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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.
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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. 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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