09.09.2003
3 Wie wird ein UMTS-Netz aufgebaut?

3.1 Die Zellenhierarchie

Jedes Mobilfunknetz ist geographisch in Zellen aufgebaut, wobei jede Zelle von einer eigenen Bodenstation mit Funksignalen versorgt wird. Jede Zelle hat eine bestimmte Kapazität von Kommunikationskanälen. Je kleiner die Zellen geplant werden, umso mehr Zellen, also Bodenstationen mit Antennen und Verarbeitungselektronik, müssen aufgebaut werden. Kleine Zellen bedeuten somit eine größere Netzkapazität aber auch größere Investitionskosten für den Netzbetreiber, da mehr Funkstationen aufgebaut werden müssen.

Bei GSM ist ein geographisches Gebiet so in Zellen eingeteilt, dass im städtischen Bereich kleinere Zellen und im ländlichen Bereich größere Zellen implementiert sind. Dabei bekommt bei GSM jede Zelle ein oder mehrere Frequenzbänder zugewiesen und es muss darauf geachtet werden, dass alle benachbarten Zellen verschiedene Frequenzkanäle verwenden, da es sonst durch das von GSM verwendete FDMA-Multiplexverfahren (Frequenzmultiplex) zu einer gegenseitigen Beeinflussung der Kommunikationskanäle an den Zellgrenzen kommt. Ebenso ist es entscheidend ob bei GSM ein GSM-900 (900 MHz) oder DCS-1800 (GSM bei 1800MHz) Netz verwendet wird, da höhere Frequenzen eine größere Dämpfung bei der Ausbreitung im Raum erfahren als niedrigere Frequenzen. Die Reichweite einer DCS-1800 Zelle ist daher kleiner als die einer GSM-900 Zelle. Je größer die Frequenzen werden, desto kleiner müssen die Zellen geplant werden. Aus diesem Grund haben DCS-1800 Netze auch eine bessere Teilnehmerkapazität, weil mit einer größeren Anzahl von Zellen auch geographisch mehr Teilnehmer versorgt werden können. UMTS verwendet Frequenzen im Bereich von 2.000 MHz und liegt daher in der Nähe der DCS-1800 Frequenzen. Daher bedarf auch ein UMTS-Netz eher kleinerer Zellen.

Wie wir in Kapitel 1 bereits lesen konnten, haben 6 deutsche Netzbetreiber 2 gepaarte Frequenzpakete ersteigert. Wesentlicher Unterschied zu GSM ist, dass bei UMTS alle Nachbarzellen den selben Frequenzkanal für die Kommunikation verwenden. Da UMTS das WCDMA-Multiplexverfahren (Codemultiplex: siehe nächste Serie) verwendet, kommt es nicht zu einer gegenseitigen Beeinflussung von benachbarten Zellen. Es wird für einen zellularen Aufbau also nur ein einziges Frequenzpaket benötigt, ohne dass es zu Störungen zwischen den Zellen kommt. Jetzt stellt sich aber die Frage, warum die Netzbetreiber ein zweites gepaartes Frequenzpaket und die meisten sogar noch ein drittes aber ungepaartes Frequenzpaket gekauft haben, wenn es doch auch mit einem Frequenzpaket funktioniert?

Die Antwort ist darin zu finden, dass im UMTS mehrere Zellularebenen aufgebaut werden, die voneinander unabhängig sind und die jeweils ein eigenes Frequenzpaket verwenden. Die jeweiligen Zellularebenen haben separate Eigenschaften und müssen unterschiedliche Aufgaben erfüllen.

Man teilt die Ebenen wie folgt ein:

1. Worldzelle
2. Makrozellen
3. Mikrozellen
4. Pikozellen

Die Abbildung unten zeigt wie man sich das geographisch vorstellen kann:



Die Worldzelle wird in Zukunft durch Satellitenanbindung realisiert, wodurch auch an geographisch ungelegenen Plätzen, wie die Wüste oder der Ozean, Mobilfunkdienste angeboten werden können. Die Worldzellen werden durch ein eigenständiges Funknetzteil realisiert, das mit dem UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) nichts zu tun hat, das noch Thema einer späteren UMTS-Serie sein wird. Welche Technologien für das Satellitennetz verwendet wird ist noch nicht entschieden.

Wesentlich wichtiger für unser UMTS-Netz sind die Makrozellen und die Mikrozellen, und in besonderen Situationen auch die Pikozellen, da diese Zellen zuerst implementiert werden und für alle Standardhandys verfügbar sind. Durch welche Eigenschaften unterscheiden sich nun diese unterschiedlichen Netzebenen? Dieser Frage wollen wir nun an dieser Stelle nachgehen mit einer anschließenden Zusammenfassung.

3.2 Makrozellen

Das Makrozellennetz wird eher großräumig dimensioniert und besitzt daher die räumlich größten Zellen mit einer Ausdehnung von etwa 2 km. In Makrozellen ist die größte Datenrate auf 144 kbit/s beschränkt. Dafür kann ein Mobilteilnehmer, der von Makrozellen versorgt wird, sich mit einer Maximalgeschwindigkeit von 500 km/h bewegen. Bei GSM-900 gibt es ein Tempolimit von 250 km/h, wodurch es in Hochgeschwindigkeitszügen (z.B.: ICE) zu Problemen kommen kann. Bei DCS-1800 ist bereits mit 130 km/h systembedingt die Grenze erreicht. Makrozellen haben die Aufgabe ein Land komplett mit UMTS-Diensten zu versorgen, deren Datengeschwindigkeit aber reduziert sind.

