UMTS aufgebohrt

Wie die UMTS-Netze schneller werden

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Mit technischen Finessen wie besseren Modulationsverfahren sollen die UMTS-Netze Zug um Zug schneller werden - der Download-Turbo HSDPA ist erst der Anfang.

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Sechsfache ISDN-Geschwindigkeit – als der Mobilfunk der dritten Generation an den Start ging, war das noch viel. Doch heute können DSL-verwöhnte Anwender über die 384 kBit/s einer Standard-UMTS-Verbindung nur noch müde lächeln. Entwickler und Mobilfunknetzbetreiber haben aber noch einiges in petto, um die Datenübertragung zu beschleunigen. Den ersten Schritt machten sie im Frühjahr 2006 mit der Einführung des Download-Beschleunigers HSDPA (High Speed Downlink Packet Access). Er steigert die Datenrate in der fürs Websurfen wichtigen Empfangsrichtung auf bis zu 1,8 MBit/s.

In diesem Jahr soll die Empfangsrate auf 3,6 MBit/s steigen und mit HSUPA auch die Übertragung in Senderichtung (Uplink) auf rund 1,4 MBit/s angehoben werden. Die dritte Ausbaustufe soll voraussichtlich im Jahr 2008 bis zu 7,2 MBit/s in Empfangsrichtung und 2,8 oder sogar 4,3 MBit/s in Senderichtung ermöglichen. Das theoretische Maximum liegt bei 14,4 MBit/s für HSDPA und 5,8 MBit/s für HSUPA. Ob man zurzeit Daten mit 1,8 oder bereits 3,6 MBit/s empfangen kann, hängt vom Netzanbieter, dem Standort – einige Teilnetze funken bereits mit der zweiten HSPA-Ausbaustufe – und der Qualität der Verbindung, aber auch vom genutzten Endgerät ab.

Um die hohen Datenraten zu erreichen, nutzt HSPA mehrere Techniken, die zum Teil auch bei den schnelleren GSM-Datendiensten zum Einsatz kommen. Dazu gehören das Bündeln von Netzwerkressourcen und die Verwendung besserer Modulationsverfahren. Das GSM-Netz funkt in relativ schmalbandigen 200-kHz-Kanälen und unterteilt diese in acht Zeitschlitze (TDMA, Time Division Multiple Access), von denen einer zum Telefonieren reicht. GPRS und die EDGE-Variante EGPRS (Enhanced GPRS) verwenden zur Erhöhung der Datenrate mehrere Zeitschlitze gleichzeitig, so diese nicht für Telefonate gebraucht werden. Um mehr Bits pro Zeitschlitz und Sekunde übertragen zu können, setzt EGPRS zudem ein höherwertiges Modulationsverfahren ein, das pro Sendesymbol statt einem gleich drei Bits kodiert [1].

Einer UMTS-Verbindung steht mit fünf Megahertz ein wesentlich breitbandigerer Funkkanal zur Verfügung, über den sich deutlich mehr Daten pro Sekunde übertragen lassen. Das UMTS-Netz unterteilt diese Ressource nicht in Zeitschlitze. Stattdessen verschlüsselt der Sender einzelne Mobilfunk-Verbindungen mit einem Code, über den der Empfänger die für ihn bestimmte Information aus dem Gewirr aller Übertragungen herausfiltern kann (W-CDMA, Wideband Code Division Multiple Access). Jedes Signal wird beim Kodieren über die gesamte Bandbreite von fünf MHz aufgefächert, auch wenn es wesentlich schmalbandiger ist (Code-Spreizung), was die Übertragung sehr unempfindlich gegenüber – meist schmalbandigen – Störungen macht [2].


