09.09.2003
2 Vorteile, Frequenzen und Standards

2.1 Die Internationale Frequenzzuweisung für IMT-2000

Die internationale Frequenzzuweisung verdeutlicht die Abbildung unten:



Im Falle Nordamerikas gibt es eine Sondersituation., da dort bereits bestehende Funknetzressourcen in den CDMA2000 Standard eingegliedert werden, wofür speziell das IMT-MC Verfahren standardisiert wurde.

2.2 UMTS-Evolution aus bestehender GSM/GPRS-Infrastruktur

Der August 2000 war für die GSM-Netzbetreiber in Europa der Startschuss für den Aufbau der GPRS-Netzwerkstruktur. Da GPRS paketorientierte Datendienste anbietet, musste im bestehenden GSM-Netz eine zusätzliche Netzinfrastruktur im Core Network aufgebaut werden, da das bisherige GSM-Core Network technisch nur für leitungsorientierte (CS) Datenvermittlung ausgelegt war. Das CS-Core Network von GSM besteht im Wesentlichen aus den MSCs (Mobile Switching Center = Vermittlungsstelle)und den Datenbanken VLR, HLR (Visitor Location Register / Home Location Register), die für die Mobilitätsverwaltung der Teilnehmer verantwortlich sind, und dem AUC (Authentification Center), das für die Teilnehmer- und Datensicherheit im GSM-Netz sorgt. In der Abbildung unten ist der CS-Teil des Core Networks in blau gehalten. Die CS-Netzstruktur wird durch die Vernetzung mehrerer MSCs realisiert, wobei jedes MSC ein bestimmtes geographisches Gebiet zu versorgen hat. Ein spezielles MSC, das sogenannte Gateway Mobile Switching Center (GMSC), übernimmt die Anbindung an externe PSTN- bzw. ISDN-Netze und damit den CS-Datenaustausch mit netzexternen festverdrahteten Telefonnetzen.

Um paketorientierte Dienste anbieten zu können, muss also noch ein separates PS-Netz (Packet Switched) neu aufgestellt werden. Dazu wird ein IP-basierendes GPRS-Backbone-Netz aufgebaut, das die Daten in Einzelpaketen an die netzinternen Ziele per IP-Adressen weiterroutet. Für die geographische Versorgung von Mobilfunkzellen ist der SGSN (Serving GPRS Support Node) verantwortlich, der ähnliche Aufgaben, vor allem die Mobilitätsverwaltung für GPRS-Dienste, wie das MSC zu erfüllen hat. Es handelt sich jetzt um PS-Dienste. Der GGSN (Gateway GPRS Support Node) übernimmt die PS-Datenanbindung an externe paketorientierte Datennetze wie z.B. das Internet.



Was in der Abbildung oben auffällt ist, dass es zwei verschiedene Core Netze gibt, ein separates CS-Netz (blau) und ein separates PS-Netz (rot). Diese GSM/GPRS-Kernnetzinfrastruktur will man in der ersten Ausbaustufe von UMTS weiternutzen, um sowohl CS-Daten als auch PS-Daten in die jeweiligen Netze weiter transportieren zu können. Dadurch lassen sich gerade in der Anfangsphase von UMTS Zeit und Kosten für die Netzbetreiber sparen. Die größten technischen Änderungen betreffen das Funknetzteil, da bei UMTS das WCDMA-Multiplexverfahren verwendet wird, das sich entscheidend von der GSM-Funknetztechnologie unterscheidet. Nur die TRAU (Transcoder and Rate Adaption Unit) wandert vom Funknetzteil in das Kernnetz über und dient als Gateway für die CS-Dienste zum UTRAN (UMTS Funknetzteil). Die TRAU muss einerseits die von UMTS verwendeten Sprachkompressionsverfahren (8 verschiedene AMR Kompressionsraten) realisieren und andererseits das Datenformat von der ATM-Welt (Asynchronous Transfer Mode) des UTRANs auf die PCM30-Welt (Pulse Code Modulation mit 30 Nutzkanälen durch Zeitmultiplex realisiert) des MSCs übersetzen (mehr dazu in der Kapitel 4). Für die PS-Daten dient der SGSN als Gateway für alle PS-Dienste zwischen UTRAN und Core Network.



Das Bild oben zeigt, dass der SGSN bei UMTS einen direkten Anschluss zum RNC (Radio Network Controller) hat und nicht wie bei GPRS den Umweg über eine Packet Control Unit (PCU) gehen muss, die den Weg in die PS-Netzwelt ebnet.

