UMTS (3G): Was ist das?

Die Einführung von UMTS stellte einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung der Mobilfunktechnologie dar und ebnete den Weg für moderne Standards wie LTE (4G) und NR (5G). Zudem wurde im Jahr 2024 in Österreich der Mobilfunkstandard GSM (2G) als Dienst eingestellt, und UMTS brachte technische Neuerungen mit sich, die bis heute Anwendung finden. Im Folgenden erfähren sie, welche Innovationen UMTS hervorgebracht hat und wie die Technologie funktioniert.

Die Umstellung auf UMTS erfolgte etwa zehn Jahre nach der Einführung von GSM und brachte eine Vielzahl von Neuerungen mit sich:

• Eine digitale, code-basierte Funkschnittstelle im Vergleich zu 2G,
• Funkkanäle mit 5-MHz-Bandbreite (ein GSM-Funkkanal hat nur 200 kHz)
• Höhere Datenraten bei IP-Diensten

Im Laufe der Zeit hat sich das UMTS-Netz durch Erweiterungen weiterentwickelt und konnte so eine höhere Leistung sowie verbesserte Datenraten erzielen. 

Die wichtigsten Erweiterungen sind:

• HSDPA (Highspeed Downlink Packet Access) ermöglicht schnellere Downloads und bessere Nutzung von Breitbanddiensten (wie Videostreaming),
• HSUPA (Highspeed Uplink Packet Access) erhöht die Upload-Geschwindigkeit und macht das Hochladen von Fotos und Videos möglich,
• HSPA+ (Highspeed Packet Access Plus) verwendet fortschrittliche Modulationstechniken wie 64-QAM und mehrere Antennen (MIMO) und erreicht Datenraten, die mit denen von LTE (4G) vergleichbar sind.

UMTS stellte eine deutliche Verbesserung gegenüber GSM dar, wurde aber in seiner Performance von LTE (4G) überholt. Alle Netztechnologien im Überblick:

UMTS setzte die Modulationstechnik CDMA (Code Division Multiple Access) sowie das Duplex-Verfahren ein, was eine flexible Datenübertragung ermöglichte. Erstmals konnten Nutzer*innen gleichzeitig telefonieren und Daten übertragen. Diese Technologie bildete das Fundament für die mobile Breitbandnutzung, wie wir sie heute erleben.

Ein genauer Blick auf die Funktionsweise von UMTS:

• Netzarchitektur: Diese ähnelt der von GSM, wurde jedoch um mehrere Komponenten erweitert. Die Basisstation NodeB und die Steuerungseinheit RNC (Radio Network Controller) ermöglichen eine verbesserte Verwaltung und Kontrolle der Datenübertragung.
• Funkschnittstelle: Die Einführung von NodeB und RNC war erforderlich, da UMTS mit einer völlig neuen Funkschnittstelle arbeitet. Diese , bekannt als CDMA (Code Division Multiple Access) nutzt Spreizcodes. Nutzer*innen erhalten einen eindeutigen Code, mit dem Daten über das gesamte Frequenzband verteilt (gespreizt) werden. Die Empfänger*innen verwenden denselben Code, um die für sie bestimmten Daten herauszufiltern. Dadurch können mehrere Personen gleichzeitig im gleichen Frequenzbereich kommunizieren.
• Duplex-Verfahren: UMTS verwendet zwei Arten des Duplex-Verfahrens, um die bidirektionale Kommunikation (gleichzeitiges Senden und Empfangen) zu ermöglichen. Zum einen wird Frequency Division Duplex (FDD) eingesetzt, bei dem unterschiedliche Frequenzen für Uplink und Downlink genutzt werden, um die Kommunikation in beide Richtungen zu ermöglichen. Zum anderen kommt Time Division Duplex (TDD) zum Einsatz, das sich besonders für die Internetnutzung eignet. Hierbei wird derselbe Frequenzbereich abwechselnd für Up- und Downlink verwendet.

Die Architektur und Funktionsweise des UMTS-Netzes sind im Wesentlichen identisch mit denen des GSM-Netzes, sodass Aspekte wie Mobilität und der Aufbau von Sprach- und Datenverbindungen hier nihct weiter erläutert werden müssen.

Allerdings nutzt UMTS eine völlig neue Funkschnittstelle, was dazu führte, dass die Komponenten des GSM-Funknetzes nicht mehr verwendet werden konnten und durch neue ersetzt werden mussten. Um Verwirrung zu vermeiden, erhielten die neuen Komponenten auch unterschiedliche Bezeichnungen: Statt BTS wird nun NodeB verwendet, und anstelle von BSC kommt RNC zum Einsatz (siehe Abbildung 1).

