IMT 2000

Frequenzbänder für IMT
IMT Studien in Europa
IMT Studien in Japan
3G Partnership Project (3GPP)
UMTS Release 99
CDMA2000
3G Partnership Project 2 (3GPP2)
1x Radio Transmission Technology (1x RTT)
CDMA2000 Evolution 1XRTT EV DO
The holy war of wireless
Final IMT-2000 Standards

Bereits in den späten achtziger Jahren wurde klar, dass weltweit verschiedene digitale Standards der zweiten Generation entstehen würden. Es war aber von globaler Bedeutung, dass man zu einheitlichen und fortschrittlichen Standards für die folgende Generation Mobilfunksysteme kommen musste welche man um die Jahrtausendwende erwartete. Daher startete man ausgehend von der ITU (International Telecommunication Union) eine Studie gestartet um die Anforderungen für ein System der nächsten Generation zu definieren. Das neue System wurde IMT-2000 genannt, International Mobile Telecommunications for the year 2000.

Future public land and mobile telecommunication system

Die Studie hatte den sperrigen Titel FPLMTS (Future Public Land and Mobile Telecommunication System. Folgende Anforderungen gingen aus dieser Studie hervor:

• Frequenzbereich um 2000 MHz
• Weltweite Anwendung/Gültigkeit der Standards
• Geeignet für Sprache, Multimedia und Internet
• Unterstützt Circuit Switching und Packed Switching
• Hohe Dateraten bis 2 Mbit/s
  – 144 kbit/s für mobile Anwendungen
  – 384 kbit/s für stationäre Anwendungen
  – 2 Mbit/s für Büros
• Hohe Spektrale Effizienz

Die Ziele erwiesen sich als ehrgeizig. Vor allen der Wunsch einen internationalen Standard weltweiten mit Roaming war nicht zu erreichen.

So zeichnete sich bereits 1992 ab, dass es vier „Familien“ von IMT-2000 Standards geben würde:

• Wideband CDMA (W-CDMA): Ein CDMA basiertes System wie IS-95 CDMAOne jedoch mit deutlich höherer Bandbreite um höhere Bitraten zu erreichen.
• TD-CDMA: Ebenfalls ein CDMA basiertes System, welches jedoch keine Duplexkanäle besitzt und sich stattdessen einen Kanal im Zeitmultiplex teilt.
• TDMA: Weiterentwicklungen der 2G TDMA-Systeme (später realisiert durch EDGE)
• FD-TDMA: Weiterentwicklung des europäischen DECT-Standards für schnurlose Telefone.

In den neunziger Jahren war die Welt bereits in mehrere globale Lager zerfallen. Europa hatte das GSM-System entwickelt und versuchte es mit Erfolg weltweit zu verbreiten. Für Europa bzw für das GSM-Lager war es wichtig, dass IMT-2000 keine Revolution sondern eine Evolution sein würde.

In den USA hatte sich CDMAOne (IS95) durch Qualcomm etabliert und auch sie drängten nach einer Evolution die Rückwärtskompatibel zu IS-95 sein sollte. Eine „Vereinigung“ mit dem GSM Lager schien aussichtslos.

In Japan und Korea war man eher gewillt eine Revolution zu schaffen. Gerade Japan entwickelte sich zu einer führenden Nation im Mobilfunk, auch wenn ihr Standard eher nationaler Natur war. Sie drängten nach Innovation.

IMT-2000 Frequenzbänder

Bereits 1992 schlug die ITU-R mehrere Frequenzbänder um 2 MHz für die Verwendung von IMTS-2000 vor.
1885 MHz bis 2025 MHz: Unteres Band 40 MHz
sowie 
2110 bis 2200 MHz: Oberes Band 90 MHz

Diese beiden Bänder sollte sowohl für Frequenzduplex FDD (oberes und unteres Band) als auch für Zeitmultiplex TDD (Sender und Empfänger teilen sich ein gemeinsames Band) genutzt werden.

Für Satelliten basierte IMTS-2000 Systeme reservierte man jeweils im oberen und im unteren Band 30 MHz reserviert, der für terrestrische Nutzung nicht zur Verfügung stand.

