Einführung in 3G-Frequenzbänder

Die dritte Generation (3G) von Mobilfunknetzen, die Anfang der 2000er Jahre kommerziell eingeführt wurden, veränderte die drahtlose Kommunikation grundlegend, indem sie mobile Breitbandgeschwindigkeiten, Multimedia-Unterstützung und globale Roaming-Fähigkeiten bereitstellten. Im Gegensatz zu früheren 2G-Systemen wurde 3G um einen einheitlichen globalen Standard entwickelt, der als International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000) bekannt ist, der von der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) gegründet wurde. Allerdings erwies sich die Erreichung einer echten globalen Harmonisierung als schwer fassbar. Verschiedene Regionen nahmen unterschiedliche Frequenzbänder für 3G-Dienste an, die durch historische Frequenzzuweisungen, regulatorische Prioritäten und technologische Entscheidungen geprägt sind (UMTS vs. CDMA2000). Dieser Artikel untersucht die spezifischen Frequenzbänder, die für 3G-Netze in den wichtigsten Regionen verwendet werden, die technischen Kompromisse hinter diesen Entscheidungen und die Auswirkungen auf Abdeckung, Kapazität und eventuellen Netzwerkuntergang.

Globale 3G-Technologien: UMTS, CDMA2000 und TD-SCDMA

Bevor wir in regionale Bänder einsteigen, ist es wichtig, die drei wichtigsten 3G-Luftschnittstellenfamilien zu verstehen. Das Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), das auf WCDMA basiert, wurde vom 3GPP übernommen und wurde zum dominierenden Standard in Europa, Asien und einem Großteil der übrigen Welt. CDMA2000, entwickelt von 3GPP2, entwickelte sich aus 2G CDMA (IS-95) und blieb in Nordamerika, Südkorea und einigen Teilen Asiens stark. China entwickelte seinen eigenen Standard, TD-SCDMA, der in verschiedenen Frequenzbändern betrieben wurde, die von der chinesischen Regierung zugewiesen wurden. Während alle diese Technologien als "3G" betrachtet werden, unterscheiden sich ihre Frequenzbandzuweisungen erheblich.

Frequenzbandzuweisungen nach Regionen

In der nachstehenden Tabelle sind die Kernfrequenzbänder für 3G-Netze in den sechs wichtigsten geografischen Regionen zusammengefasst.

  • Nordamerika: 850 MHz (Band 5), 1900 MHz (Band 2), 1700/2100 MHz AWS (Band 4), 800 MHz (Band 0 für CDMA)
  • Europa: 900 MHz (Band 8), 1800 MHz (Band 3), 2100 MHz (Band 1)
  • Asien-Pazifik (außer China): 850 MHz, 900 MHz, 2100 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz AWS (einige Märkte)
  • China: 850 MHz, 900 MHz, 1900 MHz, 2100 MHz (für TD-SCDMA: 1900–1920 MHz und 2010–2025 MHz)
  • Afrika: 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz, 2100 MHz
  • Lateinamerika: 850 MHz, 900 MHz, 1900 MHz, 2100 MHz

Nordamerika

In den Vereinigten Staaten und Kanada wurden die 3G-Einsätze aufgrund historischer Frequenzbestände zwischen CDMA2000- und UMTS-Betreibern aufgeteilt. Die Federal Communications Commission (FCC) und Industry Canada versteigerten Frequenzen in Frequenzbändern, die später zur Grundlage für 3G wurden.

  • 850 MHz (Band 5): Ursprünglich für AMPS-Mobilfunk verwendet, wurde dieses Band sowohl für CDMA2000 (z. B. Verizon, Sprint) als auch für UMTS (AT & T, T-Mobile nach dem Rebanding) neu ausgerichtet. Es bietet aufgrund seiner Ausbreitungseigenschaften eine hervorragende Abdeckung in ländlichen und vorstädtischen Gebieten.
  • 1900 MHz (Band 2): Das PCS-Band (1850–1990 MHz) wurde in den 1990er Jahren versteigert und wurde zum primären Band für CDMA2000-Betreiber wie Sprint und Verizon in dichten städtischen Märkten. UMTS-Betreiber verwendeten auch Band 2 für Kapazitätsüberlagerungen. Dieses Band bietet einen höheren Datendurchsatz, aber eine geringere Reichweite und Gebäudedurchdringung im Vergleich zu 850 MHz.
  • 1700/2100 MHz AWS (Band 4): Die Advanced Wireless Services Bänder (1710–1755 MHz Uplink, 2110–2155 MHz Downlink) wurden in der FCC-Auktion 2006 eingeführt. T-Mobile USA hat AWS für seine 3G UMTS-Rollout stark übernommen, was Breitbanddatendienste ermöglicht, ohne das bestehende 1900 MHz Spektrum zu stören. Dieses Band ist weltweit weniger verbreitet, bleibt aber in Amerika wichtig.
  • 800 MHz (Band 0): Wird von einigen CDMA2000-Betreibern für das Digital AMPS-Rebanding (z. B. Sprint iDEN-Ruhestand) verwendet. Es überlappt sich mit dem unteren Teil des Mobilfunkbands in einigen Ländern, ist aber weniger standardisiert.

