Uniwersalny System Ruchomej Komunikacji

Nazwa UMTS pochodzi od angielskiego rozwinięcia Universal Mobile Telecommunications System. Standard ten stanowi opis systemu komunikacji ruchomej w sieciach bezprzewodowych trzeciej generacji. Głównymi różnicami, względem starszego systemu drugiej generacji - GSM, jest możliwość realizacji wielu nowoczesnych usług multimedialnych, w tym także możliwość wykorzystywania komponentów znajdujących się zarówno na ziemi jak i z systemów satelitarnych o zasięgu globalnym. Jest to wynikiem połączenia infrastruktury i funkcji naziemnych systemów komórkowych, dyspozytorskich, czy też przywoławczych, z systemami satelitarnymi, otrzymując pojedynczy spójny w swojej strukturze system, który umożliwia transmisję zarówno głosu, jak i również skomplikowanych przekazów multimedialnych. Możliwa jest jednoczesna transmisja fonii, obrazu i danych, która jest realizowana w czasie rzeczywistym, przy dużych prędkościach. UMTS zapewnia wręcz nieograniczoną możliwość we wprowadzaniu wszelkiego rodzaju usług multimedialnych, czy transmisji danych, istnieje także możliwość wprowadzenia zupełnie nowatorskich usług, jak widać system jest bardzo elastyczny. Jednym z przykładów wykorzystania UMTS jest telefonia 3G, trzeciej generacji, która znacznie rozszerza możliwości komunikacyjne, wykraczając poza te oferowane przez GSM, czy EDGE. W chwili obecnej możliwe jest dzwonienie do siebie z wykorzystaniem wideo - konferencji.

UMTS znalazł swoje zastosowanie w:

  • Systemach nawigacji
  • Systemach lokalizacji
  • Ochronie osobistej
  • Systemach informujących o zagrożeniach
  • Gazetach elektronicznych, książkach elektronicznych (e-booki)
  • Systemach informacji dla pagerów
  • Tele - zakupach
  • Usłudze muzyka na żądanie, czy też karaoke na żądanie
  • Usłudze typu wideo na żądanie - telewizja interaktywna
  • Bazach wideo
  • Bazach danych
  • Obsłudze skrzynek pocztowych e-mail
  • Serwisach informacyjnych
  • Telefonach mobilnych, w tym w wideo - telefonach
  • Wideo - konferencjach

System może być wykorzystywany w niemal wszystkich dziedzinach życia. Umożliwia bezproblemową komunikację z Internetem, dzięki czemu w każdej chwili, będąc w zasięgu sieci możemy skorzystać z zasobów tej globalnej sieci, odebrać pocztę, znaleźć potrzebne informacje itd.. Gdy połączymy szukaną informację z danymi uzyskanymi z Internetu, na przykład starając się znaleźć najbliższą księgarnię, system sprawdzi naszą pozycję, a następnie, korzystając z zasobów Internetu wyszuka lokacje i poda nam wyniki, w kolejności od najbliższej księgarni do tych położonych dalej. Usługa ta nazywa się LISP - Localized Internet Service Provider. Chcąc dowiedzieć się, gdzie się aktualnie znajdujemy, na wyświetlaczu otrzymamy mapę z zaznaczonym miejscem naszej lokalizacji, wraz z punktem docelowym, jeśli taki wybraliśmy. Możliwe jest powstanie interaktywnych usług lokalnych, takich jak oglądanie repertuaru mijanego właśnie teatru, czy kina, wraz z możliwością natychmiastowej rezerwacji biletów. Numer telefonu wraz z adresem szukanej firmy znajdziemy szybko korzystając z odpowiednich baz danych znajdujących się w zasobach Internetu. Możliwe jest zestawienie wideo - połączenia do oglądania filmów i odsłuchiwania przekazów radiowych. Korzystanie z serwisów oferowanych w ramach technologii UMTS jest płatne nie za czas, lecz ilość pobranych informacji oraz za jakość usług, z których korzystamy. Jest to rozwiązanie z pewnością rozsądniejsze oraz tańsze przy pobieraniu danych z Internetu, czy przesyłaniu filmów, bądź czytaniu e-booków.

