UMTS pod drobnohledem

Konec loňského roku přinesl České republice spuštění dvou sítí UMTS, jedné ve variantě TDD od T-Mobile a druhé ve...


Konec loňského roku přinesl České republice spuštění dvou sítí UMTS, jedné ve
variantě TDD od T-Mobile a druhé ve variantě FDD od Eurotelu. Letošní rok bude
znamenat navíc i příchod řešení UMTS od Vodafonu a také HSDPA do sítí Eurotelu
a Vodafonu. Příští rok se pak můžeme těšit na HSUPA. Že nevíte, co všechny ty
zkratky přesně znamenají? Následující řádky by vám v orientaci měly napomoci.


Než začneme s podrobnějším výkladem, je vhodné si stanovit, co lze pod pojmem
sítě 3. generace neboli 3G chápat. Mnoho lidí si pod 3G automaticky představí
pouze sítě UMTS FDD (viz níže). Nicméně patří sem také UMTS TDD (provozované u
nás společností T-Mobile), dále CDMA2000 1xEV-DO Rev. 0 (v Česku provozované
společností Eurotel) či Flash-OFDM (nasazené slovenským T-Mobilem). Pod sítě 3.
generace lze přitom v podstatě zahrnout všechny digitální mobilní sítě
umožňující rychlé datové přenosy, přičemž pojem "rychlé" znamená podporu
přenosových rychlostí alespoň 384 Kb/s směrem k uživateli. Portfolio
existujících standardů pak doplňuje i japonská síť FOMA využívající W-CDMA či
čínská TD-SCDMA.

Frekvence pro UMTS
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) je technologie univerzální
proto, že podobně jako GSM využívá jen jasně vymezený frekvenční rozsah, který
by měl být stejný všude na světě. Nicméně (podobně jako tomu bylo u GSM) v USA
je tomu jinak. Budeme-li se bavit o té rozšířenější (evropské) variantě UMTS
FDD, pak pro uplink neboli směr přenosu dat od uživatele se využívá pásmo 1
920-1 980 MHz, pro downlink, neboli směr k uživateli je to pak 2 110-2 170 MHz.
Pro družicový provoz UMTS, který se zatím nikde nepoužívá, to je pro uplink
frekvenční rozsah 1 980 až 2 010 MHz a pro downlink 2 170 až 2 200 MHz. Pro
UMTS TDD jsou pak vyhrazeny frekvence 1 900 až 1 920 MHz a 2 010-2 025 MHz.
Jeden kanál je široký 5 MHz a přístup k němu je mezi uživatele rozdělován
metodou CDMA (Code Division Multiple Access). Všichni uživatelé tak mohou
komunikovat najednou na jediném kanálu, přičemž jednotlivé datové toky jsou od
sebe rozlišovány na základě pseudonáhodného kódu, kterým je "skramblován"
signál dané mobilní stanice. Skramblování je přitom proces, kdy se binární
posloupnost sčítá s binární pseudonáhodnou posloupností v matematice modulo 2
(tj. 1 + 1 = 0, 1 + 0 = 0 + 1 = 1 a 0 +
+ 0 = 0). Tento kód je následně vyslán, přičemž deskramblovat (tj. opět jej
sečíst s danou pseudonáhodnou posloupností v matematice modulo 2) je jej možné
pouze tehdy, pokud onu zmíněnou pseudonáhodnou posloupnost víte. Tu základnová
stanice znát musí. Vzhledem ke značné šířce kanálu se pro UMTS také někdy
používá označení W--CDMA. Toto označení ovšem používá i japonská síť FOMA,
která využívá v zásadě podobné principy jako UMTS, nicméně s UMTS kompatibilní
není.
Varianty UMTS TDD a FDD se vzájemně liší podle toho, zda mobilní stanice
(například UMTS telefon, PCMCIA karta, modem apod.; dále ji budeme označovat
MS) používá ke komunikaci se základnovou stanicí (V UMTS sítích nazývanou jako
Node B) pouze jeden kanál, ale v různém čase, anebo používá dva odlišné kanály,
přičemž každý z nich je možné využívat nepřetržitě. Varianta TDD (Time Division
Duplex) umožňuje využívat například kanál 1 900-1 905 MHz jak pro komunikaci MS
" Node B, tak ke komunikaci Node B " MS, s tím, že jednotlivé směry se střídají
v čase. Celá komunikace je tak de facto poloduplexní (v daném čase smí vysílat
pouze jedna strana). U FDD neboli Frequency Division Duplex se pro komunikaci
MS " Node B využije například kanál 1 980-1 985 MHz a pro komunikaci Node B "
MS pak 2 110-2 115 MHz. MS a Node B ale mohou vysílat zároveň, a provoz tedy
může být plně duplexní.

