UMTS/3G

1985 begann die International Telecommunications Union (ITU) unter der Bezeichnung Future Public Land Mobile Telecommunications System (FPLMTS) ein Konzept für ein mobiles, Dienste und Netze integrierendes Kommunikationssystem zu entwickeln. Anfang 1995 wurde das Projekt in International Mobile Telecommunications in the Year 2000 (IMT-2000) umbenannt. Ziel war es, einen Standard zu schaffen, der einen weltweit einheitlichen breitbandigen Zugang zu bestehenden Mobilfunknetzen, schnurlosen Telefonsystemen, privaten Bün­delfunksystemen sowie drahtlosen lokalen Netzen (Wireless Local Area Network, WLAN) ermöglicht. Zunächst konzentrierte sich die ITU auf die Etablierung eines ein­heit­lichen Standards für die Funk-/ Luft­schnitt­stelle. Es gelang der Organisation aber nicht, die unter­schiedlichen Interessen Euro­pas, Amerikas und Japans in Einklang zu brin­gen, da diese Länder ihre auf unterschied­lichen inkompatiblen Standards basie­ren­den bereits vorhandenen Mobilfunknetze weitgehend beibehalten wollten. Als Konsequenz hieraus entwickelte sich IMT-2000 zu einer „Familie“ von Standards, die einerseits be­stehende Mobilfunksysteme evolutionär weiterentwickeln sollen und andererseits un­ter­einander möglichst kompatibel sein sollen. Der europäische Vor­schlag für IMT-2000 ist das Universal Mo­bile Telecommunications System (UMTS).

Als ein Standard der dritten Mobilfunkgeneration (3G) soll es durch ein wesentlich über die Sprachübertragung hinaus erweitertes Leistungsspektrum den Teilnehmern eine komfortable Nutzung leistungsfähiger mul­ti­me­dialer Datendienste bei gleichzeitig er­höhter Mobilität ermöglichen. Die Abbildung systematisiert die Vielfalt potentieller neuer UMTS-Datendienste hierarchisch nach der geplanten Art der Umsatzgenerierung, ihren pri­mären Zielkundengruppen und ihrer Hauptfunktionalität.

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UMTS arbeitet im Frequenzbereich von 1.900 bis 2.170 MHz und sieht bei stationären (mobilen) Anwendungen Übertragungsraten von maximal 2 Mbit/s (384 kbit/s) vor. Mit dem UMTS-Standard wird die Integration der Leistungsmerkmale von leitungs- und paketvermittelnder Datenübertragung in zukünftige Mobilfunksysteme erreicht, so­dass auch solche Dienste kostengünstig angeboten werden können, bei denen der Kapazitätsbedarf während einer Verbindung starken Schwan­kungen unterworfen ist. Darüber hinaus unterstützt UMTS den Datentransport auf der Grundlage des Internet Protocol (Trans­mission Control Protocol/Internet Protocol, TCP/IP) und schafft so die Voraussetzung für funkgestützte Zugänge zu Diensten und Netzen, die auf der Internettechnik basieren.

Um die angestrebte Leistungsfähigkeit zu erreichen, wird das globale UMTS-Netz in vier hierarchische Versorgungszonen unterteilt, die in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des mobilen Teilnehmers unterschiedliche Datenraten erlauben. Die kleinste Zone ist die Picozelle mit einem Radius von einigen zehn Metern. Sie dient zur Versorgung von Gebäude- und Grundstücksbereichen mit starkem Kommunikationsaufkommen. In ihr wird die maximale Übertragungsgeschwindigkeit des Standards von 2 Mbit/s bei Verbindungen zu stationären Endgeräten erreicht. Außerdem müssen alle in derselben Zelle befindlichen UMTS-Teilnehmer sich die maximal zur Verfügung stehende Übertragungsrate teilen. Mikrozellen als nächst größere Zonen haben einen Radius von einigen hundert Metern und decken innerstädtische Bereiche mit erhöhtem Kommunikationsbedarf ab. Die Datenraten liegen bei maximal 384 kbit/s, sofern man sich nicht schneller als mit Fußgängergeschwindigkeit bewegt. Die Versorgung von Vororten und ländlichen Gegenden ist Aufgabe der Makrozellen mit einer Ausdehnung von einigen Kilometern. Hier sind bei Bewegungsgeschwindigkeiten von 120 bis 500 km/h Übertragungsraten von 144 kbit/s vorgesehen. Eine noch größere Flächenabdeckung erreichen Weltzellen mit einem Radius von bis zu einigen tausend Kilometern. Durch den ergänzenden Einsatz von satellitengestützten UMTS-Mobilfunksystemen sollte ursprünglich eine globale Erreichbarkeit, z.B. während eines Fluges, für zukünftige UMTS-Teilnehmer realisiert werden. Aufgrund zweifelhafter wirtschaftlicher Aussichten für satellitengestützte UMTS-Kom­po­­nen­ten ist inzwischen höchst unwahrschein­lich, dass Satellitenfrequenzen überhaupt noch für UMTS genutzt werden.

