Similarities Between GSM and UMTS

Zellulare Architektur

Charakteristisch für GSM und UMTS gleichermaßen ist die zellulare Netzstruktur, die man häufig durch Hexagone annähert (linke Grafik). Die Farben weiß, gelb und blau deuten unterschiedliche Frequenzen an (hier: Reuse–Faktor 3), wodurch Interzellinterferenzen vermieden werden. Die rechte Grafik zeigt ein realistischeres Layout mit nicht hexagonalen und auch unterschiedlich großen Zellen, je nach erwarteter Teilnehmerdichte und Geländetopologie. Die Basisstation liegt auch nicht immer in der Zellenmitte.

Beim GSM–D–Netz (f_T = 900 MHz) wird der Zellenradius mit maximal 35 km angegeben. Beim E–Netz ist der maximale Radius wegen der größeren Trägerfrequenz (1.8 GHz) halb so groß. Im UMTS–Netz (f_T ≈ 2 GHz) gibt es verschiedene Typen von Funkzellen – siehe Grafik im Buch 9:

Makrozellen decken das komplette Versorgungsgebiet ab und folgen dem klassischen Design. Sowohl Überlappungen als auch „Löcher” zwischen den Zellen sollen minimiert werden. Eine Makrozelle hat meist viele Makro–Nachbarn: Bei exakt hexagonalen Zellen sechs, in Realität einige mehr. Die Basisstationen arbeiten mit hoher Leistung (20–40W), sind sehr hoch aufgehängt und verwenden sektorisierte Antennen. In dünn besiedelten Regionen haben Makrozellen Durchmesser bis zu einigen Kilometern. In Innenstädten werden aber auch die Makrozellen zur Kapazitätssteigerung sehr klein gehalten, oft nur mit wenigen Hundert Meter Durchmesser.

Mikrozellen decken einen kleinen Teil einer Makrozelle ab und dienen in erster Linie zur lokalen Kapazitätssteigerung (Ausleuchtung von Löchern). Sie haben meist nur einen Makro–Nachbarn, können aber auch andere Micro/Pico/Femto–Nachbarn haben. Die Leistung ist mit 5–10W etwas niedriger und die Geräte sind kleiner als in einer Makrozelle. Die meist nicht sektorisierten Antennen müssen aber ebenfalls ausreichend hoch (an Mast oder Hauswand) positioniert werden.

Pikozellen versorgen kleine Gebiete (d ≈ 100 m) mit sehr hohem Datenaufkommen (z.B.: Flughäfen, Einkaufszentren, Stadien). Sie erlauben höhere Datenraten, allerdings zu Lasten der Bewegungsgeschwindigkeit. Die Geräte einer Pikozelle sind deutlich kleiner als in einer Mikrozelle und arbeiten mit kleinerer Leistung (1–5W), sind aber flexibler bei der Montage.

Femtozellen werden oft privat und unkoordiniert administriert (Beispiel: WLAN Access Point), teilweise mit privatem Backhaul (eigene DSL–Leitung). Man spricht auch von einer „Home Base Station”. Sie werden „Indoor” betrieben und arbeiten mit sehr geringer Leistung (< 1W).

Interferenzleistung und Zellatmung

Benutzen mehrere Teilnehmer den gleichen Frequenzkanal, so kann es zu Interferenzen und damit zu einem sehr niedrigen Träger–zu–Interferenzabstand (englisch: Carrier–to–Interference Ratio, CIR) kommen, wodurch die Übertragungsqualität erheblich beeinträchtigt wird. Gravierend ist das Problem bei UMTS, das auf dem Vielfachzugriffsverfahren CDMA (Code Division Multiple Access) basiert, da hier alle Teilnehmer den gleichen Frequenzkanal nutzen.

Man unterscheidet entsprechend der Grafik zwischen zwei Arten von Interferenzen:

Intrazellinterferenz entsteht durch die Verwendung des gleichen Frequenzkanals von mehreren Teilnehmern innerhalb der gleichen Zelle. Im obigen Beispiel ergibt sich dieser Fall für f₁ = f₂.

Dagegen kommt es zu Interzellinterferenz, wenn Teilnehmer benachbarter Zellen die gleiche Frequenz nutzen, im dargestellten Szenario beispielsweise dann, wenn f₃ = f₄ gilt.

Sowohl Intra– als auch Interzellinterferenz führen zu einer Minderung der Übertragungsqualität. Bei Interzellinterferenz (gleicher Frequenzkanal in benachbarten Zellen) lässt sich der störende Einfluss der Interferenzleistung auf die Übertragungsqualität begrenzen durch

Zellatmung: Nimmt bei UMTS die Anzahl der aktiven Teilnehmer signifikant zu, so wird der Zellenradius und damit auch die aktuelle Interferenzleistung verkleinert. Für die Versorgung der Teilnehmer am Rande einer ausgelasteten Zelle springt eine weniger belastete Nachbarzelle ein.

Leistungsregelung: Überschreitet die Gesamtinterferenzleistung innerhalb einer Funkzelle einen vorgegebenen Grenzwert, so wird die Sendeleistung aller Teilnehmer entsprechend herabgesetzt, was aber ebenfalls eine schlechtere Übertragungsqualität zur Folge hat.

Dagegen muss bei Intrazellinterferenz jeder Nutzer indivuell geregelt werden, zum Beispiel durch eine Reduzierung von Sendeleistung und/oder Datenrate.