UMTS (ang.Universal Mobile Telecommunications System) oznacza system komunikacji ruchomej i bezprzewodowej trzeciej generacji, umożliwiający w szczególności realizację nowatorskich usług multimedialnych w skali wykraczającej poza możliwości systemów drugiej generacji (GSM) oraz zdolny do połączenia możliwości korzystania z komponentów naziemnych i satelitarnych o globalnym zasięgu. Oznacza to połączenie funkcji i infrastruktury dotychczasowych systemów naziemnych (komórkowych, przywoławczych, dyspozytorskich, itd.) oraz satelitarnych w jeden spójny system umożliwiający transmisję nie tylko głosu, ale również przekazu multimedialnego, czyli jednoczesnej transmisji głosu, danych i obrazu przesyłanej z dużymi prędkościami w czasie rzeczywistym. System UMTS otwiera przed producentami sprzętu i oprogramowania możliwość stworzenia całkowicie nowatorskich usług, co stanowi fenomen tego systemu.
Telefonia 3G rozszerzy możliwości komunikacji znacznie poza te, które oferuje nam telefonia GSM.
Zastosowania UMTS:
- System nawigacji;
- Ochrona osobista;
- System lokalizacji;
- System informacji o zagrożeniach;
- System informacji dla pagerów;
- Gazeta elektroniczna, książka elektroniczna, tele-zakupy;
- Wideo na żądanie, interaktywna telewizja;
- Muzyka na żądanie, karaoke na żądanie;
- Wideo baza;
- Serwis informacyjny;
- Baza danych, poczta e-mail;
- Wideo konferencje;
- Telefon mobilny, wideo telefon.
Będzie można z nich korzystać prawie we wszystkich dziedzinach naszego życia. Dzięki możliwości komunikacji z Internetem, jaką daje nam technika UMTS, system będzie mógł korzystać zawartych w nim informacji i danych. Połączenie danych uzyskanych z Internetu z informacją np. o lokalizacji otwiera szereg możliwości - gdy zapytamy o księgarnię system sprawdzi naszą lokalizację, a następnie otrzymamy gotową listę posortowaną wg odległości ich położenia (Localized Internet Service Provider). Jeśli zechcemy na wyświetlaczu terminala wyświetli się mapa z miejscem naszego położenia i punktu docelowego. Powstaną interaktywne usługi lokalne takie jak np. oglądanie repertuaru właśnie mijanego kina i rezerwacja biletu na seans. Bez problemu będzie można znaleźć nr telefonu i adres szukanej firmy korzystając z bazy danych zawartych w Internecie. Będzie można zestawić wideopołączenie, korzystać z filmów wideo i przekazów radiowych. Przy czym korzystanie z serwisów UMTS będzie płatne nie za czas, ale za ilość przesłanych informacji i jakość usług, co będzie znacznie korzystniejsze i tańsze, np. przy przesyłaniu danych.
W Japonii telefonia 3G działa już od 1.X.2001 - są to tzw. usługi FOMA, uruchomienie pierwszych europejskich sieci nastąpiło w 2002 roku - pierwsze w Austrii. W Polsce oficjalny start planowany jest od 1.01.2004r. Według prognoz Międzynarodowej Unii Telekomunikacyjnej (ITU) w 2005 roku 15 procent użytkowników telefonii komórkowej w Europie będzie korzystało z UMTS, a w 2010 nawet 45 procent.
Ewolucja systemów komórkowych. W latach osiemdziesiątych powstały pierwsze systemy telefonii komórkowej pierwszej generacji (1G) oparte na technice analogowej - AMPS, NMT, TACS. W Polsce był to system NMT 450 wprowadzony przez Centertel w 1991r, system pracujący w częstotliwości 450 MHz z liczbą kanałów 200 pokrywający 95% powierzchni kraju.
