Im Gegensatz zu Europa wird im amerikanischen Raum das CDMA2000 verwendet, das einer 3G-Evolution aus dem dort etablierten IS-95 Standard (cdma-one - 2G-Standard) entspricht, der als digitaler Mobilfunkstandard der 2. Generation bereits CDMA als Multiplexverfahren auf der Funkschnittstelle verwendet und von den Amerikanern gerne als modernerer 2G-Konkurrenzstandard zu GSM vermarktet wird (IS-95 steht übrigens für Interim-Standard Nr. 95 und wurde 1993 für leitungsorientierte Dienste entwickelt). Weltweit hat sich jedoch GSM bei weitem mehr etabliert und durchgesetzt. cdma-one wird vor allem in den USA, Südamerika, Korea und Japan (dort gibt es verschiedene Standards parallel) eingesetzt. cdma-one 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 (bzw. 4,4MHz, 4,6MHz, 4,8MHz - Konfigurationssache des Netzbetreibers) gerecht zu werden. Da in Europa bisher keine CDMA-Technik verwendet wurde, muss in Europa das 3G-Funknetzteil komplett neu aufgebaut werden. Den amerikanischen CDMA-Netzbetreibern der 2. Mobilfunkgeneration ermöglicht man mit dem 3G-Standard CDMA-2000 nun, dass sie mit dem bestehenden CDMA-Equipment durch geringe Upgrades höhere Datenraten eines 3G-Mobilfunknetzes den Teilnehmern anbieten können.
Im 2G-Standard IS-95 werden wie gesagt 1,25MHz breite f-Bänder verwendet, die eine CDMA-Chiprate von 1,2288Mchip/s erlauben, was im Vergleich zu den 3,84Mchip/s von UMTS natürlich bescheiden ist. Um mit den bestehenden CDMA-Ressourcen in Amerika ebenfalls höhere Datenraten anbieten zu können, wurde bei der Standardisierung von CDMA-2000 die Möglichkeit erschlossen, mehrere Frequenzbänder in Multicarriertechnik miteinander zu kombinieren. So ergeben z.B. 3 Trägerbänder, also 3 mal 1,25MHz, eine Chiprate von 3,6864Mchip/s, was der Chiprate von UMTS fast gleich kommt. Wie viele Trägerfrequenzen bei der Übertragung im Netz verwendet werden, wird durch einen Postfix angegeben: So bedeutet z.B. CDMA2000 1x, dass nur eine Trägerfrequenz von 1,25MHz Bandbreite verwendet wird, wohingegen CDMA2000 3x bedeutet, dass 3 Trägerfrequenzen verwendet werden. Im CDMA-2000 Standard, wird dabei jedes 1,25MHz Band auf einen Frequenzraum von 1,5MHz abgebildet, wodurch die benachbarten f-Träger einen Schutzabstand zueinander haben:
In jedem 1,5MHz-Band befindet sich ein 1,25MHz-Band, das bereits bei IS-95 verfügbar ist. Der CDMA-2000 Standard hat den offiziellen Namen IMT-MC in der 3. Mobilfunkgeneration IMT2000, wobei MC auf die MultiCarriertechnik anspielt (Mehrträger). Manchmal findet man auch die Bezeichnung FDD-MC (FDD Multi Carrier). Mit IMT-MC lässt sich also mit drei Trägerfrequenzen eine Symbolrate von 3,6864 Millionen Symbole pro Sekunde erreichen – also fast so viel wie bei FDD-DS von UMTS.
Der größte Schwachpunkt - meiner Meinung nach - von CDMA2000 ist der, dass es sich um ein "synchrones" CDMA-Netz handelt. Das heißt, dass alle Zellen und Endgeräte zueinander in einem zeitsynchronen (aufsynchronisierten) Zustand sein müssen, damit es nicht zu unerwünschten Störinterferrenzen der einzelnen Sendesignale kommt. Um die Synchronisation funktional gewährleisten zu können, ist CDMA2000 auf GPS-Satellitensignale (GPS: Global Positioning System; Satelliten-Ortungssystem) angewiesen. Um GPS-Dienste jedoch in Anspruch nehmen zu können, muss eine Sichtverbindung zwischen Endgerät und Satellit bestehen. Das ist eine Tatsache, die in Gebäuden "schwer" zu erfüllen ist! Aber auch Schlechtwetterbedingungen, wie z.B. Nebel, starker Regen, Smog, beeinträchtigen die GPS-Verbindung und somit die sichere Funktionsweise von CDMA2000.
Wo liegt nun der Vorteil von UMTS?
