České vysoké učení technické Fakulta elektrotechnická Semestrální práce z předmětu 37MK UMTS Rychlík Ondřej
Úvodem Od roku 1986 pracoval ITU na definici nového systému, který umožňuje celosvětový roaming založený na existenci jedné univerzální mobilní sítě používající celosvětově stejné frekvenční pásmo. Tento systém je pojmenován celosvětově IMT-2000, v Evropě jako UMTS. U tohoto systému hraje mimo jiné hlavní roli již zmíněná vysoká rychlost přenosu dat a služby podporující Internet (viz požadavky na sítě 3G v příloze). Popis sítě UMTS UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) je mezinárodní standard vyžívající standardně frekvenční spektrum od 1885 MHz do 2025 MHz nebo od 2110 MHz do 2200 MHz. Jeden kanál má přesně definovanou šířku 5 MHz. UMTS se někdy také nazývá WCDMA (Wideband CDMA). Je to v základu totéž, ale toto označení zahrnuje i japonskou síť FOMA společnosti NTT DoCoMo, která s UMTS kompatibilní není. Sítě UMTS mají velmi podobnou strukturu jako sítě GSM. Základnová stanice v UMTS se stále může nazývat BTS nebo BS (Base Station), nicméně obecně používané pojmenování je Node B. Každý Node B je pak připojen k RNC (Radio Network Controller), což je obdoba BSC (Base Station Controller) v sítích GSM. Několik Node B a jedno RNC pak dohromady vytváří RNS (Radio Network System) neboli radiovou část sítě UMTS. Zásadním rozdílem oproti sítím GSM je, že zatímco GSM sítě mají pokrývat obvykle celé území daného státu, tak sítě UMTS budou budovány formou malých ostrůvků, které budou pokrývat místa, kde je o UMTS zájem - tedy velká města. Tyto ostrůvky ale nebudou - alespoň zpočátku - mezi sebou propojeny a pokrytí UMTS tedy nebude spojité. Uživatel UMTS, který vyjede z oblasti obsluhované daným RNS bude moci dále využívat některé (popravdě, chybět bude asi jen videotelefonie) ze služeb operátora, a to v jeho GSM síti. Každý tento ostrůvek je tedy obsluhován jedním RNS. Všechny RNS dané UMTS sítě pak dohromady tvoří radiové rozhraní sítě UMTS UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). Standard UMTS má dvě varianty - UMTS R99 (první UMTS standard) a jeho upravenou variantu UMTS R4. UMTS R99 pracuje s downlinkem o rychlosti 384 kbps (reálně do 200 kbps) a uplinkem 64 kbps. UMTS R4 ale pracuje s downlinkem o rychlosti 384 kbps (reálně okolo 300 kbps) a uplinkem také 384 kbps (reálně to záleží dost na použitém přístroji a kvalitě signálu, teoreticky lze dosahovat i na uplinku těch 300 kbps). Rozdíl mezi R99 a R4 je ovšem také v latencích, zatímco R99 je na úrovni lepšího GPRS tedy okolo 400 až 500 ms, tak R4 se pohybuje okolo 200 ms, tedy na o něco horších hodnotách než CDMA2000 1xEV-DO. 2
Struktura systému UMTS Systém je obecně rozdělen na dvě hlavní části : Rádiová přístupová síť RAN (Radio Access Network), která zabezpečuje přístup mobilního uživatele k páteřní síti pomocí rádiového prostředí. V porovnání se systémem GSM se jedná o obdobu subsystému základnových stanic. Páteřní síť CN (Core Network) nebo také jádro sítě, které provádí spojovací funkce (propojení účastníků, směrování paketů), udržuje a aktualizuje důležité uživatelské informace (poloha, bezpečnost, účtování) a zajišťuje spojení do dalších sítí (ISDN, X.25, PSTN, Internet,...). Obdobou v síti GSM je síťový spojovací subsystém NSS. Hlavní funkcí CN je spojování hovorů a směrování paketů. Existuje několik možných provedení