Roaming zwischen US-Betreibern erforderte aufgrund der fragmentierten Bandnutzung oft Multiband-Geräte. Zum Beispiel benötigte ein AT & amp; T 3G-Telefon 850/1900 MHz UMTS, während ein Verizon 3G-Telefon 800/1900 MHz CDMA2000 benötigte. Das Fehlen eines einzigen panamerikanischen 3G-Bands führte zu komplexen Roaming-Vereinbarungen und Geräteunterstützungsanforderungen.

Europa

Europa war Vorreiter des UMTS-Standards unter dem European Telecommunications Standards Institute (ETSI). Die Europäische Kommission harmonisierte die Frequenzen für 3G durch die UMTS-Richtlinie und vergab die 2100 MHz (Band 1) als primäres Band (1920–1980 MHz uplink, 2110–2170 MHz downlink). Lizenzen für dieses Band wurden Anfang der 2000er Jahre zu hohen Preisen versteigert, was zu den berühmten Frequenzauktionen führte.

  • 900 MHz (Band 8): Ursprünglich für GSM reserviert, wurde das 900-MHz-Band (880–915 MHz Uplink, 925–960 MHz Downlink) für UMTS durch den GSM/UMTS-Refarming-Prozess geöffnet. Vodafone, Orange und andere große europäische Carrier setzten 3G bei 900 MHz in ländlichen Gebieten ein, um die Abdeckung und die Durchdringung in Innenräumen zu verbessern. 2008 erlaubte die Europäische Kommission die Einführung von UMTS900 im Rahmen der Entscheidung "900 MHz Refarming", die die 3G-Abdeckung in Europa deutlich verbesserte.
  • 1800 MHz (Band 3): Dieses Band (1710–1785 MHz Uplink, 1805–1880 MHz Downlink) wurde ursprünglich für GSM1800 (DCS) verwendet. Mit dem Anstieg der 2G-Nachfrage haben einige Betreiber einen kleinen Teil für UMTS-Kapazität in dichten städtischen Gebieten umgewidmet, obwohl es später für LTE häufiger blieb.
  • Fast alle europäischen Betreiber haben UMTS in Band 1 eingeführt. Es bleibt das Standard-3G-Band für viele Länder, das anfänglich bis zu 384 kbps bietet, dann sich zu HSPA + mit bis zu 42 Mbps (Dual-Carrier) entwickelt.

Europäische 3G-Netze waren in der Regel Single-Technologie (UMTS/HSPA), aber ab 2010 setzten die meisten Betreiber LTE als separate Schicht ein. Der 3G-Sonnenuntergang begann um 2020, wobei Carrier in der Schweiz, Großbritannien und Deutschland das Spektrum für LTE und 5G neu ausgerichtet haben.

Asien-Pazifik

Asien-Pazifik bietet aufgrund unterschiedlicher regulatorischer Rahmenbedingungen und Technologiepräferenzen eine Reihe unterschiedlicher Bandzuteilungen.

