UMTS - Universal Mobile Telecommunications System

UMTS ist eine Mobilfunktechnik der 3. Generation (3G), die GSM (2. Generation, 2G) ursprünglich ablösen sollte. So weit ist es jedoch nie gekommen. GSM bildet für UMTS immer noch den Fallback im Mobilfunknetz.
Die UMTS-Technik basiert auf einer paketorientierten Vermittlung und dem Internet-Protokoll, um die Voraussetzung für mobile Kommunikationsdienste zu schaffen.

  • Videotelefonie / Videokonferenz
  • Internet-Zugang
  • E-Mail und Datentransfer
  • eCommerce / Online-Shopping
  • Finanzdienstleistungen / Mobile Banking
  • Musik/Video on Demand
  • Mobiles Radio und Fernsehen
  • Informationsdienste
  • Navigation
  • Telematik

UMTS ist Teil der IMT-2000-Familie, dem Dachbegriff für die 3. Generation (3G) der Mobilfunksysteme. UMTS wurde von der Europäischen (ETSI) und der Japanischen (ARIB) Standardisierungsorganisation initiiert. Besonders die Japaner hatten es eilig, da Engpässe im japanischen Mobilfunknetz zu befürchten waren. Deshalb ging im Oktober 2001 in Japan das erste öffentliche UMTS-Netz an den Start.

UMTS bis 2020 ersetzen

In den AGB der Deutschen Telekom befindet sich der Hinweis, dass die 3G-Mobilfunktechnik UMTS und HSPA „vorbehaltlich einer Verlängerung nur bis zum 31.12.2020 verfügbar“ ist. Bei den anderen Netzbetreibern dürfte es ähnlich aussehen. Konkrete Aussagen, ab wann 3G nicht mehr verfügbar ist, dürften nur schwer zu treffen sein.

Folgende Tatsachen sind beim Einsatz von 3G-Mobilfunktechnik zu berücksichtigen:

  • Ab 2021 und 2023 werden die 3G-Frequenzen für 5G-Mobilfunk genutzt.
  • Die 3G-Netze standen deutschlandweit nie flächendeckend zur Verfügung.
  • Mobilfunk-Modems und Router mit UMTS waren immer auf einen automatischen Fallback auf 2G-Netze (GSM und GPRS) angewiesen.
  • Kommen durch die Abschaltung von 3G und den damit erzwungenen Fallback weitere Geräte dazu, kann es zur Überlastung einzelner 2G-Zellen kommen, weshalb die gesamte Kommunikation nur noch eingeschränkt möglich ist oder sogar komplett ausfällt.
  • Die Netzbetreiber sind damit beschäftigt, ihre Netze für LTE und 5G auszubauen. Die Kapazitäten für 2G und 3G werden zurückgebaut.

Zukunftssicher sind 2G und 3G nicht. Nur LTE wird teilweise in den 5G-Standard eingehen und weiterhin verfügbar sein und ist damit zukunftssicher.

Mit LTE-Cat-1 bzw. LTE-Cat-M1 stehen zukunftssichere Standards zur Verfügung. Insbesondere LTE-Cat-1 ist ein idealer Ersatz für die bisherige Nutzung von UMTS und GPRS, bis 5G in Deutschland flächendeckend verfügbar ist.

Frequenzbereiche

Die UMTS-Spezifikation sieht zwei unterschiedliche Modulationsverfahren vor, die sich auch bei den genutzten Frequenzbereichen unterscheiden.

  Zugriffsverfahren Frequenzbereiche
FDD Frequency Division Multiplex 1,920...1,980 GHz (Uplink)
2,110...2,170 GHz (Downlink)
TDD Time Division Multiplex 1,900...1,920 GHz
2,010...2,025 GHz

Das Zugriffsverfahren für FDD verwendet die Frequenzbereiche 1,920 bis 1,980 GHz und 2,110 bis 2,170 GHz. TDD verwendet die Frequenzbereiche 1,900 bis 1,920 GHz und 2,010 bis 2,025.
Teilt man das Frequenzband in Frequenzträger ein, so ergeben sich im FDD-Frequenzbereich 12 Frequenzträger mit jeweils 5 MHz in Uplink- und Downlink-Richtung. Der Duplex-Abstand beträgt 190 MHz.
Für das TDD-Frequenzband sind 7 ungepaarte Frequenzträger zu je 5 MHz definiert. Die Vergabe der UMTS-Frequenzen erfolgte in 5 MHz-Blöcken. In Deutschland wurden jeweils 2 Duplex-Frequenzträger an 6 Mobilfunkanbieter und 5 der 7 ungepaarten Blöcke an 5 Mobilfunkanbieter versteigert. 2 der ungepaarten Blöcke sind also noch frei. Sie dienen als Schutzabstand zum benachbarten DECT-Frequenzbereich.