Der prinzipielle Aufbau eines UMTS-Netzes basiert auf der GSM-Architektur und besteht aus den drei Teilbereichen User Equipment (UE), UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) und Kernnetz (Core Network, CN). Das User Equipment ist die Kombination aus mobilem Endgerät und USIM-Karte (Universal/ UMTS Subscriber Identity Module). Die USIM dient wie die SIM bei den Netzen der zweiten Generation als Sicherheitsmodul zur Verschlüsselung und Authentisierung des Endgerätes gegenüber dem Netz. Zudem können auf einer UMTS-Karte neben der USIM noch weitere Anwendungen implementiert werden.

Das UE ist per Funk mit dem UTRAN verbunden. Dieses stellt Funktionen und Protokolle zur Datenübertragung über das terres­trische Funkzugangsnetz bereit, wie z.B. die Verwaltung der Funkressourcen oder die Ver­schlüsselung des Funkkanals. Ein UTRAN setzt sich aus mehreren Funksubsystemen (Radio Network Subsystem, RNS) zusammen, welche jeweils einen Radio Network Controller (RNC) enthalten, der mit anderen RNCs vernetzt ist, und eine oder mehrere an ihm angeschlossene Basisstationen (Node B) verwaltet. Über ein sogenanntes Code-Multiplex-Verfahren (Code Division Multi­ple Access, CDMA; Telekommuni­kationsnetze) greifen mehrere Nutzer gleichzeitig auf einen Kanal zu. Die verfügbaren Übertragungskapazitäten können so flexibel und effizient zugeteilt werden, wodurch eine bessere Ausnutzung des Frequenzspektrums erreicht wird.

Das UTRAN bildet auch die Schnittstelle zwischen dem UE und dem Kernnetz, der zentralen Komponente eines UMTS-Netzes, in welcher die einzelnen Verbindungen vermittelt und gesteuert werden. Außerdem enthält das CN Funktionen und Schnittstellen für Übergänge in andere Kommunikationsnetze.

In Deutschland wurden die Lizenzen für den Betrieb von UMTS-Netzen von der Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post (RegTP) am 18.8.2000 nach einem Versteigerungsverfahren für eine Gesamt­summe von 50,8 Mrd. Euro bzw. 619,3 Euro pro Einwohner an die vier etablierten GSM-Netzbetreiber (T-Mobile, Vodafone, E-Plus, O2) sowie zwei neue Marktteilnehmer (Group 3G/Quam, an der der finnische Netzbetreiber Sonera und der spanische Netzbetreiber Telefónica beteiligt waren, und Mobilcom Multimedia, an der neben dem deutschen Mobilfunk Reseller Mobilcom der französische Netzbetreiber France Telecom beteiligt waren) vergeben. Veränderte Ein­schätzungen der Absatzpotenziale für UMTS-basierte mobile Datendienste führten dazu, dass in Deutschland bereits im Jahr 2002 die beiden neuen Marktteilnehmer ihre Pläne zum Aufbau eines eigenständigen UMTS-Netzes aufgaben. Die verbleibenden Lizenznehmer haben die Auflage, mit ihren jeweiligen UMTS-Netzen bis Ende 2003 25 Prozent und bis Ende 2005 50 Prozent der Bevölkerung in Deutschland zu versorgen, erfüllt.