Die UMTS-Funkschnittstelle (siehe Abbildung 2) nutzt ein Frequenzspektrum, das bei 2100 MHz liegt. Ein UMTS-Funkkanal verfügt über eine Bandbreite von 5 MHz.

Abgesehen von den Frequenzdetails liegt der wesentlichste Unterschied zwischen GSM und UMTS im Übertragungsverfahren an der Funkschnittstelle:

• GSM verwendet TDMA (Time Division Multiple Access) als Zugriffsverfahren für den Funkkanal,
• UMTS nutzt CDMA (Code Division Multiple Access).

TDMA bedeutet, dass ein GSM-Funkkanal in acht Zeitschlitze unterteilt ist („Time Division“). Beim Verbindungsaufbau erhält ein Sprachhandy vom BSC (Base Station Controller) einen dieser Zeitschlitze zugewiesen, über den sowohl Sprach- als auch Signalisierungsbits (Netzinformationen, Funkmessungen etc.) übertragen werden. Jedes Sprachhandy sendet und empfängt dann ausschließlich in diesem Zeitschlitz, während es in der übrigen Zeit inaktiv bleibt oder Pegelmessungen von Frequenzen benachbarter Zellen durchführt.

Bei einem UMTS-Funkkanal kommt ein Codeverfahren zum Einsatz, um die Bits der einzelnen Funkkanäle voneinander zu unterscheiden (siehe Abbildung 3). Alle Codekanäle für Sprache und Signalisierung werden simultan übertragen. Jedes Sprachhandy erhält einen eigenen Code, mit dem die Bits vor der Übertragung codiert werden. Dies gilt ebenso für Signalisierungs- und Broadcast-Kanäle. Im Broadcast-Kanal sendet die Node B in der Zelle kontinuierlich Informationen über den Netzbetreiber, Zellinformationen, verfügbare Dienste und mehr.

Der Empfänger erhält sämtliche Bits aller Informationskanäle in codierter Form und decodiert sie mit demselben Code, den der Sender verwendet hat, wodurch er nur die für ihn bestimmten Bits erhält. Die Bits für andere Empfänger werden beim Decodieren praktisch auf Null gesetzt. CDMA wird sowohl für den Uplink als auch für den Downlink eingesetzt.

UMTS wurde in Europa ab 2001, in Österreich ab 2002 eingeführt. Der Wechsel von GSM zu UMTS war erforderlich, da GSM in mehreren Bereichen an seine Grenzen stieß:

• GSM war ursprünglich für Sprachkommunikation konzipiert und bot nur begrenzte Datenübertragungsraten von maximal 14,4 kbps.
• Der wachsende Bedarf an mobilen Daten und modernen Diensten konnte von GSM nicht mehr gedeckt werden.
• Zudem wurde die Netzkapazität zunehmend knapp, da immer mehr Nutzer*innen mobile Datenservices in Anspruch nahmen.

Die Internationale Fernmeldeunion (ITU) legt fest, auf welche Netzwerktechnologien umgestellt wird. Etwa alle zehn Jahre überprüft die ITU die technologischen Anforderungen und definiert neue Standards. So wurde auch der Übergang von UMTS zu LTE beschlossen. LTE, das ab 2012 in Österreich eingeführt wurde, bot die erforderlichen höheren Datenraten und geringeren Latenzen, um moderne Anwendungen wie HD-Streaming und Online-Gaming zu unterstützen. Da UMTS diese Anforderungen nicht mehr erfüllte, wurde es ab 2021 schrittweise abgeschaltet, in Österreich vollständig bis 2024.

Der Übergang zu LTE bildete wiederum die Grundlage für NR bzw. 5G, den aktuellen Standard. Dieser ermöglicht die Nutzung von Echtzeitanwendungen und massiver Vernetzung durch Datenübertragungsraten von bis zu 10 Gbit/s und niedrigen Latenzen. Diese Entwicklung wäre ohne UMTS nicht möglich gewesen. UMTS schuf die notwendige Netzinfrastruktur, ermöglichte die ersten mobilen Breitbanddienste und legte mit der CDMA-Technologie den Grundstein für nachfolgende Technologien.

Es bleibt spannend abzuwarten, wie sich die Netzwerktechnologien nach 5G weiterentwickeln. In jedem Fall wird es Fachkräfte im Bereich Informations- und Kommunikationstechnologie brauchen, um den Fortschritt aktiv mitzugestalten. Sei Teil der technischen Entwicklung und bereite Dich auf kommende Herausforderungen mit unserer IKT-Ausbildung vor – wähle unsere IKT Basics Foundation Level Zertifizierung für Einsteiger*innen oder die IKT Zertifizierung Advanced Level für Fortgeschrittene.