  • Japan: NTT DoCoMo startete 2001 das weltweit erste kommerzielle 3G-Netz mit WCDMA in 2100 MHz (Band 1). SoftBank und KDDI setzten auch 3G im selben Band ein. Zusätzlich verwendete Japan 800 MHz (Band 0) für CDMA2000 von KDDI (au). Japan refarmed später 900 MHz und 1500 MHz für LTE, aber 3G blieb in 2100 MHz.
  • Südkorea: Korea Telecom (KT) und SK Telecom starteten ursprünglich CDMA2000 1xEV-DO in 800 MHz (Band 0) und später WCDMA in 2100 MHz (Band 1) Südkorea verwendete auch 1,8 GHz (Band 3) für LTE, aber nicht für 3G. Das Land bewegte sich schnell zu LTE und 5G, wobei 3G-Netze bis 2022 weitgehend heruntergefahren wurden.
  • Australien: Telstra, Optus und Vodafone verwendeten eine Kombination von 850 MHz (Band 5) für UMTS in ländlichen Gebieten und 2100 MHz (Band 1) für städtische Kapazitäten. Telstras Next G-Netz (850 MHz UMTS) bot eine außergewöhnliche Abdeckung, ein Meilenstein in der australischen Mobilfunkgeschichte.
  • Ursprünglich haben indische Betreiber UMTS in 2100 MHz (Band 1) gestartet, nachdem die Regierung 2010 das 3G-Spektrum versteigert hatte. Später haben einige Betreiber 900 MHz (Band 8) für 3G (z. B. Bharti Airtel, Vodafone Idea) neu ausgerichtet. Indien hat auch 850 MHz (Band 5) für CDMA2000 (Reliance Communications, Tata Teleservices) genutzt, aber diese Netze wurden bis 2018 geschlossen.

Asien-Pazifik sah auch die Verwendung von 1500 MHz (Band 21) für UMTS in Japan (KDDI) und 2300 MHz (Band 40) für begrenzte TD-LTE-Bereitstellungen, die 3G nicht beeinflussten.

China

China Mobile, der weltweit größte Carrier nach Abonnenten, wurde beauftragt, TD-SCDMA in den Frequenzbändern 1900–1920 MHz und 2010–2025 MHz einzusetzen (oft als Band 34 und Band 39 für TD-LTE bezeichnet, aber ursprünglich für 3G TDD zugewiesen). China Unicom und China Telecom setzten WCDMA und CDMA2000 in 2100 MHz (Band 1) und 800 MHz (Band 0) ein. Im Laufe der Zeit hat China 900 MHz und 1800 MHz für LTE neu ausgerichtet, so dass das TD-SCDMA-Band nach 2015 weitgehend aufgegeben wurde, als China Mobile zu LTE wechselte. Der Sonnenuntergang von China 3G erfolgte rasch nach 2016.

Afrika

Afrikas 3G-Rollout war stark von Geberprogrammen und regulatorischen Entscheidungen abhängig.

  • 900 MHz (Band 8): Wird auf dem gesamten Kontinent für UMTS verwendet, wobei die bestehende GSM850/900-Infrastruktur genutzt wird.
  • 2100 MHz (Band 1): Wird in den meisten afrikanischen Hauptstädten von allen großen Betreibern, einschließlich MTN, Airtel, Vodacom und Orange, eingesetzt.
  • 850 MHz (Band 5): Wird in mehreren westafrikanischen und südafrikanischen Ländern (z. B. Nigeria, Ghana, Südafrika) für UMTS und CDMA2000 verwendet. Zain und andere haben CDMA2000 in 850 MHz in einigen ostafrikanischen Märkten eingesetzt.
  • 1800 MHz (Band 3): Weniger üblich für 3G, aber einige Betreiber refarmed dieses Band in den 2010er Jahren für 3G-Kapazität, vor allem in Südafrika.

Afrikas 3G-Netzabdeckung ist nach wie vor ungleichmäßig, da viele Länder immer noch auf 2G/3G für die ländliche Konnektivität angewiesen sind. Der 3G-Untergang ist langsamer, wenn die Region zu 4G und 5G übergeht.

Lateinamerika

Lateinamerika ist von nordamerikanischer und europäischer Seite geprägt, wobei die Bandbreiten für 3G wie folgt dominieren:

  • 850 MHz (Band 5): Wichtige Einsätze in Brasilien, Mexiko, Argentinien und Chile durch Betreiber wie Claro, Telcel und Movistar. Dieses Band ermöglichte eine gute Abdeckung in weiten geografischen Gebieten.
  • 1900 MHz (Band 2): Wird in Mexiko und einigen zentralamerikanischen Märkten von Telefonica und América Móvil für UMTS verwendet.
  • 900 MHz (Band 8): Häufig in Andenländern und Süd-Südamerika (z.B. Peru, Kolumbien, Chile).
  • 2100 MHz (Band 1): Urbane Einsätze in vielen Hauptstädten durch Betreiber wie Vivo (Brasilien) und Claro (Argentinien).
  • 1700 MHz AWS (Band 4): Wird in Chile, Kolumbien und Ecuador für UMTS verwendet, nach der AWS-Zuweisung in Amerika.

