Zahlreiche Funkverfahren optimieren die bestehenden UMTS- und GSM-Netze auf die Datenübertragung mit immer höheren Übertragungsraten. Das GSM-Netz, ursprünglich nur für Sprachdienste gedacht, erhielt mit GPRS den ersten paketorientierten Datendienst, der unter anderem durch den Wechsel der Modulationsart – 8PSK (8-Phase Shift Keying) statt der einfacheren Phasenmodulation GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) – zum deutlich schnelleren EGPRS ausgebaut wurde [1]].
Auch das von Beginn an auch für den Datentransfer geplante UMTS-Netz erhält ein Tuning der Datendienste, zunächst durch HSPA. Anders als das mit Zeitschlitzen arbeitende TDMA-Netz GSM, nutzt UMTS als W-CDMA-Netz für alle Mobilgeräte in der Funkzelle einen – allerdings mit 5 MHz recht breiten – Kanal, in dem alle gleichzeitig senden und empfangen. Die einzelnen Übertragungen werden dabei durch Codes separiert, die der Sender mit dem Nutzsignal multipliziert. Die Codelänge bestimmt auch den Spreizfaktor (SF) des Gesamtsignals. Die Aufspreizung des Signals (Vergrößern der Bandbreite) erhöht die Störfestigkeit der Übertragung.
Bei der HSDPA-Übertragung zum Mobilgerät teilt die Basisstation (in UMTS-Netzen Node-B genannt) den 5-MHz-Kanal in 15 von allen Teilnehmern gemeinsam genutzte, kodierte Kanäle (High Speed Downlink Shared Channels) mit dem SF 16 auf. Je nach Kategorie können die Endgeräte bis zu 5, 10 oder alle 15 nutzen. Außer der Kanalanzahl respektive der Anzahl der Codes bestimmen die Modulationsart – HSDPA nutzt die UMTS-übliche QPSK-Modulation (Quadrature Phase Shift Keying) oder bei guter Empfangslage die höherwertige 16QAM (16-Punkt-Quadraturamplitudenmodulation) – und nötigen Pausen zwischen den Sendungen die maximale Datenrate. HSDPA sendet in sehr kurzen Datenblöcken von 2 ms (TTI, Transmission Time Interval). Die kurzen Sendephasen erlauben es dem Node-B, sehr schnell auf Störungen im Funkkanal zu reagieren und mittels FEC die Redundanz zu erhöhen (Forward Error Correction [3]).
Bei HSUPA-Sendungen vom Mobilgerät zum Node-B kommen statt gemeinsam genutzter nun dedizierte Kanäle (Enhanced Dedicated Channels, E-DCH) mit einem SF 2 oder 4 sowie die BPSK-Modulation (Binary Phase Shift Keying) zum Einsatz. Die höhere Aufspreizung und die einfachere 1-Bit-Modulation sorgen für eine hohe Störfestigkeit, verringern aber die maximal erzielbare Übertragungsrate.
Bei HSPA+ erhöhen zwei Techniken die Datenrate: die Mehrantennentechnik MIMO [1] und eine höherwertige Modulation (HOM). Beim 2×2 Downlink MIMO senden zwei Antennen des Node-B orthogonale, also eine Phasenverschiebung von 90 Grad aufweisende Datenströme an die Empfangsantennen des Mobilgeräts und verdoppeln so im Idealfall die Übertragungsrate. Die MIMO-Technik spielt besonders in kleinen Zellen mit hoher Streuung, etwa in Innenstädten ihre Stärken aus.
Außerdem nutzt HSPA+ zusätzlich die Modulation 64QAM (64-Punkt-Quadraturamplitudenmodulation) für Downlinkverbindungen. Höherwertige Modulationsarten übertragen pro Symbolwechsel mehr als ein Bit (QPSK übermittelt zwei, 16QAM vier und 64QAM sechs Bits). Im Uplink kommt 16QAM zum Einsatz. Je höher die Bitrate pro Symbol ist, desto empfindlicher reagieren die Modulationsferfahren jedoch auf Störungen und benötigen gute Verbindungen – im Idealfall direkte Sicht zum Sender. Verschlechtert sich die Funklage, kann HSPA+ wie der Vorgänger sehr schnell auf eine niedrigere, aber robustere Modulationsart wechseln. MIMO und HOM ergänzen sich, da sie unterschiedliche Funkverhältnisse bevorzugen.
Einige der bei den UMTS-Datendiensten eingesetzen Verfahren sollen auch dem GSM-Netz auf die Sprünge helfen. Evolved EDGE nutzt etwa zusätzlich zu 8PSK die von HSDPA her bekannte Modulation 16QAM. Weiterhin ist geplant, im E-EDGE-Betrieb eine zweite Trägerfrequenz parallel zu nutzen und so die verfügbare Bandbreite auf 400 KHz zu verdoppeln. Um Latenzen zu verringern, sollen zudem die Sendeintervalle (TTI) innerhalb einen Zeitschlitzes auf UMTS-Niveau – also 10 ms – gesenkt werden. Man verspricht sich davon die Antwortzeiten auf 100 bis 150 ms zu senken, was HSPA-Niveau entspricht.
LTE-Netze gründen nur noch teilweise auf UMTS. So unterstützen sie als Multizugriffstechnik sowohl FDD (Frequency Division Duplex) als auch TDD (Time Division Duplex). Als Frequenzbereich ist das 2,6-GHz-Band angedacht. Da LTE flexible Bandbreiten bis 20 MHz nutzt, können auch bislang von anderen Mobilfunkdiensten genutzte Spektren verwendet werden.
LTE vereinfacht die Netzarchitektur durch Weglassen der Base Station Controller (RNC, Radio Network Controller). Deren Funktion übernehmen die LTE-Basisstationen (eNode B).
Bild: 3GPP / UMTS-Forum
Abgesehen von dem schon von HSPA+ bekannten MIMO – im Downlink sieht die 3GPP-Spezifikation auch Multiantennen-Arrays (bis 4×4 MIMO) vor – soll die Sendetechnik OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) die Datenübertragung im LTE-Netz verbessern. Sie teilt die verfügbare Bandbreite in viele orthogonale Einzelträger auf, die jeweils einen Abstand von 15 KHz besitzen (ein 20-MHz-Kanal enthält also 1333 Einzelträger). Der zu sendende Datenstrom wird in entsprechend viele schmalbandige Teilströme aufgeteilt und – je nach Empfangslage – mit QPSK, 16QAM oder 64QAM moduliert. Die OFDM-Übertragung ist sehr resistent gegen schmalbandige Störungen (die betroffenen Subträger werden nicht übertragen, was die Gesamtrate kaum verringert) und frequenzabhängiges Fading. Endgeräte nutzen zum Senden die Variante Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA), die auch mit billigeren Sendeverstärkern funktioniert und den Akku weniger belastet.
LTE setzt nicht nur neue Basisstationen (eNode-B) voraus, es vereinfacht zudem weiter die Netzstruktur inklusive Kernnetz. Laut der System Architecture Evolution (SAE) kommunizieren die eNode-Bs über das SAE-Gateway direkt mit dem Kernnetz, ohne über die sonst üblichen Base Station Controller (BSC) zu gehen. Das Gateway kann wiederum eine direkte Verbindung mit IP-Netzen und somit dem Internet herstellen. Die Umstrukturierung führt zu sehr geringen Latenzen, das Netz eignet sich daher gut für Echtzeit-Dienste wie VoIP. Letzteres soll in absehbarer Zukunft die bislang üblichen verbindungsbasierten Telefonate völlig ersetzen.