Power Control
Využívání technologie CDMA, obzvláště pak v tak širokém kanálu jako v případě
UMTS, ovšem s sebou nese i jisté problémy. Základnová stanice je totiž jenom
jedna, zatímco MS je v jejím dosahu hned několik, a ona musí zvládnout
komunikovat se všemi najednou. Zatímco komunikace Node B " MS je vcelku
zvladatelná, neboť jednotlivé MS jsou od sebe obvykle poměrně daleko, příchozí
komunikace od MS již tak jednoduše zpracovatelná zdaleka není.
Představte si, že základnová stanice je řekněme posluchač, a jednotlivé MS
hudební aparatury, z nichž jedna hraje rock, druhá vážnou hudbu a třetí
například pop. I přesto, že tyto žánry jsou poměrně odlišné, je možné
jednotlivé skladby identifikovat. Půjde to ale pouze tehdy, pokud budou všechny
aparatury hrát dostatečně hlasitě na to, aby je mohl příslušný posluchač
slyšet, ale ne zase příliš nahlas, aby jedna nepřehlušila druhou. Pokud navíc
jedna aparatura bude hrát hlasitěji než ostatní, půjde rozpoznat tišší skladby
hůře než tu hlasitější.
Stejný problém řeší Power Control neboli řízení výkonu v případě UMTS. PCC
(Power Control Command) je pro Node B něco jako dálkové ovládání od všech
zmíněných aparatur. Node B si pomocí něj upravuje výkon jednotlivých MS, díky
čemuž jim pak lépe rozumí a může s nimi také rychleji a přesněji komunikovat.
PCC tedy v UMTS významným způsobem ovlivňuje přenosovou rychlost, o které tu
bude ještě řeč.

Podobná skladba
Struktura sítě UMTS může pro mnohé laiky být velkým překvapením. Málokdo totiž
tuší, že sítě UMTS jsou v podstatě pouze novým rádiovým rozhraním přidaným ke
stávající GSM/GPRS síti. Drtivá většina operátorů UMTS sítí totiž již vlastní
GSM/GPRS síť. Zavedení UMTS pro ně tak bylo pouze doplněním stávající sítě o
tzv. UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). Rozhraní UTRAN se přitom
skládá ze dvou částí Node B, které obstarávají rádiovou komunikaci s MS, a z
RNC (Radio Network Controller), ke kterému jsou Node B připojeny a které tuto
komunikaci řídí. RNC je pak také propojeno se stávajícími prvky GSM a GPRS
sítě. Proto je dobré si zopakovat, z čeho se tyto sítě skládají.
GSM síť se skládá v zásadě ze dvou částí Base Station Subsystem a z tzv. jádra
sítě. BSS je podobně jako UTRAN tvořeno základnovými stanicemi BTS (Base
Transciever Station) a jejich kontroléry BSC (Base Station Controller). BTS se
starají o zabezpečení rádiové komunikace s MS a BSC tuto komunikaci řídí. Jádro
sítě je pak společné jak pro GSM tak UMTS. Naleznete v něm především MSC
(Mobile Switching Center), což je v podstatě telefonní ústředna, k níž vedou
datové spoje jak od BSC (pro GSM síť), tak od RNC (pro UMTS FDD). V případě
UMTS TDD k MSC nic nevede, neboť tato síť podporuje pouze datové přenosy
(hlasové nikoliv) a datové služby na bázi přepojování okruhu. MSC je v síti
obvykle několik, přičemž nejméně jedno z nich je GMSC (Gateway MSC), což je MSC
obstarávající komunikaci s ostatními sítěmi. MSC v sobě obsahuje dva další
prvky GSM sítě DTI (Data Transmission Interface), což je modul zajišťující již
zmiňované datové služby na bázi přepojování okruhů (CSD, Circuit Switched
Data), a VLR (Visitor Location Register). VLR je pak spojen s další částí sítě,
která obsahuje důležité databáze (viz níže). MSC je také propojeno s SMSC (SMS
Center), které obstarává službu krátkých textových zpráv pro GSM a UMTS FDD
sítě.
GPRS síť je v podstatě samostatnou sítí uvnitř GSM a UMTS sítě a dokonce se k
ní musí i zvlášť přihlašovat (tj. je možné mít zapnutý telefon a být přihlášený
buď pouze k GSM síti, či pouze k GPRS síti, anebo k oběma najednou). Jejím
úkolem je obstarávat paketové datové přenosy. Jedním ze základních prvků GPRS
sítě je GGSN (Gateway GPRS Support Node), což je brána propojující GPRS síť
operátora s ostatními IP sítěmi (tedy i s internetem). Každé GGSN je propojeno
s jedním či několika SGSN (Serving GPRS Support Node). To je také
nejdůležitější součástí GPRS sítě, neboť zprostředkovává spojení mezi GPRS sítí
a sítěmi GSM a UMTS. SGSN řídí GPRS provoz v dané části sítě a zároveň se také
stará o účtování datových přenosů, neboť je propojeno s BGW (Billing Gateway)
viz dále. V GSM síti je pak GPRS síť zakončena v PCU (Packet Control Unit), což
je zásuvný či přídavný modul k BSC. Do GPRS sítě ale také patří MMSC (MMS
Center) a PoC Server (Push to Talk-over-Cellular server), který zajišťuje
službu PTT pro GPRS a UMTS sítě.

