Sítě 3G, jejich perspektivy, kmitočtová pásma

Transkript

1 1 Michael Kuboš Sítě 3G, jejich perspektivy, kmitočtová pásma Stejně tak jako první telefony byly považovány v minulém století za zázrak, bylo pohlíženo podobně i na jejich mobilní následovníky, když spatřily v tomto století světlo světa. Od technického zázraku, který existoval v hlavách velkých fantastů, vede cesta plná elektronických dobrodružství až do dnešních dnů, kdy už většina z nás bere mobilní telefon jako něco velmi samozřejmého. Mobilní telefony ze své první generace založené na analogové technologii, postupně dospěly do své druhé generace využívající již technologii digitální. V Evropě nejvíce rozšířená technologie GSM nastoupila svoje vítězné tažení počátkem 90. let. V České republice se skutečná historie GSM začala psát od roku 1996, kdy došlo k udělení licencí a k budování prvních sítí. Požadavky na komunikaci se stále zvyšují a tak vývoj jde neúprosně dál. Od stále menších, lehčích a hezčích telefonů očekáváme malé zázraky. Byly vynalezeny a zprovozněny nové technologie (HSCSD, WAP, GPRS atd.). Skok oproti původním sítím je v některých případech již tak velký, že někdy Obr. 1 Čas potřebný pro přenos datového bloku v závislosti na použité technologii hovoříme o sítích tzv. dvou a půlté generace. Podíváme-li se na vše podrobněji, zjistíme, že to, oč tu běží, je stále větší náročnost nových služeb na datovou kapacitu a propustnost sítě. Hrubé srovnání výkonnosti užívaných technologií je uvedeno v tabulce 1. Čas potřebný pro přenos datového bloku v závislosti na použité technologii znázorňuje graf na obr. 1. Telefony byly původně vytvořeny pro přenos hlasu. Po zvládnutí tohoto úkolu se přidaly další služby (SMS, Data, Fax, WAP) a současná technika dokáže i mnohem více. Dnešní sítě však na takovéto zatížení nebyly stavěny a tak se hledalo komplexní řešení. Tím mají být tzv. mobilní sítě třetí generace, zkráceně 3G. Sítě 3G Pro jejich technické označení se užívá zkratka UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Standardizace probíhá na půdě ETSI a stane se též specifikací IMT-2000 pro mezinárodní telekomunikační unii ITU (International Telecommunication Union). Prací okolo UMTS se zabývá sdružení UMTS-forum sdružující zástupce výrobců mobilní infrastruktury, operátorů, společností IT, konzultačních společností, vlád a dalších subjektů. UMTS je mobilní komunikační systém nabízející datové přenosy o velké rychlosti, který má umožnit komerčně dostupné doposud nevídané služby: videopřenosy v televizní kvalitě, přístup k Internetu, zábavu, globální roaming atd. Technické možnosti Telefon se již nepoužívá pouze k přenosu hlasu. Před pár lety jsme objevili užitečnost používání zpráv SMS. Ze služby původně zamýšlené pouze jako upozornění na vzkaz ve hlasové schránce se vyvinul nový způsobu komunikace, který již dnes bereme jako samozřejmost. Proč bychom však měli zůstávat u strohých SMS a relativně pomalých datových přenosů?