HSDPA-Stufen
ModulationKodierrate / Spreizfaktor5 Codes10 Codes15 Codes
QPSK1/40,6 MBit/s1,2 MBit/s1,8 MBit/s
2/41,2 MBit/s2,4 MBit/s3,6 MBit/s
3/41,8 MBit/s3,6 MBit/s5,4 MBit/s
16-QAM2/42,4 MBit/s4,8 MBit/s7,2 MBit/s
3/43,6 MBit/s7,2 MBit/s10,7 MBit/s
4/44,8 MBit/s9,6 MBit/s14,4 MBit/s

Eine HSDPA-Station erhöht die Kodierrate und steigert damit die Datenmenge pro Code über den 5-MHz-Kanal. Das geht jedoch zu Lasten der Störsicherheit, da mit höherer Nutzdatendichte die Redundanz abnimmt. Hohe Kodierraten teilt die Basisstation deshalb nur den Endgeräten in der Nähe mit guter Signalqualität zu und verringert sie, wenn die Verbindung schlechter wird.

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Mit der zweiten HSPA-Ausbaustufe soll die Verwaltung von Datenverbindungen (Scheduling) von den Funknetz-Controllern (RNC) direkt in die Basisstationen (Node-B) verlegt werden, um so Latenzzeiten zu verringern. Vergrößern

Analog zur Bündelung der Zeitschlitze im GSM-Netz ordnet die Basisstation einem HSPA-Handy oder einer Datenkarte mehrere Codes zu. Bei HSDPA lassen sich 5, 10 oder 15 Codes, bei HSUPA 1, 2, 4 oder 6 Codes gleichzeitig nutzen. Dabei erhöht sich jedoch die Datenrate nicht proportional mit der Anzahl der Codes, da mit steigender Zahl der Codes, die gleichzeitig über den 5-MHz-Kanal übertragen werden, auch Interferenzstörungen zunehmen und sich so die Verbindung verschlechtert.

Mit der zweiten Ausbaustufe von HSDPA auf 3,6 MBit/s kommt in diesem Jahr ein besseres Modulationsverfahren zum Einsatz. Bis 1,8 MBit/s verwenden UMTS/HSDPA-Geräte und -Netze QPSK (Quadrature Phase Shift Keying oder Vierphasenmodulation), mit der sich pro Symbolwechsel zwei Bits übertragen lassen. Aktuelle Handys wie das Motorola Motorazr V3xx und Datenkarten (siehe [3]) mit HSDPA-Chipsätzen für Raten bis 3,6 MBit/s und höher können bei der Datenverbindung auf 16-QAM (16-Punkt-Quadraturamplitudenmodulation) wechseln, das mit jedem Symbolwechsel vier Bits übermittelt und damit die Datenrate verdoppelt. Ältere HSDPA-Chipsätze beherrschen 16-QAM nicht und übertragen daher auch in voll ausgebauten HSDPA-Funkzellen maximal 1,8 MBit/s; die meisten neueren, die für 3,6 MBit/s ausgelegt sind, sollten sich nach einem Firmware-Update auch für 7,2 MBit/s eignen.


HSUPA-Stufen
Kodierrate / Spreizfaktor1 Code2 Codes4 Codes6 Codes
2/40,64 MBit/s1,28 MBit/s2,56 MBit/s3,84 MBit/s
3/40,72 MBit/s1,44 MBit/s2,88 MBit/s4,32 MBit/s
4/40,96 MBit/s1,92 MBit/s3,84 MBit/s5,76 MBit/s

Bei HSDPA-Verbindungen nutzen die UMTS-Basisstationen ein schnelles Verbindungs-Anpassungsverfahren (AMC, Adaptive Modulation and Coding), das abhängig vom HSPA-Ausbau, den Fähigkeiten des Endgeräts und der Signalqualität entscheidet, welche Datenbeschleunigungs-Techniken zum Einsatz kommen (siehe Tabelle). Für HSUPA-Verbindungen taugt AMC dagegen nicht, weil die geringere Sendeleistung der Endgeräte eine andere Verwaltung und eine weitere Modulationsart erfordert. Für den Uplink soll mit BPSK (Binary Phase Shift Keying) eine robustere Ein-Bit-Modulation zum Einsatz kommen, die weniger fehleranfällig ist als die höherwertigen Modulationsarten.

