FACHINFORMATION. GRUNDINFORMATION zur neuen Mobilfunkgeneration UMTS. Bayerisches Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen

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1 Bayerisches Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen FACHINFORMATION Umwelt & Entwicklung Bayern GRUNDINFORMATION zur neuen Mobilfunkgeneration UMTS 2/2003

2 Bayerisches Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen FACHINFORMATION Umwelt & Entwicklung Bayern GRUNDINFORMATION zur neuen Mobilfunkgeneration UMTS erstellt unter Mitwirkung des Bayerischen Staatsministeriums für Gesundheit, Ernährung und Verbraucherschutz

3 Herausgeber: Bayerisches Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen (StMLU) Rosenkavalierplatz 2, München Internet: Auflage, Juni StMLU, alle Rechte vorbehalten Gedruckt auf Recyclingpapier aus 100 % Altpapier Umschlag aus Recyclingkarton

4 3 Inhalt Warum UMTS?...4 Lizenzen und Frequenzbänder...6 Funkzellen...8 Duplex- und Vielfachzugriffs-Verfahren...11 Kapazitäten und Datenraten...14 Signalleistung und Leistungsregelung...16 Signalstrukturen...19 Signalübergabe zwischen Zellen...22 Zellatmung...25 Biologische Wirkungen...26 Rechtliche Fragen...27 Abkürzungen...28 Anmerkung zur Farbgestaltung: Als Hilfestellung für den Leser sind die Textfelder dieser Broschüre entsprechend ihrer Inhalte farblich gekennzeichnet: Allgemeine Beschreibung: Textfelder, die mit dieser Farbe markiert sind, dienen zur Einführung in einen neuen Themenbereich. Der Leser wird an die behandelte Thematik herangeführt, grundlegende Sachverhalte werden beschrieben, ohne vertiefend auf technische Realisierungen einzugehen. Realisierung bei UMTS: In Textfeldern, die mit dieser Farbe markiert sind, wird auf die UMTS-Technologie eingegangen. Die zuvor allgemein beschriebenen Sachverhalte werden in Bezug mit UMTS gebracht. Funktionalitäten und Eigenschaften der UMTS-Technologie werden erläutert. Vergleich UMTS und GSM: In Textfeldern, die mit dieser Farbe markiert sind, werden UMTS-Technologie und GSM-Technologie verglichen, Gemeinsamkeiten aber auch Unterscheidungsmerkmale werden beschrieben.

5 Warum UMTS? 4 Warum UMTS? Gründe für die Entwicklung einer neuen Mobilfunkgeneration Noch vor einigen Jahren kamen Privatverbraucher mit der Kommunikationstechnologie im wesentlichen nur im Rahmen der (Sprach-) Telefonie in Kontakt. Die Hauptaufgabe, die Kommunikationsnetze zu dieser Zeit zu erfüllen hatten, war es, Sprachverbindungen zuverlässig und in akzeptabler und konstanter Qualität zur Verfügung zu stellen. Eine technologische Errungenschaft des vergangenen Jahrzehnts war die weitgehend flächendeckende Realisierung dieses Telefoniedienstes in mobiler Form. Neben anfänglichen analogen Mobilfunktechniken setzte sich hierfür die digitale GSM- Technologie durch. Doch neben diesem Mobilitätstrend machte sich eine weitere Entwicklung breit: Das Internet. Die heute bekanntesten Anwendungen des Internets sind das Surfen im World Wide Web (www) und die Übertragung von s. Doch die Möglichkeiten für Anwendungen der Kommunikationstechnologie sind nicht ausgeschöpft. Eine Vielzahl von Angeboten und Nutzungsmöglichkeiten, getrieben durch die Kombination der Flexibilität des Internets mit der Mobilität in Mobilfunknetzen, wartet auf kommerziellen Einsatz: Innovative Kommunikationsdienste, wie beispielsweise Videokonferenz- Dienste, die in verschiedensten Variationen und einfacher Bedienbarkeit die Übertragung von Text, Bild, Video und Sprachinformationen (und auch Musik) ausführen. Unterhaltungs- und Informationsangebote, angefangen von Diensten, die dem heutigen Fernsehangebot ähneln, aber keinem strikten zeitlichen Programm unterliegen, gefolgt von multimedialen Spielangeboten für (mobile) Internetnutzer, bis hin zu Diensten, die sich die Information über den Aufenthaltsort eines Kunden zu Nutze machen, um diesem z.b. den Weg zum nächstgelegen Restaurant zu weisen. Die Liste der Beispiele für Anwendungen der kommenden Technologiegeneration ließe sich weiterführen. Festzuhalten ist jedoch, dass die Fülle dieser unterschiedlichen Anwendungen das Anforderungsprofil an die im Hintergrund operierenden Kommunikationsnetze signifikant verändert: Zum einen ist für die Realisierung von Multimediadiensten eine höhere Datenübertragungsrate (genannt: Bandbreite) als die der heutigen Netze erforderlich. Zum anderen ist aber auch die Flexibilität, einem Nutzer je nach Anforderung Übertragungsleistung in hoher oder geringer Bandbreite und je nachdem auch in hoher oder geringerer Qualität zur Verfügung zu stellen und somit einen wirtschaftlichen Netzbetrieb zu ermöglichen, in heutigen Netzen nur in nicht zufriedenstellendem Umfang vorhanden.

6 Warum UMTS? 5 Es sind im wesentlichen diese beiden Argumente, die Forschungsgremien, Hersteller und Netzbetreiber dazu veranlasst haben, nach einer Nachfolgetechnologie für GSM zu forschen. Die Einführung der auf GSM basierenden GPRS-Technologie, die heute schon vielfach eingesetzt wird, stellte hierbei nur einen Zwischenschritt dar. Nach jahrelangen internationalen Entwicklungs- und Standardisierungsarbeiten einigte man sich auf das Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) als Teilstandard der dritten Mobilfunkgeneration (3G) für den internationalen Gebrauch. Dieser UMTS-Standard umfasst eine Gruppe von Varianten. Im europäischen Raum sind die beiden Varianten UTRA-FDD (UMTS Terrestrial Radio Access - Frequency Division Duplex) und UTRA-TDD (UMTS Terrestrial Radio Access - Time Division Duplex) relevant, wobei zunächst nur UTRA-FDD zum Einsatz kommen wird. Die vorliegende Broschüre wird sich daher auf die Beschreibung dieser UMTS-Variante beschränken. Flexibilität für Internetdienste UMTS GSM (GPRS) GSM kbit/s* Datenübertragungsrate (* kbit/s bedeutet: /1-Informationen pro Sekunde)

7 Lizenzen und Frequenzbänder 6 Lizenzen und Frequenzbänder Wozu Lizenzen? Mobilfunksignale werden in Form von elektromagnetischen Wellen übertragen. Ein Charakteristikum einer solchen elektromagnetischen Welle ist die Frequenz. Mobilfunksignale werden jedoch nicht nur bei einer diskreten Frequenz übertragen, sondern es sind hierfür ganze Frequenzbereiche, genannt Frequenzbänder, notwendig. Die Breite des genutzten Frequenzbandes ist direkt maßgeblich für die Datenübertragungskapazität einer Funktechnik. Je breiter ein zur Verfügung stehendes Frequenzband ist, umso mehr Daten können übertragen werden. Als einfaches Analogon kann hier das Bild einer Straße dienen, deren Breite, etwa Dorfstraße oder Autobahn, für deren Verkehrskapazität maßgeblich ist. Frequenzbänder sind demnach also wertvolle Ressourcen, deren Gebrauch geregelt und behördlich organisiert sein muss. So sind den Frequenzbereichen regulatorisch verschiedene Anwendungen wie Mobilfunk, Rundfunk, Satellitensignale etc. zugeordnet. Für manche Frequenzbereiche müssen Lizenzen erworben werden, andere wiederum werden öffentlich zur Nutzung frei gegeben. Für Mobilfunkbetreiber stellen die Nutzungsrechte solcher Frequenzbänder und deren ungestörte Verfügbarkeit die Verbindung zu ihren Kunden sicher und sind daher von hoher Bedeutung. Lizenzvergabe für UMTS-Frequenzen: Am wurden für Deutschland die Lizenzen für die UMTS-Varianten UTRA- FDD und UTRA-TDD versteigert. Zu erwerben waren zunächst die exklusiven Nutzungsrechte für insgesamt 12 aneinander angrenzende 5 MHz-Frequenzblockpaare im Bereich von 1920 bis 1980 MHz und von 2110 bis 2170 MHz für die UTRA-FDD- Variante. Diese Auktion erbrachte in Summe etwa 50 Milliarden Euro. 6 Mobilfunkbetreiber hatten jeweils Lizenzen für 2 Frequenzblockpaare ersteigert. 5 MHz Frequenzblockpaar UTRA-TDD UTRA-FDD UTRA-TDD UTRA-FDD Frequenz in MHz

8 Lizenzen und Frequenzbänder 7 In einer darauffolgenden Versteigerung wurden insgesamt 4 weitere 5 MHz- Frequenzblöcke vergeben. Diese werden erst später im Rahmen der UTRA-TDD- Technik zum Einsatz kommen. Die Laufzeit der Lizenzen ist auf 20 Jahre begrenzt. Mit der Ersteigerung der Lizenzen haben sich die Mobilfunkanbieter verpflichtet, bis Ende 2003 mindestens 25%, bis Ende 2005 mindestens 50% und bis Ende % der Bevölkerung mit der neuen Technik zu versorgen. GSM-Frequenzbereich Bei der Beschreibung der GSM-Frequenzbereiche sind zunächst die GSM-900- und die GSM-1800-Technik zu unterscheiden. Der Grund für die Namensgebung dieser beiden GSM-Varianten liegt in den genutzten Frequenzbändern, die bei GSM-900 im Bereich von 900 MHz und bei GSM-1800 im Bereich von 1800 MHz liegen. GSM-900, auch D-Netz genannt, wird in Deutschland von den Mobilfunkanbietern T-Mobile International (D1) und Vodafone (D2) betrieben. GSM-1800, auch E-Netz genannt, wird von O2 (E1) und E-Plus (E2) genutzt. GSM-1900 ist eine weitere GSM-Variante, die zwar nicht in Deutschland, aber jedoch beispielsweise in den USA eingesetzt wird. GSM-900 GSM-1800 UTRA-FDD UTRA-FDD Frequenz in MHz Heute im Handel erhältliche Mobiltelefone verfügen im allgemeinen über die Dual- Band-Technik (d.h. 900 MHz- und 1800 MHz-Bereich). Einige spezielle Telefone sind sogar Tri-Band fähig, was bedeutet, dass diese auch in USA genutzt werden können. Wie bei UMTS sind auch für jede der GSM-Varianten zwei voneinander getrennte Frequenzbänder festgelegt. Für GSM-900 dienen die Frequenzbänder von 880 bis 915 MHz und von 925 MHz bis 960 MHz, für GSM-1800 sind die Frequenzbänder von 1710 MHz bis 1785 MHz sowie von 1805 MHz bis 1880 MHz definiert. Im Vergleich: Frequenzen Frequenzbänder Kanalbandbreiten GSM MHz und MHz 200 khz GSM MHz und MHz 200 khz UMTS (FDD) MHz und MHz 5 MHz

9 Funkzellen 8 Funkzellen Was sind Funkzellen? Von zentraler Bedeutung für den Aufbau eines Mobilfunknetzes ist eine sorgfältige Netzplanung. Ziel dieser Planung ist die optimale Versorgung einer geographischen Region mit Mobilfunksignalen. Dies betrifft in erster Linie die geeignete Auswahl von Standorten für Antennen, denn natürlich nur für den Kunden innerhalb deren Reichweite besteht Kontakt zum Mobilfunknetz. Generell nennt man den Reichweitenbereich einer Antenne mit ihren dazugehörigen Steuer- und Versorgungselementen (Basisstation oder bei UMTS: Node B) eine Zelle. Strukturen mit vielen, kleinen Zellen sind wiederum ungünstig für Nutzer, die sich schnell fortbewegen, wie etwa während der Fahrt auf einer Autobahn. Hier müsste die Verbindung sehr häufig von einer Zelle an die angrenzende übergeben werden. Daher verwendet man in solchen Gebieten, wie auch entlang von Bahnstrecken, bevorzugt größere Zellen. Die Berücksichtigung all dieser Einflussfaktoren macht die Planung einer optimierten Zellstruktur eines Mobilfunknetzes zu einer komplexen Angelegenheit, die ohne aufwändige rechnergesteuerte Analysen und Simulationen nicht möglich wäre. Antennenstandort Basisstation Mobilfunkzellen Die Gesamtheit an aneinander angrenzenden, aber sich zum Teil auch überlagernden Zellen bildet den Netzabdeckungsbereich eines Mobilfunkanbieters. Wichtig für einen optimalen Netzbetrieb ist jedoch, neben der Flächenabdeckung, auch die Anpassung der Netzkapazität an regional unterschiedliche Anforderungen, etwa für eine hohe Nutzungsdichte (also viele Nutzer auf engem Raum in innerstädtischen Gebieten) oder für geringere Nutzungsdichten (also weniger Nutzer pro Fläche im ländlichen Bereich). Da kleine Zellen höhere Nutzungsdichten erlauben als große Zellen, gilt es, ein Optimum zwischen Zellgröße und Zellkapazität zu finden. In ländlichen Regionen werden demnach große Zellen, in städtischen Gebieten eher viele, kleinere Zellen benötigt.

10 Funkzellen 9 Es gibt Antennen, die Signale ungerichtet in alle Richtungen (360 ) ausstrahlen (und ebenso auch aus allen Richtungen empfangen) und Antennen, deren Sende- (und Empfangs-) Charakteristik auf einen Sektorenbereich (z.b. 120 oder 90 ) eingeschränkt ist. Der Einsatz solcher Sektorantennen ermöglicht die Realisierung kleinerer Zellen, wie in bestimmten Regionen aus Kapazitätsgründen notwendig, ohne dabei zusätzliche Antennenstandorte zu benötigen. Die Zellsektoren werden über eine gemeinsame Basisstation versorgt und kontrolliert. Zell-Sektor Arten von Funkzellen bei UMTS Generell werden bei UMTS folgende Zelltypen unterschieden: Makrozellen sind mit Durchmessern von 4-6 km die größten Zellen. Die Bewegungsgeschwindigkeit eines Teilnehmers bei einer Datenrate von beispielsweise 144 kbit/s darf in solchen Zellen bis zu 500 km/h betragen. Mit einem Durchmesser von etwa 1-2 km sind Mikrozellen kleiner, erlauben dafür jedoch Verbindungen mit höherer Datenrate als Makrozellen. Zur Ergänzung von Mikro- und Makrozellen können in Bereichen mit extrem hohem Bedarf, wie etwa Flughäfen, Bahnhöfen, Messe- und Kongresszentren, auch sogenannte Pikozellen errichtet werden. Diese sind mit etwa 100 m Durchmesser sehr klein, erlauben jedoch noch höhere Datenraten. Makro- und Mikrozellen sind nicht aneinander angrenzend, sondern überlagernd angeordnet. Das heißt, dass aus Perspektive eines Nutzers sowohl Makro- als auch Mikrozelle zur Verfügung stehen können. Die Zuordnung eines Nutzers zu einer Makro- oder Mikrozelle unterliegt verschiedenen Regelmechanismen, die sich von Netzbetreiber zu Netzbetreiber unterscheiden können. Kriterien wie Bewegungsgeschwindigkeit des Nutzers und Datenrate der aktiven Verbindung sind hier maßgeblich. Eine Makrozelle überlagert eine Vielzahl von Mikrozellen. Je nach Bedarf werden diese dann noch durch Pikozellen ergänzt. Zur Veranschaulichung dieses Sachverhaltes nutzt man häufig das Bild übereinander angeordneter Zellen. Makrozelle Mikrozelle Pikozelle

