Technik

UMTS und GSM - ein Vergleich der Technik

Mobiles Breit­band-Internet ist mit UMTS zur Realität geworden. Wir zeigen Ihnen, welche Tech­niken verwendet werden, um - vergli­chen mit der GSM-Technik - mehr Daten durch die Luft zu verschi­cken.
Von / Hans-Georg Kluge

Mobiles Breitband-Internet ist mit UMTS zur Realität geworden. Wir zeigen Ihnen, welche Techniken verwendet werden, um mehr Daten durch die Luft zu senden. Mobiles Breitband-Internet ist mit UMTS zur Realität geworden. Wir zeigen Ihnen, welche Techniken verwendet werden, um mehr Daten durch die Luft zu senden.
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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 1970er Jahren durch das B-Netz abge­löst, dem in den 1980er Jahren das C-Netz folgte. Auch dieses, Ende 2000 einge­stellte analoge Netz der Deut­schen Telekom zählt noch zur ersten Genera­tion des Mobil­funks.

Mobiles Breitband-Internet ist mit UMTS zur Realität geworden. Wir zeigen Ihnen, welche Techniken verwendet werden, um mehr Daten durch die Luft zu senden. Mobiles Breitband-Internet ist mit UMTS zur Realität geworden. Wir zeigen Ihnen, welche Techniken verwendet werden, um mehr Daten durch die Luft zu senden.
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Die zweite sind die auf dem GSM-Stan­dard basie­renden digi­talen D- und E-Netze, die auch mit der Einfüh­rung des UMTS-Stan­dards weiter in Betrieb bleiben. Die UMTS-Lizenzen sind in Deutsch­land zunächst bis 2020 vergeben, die GSM-Lizenzen bis 2016.

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.

In einem GSM-Netz wird 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 sich 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 auto­ma­tisch 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. 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, stehen drei Tech­no­lo­gien für GSM-Netze zur Verfü­gung: HSCSD, GPRS und EDGE ermög­li­chen es, mehrere virtu­elle Daten­ka­näle zu bündeln, um so die Über­tra­gungs­rate zu erhöhen.

Bei HSCSD nutzt das Mobil­funk­gerät bis zu vier feste Daten­ka­näle und ermög­licht so Über­tra­gungs­raten von insge­samt 57,6 kBit/s. Proble­ma­tisch daran ist, dass alle Kanäle auch dann belegt bleiben, wenn der Nutzer gerade keine Daten über­trägt, zum Beispiel, weil er eine E-Mail oder eine Webseite liest. HSCSD ist mitt­ler­weile veraltet und steht nur noch Voda­fone- und Alt-E-Plus-Kunden zur Verfü­gung.

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. Ein 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. Die EDGE-Tech­no­logie ist eine Verbes­se­rung der GPRS-Technik und nutzt opti­mierte Modu­la­ti­ons­ver­fahren, so dass der maximal nutz­bare Daten­durch­satz auf bis zu 473 kBit/s steigen kann.

Daten in UMTS-Netzen

Ein weiterer 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. 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, können eine Ausdeh­nung von mehreren hundert Kilo­me­tern errei­chen.

UMTS kann theo­re­tisch Über­tra­gungs­raten bis zu 2 MBit/s ermög­li­chen. Durch die HSPA-Technik bzw. HSPA+ sind sogar noch höhere Band­breiten von bis zu 42,2 Mbit/s und mehr möglich.

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