Im Zuge der zweiten HSPA-Ausbaustufe soll sich zudem die Latenzzeit deutlich verringern, Voraussetzung für zeitkritische Internetanwendungen wie Online-Spiele oder IP-Telefonie. Dazu haben die Netzausrüster die Planung und Verwaltung – das Scheduling – der HSPA-Übertragung von den Funknetz-Controllern (RNC, Radio Network Controller) direkt in die Basisstationen (BTS, Base Tranceiver Station oder Node B) verlegt. Damit entfallen die Leitungslatenzen bei der Kommunikation zwischen den Netzkomponenten, und die RNCs, die jeweils mehrere Basisstationen bedienen, werden entlastet. Das führt nicht nur zu Ping-Zeiten zwischen 50 und 100 ms, auch reagiert das Netz schneller, wenn etwa der Sender ein fehlerhaftes Datenpaket erneut übertragen muss.

Mit dem Ausbau der UMTS-Netze mit HSDPA sind die großen Netzbetreiber T-Mobile und Vodafone am weitesten fortgeschritten. T-Mobile hat bereits im Herbst 2006 mit der zweiten Stufe, dem Ausbau auf 3,6 MBit/s begonnen und versorgt mit UMTS/HSDPA nach eigenen Angaben 60 Prozent der deutschen Bevölkerung. Vodafone will den Ausbau auf 3,6 MBit/s im Sommer 2007 abgeschlossen haben. Erste Tests mit 7,2 MBit/s, der dritten HSDPA-Ausbaustufe, laufen bereits; auf der CeBIT 2007 plant Vodafone eine Demonstration. Zeitgleich soll auch HSUPA gestartet werden. O2 bietet HSDPA erst seit Dezember 2006 in einigen Städten mit 1,8 MBit/s an und macht zum weiteren Ausbau noch keine Angaben. Für E-Plus ist HSDPA bislang kein Thema; Insider erwarten aber, dass der Netzbetreiber in naher Zukunft ebenfalls auf den HSDPA-Zug aufspringen wird.

Auch die Gerätehersteller reagieren zunehmend auf den Wunsch nach mobilem Surfen mit DSL-naher Geschwindigkeit: Gab es 2006 nur eine Handvoll HSDPA-fähiger Handys und Datenkarten, präsentierte auf dem 3GSM World Congress 2007 fast jeder Hersteller Handys und Smartphones mit dem UMTS-Turbo; Sierra Wireless hat schon eine Funkmodemkarte für Notebooks mit HSUPA zum schnellen Versenden von Daten angekündigt.

Die Netzausrüster denken schon weiter. Schnellere Datendienste als HSPA lassen sich in deren Entwicklungslabors bereits bestaunen. Das Zauberwort heißt – noch etwas vorsichtig benannt – Long-Term Evolution (LTE). LTE liegt dem Standardisierungsgremium 3GPP vor und soll voraussichtlich noch 2007 verabschiedet werden. Die Funktechnik arbeitet im 2,6-GHz-Band und nutzt mit 20 MHz die vierfache Bandbreite eines UMTS-Kanals. Netzseitig würde LTE vielleicht keine neuen Antennen, aber erhebliche Umbauten an den UMTS-Basisstationen erfordern. Mit noch besseren, aber auch empfindlicheren Modulationsarten soll LTE das vorhandene Spektrum besonders effizient ausnutzen. Ericsson konnte auf der 3GSM 2007 bereits eine LTE-Übertragung mit 144 MBit/s vorführen, womit der Mobilfunk alle heutigen DSL-Varianten in den Schatten stellen würde. Marktbeobachter erwarten den nächsten Generationssprung jedoch nicht so schnell – jedenfalls nicht in den nächsten 20 Jahren. (rop)

[1] Rudolf Opitz, GSM-Renner, EDGE: schnelles Internet auch ohne UMTS, www.heise.de/mobil/artikel/75359
[2] Jan Steuer, Michael Meincke, Peter Tondl, Hightech-Mobilfunk, Die UMTS-Technik steckt voller Raffinessen, c't 8/02, S. 222
[3] Florian Müssig, Mobiler Breitbandanschluss, UMTS-Modems für Notebooks, www.heise.de/mobil/artikel/84451