgte Nokia, weil hier zu viel teurer Speicher nötig wäre. Ansonsten waren sie aber mit der Leistungsfähigkeit zufrieden. ARM reagierte prompt und entwickelte eine spezielle 16 bit Version für den Mobilfunkmarkt, den ARM 7. Weil dies ein reduzierter ARM war, hatte er auch den Spitznamen Thumb (Daumen).

Nokia war zufrieden und TI lizenzierte den ARM 7. Viele Hersteller schwenkten nun auch zum ARM 7. Einige Halbleiterhersteller gaben ihre proprietären Prozessoren auf und lizenzierten ebenfalls ARM.

Nokia 8110 war 1996 das erste GSM Telefon mit einem ARM Prozessor. 

Mixed Signal Design

Beim Entwurf von komplexen Systemen wie ein GSM-Telefon versucht digitale Schaltungen und analoge Schaltungen zu trennen, d.h. auf verschiedene ICs zu platzieren. Der Hauptgrund hierfür liegt darin das digitale Schaltungen starke Störsignale erzeugen, welche empfindliche analoge Schaltungen stören. So wurde etwa ein Analog Digital Wandler stets auf einen eigenen Chip platziert und erst das digitale Signal zum DSP übertragen.

In den neunziger Jahren gelang es jedoch mehr und mehr analog und digital auf einem CMOS Chip zu vereinen. (CMOS, Complementary metal–oxide–semiconductor ist die gängigste Technologie für die Herstellung Integrierter Schaltungen). Dies führte zum höchsten Grad der Integration eines Basisbandprozessors.

Die obige Abbildung zeigt ein Beispiel eines Basisband Prozessors, in diesem Fall von der Firma VLSI aus dem Jahr 1998 den sie als OneC bezeichneten. Er beinhaltet einen DSP mit eigenem Speicher für Daten und Programm. Dazu die Wandler die ihn mit Audio und dem Radio verbinden. Als Controller dient der ARM 7 (Thumb) mit seinem Boot Speicher und den Schnittstellen zu außen liegendem Speicher. Dazu gibt es viele Interface Blöcke, um den Controller mit der Außenwelt zu verbinden oder damit der Controller äußere Bausteine kontrollieren kann. Dann die Schnittstellen zur SIM-Karte, der Tastatur und dem Display. Weiterhin gibt es spezielle Zugänge zum ARM um ein Programm was auf ihm läuft prüfen zu können (Trace und Debug). Praktisch braucht man nur noch ein Radio und externe Oszillatoren, um ein GSM-Telefon zu bauen.

Technologieknoten

Die Halbleiterindustrie ist und war in ständigem Wandel. Alle 1-2 Jahre verbesserte man die Technologie hin zu kleineren Strukturen. Es gab das Moores Law welches besagt, dass sich alle zwei Jahre die Anzahl von Transistoren auf einer Fläche verdoppeln. Das heißt, dass alle zwei Jahre sich die Strukturgröße der Schaltungen halbiert. Man spricht von Technologieknoten.

Anfang der neunziger Jahre war die Strukturgröße noch bei 600 nm. 1996 waren es nur noch 250 nm. Dies hatte mehrere Effekte. Erst mal konnte man mehr Transistoren pro Quadratzentimeter verbauen also zu höheren Integrationen kommen. Da sich die Kosten bei der Herstellung eines IC hauptsächlich nach den Kosten einer Siliziumscheibe (Wafer) richten bekommt man einen IC bei einem neuen Technologieknoten billiger. Außerdem wurden die Schaltungen schneller. Man kann z.B. mehr Befehle eines DSP pro Zeit ausführen. Dies kannte man vor allen aus der PC-Industrie, wo die CPU in den neunziger Jahren jedes Jahr schneller wurde.

Vor allen änderte sich auch die Spannung, mit der die Technologie betrieben wurde. 1990 lag man noch bei 3.3 V. 1996 betrieb man die ICs nur noch mit 2. – 2.5 V. Dadurch dass sich die Spannung verringert, sinkt auch der Stromverbrauch signifikant. Somit bekommt man durch Integration und dadurch, dass man auf die neusten Technologieknoten geht bedeutende Stromersparnis.

Akkumulatoren

Von besonderer Bedeutung war für den Mobilfunk der neunziger Jahre die Batterietechnik. Dies mussten wiederaufladbare Batterien sein, also die Akkumulatoren.

Akkumulatoren gab es schon lange, vor allen für die Automobilindustrie und für die Militärtechnik, die Bleiakkumulatoren. Diese hatten aber einen entscheidenden Nachteil. Sie waren groß und schwer und konnten auslaufen. Somit kamen sie für mobile Geräte nicht in Frage.

Für erste tragbare Mobilfunkgeräte wurden Nickel Cadmium Akkumulatoren verwendet. Dies war die Standard Akku Technik der siebziger und achtziger Jahre, wenn es z.B. darum ging Standard Einweg Batterien durch wiederaufladbare Akkumulatoren zu ersetzen. Nickel Cadmium war jedoch nicht sehr effizient und darüber hinaus giftig. Weiterhin gab es sogenannte Memory Effekte die schnell dazu führten, dass die Akkus ihre Kapazität verloren, wenn man nicht stets dafür sorgte, dass die Akkus entladen waren bevor man sie wieder auflud. 

Ende der achtziger Jahre kam eine neue Akkumulatoren Technologie auf den Markt, der Nickel-Metallhydrid-Akkumulator. Dieser war nicht giftig und hatte eine wesentlich bessere Energiedichte als die Nickel Cadmium Akkumulatoren. So wurden in den neunziger Jahren überall NiMH Akkus verbaut.

Ab Mitte der neunziger Jahre kam jedoch noch eine weitere Akkumulator Technik zur Marktreife. Der Lithium-Ionen-Akkumulator. Dieser Akku hat noch einmal eine doppelt so hohe Energiedichte. Weiterhin hat ein Lithium-Ionen-Akku eine höhere Spannung (über 3 V) gegenüber den 1-1,2 V von NiMH und NiCd. Das erste Mal wurde 1993 ein Lithium Ionen Akkumulator von Sony für einen CamCorder verkauft. 1996 wurde er das erste Mal in einem GSM Telefon verbaut. Dort sorgte er bei gleicher Größe und Gewicht für eine Verdoppelung der Laufzeit des Gerätes. Bis heute ist ein Lithium Ionen Akkumulator der Standard.

Technologie	Energiedichte Wh/kg	Spannung V
Bleiakku	30	2
NiCd	40-60	1 – 1,2
NiMH	60 – 110	1 – 1,2
Lithium	120 – 210	3,2 – 3,7