Telefonia 3G działa w Japonii już od 1 października 2001 roku. Pierwszymi uruchomionymi usługami były tak zwane FOMA. Pierwsze uruchomianie europejskiej sieci 3G miało miejsce w 2002 roku w Austrii. Oficjalny polski start miał miejsce wraz z rozpoczęciem roku 2004. Prognozy postulowane przez Międzynarodową Unię Telekomunikacyjną - ITU, zakładały że 15% użytkowników telefonów komórkowych w Europie będzie objętych zasięgiem sieci UMTS, w roku 2010 liczba ta ma wzrosnąć do 45%.

Historia systemów komórkowych

Lata osiemdziesiąte przyniosły ze sobą pierwszą generację systemów telefonii komórkowej. 1G działała na technice w pełni analogowej. Ówczesne standardy nosiły nazwy AMPS, TACS oraz NMT. System wprowadzony w roku 1991, przez firmę Centertel to NMT 450. Pracował on na częstotliwościach 450MHz o liczbie kanałów 200. Pokrywał swoim zasięgiem 95% powierzchni naszego kraju.

Analogowe systemy pełne były wad, posiadały niewielką odporność na zakłócenia, można było w dość łatwy sposób podsłuchiwać rozmowy. Odczuwalny był również brak roamingu międzynarodowego oraz małe prędkości transmisji danych. Zaistniała sytuacja spowodowała dynamiczny rozwój w kierunku telefonii drugiej generacji 2G. Sieci telefonii bezprzewodowej oparte na tym standardzie to GSM, są to sieci pracujące już z pełnym wykorzystaniem techniki cyfrowej modulacji informacji. Określono podstawowe cechy, którymi powinien się odznaczać sieci drugiej generacji: transmisja danych na poziomie 9,6 kbit/s, transmisja mowy na poziomie 13 kbit/s, swobodny dostęp do kanałów radiowych z wykorzystaniem zwielokrotnienia czasowego i ramki TDMA, które współpracują z pakietową siecią publiczną o protokole X.25. Kolejnymi cechami jest możliwość przesyłania krótkich wiadomości tekstowych SMS oraz prosta realizacja alarmowych połączeń. System GSM po raz pierwszy uruchomiono w roku 1991. Do polski technologia GSM 900 zawędrowała dopiero w roku 1996. Została wprowadzona przez firmę Polska Telefonia Cyfrowa, w ramach sieci Era, a także przez Polkomtel S.A. w ramach sieci Plus GSM. Trzeci operator - Centertel dostał koncesję na użycie sieci GSM 1800, w ramach sieci Idea, dzisiaj znana pod nazwą Orange.

Telefonia 2G w roku 1995 otrzymała szereg usprawnień, między innymi możliwość transmisji telefaksowej, komputerowy interfejs oraz usługi mogące identyfikować abonenta przy pomocy numeru karty SIM. Kolejnym etapem ewolucji systemów bezprzewodowych jest generacja 2,5G, którą wprowadzono jako fazę przejściową pomiędzy starszą drugą, a ówcześnie projektowaną, trzecią generacją. Generacja 2.5G powstała w roku 1997, opiera się ona na szybszych od GSM technikach transmisji, mianowicie: High Speer Circuit Switched Data, czyli HSCSD (oferujący transfer rzędu 115 kbit/s) oraz General Packed Radio Service, czyli GPRS (oferujący transfer rzędu 170kbit/s). Transmisja informacji z wykorzystaniem HSCDSD zakłada zwiększenie szybkości przekazywania danych przez przydzielenie określonej ilości szczelin czasowych do pojedynczego połączenia. Każda z tych szczelin zapewnia standardowy transfer GSM, czyli 9,6 kbit/s. Każda transmisja może wykorzystywać maksymalnie 7 szczelin, co daje możliwość transferu o przepływności rzędu 67,2 kbit/s. Zastosowanie dodatkowej kompresji zwiększa przepływność do 115 kbit/s. Pakietowa transmisja GPRS opiera się z kolei na wiązaniu ze sobą i wspólnym sterowaniu kilkoma kanałami transmisyjnymi, zebranymi w pojedynczy tor komunikacyjny. Możliwe staje się przyporządkowanie w pojedynczym kanale radiowym do 8 szczelin czasowych, co zapewnia przepływność rzędu 76,5 kbit/s. Zastosowanie dodatkowej kompresji zwiększa tą wartość do 170 kbit/s. Ostatnią technologią wprowadzoną przed 3G, jest transmisja typu Enhanced Data GSM Evolution, czyli EDGE. Technika ta umożliwia transmisję o przepływności aż 384 kbit/s, z wykorzystaniem starej infrastruktury sieci GSM. Zanim telefonia 3G wyprze swojego poprzednika, minie wiele lat równoległej pracy obu sieci