UMTS im 900-MHz-Band

Mobilfunk leidet darunter, dass die Netzkapazität begrenzt ist und sich viele Teilnehmer die begrenzte Bandbreite teilen müssen. Hinzu kommt, dass durch günstige Tarife und neue Anwendungen die Auslastung der Mobilfunknetze stark zugenommen hat. Vielerorts ist der Mobilfunk mit UMTS nur eingeschränkt nutzbar, weil nicht genug Kapazität im Frequenzspektrum verfügbar ist. Um die Netzkapazität zu erhöhen sind weitere Frequenzen notwendig, die leider nicht verfügbar sind.

Bisher ist ein Teil des 900-MHz-Bandes fest für GSM reserviert. Weil aber gerade die Frequenzbänder unterhalb von 1 GHz günstigere Ausbreitungsbedingungen haben, was größere Funkzellen und eine bessere Indoor-Versorgung ermöglicht, wurde die Bindung des 900-MHz-Bandes an GSM aufgehoben. Die Frequenznutzung des 900-MHz-Bandes wurde in Europa überarbeitet und erlaubt den Einsatz von UMTS/HSPA.

Damit das auch in der Praxis funktioniert müssen zwei Probleme gelöst werden. Ein Problem ist die Frequenzaufteilung. Für UMTS ist eine zusammenhängende Kanalbandbreite von 5 MHz notwendig. Doch die Aufteilung des 900-MHz-Bandes wurde ursprünglich nach den Anforderungen von GSM vorgenommen. Hier reicht eine Kanalbandbreite von 200 kHz aus.
Außerdem müssen die Mobiltelefone UMTS auch im 900-MHz-Band unterstützen.

CAMEL - Customized Applications for Mobile Network Enhanced Logic

Die UMTS-Spezifikation behandelt nicht nur die technische Seite, also die Übertragungstechnik für mobile Anwendungen, sondern auch neue Dienste. Innerhalb der Spezifikation wird das unter dem Oberbegriff CAMEL abgehandelt. Darunter fallen Dienste und Anwendungen, wie Location Based Services und flexible Abrechnungsmodelle wie Homezone-Tarife oder Prepaid-Services. Aufgrund der schnelleren Übertragungsgeschwindigkeit sind viele Anwendungen möglich, die es bei GSM nicht gibt.

Multi-Call und Dualmode

Mit UMTS wurden im Mobilfunk einige wichtige Neuerung eingeführt. Die Multi-Call-Funktionalität ermöglicht den Aufbau und die Nutzung mehrerer Verbindungen über ein mobiles Endgerät. So ist es zum Beispiel möglich, gleichzeitig zu telefonieren und im Internet zu surfen.
Der Dualmode erlaubt allen UMTS-Handys auch das GSM- oder GPRS-Netz nutzen zu können. Es ist eines der wichtigsten Leistungsmerkmale. Nur damit ist es möglich überall telefonieren zu können. Es ist sogar denkbar, dass das GSM-Netz als Backup bestehen bleibt, wenn UMTS nicht bis in den letzten Winkel ausgebaut werden kann oder um die steigende Nutzung des Mobilfunks und die dadurch hohe Netzlast auf zwei Funknetze zu verteilen.

Übertragungsgeschwindigkeit

In der Praxis spricht man von 384 kBit/s (bis 120 km/h) als theoretisches Maximum, bei einem unbelasteten UMTS-Netz. Bei zunehmender Geschwindigkeit, z. B. beim Auto- oder Zugfahren, geht die Geschwindigkeit auf 144 kBit/s (bis 500 km/h) zurück.
Dank HSPA steigt die Übertragungsgeschwindigkeit auf 7,2 MBit/s. Mit HSPA+ sollen sogar 168 MBit/s möglich sein.

Zellenmanagement

Bei hoher Auslastung einer Funkzelle reduziert sich die Datenrate. Um den Zusammenbruch der Funkschnittstelle zu vermeiden, verringert diese Funkzelle ihren Versorgungsbereich. Man bezeichnet sie dann als pumpende Zelle (cell breathing).
Das gleiche passiert dann, wenn sich ein Teilnehmer am Rand der Zelle bewegt. Dan muss der Signalverlust durch Erhöhen der Sendeleistung ausgeglichen werden. Innerhalb der Zelle steht aber nur eine maximale Sendeleistung zur Verfügung, die nicht überschritten werden darf. Somit führt eine Erhöhung der Sendeleistung für einen Teilnehmer zur Reduzierung der Sendeleistung für die anderen Teilnehmer. Auch in diesem Fall schützt sich die Zelle vor Überlast durch das Reduzieren des Zellenradius. Die Teilnehmer, die sich am Rand der Zelle befinden, werden dann an eine benachbarte UMTS-Zelle per Soft-Handover übergeben oder es findet ein Handover ins GSM-Netz statt. Diesen Vorgang wird der Teilnehmer bei einer Sprachverbindung kaum bemerken. Bei einer Datenverbindung führt das dazu, dass die Verbindung kurzzeitig zusammenbricht und erst wieder neu aufgebaut werden muss. Das kann schon mal ein paar Sekunden dauern.

UMTS-Technik

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