CN, jednotným požadavkem však je dostatečná přenosová kapacita. Součástí této páteřní sítě jsou také databázové funkce a funkce síťového managementu. Přístupová síť UTRAN je částí systému, se kterým prostřednictvím rádiového rozhraní komunikují jednotlivé uživatelské terminály. Samozřejmě ani v systému UMTS není možná komunikace jednotlivým mobilních stanic přímo mezi sebou. Na nejvyšší úrovni bude použita ATM páteřní síť CN, dále pak směrem k uživatelům radiová přístupová síť UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network), a konečně uživatelé budou přistupovat k UMTS síti pomocí uživatelských terminálů UE (User Equipment). Mezi těmito entitami byly definovány rozhraní Iu (mezi CN a UTRAN) a Uu (mezi UTRAN a UE). V porovnání se systémem GSM páteřní síti (jádru) CN odpovídá síťový spojovací subsystém NSS. Subsystém základnových stanic BSS systému GSM odpovídá subsystému radiové sítě RNS (Radio Network Subsystem). Každý RNS obsahuje jeden RNC, přičemž každý RNC ovládá několik základnových stanic BS. Mezi RNC a BS bylo definováno rozhraní Iub. Novým prvkem, který v GSM nefiguroval, je rozhraní Iur mezi jednotlivými RNC (slouží k signalizaci mezi jednotlivými RNC). Díky tomuto rozhraní bude RAN schopná kompletně zajistit management rádiové sítě a nebude tím pádem vznášet dál požadavky na transportní část sítě. Při každém uskutečněném spojení pracuje jeden subsystém RNS jako tzv. Serving RNS (obsluhující). Jedná se o RNS, který v průběhu spojení komunikuje s CN. V případě přechodu účastníka do oblasti jiného RNS, slouží tento nový RNS jako tzv. Drift RNS. Úkolem Drift RNS je podpora pro Serving RNS tím, že dodává rádiové prostředky v době, kdy spojení mezi UTRAN a mobilním terminálem vyžaduje použití buněk, kontrolovaných tímto RNS. V případě, že Drift RNS má přímé připojení k CN, může později převzít úlohu Serving RNS. 3
Strukturu sítě UMTS ilustruje následující obrázek : Struktura sítě UMTS Přístupová síť má stejně jako GSM buňkovou strukturu. Využívá 4 typy obsluhovaných oblastí. Nejmenší oblast představuje pikobuňka (picocell) o poloměru 10-50 m, která se používá obvykle uvnitř budov a poskytne přenosovou rychlost do 2 Mbit/s. Mikrobuňka (microcell) o poloměru 300-500 m uvnitř městské zástavby poskytne přenosovou rychlost do 384 kbit/s. Mikrobuňka o poloměru 2-4 km poskytne služby s přenosovou rychlostí do 144 kbit/s. Makrobuňka (macrocell) o poloměru 5-6 km v příměstské oblasti poskytne služby do 144 kbit/s. Všechny uvedené typy buněk je možné použít i ve venkovských oblastech, které však budou v první fázi rozvoje UMTS pokrývány mobilními systémy druhé generace, později družicovou složkou systému UMTS. 4
Představa ITU o struktuře systému UMTS je zachycena zde: Architektura sítě UMTS Z tohoto členění je patrné, že uživatel může být obsluhován buňkou z kterékoliv úrovně. Každá úroveň má však za úlohu pokrýt jiný typ uživatelů (co se týče mobility a požadované přenosové rychlosti). Jestliže máme například chodce obsluhovaného mikrobuňkou, tak tento uživatel nám může například nasednout do auta. Systém následně na základě určení rychlosti (např. podle toho, jak často musí provádět handover) přepne obsluhu buňce do vyšší úrovně makrobuňce. 5