Systemy analogowe miały sporo wad - małą odporność na zakłócenia, łatwość podsłuchu rozmów, brak roamingu międzynarodowego i niedostateczna transmisja danych. Wymusiło to powstanie systemów komórkowych drugiej generacji (2G) popularnie zwanych GSM pracujących w technice cyfrowej. Dla telefonii 2G zostały określone podstawowe cechy komunikacji: transmisja danych - 9,6 kb/s, transmisja mowy - kodowanie z przepływnością 13 kb/s, dostęp do kanału radiowego ze zwielokrotnieniem czasowym i ramką TDMA współpracujący z siecią pakietową publiczną - protokół X.25, przesyłaniem SMS-ów (krótkich wiadomości tekstowych) oraz realizacja połączeń alarmowych. Pierwszy system GSM na świecie został oddany w 1991r, natomiast w Polsce system GSM 900 został wprowadzony w 1996r przez firmy PTC (Polska Telefonia Cyfrowa) w sieci Era Gsm oraz Polkomtel S.A. w sieci Gsm Plus. W 1998 r koncesję na GSM 1800 dostał trzeci polski operator Centertel - sieć Idea.
Telefonia 2G w 1995r. otrzymała usprawnienia, tj. transmisja telefaksowa, interfejs komputerowy, usługi telekonferencyjne, czy identyfikacja abonenta za pomocą karty SIM. Następną fazą ewolucji systemów komórkowych jest faza 2,5G, będąca fazą przejściową pomiędzy drugą i trzecią generacją telefonii komórkowej. Telefonia 2,5G powstała w 1997r opiera się na dwóch szybszych technologiach transmisji: HSCSD (Hight Speed Circuit Swiched Data) do 115 kb/s i GPRS (General Packed Radio Service) do 170 kb/s. Transmisja danych HSCDSD umożliwia zwiększenie szybkości przekazu poprzez przydział kilku szczelin czasowych do jednego połączenia, każda o szybkości nominalnej 9,6 kb/s, Jedna transmisja może zajmować 7 szczelin (67,2 kb/s), a przy zastosowaniu kompresji przepływowość zwiększa się do 115 kb/s. Natomiast transmisja pakietowa GPRS polega na powiązaniu i wspólnym sterowaniu kilku kanałów transmisyjnych w jeden tor komunikacyjny. Możliwe jest przyporządkowanie 8 szczelin czasowych w jednym kanale radiowym (76,5 kb/s), a przy zastosowaniu kompresji przepływowość zwiększa się do 170 kb/s. Ostatnim krokiem ku telefonii 3G po wprowadzeniu transmisji GPRS jest etap transmisji EDGE (Enhansed Data GSM Evolution) umożliwiającą transmisję z przepływnością 384 kb/s poprzez infrastrukturę GSM. Przez wiele lat systemy UMTS będą funkcjonować równolegle z GSM.
Standaryzacja IMT-2000
IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) jest globalnym, ogólnie przyjętym systemem światowego standardu telefonii trzeciej generacji, który został opracowany przez Międzynarodową Unię Telekomunikacyjną ITU (International Telecommunication Union). Standard IMT-2000 został oficjalnie zatwierdzony na światowej konferencji radiotelekomunikacji (WRC 2000) w Istambule, gdzie pracowała nad nią grupa robocza WP-8. Stworzenie jednego standardu dla całego świata było zadaniem trudnym ze względu na to, że te same pasma częstotliwości w jednym kraju są wolne, a w innym zajęte, np. przez wojsko. Dlatego IMT-2000 będzie musiało być rodziną systemów, nieznacznie się od siebie różniących, jednak wzajemnie kompatybilnych. Oznacza to, że mając telefon zakupiony u europejskiego operatora będziemy mogli korzystać z niego zarówno w Ameryce jak i Azji. Prace nad opracowaniem systemu telefonii trzeciej generacji rozpoczęły się znacznie wcześniej. W 1992 r. podczas Światowej Administracyjnej Konferencji Radiowej (WARC 92) zorganizowanej przez ITU, określono pasma częstotliwości dla rozwoju zarówno satelitarnych, jak i naziemnych sieci telefonii komórkowej. Zgodnie z przyjętą przez ITU Uchwałą nr 212 oraz z postanowieniami odbytej w 1995 r. Światowej Konferencji Radiokomunikacyjnej (WRC 95) ustalono, że wstępne wdrożenie elementu naziemnego powinno nastąpić około roku 2001. W 1997 r. Europejska organizacja normalizacyjna ETSI (European Telecommunication Standard Institute) przedstawiła dla kontynentu europejskiego własne założenia pierwszego uniwersalnego systemu UMTS (Uniwersalnego Systemu Telekomunikacji Ruchomej). Koncepcja UMTS stanowi kompatybilną europejską odmianę standardu IMT-2000.