Standaryzacja IMT - 2000

International Mobile Telecommunications, w skrócie IMT - 2000, stanowi globalny, przyjęty ogólnie system standardu światowego światowej, opisujący telefonię trzeciej generacji. Został opracowany przez wspomnianą już organizację telekomunikacyjną International Telecommunication Group, w skrócie ITU. IMT - 2000 po raz pierwszy zatwierdzono oficjalnie na światowej konferencji poświęconej zagadnieniom radiotelekomunikacji, WRC - 2000, która odbyła się w Istambule. Tam też pracowała nad tym standardem grupa robocza znana pod nazwą WP - 8. Utworzenie jednolitego standardu światowego było zadaniem niezwykle trudnym, ponieważ w zależności od kraju te same pasma częstotliwościowe mogą być wolne, lub zajęte, na przykład przez wojsko. Stąd przyjęto konwencję zakładającą standaryzację pewnej rodziny systemów, w niewielkim stopniu różniących się od siebie, lecz kompatybilnych wzajemnie. Sprowadza się to do takiej praktycznej informacji, że kupując telefon komórkowy u operatora azjatyckiego, będziemy się nim mogli bezproblemowo posługiwać zarówno w Ameryce, czy w Europie. Prace polegające na opracowaniu systemów telefonii 3G zaczęto już dużo wcześniej. W roku 1992 w czasie Światowej Administracyjnej Konferencji Radiowej, WARC - 92, którą zorganizowało stowarzyszenie ITU, zostały określone pasma częstotliwościowe dla rozwoju tak naziemnych, jak i satelitarnych sieci telefonii bezprzewodowej. W roku 1995 podczas konferencji WRC - 95, czyli Światowej Konferencji Radiokomunikacyjnej, została przyjęta przez ITU uchwała nr 212, która postulowała wdrożenie naziemnych systemów łączności już w 2001 roku. W roku 1997 organizacja normalizacyjna European Telecommunication Standard Institute (ETSI), wysunęła założenia uniwersalnego systemu UMTS dla naszego kontynentu. Standard UMTS odnosi się właśnie do europejskiej kompatybilnej wersji standardu IMT - 2000. Wdrożenie standardu telefonii 3G w Europie zakładało dwie fazy. Najpierw w roku 2002 powstał podstawowy system standardu UMTS. Następnie w 2005 roku zakładano powstanie systemu globalnego.

Jako, że podstawowym założeniem UMTS jest integracja usług na szeroką skalę, zaplanowano wejście w skład systemu:

  • Sieci łączności bezprzewodowych
  • Radiowych sieci WLAN
  • Radiowych sieci dostępowych WLL
  • Radiowych sieci PABX
  • Radiowych niepublicznych sieci dyspozytorskich PMR
  • Sieci przywoławczych

Założenia zdefiniowane dla IMT - 2000 przez ITU obejmują następujące zagadnienia:

  • Ujednolicenie technicznych norm
  • Szeroko rozumiane usługi multimedialne
  • Swobodny dostęp producentów i operatorów do ujednoliconych standardów IMT
  • Płynne przejście ze standardów 2G oraz 2,5G

Minimalne, gwarantowane przez ITU prędkości transmisji są zależne od typu użytkownika korzystającego z sieci:

  • 144 kbit/s dla pieszego
  • 384 kbit/s dla pojazdu
  • 2 Mbit/s dla lokalizacji stałej

Pasma częstotliwościowe przeznaczone dla systemu UMTS zawierają się w przedziałach:

  • I przedział: 1885 - 2025 MHz
  • II przedział: 2100 - 2200 MHz

Jedynie Chiny są w stanie przeznaczyć w pełni te pasma na potrzeby systemu IMT - 2000. Inne państwa posiadają zajęte części z tych pasm przez innego typu systemy telekomunikacyjne. Na przykład w Europie dolna część pierwszego przedziału dostępnego pasma, a konkretnie 1885 - 2025 MHz jest już zajęta poprzez system DECT, pracujący w paśmie 1880 - 1900 MHz. W przyszłości jednak jest planowane ewolucji DECT w kierunku kolejnej usługi pracującej w systemie UMTS. Problem więc zostanie samoczynnie rozwiązany. Również w Stanach Zjednoczonych większa część pasma dolnego jest zajmowana przez system znany pod nazwą DCS - 1900 MHz.