Co UMTS nabízí? UMTS významně větší kapacitu než GSM, umí dynamicky měnit velikost buňky a nabízí i o něco lepší kvalitu hovoru. Nicméně kvůli tomu si UMTS pořizují operátoři jen zřídka. Další službou, kterou v našich končinách nabízí pouze UMTS, je videotelefonie. Použitelnost této služby je poněkud sporná, protože při jejím využívání pochopitelně nemůžete držet telefon u ucha. To znamená, že zároveň potřebujete buď hlasité handsfree, které ale můžete použít jen v tichém prostředí nebo náhlavní soupravu, kterou zase obvykle moc lidí s sebou nenosí. Poslední z nabízených služeb jsou samozřejmě paketové datové přenosy, které jsou, aspoň teoreticky, o něco rychlejší než v sítích GSM/GPRS/EDGE. Přenosová rychlost se ale u UMTS velmi podstatně liší v závislosti na rychlosti pohybu. I když zde je poměrně důležité rozlišovat UMTS R99 (tedy první UMTS standard) a jeho upravenou variantu UMTS R4. U obou ale platí premisa, že pomalu se pohybující objekty mohou využívat rychlost maximálně 384 kbps a rychle se pohybující objekty (nad 120 km/h) mohou dosahovat rychlosti maximálně 144 kbps. Jednou z velkých výhod UMTS je možnost handoveru (tj. předání probíhajícího hovoru) mezi GSM/GPRS/EDGE a UMTS částí sítě. V ideálních podmínkách tak budete v místech pokrytých signálem UMTS připojeni k internetu přes UMTS a v místech, kde UMTS není, budete používat pomalejší GPRS. UMTS dělá z hlediska běžného uživatele zajímavý také fakt, že v okamžiku, kdy si chcete zavolat a GSM síť je přetížená, může vás automaticky přemístit do UMTS, kam se vejde více hovorů a kde se také dá s kapacitou ještě trochu "kouzlit". Problémy s odesíláním SMS a s voláním na Štědrý večer a Silvestra tak může UMTS poměrně elegantně vyřešit (za předpokladu, že v jádru sítě a na páteřních spojích je dostatečná kapacita). Mezi největší nevýhody sítě UMTS patří již zmiňované nízké pokrytí. To je díky nákladům na zřízení a provoz zajišťováno především ve velkých městech. 6
Příloha Požadavky na systém 3G Definice a standardy 3G byly telekomunikační unií vytvářeny na základě následujících požadavků: Požadavky uživatelů na služby: zvýšení kvality hlasových služeb (až na úroveň CD kvality) poskytování datových kanálů a přenosovou rychlostí až do 2 Mbit/s poskytování služeb paketových sítí poskytování několika připojení souběžně (pro získání různých služeb najednou) možnost posílat multimediální zprávy a přenos velkých objemů dat jednotný přístupový bod ke službám nízká cena služeb možnost platby za množství přenesených dat a za kvalitu poskytnutých služeb Požadavky uživatelů na vlastnosti systému: vysoké zabezpečení proti odposlechu a proti neoprávněnému získávání dat třetí osobou národní a mezinárodní roaming (mobilita terminálů) uživatelská mobilita - možnost přístupu do sítě přes libovolný vhodný terminál (založené na použití účastnických karet podobné jako SIM v GSM) jeden společný účet pro různé služby Požadavky uživatelů na terminály: malá hmotnost a relativně nízká cena snížení vysílacího výkonu mobilních terminálů zvýšení doby hovoru a pohotovostního režimu na jedno dobytí baterie mobilní terminály musí být schopné pracovat s různými radiovými rozhraními (vícepásmové) integrace různých elektronických zařízení (multimediální telefon s kamerou a obrazovkou, fax, GPS, atd.) 7
stejné uživatelské prostředí nezávislé na síti a poloze terminálu Požadavky operátorů a výrobců na systém: efektivnost využití spektra flexibilita systému při implementaci nových služeb možnost evoluce ze systémů 2G obousměrná kompatibilita jednotlivých standardů 3G 8 8