UMTS und GSM - ein Vergleich

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) wird auch als die dritte Generation des Mobilfunks (3G) bezeichnet. Das erste Mobilfunknetz in Deutschland war das 1958 eingeführte und inzwischen eingestellte A-Netz. Es wurde in den 70er Jahren durch das B-Netz abgelöst, dem in den 80er Jahren das C-Netz folgte. Auch dieses, Ende 2000 eingestellte analoge Netz der Deutschen Telekom zählt noch zur ersten Generation des Mobilfunks.

Die zweite sind die auf dem GSM-Standard basierenden digitalen D- und E-Netze, die auch nach Einführung des UMTS-Standards weiter in Betrieb bleiben. Die Netzbetreiber haben angekündigt, dass sie eine Verlängerung ihrer derzeitigen GSM-Lizenzen anstreben. Eine Entscheidung hierüber ist noch nicht gefallen. Die UMTS-Lizenzen haben in Deutschland eine Laufzeit von zunächst 20 Jahren.

TDMA und WCDMA - Die Carrier-Technologien von GSM und UMTS

Damit sich die vielen verschiedenen Mobilfunkgeräte eines Netzes nicht gegenseitig stören, gibt es unterschiedliche Verfahren, die Geräte auseinander zu halten. Das einfachste Verfahren wird beim analogen Radio verwendet. Alle Sender arbeiten auf verschiedenen Frequenzen. Um einen bestimmten Sender zu hören, wählt man einfach die jeweilige Empfangsfrequenz. Der Nachteil dieses Verfahrens, das auch Frequenzmultiplex genannt wird: Man braucht für jede mögliche Frequenz einen eigenen Sender. Eine Basisstation, die zehn Handys bedienen soll, müsste folglich auch über zehn getrennte Sende- und Empfangsteile (Transceiver) verfügen. Dies ist aufwändig und teuer.

Deswegen wird beim GSM vorwiegend der Zeitmultiplex (TDMA - Time Division Multiple Access) verwendet. Das bedeutet, dass auf einer Frequenz nacheinander verschiedene Geräte senden. Jedes Gerät hat für seine Daten- oder Sprachübertragung jeweils nur einen bestimmten kurzen Zeitschlitz zur Verfügung. Hierzu ein Beispiel: Ein Sender überträgt Daten in Zeitschlitzen, die jeweils 1/100 Sekunde lang sind. Die erste 1/100 Sekunde werden dann Daten zum Handy 1 übertragen. Die nächste 1/100 Sekunde ist Handy 2 dran, usw. Nach ca. fünf bis acht Handys beginnt dann die Rotation von vorne, damit jedes Handy mehrfach pro Sekunde versorgt wird. UMTS hingegen basiert auf dem so genannten WCDMA-Verfahren (Wideband Code Division Multiple Access), das sich stark vom bisher eingesetzten Zeitmultiplex-Verfahren unterscheidet. Die Basisstation teilt jedem Handy in ihrem Sendegebiet einen unterschiedlichen Code zu, mit dem das Handy die für es bestimmten Nutzdaten aus dem Gesamtdatenstrom herausfiltern kann. Analog erhalten die Handys auch unterschiedliche Codes, um jeweils ihre Daten zurück zur Basisstation zu senden. Ähnlich wie bei GPRS teilen sich die Teilnehmer dynamisch, das heißt automatisch angepasst, die insgesamt zur Verfügung stehende Bandbreite der Funkzelle. Damit lässt sich die Übertragungsgeschwindigkeit erhöhen und die Netzressourcen können optimal genutzt werden. Weiterer Pluspunkt des Verfahrens: Der Teilnehmer ist immer online, Informationen sind jederzeit verfügbar und müssen nicht erst abgerufen werden. Nachteil des Verfahrens: Die maximale Übertragungsrate sinkt mit dem Abstand des Handys zum Funkmast und mit der Geschwindigkeit, mit welcher das Handy (zum Beispiel im Auto oder Zug) bewegt wird.