Europejskie pasma zatwierdzone przez instytut ITU to:

  • Niesymetryczne pasmo UMTS 1900 - 1920 MHz
  • Pasmo UMTS 1920 - 1980 MHz
  • Pasmo łączności satelitarnej UMTS 1980 - 2010 MHz
  • Niesymetryczne pasmo UMTS 2010 - 2025 MHz
  • Pasmo UMTS 2110 - 2170 MHz
  • Pasmo łączności satelitarnej UMTS 2170 - 2200 MHz

Architektura sieci trzeciej generacji

Systemy telefonii komórkowej, które współcześnie działają, zapewniają każdemu ze swych abonentów takie same warunki pracy, nie jest ważna odległość w jakiej znajdują się osoby, które obecnie prowadzą rozmowę telefoniczną lub wymieniają ze sobą dane. Przykładowo, dla systemu nie ma różnicy, pomiędzy przesyłaniem plików z Gdańska do Krakowa, a pomiędzy takim samym przesłaniem między dwoma użytkownikami znajdującymi się na krakowskim rynku. W obrębie jednej sieci zawsze mamy do czynienia z taką samą prędkością transmisji. Wymieniając dane pomiędzy urządzeniami działającymi w ramach standardu UMTS, należy liczyć się różnymi warunkami transmisji w zależności od tego czy w danym momencie idziemy pieszo, czy jedziemy samochodem. Gdy opracowywano nowy standard, zostało dokonane założenie współistnienia czterech stref w jakich mogą znaleźć się klienci. W każdej strefie abonent może liczyć na bezproblemowe przeprowadzenie zwykłej rozmowy telefonicznej do której, dzięki wydajnym algorytmom kompresji, nie trzeba rezerwować kanału o odpowiednio dużej przepływności. Różnice w prędkości objawiają się dopiero przy wykorzystaniu aparatu telefonicznego jako modemu wymieniającego dane pomiędzy użytkownikami tej samej sieci. W tym wypadku prędkość transmisji maksymalnej będzie zależeć od rodzaju strefy w jakim dany klient się znajduje.

Najmniejszym elementem sieci UMTS jest pikokomórka, która obejmuje swym zasięgiem obszar obejmujący sobą kilkaset metrów kwadratowych powierzchni. Stanowi to mniej więcej powierzchnię zajmowaną przez typowy blok mieszkalny, czy też biurowiec. Wymiana danych w pikokomórce może odbywać się z maksymalną dostępną prędkością, którą oferuje trzecia generacja, czyli 2Mbit/s.

Użytkownicy, którzy są rozproszeni na trochę większej powierzchni, odpowiadającej obszarowi kilku kilometrów kwadratowych znajdują się w obrębie mikrokomórki. Obszar ten stanowi powierzchnię na przykład centrum handlowego, gęsto zaludnionej dzielnicy miasta, rynku większego miasta. Wymiana danych w tej większej komórce wynosi, podobnie jak transfer oferowany przez EDGE, 384 kbit/s

Łącząc ze sobą osoby znajdujące się w obrębie dużego miasta, czy też gminy, musimy zdefiniować pojęcie makrokomórki. Szybkość transferu w makrokomórce może być mniejsza od analogicznej szybkości w obrębie mikrokomórki. Przy komunikacji na dystanse setek, a nawet tysięcy kilometrów używa się komórek światowych. Naturalnie nie należy się spodziewać, że pojedynczy operator obejmie zasięgiem swojej sieci cały świat. Komórki światowe spełniają zadanie połączenia użytkowników, będących abonentami wielu sieci komórkowych, znajdujących się w innych krajach, na innych kontynentach, pod warunkiem oczywiście dysponowania aparatami pracującymi w standardzie UMTS. Maksymalna prędkość transmisji danych w przypadku wymiany informacji pomiędzy komórkami światowymi nie jest większa niż 384 kbit/s.