2.2 Die Hauptcharakteristika von UMTS

Welche Hauptmerkmale wird UMTS uns in naher Zukunft vor Augen führen? Der Endkonsument wird die Vorzüge der dritten Mobilfunkgeneration einerseits in höheren Übertragungsgeschwindigkeiten seiner Daten zu spüren bekommen und andererseits eine stark verbesserte Dienstgüte bemerken. Damit ist gemeint, dass Gespräche weniger oft abbrechen werden, die Sprachqualität konstant gut sein wird und Daten mit einem definierten QoS (Quality of Service) zuverlässig und der entsprechenden Dienstklasse angepasst übertragen werden. UMTS wird alte und neue Dienste mit hoher Dienstgüte unterstützen, die sich mit dem Festnetz vergleichen lassen können. Auch die bis zu fünf mal effizientere Zellkapazität wird für zufriedenere Mobilteilnehmer sorgen, da Gespräche nicht mehr abgewiesen werden müssen. Außerdem wird das GSM/GPRS-Netz parallel zu UMTS weiter existieren, wodurch jederzeit ein Handover (Kanalübergabe) von UMTS nach GSM/GPRS bzw. umgekehrt möglich ist. Das GSM-Netz kann also bei Bedarf das UMTS-Netz entlasten.

Wichtige Konsequenz der hohen Datenraten und der Gewährleistung von definierten QoS ist, dass im Gegensatz zu GSM/GPRS komplett neue Dienstklassen für die Endteilnehmer möglich werden. UMTS bietet dabei so viele Möglichkeiten, dass die Phantasie der heutigen Servicedesigner noch nicht annähernd ausreicht, um all diese Möglichkeiten voll auszureizen bzw. abzuschätzen. Ähnlich war es auch zu Beginn der GSM-Ära. Der SMS-Kurznachrichtendienst ist ein Service, den es vor GSM, also in der Zeit der ersten analogen Mobilfunkgeneration, noch nicht gegeben hat. Wer hätte damals gedacht, dass Dienste wie SMS-Kurznachrichten dermaßen beliebt werden würden und den Netzbetreibern wirtschaftlich so hohe Umsatzuwächse erbringen würde (nur 160 Zeichen senden, aber eine Minute verrechnen)? Es steht uns also eine spannende Mobilzukunft ins Haus.

2.3 UMTS- Anforderungen und Vorteile

Wenn der Begriff UMTS fällt, denken die meisten Mitbürger automatisch an eine Übertragungsrate von 2 Mbit/s, mit der sich Videos ruckzuck übertragen lassen. Ziel dieser Serie ist es, klarzulegen, welche Datendienste sich tatsächlich realisieren lassen und wo wir diese geographisch angeboten bekommen werden.

Tatsache ist, dass man überwiegend mit maximal 384 kbit/s versorgt wird. Dabei sollte man sich jedoch klarmachen, dass diese Datenrate der sechsfachen ISDN-Geschwindigkeit von 64 kbit/s entspricht und alles andere als langsam zu bezeichnen ist. Übrigens bietet auch die UMTS-Alternative EDGE (Enhanced Datarate for GSM Evolution) Datenraten von bis zu 384 kbit/s (7 gebündelte Zeitschlitze und Codingscheme 8) und noch mehr, wobei UMTS diese Datenraten wesentlich flexibler und dynamischer anbieten kann als EDGE, das im wesentlichen nach wie vor auf der klassischen GSM/GPRS-Architektur aufbaut.

Welche Datenrate bei UMTS nun wirklich verfügbar ist, ist von mehreren Faktoren abhängig:

1. Abgeschlossener UMTS-Vertrag
2. Geographischer Standort
3. Bewegungsgeschwindigkeit des Mobilteilnehmers
4. Zellenauslastung

Bei den UMTS-Verträgen für verschiedene Kundenklassen unterscheidet man zwischen "Gold User", "Silver User" und "Brown User". Der Gold User hat dabei die höchste Priorität und muss daher auch am meisten für seinen Vertrag bezahlen. Ihm wird im Outdoor-Bereich (außerhalb von Hotspots wie z.B: Bürogebäude) eine maximale Bitrate von 384 kbit/s garantiert. Diese Datenrate darf zurückgestuft werden, um freie Kapazitäten in der Zelle zu schaffen - diese darf aber nicht weniger als 144 kbit/s betragen. Der Gold User erfährt auch eine Vorzugsbehandlung bei der Kanalvergabe, was beim Silver User und Brown User nicht der Fall ist. Den letzteren zwei User-Klassen kann der Funkkanal entzogen werden. Doch auch diese Fälle von Kanalentzug lassen sich bei UMTS elegant lösen, so dass diese Teilnehmer trotzdem ohne Unterbrechung weiter kommunizieren können. Folgende Tabelle gibt einen Überblick über diese drei Klassen:

Gold User:
Maximale Bitrate = 384 kbit/s
Garantierte Bitrate = 144 kbit/s
Vorzugsbehandlung bei Vergabe von Kanälen

Silver User:
Maximale Bitrate = 144 kbit/s
Garantierte Bitrate = 64 kbit/s

Brown User:
Maximale Bitrate = 144 kbit/s
Garantierte Bitrate = 16 kbit/s

Bevor wir uns nun weiter damit beschäftigen, wo nun eigentlich mit welcher Datenrate übertragen werden kann, betrachten wir einmal die UMTS-Netzeigenschaften und vor allem die Frage, welche Anforderungen an UMTS gestellt werden und welche Vorteile UMTS gegenüber den bisherigen 2G-Netzen wie GSM hat. Diese Punkte werden in der nächsten Serie behandelt.

Damit sich der finanzielle Aufwand eines komplett neuen Mobilfunksystems rentiert, müssen sich die zu hohen Investitionen gezwungenen Netzbetreiber einige Vorteile von der neuen Netzarchitektur versprechen und daher auch einige wesentliche Forderungen an die zum Einsatz kommende Technik stellen. Zu diesen Anforderungen gehören unter anderem:

1.Effiziente Auslastung der erworbenen Funkressourcen
2.Wahlweise kanal- bzw. paketorientierte Übertragung (CS und PS)
3.Verschiedene Übertragungsraten
4.Variable Bitrate mit dynamischer Anpassung der Dienstgüte an die aktuellen Möglichkeiten des Funkkanals
5.Unterschiedlich große Zellen für "Indoor-" und "Outdoor-" Anwendungen
6.Flexibles Management der Funkbetriebsmittel
7.QoS, angepasst für alle Anwendungstypen (Quality of Service)
8.VHE - Virtual Home Environment. Die hier angesprochenen Punkte werden in den einzelnen UMTS-Serien von UMTS-Report.com noch ausführlich erläutert. Wesentliche Augenmerk der Netzbetreiber ist natürlich Punkt 1, womit gemeint ist, dass der Netzbetreiber für die teuer erworbenen Frequenzbänder möglichst viele Kunden versorgen und entsprechende Umsätze generieren will. Und wie wir unten sehen werden, ist UMTS wesentlich effizienter als GSM.

Die Hauptvorteile, die UMTS ermöglicht, sind:
1. Gesteigerte Kapazität: 4 bis 5mal höher als in GSM-Netzen
2. Längere Gesprächszeit durch geringere Sendeleistung bei Gesprächen
3. Verbesserte Reichweite in Zellen durch dynamische Ratenanpassung
4. Verbesserte Qualität des Rufaufbaus
5. Datenrate - je nach Bedarf: Video on demand

Viele dieser Vorteile bezieht UMTS durch seine relativ hohe Frequenzbandbreite von 5 MHz pro Kanal und durch das verwendetet WCDMA-Multiplexverfahren, das mit einer Bandspreizung der Einzelsignale verknüpft ist (siehe auch unsere UMTS-Serie: WCDMA-Technik).

Ganz allgemein lässt sich sagen: "Je breiter die Übertragungsbandbreite für ein und dasselbe Nutzsignal ist, desto besser ist die Übertragungsqualität und Störsicherheit dieses Nutzsignals!" Ein Gespräch von hoher Qualität, das bereits mit Fehlerschutzinformationen geschützt ist, hat vor der Bandspreizung auf 5 MHz eine Bandbreite von ca. 39 kHz. Das WCDMA-Verfahren spreizt dieses Signal um den Faktor 128, wodurch die einstige Frequenzbandbreite von 39 kHz auf 5 MHz vergrößert wird. Ein GSM-Frequenzkanal hat im Gegensatz dazu eine Bandbreite von nur 200 kHz. Er ist also um den Faktor 25 schmaler als ein UMTS-Kanal! Frequenzselektive Störungen (roter Blitz im Bild unten) wie z.B. Fadingeinbrüche (Funklöcher), die sich im Frequenzspektrum auf gewisse, eher schmale Frequenzteile störend auswirken, richten bei breitbandigen Systemen wie UMTS (5.000 kHz) wesentlich weniger Schaden an als bei schmalbandigen wie GSM (200 kHz). Das Bild unten zeigt, dass das obere und schmalbandigere Frequenzband prozentual wesentlich stärker als das untere und breitbandigere Frequenzband bei einer gleichartigen Störquelle (roter Blitz) gestört wird.



Was die Abbildung oben auch zeigen soll ist, dass nach der Bandspreizung mit einer geringeren Leistung gesendet werden kann, da die Information sozusagen in der Fläche liegt. Und da die Informationsfläche breiter (bei UMTS um das 25fache) geworden ist, kann sie weniger hoch werden und hat damit auch weniger Leistung. Die Höhe sinkt also auf ein Fünfundzwanzigstel bei UMTS ab. Die hellblaue Fläche auf dem Bild ist oben und unten gleich - der Informationsgehalt ist der gleiche.

Weitere Vorteile gegenüber GSM ergeben sich durch die unterschiedlichen Multiplexverfahren (GSM verwendet Zeitmultiplex, UMTS verwendet Codemultiplex):

Flexible Anpassung des Funkverkehrs an die Erfordernisse: Die Teilnehmerzahl ist im Gegensatz zu GSM bei UMTS nicht fest vorgegeben. In jeder GSM-Zelle ist eine feste Anzahl von Kanälen vorhanden, die nicht mehr geändert werden kann. Bei UMTS kann sehr wohl z.B. durch Verringerung der bereits vergebenen Datenraten die Teilnehmerzahl vergrößert werden. Der Netzbetreiber kann also die Zellkapazität dynamisch ändern. Die Zellkapazität hängt bei UMTS nicht von der Anzahl vorhandener Frequenzkanäle ab, sondern von den Leistungen der vergebenen Code-Kanälen. Denn je größer die Datenrate eines Kanals ist, umso größer muss auch die Sendeleistung dieses Kanals sein! (siehe UMTS-Serie: WCDMA)

Jeder nicht aktiv kommunizierende Teilnehmer einer Zelle trägt bei UMTS zu einer direkten Verbesserung des Signalverhältnisses von Nutz-zu Störsignal (SNR-Verbesserung, Signal to Noise Ratio) für die aktiven kommunizierenden Teilnehmer bei (kein Analogon für Zeitmultiplex!).

Ist ein Zeitmultiplex-Kanal von GSM belegt aber nicht benutzt (Sprechpause), so ergibt sich kein unmittelbarer Vorteil für die anderen Teilnehmer. Im CDMA-Netz bedeutet eine Sprechpause eines Teilnehmers bzw. ein nicht aktiver Teilnehmer aber eine SNR-Verbesserung für alle anderen aktiven Teilnehmer!

Frequenzeinbrüche (Fading) führen bei CDMA (Codemultiplex) nicht gleich zum Verlust der Übertragung, da diese auch mit einer Bandspreizung verknüpft sind (siehe Bild oben).

Anforderungen an die Sprachqualität
Bezüglich der Sprachsignale werden qualitativ folgende Minimalanforderungen gestellt:

Sprachdatenrate: 4 - 25 kbit/s
Verzögerungszeit (Einweg): <150ms (max. Limit = 400ms)
Variation der Verzögerung: <1ms
Informationsverlust: <3% FER (Frame Error Rate)

Bezüglich der Sprachdatenrate bietet UMTS 8 verschiedene Datenraten an, die zwischen 4,75 kbit/s und 12,2 kbit/s liegen. Näheres dazu werden wir unter dem Thema AMR-Kodierung erfahren.

© Rudolf Riemer, http://www.umtslink.at

1 UMTS stellt sich vor2 Vorteile, Frequenzen und Standards3 Wie wird ein UMTS-Netz aufgebaut?4 Internationales Konzept und Dienste5 Ein interessantes Verfahren: WCDMA-Codemultiplexing6 Die Entschlüsselung: WCDMA-Dekodierung7 Der Prozessgewinn8 Quasi-Orthogonalität9 UMTS-Leistungsregulierung10 Zellensuche und Übertragungsverfahren11 UTRAN-Funktionen12 Das UMTS-Vermittlungsnetz

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