UMTS - mehr als nur zum Telefonieren gut

Technik und Anwendungsmöglichkeiten des Mobilfunkstandards der 3. Generation

1. Was ist UMTS?

UMTS ist Teil der weltweit standardisierten Systemfamilie IMT-2000 der ITU. Die Abkürzung steht dabei für Universal Mobile Telecommunications System. Regionale Unterschiede haben es leider unmöglich gemacht, nur einen Standard zu entwickeln. Die Realisierung des UMTS wird so nur in Europa und Japan angewendet, wärend in Nordamerika CDMA2000 und in Asien das sogenannte ARIB-CDMA Verwendung finden wird. IMT-2000 selbst beschreibt überwiegend die Anforderungen, die ein System der 3. Generation erfüllen muss. Im Wesentlichen stellt UMTS genauso wie derzeit das GSM-System (D1-, D2-, E-Netz usw.) drahtlose, öffentliche Telekommunikation für mobile Endgeräte, wie Telefone. Es arbeitet ebenfalls zellular und digital. Große Unterschiede bestehen in den angestrebten höheren Datenraten von (theoretisch) bis zu 2MBit/s im Nahbereich (Ballungszentren) und 144kbit/s im Großteil der restlichen Gebiete. Damit verbunden sind eine Fülle neuer Anwendungsmöglichkeiten vor allem im Multimediabereich und die Einbeziehung von Internetdiensten. Andere erstrebte Ziele sind eine festnetzähnliche Sprachqualität, die Integration der verschiedenen heutigen Mobilfunksysteme (GSM, Pager, Satellitenfunk) und des Festnetzes (ISDN) sowie Portabilität der Dienste unabhängig vom jeweiligen Betriebsumfeld mit kleinen, handlichen Endgeräten. Zudem soll auch zwischen den verschiedenen Realisierungen der gesamten Systemfamilie weltweites Roaming möglich sein, sofern das eigene Gerät mehrere der Standards unterstützt.

2. Was war, was wird: Vorgänger und mögliche Alternativen

Was war nun an den verschiedenen Vorgängersystemen unzureichend? Direkte Vorläufer sind die Systeme der 2. Generation (GSM, IS-95, PDC, ERMES), wie sie seit Anfang der 90er Jahre in Betrieb sind und einige Nischensysteme zwischen 2. und 3. Generation wie z.B. der persönliche Satellitenfunk mit IRIDIUM oder Globalstar oder die lokale Breitbandkommunikation mit Hiperlan. Hauptnachteil sind natürlich die geringen Geschwindigkeiten bei der Datenübertragung. Diese Systeme wurde hauptsächlich für die Spachkommunikation entwickelt. Ein weiterer Nachteil ist, dass man derzeit für verschiedene Anwendungen unterschiedliche Systeme nutzen muss, wie eben z.B. bei den Satellitensystemen. Anbieter, die in Europa keine UMTS-Lizenzen erworben haben und dies auch später nicht vorhaben, können dennoch in Zukunft auf alternative Techniken ausweichen. So bietet sich beispielsweise mit Enhanced Datarates for GSM Evolution (EDGE) eine solche Möglichkeit an. Die erzielbaren Datenraten sind auf ähnlich hohem Niveau und eine nahtlose Integration in die bestehenden Netze ist mit vertretbarem Aufwand möglich. Neue Endgeräte werden jedoch auch hier nötig sein. Darüber hinaus werden auch die bestehenden Netze noch sehr lange Zeit weiter verwendet werden, da sie für viel Anwendungen völlig ausreichend sind. Man denke nur an das bis vor kurzem noch verfügbare analoge C-Netz.

3. Technik

Systemkomponenten

[Grafik: Systemkomponenten] Ein Mobilfunksystem nach UMTS besteht aus mehreren Komponenten, die aufeinander aufbauen. Die Komponente, mit der der Endanwender in Berührung kommt, ist das Mobile Terminal, also sein persönliches Gerät, wie z.B. ein Handtelefon. Zum Access Network oder Zugangsnetzwerk gehören die Basisstationen, die den Funkkontakt zu den Endgeräten halten. Für den Nutzer im Hintergrund agieren die zwei restlichen Komponenten: das Core Network (Fixed Network) und das Intelligent Network. Ersteres stellt das Festnetz zur Verbindung der Basisstationen dar, sorgt für den Aufbau der Verbindungen und ist technisch durch Breitband-ISDN unter Nutzung virtueller ATM-Verbindungen realisiert. Das Intelligent Network sorgt für das korrekte Zusammenspiel aller Komponenten. Es übernimmt in diesem Zusammenhang auch die Gebührenabrechnung, die Benutzerlokalisierung, das Roaming und Handover zwischen den Zellen.

Zellstruktur

Zur Versorgung einzelner Gebiete mit differenzierter Qualität wurden verschieden große Zelltypen festgelegt. Es ist keineswegs möglich, die maximal angestrebten Datenraten in allen Gebieten zu ermöglichen. Dies ist nur bei sehr geringen Distanzen zu einer Basisstation und bei kleinen Bewegungsgeschwindigkeiten möglich. Für die Versorgung von Innenstädten, aber auch Großveranstaltungen, Messen usw. gibt es die Pico-Zelle. Hier sind Datenraten bis zu 2MBit/s erzielbar und auch nur bei Bewegung bis 10 Meter/s, was aber meist ausreicht. Die Micro-Zelle ist zur Versorgung von Städten und allgemein dicht besiedelten Gebieten vorgesehen. Hier sind 384kbit/s bei Geschwindigkeiten bis 120km/h möglich. Telefone in Fahrzeugen können in diesen Zellen also betrieben werden. Zur Anbindung von ländlichen oder dünn besiedelten Gebieten existieren Macro-Zellen. Hier geht es hauptsächlich um die Gewährleistung einer Grundversorgung. Datenraten bis 144kbit/s sind erzielbar. Fahrzeuge können sich bis zu 500km/h schnell bewegen, was auf Autobahnen von Vorteil sein dürfte. Erst einige Jahre nach Inbetriebnahme der ersten UMTS-Netze wird der 4. Zelltyp hinzukommen, der satellitengestützt arbeitet. Dazu später mehr. Zellen unterschiedlicher Größe überdecken sich, also in einer Makro-Zelle liegen viele kleinere Micro-Zellen und so weiter. Es dürfte zudem klar sein, dass die Leistungsangaben wie bei anderen Funksystemen auch nur sehr theoretisch sind und je mehr Teilnehmer in einem Netzbereich agieren, desto geringer wird die verfügbare Bandbreite eines einzelnen Nutzers.

CDMA-Technik

Kern der Funkschnittstelle und wesentliche Neuerung gegenüber den meisten etablierten Systemen ist die CDMA-Technik. Die Abkürzung steht dabei für Code Division Multiple Access. Im Gegensatz zu den bei GSM-Systemen verwendeten FDMA und TDMA, bei denen der gemeinsame Funkkanal entweder zeitlich oder durch Unterteilung in kleinere Frequenzbänder zwischen den Nutzern geteilt wird, steht hier jedem Nutzer zu jeder Zeit der vollständige Kanal zur Verfügung. Das klingt erstaunlich, funktioniert aber. Das schmalbandige Signal eines Senders wird dabei auf den breitbandigen Funkkanal gespreizt. Dies erfolgt durch Multiplikation mit Psoido-Noise. Bei nicht zu großer Nutzerzahl sind die Spreizcodes noch hinreichend verschieden, so dass alle Teilnehmer sich kaum gegenseitig behindern und quasi gleichzeitig den Kanal benutzen können. Der Empfänger kann mit dem für ihn bekannten Spreizcode aus der rauschähnlichen Signalgemenge das Nutzsignal wiedergewinnen. Durch den Zugriff auf die gesamte Bandbreite ist die Störsicherheit entschieden verbessert, da die meisten Störsignal sehr schmalbandig sind. Ebenso ist ein gezieltes Abhören und Manipulieren durch Dritte sehr schwierig, weil der Spreizcode als kryptographischer Schlüssel angesehen werden kann und das Signal aufgrund der gering bleibenden Sendeleistung auf einer Frequenz kaum noch vom Grundrauschen zu unterscheiden ist. Weiterhin zu den Vorteilen zählt der geringere Synchronisationsaufwand, da der Kanal zeitlich ununterbrochen zur Verfügung steht und auch die Möglichkeit eines Softhandover zwischen gleichen Zelltypen. Der Übertragungskanal wird auch durch die nicht mehr nötigen Schutzfrequenzen oder -zeiten besser ausgenutzt. Negativ zu bemerken ist die kompliziertere Technik bzw. auch die geringere Erfahrung der Hersteller mit dieser Technik und die Notwendigkeit von Fehlerkorrektur wegen der nie ganz orthogonalen Spreizcodes. Anwendung fand die Technik bereits seit einiger Zeit im militärischen Umfeld und bei WaveLANs.

Frequenzbänder

Als Frequenzbänder für das gesamte IMT-2000 sind die Bereiche von 1,888 bis 2,2 GHz vorgesehen. Dabei ist an schrittweise Zuteilung der Frequenzen je nach gegenwärtigen Bedarf gedacht. Teilweise ist dies ja schon durch die Versteigerung der Frequenzen im letzten Jahr erfolgt. Regional gibt es große Unterschiede in Bezug auf anderweitig schon belegten Frequenzen. Insbesondere in den USA sind viele davon vom Militär belegt. Jeder Kanal besitzt eine Bandbreite von 5Mhz, also wesentlich mehr als die heutigen 200KHz im GSM. An einer Erweiterung des Frequenzbereiches ist auch schon gedacht, sollte der Bedarf jemals zu groß sein. Die Zuteilung der Frequenzen für die Empfangs- und Senderichtung erfolgt je nach Zelltyp nach unterschiedlichen Kriterien. In den Pico-Zellen erfolgt die Aufteilung nach einem Zeitmultiplex (FDD). Up- und Downstream müssen sich das gesamte Frequenzband zeitlich teilen. Vorteil ist, dass je nach Bedarf die Länge der Zeitschlitze variiert werden kann, um hohe Übertragungsraten in einer Richtung zu erreichen. Das Frequenzduplexverfahren wird in der Micro- und Macro-Zelle verwendet. Hier stehen zwei getrennte Bänder für die Übertragungsrichtungen zur Verfügung. Die teilweise großen Entfernungen zwischen Mobilteil und Basisstation lassen hier kein sinnvolles Zeitduplex zu.

Handover

Handover ist der Übergang von einer Zelle zu einer anderen bzw. der Wechsel zu einer anderen Basisstation. Für ununterbrochene Kommunikation währen der Bewegung (z.B. Autobahnfahrt) ist dies notwendig. UMTS unterscheidet 2 Arten. Verantwortlich für die Koordinierung dieses Vorganges ist das Intelligent Network und es soll auch anbieterübergreifend funktionieren. Zwischen Zellen gleichen Typs wird vertikales Handover angewendet. Den Wechsel zu einem anderen Zelltyp bezeichnet man als horizontales Handover.
Handover horizontal

Eine Besonderheit gegenüber derzeitigen Systemen stellt das horizontale Handover dar. Hier ist, wie im Abschitt zur CDMA-Technik erwähnt, ein sogenanntes Softhandover möglich. Benachbarte Zellen gleichen Typs können mit den gleichen Frequenzen arbeiten. Wechselt ein Teilnehmer die Zelle, so wird er durch beide Stationen versorgt und die Verbindung zur alten Station reißt nach und nach ab. Beim horizontalen Handover spricht man auch von Seamless Handover, wenn wärend des Übergangs keine Beeinträchtigung der Verbindungsqualität zu bemerken ist.

Spezialität: S-UMTS (Satelliten-UMTS)

Für die zukünftige satellitenbasierte Komponente von UMTS ist der Bereich von 2170 bis 2200 MHz. Immerhin 384KBit/s sollen machbar sein, aber es wird kaum abschätzbar sein, wieviele Nutzer sich in einer solchen Zelle aufhalten. Vorrangig in dünn besiedelten Gebieten, auf den Meeren oder allgemein in schwer erschließbaren Gebieten wird es für eine Grundversorgung dienen. Terrestrisches UMTS erfordert ein sehr dichtes Sendernetz. Das ist aber alles noch Zukunftsmusik, denn die Funkschnittstelle (SRI; Satellite Radio Interface) ist noch nicht vollständig spezifiziert. Auch ist noch nicht ganz klar, ob LEO- (low earth orbit) oder GEO- (geostationäre) Satelliten eingesetzt werden oder gar beide Typen. Erstere Gruppe bietet bessere Kapazität aber bedeutet auch mehr Aufwand wegen der ständigen Bewegung relativ zur Erdoberfläche. Entscheidende Unterschiede zur Funkschnittstelle des terrestrischen UMTS ergeben sich schon aus der geringeren Empfangsleistung und den längeren Signallaufzeiten. In jedem Fall werden die Mobiltelefone der ersten UMTS-Generation sich nicht für S-UMTS eigenen. Erst zukünftige Geräte werden optional über die zusätzliche Technik verfügen.

4. Anwendungsmöglichkeiten

Spezifizierte Dienste

Grundsätzlich werden vier Grundarten von Diensten unterschieden. Die Trägerdienste existieren kanalvermittelt (z.B. für normale Telefonie) oder paketvermittelt (zur Datenübertragung). Teledienste umfassen die bereits im Festnetz existierenden Dienste, neue UMTS-Teledienste und Multimedia-Dienste. Als Zusatzdienste gelten z.B. Rufumleitung, Zusatzinformationen zu anderen genutzten Diensten und viele weitere. Die vierte Gruppe stellen die Mehrwertdienste dar. Beispiele dafür sind Bandwidth on Demand (garantierte Datenraten für spezielle Anforderungen), das Virtual Home Environment (VHE) und Personal Mobility.

Anwendungen

Über die späteren Anwendungen besteht noch einige Unklarheit. Insbesondere kann noch niemand sagen, ob der Konsument die gebotene Leistung und die neuen Möglichkeiten überhaupt nutzen will bzw. bereit ist, dafür auch ein entsprechendes Entgelt zu zahlen. Die Hersteller entwickeln Visionen von Personal Wireless Web Assistents, die eben mehr als nur Mobiltelefone sein sollen. Eher eine Verbindung von PDA, Telefon und den dabei integrierten Leistungen von Finanz-, Informations- und Handelsdienstleistern. Vorgesehene Anwendungen muss man nach der Zielgruppe unterscheiden. Im privaten Bereich werden wohl die Unterhaltungsdienste eine zentrale Rolle spielen. Mobiler WWW-Zugang und mobile Zahlungsdienste (W-Commerce) sind auch denkbar. Einige Firmen denken schon über Online-Spiele nach. Vieleicht sendet man sich in Zukunft ein "short video" statt SMS zu. Bei der Frage nach den Kosten für Privatanwender könnten sogar die normalen Telefongespräche gebührenfrei werden, da die Anbieter ihre Umsätze zunehmend durch diese neuen Dienste erreichen wollen. Dieser Meinung ist jedenfalls Peter Zapf, Präsident der Siemens Mobiltelefone. Der geschäftliche Bereich wird sich für Videokonferenzen, Telearbeit und den mobilen Zugriff auf die Daten im Firmennetz begeistern können. Dieser Bereich wird es auch sein, mit dem die Mobilfunkbetreiber am Anfang Gewinne erwirtschaften können, da diese Dienste für Firmen häufig Kostenersparnisse bedeuten. Im mobilen Bereich, der sich naturgemäß mit den beiden anderen Bereichen überschneidet, sind Navigationssysteme und andere positionsabhängige Informationssysteme vorstellbar.

Ob es jemand glaubt oder nicht: ganz normales Telefonieren ist auch noch möglich.

5. Visionen, Nachfolger?

Noch bevor UMTS-Netze hierzulande in Betrieb gegangen sind, wird schon über potentielle Nachfolger diskutiert. Zwei mögliche Ansätze sollen hier noch erwähnt werden.

UMTS-Plus

Dies ist eine Weiterentwicklung von UMTS. Die maximale Bandbreite soll weiter erhöht werden. Zudem ist eine Variation der Datenrate in Abhängigkeit der verfügbaren Bandbreite vorgesehen, z.B. verschiedene Bild- und Tonqualitäten bei Videoübertragungen.

Hiperlan (in abgewandelter Form)

Hiperlan stellt heute schon ein lokales, drahtloses Breitbandnetz dar. Für den Mobilfunk könnte es in abgewandelter Form eingesetzt werden, denn die Reichweiten von unter 200 Meter sind dafür zu gering. Deshalb ist daran gedacht, Daten von Teilnehmer zu Teilnehmer bis zu einer Basisstation zu übertragen, so dass nicht jeder Teilnehmer direkten Kontakt zu einer solchen haben muss. Inwiefern sich damit wirklich - zumindest in Ballungsräumen - zuverlässige Netzabdeckung gewährleisten lässt, ist noch weitgehend unklar. Erzielbar sollen damit bis zu 25MBit/s sein.

Anhang/Links

UMTS bei der ETSI (European Telecommunications Standards Institute) ... http://www.etsi.org/
IMT 2000 bei der ITU (Internations Telecommunication Union) ... http://www.itu.int/imt/

Marco Flohrer, Fakultät für Informatik, Mai 2001