UMTS-Übertragungstechnik
Um die unterschiedlichen Herstellerinteressen bei der Entwicklung der UMTS-Spezifikation zu berücksichtigen, wurden zwei Modulationsverfahren festgelegt. Deshalb basiert UMTS auf den Modulationsverfahren W-CDMA (FDD) für den Fernbereich und TD-CDMA (TDD) für Kurzstrecken. Letzteres wird in den Mikrozellen des UMTS-Netzes verwendet, sofern ein Netzbetreiber diese Mikrozellen aufbaut. TD-CDMA ist sehr eng an das TDMA-Zugriffsverfahren von GSM angelehnt und arbeitet mit Kanälen. W-CDMA ist eine Weiterentwicklung des CDMA-Verfahrens in Richtung Breitband auf der Funkschnittstelle.
CDMA-Grundlagen
CDMA ist ein Vielfachzugriffsverfahren (Multiple Access) auf die Funkschnittstelle. Anstatt wie bei klassischen Systemen, die Ressourcen per Frequenz- oder Zeitmultiplex in Kanäle aufzuteilen, wird das Signal per Code-Spreizung über das gesamte Frequenzspektrum verteilt. Das gespreizte Signal wird mit QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) moduliert. Jedes übertragene Bit wird mit einer höherratigen Bitfolge multipliziert. Innerhalb des Frequenzspektrums sind dann gleichzeitig verschiedene Verbindungen verschmiert. Anhand des Spreizcodes kann der Empfänger das für sich bestimmte Signal herausfiltern. Durch CDMA ist die Kapazität in einer UMTS-Funkzelle flexibel nutzbar. Doch je mehr Teilnehmer sich in einer Zelle befinden, desto größer sind die Störungen. Die Teilnehmeranzahl in einer Funkzelle muss vom Netzbetreiber sinnvoll begrenzt werden. An dieser Stelle sind Mikrozellen interessant, die innerhalb einer Funkzelle auf anderen Frequenzen arbeiten und für Entlastung in der Funkzelle sorgen.
W-CDMA - Wideband Code Division Multiple Access
W-CDMA ist ein Bandspreizverfahren, das Daten in einem breitbandigen Übertragungskanal (5 MHz) mit einem Code markiert. Dabei wird das eigentliche Signal breitbandig verschmiert. Dadurch ist es nicht nur gegen kurzfristige schmalbandige Störungen geschützt, sondern der Empfänger kann anhand des Codes auch noch die Daten erkennen, die für ihn bestimmt sind. Dadurch ist es möglich, die Funkschnittstelle mehrfach (Multiple Access, Mehrfachzugriff) zu nutzen und darauf zuzugreifen.
Die Datenrate wird über den Spreizfaktor bestimmt. Je stärker die Spreizung, desto schmaler der Übertragungskanal und desto mehr Kanäle lassen sich im breitbandigen Übertragungskanal unterbringen.
W-CDMA ist eine Kombination aus FDMA und CDMA. Die meisten physikalischen Kanäle sind FDMA-Kanäle, die in Rahmen zu je 10 ms Länge aufgeteilt sind. Jeder Rahmen besteht aus 15 Zeitschlitzen. Diese Einteilung hat jedoch nichts mit der Zuordnung von Teilnehmersignalen zu tun. Damit wird die Übertragungsrate und Leistung angepasst. W-CDMA trennt die verschiedenen Verbindungen durch nutzerspezifische Codes, die das Sendesignal in ein über den gesamten Frequenzbereich verteiltes Rauschen transformieren. Aus dem Rauschen kann nur der Empfänger das Signal herausfiltern, der mit dem selben Code arbeitet. Das Verfahren erlaubt sowohl paket- als auch leitungsvermittelte Dienste mit mehrfachen Verbindungen gleichzeitig.
Das Handover (Zellenwechsel) gestaltet sich mit W-CDMA äußerst schwierig. Während dem Zellenwechsel müssen die beteiligten Zellen gleichzeitig eine Verbindung zum Mobilgerät aufgebaut haben. Das Netz wird in so einem Fall doppelt belastet. W-CDMA ist also nur in relativ großen Zellen geeignet, wo Zellenwechsel seltener statt finden.
TD-CDMA - Time Division Code Division Multiple Access
TD-CDMA ist eine Kombination aus TDMA und CDMA. Ein TDMA-Rahmen dauert 10 ms und ist in 15 Zeitschlitze aufgeteilt. Darin befinden sich jeweils 16 CDMA-Kanäle. Dabei bilden ein Träger, ein Zeitschlitz und ein Code einen Verkehrskanal. Jeder Kanal (Frequenz) steht durch die Aufteilung in Zeitschlitze im Vielfachzugriff mehreren Verbindungen zur Verfügung, die dann wiederum individuell mit CDMA kodiert werden. So lässt sich jeder Zeitschlitz mehrfach nutzen. Die Zeitschlitze lassen sich für jede beliebige Übertragungsrichtung nutzen.
Die Bandbreite eines Trägers beträgt 1,6 MHz. Insgesamt passen 64 Sprachkanäle in einen Träger. Dadurch lässt sich flexibel zwischen verschiedenen Datenraten von 9,6 kBit/s bis 2 MBit/s umschalten. Unterschiedliche Frequenzbereiche für Uplink und Downlink sind nicht vorgegeben. So ist es möglich TD-CDMA für asymmetrische Dienste, wie z. B. einen mobilen Internet-Zugang, zu nutzen.
QoS - Quality of Service
Anwendungen setzen häufig bestimmte Merkmale bei der Datenübertragung voraus. Wenn diese nicht gegeben sind, bricht die Anwendung ab. Die verschiedenen Merkmale einer Datenübertragung werden zwischen Endgerät und dem UMTS-Netz ausgehandelt. Die Merkmale sind in Güteklassen eingeteilt und unterscheiden sich in Reaktionszeit (Zeitverzögerung) und Datenintegrität (Bitfehlerrate).
Wenn ein Nutzer auf seinem Mobiltelefon eine Anwendung startet, so wird die Datenrate und Güteklasse (Quality of Service) ausgehandelt. Erst danach wird der gewünschte Dienst wirklich gestartet. Welche Klasse gewählt wird, hängt von der Berechtigung des Nutzers und der Verfügbarkeit des Netzes ab. In einer voll ausgelasteten Funkzelle kann man nicht mit der besten Güteklasse rechnen. Entsprechende Anwendungen versagen ihren Dienst.
| Klasse | Name | Beschreibung | Anwendungen |
|---|---|---|---|
| 1 | Conversational | zeitlich konstante Datenübertragung (Zeitverzögerung <400 ms) | Sprache, Videotelefonie |
| 2 | Streaming | zeitlich konstante Datenübertragung | Multimedia Streaming, Video on Demand |
| 3 | Interactive | geringe Bitfehlerrate und kurze Zeitverzögerung | Internet-Zugang |
| 4 | Background | geringe Bitfehlerrate | E-Mail, SMS, Datentransfer |
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