3.3 Mikrozellen

Die Mikrozellen sind schon kleiner dimensioniert und haben eine Ausdehnung von etwa 1km. Durch die geringeren Abmessungen gegenüber den Makrozellen bieten die Mikrozellen eine Maximaldatenrate von 384 kbit/s und eine größere geographische Kapazität. Diese Datenrate entspricht der sechsfachen ISDN-Geschwindigkeit. Allerdings ist der Aufbau der Zellen mit mehr Kosten verbunden, da durch die geringere Abmessung auch mehr Zellen pro zu versorgender Fläche aufgestellt werden müssen. Aus diesem Grund wird man Mikrozellen hauptsächlich in Gebieten mit größerer Besiedelungsdichte einsetzen - also Großräume um Städte herum. Mikrozellen bieten zwar eine höhere Maximaldatenrate als die Makrozellen, dafür darf sich der Teilnehmer aber nur mit einer Maximalgeschwindigkeit von 120 km/h bewegen. Auf Autobahnen kann es also bereits zu Schwierigkeiten kommen.



Das Bild oben zeigt die Zellhierarchie nachhaltig. Die beige große Zelle ist die von Satelliten versorgte Zelle und überstrahlt somit das gesamte Staatsgebiet, dass hier als Ellipse dargestellt ist und komplett mit blauen Makrozellen aufgefüllt ist. Des weiteren sind in der Abbildung oben drei Ballungsräume eingetragen, die jeweils von roten Mikrozellen aufgefüllt werden. Als Draufgabe gibt es pro Ballungszentren noch sogenannte Hotspots, die nach sehr großen Datenraten verlangen. Diese Hotspots werden mit Pikozellen zusätzlich versorgt, die oben grün dargestellte sind.

3.4 Pikozellen

Die Pikozellen haben eine Ausdehnung von mehr als 60m und erlauben Datenraten von bis zu 2 Mbit/s. Allerdings werden diese Minizellen nur an sogenannten "Hotspots" realisiert, wo ein Bedarf von derart hohen Übertragungsgeschwindigkeiten besteht und es sich für den Netzbetreiber lohnt dafür zu investieren. Diese Hotspots sind in der obigen Grafik als kleine grüne Punkte dargestellt, die über der Mikrozellenebene positioniert sind. Die Pikozellen spielen sich primär im Indoor-Bereich ab und sind hauptsächlich dort relevant, wo sich viele Geschäftsleute aufhalten. Bei ihnen ist der Bedarf an professioneller Versorgung am höchsten. Die wichtigsten Bereiche für Pikozellen sind: Flughäfen, Bahnhöfe, Konferenzzentren, Businessparks, Börsen usw. Die Maximalgeschwindigkeit der Teilnehmer ist in Pikozellen auf 10 km/h beschränkt, was allerdings in Bürogebäuden wohl kaum ein Problem darstellen sollte. Für diese dritte Zellularebene wird jetzt z.B. das ungepaarte Frequenzpaket verwendet.

Jetzt stellt sich noch die Frage, was machen Netzbetreiber, die kein drittes Frequenzpaket zur Verfügung haben, um Pikozellen versorgen zu können? Hier gibt es unterschiedliche Ansätze, um an den Hotspots hohe Datenraten zu realisieren. Ein Ansatz wäre ein Funk-LAN, ein anderer wäre der Einsatz von Bluetooth. Das Hochfrequenzverfahren Bluetooth erlaubt Datenraten von etwa 1 Mbit/s und lässt sich so klein realisieren, dass es sich in jedem Handy einbauen lässt. Die Größe liegt im Bereich einer Briefmarke. Auch die neuesten GPRS-Handys werden fast alle bereits mit Bluetooth ausgestattet, um mit einem Laptop drahtlos und schnell kommunizieren zu können. Die Sendeleistung beträgt dabei nur 1mW und ist für eine Reichweite von bis zu 10m ausgelegt. Im Gegensatz zu Infrarot-Systemen muss auch kein Sichtkontakt bestehen.

3.5 Übertragungsressourcen in Hülle und Fülle

Befindet sich ein Teilnehmer z.B. genau über einem grünen Punkt, also einer Pikozelle, im obigen Bild, so kann er prinzipiell auf eine von drei möglichen Zellen zugreifen, nämlich die grüne Pikozelle, die rote Mikrozelle und die blaue Makrozelle. Man sieht, dass durch dieses Ebenenkonzept in Ballungsgebieten eine ziemlich große Netzkapazität realisiert wird. Über dies hinaus hat der Netzbetreiber auch noch die Möglichkeit, ein Gespräch auf das GSM-Netz oder eine Datensession auf das GPRS-Netz durch Handover zu überweisen. Dies ermöglicht dem Netzbetreiber seinen Teilnehmern so gut wie immer einen Kommunikationskanal zu ermöglichen. Dazu muss man auch noch bedenken, dass bereits eine UMTS-Standardzelle etwa die fünffache Kapazität einer GSM-Zelle hat.

3.6 Datenraten und Zellengröße

Wie wir gesehen haben, wächst die maximal mögliche Datenrate mit kleiner werdender Zellengröße. Andererseits reduziert sich damit aber auch die maximal erlaubte Bewegungsgeschwindigkeit der Teilnehmer, je kleiner die Zelle wird. Folgendes Bild gibt einen Überblick des Zusammenhangs zwischen Ausdehnung und Datenrate:

ZelleGrößeMax. DatenrateMax. Geschwindigkeit
Makrozelle2km144kbit/s500km/h
Mikrozelle1km384kbit/s120km/h
Pikozelle60m2Mbit/s10km/h




© 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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