In Europa entschied man sich den Frequenzbereich von 1880 MHz bis 1900 MHz für den DECT (Digital European Cordless Telecommunication) Standard zu reservieren. Zwei jeweils 20 MHz große Blöcke wurden für TDD CDMA reserviert.

IMT-2000 Studien in Europa

Bald begannen unabhängige Projekte um geeignete Standards zu definieren. In Europa wurde wie erwähnt 1988 ein eigenes Standardisierungsinstitut gegründet: European Telecommunications Standards Institute (ETSI). Bereits ein Jahr später startete die ETSI ein Projekt für ein Mobilfunksystem der 3. Generation namens RACE 1 (Research, Analysis, Communication, Evaluation) welches bis 1992 Grundlagenentwicklung betrieb. Dabei fokussierte man sich bald auf W-CDMA als die grundlegende Familie. W-CDMA ist ein CDMA System mit einer Bandbreiten von 5 MHz, also 4 mal so breit wie CDMAOne IS-95.

Bereits Anfang der Neunziger Jahre forschte man in Europa an 3G Technologien

Es folgte ein Nachfolgeprojekt namens RACE 2 in dem konkrete Konzeptstudien für W-CDMA durchgeführt wurden um den IMT-2000 Anforderungen zu erfüllen.

Mitte der neunziger Jahre gab die ETSI ihrem konkreter werdenden Vorschlag einen Namen: Universal Mobile Telecommunication System (UMTS). 1996 gründete man zur weiteren Fokussierung auf diesen Standard eine Organisation namens UMTS Forum.

IMT-2000 Studien in Japan

Die japanische Standardisierungsorganisation ARIB (Association of Radio Industries and Businesses) startete 1993 erste Projekte um Systeme für IMT-2000 zu entwickeln. Man rief eine Radio Transmission Special Group ins Leben und schaute zunächst ergebnisoffen auf CDMA und TDMA-Systeme. Allerdings fiel der Fokus bald auch hier auf W-CDMA. 1996 entschied sich der weltgrößte Mobilfunkanbieter NTT Docomo einen Feldversuch mit W-CDMA durchzuführen. Dies verlieh allen laufenden Entwicklungen auch denen in Europa einen gewaltigen Push. 1998 wurde W-CDMA offiziell als Standardvorschlag bei der ITU-R eingereicht.

3G Partnership Project (3GPP)

Durch den Japanischen Push von W-CDMA wurde dieser Standard 1998 auch für das europäische UMTS-System übernommen und somit UMTS Standard.

Nun hatte man durch W-CDMA Gemeinsamkeiten mit Japan und auch zu Entwicklungen in den USA jenseits der CDMA Development Group von IS-95. Daher machte es Sinn eine gemeinsame globale Organisation zu schaffen die den 3G Standard weiter voranbrachte. So gründete man im Dezember 1998 die 3G Partnership Project (3GPP). Hierin waren die größten Standardisierungsorganisation vereinigt:

• ARIB (Japan)
• ETSI (Europa)
• ATIS (USA)
• TTA (Korea)
• TTC (Japan)

Alliance for Telecommunications Industry Solutions ist eine amerikanische Standardisierungsgruppe für die Informations Communications Technology (ICT). Das japanische Telecommunication Technology Committee ist eine Behörde für Standardisierung. Die Telecommunications Technology Association in Korea ist eine private Standardisierungsorganisation.

Die 3GPP trifft sich regelmäßig und definiert alle neuen Mobilfunkstandards. Mittlerweile sind auch Standardisierungsorganisationen von China und Indien hinzugekommen.

UMTS Release 99

Ein Jahr nach Gründung der 3GPP wurde durch ETSI der erste UMTS-Standard veröffentlicht. Er enthielt die genaue Spezifikation des neuen W-CDMA basierten Mobilfunksystems. Da er im Jahr 1999 veröffentlicht wurde nannte er sich Release 99. Nun konnten 3G Endgeräte entwickelt werden. Es dauerte jedoch noch drei weitere Jahre bis beginnend 2002 die ersten UMTS-Netze in Europa in Betrieb genommen wurden.