Standara UMTS zapewnia radiowy dostęp do światowej infrastruktury telekomunikacyjnej. W przyszłości dostęp ten ma być możliwy o dowolnym czasie i z dowolnego miejsca na Ziemi, za pośrednictwem segmentów satelitarnych oraz naziemnych. Powszechny dostęp będzie możliwy zarówno dla użytkowników ruchomych, jak również stacjonarnych, którzy operują w Siechach prywatnych, korporacyjnych lub publicznych. UMTS jest więc systemem, który integruje ze sobą każdy system telekomunikacyjny. Zapewnione jest w przyszłości globalne pokrycie swoim zasięgiem całej powierzchni Ziemi, a tym samym stwarza możliwość dostępu do każdej z sieci telekomunikacyjnych, radiowych, telewizyjnych oraz teleinformatycznych. Wszystkie te fakty przemawiają za bardzo ważną cechą, którą spełniają produkowane obecnie i która będą spełniały urządzenia produkowane w przyszłości, chodzi mianowicie o kompatybilność sprzętową i protokolarną każdych urządzeń i sieci zarówno naziemnych jak i satelitarnych.

Sieć UMTS można podzielić na trzy podstawowe bloki funkcjonalne:

  • UTRAN, czyli UMTS Terrestial Radio Acces Network. W dosłownym tłumaczeniu jest to sieć UMTS o radiowym dostępie do segmentu naziemnego.
  • CN, czyli sieć szkieletowa (Core Network).
  • UE, czyli urządzenie po stronie abonenta (User Equipment).

Kooperacja pomiędzy siecią radiowego dostępu UTRAN, a urządzeniem będącym na wyposażeniu abonenta ma miejsce przy użyciu radiowego interfejsu Uu, natomiast współdziałanie pomiędzy siecią szkieletową, a dostępową siecią radiową odbywa się przy użyciu znormalizowanego sieciowego interfejsu Iu.

Sieć UTRAN realizuje wszystkie procedury związane z transmisją drogą radiową. Sieć szkieletowa odpowiada za połączenia w obrębie zarówno niej samej, jak również z zewnętrznymi sieciami. Sieć tego typu wykonuje również rozmaite procedury mające związek z realizacją usług oraz z nadzorem nad abonentem, który znajduje się w ruchu. Dzięki swoim urządzeniom użytkownik może przez system UMTS uzyskać dostęp do różnego typu usług telekomunikacyjnych.

Z architektury komórkowej wynika kilka zalet. Stacje ruchome, które posiadają dużą mobilność mogą być normalnie obsługiwane w mikrokomórkach, powoduje to redukcję częstotliwości z jaką należy przenosić połączenie pomiędzy komórkami, zmniejsza się zatem obciążenie sieci spowodowane przez sygnały sterujące. Makrokomórki służą do pokrycia miejsc trudnych do pokrycia komórkami niższych rzędów, mogą one też być celowo wprowadzane w celu pewnej nadmiarowości, przez co niezawodność działania sieci wzrasta.

Kilkuczęściowe pasmo częstotliwościowe

Użytkownicy, którzy znajdują się niedaleko od siebie i pozostają w spoczynku automatycznie dostają do dyspozycji łącza o większej przepływności maksymalnej. Abonenci, którzy się poruszają lub wymieniają ze sobą dane na dużych dystansach powinni liczyć się ze spadkiem szybkości transferu. Sugeruje to inne wykorzystywanie zasobów radiowych sieci UMTS, w porównaniu do GSM, co jest oczywiście prawdą. Sieć GSM 900 wykorzystuje dwa pasma radiowe, o szerokości 25 MHz każde. Pierwsze z nich, leżące w zakresie 890 - 915 MHz jest wykorzystywane do przekazywania sygnału telefonicznego od komórki do stacji bazowej (up - link). Drugie z tych pasm (935 - 960 MHz) z kolei wykorzystuje się do połączeń biegnących w przeciwnym kierunku (down - link).