Angesichts der finanziellen Belastungen, die der Aufbau eines komplett neuen Netzes verursacht, erfolgt die Einführung von UMTS in mehreren aufeinander aufbauenden Stufen. Bei dieser evolutionären Vorgehens­weise lassen sich, u.a. durch die logisch strikte Trennung von Kern- und Funkzu­gangs­netz, schrittweise neue Architekturen und Funktionen in das System einfügen. In der ersten Phase, die man als Release 99 oder Release 3 bezeichnet, wird das bestehende GSM-Kernnetz um ein GPRS- (optional HSCSD-)Netz ergänzt (GSM 2,5G). Breitbandige Anwendungen werden über die Luftschnittstelle des ebenfalls neu zu implementierenden UTRANs realisiert. In dieser Version sind noch nicht alle für UMTS vorgesehenen Möglichkeiten verfügbar. In der auf Release 99 aufbauenden Phase 2 (Release 4/5) wird dann die leitungs­ver­mittelnde Technik im UMTS-Kernnetz durch paketvermittelnde Verfahren ersetzt. Ziel ist es, für zukünftige multimediale IP- und Web-basierte Anwendungen ein vollständig IP-basiertes („All IP based“) Kernnetz aufzubauen. Mit der Markteinführung des Release 5 im Jahr 2007, das die High Speed Downlink Packet Access-Technik beinhaltet, wurde zunächst die Datenrate aus dem UMTS-Netz zum Endkunden auf bis zu 14,4 Mbit/s erhöht. Das zwei Jahre später folgende und auf der High Speed Uplink Packet Access-Technik umfassende Release 6 steigerte die Datenübertragungsrate vom Endkunden ins UMTS-Netz auf bis zu 5,8 Mbit/s. Darüber hinaus wurde mit dem Mobile Broadcast Multicast Service erstmalig das effiziente Verteilen von Multimediadaten wie Mobile-TV über das UMTS-Netz an viele Nutzer gleichzeitig ermöglicht. Ein weiterer UMTS-Evolutionsschritt soll mit der ab 2011 am Markt verfügbaren und als Release 8 standardisierten vierten Mobilfunk­generation, die auch als Long Term Evolution bezeichnet wird, erreicht werden. Dieser sieht einen Wechsel des Multiplex­verfahrens von CDMA auf Orthogonal-Frequency-Division-Multiplexing sowie eine Mi­gration zu Multiple-Input-Multiple-Out­put-(MIMO-)Antennen vor und soll eine theoretische Downlink-Datenrate bis zu 160 Mbit/s ermöglichen.

Im Oktober 2001 wurde vom japanischen Un­ternehmen NTT DoCoMo das erste kommerzielle 3G Mobilfunknetz der Welt FOMA (Freedom of Mobile Multi-Media Access) in Betrieb genommen. Mitte des Jahres 2004 belief sich die Zahl der Teilnehmer allerdings erst auf rund 4,6 Mio. Als Gründe für die unerwartet schwache Marktak­zeptanz gelten u.a. die geringe Netzabdeckung von FOMA, die auf einen Radius von un­gefähr 30 km um Tokio beschränkt ist, die, im Vergleich zu i-mode, geringe Zahl an­ge­botener Dienste, das Fehlen von Endgeräten, die sowohl in 2G- und 3G-Netzen funk­tionieren, sowie die hohen Endgerätepreise. Nach Beseitigung dieser Mängel konnte NTT DoCoMo bis Ende März 2010 etwa 53,20 Mio. FOMA-Abonnenten ge­winnen und damit einen Anteil von 95 Prozent an allen NTT-Mobilfunk­kunden erreichen.

Das erste europäische UMTS-Sprachtelefonat fand auf der Isle of Man im Mai 2001 statt. Im Dezember 2001 nahm die lokale Te­le­fongesellschaft Manx Telecom auf dieser 1.060 km² großen Insel zwischen England, Schottland und Irland das erste UMTS-Netz Eu­ropas in Betrieb. Inwzischen ist der UMTS-Netzaufbau in Europa soweit vorange­schritten, dass die UMTS-SIM-Karten-Pe­netration Ende März 2009 in Italien, Portugal und Schweden jeweils fast die 50 Prozent-Marke erreicht hatte, wohingegen Deutschland mit knapp 23 UMTS-SIM-Karten je 100 Einwohner im europäischen Vergleich eher im unteren Drittel einzuordnen ist.