CDMA2000

Die CDMA Development Group (CDG) rund um Qualcomm suchte ihrerseits einen Kandidaten für IMT-2000. Dieser sollte jedoch rückwärtskompatibel zu IS-95 sein.  Wie beschrieben wurde IS-95 recht spät im Jahre 1995 zum Standard. Dieser wurde zwei Jahre später verbessert, vor allem um bessere Datenübertragungen zu erreichen. So erschien 1997 IS-95 Rev B welches eine Datenübertragungsrate von 64 kbit/s erlaubte und somit erste Möglichkeiten zu mobilem Internet bot.

Die nächste Generation CDMA sollte dann den IMT-2000 Anforderungen entsprechen. Die CDG gab diesem System den Namen CDMA2000.

3G Partnership Project 2 (3GPP2)

Getrieben von den Fortschritten von W-CDMA in Asien und Europa versuchte sich auch CDMA2000 global zu organisieren. So gründete man ebenfalls im Jahr 1998 ein 3G Partnership Project (3GPP2) welches sich auf CDMA2000 fokussieren sollte. Gründungsmitglieder waren hierbei.

• TIA (USA)
• ARIB (Japan) 
• TTC (Japan)
• TTA (Korea)

Somit nahmen Japan und Korea in beiden Standardisierungsprogrammen teil. Vor allen für Korea war das zu erwarten, weil dort die SK Telecom bereits 1996 CDMAOne verwendete. 

1x Radio Transmission Technology (1x RTT)

Um die Kompatibilität mit IS-95 zu bewahren blieb CDMA2000 bei einer Bandbreite von 1,25 MHz. Für spätere höhere Bitraten plante man Erweiterungen um die 3, 5, 7 usw fache Bandbreite. (es ist jedoch nie dazu gekommen). Somit bezeichnete man den ersten CDMA2000 Standard als 1X weil er die gleiche Bandbreite hatte. Genauer gesagt 1X RTT (Radio Transmission Technology).

Mit CDMA2000 1XRTT wurde IS-95 um Packet Switching erweitert. Somit ist dieser erste Schritt eigentlich eher ein 2G Standard (2,5 G) und entspricht/folgt der GPRS/EDGE Entwicklung, um mobiles Internet zu verbessern. Hierbei konnte eine Bitrate von bis zu 144 kbit/s erreicht werden. Wie EDGE genügt somit bereits CDMA2000 1XRTT bereits den Kriterien von IMTS-2000 und wurde 1999 als Kandidat für IMT-2000 als Kandidat bei der ITU eingereicht.

Man erreichte die Verbesserungen vor allen durch 4 Maßnahmen

• 128 bit Walshcode Spreizung
• Einführung von Turbocodes
• Erhöhung der Spektralen Effizienz durch I/Q Modulierung
• Verbesserung der Modulation durch Orthogonal Complex Quadrature Phase Shift Keying

Einige dieser Verbesserungen werden wir noch besprechen.

CDMA2000 Evolution 1XRTT EV DO

Der erste eigentliche 3G Standard von CDMA2000 hieß 1xRTT EV DO. EV wie Evolution und DO wie Data Optimized. DO heist auch Data Only und zeigt damit an, dass dieser Übertragungsstandard ausschließlich für Datenübertragung und nicht für Sprache vorgesehen war. Es wurden Datenraten von 3,1 Mbit/s im Downlink und 1,8 Mbits/s um Uplink erreicht.

1xRTT EV DO wurde im Jahr 2000 vorgestellt und das erste mal 2002 in Korea eingeführt.

The Holy War of Wireless

CDMA war keine Erfindung von Qualcomm. CDMA war eine Technologie welche in den siebziger Jahren vor allen für militärische Anwendungen entwickelt wurde. Es war auch nicht die alleinige Idee von Qualcomm dass man CDMA für den Mobilfunk einsetzen könnte. Seit der IMT-2000 Initiative beschäftigten sich viele Forschungseinrichtungen seit Ende der achtziger Jahre mit der Möglichkeit CDMA als effiziente Übertragungstechnologie zu verwenden. Allen voran Firmen wie Ericsson.