Wdrażanie standardów telefonii 3G odbywać się będzie w dwóch fazach:
- I faza, podstawowy system UMTS w Europie w roku 2002;
- II faza, pełny globalny system w roku 2005.
Podstawowym założeniem systemów 3G była integracja, w skład systemu UMTS wejdą:
- Sieci łączności bezprzewodowej;
- Radiowe sieci PABX;
- Radiowe sieci LAN;
- Radiowe sieci dostępowe WLL;
- Radiowe niepubliczne sieci dyspozytorskie PMR;
- Sieci przywoławcze.
ITU zdefiniowała dla IMT-2000 następujące ogólne założenia:
- Usługi multimedialne;
- Ujednolicenie norm technicznych;
- Dostęp operatorów i producentów do jednolitych standardów IMT;
- W miarę płynne przejście z systemów 2G.
ITU określiła również minimalne prędkości transmisji w zależności od rodzaju użytkownika:
- Pieszy - 144 kbit/s;
- Pojazd - 384 kbit/s;
- Stała lokalizacja - 2 Mbit/s
Pasma częstotliwości dla systemu IMT-2000 (UMTS w Europie) zostały już oficjalnie zatwierdzone. Zawierają się w dwóch przedziałach:
- I od 1885MHz do 2025MHz,
- II od 2100MHz do 2200MHz.
Tylko Chiny mogą w pełni przeznaczyć te pasma dla systemu IMT-2000. W pozostałych krajach część tych pasm jest zajęta przez inne systemy telekomunikacyjne. W Europie dolna część pasma 1885-2025 jest zajęta przez system DECT, który pracuje w paśmie 1880-1900MHz. Docelowo jednak pasmo to zostanie zwolnione w wyniku ewolucji systemu DECT i włączenia go do systemu UMTS. Najmniej ciekawa jest sytuacja w Stanach Zjednoczonych, gdzie większość dolnego pasma przeznaczonego dla IMT-2000 jest zajmowana przez system DCS 1900MHz.
Oficjalne pasma UMTS w Europie zatwierdzone przez ITU:
- 1900-1920MHz pasmo UMTS - niesymetryczne;
- 1920-1980MHz pasmo UMTS;
- 1980-2010MHz pasmo UMTS - łączność satelitarna;
- 2010-2025MHz pasmo UMTS - niesymetryczne;
- 2110-2170MHz pasmo UMTS;
- 2170-2200MHz pasmo UMTS - łączność satelitarna.
Architektura sieci 3G
Istniejące dzisiaj systemy telefonii komórkowej oferują swoim abonentom identyczne warunki pracy, niezależnie od tego, w jakiej odległości od siebie znajdują się osoby prowadzące rozmowę telefoniczną albo wymieniające dane. Nie jest istotne, czy za pośrednictwem „komórki” przesyłamy pliki ze Szczecina do Zamościa, czy też oba terminale GSM znajdują się w tej samej dzielnicy miasta - prędkość transmisji będzie w obydwu przypadkach taka sama. Kiedy wymiana danych będzie następowała z wykorzystaniem aparatów UMTS, musimy liczyć się z odmiennymi warunkami pracy w zależności od tego, czy np. pozostajemy w bezruchu, czy też jedziemy samochodem. Podczas opracowywania nowego standardu założono, że w sieci telefonicznej zostaną wyróżnione cztery strefy. W każdej z nich abonenci mogą oczywiście liczyć na to, że zawsze uda im się przeprowadzić zwykłą rozmowę telefoniczną. Ponieważ jednak coraz częściej wykorzystujemy telefon jako modem, interesującą informacją jest także to, z jaką prędkością uda nam się wymieniać dane z innymi abonentami. Otóż osoby znajdujące się w różnych strefach sieci UMTS będą mogły transmitować dane z różnymi prędkościami.
Najmniejszy fragment sieci UMTS będzie stanowiła tzw. pikokomórka (picocell), obejmująca swoim zasięgiem obszar kilkuset metrów kwadratowych - odpowiada to mniej więcej powierzchni typowego bloku mieszkalnego czy biurowca. W pikokomórce wymiana danych będzie mogła odbywać się z maksymalną prędkością, dostępną dla systemów telefonii trzeciej generacji. Wynosi ona 2 Mbps.