11 Funkzellen 10 Um überlagerte Mikro- und Makrozellen für ein Mobilfunkgerät unterscheidbar zu machen, nutzen diese Zellenarten unterschiedliche Frequenzblockpaare. Pikozellen werden erst in einer späteren UMTS-Realisierungsphase benötigt. Hier soll dann die UTRA-TDD-Technik zum Einsatz kommen. GSM-Funkzellen im Vergleich mit UMTS Bei gleicher Sendeleistung nimmt die Reichweite eines Mobilfunksignals mit zunehmender Frequenz ab. Verglichen mit einer GSM-900-Zelle (D-Netze, Übertragungsfrequenz ca. 900 MHz), die im Durchmesser bis zu 35 km groß sein kann, sind UMTS- Makrozellen (Übertragungsfrequenz ca MHz) also wesentlich kleiner und mit ihrer Größe von maximal 8 km mit den Zellen eines GSM-1800 Netzes (E-Netze, Übertragungsfrequenz ca MHz) vergleichbar. UMTS-Mikro- und Pikozellen sind aufgrund ihrer höheren Datenraten noch kleiner. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass bei UMTS eine exakte Größenangabe nicht möglich ist, da die Zellen ihre Ausdehnung während des Betriebes ändern. Dieser Effekt wird im Kapitel Zellatmung behandelt. Für das derzeitige GSM-Netz sind heute in Bayern Basisstationen an etwa 6600 Standorten in Betrieb. Um dort bis % der Bevölkerung mit der neuen Technik zu versorgen, sind nach Angaben der Betreiber insgesamt etwa 8000 UMTS-Standorte erforderlich. Unter der Annahme, dass ca GSM-Standorte durch Erweiterung mit UMTS-Technik mitbenutzt werden können, ergeben sich bis zum Jahr 2005 etwa 3500 neue Standorte in Bayern für UMTS-Basisstationen. Datenraten und Anwendungsbeispiele Anwendung Datenrate in kbit/s SMS (Textnachricht) 1,2-2,4 Telefongespräch 8-32 MMS (Multimedia-Nachricht) 64 Telefonkonferenz Videotelefonie Videokonferenz

12 Duplex- und Vielfachzugriffs-Verfahren 11 Duplex- und Vielfachzugriffs-Verfahren Wozu benötigt man ein Duplex- und Vielfachzugriff-Verfahren? Wie in der alltäglichen Sprachkommunikation so sind auch in der Mobilfunktechnik (genauer: bei der Kommunikation zwischen einer Mobilfunkbasisstation und einem Mobiltelefon) einige grundlegende Prinzipien zu berücksichtigen. Erstens muss klar geregelt sein, wie das vom Mobiltelefon gesendete Signal (genannt: Uplink) und das vom Mobiltelefon empfangene Signal (genannt: Downlink) gleichzeitig übertragen werden können. Was in der Sprachkommunikation durch simples Abwarten (sprich: Ausreden lassen) erreicht wird, bedarf im Mobilfunk eines sogenannten Duplex-Verfahrens. Zweitens muss eine Basisstation die Signale verschiedener Mobiltelefone unterscheiden und zuordnen können. Hier spricht man von einem Vielfachzugriffs-Verfahren. Duplex-Verfahren Um die beiden Übertragungsrichtungen, Uplink und Downlink, gleichzeitig zur Verfügung zu stellen, wird bei UMTS das FDD (Frequency Division Duplex)-Verfahren eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird das Senden und das Empfangen in unterschiedli- Vielfachzugriffs- Verfahren Technische Realisierung dieser Verfahren bei UMTS: Uplink-Frequenzblock Downlink-Frequenzblock UTRA-FDD UTRA-FDD Frequenz in MHz

13 Duplex- und Vielfachzugriffs-Verfahren 12 chen Frequenzblöcken durchgeführt. Jedem Uplink-Frequenzblock ist auch ein dazugehöriger Downlink-Frequenzblock zugeordnet. Das ist der Grund dafür, dass im Rahmen der UMTS-Auktion Frequenzblockpaare versteigert wurden. Da mehrere Mobilfunknutzer gleichzeitig innerhalb einer Funkzelle Signale mit der selben Frequenz senden bzw. empfangen, muss der Zugriff auf die Basisstation organisiert werden. Bei UMTS wird dafür die CDMA-Technik (Code Division Multiple Access) als Vielfachzugriffs-Verfahren eingesetzt. Bei dieser Technik wird das Signal eines jeden Nutzers mit einem eigenen Code (mathematische Signalverschlüsselung) versehen. Die codierten Signale werden anschließend im selben 5 MHz Frequenzkanal ü- bertragen. Dem Empfänger müssen die entsprechenden Codes bekannt sein, denn nur so kann er diese im Gesamtsignal erkennen und dekodieren, um an die eigentliche Information zu gelangen. Bei dem Code-Vergabeverfahren handelt es sich um einen äußerst komplexen Prozess, auf den nicht vertieft eingegangen werden kann. Zur vereinfachten Erklärung wird das CDMA-Verfahren oft mit einer Party verglichen, bei der viele Personen (hier: Mobilfunknutzer) in unterschiedlicher Sprache (hier: Codes) durcheinander reden. Während das Gespräch in eigener Sprache klar zu verfolgen ist, erscheint das Stimmengewirr anderer Sprachen als Hintergrundgeräusch. Im folgenden Bild werden die aktuellen Signalstärken in einer Zelle dargestellt, in der sich zum Betrachtungszeitpunkt vier Nutzer befinden: Signalstärke im Funksignal Signalstärke nach Dekodierung (Verstärkung) im Empfänger Nutzbares Signal Nutzer 1 Nutzer 2 Nutzer 1 Nutzer 2 Nutzer 3 Nutzer 4 5 MHz Frequenzkanal Nutzer 3 Nutzer 4 5 MHz Frequenzkanal Hintergrundsignal GSM-Duplex- und Vielfachzugriffs-Verfahren im Vergleich mit UMTS Als Duplex-Verfahren wird auch bei GSM das FDD-Verfahren angewandt. Auch hier werden also verschiedene Frequenzen genutzt, um Uplink- und Downlink-Signale gleichzeitig zu übertragen. Insgesamt sind für GSM vier Frequenzbänder festgelegt, jeweils ein Up- und Downlink-Frequenzband für GSM-900 und jeweils ein Up- und Downlink Frequenzband für GSM Uplink Downlink Uplink Downlink GSM-900 GSM MHz

14 Duplex- und Vielfachzugriffs-Verfahren 13 Bei der Realisierung des Vielfachzugriffs-Verfahrens unterscheiden sich GSM und UMTS deutlich voneinander. Während bei UMTS ein Signal die gesamte, innerhalb eines Frequenzblockes zur Verfügung stehende Bandbreite von 5 MHz nutzt, werden bei GSM die Frequenzbänder in Frequenzkanäle (z.b. D-Netz 124 Frequenzkanäle) mit einer Bandbreite von 200 khz unterteilt. Das Signal eines Nutzers wird innerhalb eines solchen Kanals übertragen. Man nennt dieses Vielfachzugriffs-Verfahren FDMA (Frequency Division Multiple Access). Uplink Downlink Frequenz 200 KHz Kanäle KHz Kanal Frequenz 577 µs Zeitschlitz Zeit GSM-Frequenzkanäle (schematisch) GSM-Zeitschlitze (schematisch) Zudem werden bei GSM die Signale nicht, wie bei UMTS kontinuierlich, sondern in fest definierten Zeiträumen, mit einer Dauer von 577 Mikrosekunden, sogenannten Zeitschlitzen, übertragen. Ein jedes Signal hat in einer wiederkehrenden Abfolge von 8 Zeitschlitzen seine definierte Position. Ist einem Nutzer beispielsweise der vierte Zeitschlitz zugeordnet, so darf dieser während der Übertragungszeiten der anderen Zeitschlitze (...,5,6,7,8,1,2,3...) bis zum vierten Zeitschlitz der nächsten Abfolge nicht senden. Diese anderen Zeitschlitze sind weiteren Nutzern zugeordnet. Man spricht bei diesem Verfahren zur Unterscheidung von Nutzern vom TDMA (Time Division Multiple Access) -Verfahren. Zur gleichzeitigen Kommunikation mehrerer Mobiltelefone mit einer Basisstation müssen einem Nutzer sowohl Zeitschlitz als auch Frequenzkanal zugeordnet werden (FDMA- und TDMA-Verfahren). Im Unterschied hierzu teilt das UMTS-System einem Nutzer einen Code zu (CDMA-Verfahren). Zeitschlitzverfahren bei GSM Ein weiterer, in diesem Zusammenhang bedeutender Effekt sei hier noch erwähnt, ohne diesen näher zu erläutern: Aufgrund der bei UMTS wesentlich höheren Übertragungsbandbreite (5 MHz vgl. mit 200 khz bei GSM) sind UMTS-Signale weit weniger anfällig für Störungen, die in einem begrenzten Frequenzbereich auftreten können. Signalleistung Störsignal (schematisch) 200 khz-kanal GSM Frequenz Signalleistung Störsignal (schematisch) 5 MHz-Kanal UTRA-FDD Frequenz

15 Kapazitäten und Datenraten 14 Kapazitäten und Datenraten Wodurch sind Kapazitäten und Datenraten bestimmt? Wie schon erwähnt, ist die Kapazität einer Funkzelle durch die zur Verfügung stehende Frequenzbandbreite bestimmt. Frequenzbandbreite und Kapazität stehen in direktem Zusammenhang. Nicht maßgeblich für die Gesamtkapazität einer Zelle ist die Art des Vielfachzugriffs-Verfahrens. Dieses legt nur fest, wie sich die Kapazität auf einzelne Nutzer verteilt. Es kann bei dieser Aufteilung effektiver oder weniger effektiv vorgehen. Ob wie bei GSM Frequenzkanäle und Zeitschlitze die Kapazität einer Zelle aufteilen oder ob wie bei UMTS das aufwändige CDMA-Verfahren den Vielfachzugriff organisiert, ist demnach für die Gesamtkapazität einer Zelle nicht von Bedeutung, wohl aber für effiziente Auslastung. Bezogen auf die einem einzelnen Nutzer zur Verfügung stehende Teilkapazität einer Zelle (also der für ihn verfügbaren Datenrate) sind folgende Punkte von Bedeutung: Wie groß ist die Gesamtkapazität der Zelle, also welche Frequenzbandbreite steht zur Verfügung? Wieviel davon kann maximal einem Nutzer zugeordnet werden? In welchen Stufen und mit welcher Dynamik kann Kapazität zugeteilt werden? Was passiert mit ungenutzten Kapazitäten? Kapazitäten und Datenraten bei UMTS Bei UMTS kann die Zellkapazität flexibel und dynamisch aufgeteilt werden. Grund dafür ist, dass sich alle Teilnehmer bei konstanter Funkqualität über das schon erwähnte CDMA-Verfahren die Gesamtleistung der Basisstation teilen und nicht statische Ressourcen, wie Frequenzen oder Zeitschlitze. Die Leistung, die für die Übertragung eines Signals benötigt wird, hängt von der aktuell zu übertragenden Datenrate ab. Datenrate und Signalleistung stehen in direktem Zusammenhang. Teilnehmer mit größerer Datenrate benötigen eine höhere Sendeleistung als Teilnehmer mit niedrigerer Datenrate. Aktuelle Signalleistung Auslastung mit vielen Sprachteilnehmern Nutzer 6 Nutzer 5 Nutzer 4 Nutzer 3 Nutzer 2 Nutzer 1 Aktuelle Signalleistung Auslastung mit Teilnehmern verschiedener Datenraten Nutzer 3 Nutzer 2 Nutzer 1 Aktuelle Signalleistung Auslastung mit Teilnehmern hoher Datenraten Nutzer 2 Nutzer 1 5 MHZ Kanal 5 MHZ Kanal 5 MHZ Kanal Dies hat zur Folge, dass die maximal mögliche Anzahl von Teilnehmern in einer Zelle auch von der Datenrate dieser Teilnehmer abhängt. Generell gilt, dass je mehr Teilnehmer sich eine Zelle teilen, umso weniger an verfügbarer Leistung (also Datenrate) für den einzelnen bleibt. Exakte Kapazitätswerte lassen sich für UMTS-Zellen nur schwer angeben, da diese von vielen Rahmenparametern beeinflusst werden. Als genereller Richtwert für die Kapazität einer UMTS-Zelle kann von etwa 60 gleichzeitigen

16 Kapazitäten und Datenraten 15 Nutzern mit einer Sprachverbindung ausgegangen werden. Bedingt durch die jeweiligen, vor Ort oftmals unterschiedlichen, Rahmenbedingungen für eine Funkübertragung, kann diese Zahl auch höher oder niedriger ausfallen. Bei Nutzung von Datendiensten mit höheren Datenraten sinkt gemäß dem höheren Leistungsbedarf für solche Verbindungen auch die Zahl an möglichen Nutzern. Die maximal erzielbaren Datenraten für eine Verbindung liegen für die UMTS (UTRA-FDD)-Technologie bei 384 kbit/s. Wichtig für die bestmögliche Auslastung der Kapazität einer UMTS-Funkzelle ist vor allem eine strikte Überwachung und Regelung der Leistungswerte der einzelnen Nutzer. Diese muss sicher stellen, dass jeder Nutzer nur mit der gerade für die Übertragung seines Signals notwendigen Leistung sendet und keine Leistungsressourcen verschwendet und zudem nicht zur Störquelle für die anderen Nutzer wird. Kapazitäten und Datenraten bei GSM im Vergleich mit UMTS Bei GSM ist die Teilnehmerzahl durch die Anzahl der Frequenzkanäle und durch die Anzahl der zur Verfügung stehenden Zeitschlitze fest vorgegeben. Einen Frequenzkanal von 200 khz teilen sich 8 Teilnehmer über die Nutzung von unterschiedlichen Zeitschlitzen. Ein Zeitschlitz dient zur Übertragung eines Nutzsignals mit einer Bitrate von bis zu 13 kbit/s. Weiterentwicklungen der GSM-Technologie (HSCSD, GPRS) erlauben es einem Nutzer, auch innerhalb einer Verbindung mehrere dieser Zeitschlitze zu nutzen, um so eine höhere Übertragungskapazität zu erzielen. Insgesamt gibt diese Art der Ressourcenaufteilung mittels Zeitschlitzen ein striktes Aufteilungsraster der Kapazität einer Zelle vor: Ein Nutzer, der für eine Verbindung einen Zeitschlitz zugeordnet bekommt, nutzt diesen dann während der Dauer der gesamten Verbindung, auch wenn zwischenzeitlich keine Daten übertragen werden müssen. Genau hier ist das flexiblere Verfahren der UMTS-Technologie vorteilhafter, da im Verlauf einer Verbindung bei geringerem Bedarf an Bandbreite keine unausgelasteten oder leeren Zeitschlitze übertragen werden, sondern über die ständige Anpassung des Leistungsbedarfs die freiwerdende Kapazität anderen Nutzern zur Verfügung gestellt werden kann. Zeitschlitz voll ausgelastet Zeitschlitz ohne Datenübertragung Ressourcen bleiben ungenutzt (Gesprächspause) Zeitschlitz voll ausgelastet 200 khz Kanal Zeit Auf einen weiteren Sachverhalt, der sich auch auf die Kapazität eines Mobilfunknetzes auswirkt, sei hier nur am Rande eingegangen: Die Wiederverwendbarkeit der Frequenz in den angrenzenden Zellen. Bei GSM müssen bei benachbarten Zellen bis zu einem bestimmten Sicherheitsabstand (genannt: Reuse-Faktor) unterschiedliche Frequenzkanäle genutzt werden, um so Störungen durch Nutzung des gleichen Frequenzkanals zu vermeiden. UMTS ist für solche Störungen weniger anfällig. Benachbarte Zellen werden bei gleichen Frequenzen betrieben (Ausnahme: überlagerte Makro- und Mikrozellen). Dies erhöht die Gesamtkapazität eines Netzes und reduziert den Aufwand für die Planung der Frequenzkanalnutzung.

17 Signalleistung und Leistungsregelung 16 Signalleistung und Leistungsregelung Warum muss die Leistung eines Signals geregelt werden? Es wurde bereits erwähnt, dass einer der grundlegenden Unterschiede zwischen der GSM- und der UMTS-Technologie in der Verfahrensweise liegt, wie sich Nutzer die Übertragungsressourcen einer Zelle teilen. Bei GSM ist, durch die Aufteilung von Frequenzkanälen und Zeitschlitzen, die einem Nutzer zur Verfügung stehende Funkressource fest zugeordnet. Solange ein Mobilfunkgerät diese ihm zugeordneten Parameter einhält, wird es nicht zu einem Nutzungskonflikt mit einem anderen Gerät kommen. Bei UMTS kommunizieren alle Nutzer innerhalb einer Zelle kontinuierlich und gleichzeitig (also nicht in Zeitschlitzen) und auch bei ein und derselben Frequenz (also nicht in Frequenzkanälen). Sie teilen sich die Signalleistung einer Zelle und nutzen hierfür das schon erwähnte Kodierungsverfahren. Überschreitet nun ein Nutzer die ihm zugeordneten Leistungswerte, so schlägt sich dies in einer geringeren Kapazität der Zelle für die verbleibenden Nutzer nieder. Um den Sachverhalt vereinfacht darzustellen, kann man wieder den Vergleich mit der gewöhnlichen Sprachkommunikation herstellen: Finden an einem Tisch mehrere Parallelgespräche gleichzeitig statt, so kann diese Situation dadurch gestört sein, dass ein Teilgespräch unkontrolliert lautstark wird und so andere Teilgespräche stört oder sogar verhindert. Leistungskontrolle ist somit eine der wichtigsten Funktionalitäten für den Betrieb eines UMTS-Netzes und ist daher auch wesentlich aufwändiger realisiert als bei GSM-Netzen. Die Übertragungsverhältnisse innerhalb einer Zelle verändern sich laufend. Verbindungen mit verschiedenen Datenraten und damit auch Leistungspegeln werden neu aufgebaut oder beendet. Zudem bewegen sich Mobilfunknutzer meist als Fußgänger oder im Auto. Die Entfernungen zur nächsten Basisstation und damit auch die erforderlichen Sendeleistungen variieren. Verstärkt wird dies durch den Effekt, dass Signale sich meist nicht über den Direktweg ausbreiten. Vielmehr entstehen Empfangssignale durch eine Überlagerung einer Vielzahl von (Mehrfach-) Reflexionen an Gebäuden oder anderen Objekten. Ein Nutzer, der sich eben noch aus Sicht der Antenne hinter einem Gebäude befand und somit relativ weit entfernt schien, kann schnell in unmittelbarer Nähe eine Sichtverbindung zur Antenne haben. Die Sendeleistung eines solchen Nutzers muss also schnellstmöglich reduziert werden, um nicht die Verbindungen der anderen Nutzer zu stören. Man

18 Signalleistung und Leistungsregelung 17 spricht hier vom sogenannten Nah-Fern-Problem. Zur Umgehung der erwähnten Problemstellungen ist in Mobilfunknetzen ein intelligentes Verfahren zur Überwachung und Regelung der Signalleistungen implementiert. Die Tatsache, dass Sendeleistung zudem auch Energieverbrauch bedeutet und deshalb insbesondere auch für die Betriebsdauer von Akku-betriebenen Mobilfunkgeräten maßgeblich ist, sei hier nur am Rande erwähnt. Dynamische Leistungsregelung bei UMTS Bei UMTS werden zur Leistungsregelung verschiedene Verfahren gleichzeitig angewandt. Während einer bestehenden Verbindung greifen zwei Regelmechanismen, die man innerer und äußerer Regelkreis nennt. Innerer Regelkreis (1500 mal pro Sekunde) Äußerer Regelkreis ( mal pro Sekunde) Signal Referenzwert erreicht? Qualität der Verbindungen? Kommando: Leistung heben oder Leistung senken Kommando: Referenzwert ändern Der innere Regelkreis übernimmt die Rolle des schnellen Eingreifers. Laufend, nämlich 1500 (!) mal pro Sekunde, werden Kontrollinformationen an das Mobiltelefon gesendet. Ob nun ein Kommando zur Anhebung oder Absenkung der Sendeleistung erteilt wird, hängt davon ab, ob die empfangene Signalleistung einen Referenzwert überoder unterschreitet. Dieses Kommando wird innerhalb des Signals übertragen. Es wird keine separate Verbindung benötigt. Der äußere Regelkreis hat eher die Rolle eines Wächters mit Gesamtüberblick. Er steuert die gesamte Leistung einer Basisstation. Alle ms wird die Gesamtheit aller Verbindungen überprüft. Hierzu wird nach Dekodierung der Signale deren Qualität auf Fehlerhäufigkeiten überprüft. Im Vergleich zu Datenverbindungen erlauben Sprachverbindungen eine höhere Häufigkeit von Übertragungsfehlern, da diese bis zu einer gewissen Häufigkeit kaum bemerkbar sind. Der äußere Regelkreis überprüft nun, ob die den Anwendungen entsprechenden Qualitätsanforderungen einer Verbindung erfüllt sind oder nicht, und leitet entsprechend der jeweiligen Situation einen neuen Referenzwert an den inneren Regelkreis, ohne dabei die Gesamtleistungsfähigkeit einer Zelle zu überschreiten.

19 Signalleistung und Leistungsregelung 18 Während eines Verbindungsaufbaus muss sichergestellt werden, dass die Verbindungsanfrage des Mobiltelefons nicht mit zu hoher Sendeleistung erfolgt. Die vorher erwähnten Kontrollmechanismen der Basisstation können zu diesem Zeitpunkt noch Sendeleistung??? Verbindungsanfragen Zeit Antwort Basisstation OK Verbindung nicht greifen, da keine Verbindung existiert. Das Mobiltelefon beginnt diesen Prozess daher mit einer Verbindungsanfrage, die mit sehr geringer Leistung gesendet wird, und wartet anschließend auf Antwort von der Basisstation. Bleibt diese aus, so wird erneut eine Verbindungsanfrage, nun aber mit leicht erhöhter Leistung gesendet. Dieser Ablauf wird wiederholt, bis die Antwort der Basisstation erfolgt. Nach einer bestimmten Anzahl von erfolglosen Versuchen bei der maximal zulässigen Sendeleistung, wird der Prozess abgebrochen, das Netz ist in diesem Fall nicht verfügbar. GSM-Signalleistung und Leistungsregelung im Vergleich mit UMTS Auch bei GSM werden Mechanismen eingesetzt, um Signalleistungen zu überwachen und zu regeln. Zwar ist das schon erwähnte Nah-Fern-Problem auch in dieser Technologie vorhanden, die Tatsache jedoch, dass den Nutzern unterschiedliche Frequenzkanäle und Zeitschlitze zugeordnet sind, hat zur Folge, dass die Leistungsregelung in weniger aufwändigen Verfahren als bei UMTS realisiert ist. Die Häufigkeit, mit der bei GSM leistungsregelnde Aktivitäten durchgeführt werden, ist für den Netzbetreiber einstellbar und liegt bei maximal 2 Prozessen pro Sekunde. Sendeleistungen und Leistungsregelung Basisstation (Antennenstandort) Mobiltelefon (oder andere Teilnehmer-Endgeräte) UMTS Typ. Sendeleistung: 10 W 30 W, je nach Anlage, Leistungsregelung alle 0,667 ms Typ. Sendeleistung: UTRA FDD 250 mw Leistungsregelung alle 0,667 ms GSM Typ. Sendeleistung: W Leistungsregelung max. alle 500 ms Max. zulässige Sendeleistung: GSM W GSM W Leistungsregelung max. alle 500 ms

20 Signalstrukturen 19 Signalstrukturen Wie sieht ein Mobilfunksignal aus? Sowohl UMTS als auch GSM sind digitale Mobilfunktechnologien. Beide Technologien haben demnach gemeinsam, dass digitale Rohinformationen, also Abfolgen von Kombinationen der Werte 1 und 0 übertragen werden Wie schon erwähnt, werden elektromagnetische Signale zur Übertragung genutzt. In grober Betrachtung kann man zur Beschreibung eines solchen Signals die Leistung oder Intensität im zeitlichen Verlauf darstellen. Bereits hier sind im Vergleich von UMTS mit GSM signifikante Unterschiede feststellbar. Will man die Signalformen detaillierter beschreiben, so kommt man nicht umhin, einen genaueren Blick darauf zu werfen, wie die digitalen Informationen in elektromagnetische Signale konvertiert werden. Dieses Konvertierungsverfahren wird Modulation genannt. Neben der Amplitude (Intensität) lässt sich eine elektromagnetische Welle durch deren Frequenz und deren Phasenzustand charakterisieren. Bei einem Modulationsverfahren nutzt man eine Veränderung einer oder mehrerer dieser Eigenschaften, also der Amplitude (Amplitudenmodulation), der Frequenz (Frequenzmodulation) oder der Phase (Phasenmodulation), um dadurch Information zu übertragen. Noch wesentlich komplexer erweisen sich die tatsächlichen Signalverläufe durch den Umstand, dass im Betrieb eine Vielzahl von Signalen und Signalreflexionen überlagert sind. Signal Amplituden Modulation Schematisch: höhere Amplitude 1 niedrigere Amplitude 0 Zeit Signal Frequenz Modulation Zeit Schematisch: höhere Frequenz 1 niedrigere Frequenz 0 Signal Phasen Modulation Zeit Schematisch: Phasenverschiebung bedeutet Wechsel von 0 auf 1 oder von 1 auf 0

21 Signalstrukturen 20 Signal-Zeitverlauf bei UMTS Zur Übertragung des UMTS-Signals wird Phasenmodulation angewendet. Das bedeutet, dass das Grundsignal (genannt: Träger) zur Übertragung der 0 - oder 1 - Zustände mit entsprechend häufigen Phasensprüngen versehen wird. Während einer UMTS-Verbindung werden nun auch mehrere solcher Nutzerkanäle parallel verwendet, so dass das tatsächlich übertragene Signal eine Überlagerung dieser Teilsignale darstellt. Es sei hier erwähnt, dass die tatsächlich für den Nutzer verfügbare Datenrate weit geringer ist als die übertragene Datenrate, da das Codierungsverfahren (CDMA) und ein Fehlerbehebungsverfahren einen Großteil der Kapazität einer Verbindung erfordern. Bei der Betrachtung des Leistung/Zeit-Verhaltens eines Uplink-Signals (also das vom Mobilteil zur Basisstation gerichtete Signal) ist generell von Bedeutung, dass bei UMTS kontinuierlich übertragen wird. Dies bedeutet, dass der zeitliche Leistungsverlauf im wesentlichen durch die Vorgaben der Leistungsregelung bestimmt ist mal pro Sekunde werden Leistungsanpassungen vorgenommen. Im von der Basisstation gesendeten Downlink-Signal sind die Verbindungen aller Nutzer überlagert. Es kommt also zu einem kontinuierlichen Summensignal dessen Gesamtintensität im wesentlichen nur mit der Anzahl der Nutzer und deren Datenraten variiert. Signalleistung gesendet Summensignal Signalleistung gesendet Signal für Nutzer X Downlink Zeit Uplink Zeit Signalleistung empfangen Signal für Nutzer X Signalleistung empfangen Durch ständige Regelung relativ konstantes Empfangssignal beim Mobiltelefon Zeit Durch ständige Regelung relativ konstantes Empfangssignal bei der Basisstation Zeit

