Im vorigen Teil der Mobilfunkserie haben wir gelernt, wie man bei EDGE die Luftschnittstelle von GSM weiter ausreizte und Datenraten bis über 1 Mbit/s erreichte. Der EDGE-Ausbau war noch kurz vor 2010 in vollem Gange, obwohl der Nachfolger UMTS zu dieser Zeit längst zur Verfügung stand, aber die Netzbetreiber scheuten die hohen Kosten für die Umrüstung auf eine komplett neue Radiotechnologie – und hatten sich zuvor ziemlich verzockt. Davon handelt Teil 6 der Serie.
3. Generation
UMTS, das Universal Mobile Telecommunications System, ist das erste Mobilfunknetz, das von Beginn an weltweit startete und damit den Namen “universal” zu Recht trug (na ja, auf die Erde beschränkt – GSM war ja schon “global”, das musste man natürlich mit “universal” toppen). Es wurde von der International Telecommunication Union (ITU), einer Organisation der Vereinten Nationen zur Festlegung von Telekommunikationsstandards und Nachfolgeorganisation der CCITT, am Ende der 90er Jahre als einer der Standards (neben dem amerikanischen CDMA2000) für Netze der 3. Generation empfohlen, startete aber auch in Amerika, Asien (das erste Netz war FOMA in Japan), Ozeanien und Europa. UMTS verwendet deshalb eine Vielzahl von Funkfrequenzen weltweit und spezifiziert drei verschiedene Kanalzugangsverfahren. Daher gibt es immer noch ein paar untereinander inkompatible “UMTS-Dialekte”. Jedoch ist das in Europa verwendete W-CDMA–FDD-Verfahren in allen Ländern verfügbar, und moderne Handys beherrschen für jede Region der Welt mindestens ein verfügbares Frequenzband.
Unerwartete Mehreinnahmen zur Tilgung von Staatsschulden…
Da das UMTS-Netz parallel zum GSM-Netz hochgezogen werden sollte, aber mit dessen Luftschnittstelle (fortan GSM-EDGE Radio Access Network oder GERAN genannt, während die UMTS-Luftschnittstelle unter Universal Terrestrial Radio Access Network oder UTRAN firmiert) inkompatibel war, mussten neue Bänder reserviert werden. In Europa und Australien war dies das 2100-MHz-Band. Während die ursprünglichen GSM-Frequenzen in Deutschland vom Staat noch kostenlos vergeben bzw. ausgeschrieben worden waren, war man 1997 bereits dazu übergegangen, weitere GSM-Frequenzen an die Meistbietenden zu versteigern. Bei der Auktion der deutschen UMTS-Frequenzen im Juli/August 2000 kam es dann zu einem Showdown. Zu ersteigern waren 12 Frequenzduplex-Unterbänder sowie 5 Zeitduplex-Unterbänder1. 11 Konsortien bewarben sich, 4 stiegen früh aus, und 6 erhielten schließlich den Zuschlag für jeweils rund 16,5 Milliarden DM – eine Gesamtsumme von 99,4 Milliarden DM oder 50,8 Milliarden Euro. Eigentlich hätte man bei 68,5 Milliarden schon aufhören können, weil alle außer 6 Bewerbern schon ausgestiegen waren und für jeden somit 2 FDD-Unterbänder (und für alle bis auf einen ein TDD-Band) zur Verfügung standen, aber T-Mobil und Mannesmann strebten jeweils unbedingt ein drittes FDD-Unterband an, das ihnen die Mitbieter nicht abtreten wollten, und so endete es bei knapp 100 Milliarden mit der gleichen Aufteilung wie zuvor bei 68,5.
Finanzminister Hans Eichel freute sich über “unerwartete Mehreinnahmen zur Tilgung von Staatsschulden” – und der Kunde durfte fluchen, weil die Firmen das Geld wieder hereinholen mussten, was überteuerte Minuten- und Roaming-Gebühren sowie einen um Jahre verzögerten Netzaufbau zur Folge hatte. Zwei der Lizenznehmer gaben ihre Lizenzen später wieder zurück: Die Mobilcom ging durch die UMTS-Kosten beinahe insolvent und veräußerte ihre UMTS-Standorte an E-Plus, und ein “Group 3G” genanntes Konsortium aus der spanischen Telefonica Moviles, der finnischen Sonera und der britischen Orange (Netzname Quam) scheiterte schon daran, ein virtuelles GSM-Netz auf der Basis von E-Plus zu errichten und baute nie ein UMTS-Netz auf, was gegen die Lizenzauflagen verstieß, so dass die Lizenz wieder entzogen wurde. Die übrigen Lizenzen gingen an T-Mobil (heute Telekom), Mannesmann Mobilfunk (heute Vodafone), E-Plus Hutchison (später E-Plus, 2014 im O2-Netz aufgegangen) und VIAG Interkom (heute O2).