Abonenci rozproszeni na nieco większej powierzchni (rzędu kilku kilometrów kwadratowych), przebywający np. w centrach handlowych, gęsto zaludnionych dzielnicach miasta itp., będą podlegali „jurysdykcji” mikrokomórki (microcell). Teoretyczna przepustowość łącza zestawionego w mikrokomórce wyniesie 2 Mbps, ale należy spodziewać się, że w rzeczywistości będzie niższa - ok. 384 kbps.
Aby połączyć osoby znajdujące się w odległych dzielnicach albo różnych miastach, powstaną większe struktury sieci - makro-komórki (macrocells); wreszcie do komunikacji na dystans rzędu dziesiątek, setek albo tysięcy kilometrów posłużą komórki światowe (world cells). Oczywiście nie należy oczekiwać, że w tym ostatnim przypadku jeden operator zbuduje sieć stacji bazowych, obejmującą cały glob. World cells będą miały inne zadanie -połączenie abonentów różnych sieci komórkowych, należących czasem do operatorów świadczących usługi w innych krajach i dysponujących urządzeniami transmisyjnymi zbudowanymi na bazie technologii innych niż UMTS. Podczas pracy w makrokomórkach albo World cells maksymalna prędkość transmisji danych wyniesie najwyżej 384 kbps.
UMTS ma zapewnić dostęp radiowy do globalnej infrastruktury telekomunikacyjnej. Dostęp ten ma być możliwy z dowolnego miejsca jak i w dowolnym czasie, za pośrednictwem segmentu naziemnego jak i satelitarnego zarówno dla użytkowników stacjonarnych jak i ruchomych, operujących w sieciach publicznych, korporacyjnych lub prywatnych. Oznacza to, że system UMTS jest systemem integrującym wszystkie systemy telekomunikacyjne. Zapewnia, więc globalne pokrycie zasięgiem swego działania oraz umożliwia dostęp do wszystkich sieci telekomunikacyjnych, czyli teleinformatycznych, radiowych i telewizyjnych. Z tych wszystkich faktów wynika bardzo ważna cecha: kompatybilność sprzętowa i protokolarna wszystkich naziemnych i satelitarnych.
System UMTS składa się z wielu bloków funkcjonalnych, które zostały podzielone na trzy podstawowe grupy:
- Sieć dostępu radiowego segmentu naziemnego - UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network),
- Sieć szkieletowa - CN (Core Networks),
- Wyposażenie abonenta - UE (User Equipment)
Współpraca między siecią dostępu radiowego UTRAN a wyposażeniem klienta odbywa się za pomocą interfejsu radiowego Uu, natomiast współpraca między radiową siecią dostępową a siecią szkieletową - za pomocą znormalizowanego interfejsu sieciowego Iu.
Zadaniem sieci UTRAN jest realizacja wszystkich procedur związanych z transmisją radiową. Sieć szkieletowa odpowiedzialna jest za funkcje połączeniowe w obrębie niej samej, jak i z sieciami zewnętrznymi oraz wykonuje procedury związane z realizowanymi usługami wraz z nadzorem nad abonentem będącym w ruchu. Wyposażenie użytkownika zapewnia poprzez system UMTS dostęp do abonenta do usług telekomunikacyjnych.
Z architektury komórkowej wynikają ponadto pewne zalety:
- Stacje ruchome o dużym stopniu mobilności mogą być obsługiwane w makrokomórkach, co powoduje redukcję częstości przenoszenia połączenia pomiędzy komórkami a zatem zmniejszenie obciążenia sieci sygnałami sterującymi
- Makrokomórki pokrywają miejsca trudne do pokrycia komórkami niższego rzędu,
- Makrokomórki dodają pewną nadmiarowość do systemu powodując wzrost jego niezawodności.
Pasmo w kilku częściach
Abonenci znajdujący się blisko siebie i pozostający w spoczynku otrzymają do dyspozycji szybsze łącza. Natomiast ci, którzy będą się poruszać i wymieniać dane na większych dystansach, muszą liczyć się ze spadkiem prędkości transmisji. Może to sugerować, że zasoby radiowe w sieci UMTS są wykorzystywane inaczej niż w przypadku sieci GSM. Tak też jest w istocie. System GSM korzysta z dwóch pasm radiowych o szerokości 25 MHz każde. Jedno z nich, leżące w zakresie 890-915 MHz, służy do transmisji sygnału od aparatu do stacji bazowej (tzw. up-link), a dzięki drugiemu (935-960 MHz) realizowane jest połączenie w przeciwnym kierunku (down-link).