Daten in GSM-Netzen

Bei GSM war ursprünglich vorgesehen, dass sich alle Geräte die gesamte mögliche Datenübertragungsrate gleichmäßig teilen. Der einzelne Anteil wird auch als virtueller Kanal bezeichnet. Beim GSM-Standard hat dieser eine maximale Datenübertragungsrate von 9,6 kBit/s, bzw. 14,4 kBit/s im Compressed Mode mit verringerter Fehlerkorrektur. Für Sprachübertragungen ist diese Bandbreite geeignet, für Datenübertragungen hingegen quälend langsam.

Um diesen Nachteil etwas zu mildern, wurden von den GSM-Netzbetreibern zwei neue Erweiterungen nachgerüstet: GPRS und HSCSD ermöglichen es, mehrere virtuelle Datenkanäle zu bündeln, um so die Übertragungsrate zu erhöhen. Bei HSCSD nutzt das Mobilfunkgerät zur Zeit bis zu vier feste Datenkanäle und ermöglicht so Übertragungsraten von insgesamt 57,6 kBit/s. HSCSD funktioniert sehr zuverlässig, hat jedoch einen Nachteil: Da mehrere Datenkanäle belegt werden, wird auch das Netz entsprechend stärker beansprucht.

Der Hauptnachteil von HSCSD ist, dass alle Kanäle belegt bleiben, so lange das HSCSD-Handy "online" ist, auch dann, wenn der Nutzer am anderen Ende gerade keine Daten überträgt, zum Beispiel, weil er eine E-Mail oder eine Webseite liest.

Diesen Nachteil gleicht GPRS aus, indem es jedem Mobilfunkgerät dynamisch einen Anteil an den insgesamt im Netz vorhandenen Kapazitätsreserven zuteilt. GPRS arbeitet dabei paketorientiert, es werden keine festen Datenkanäle reserviert. Eindeutiger Nachteil von GPRS: Sind keine Kapazitätsreserven vorhanden, weil das Netz schon stark ausgelastet ist oder weil viele Nutzer gleichzeitig Daten übertragen wollen, sinkt die Übertragungsrate in Richtung Null.

Daten in UMTS-Netzen

Der entscheidende Unterschied zwischen der GSM- und der UMTS-Technologie liegt in der Bandbreite der genutzten Frequenzen. In den D- und E-Netzen beträgt diese etwa 200 kHz. Bei UMTS hingegen sind es 5 MHz - das ist der 25fache Wert. Nur diese großen Frequenzspektren ermöglichen die schnellen Datenübertragungsraten bei UMTS.

Zudem zeichnen sich UMTS-Netze durch eine neuartige Zellenstruktur aus. Die kleinste Zelle ist die Picozelle mit einem Durchmesser von unter hundert Metern. Mit Picozellen werden so genannte 'hot spots', Bürogebäude, Hotels, Flughäfen, Messen u.ä, versorgt. Die Microzelle mit einer Ausdehnung von bis zu mehreren Kilometern versorgt ganze Stadtbereiche. Für Vororte gibt es die Makrozelle mit einer Reichweite von über 20 Kilometern. Hyper- und Umbrella-Zellen, die im globalen Konzept von UMTS auch als Weltzellen bezeichnet werden, haben eine Ausdehnung von bis zu mehreren hundert Kilometern.

UMTS kann theoretisch Übertragungsraten bis zu 2 MBit/s ermöglichen. Durch die HSPA-Technik sind sogar noch höhere Bandbreiten möglich. In der Praxis bieten die Netzbetreiber derzeit Bandbreiten von bis zu 7,2 MBit/s im Downstream an. Im Upstream sind es derzeit 1,45 MBit/s. Noch schnellere Geschwindigkeiten als mit HSPA werden mit HSPA+ möglich sein.