Konzept und Dienste von UMTS

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Internationales Konzept und Dienste von UMTS

In der 4. Serie unserer Grundlagenserie zu UMTS berichten wir besonders ausführlich zu den Themen: FDD-Gepaarte Frequenzpakete, MC-Multi Carrier, TDD - ungepaarte Frequenzen, Neue Dienste von UMTS.

A. FDD-Gepaarte Frequenzpakete

1. DS-Direct Spread

Gepaarte Frequenzpakete bestehen, wie wir bereits aus der ersten UMTS-Serie wissen, aus zwei 5MHz-Frequenzbändern, eines für den Uplink (für die Sprache des Mobilteilnehmers) und eines für den Downlink (hören). Man spricht hier von Frequenzduplex oder englisch von FDD-Frequency Division Duplex, da die Trennung von Sprachkanal und Hörkanal über die Frequenztrennung realisiert ist. Mit UMTS wird in Europa für die gepaarten Frequenzpakete FDD-DS verwendet (FDD-Direct Spread, manchmal wird DS auch als Direct Sequence interpretiert, was gleichbedeutend ist), womit gemeint ist, dass die Übertragungssignale durch ein einziges 5MHz-breites Band übertragen wird. Dadurch lassen sich pro Sekunde 3,84 Millionen Symbole übertragen, wobei jedes Symbol 2 Chips auf einmal überträgt. Unter einem Chip versteht man ein durch WCDMA kodiertes binäres Muster, ähnlich dem Bit, nur dass es sich jetzt um einkodiertes bzw. gespreiztes Signal handelt (siehe unter WCDMA in der 5. UMTS-Serie). Was man unter Symbolrate versteht wird in einer späteren UMTS-Serie erklärt, in der das 4-PSK Modulationsverfahren von UMTS erklärt wird.

2. MC-Multi Carrier

Im Gegensatz zu Europa wird im amerikanischen Raum das CDMA2000 verwendet, das einer 3G-Evolution aus dem dort etablierten IS-95 Standard entspricht, der bereits ein digitaler Mobilfunkstandard der 2. Generation ist und CDMA als Multiplexverfahren verwendet. IS-95 verwendet nur 1,25MHz breite Frequenzbänder, was letztlich auch der Grund dafür ist, dass man bei UMTS den Begriff W-CDMA für "Wideband"-CDMA geprägt hat, um der größeren Bandbreite von 5MHz gerecht zu werden. Um Daten in das 5MHz-Format anzupassen, werden jetzt drei 1,5MHz breite Frequenzbänder auf ein. 5MHz-Band abgebildet. In jedem 1,5MHz-Band befindet sich ein 1,25MHz-Band, das bereits bei IS-95 verfügbar ist. Wie die Abbildung unten zeigt, haben dadurch die drei Frequenzbänder einen gewissen Sicherheitsabstand voneinander, wodurch sich gegenseitige Beeinflussung durch Überlagerungen minimieren lässt. Dieses Verfahren nennt man FDD-MC (FDD Multi Carrier), da hier drei Trägersignale (Carrier) verwendet werden. Mit FDD-MC lässt sich mit drei Trägerfrequenzen eine Symbolrate von 3,6864 Millionen Symbole pro Sekunde erreichen - also fast so viel wie bei FDD-DS von UMTS. Die untere Abbildung zeigt diese Mehrträger-Technik, wobei festzuhalten ist, dass ein bestimmtes Teilnehmersignal gleichmäßig auf alle drei Träger aufgeteilt ist!

B. TDD - ungepaarte Frequenzen

Bei den ungepaarten Frequenzen von UMTS wird nur ein einziges Frequenzband von 5MHz verwendet, wobei Uplink und Downlink ähnlich einem Funkgerät in zeitlich kurzen Abständen abwechselnd hintereinander übertragen werden. Bei UMTS ist ein Signal zeitlich in sogenannte Zeitrahmen bzw. Zeitschlitze eingeteilt. Ein Zeitrahmen entspricht dabei einer zeitlichen Dauer von 10ms und besteht aus 15 Zeitschlitzen. Ist ein Zeitrahmen übertragen, folgt der nächste. Der Zeitrahmen ist bei TDD so konfigurierbar, das einige Zeitschlitze für den Uplink und die restlichen Zeitschlitze des Zeitrahmens für den Downlink definiert werden. Das Bild unten zeigt, dass 3 Zeitschlitze (rot) für Uplinkdienste und die restlichen 12 (blau) für Downlinkdienste hier konfiguriert wurden.

Diese Einteilung ist willkürlich und kann dem Datendienst angepasst werden. Bereits hier fällt auf, dass das Verhältnis zwischen Up- und Downlink stark asymmetrisch eingestellt werden kann. Das ist besonders für Datendienste wie z.B. Internetzugriff sehr vorteilhaft, da hier wesentlich mehr Daten aus dem Internet heruntergeladen (Downlink) werden als umgekehrt in das Internet gesendet werden (Uplink). Meistens sendet man an das Internet bei Aktivierung eines Links ja nur eine Anfrage für eine neue Internetseite, was einer sehr kleinen Datenmenge entspricht. Auch bei ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) lässt sich diese asymmetrische Charakteristik erkennen, so stehen in Österreich z.B: für den Downlink bei ADSL 512kbit/s zur Verfügung, für den Uplink jedoch nur 64kbit/s. Die Übertragungskapazität muss also für Internetzugriffe im Downlink stärker konfiguriert werden, was gleichbedeutend mit vielen Zeitschlitzen für den Downlink ist. Dieser Sachverhalt lässt sich bei UMTS sehr gut mit TDD-Bändern realisieren - also mit ungepaarten Frequenzbändern. Diese ungepaarten Frequenzpakete werden für Pikozellen oder als zusätzliche Frequenzressource für die Mikrozellen verwendet. Mikrozellen können im Dualmode betrieben werden. Es wird also neben einem FDD-Paket noch ein zusätzliches TDD-Paket verwendet, um die Zellenkapazität zu vergrößern.

Für Sprachdienste oder Videotelephonie ist so ein asymmetrischer Dienst jedoch ungeeignet, da dem Sprechen und Hören gleich viel Kapazität zugeteilt werden muss. Für Videostreaming (Download von Videos) oder Audiostreaming (MP3-Dateien online hören) lassen sich TDD-Dienste hervorragend verwenden.

Neue Dienste von UMTS

Wie speziell die nächsten zwei UMTS-Serien zeigen werden, lassen sich in UMTS dynamische multimediale Anwendungen realisieren, die kaum Wünsche offen lassen. Die Möglichkeiten, die sich durch UMTS eröffnen sind dermaßen zahlreich, dass bereits jetzt Konferenzen einberufen werden, um Ideen zu kreieren, welche Applikationen in Zukunft für den Mobilfunknetzbetrieb implementiert werden sollen bzw. können. Die Phantasie scheint zur Zeit noch nicht wirklich ausgereizt zu sein, um zukünftige Visionen bereits jetzt darlegen zu können.

Auf reges Interesse werden wahrscheinlich Locationservices sein, die dem Teilnehmer ortsbezogene Dienste ermöglichen. So wird es in Zukunft z.B. möglich sein, dass ein Mobilteilnehmer, der sich in einer fremden Stadt verlaufen hat, per Handy nachfragen kann, wo er sich befindet. Daraufhin kann der Mobilnetzbetreiber diesen Teilnehmer exakt geographisch lokalisieren und ihm auf das Handydisplay eine Landkarte von der Aufenthaltsumgebung schicken und ihm z.B. den Weg zur nächsten U-Bahnstation oder Taxistandplatz zeigen. Ebenso können auch personenbezogene Daten mit ins Spiel gebracht werden. Jeder Teilnehmer kann so z.B. in einer Datenbank seine persönlichen Präferenzen ablegen, wodurch es z.B. möglich wird, dass der Teilnehmer in einer fremden Stadt das Wort "Hunger" in sein Handy eingibt und als Antwort wiederum eine Umgebungskarte von seinem Standort bekommt, wo genau eingezeichnet ist, wo das nächste Restaurante zu finden ist, das seinen Präferenzen entspricht (z.B: Lieblingsessen=Italienisch; Preisniveau=eher günstig; Kreditkarte soll akzeptiert werden; usw.). Der Netzbetreiber hat also nicht nur persönliche Daten seiner Teilnehmer sondern auch lokale Daten wie Restaurants, Museen, usw. zentral gespeichert. Durch Kombination dieser Daten kann dem Teilnehmer so also beispielsweise in Paris der Weg zur nächste Pizzeria mit entsprechenden Leistungsmerkmalen auf dem Display gezeigt werden.

Anderes Merkmal ist natürlich der wesentlich schnellere Datentransfer, wodurch mobiler Internetzugriff wirklich real wird. So lassen sich für Jugendliche z.B. LAN-Spiele per Mobilfunk realisieren, sofern diese sich diesen Spaß leisten können. Für den professionellen Bereich werden vor allem m-Commerce-Anwendungen an vorderster Stelle stehen, die vermutlich den Netzbetreibern auch den entsprechenden Finanzrückfluss bringen werden.

An dieser Stelle entscheidend ist nur, dass sehr viele Möglichkeiten realisierbar sind. Folgende Liste gibt einen Überblick für UMTS-Dienste:

1. Information
Öffentlich zugängliche Dienste wie:
· Internet-Surfen
· Interaktives Einkaufen
· Online-Varianten von Printmedien
· Online Übersetzungen
· Ortsbezogene Broadcast-Dienste (Wetterbericht, Verkehrsnachrichten...)

2. Bildung
· Virtuelle Schule
· Online Labor
· Online Bibliothek
· Online Wörterbuch
· Training

3. Unterhaltung
· Audio on demand (als Alternative zur CD, Kassette oder Radio)
· Spiele on demand (LAN-Partys, Gameboy-Ersatz)
· Videoclips
· Virtuelle Führungen (Museen, Kulturräume, Hotelräume, ...)

4. Dienste für Gemeinschaften
· Notfall-Dienste
· Vorgänge von Regierungen

5. Informationen für den Geschäftsbereich
· Mobileoffice: Das mobile Büro
· Narrowcast Geschäfts-TV
· Virtuelle Arbeitsgruppen
Arbeitsgruppen lassen sich direkt durch Multicastdienste gleichzeitig ansprechen

6. Kommunikationsdienste
Dedizierte Dienste zwischen zwei Personen wie:
· Videotelephonie
· Videokonferenz
· Spracherkennungungsdienste, Sprachantwortdienste
· Lokalisierung von Personen
· Emaildienste
· SMS-Dienste

7.Dienste für die Geschäftswelt
· Virtual banking
· Online bezahlen
· Universelle SlM-und Kreditkarte
· Telematikdienste für Strassentransporte bzw. Logistik
Koordinierung von Lastwägen einer Frachtfirma

8. Specialdienste
· Telemedizin
Notversorgung z.B. auf Schiffen durch Satellitenverbindung auf das
UMTS-Handy, das für Videodienste konfiguriert ist (integrierte
Webcam)
· Überwachungsdienste
Webcam liefert Signal direkt auf Handydisplay (Babyphone, usw.)
· Technische Online-Betreuung durch Spezialkräfte