UTRA-FDD - der gepaarte Frequenzbetrieb von UMTS - benötigt keine Aufsynchronisierung der einzelnen Sendestationen, wie Node B bzw. Mobilendgeräte, um Störinterferenzen möglichst minimal zu halten, da UMTS dem Synchronisationsproblem auf mathematische Art und Weise entgegnet - nämlich mit dem Scramblingcode. Eine ausführliche Beschreibung über die Funktionsweise des Scramblingcodes und über das Synchronisationsproblem von CDMA-Netzen finden sie unter: http://www.umtslink.at/UMTS/scrambling_code.htm.
Da UMTS also nicht auf GPS-Satellitensignale angewiesen ist, sondern die Problematik "rein mathematisch" angeht, existieren auch nicht die Netzprobleme in Gebäuden bzw. bei Schlechtwetterbedingungen, mit denen sich CDMA2000 herumschlagen muss.
Obwohl CDMA2000 eine Multicarriertechnik ermöglicht, werden derzeit nur 1-Trägersysteme implementiert. Im Folgenden sollen nun verschiedene Substandards von CDMA2000 1x aufgezeigt werden, die verschiedenartig für einen Leistungsanstieg gegenüber dem 2G-Standard IS-95 sorgen:
Der Substandard 1xRTT (1x - nur 1 Träger; RTT - Radio Transmission Technology) stellt die "schwächste" Evolutionsstufe für IS-95 dar und kann mit der Evolutionsstufe GPRS bezogen auf GSM gleichgesetzt werden, da mit 1xRTT eine paketvermittelnde Netzstruktur eingegliedert wird. Nachdem ein Frequenzband eine Bandbreite von 1,25MHz hat, auf dem eine Chiprate von 1,2288Mchip/s gefahren wird, und normalerweise der kleinste Spreizfaktor auch hier bei 4 liegt, beträgt die maximale Bruttodatenrate - also ohne Kanalkodierung und sonstige Redundanz - 307,2kbit/s (1,2288Mchip/s : 4chip/bit = 0,3072Mbit/s). Die maximale realistische Netto-Datengeschwindigkeit von 144kb/s (ohne funkspezifische Redundanz, wie z.B. Kanalkodierung) erfüllt durch die geringe Maximalchiprate bedingt gerade einmal die IMT-2000-Vorgaben für einen 3G-Standard.
Der Substandard 1xEV-DO (1x - nur 1 Träger; EV-DO - EVolution Daten Optimiert), ist ein von Qualcomm im Jahr 1998 initiiertes Verfahren für Datendienste, das als HDR (High Data Rate), um Daten mit höherer Geschwindigkeit auf dem Einzelfrequenzband übertragen zu können. Im Jahr 2001 wurde HDR offiziell als CDMA2000 1xEVDO verabschiedet - standardisiert von der TIA als TIA/EIA/IS-856 "cdma2000, High Rate Packet Data Air Interface Specification".
Im Gegensatz zu 1xRTT verwendet 1xEV-DO das Einzelfrequenzband exklusiv nur für die Datenübertragung: es werden also nicht wie bei 1xRTT Gespräche und Datendienste über das gleiche f-Band übertragen, sondern ein f-Band steht exklusiv den 1xEV-DO-Datendiensten zur Verfügung. Die Datendienste, die mit 1xEVDO durchgeführt werden können, müssen jedoch laufzeitunkritisch sein! Außerdem was die Exklusivnutzung eines f-Bandes für Datendienste klar legt ist: 1xEV-DO ist inkompatibel zu 1xRTT; wer ein 1xEVDO-fähiges Endgerät hat, braucht somit ein Dualmode-Endgerät, um auch "telefonieren" zu können.
Die maximale Datengeschwindigkeit liegt pro Zellensektor theoretisch bei 2,457Mbit/s im Downlink und 153,6kbit/s im Uplink. Für die Maximaldatenrate von 2,4576Mbit/s muss jedoch auf der Funkschnittstelle bereits ein 16QAM-Modulationsverfahren verwendet werden, das für Funkübertragungsverfahren jedoch nicht allzu gut geeignet ist, da es ein amplitudenempfindliches Übertragungsverfahren ist und bekanntlich Amplituden von Wellen bei Funksystemen leicht durch selektive Dämpfungen verändert werden können - die Bitfehler lassen grüßen! Die Reichweite für die Maximalrate von 2,457Mbit/s ist jedenfalls MINIMAL! Auch an dieser Stelle sei gesagt, dass es auch für UMTS ein Evolutionssystem für höhere Datenraten gibt, nämlich HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), mit dem verglichen mit den 2,457Mbit/s von 1xEV-DO sogar über 10Mbit/s anbieten lassen - das sind jedoch Werte, die in der Praxis kaum erreichbar sein werden sowohl bei 1xEV-DO als auch bei HSDPA. Es legt jedoch klar, dass UMTS, nach Netzevolution, noch immer um den Faktor 4 besser ist, als ein "Einträgersystem" von CDMA2000. Etwas besser dürfte der 1843,2Mbit/s-Dienst sein, da bei diesem ein 8PSK-Modulationsverfahren, übrigens wie bei EDGE, verwendet wird, dass die Information nicht mehr im Amplituden-, sondern im Phasengang überträgt, der bei weitem weniger störanfällig bei der Funkübertragung ist als ein QAM-Verfahren. Für die niedrigeren Bitraten wird wie bei UMTS QPSK - oder 4PSK - als Modulationsverfahren verwendet, das bereits ziemlich robust ist. Die folgende Tabelle 1 zeigt, welche Datenraten angeboten werden, und wie dieses sich ergeben:
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Übertragungsparameter in der physikalischen Schicht für Downlink |
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| Datenrate in kbit/s | 38,4 | 76,8 | 153,6 | 307,2 | 307,2 | 614,4 | 614,4 | 921,6 | 1228,8 | 1228,8 | 1843,2 | 2457,6 |
| Modulation | QPSK | QPSK | QPSK | QPSK | QPSK | QPSK | QPSK | 8PSK | QPSK | 16QAM | 8PSK | 16QAM |
| Bitanzahl pro kodierten Paket | 1024 | 1024 | 1024 | 1024 | 2048 | 1024 | 2048 | 3072 | 2048 | 4096 | 3072 | 4096 |
| Kanalkodierungsrate | 1:5 | 1:5 | 1:5 | 1:5 | 1:3 | 1:3 | 1:3 | 1:3 | 1:3 | 1:3 | 1:3 | 1:3 |
| Paketübertragungsdauer in ms | 26,67 | 13,33 | 6,67 | 3,33 | 6,67 | 1,67 | 3,33 | 3,33 | 1,67 | 3,33 | 1,67 | 1,67 |
| Anzahl der Zeitschlitze | 16 | 8 | 4 | 2 | 4 | 1 | 2 | 2 | 1 | 2 | 1 | 1 |
Um die höhere Datengeschwindigkeit gegenüber 1xRTT zu erreichen ohne zu Fehleranfällig zu sein, wurden auch verbesserte Kanalkodierungsverfahren standardmäßig integriert, die einen höheren Nettodatendurchsatz erlaube. Im Downlink werden Turbokodierer mit einem Kodierverhältnis von 1:3 und 1:5 verwendet (1:3 Turbokodierung wird unter anderem auch bei UMTS eingesetzt). Außerdem wurde das Multiplexen der Steuersignale und der Benutzerdaten umgruppiert, sodass bei 1xEV nun den Benutzerdaten Sendermaximalleistung zugeordnet werden kann, was CDMA-bedingt bedeutet, dass die Datenrate größer werden kann (siehe Abbildung 1).
Der rechte Teil von Abbildung 1 zeigt schematisch die neue "zeitliche" Umverteilung zwischen Steuerdaten und Nutzdaten. Der Nutzdatenteil selber ist wiederum in Zeitschlitze unterteilt, der per TDMA und CDMA mit User-Daten aufgefüllt wird - siehe Abbildung 2.
Die Tabelle 1 zeigt auch, dass die Zeitstruktur in Zeitschlitzen eingeteilt wird, wobei jeder Zeitschlitz eine Länge von 1,67ms (genauer gesagt 5/3ms) hat. Die nächst größere Zeitstruktur ist ein Zeitrahmen, der eine Länge von 426,27ms (genauer gesagt: 1280/3ms) hat und folgendermaßen aufgebaut ist:
In Abbildung 2 ist zu sehen, dass von der Zeitrahmenlänge 426,67ms jeweils 13,33ms für Steuerdaten und der Rest von 413,33ms für die Nutzdaten der Teilnehmer einer Zelle verwendet wird. Das 413,33ms lange Fenster für die Nutzdaten wird in insgesamt 248 Zeitschlitze, die in Tabelle 1 bereits angesprochen wurden, unterteilt. Die Schematik des Multiplexens mehrerer Userdaten im Downlink ähnelt also sehr dem UTRA-TDD Verfahren (ungepaarte Frequenz) von UMTS, da der Multiplex nicht nur TDMA-mäßig über Zeitschlitze verteilt, sondern auch per CDMA erfolgt.
Will ein User also die maximale Datenrate in Anspruch nehmen, so braucht er sämtliche Zeitschlitze des Nutzdatenteils vom Zeitrahmen für sich alleine - er braucht somit die gesamte Zeit für sich alleine (TDMA) - als auch die maximal abgebbare Leistung für das betrachtete Frequenzband der Basisstation wird für diesen User alleine benötigt - er braucht die gesamte Leistung (CDMA).
Am 19. Februar 2003 hat in China übrigens bereits ein erfolgreicher Handover zwischen einer GSM-Zelle (2. Generation) und einer CDMA2000 1x-Zelle (3. Generation) stattgefunden. Weitere Informationen dazu im Nachrichtenforum von UMTSlink.at.