Der Traum von der Schnelligkeit: Wie gelangen Daten in Highspeed von Handy zu Handy? Nach der Aufrüstung des GSM-Netzes sorgt das UMTS-Netz mit neuen Technologien für noch mehr Tempo.
Die verschiedenen Netze
Wer mit dem Handy unterwegs ist, bewegt sich durch ein unsichtbares Gitternetz an Funkzellen. Das (eingeschaltete) Handy loggt sich dabei automatisch - in gewissen Zeitabständen - in die gerade aktuelle Zelle ein. Dieses Grundprinzip bleibt auch mit der Einführung des Mobilfunks der dritten Generation UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) erhalten.
Anlass für eine immer weitere Aufrüstung der Mobilfunknetze waren zwei Entwicklungen: die wachsende Anzahl an Mobilgeräten und ihre vermehrte Nutzung für die Datenübertragung. So werden Handys und verwandte Geräte wie Smartphones z.B. auch für das Surfen im Internet verwendet.
Als zweite Generation des Mobilfunks werden die auf dem GSM-Standard (Global System for Mobile Communication) basierenden digitalen D- und E-Netze bezeichnet, die auch nach Einführung des UMTS-Standards zunächst bis 2009 in Betrieb bleiben sollen. Die UMTS-Lizenzen haben in Deutschland eine Laufzeit von vorläufig 20 Jahren.
Damit sich die vielen Mobilfunkgeräte eines Netzes nicht gegenseitig stören, gibt es verschiedene Verfahren, die Geräte auseinander zu halten. Beim herkömmlichen Radio arbeiten alle Sender auf verschiedenen Frequenzkanälen. Bei diesem Frequenzmultiplex-Verfahren ist für jede Frequenz ein eigener Sender erforderlich.
Was dies im Fall der Handys bedeuten würde, liegt auf der Hand: Für jedes Handy müsste eine Basistation getrennte Sende- und Empfangsteile (Transceiver) zur Verfügung stellen. Um Aufwand und Kosten zu reduzieren, sind andere Verfahren erforderlich.
Das TDMA-Verfahren
Im GSM-Netz wird vorwiegend das Zeitmultiplex-Verfahren (TDMA - Time Division Multiple Access) verwendet. Auf einer Frequenz senden nacheinander verschiedene Geräte. Jedes Gerät hat für seine Daten- oder Sprachübertragung jeweils nur einen bestimmten kurzen Zeitschlitz zur Verfügung. Bei der Datenübertragung kommen die verschiedenen Handys nach dem Rotationsprinzip an die Reihe - und können so mehrfach pro Sekunde versorgt werden.
Das WCDMA-Verfahren
UMTS basiert auf dem WCDMA-Verfahren (Wideband Code Division Multiple Access), das sich stark vom bisher eingesetzten Zeitmultiplex-Verfahren unterscheidet. Bei WCDMA werden alle Daten innerhalb einer Funkzelle auf der selben Frequenz und zum gleichen Zeitpunkt übertragen.
Getrennt und adressiert werden die Daten durch Codes, die durch Sender und Empfänger ausgehandelt wurden. Ähnlich wie bei GPRS (General Packet Radio System) teilen sich die Teilnehmer dynamisch die insgesamt zur Verfügung stehende Bandbreite der Funkzelle. Dies führt zu höherer Übertragungsgeschwindigkeit und optimaler Nutzung der Netzressourcen. Leider sinkt die maximale Übertragungsrate mit dem Abstand des Handys zum Funkmast und mit der Geschwindigkeit, mit welcher das Handy (zum Beispiel im Auto oder Zug) bewegt wird.
Die Datenübertragung
Im GSM-Netz 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 bei verringerter Fehlerkorrektur. Für Sprachübertragungen ist diese Bandbreite geeignet, für Datenübertragungen hingegen quälend langsam. Um diesen Nachteil etwas zu mildern, wurden von den GSM-Netzbetreibern zwei Erweiterungen nachgerüstet: die Datenübertragungsmethoden GPRS und HSCSD (High Speed Circuit Switched Data).
HSCSD
HSCSD nutzt zur Steigerung der Übertragungskapazität in GSM-Netzen das Verfahren der Kanalbündelung - dem Nutzer werden gleich mehrere GSM-Kanäle zugewiesen, die sonst auch für Sprachübertragung genutzt werden. Theoretisch wären acht Kanäle möglich, in der Praxis können bis zu vier feste Kanäle gebündelt werden. So sind Übertragungsraten von insgesamt 57,6 kBit/s möglich.
HSCSD funktioniert grundsätzlich sehr zuverlässig, hat jedoch einen Nachteil: Da mehrere Datenkanäle belegt werden, wird auch das Netz stärker beansprucht, was zu Überlastung führen kann. Bei Kapazitätsengpässen hat Sprachtelefonie Vorrang, d.h. in diesem Fall wird die Performance für die Datenübertragung von Seiten des Netzbetreibers eingeschränkt: Ein oder zwei Kanäle werden “gekappt“. Stehen später wieder genügend Ressourcen zur Verfügung, kann der abgeschaltete Kanal auch wieder hinzugefügt werden.
Der Hauptnachteil von HSCSD ist, dass alle Kanäle belegt bleiben, solange das HSCSD-Handy "online" ist, auch dann, wenn der Nutzer am anderen Ende gerade keine Daten überträgt, zum Beispiel, weil er eine E-Mail oder eine Website liest.
GPRS
GPRS kann in gewisser Weise als Vorläufer von UMTS bezeichnet werden, weil bereits - wie bei UMTS - Internet-Technologie genutzt wird. Statt fester Verbindung per Einwahl werden nach dem Internet-Protokoll einzeln adressierte Pakete ins Netz geschickt. Die Nachteile von HSCSD gleicht GPRS aus, indem es jedem Mobilfunkgerät dynamisch einen Anteil an den insgesamt im Netz vorhandenen Kapazitätsreserven zuteilt.
Die GPRS-Technologie nutzt die Vorteile der paketorientierten Datenübertragung und der Bündelung von maximal acht Zeitschlitzen bei den GSM-Kanälen.Bei höchstem Datendurchsatz von 21,4 kBit/s pro Kanal ergibt sich bei Bündelung der acht GSM-Kanäle eine maximale Datenübertragungs-Kapazität von 171,2 kBit/s.
Die Daten werden in Paketen immer dann übertragen, wenn Netzkapazitäten frei sind, dies wäre z.B. auch bei einer Sprechpause möglich. Damit wird das Netz nicht zusätzlich belastet, jedoch bedeutet dies auch, dass bei einem ausgelasteten Netz nur sehr wenige Datenpakete versendet werden können. Ferner ermöglicht GPRS die Tarifberechnung nach übermitteltem Datenvolumen. Auch entfällt die lästige und zeitraubende Einwahlprozedur in das mobile Funknetz - die Verbindung ist quasi immer "online".
Die Bandbreite
Der entscheidende 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. Nur diese hohen Frequenzbreiten ermöglichen die schnellen Datenübertragungsraten bei UMTS.
Zudem zeichnen sich UMTS-Netze durch eine neuartige, hierarchische 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 größere 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, haben eine Ausdehnung von bis zu mehreren hundert Kilometern. UMTS kann Übertragungsraten bis zu 2 MBit/s ermöglichen.
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