Denn auch der Netzaufbau kostete einen zweistelligen Milliardenbetrag. Erst 2004 wurden dann die Basisstationen in Betrieb genommen, und auch nur in ausgewählten großstädtischen Zentren. Man hoffte, die Kundschaft mit neuen Diensten wie Videotelefonie ins Netz zu locken. Ich erinnere mich an einen Besuch bei 3 (Hutchison 3G) in Italien (die auch in Österreich, Schweden und Großbritannien reine UMTS-Netze aufbauten), in deren Werbekampagne man damals vollkommen auf das Streaming von Fußballspielen auf kleine Handy-Bildschirme setzte. Was offensichtlich nicht zog, denn bei einem späteren Besuch bewarb die Kampagne dann keinen Fußball mehr, sondern leicht bekleidete Damen…
Ein HTC XDA II (2003). Er beherrschte nur GSM, aber seine UMTS-fähigen Nachfolger brachten den Durchbruch für UMTS. Bild: Wikimedia Commons, Tatoute, CC BY-SA 3.0.
Der Durchbruch für UMTS kam schließlich mit den Smartphones, mit denen man im regulären Internet browsen konnte. Die Windows-Mobile-Geräte (z.B. von HTC und Asus) entstanden ca. 2003 aus der Fusion von Personal Digital Assitants (PDAs) und Mobiltelefon; sie waren aber noch etwas umständlich mit Stiften zu bedienen. 2006 kam das Blackberry mit auschiebbarer Tastatur heraus und gelangte unter Geschäftsleuten zu einer gewissen Verbreitung. Der endgültige Durchbruch für das Smartphone kam dann mit dem iPhone (welches in Deutschland in der ersten Version nur EDGE unterstützte). Nokia und Sony-Ericsson setzten damals noch auf gewöhnliche Handys mit Symbian-Betriebssystem. Und dann kam Google mit dem offenen Android und machte das nach, was Microsoft mit dem für alle Hersteller verfügbaren Windows beim PC vorgemacht hatte. Der Rest ist Geschichte.
Die UMTS-Lizenzen waren nur auf 10 Jahre zugeteilt. Die spätere Auktion der LTE-Frequenzen im Jahre 2010 brachte dann gerade noch 4,4 Milliarden Euro ein. Im kommenden Mai gibt es wieder Frequenzen für das kommende Jahrzehnt und das künftige 5G-Netz zu ersteigern, aber der Reihe nach…
In die Breite gehen
UMTS versprach in seinem ersten Standard (Release 1999, R99) eine Datenrate von 384 kbit/s pro Nutzer (die in späteren Releases auf bis zu 42,2 Mbit/s ausgebaut wurde). Wie packt man so viele Daten auf den Kanal? Der Trick ist: mehr Bandbreite. Unter Bandbreite versteht man die Breite des Frequenzbereichs, der zur Modulation zur Verfügung steht. GSM-Kanäle haben 200 kHz Bandbreite (genutzt werden 135 kHz, der Rest ist Sicherheitsabstand zur Vermeidung von Nachbarkanal-Interferenz). Eine BTS hat maximal 8 Kanäle, macht in Summe 1,6 MHz. UMTS verwendet 5 MHz Bandabstand (genutzt werden 3,84 MHz). Da ist also schon einmal mehr Platz vorhanden. Wir haben bei der Besprechung von GMSK den Begriff Bandbreiteneffizienz kennengelernt und dass man mit einem Wellenzug ein Symbol darstellen kann, also 1 Symbol/Hz. 3,84 MHz erlauben also 3,84 MSymbole/s (die gebräuchliche Einheit für Symbol/s ist das Baud, also 3,84 Mbaud).