Lateinamerikas 3G-Sonnenuntergang ist bereits im Gange, mit vielen Betreibern, die diese Bänder für LTE und 5G neu bewirtschaften.

Technische Überlegungen: Ausbreitung, Datengeschwindigkeit und Kapazität

Die Wahl des Frequenzbands hat direkte Auswirkungen auf die Nutzererfahrung. Niedrigere Frequenzen (z. B. 700–900 MHz) breiten sich weiter aus und dringen besser in Gebäude ein, wodurch sie sich ideal für die Abdeckung in vorstädtischen und ländlichen Gebieten eignen. Höhere Frequenzen (z. B. 1800–2100 MHz) bieten mehr Bandbreite pro Träger (bis zu 5 MHz für UMTS) und können höhere Nutzerdichten aufgrund reduzierter Zellengrößen unterstützen. In der Praxis verwendeten die Betreiber einen mehrschichtigen Ansatz: 2100 MHz für die städtische Kapazität und 850/900 MHz für die Abdeckung. Beispielsweise könnte ein Stadtzentrum mehrere 2100 MHz-Knoten mit überlappender Abdeckung haben, während eine Autobahn auf einzelne 850 MHz-Türme angewiesen wäre, die alle 5–10 km beabstandet sind.

  • Abdeckung vs. Kapazität: Eine 3G-Zelle bei 900 MHz kann in ländlichen Umgebungen einen Radius von bis zu 30 km haben, während eine 2100-MHz-Zelle in städtischen Gebieten aufgrund eines höheren Pfadverlusts und einer höheren Interferenz nur 2-3 km erreichen kann.
  • Datendurchsatz: UMTS mit HSPA+ (Dual-Cell) kann bis zu 42 Mbps in 5 MHz Spektrum liefern. Mit einem 10 MHz-Bereitstellung (zB Dual-Carrier) in 2100 MHz ermöglicht höhere Geschwindigkeiten, aber Spektrum Verfügbarkeit begrenzt dies. Auf 900 MHz, 5 MHz Zuweisungen waren typisch, was ~ 21 Mbps Peak.
  • Interferenz und Wiederverwendung Niedrigere Frequenzen sind anfälliger für Geräusche von benachbarten Zellen, was eine sorgfältige Frequenzplanung erfordert.
  • Multimode-Geräte: Um durch Regionen zu wandern, benötigten 3G-Handys die Unterstützung mehrerer Bänder. Ein globales 3G-Handy unterstützte oft die Bänder 1, 2, 5 und 8. Das iPhone 4S unterstützte beispielsweise die UMTS-Bänder 1, 2, 5, 8. Diese Komplexität trieb die Entwicklung von softwaredefinierten Funkgeräten voran.

Regulatorische und wirtschaftliche Treiber

Die Auswahl der einzelnen Regionen wurde stark von historischen Frequenzzuweisungen und regulatorischen Auktionen beeinflusst. In Europa wurden bei der UMTS-Auktion 1998 über 109 Mrd. EUR versteigert, aber die hohen Kosten für 2100-MHz-Lizenzen verzögerten Investitionen in die ländliche Versorgung. In den USA führten die FCC-Spannenobergrenzen und der Aufstieg von CDMA2000 zu einer fragmentierten Landschaft. Im IMT-2000-Rahmen der ITU wurden zunächst drei Kernbänder identifiziert: 1885-2025 MHz und 2110-2200 MHz (TDD und FDD) und 806-960 MHz für FDD-Erweiterungen. Die nationalen Regulierungsbehörden teilten jedoch die Frequenzbänder innerhalb dieser Bereiche unterschiedlich zu.

  • ITU Empfehlungen: Das ITU-R M.1036 Dokument definierte bevorzugte Frequenzregelungen für IMT-2000, aber es war nicht obligatorisch.
  • ] GSMA Harmonisierung Bemühungen: Die GSMA geschoben für harmonisierte Bänder Roaming-Kosten zu reduzieren, aber kämpfte außerhalb der 2100 MHz Kern.
  • In den späten 2000er Jahren erlaubten Regulierungsbehörden in Europa, Afrika und Asien den Betreibern, GSM-Frequenzen für UMTS zu refarmen.
  • In Märkten wie den USA erlaubten Sekundärspektrummärkte Betreibern, zusätzliche Frequenzen zu kaufen oder zu leasen (z. B. AT & T, das Spektrum von Verizon in 850 MHz erhält).