Qualcomm war jedoch die erste Firma welche CDMA zu einem Standard machte und als erstes auf den Markt brachte. Dies führte dazu, dass Qualcomm wesentliche Patente rund um CDMA erarbeiten konnte. Aber auch Ericsson hatte mittlerweile ein beachtliches CDMA-Patentportfolio und beide Firmen konkurrierten miteinander. Als 1995 IS-95 als Standard veröffentlicht wurde verklagte Ericsson Qualcomm wegen Verletzung wesentlicher Patente rund um CDMA. Qualcomm wehrte sich heftig und verklagte im Laufe der Zeit Ericsson wegen Verletzung ihrer CDMA Patente da Ericsson offen an W-CDMA für IMT-2000 arbeitete.

Der Streit wurde mehr und mehr politisch da Ericsson vor allen an dem europäischen UMTS Standard und W-CDMA arbeitete während Qualcomm sich auf den etablierten IS-95 Standard und dessen Evolution stützte. Es gelang Qualcomm zwar sich in Südamerika, in Korea und sogar in China zu etablieren aber nicht in Europa. Qualcomm sah sich ausgeschlossen und wandte sich an das amerikanische Außenministerium mit der Beschwerde, dass die Europäische Union von seinen Mitgliedern verlangen würde, ausschließlich W-CDMA/UMTS zu lizenzieren.

Tatsächlich führte dies 1998 dazu, dass sich das Außenministerium (unter Madeleine Albreight) sich an den Europäischen Politiker Martin Bangemann wandte der in der EU für Kommunikation zuständig war. Der EU wurde vorgeworfen gegen Regeln der WTO zu verstoßen in dem sie vorgaben welche Technologie im Mobilfunk der 3. Generation eingesetzt werden sollte. Bangemann antwortete, dass es ein solches Aufforderung nicht gäbe, sondern lediglich eine Empfehlung an die Länder einen Standard zu wählen welche von der ETSI vorgeschlagen wird. Er erklärte, dass die Standardisierung eine Sache der Kommunikationsindustrie sei und dass die EU auf technische Entscheidungen keinen Einfluss nehmen würde. Weiterhin empfiehl er, dass man darauf hinwirken sollte, das vor allen Ericsson und Qualcomm zu einer Einigung kämen.

In der Tat drängte die Zeit. 1999 wollte die ITU die IMT-2000 Standards festlegen. Dies machte jedoch keinen Sinn solange es keine Übereinkommen über Patentlizenzen gäbe. Es wurde also eine Frist gesetzt den Rechtsstreit bis Ende März 1999 zu beenden. Qualcomm und Ericsson kämpften noch bis in den Februar vor einem Gericht in Texas.

Am Ende gelang dann doch im März 1999 ein Deal. Es gab eine gegenseitige Lizenz für die CDMA Standards und Ericsson übernahm die IS-95 Infrastrukturabteilung von Qualcomm. Somit konnte Ericsson auf allen Mobilkommunikationsmärkten bei der Infrastruktur aktiv sein. Für die Mobilkommunikation war der Weg frei für 3G.

Final IMT-2000 Standards

1999 wurden von der ITU-R schließlich fünf Kandidaten für IMT-2000 standardisiert

• IMT-2000 CDMA Direct Spread
  Dies ist W-CDMA nach UMTS ETSI/3GPP Vorschlag. Somit rückwärtskompatibel zu GSM
• IMT-2000 CDMA Multi-Carrier
  Dies ist CDMA2000 von 3GPP2. Somit rückwärtskompatibel zu IS-95
• IMT-2000 CDMA TDD
  Dies ist eine Single Carrier Lösung basierend auf W-CDMA mit Zeitschlitzen für Zeitmultiplex. Es ist Teil des UMTS-Standards
• IMT-2000 TDMA single Carrier
  Dies ist das 2.5 G GSM system EDGE. Somit rückwärtskompatibel zu GSM
• IMT-2000 FDMA/TSMA
  Dies ist der europäische DECT Standard und seine Weiterentwicklung

Das ursprüngliche Ziel der ITU zu einem einheitlichen 3G Standard zu kommen hatte sich nicht erfüllt. Es gab statt einem Standard fünf Standards wobei vor allen UMTS und CDMA2000 wesentlich verschieden waren. Die Standards waren gesetzt aber noch nicht in einem wirklichen Netzwerk erprobt worden. All dies setzte kein gutes Licht für das folgende hochfahren der 3G Netze.