Jede Zelle hat in UMTS die gesamte Bandbreite zur Verfügung hat. Bei GSM wurde jeder Zelle ein Satz eigener Kanäle zugeteilt, der fein selektiert wurde, so dass die Kanäle aller in Funkreichweite befindlicher Zellen ja nicht mit ihren Kanälen in Konflikt geraden konnten, weil dies Störungen verursacht hätte. In UMTS ist alles anders: da wird die Kollision bewusst provoziert. Warum funktioniert das bei UMTS, was bei GSM ein Ding der Unmöglichkeit wäre? Und wozu soll das gut sein? Weil ein anderes Kanalzugangsverfahren verwendet wird: CDMA (Code Division Multiple Access). Der Name könnte aufmerksamen Lesern aus Teil 1 dieser Serie bekannt vorkommen – in den Vereinigten Staaten gab es ein 2G-Netz, das CDMAone hieß und genau dieses Verfahren verwendete, aber nur auf 1,25 MHz Bandbreite. Bei UMTS wurde CDMA zu Breitband-CDMA (Wideband CDMA, W-CDMA).
FDMA vs. CDMA: in FDMA werden die Sender im Trägerband schmalbandig in benachbarten Frequenzen angeordnet, ohne Überlappung. Bei CDMA wird das ganze Trägerband genutzt und die einzelnen Signale sind breitbandiger. Es wird pro Hz Bandbreite weniger Leistung aufgewendet, in der Summe über das Signal jedoch die gleiche Leistung. Ein Störsignal betrifft bei FDMA ein einzelnes Nutzsignal in großem Ausmaß, bei CDMA alle in nur geringem Maß. Bild: Autor, gemeinfrei.
Pseudorauschen
Bei GSM haben wir zwei Methoden kennengelernt, wie man Bandbreite an die Teilnehmer vergeben kann: Zeitmultiplex-Zugang (Time Division Multiple Access, TDMA), indem man den Teilnehmern gewisse periodisch wiederkehrende Zeitschlitze zuteilt, sowie Frequenzmultiplex-Zugang (Frequency Division Multiple Access, FDMA), indem man jeder Zelle mehrere Frequenzkanäle gibt, über die sie mit verschiedenen Teilnehmern kommunizieren kann.
Generierung von CDMA: Der ursprüngliche Datenstrom (Zeile 1, Bitdauer Tb) wird mit einer höherfrequenten pseudozufälligen Scrambling Code (Zeile 2, Chipdauer Tc) überlagert. Es entsteht eine codierte Kanalchipfolge (Zeile 3), die der Empfänger mit dem passenden Scrambling Code wieder in den ursprünglichen Datenstrom umwandeln kann. Bild: Wikimedia Commons, Marcos Vicente, CC BY-SA 4.0.
Bei CDMA arbeitet man hingegen mit einem sogenannten “Spreizcode” (Scrambling Code), dem das CDMA-Verfahren das “C” verdankt. Man multipliziert das Nutzsignal aus 0en und 1en mit einer Folge von Pseudozufallsbits, deren Rate bei UMTS 4- bis 512-mal höher ist als die zu übertragende Nutzdatenrate. Man nennt sie daher Chips (engl. für “Späne”), um klar zu machen, dass es sich nicht um komplette Bits handelt, sondern zerstückelte Bits. “Pseudozufall” heißt hier, dass die Folge alle statistischen Eigenschaften einer echten zufälligen Abfolge von 1en und 0en hat, tatsächlich aber mit einer strengen mathematischen Vorschrift exakt berechnet wird, d.h. sie sieht zufällig aus, ist es aber überhaupt nicht. Solche Zufallsgeneratoren füttert man normalerweise mit einem Startwert, und dann spucken sie in unendlicher Folge einen Wert nach dem anderen aus, und mit dem selben Startwert erhält man natürlich auch wieder dieselbe Folge. Wenn die Folge gut ist, dann wiederholt sie sich erst nach langer Zeit, in der Größenordnung ihrer Länge (irgendwann muss sich jede Folge aus endlich vielen Ziffern zwangsläufig wiederholen), z.B. eine Folge von 32 Bits erst nach 232 = 4,3 Milliarden Werten. Und wenn sie mit den richtigen Startwerten auch immer schön eindeutige und unverwechselbare Teilfolgen erzeugt, dann nennt man diese “orthogonal” und kann damit mehrere Datenströme codieren, ohne dass die sich ins Gehege kommen.
Beispielsweise könnte eine Nutzdatenrate von 1920 kbit/s mit einem bestimmten Scrambling-Code von 7680 kcps (Kilo-Chips pro Sekunde; das ist 4 mal 1920 kbit/s, also 4 Chips pro Bit) überlagert werden, so dass eine gespreizte Folge von Bits entsteht, die paarweise als QPSK-Werte mit 3,84 Mbaud auf den Kanal gesendet werden kann und sich dort entsprechend breit machen wird (3,84 MHz Bandbreite verbrauchen). Man spricht deshalb auch von einem Spread-Spectrum-Verfahren. Verschiedene adressierte Endgeräte erhalten nun verschiedene Scrambling Codes. Wenn man den Kanal dann insgesamt abhört, hört man nur ein weißes Rauschen (“weiß” heißt hier, dass alle Frequenzen gleich “laut” sind). Nur wenn ein Empfänger den richtigen Scrambling-Code hat, kann er die Nutzbits genau dieses Codes wieder extrahieren und alle anderen Signale sind nur Hintergrundrauschen für ihn.
Man kann sich das ungefähr so vorstellen, als sei man Gast auf einer internationalen Konferenz, wo in der Kaffeepause alle möglichen Leute aus aller Herren Länder im Vorraum zusammenstehen und in verschiedensten Sprachen miteinander reden, was insgesamt eine Menge Lärm erzeugt. Zwei Konferenzteilnehmer, die die gleiche Sprache sprechen, können sich dann trotzdem verständigen, weil sie die Wörter fremder Sprachen der anderen Teilnehmer ausblenden können.
CDMA zeichnet sich durch folgende Charakteristika aus:
- Bei FDMA ist die Frequenz und bei TDMA die Zeit die zugeteilte Radioressource, bei CDMA der Scrambling Code.
- Es gibt keine feste Zahl von Teilnehmern, die irgendwelche festen Kanalzuteilungen vollkommen verbrauchen könnten – man hat genug Codes, um theoretisch beliebig viele Teilnehmer auf den Kanal zu bringen.
- Ein Teilnehmer kann auch mehrere Scrambling Codes gleichzeitig verwenden und so mehr Radioressourcen erhalten.
- Das Verfahren ist sehr robust gegenüber schmalbandigen Störungen, wie sie durch andere Funksignale oder Störquellen entstehen. Man sendet gewissermaßen “darum herum”.
- Das Verfahren ist abhörsicher – man muss den Scrambling Code kennen, sonst kann man nichts empfangen. Es wurde ursprünglich zur Verschleierung von Übertragungen entwickelt.
- Die Teilnehmer nehmen Sendungen an andere Teilnehmer als Rauschen wahr. Je mehr Teilnehmer auf dem Kanal sind, desto mehr Rauschpegel ist vorhanden und es wird zunehmend schwieriger, einer bestimmten Sendung zu folgen. Wenn die Interferenz zu groß wird, kann man jedoch die Nutzdatenrate drosseln, z.B. halbieren, dann hat man doppelt so viel Zeit, doppelt so viele Chips (und empfangene Energie pro Bit), um jedes Bit zu erkennen. CDMA kann deshalb sehr flexibel mit der Nutzbitrate umgehen und bei sehr viel Verkehr auf dem Kanal jedem Teilnehmer entsprechend weniger Nutzdatenrate erlauben. Es können im Downlink zum Endgerät bis zu 512 Chips pro Bit verwendet werden, was 15 kbps entspricht. Im Uplink verwendet UMTS R99 BPSK mit maximal 256 Chips pro Bit, was auch 15 kbps ergibt. Das reicht zur Übertragung von Sprache.
- Das Verfahren behandelt nur dann alle Teilnehmer fair, wenn sie beim Empfänger etwa mit dem gleichen Pegel ankommen. Deswegen müssen die Endgeräte ihre Sendeleistung erhöhen, wenn sie weiter entfernt sind. Wenn die fernsten Endgeräte ihre Leistung maximiert haben, aber nähere Endgeräte die ihrige noch erhöhen können, dann schrumpft die Zelle, denn sie sieht nur noch die lauten, näheren Endgeräte – man spricht von “Zellatmung”.
Weich und weicher
Da jedes Endgerät das gesamte UMTS-Unterband abhorcht, empfängt es auch mehrere benachbarte Zellen, und auch hier sind deren Signale Hintergrundrauschen, solange das Endgerät nicht ihren Scrambling Codes folgt. Da das Endgerät aber auch gleichzeitig mehreren Scrambling Codes folgen kann, kann es auch gleichzeitig mehrere Zellen parallel abhören und von diesen den gleichen Datenstrom mehrfach erhalten. Das schützt vor Abschattungen (etwa wenn man in Häuserschluchten mit dem Auto unterwegs ist), verbessert die Signalqualität (mehr empfangene Leistung) und es ermöglicht neue Arten von Handovern. Bei GSM sprach man von der Serving Cell, die das Endgerät bediente, bei UMTS ist es ein Serving Set, eine Menge von Zellen. Wird nur eine von diesen gegen eine andere Zelle ausgetauscht, weil deren Signal stärker ist, nennt man dies einen Soft Handover. Wechselt man nur von einem Sektor der gleichen Basisstation zu einem anderen, dann wird es noch weicher, man nennt dies einen Softer Handover. Dabei muss nur minimal in das Routing der Daten eingegriffen werden.
Harte Handover gibt es auch: oben wurde ja beschrieben, dass jeder deutsche Netzbetreiber zwei Unterbänder zugeteilt bekam, d.h. zwei UMTS-Frequenzen. Wenn man zwischen diesen wechselt, ist der Handover hart, weil man auf eine bislang nicht verbundene Frequenz wechseln muss. Und wenn man zwischen Zellen wechselt, die zu einem anderen Vermittlungsknoten gehören (Radio Network Controller – nächstes Mal!), dann ebenso, weil hier der Ruf nun einen anderen Weg durch das Vermittlungsnetz nehmen muss.
Das Kanalzugangsverfahren wie auch das Handoververfahren ist bei UTRAN also ein völlig anderes als bei GERAN. Deswegen verwendet UTRAN anstelle von BTS und BSC neue Netzwerkknoten, die mit neuartiger Technologie untereinander und an das bestehende Kernnetz aus MSCs und SGSNs/GGSNs angeschlossen wurden. Wie der Netzaufbau aussieht und wie man bei UMTS auf den Kanal kommt und Sprache bzw. Daten überträgt, ist Thema des nächsten Artikels.
Abkürzungen
| BPSK | Binary Phase Shift Keying (binäre Phasenumtastung) |
| BTS | Base Transceiver Station (Basisstation) |
| BSC | Base Station Controller |
| CCITT | Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique |
| CDMA | Code Division Multiple Access (Codemultiplex-Kanalzugang) |
| EDGE | Enhanced Data Rates for GSM Evolution |
| FDD | Frequency Division Duplex (Frequenzduplex für Uplink und Downlink) |
| FDMA | Frequency Division Multiple Access (Frequenzmultiplex-Kanalzugang) |
| FOMA | Freedom of Mobile Multimedia Access (japanisches UMTS-Netz) |
| GERAN | GSM-EDGE Radio Access Network |
| GMSK | Gaussian-filtered Minimum Shift Keying |
| GPRS | General Packet Radio Service |
| GSM | Global System for Mobile Communications (Mobilfunkstandard) |
| ITU | International Telecommunication Union |
| LTE | Long Term Evolution (Mobilfunkstandard) |
| PDA | Personal Digital Assistant (Kleinstrechner, Palmtop) |
| QPSK | Quaternary Phase Shift Keying (quaternäre Phasenumtastung) |
| R99 | UMTS Release 1999 (erste freigegebene Version der Spezifikation) |
| TDD | Time Division Duplex (Zeitduplex für Uplink und Downlink) |
| TDMA | Time Division Multiple Access (Zeitmultiplex-Kanalzugang) |
| UMTS | Universal Mobile Telecommunications System (Mobilfunkstandard) |
| UTRAN | Universal Terrestrial Radio Access Network |
| W-CDMA | Wideband Code Division Multiple Access (Codemultiplex-Kanalzugang) |
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