Auswirkungen auf das internationale Roaming

Die Vielfalt der 3G-Bänder stellte globale Roaminger vor Herausforderungen. Ein Reisender aus Europa (Bands 1, 8) konnte keine Verbindung zu einem nordamerikanischen 3G-Netzwerk herstellen, wenn das Gerät Band 5 oder Band 2 fehlte. Hersteller reagierten darauf, indem sie "Welttelefone" schufen, die mehrere Bänder enthielten, aber dies zusätzliche Kosten. Zum Beispiel hatte das Nokia N95 Vierband-GSM, aber nur Dual-Band-UMTS (2100/1900). Später fügte das iPhone 4S 850/900/1900/2100 UMTS hinzu. Noch heute verlangen Roaming-Vereinbarungen, dass Netzbetreiber die Gerätefunktionen abschirmen. Das Fehlen eines einzigen globalen 3G-Bands ist ein Hauptgrund, warum 4G LTE und 5G eine aggressivere Harmonisierung angestrebt haben.

Sunsetting 3G und Spectrum Refarming

Ab 2018 begannen viele Betreiber, ihre 3G-Netze abzuschalten, um das Spektrum für LTE und 5G wiederzugewinnen. Dieser Sonnenuntergang wird durch den Rückgang des 3G-Verkehrs, die zunehmende Verbreitung von LTE/5G-Geräten und den Wunsch nach breiteren Bandbreiten verursacht.

  • Australien: Optus und Vodafone haben 3G bis 2024 heruntergefahren; Telstra während 2024.
  • Vereinigte Staaten: AT & amp; T schloss sein 3G UMTS-Netzwerk im Februar 2022; Verizon schloss CDMA2000 im Jahr 2022; T-Mobile stufen Sprints 3G im Jahr 2023 aus.
  • Europa: Viele Betreiber in der Schweiz (Swisscom, 2021), Großbritannien (Vodafone, 2023) und Deutschland (Deutsche Telekom, 2022) haben 3G untergegangen. Das 2100-MHz-Band wird für LTE (Band 1) und 5G (n1) neu ausgerichtet. 900 MHz wird für LTE (Band 8) und 5G (n8) wiederverwendet.
  • Asien: Japans NTT DoCoMo schloss 3G im Jahr 2023 ab; SK Telecom in Südkorea beendete 3G im Jahr 2022; China Mobile gab TD-SCDMA im Jahr 2016 auf.
  • Einige Betreiber (z. B. MTN Südafrika, Airtel Nigeria) haben 3G-Sonnenuntergangszeiten für 2025-2027 angekündigt, aber viele stark ländliche Märkte können 3G länger behalten, da LTE begrenzt ist.

Die Umrüstung setzt wertvolles Low-Band-Spektrum (850/900 MHz) frei, das für die 5G-Abdeckung sehr begehrt ist. Das 2100-MHz-Band ist auch für die 5G-Kapazität in dichten städtischen Gebieten von Nutzen. Der Übergang muss jedoch sorgfältig gehandhabt werden, um die Störung von Alt-IoT- und Notfalldiensten, die immer noch von 3G abhängig sind, zu vermeiden.

Schlussfolgerung

Die Frequenzbänder, die für 3G-Netze in verschiedenen Regionen verwendet werden, sind ein Produkt der Geschichte, Technologie, Regulierung und Marktkräfte. Nordamerikas Mischung aus 850/1900/1700 MHz, Europas Abhängigkeit von 2100/900 MHz, Asien-Pazifiks Patchwork, Afrikas starker Einsatz von 900/2100 MHz und Lateinamerikas vielfältige Zuweisungen veranschaulichen den Mangel an echter globaler Harmonisierung. Das Verständnis dieser Bänder ist für Telekommunikationsingenieure, Gerätehersteller und Netzwerkplaner von wesentlicher Bedeutung, insbesondere wenn die Industrie von 3G auf 5G übergeht. Während 3G auslaufen wird, prägen die Lektionen über Spektrummanagement und regionale Nuancen weiterhin die Zukunft der mobilen Kommunikation.