2 2 Michael Kuboš Požadavky na rychlý přístup k informacím se stále zvyšují. Z těchto potřeb plynou další požadavky na mobilní sítě, k nimž patří zejména: vysokorychlostní komunikační služby a datové přenosy, technická podpora pro nespojité přenosy IP (Internet Protocol) a pro spojité datové přenosy (videokonference), nové způsoby účtování za poskytnuté služby (objem dat, čas), vyšší kapacita sítě, nové technologie pro další rozšiřování sítě (každý uživatel bude potřebovat daleko více kapacity v porovnání s dnešní potřebou), současné datové a hlasové přenosy (uživatel bude moci například používat Internet a telefonovat zároveň bez potřeby druhého přístroje). Z technického hlediska by parametry sítí 3G měly splňovat následující kritéria: rychlosti datových přenosů 2 Mb/s pro stojící nebo pro pohybující se objekty do maximální rychlosti 10 km/h, datové přenosy s rychlostí 384 kb/s pro rychle se pohybující objekty (max. 120 km/h), integrace mobilní, pevné i satelitní komunikace, globální roaming s jedním přístrojem, použití frekvencí v pásmu 2000 MHz. Aplikace v sítích 3G Sítě třetí generace budou poněkud jiné konstrukce než dnešní druhá generace mobilních sítí nabídnou vyšší technické možnosti a zvládnutelné zatížení. Je však třeba říci, že spuštění sítě 3G neznamená automatické zrušení dnešních mobilních sítí. Přechodné období koexistence sítí druhé a třetí generace lze přirovnat k dnešnímu stavu v České republice. Zákazníci si mohou vybrat zda používat pokročilejší digitální síť standardu GSM nebo starší analogovou systému NMT. Oba typy sítí shodně nabízejí hlasové služby pro telefonování. Pokud však požadujete další pokročilé služby, nabízí vám jejich splnění pouze modernější síť. Velmi podobné to bude i v období nástupu sítí 3. generace. Některé nové služby se operátoři budou snažit umístit i do stávajících systémů, nicméně vše má své limity a později nezbude než opustit stávající architekturu a zamířit do budoucnosti. Jak se mnozí z nás mnohokrát přesvědčili, vše, co je nové a hezké, je zpravidla drahé, popř. dražší než zavedené a běžně dostupné. Pro sítě 3G nic nenapovídá, že se dočkáme výjimky potvrzující pravidlo. K prvním uživatelům sítí 3G budou jistě patřit profesionální manažeři, obchodníci, banky apod. Jejich hlavními aplikacemi bude rychlý a pružný přístup k firemnímu intranetu, ům, provádění bankovních operací atd. Mladá generace rozšíří své komunikační možnosti zasíláním multimediálních zpráv v oblasti zábavy a interaktivních her ve 3D, videopřenosů, nákupů přes mobilní telefony atd. Rodiče budou komunikovat s dětmi kdykoliv a kdekoliv, nakupovat přes mobilní telefony, využívat mobilních bankovních služeb atd. Senioři využijí možnosti v oblasti péče o zdraví, monitoringu zdravotního stavu s možností určování polohy atd.

3 3 Michael Kuboš Pro nové aplikace budou potřeba nové telefonní přístroje. Některé návrhy z dílen designérů a futurologů lze vidět na obrázcích, výstavách a veletrzích. Na jedné straně budou k dispozici malé lehké telefony, velmi podobné těm dnešním, které budou sloužit stále hlavně k telefonování. Takové, co se vejdou do dámské kabelky do divadla. Na druhé straně to budou telefony (pokud je ještě tak budeme nazývat) s velkým displejem, kamerou a dalšími možnostmi styku s reálným světem (jak naznačuje např. technologie Bluetooth). Přístroje s velkou pamětí pojmou data třeba jako vaše kreditní karta, bude s nimi možno platit buď přímo nebo jen zamáváním před snímačem u pokladny a odmáčknutím tlačítka pro potvrzení příslušné transakce. Hlavní rysy technologie sítí 3G Lokalizace polohy Zajímavou a pravděpodobně velmi využívanou bude služba lokalizace polohy mobilní stanice (tato služba již funguje v některých sítích 2G). Na požádání si síť sama zjistí vaši geografickou polohu (s přesností kolem 0,5 m) a tento údaj pak může být přístupný dalším aplikacím a návazným službám. Typickými příkladem je orientace na cestách. Systém zpracuje požadavky uživatele, zobrazí např. mapku na displeji telefonu i s vyznačením polohy, určí nejvýhodnější cestu atd. Lokalizovaný mobilní telefon pak bude možno propojit i se záchranným systémem. V případě zranění či jiné nehody odpadne složité domlouvání a přivolávání rychlé pomoci. Lékař se bude moci během cesty ze svého mobilního přístroje propojit s informačním systémem osahujícím příslušnou lékařskou dokumentaci a načerpat základní informace. S využitím videopřenosu se může po shlédnutí situace poradit o optimálním postupu do příjezdu do zdravotnického zařízení. Existuje ještě mnoho dalších aplikací, které čekají na své objevení. Datové přenosy Sítě 3G slibují (pokud se ovšem nepohybujeme příliš rychle) kromě jiného např. videopřenosy v televizní kvalitě s možností vidět volajícího, sledování televize a rozhlasu, interaktivní hry on-line s dalšími spoluhráči, download nových verzí, fantasticky rychlý Internet atd. Mobilní přístup k Internetu bude naprosto plnohodnotným přístupem, protože časem nutně dojde k setření rozdílu mezi přístupem z desktopu a z mobilního telefonu. Mobilní telefony však budou vyžívány primárně pro hledání informací, provádění transakcí. vyhledávání na Internetu však pravděpodobně zůstane doménou stolních PC. V roce 2000 byly mobilní sítě téměř z 90 % využívány pro telefonní hlasové přenosy. Zbytek připadl na přenosy dat. V roce 2003 překročí počet mobilních telefonů připojených k Internetu počet připojených osobních počítačů a již v roce 2005 bude hlasový přenos pouze doplňkem datových přenosů. Z nich zřejmě nejvýraznější podíl obstará mobilní Internet s 55% vytížením. Mobilní přístup k intranetu a extranetu zajistí bezpečný přístup k firemním datům bez ohledu na čas nebo místo pobytu uživatele.