Dla systemu UMTS przewidziano trzy różne pary pasm częstotliwości. Aparaty pracujące w każdym z nich mogą transmitować informacje z różną prędkością. Kiedy telefon działa w obrębie piko-komórki, pracuje w jednym z dwóch pasm o łącznej szerokości 35 MHz. Ten zakres ma być wykorzystywany głównie do transmisji danych - służy przede wszystkim do niesymetrycznej wymiany informacji (więcej bitów jest odbieranych niż nadawanych). Połączenia symetryczne (np. rozmowy telefoniczne) będą realizowane w jednym z dwóch 60-megahercowych pasm, obsługujących łączność na poziomie mikro- i makrokomórek.
Wymiana informacji na większą odległość będzie odbywała się w dwóch wydzielonych, 30-megahercowych pasmach. Dzięki nim stanie się możliwa komunikacja abonentów obsługiwanych przez różnych operatorów odmiennych czasami sieci. Także i w tym przypadku zazwyczaj będziemy mieli do czynienia z transmisją symetryczną.
Różnice w prędkościach transmisji w poszczególnych obszarach wynikają z zastosowania innych metod dzielenia pasma radiowego między wielu użytkowników. Te najbardziej zawodne - ale zarazem najszybsze - zarezerwowano dla wszystkich aparatów pracujących w pikokomórkach. Natomiast w mikro- i makrokomórkach zasoby są dzielone tak samo jak w sieci GSM. W efekcie dysponujemy wolniejszym, ale i bardziej niezawodnym łączem.
Na pierwszy rzut oka technologia UMTS jest tylko zwykłą implementacją cyfrowej telefonii komórkowej. Można odnieść wrażenie, że nowe aparaty nie pozwolą na wiele więcej niż te, którymi dysponujemy obecnie - ot, mamy do dyspozycji większą prędkość transferu. Jeśli z „komórką” zostanie zintegrowana cyfrowa kamera, będziemy mogli na żywo pokazać krewnym i znajomym miejsce, w którym obecnie przebywamy, uda się przeprowadzić wideokonferencję, przekazując obraz przyzwoitej jakości itd. Aparaty trzeciej generacji pozwolą na porozumiewanie się z abonentami sieci działających na terenie USA, w rejonie Azji i Pacyfiku i będą tam działały - jeśli los rzuci nas do Ameryki albo nad Ocean Spokojny.
Ale UMTS udostępni także całkiem nową usługę, dzięki której aparat telefoniczny stanie się czymś w rodzaju terminala informacyjnego. Otóż w sieci telefonii komórkowej trzeciej generacji każdy abonent będzie mógł przekazać operatorowi w miarę dokładną informację o tym, gdzie w danej chwili się znajduje. Pojęcie „w miarę dokładna” oznacza: ”w zasięgu konkretnej stacji bazowej”. Wprawdzie taka informacja jest przekazywana i obecnie (ponieważ operator sieci musi wiedzieć, gdzie „szukać” abonenta), ale z punktu widzenia posiadacza telefonu ze zdradzenia lokalizacji niewiele wynika. Zarejestrowanie się w sieci daje tyle, że osoba dzwoniąca na „komórkę” nie czeka długo na połączenie. W systemie UMTS dane o położeniu abonenta uda się wykorzystać bardziej efektywnie.
Wyobraźmy sobie, że w nieznanym mieście szukamy restauracji. Łączymy się ze specjalnym serwisem informacyjnym. Ten zawiera bazę danych restauracji, ale nie ogranicza się tylko do podania nam ich listy oraz adresów. Ponieważ serwis „wie”, gdzie obecnie się znajdujemy, wskaże np. tego McDonalds'a, do którego mamy najbliżej. Albo wyświetli fragment planu miasta, na którym zaznaczy, jak się tam dostać. Oczywiście przedstawioną usługę można udostępnić osobom poszukującym kin, rezerwującym bilety itp. - liczba i rodzaj serwisów zależą od operatora sieci. A temu na pewno będzie zależało na pozyskaniu jak największej liczby klientów. Możemy się zatem spodziewać, że telefony zaoferują nam takie funkcje, o których się filozofom nie śniło.