22 Signalstrukturen 21 Signal -Zeitverlauf Vergleich UMTS mit GSM Da die für ein UMTS-Signal zur Verfügung stehende Bandbreite von 5 MHz ein Vielfaches der GSM-Kanal-Bandbreite von 200 khz beträgt, kann bei GSM digitale Information nur mit einer vergleichsweise geringeren Rate übertragen werden. Als Modulationsverfahren wird bei GSM eine Frequenzmodulation angewandt. Der Zustand 0 o- der 1 wird im Signal durch eine leichte Verschiebung der Frequenz abgebildet. Das bei GSM angewandte Zeitschlitzverfahren hat bei der Betrachtung der Uplink- Verbindung einen diskontinuierlichen Signal-Zeitverlauf zur Folge. Innerhalb der zur Verfügung stehenden 577 Mikrosekunden hat das Mobiltelefon sein Informationsbündel zu senden. Fachsprachlich nennt man solch ein Bündel einen Burst. Innerhalb dieses Bursts wird die Sendeleistung zunächst hochgeregelt, um dann gegen Ende wieder abzufallen. Zur effektiven Übertragung kann daher nur der mittlere Zeitraum (etwa 543 Mikrosekunden) genutzt werden. Die absolute Leistung, mit der ein Burst gesendet wird, wird durch die Leistungsregelung gesteuert. Im Downlink-Signal wird die Zeitschlitzstruktur ebenso berücksichtigt, mit dem Unterschied, dass in allen Zeitschlitzen Signale, nämlich die anderer Nutzer, übertragen werden. Die Leistung der Signale in den Zeitschlitzen unterliegt auch hier einer Leistungsregelung, die jedoch weit weniger schnell und aufwändig als die der UMTS- Technologie ist. Signalleistung gesendet Signalleistung gesendet Burst Downlink 577µs Signalleistung empfangen Zeit Uplink 577µs Signalleistung empfangen Zeit Zeit Zeit

23 Signalübergabe zwischen Zellen 22 Signalübergabe zwischen Zellen Was ist ein Handover? Der Vorteil einer Mobilfunkverbindung im Vergleich zur Festnetztelefonie liegt bekanntlich nicht alleine in der kabellosen Verbindung zum nächstgelegenen Anntennenstandort, sondern vielmehr in der Möglichkeit, sich frei und ohne Unterbrechung der Verbindung bewegen zu können. Da Mobilfunknetze jedoch aus einzelnen Funkzellen bestehen, müssen die Verbindungen beim Verlassen einer Funkzelle an die angrenzende Nachbarfunkzelle - für den Teilnehmer unbemerkt - übergeben werden. Diese Übergabe wird im Fachjargon als Handover bezeichnet. In UMTS-Netzen werden zusätzlich zu den in GSM verwendeten Handover-Typen noch weitere Handover-Typen durchgeführt. Aus diesem Grund sei im folgenden zunächst auf die Handover im GSM-Netz eingegangen. Handover im GSM-Netz In GSM-Netzen werden sogenannte Hard-Handover ausgeführt. Dies bedeutet, dass während eines sehr kurzen, für einen Nutzer nicht bemerkbaren Zeitraumes, die Verbindung von einer Zelle an die benachbarte Zelle übergeben wird, wobei hier genau genommen zuerst die eine Verbindung getrennt wird und dann die Verbindung zur nächsten Zelle aktiviert wird. Ein Nutzer besitzt also zu jedem Zeitpunkt nur eine Verbindung zu einer Zelle. Diese Verbindung wird hart umgeschalten, daher die Bezeichnung Hard-Handover. Funkverbindung vorher Funkverbindung nach einem Hard- Handover

24 Signalübergabe zwischen Zellen 23 UMTS-Handovertypen Auch im UMTS-Netzbetrieb wird bei der Signalübergabe in einigen Fällen ein Hard- Handover durchgeführt. Dies gilt jedoch nur für den Sonderfall der Signalübergaben bei Zellen, die in unterschiedlichen Frequenzblöcken betrieben werden. Gewöhnlich ist solch eine Frequenzänderung beim Übergang von einer Mikro- in eine Makrozelle erforderlich. Anders als bei GSM, wo nur dieser eine Handovertyp realisiert ist, wird bei UMTS eine zusätzliche Art von Handover, der Soft-Handover ausgeführt. Dieser kommt sogar wesentlich häufiger zur Anwendung als der Hard-Handover. Der wesentliche Unterschied zum Hard-Handover besteht darin, dass ein UMTS-Nutzer meist nicht nur über eine Verbindung mit der nächstgelegenen Basisstation in Kontakt steht, sondern zudem gleichzeitig mit einer oder sogar zwei Nachbarzellen verbunden ist. Funkverbindung vorher Funkverbindung nach Soft- Handover Durch diese Mehrfachverbindungen lässt sich im Mobilfunkgerät ein besser Empfang realisieren. Der Empfänger nutzt die Einzelsignale und erhält so ein Signal mit der bestmöglichen Übertragungsqualität. Auch in schwierigem Gelände oder in Städten kann so eine gute Qualität der Verbindung und der Erreichbarkeit garantiert werden. Beim plötzlichen Verlust des Kontaktes zu einer Basisstation besteht die Verbindung, im Gegensatz zu GSM, bei UMTS weiter. Doch nicht nur aus Sicht des Nutzers selbst sind diese Mehrfachverbindungen von Vorteil: Ein Nutzer, der mittels dieses Verfahrens über eine bessere Funkverbindung zur Basisstation (oder den Basisstationen) verfügt, kann mit geringerer Leistung senden und schont so die Leistungsressourcen der ganzen Funkzelle, was sich wiederum positiv auf die Gesamtkapazität des Systems auswirkt.

25 Signalübergabe zwischen Zellen 24 Lange bevor der Nutzer den Bereich einer Zelle verlässt, wird daher schon eine weitere Verbindung zu einer für ihn qualitativ akzeptablen Nachbarzelle hergestellt. Erst nach einiger Zeit und evtl. schon nach tiefem Vordringen in die Nachbarzelle wird dann die Verbindung zur vorhergehenden Basisstation getrennt. Ein Nutzer hangelt sich sozusagen durch das UMTS-Netz. GSM- und UMTS-Dual-Mode-Funktionalitäten In den frühen Realisierungsphasen der UMTS-Netze wird noch kein flächendeckendes Netzangebot bestehen. Vielmehr werden sich Netzbetreiber zunächst auf Metropolen mit hohen Nutzerdichten konzentrieren. UMTS wird zunächst also nur in Form vereinzelter Netzinseln realisiert, die sich in den nahezu flächendeckenden Ausbau des GSM-Netzes einbetten. Um sicherzustellen, dass Nutzer, mit einer aktiven Sprach- o- der aber auch Datenverbindung, die sich aus dem Netzabdeckungsbereich des UMTS- Nutzer mit UMTS-Verbindung Nutzer nach Handover mit GSM-Verbindung Netzes fortbewegen, auch weiterhin ohne Verbindungsabbruch kommunizieren können, ist eine Signalübergabe an das GSM-Netz nötig. Man spricht hier von einem Intersystem-Handover. Voraussetzung für diese Funktionalität ist neben der Realisierung und Steuerung im Netz die Fähigkeit des Mobilfunkendgerätes in beiden Netzen operieren zu können. Diese Geräte sind Dual Mode fähig.

26 Zellatmung 25 Zellatmung Variable Zellgrößen bei UMTS Ein funktionierendes Mobilfunknetz setzt eine sehr gewissenhafte Planung voraus. Bei GSM finden wir ein eher statisches Netz vor. Durch die Sendeleistung der Basisstation wird eine feste Zellgröße vorgegeben und durch die Anzahl der verwendeten Frequenzkanäle in dieser Zelle kann die maximale Teilnehmerzahl genau bestimmt werden. Weitaus komplizierter gestaltet sich jedoch die Zellplanung bei UMTS, da die Zellen keine feste Größe besitzen. Sie variieren ihre Größe, abhängig von der gegenwärtigen Lastsituation. Bildhaft gesprochen scheinen die Zellen zu atmen. Daher spricht man bei diesem Effekt auch von der Zellatmung oder fachsprachlich Cell Breathing. Warum atmen UMTS-Zellen? Die Ursache für diese Größenänderung liegt darin, dass sich beim CDMA-Verfahren, wie schon erläutert, alle Teilnehmer innerhalb einer Zelle die Sendeleistung der Basisstation teilen. Wenn sich nun entweder sehr viele Nutzer mit geringer Datenrate oder aber auch nur wenige Nutzer in einer Zelle befinden, diese dafür jedoch hohe Datenraten übertragen, werden die Gesamtressourcen der Zelle ab einer gewissen Belastung ausgeschöpft. Teilnehmer, die sich während solch einer Situation am Rand einer Normalzustand Die Zelle schrumpft aufgrund starker Last Die Zelle wächst aufgrund schwacher Last UMTS-Zelle befinden, können nicht mehr ausreichend versorgt werden, da die Nutzer im Zentrum der Zelle schon die gesamte Leistung verbrauchen. Dies hat zur Folge, dass sich der Versorgungsbereich, also die effektive Zellgröße verkleinert. Um Versorgungslücken zu vermeiden, müssen sich angrenzende Zellen soweit überlappen, dass auch in Tageszeiten intensiver Nutzung keine Lücken zwischen den Zellen entstehen. Dies ist ein weiterer Grund dafür, dass für ein UMTS-Netz auch eine höhere Anzahl an Antennenstandorten benötigt wird als bei GSM.

27 Biologische Wirkungen 26 Biologische Wirkungen Hochfrequente elektromagnetische Felder (HF) üben auf Ladungsträger Kräfte aus. Die daraus resultierenden Verschiebungen von Raumladungen sind vor allem in der Umgebung von Strukturen von Bedeutung, die unterschiedliche elektrische Eigenschaften besitzen. Elektrische Spannungsunterschiede können an Zellmembranen Zellreaktionen beeinflussen (nichtthermische Effekte). Diese Effekte können bei Frequenzen bis 10 MHz für elektrisch erregbare Zellen, wie Nerven, relevant sein. Bei den hohen Frequenzen, die das UMTS-System verwendet, sind Nervenstimulationen nicht zu erwarten. Die Kraftwirkung von HF-Feldern auf Ladungen bewirkt ein Schwingen von Elektronen, Atomen sowie Dipolen (z.b. Wasser). Diese Schwingungen führen zu Reibungsverlusten, die eine Erwärmung zur Folge haben. Die Erwärmung hängt nicht nur von der Frequenz, der Feldstärke, der Expositionsdauer, sondern auch von den elektrischen Eigenschaften des Gewebes ab. Mit zunehmender Frequenz nimmt die Eindringtiefe der Welle in den Körper ab. Bei UMTS-Feldern liegt die Eindringtiefe zwischen den bekannten Systemen (E-Netz, 1,8 GHz) und Mikrowelle (2,45 GHz). Das bedeutet, dass die Energie des Feldes im Körper innerhalb weniger Zentimeter absorbiert wird. Die gesundheitliche Bewertung der UMTS-Felder unterscheidet sich daher nicht von den bestehenden Grenzwertkonzepten, die auf zahlreichen Untersuchungen mit hochfrequenten Feldern im Mikrowellenbereich basieren. Mobilfunksysteme anderer Nationen nutzen ebenfalls wie UMTS ein breitbandiges Rauschen (z.b. USA). Untersuchungsergebnisse mit diesen Systemen stellen die Grenzwerte nicht in Frage. Die wenigen Untersuchungen, die mit einer relevanten UMTS-Exposition durchgeführt wurden, zeigten keine Effekte. Die Spekulationen über eine besondere biologische Wirksamkeit von gepulsten oder niederfrequent amplitudenmodulierten HF-Feldern, die eine noch nicht bestätigte Demodulation im biologischen System voraussetzt, kann vom GSM- nicht auf das UMTS- System übertragen werden. Bei Einhaltung der Grenzwerte (26. BImSchV) für Sendeanlagen, die von der spezifische Absorptionsrate von 0,08 W/kg abgeleitet wurden, sind wissenschaftliche Gremien zu dem Schluss gekommen, dass eine gesundheitliche Beeinträchtigung nicht erwartet wird. Endgeräte, wie z.b. UMTS-Mobilfunktelefone fallen nicht unter die 26. BImSchV, werden aber wie die GSM-Mobiltelefone durch entsprechende Empfehlungen oder Normen geregelt. Bei der Nutzung vom Endgerät kommt es zu lokalen Feldexpositionen mit dem Schwerpunkt im Bereich des Kopfes. Bei Einhaltung der spezifischen Absorptionsrate (SAR) von 2 Watt pro Kilo (W/kg), gemittelt über 10 Gramm Gewebe bei einer Teilkörperexposition, wird eine Gesundheitsgefahr ausgeschlossen. Die Bewertung neuerer wissenschaftlicher Publikationen (GSM-Exposition) hat gezeigt, dass bei Expositionen unterhalb von 2 W/kg einzelne Wirkungen auftreten können. Es handelt sich um einzelne Ergebnisse, die noch nicht durch voneinander unabhängige Untersuchungen bestätigt sind. Die Ergebnisse der einzelnen Studien ergeben kein einheitliches Bild. Die beschriebenen Wirkungen, z. B. Reaktionszeitverkürzung bei der Bearbeitung von Testaufgaben, können nicht mit einer Gesundheitsgefährdung gleichgesetzt werden. Ob die Felder des UMTS-Endgerätes, die im Gegensatz zum GSM-Gerät nicht gepulst sind, ebenfalls bei SAR-Werten von 2 W/kg vergleichbare Effekte auslösen, ist bis jetzt nicht bekannt. Bei der Einführung der UMTS-Geräte sind deshalb die gleichen Hinweise und Tipps zum Minimieren der individuellen Exposition beim mobilen Telefonieren als Vorsichtsmaßnahme angebracht.

28 Rechtliche Fragen 27 Rechtliche Fragen Die gesetzlichen Anforderungen an den Betrieb von UMTS-Anlagen unterscheiden sich nicht von den Anforderungen an GSM-Anlagen. Durch die Verordnung über das Nachweisverfahren zur Begrenzung elektromagnetischer Felder (BEMFV) vom , BGBl. I S. 3366, werden alle Betreiber ortsfester Funkanlagen mit einer Leistung ab 10 Watt verpflichtet, mit einer Standortbescheinigung der Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post (RegTP) die Einhaltung der Grenzwerte zum Schutz von Personen in elektromagnetischen Feldern nachzuweisen. Die Verordnung bezieht sich auf entsprechende Vorgaben der 26. Verordnung zum Bundes-Immissionsschutzgesetz (26. BImSchV; die auch beim Betrieb von UMTS-Anlagen zu beachten ist. Zum Kreis der Verpflichteten der BEMFV gehören neben kommerziellen Betreibern von Funkanlagen auch Funkamateure und Sender des öffentlich-rechtlichen Rundfunks. Durch die Entscheidung der Präsidentenkammer der RegTP vom über die Festlegung und Regeln im Einzelnen zur Vergabe von Lizenzen für Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)/International Mobile Telecommunications 2000 (IMT-2000); Mobilkommunikation der dritten Generation sind den Betreibern Auflagen zum Aufbau des UMTS-Netzes und zum Betrieb erteilt worden. Zu der Auslegungsfrage, in welchem Umfang und unter welchen technischen Voraussetzungen eine gemeinsame Nutzung von Infrastruktur im Einklang mit den UMTS- Vergabebedingungen steht, hat die RegTP im Mai 2001 ein Thesenpapier erarbeitet. Dieses Papier ist im Archiv der Pressemitteilungen als Anhang zur Pressemitteilung vom auf der Internet-Seite der RegTP zu finden.