Technik

Rückblick: So war UMTS besser als GSM

Mobiles Breit­band-Internet war mit UMTS zur Realität geworden. Wir zeigen Ihnen, welche Tech­niken verwendet wurden, um - vergli­chen mit der GSM-Technik - mehr Daten durch die Luft zu verschi­cken.
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Foto: Image licensed by Ingram Image, Grafik/Montage: teltarif.de UMTS (Universal Mobile Tele­com­mu­ni­ca­tions System) wird rück­bli­ckend als die dritte Genera­tion des Mobil­funks (3G) bezeichnet. Das erste Mobil­funk­netz in Deutsch­land war das 1958 einge­führte und längst 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 (ehemals Deut­sche Bundes­post) zählt noch zur ersten Genera­tion des Mobil­funks.

Die zweite Genera­tion sind die auf dem GSM-Stan­dard basie­renden digi­talen Mobil­funk-Netze, die auch mit der Einfüh­rung des UMTS-Stan­dards sowie der Nach­folge-Tech­niken LTE (4G) und 5G weiter in Betrieb blieben. Die UMTS-Netze hingegen wurden im Lauf des Jahres 2021 abge­schaltet. Rückblick: So war UMTS besser als GSM Rückblick: So war UMTS besser als GSM
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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 basierte auf dem so genannten WCDMA-Verfahren (Wide­band Code Divi­sion Multiple Access), das sich stark vom bisher einge­setzten Zeit­mul­ti­plex-Verfahren unter­schied. Die Basis­sta­tion teilte jedem Handy in ihrem Sende­ge­biet einen unter­schied­li­chen Code zu, mit dem das Handy die für sich bestimmten Nutz­daten aus dem Gesamt­da­ten­strom heraus­fil­tern konnte. Analog erhielten die Handys auch unter­schied­liche Codes, um jeweils ihre Daten zurück zur Basis­sta­tion zu senden. Ähnlich wie bei GPRS teilten sich die Teil­nehmer auto­ma­tisch die insge­samt zur Verfü­gung stehende Band­breite der Funk­zelle. Damit ließ sich die Über­tra­gungs­ge­schwin­dig­keit erhöhen, und die Netz­res­sourcen konnten optimal genutzt werden. Weiterer Plus­punkt des Verfah­rens: Der Teil­nehmer war immer online. Nach­teil des Verfah­rens: Die maxi­male Über­tra­gungs­rate sank mit dem Abstand des Handys zum Funk­mast und mit der Geschwin­dig­keit, mit welcher das Handy (zum Beispiel im Auto oder Zug) bewegt wurde.

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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, standen drei Tech­no­lo­gien für GSM-Netze zur Verfü­gung: HSCSD (inzwi­schen abge­schaltet), GPRS und EDGE ermög­lich(t)en es, mehrere virtu­elle Daten­ka­näle zu bündeln, um so die Über­tra­gungs­rate zu erhöhen.

Bei HSCSD nutzte das Mobil­funk­gerät bis zu vier feste Daten­ka­näle und ermög­lichte so Über­tra­gungs­raten von insge­samt 57,6 kBit/s. Proble­ma­tisch daran war, 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 war darum irgend­wann veraltet.

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, sodass 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 lag in der Band­breite der genutzten Frequenzen. In den GSM-Netzen beträgt diese etwa 200 kHz. Bei UMTS hingegen waren es 5 MHz - das war der 25fache Wert. Diese großen Frequenz­spek­tren ermög­lichten die schnel­leren Daten­über­tra­gungs­raten bei UMTS.

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

UMTS ohne Erwei­terung konnte theo­re­tisch Über­tra­gungs­raten bis zu 2 MBit/s ermög­li­chen. Durch die HSPA-Technik bzw. HSPA+ waren noch höhere Band­breiten von bis zu 42,2 MBit/s möglich.

Abschal­tung von UMTS im Jahr 2021

Nach diversen Ankün­digungen entschlossen sich die drei deut­schen Netz­betreiber Telekom, Voda­fone und Telefónica dazu, ihre UMTS-Netze im Lauf des Jahres 2021 endgültig abzu­schalten. Der wich­tigste Grund dafür: Die frei werdenden UMTS-Frequenzen wurden und werden drin­gend für den Ausbau der beiden Nach­fol­getech­niken LTE und 5G gebraucht.

Im Rahmen der UMTS-Abschal­tung been­dete die Telekom den UMTS-Betrieb nach diversen Vorbe­rei­tungen und Feld­tests auf einen Schlag am 1. Juli 2021. Voda­fone schal­tete sein UMTS-Netz in mehreren Wellen bis zum Spät­sommer dieses Jahres ab. Telefónica been­dete den UMTS-Betrieb der meisten Stationen bis Mitte November 2021, den der rest­lichen Stationen bis zum Jahres­ende.

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