4 4 Michael Kuboš Kmitočtová pásma systému UMTS UMTS je systém založený na kódovém oddělení přenášených kanálů používá přístupovou metodu WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access širokopásmová CDMA). Pro přenos využívají sítě UMTS dvou duplexních technik - přenosové módy FDD (Frequency Division Duplex) a TDD (Time Division Duplex). Varianta WCDMA-FDD používá frekvence: MHz pro downlink (vysílání z BS na UE) na obrázku pásmo č MHz pro uplink (vysílání z UE na BS) - na obrázku pásmo č.3 Varianta WCDMA-TDD používá frekvence, které jsou umístěny po stranách pásma WCDMA-FDD pro uplink: MHz na obrázku pásmo č.2 šířka pásma 20 MHz MHz na obrázku pásmo č.5 šířka pásma 15 MHz Část spektra je určena pro družicovou část systému UMTS - MSS (Mobile Satellite Service - Mobilní družicová služba): MHz na obrázku pásmo č MHz na obrázku pásmo č.7 Pro systém DECT, který je v Evropě provozován, je rezervováno pásmo MHz na obrázku pásmo č.1. Duplexní techniky použité systémem UMTS jsou vhodné pro různé druhy přenosu. Časově dělený duplex TDD (nepárová pásma ) je vhodný pro asymetrické vysokorychlostní datové přenosy a pokrytí hlavně uvnitř budov.

5 5 Michael Kuboš Frekvenční duplex FDD (párová pásma ) je zase vhodnější pro velkoplošné pokrytí a symetrické středně rychlé datové služby, ale je mnohem náročnější na regulaci výkonu na straně mobilního telefonu i základnové stanice. Pozn.: Duplexní techniky jsou podrobněji rozebrány v kapitole o DS-WCDMA-FDD a DS-WCDMA-TDD. Systém UMTS je evropská varianta IMT Na následujícím obrázku je naznačeno obsazení spektra pro systémy 3G, jak jej doporučuje ITU (doporučení WRC-92) a obsazení spektra v jednotlivých částech světa. Nejproblematičtější je situace v USA, kde je část spektra vyhrazená pro systémy 3G již obsazena systémy 2G PCS (Personal Communication System osobní komunikační systém). Zde se počítá s nasazením technologie EDGE, která umožní přenos multimedií a většího objemu dat. Tím bude učiněn krok k systémům 3G. Drobné omezení spektra je rovněž v Japonsku, kde dolní konec spektra v rozsahu 1893,5 1919,6 MHz používají PHS systémy (Personal Handyphone System osobní systém pro příruční telefony). Spektrum IMT-2000 v důležitých oblastech světa Použitá literatura: