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UMTS-Netzarchitektur

GSM-Netzbetreiber haben in ihren Netzen UMTS eingeführt und greifen dazu auf die Netzelemente und die Netzarchitektur des GSM-Netzes, sowie GPRS und EDGE, zurück. UMTS und GSM haben meist ein gemeinsames Kernnetz für die Vermittlung von Sprache und Daten. Aus diesem Grund sind in der folgenden Darstellung und Beschreibung sowohl Netzelemente von GSM als auch von UMTS enthalten.
UMTS-Netzarchitektur
Die kombinierte GSM-UMTS-Netzarchitektur teilt sich in ein Access Network (Zugangsnetz) mit den Mobil- und Basisstationen, sowie dem Core Network (Kernnetz), mit der bestehenden Netzarchitektur von GSM/GPRS/EDGE. Innerhalb des Access Network gibt es für UMTS vergleichbare Komponenten wie bei GSM. Aufgrund neuer Funktionen hat man andere Namen gewählt.
Jedes Funknetz hat einen eigenen Sende- und Empfangsbereich, der als Radio Access Network (RAN) bezeichnet wird. Darin werden unterschiedliche Frequenzen und Übertragungsverfahren genutzt. Im UMTS-Netz wird dieser Bereich als UMTS Terrestrial RAN (UTRAN) im GSM-Netz als GSM/EDGE RAN (GERAN) bezeichnet. Das GERAN besteht aus der Basisstation (BTS) und dem Controller (BSC). Im UTRAN ist die Basisstation das Node-B. B steht hier für Base bzw. Basisstation. Mehrere davon werden von einem Radio Network Controller (RNC) gesteuert. Im UTRAN sind im Gegensatz zum GERAN die Controller (RNC) untereinander vernetzt. So ist unter anderem das so genannte Soft-Handover möglich. Dabei müssen zwei Node-B ein Endgerät versorgen.
Die Mobilfunktelefone werden als User Equipment (UE) bezeichnet. Das Gerät selber als Mobile Equipment (ME), die SIM-Karte als UMTS Subscriber Identity Mobule (USIM).
Im Kernnetz werden leitungsorientierte Verbindungen von den MSCs verwaltet. Hier gibt es eine Heimatdatei (Home Location Register, HLR), deren Teilnehmer-Datensätze temporär in den Besucherdateien (Visitor Location Register, VLR) der Vermittlungsstellen gespeichert sind. Die GMSC, die Gateway-Vermittlungsstelle, ist für den Übergang von und in das Festnetz und andere Mobilfunknetze verantwortlich. Der paketorientierte Datenverkehr wird vom SGSN (Serving GPRS Support Node) abgewickelt. Das Routing ins Internet übernimmt der GGSN (Gateway GPRS Support Node).
Diese Netzwerkarchitektur ermöglicht den fliegenden Wechsel zwischen UMTS und GSM/GPRS, sofern das eingesetzte Endgerät den Dual-Mode unterstützt. Für UMTS-Kunden steht dann in nicht UMTS-versorgten Gebieten GSM zur Verfügung. Probleme bereiten nur wenige Anwendungen, die mit GSM nicht funktionieren. Z. B. Videotelefonie.
Um die in UMTS-Netzen hohe Übertragungsrate erreichen zu können, muss das Kernnetz angepasst werden. Sobald UMTS etabliert ist und sich die GSM-Nutzung reduziert, dürfte der Umbau der Kernnetze beginnen. Dazu soll von der SS7-basierten Signalisierung auf ein reines IP-Netzwerk umgestellt werden. Da der meiste Datenverkehr auf IP basiert, wird auch die Sprache darauf umgestellt werden. Die klassische Leitungsvermittlung wird zu Gunsten der Paketvermittlung verschwinden. Spätestens dann wird Voice-over-IP (VoIP) im Mobilfunk Realität.

Zellen und Zonenkonzept

Innerhalb der UMTS-Netzarchitektur bedient man sich einer wesentlich flexibleren Zellenstruktur als z. B. bei GSM. Die kleinsten Zellen versorgen Häuserblocks oder Teile eines Straßenzugs. Insgesamt gibt es vier Stufen von zellularen Sende- und Empfangsanlagen. So lässt sich die Zellengröße ökonomisch auf die Bevölkerungsdichte durch eine zugeschnittene Frequenznutzung und Sendeleistung anpassen.
Welche Zellengröße ein Netzbetreiber verwendet, richtet sich nach dem zuerwartenden Datenaufkommen und Nutzerverhalten. Im Regelfall werden die Zone 2 und 3 aufgebaut.
Es ist mit der Zone 1 sogar eine Zellengröße vorgesehen, die mit WLAN vergleichbar ist. Die Reichweite dieser Picozellen ist aber nur auf ein Gebäude oder ein Stockwerk beschränkt. Doch das reicht aus, um mit diesen Mini-Basisstationen zum einen die Signalqualität in Gebäuden zu verbessern und gleichzeitig die Nutzer unabhängig vom Festnetz zu machen. Aufgrund der geringen Entfernung zwischen Handy und Basisstation sinkt die Sendeleistung und auch der Stromverbrauch. In der Theorie wäre es möglich, eine UMTS-Basisstation per DSL an das Core Network anzubinden. Ob sich dieses Konzept durchsetzt ist nicht sicher. Und das, obwohl der Preis einer Mini-Basisstation bei etwa 100 Euro liegt. Es wäre zumindest ein Schritt in Richtung flächendeckende Versorgung.

Zone 4 3 2 1
Radius >20 km 350 m - 20 km 50 - 300 m mehrere 10 m
Technik FDD FDD FDD TDD
Bewegung bis 100 km/h bis 500 km/h bis 120 km/h bis 10 km/h
Übertragungsrate bis 144 kBit/s bis 144 kBit/s bis 384 kBit/s bis 2 MBit/s
Bezeichnung Global
(World Cell)
Suburban
(Macro Cell)
Urban
(Micro Cell)
Inbuilding
(Pico Cell)

Picozellen und Femtozellen

In Funknetzen sinkt die verfügbare Bandbreite pro Nutzer mit deren Anzahl pro Funkzelle. Außerdem muss die Sendeleistung normaler Basisstationen nach oben geregelt werden, um auch jeden Winkel innerhalb eines Gebäudes versorgen zu können. Eine Alternative sind "persönliche Funkzellen".
Die Picozelle bezeichnet eine Funkzelle in einem Mobilfunknetz, die sehr klein ist. Picozellen sollen die Netzabdeckung in Gebäuden verbessern. Die räumliche Ausdehnung einer Picozelle ist vergleichbar mit der eines WLAN-Hotspots oder der Reichweite einer DECT-Basisstation für ein schnurloses Telefon.
Es wurden bereits miniaturisierte Basisstationen zur Verbesserung der Inhouse-Versorgung eingesetzt. Die müssen jedoch direkt an das Mobilfunknetz angebunden werden.
Im Gegensatz zu Picozellen brauchen Femtozellen keinen direkten Anschluss an das Netz des Mobilfunknetzbetreibers. Ein breitbandiger Internet-Zugang über DSL oder TV-Kabel genügt. Von dort aus werden die Datenpakete ins Netz des Mobilfunknetzbetreibers geroutet.
Die Femtozellen-Basisstation ist mit der Größe eines DSL-Routers vergleichbar und zeichnet sich durch eine einfache Installation aus. Durch den Einsatz von Femtozellen kann sich jeder Mobilfunk-Kunde in seinen Wohn- oder Arbeitsräumen eine eigene private UMTS/HSPA-Mobilfunkzelle aufbauen.

UMTS-Technik

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