System UMTS jak wiemy posiada w swoim standardzie trzy pary pasm częstotliwościowych. Urządzenia, które pracują w jednym z tych pasm, są w stanie transmitować dane z różną prędkością. Jeżeli aparat działa w obrębie pikokomórki, jego praca wymaga dwóch pasm, posiadających łączną szerokość 35 MHz. Zakres ten jest zarezerwowany głównie do transmisji danych na drodze niesymetrycznej wymiany informacji, czyli odbierania większej ilości bitów, od ilości bitów nadawanych. Rozmowy telefoniczne są połączeniami symetrycznymi i są realizowane z wykorzystaniem jednego z 60 MHz pasm, które aktualnie są wykorzystywane do obsługi łączności na poziomie mikrokomórek i makrokomórek.

Wzajemna wymiana informacji, przy większych odległościach, odbywa się dwoma specjalnie wydzielonymi pasmami. Dzięki tym pasmom możliwe jest komunikowanie się użytkowników, będących abonentami różnych operatorów, czasami odmiennych sieci. Również w tym przypadku mamy do czynienia z przykładem transmisji symetrycznej.

Różne prędkości transmisji, które można zaobserwować w poszczególnych obszarach są wynikiem stosowania różnych metod podziału pasma częstotliwościowego pomiędzy większą ilość użytkowników. Najbardziej zawodne, ale również najszybsze są zarezerwowane dla aparatów pracujących w obrębie jednej pikokomórki. Dzielenie zasobów w mikrokomórkach i w makrokomórkach przedstawia się tak samo jak w sieci drugiej generacji - GSM. Efektem tego zabiegu jest dyspozycja łączem znacznie bardziej niezawodnym, ale zarazem wolniejszym.

Przyglądając się dokładniej technologii UMTS, można dojść do wniosku że jest ona tylko kolejną cyfrową implementacją telefonii komórkowej. Odnosimy wrażenie, że nowe aparaty telefoniczne oferują niewiele więcej ponad starszymi działającymi w sieciach GSM, mamy jedynie zwiększony transfer maksymalny. Jeżeli jednak zintegrujemy z komórką kamerę cyfrową, będziemy w stanie pokazać na żywo naszym znajomym zdjęcia z wycieczki, na której aktualnie się znajdujemy, możemy przeprowadzić z nimi wideo - konferencję o przyzwoitej jakości obrazu. Ponadto dzięki wykorzystaniu łączy satelitarnych nasz telefon będzie umożliwiał wykonywanie rozmów także w dzikich rejonach Azji, Afryki, czy nawet na otwartym oceanie Pacyfiku.

UMTS udostępnia zupełnie nową usługę, dzięki niej nasz aparat telefoniczny przyjmie postać terminala informacyjnego. Możliwe jest bowiem, przekazywanie swojemu operatorowi na bieżąco miejsca swojego pobytu, o ile znajduje się w zasięgu sieci bazowej. Chociaż taka informacja jest przekazywana również obecnie, aby operator wiedział gdzie ma szukać abonenta, to ta rejestracja ma na celu jedynie zminimalizowanie czasu czekania na połączenie, nie wynika z tego nic więcej. Używając aparatów w systemie UMTS możliwe jest stwierdzenie precyzyjnej lokalizacji użytkownika i wykorzystanie tego w efektywny sposób. Na przykład znajdujemy się w nowym mieście i chcemy znaleźć restaurację. Łączymy się zatem ze specjalnie w tym celu ustanowionym serwisie informacyjnym, zawierającym bazę danych o restauracjach. Nie otrzymamy jednak zwykłej listy adresów w kolejności alfabetycznej, serwis wie gdzie się znajdujemy i na podstawie bieżącej lokacji wskaże nam jedynie najbliższe restauracje. Nic nie stoi na przeszkodzie aby wyświetlić plan miasta, wraz z zaznaczonymi odpowiednimi miejscami oraz wskazówkami jak tam się dostać. Podobną usługę można udostępnić dla osób szukających kin, rezerwujących bilety itd., liczba i możliwości serwisów operacyjnych zależą w tym momencie jedynie od pomysłowości operatora sieci, któremu zapewne będzie zależeć na pozyskaniu swoimi użytecznymi usługami rzeszy nowych klientów. Tylko czas pokaże jak bardzo technologia UMTS ułatwi nam codzienne życie, możliwości jakie stawia przed projektantami są bowiem ogromne.