Nutné databáze
Jádro sítě, které je společné jako pro GSM, GPRS a UMTS síť obsahuje řadu velmi
důležitých databází. První z nich je HLR (Home Location Register), což je
databáze všech účastníků dané sítě obsahující údaje o všech IMSI (International
Mobile Subscriber Identity unikátní identifikační číslo SIM karty) a k nim
přidělených telefonních čísel, nastavení jednotlivých služeb pro dané účastníky
apod. (U)SIM (UMTS Subscriber Identity Module) karta ale obsahuje pouze IMSI a
nikoliv telefonní číslo. Díky tomu je možné třeba využívat dvě SIM karty se
stejným telefonním číslem anebo dvě telefonní čísla na jedné SIM kartě na
základě této vlastnosti je také možné bez problémů získat při ztrátě SIM karty
novou kartu s původním telefonním číslem. Výše jsme se zmínili o VLR. To je
rovněž databáze, tentokrát ale umístěná přímo v srdci MSC. VLR obsahuje
zkopírované záznamy z HLR o všech MS, které se v danou chvíli nacházejí v
oblasti, již příslušné MSC obsluhuje. Díky tomu je možné spojovat hovory, SMS
či MMS zprávy rychleji, než kdyby každý požadavek na komunikaci s MS musel
procházet přes HLR.
Další databází je pak AuC (Authentication Center), která je propojena s HLR a
slouží k ověřování totožnosti přihlašovaných účastníků GSM, GPRS a UMTS sítě.
Velice důležitá je také brána BGW (Billing Gateway), která je taktéž propojena
s HLR a stará se o účtování všech služeb využívaných ve všech zmíněných typech
sítí.
Další součástí sítě může být také IMS (IP Multimedia Subsystem), což je server
propojený s UMTS a případně GPRS sítí, jenž zajišťuje nejrůznější služby
poskytované přes IP protokol. Může jít například o stahování audiovizuálního
obsahu, IP telefonii, streaming apod. IMS může být navíc společné jak pro
mobilní, tak i pro pevnou síť tedy mimo jiné pro xDSL i UMTS služby a díky tomu
je možné třeba pro obě sítě nabízet společné služby (tak je tomu třeba ve
Španělsku v případě mobilní sítě Movistar a pevné sítě Telefónica).

Propojení s GSM
Propojení UMTS sítě s existujícími sítěmi, respektive zavedení nového rádiového
rozhraní UTRAN do GSM/GPRS sítě, má za následek jeden velice pozitivní fakt
tam, kde dosud není UMTS pokrytí (anebo tam ani nebude), lze využít i pokrytí
signálem GSM/GPRS. To ale zároveň přináší nejpalčivější problém každé UMTS sítě
plynulý přechod mezi oběma sítěmi. V případě přechodu mezi UMTS a GPRS to až
tak zásadní není. Pokud jste totiž na pokraji UMTS pokrytí, tak dokud je ještě
k dispozici připojení přes UMTS, pakety vám posílá primárně tato síť. Jakmile
ale vyjedete z uvedeného pokrytí, další pakety přijdou od GPRS sítě, která je
však významně pomalejší. Mnohem náročnější a většinou ne zcela dopracovaný je
přechod mezi UMTS a GSM sítí při právě probíhajícím hovoru. Hovor, který jde po
trase MSC-RNC-Node B totiž musí být ve velmi krátké době přepnut na trasu
MSC-BSC-BTS, přičemž zároveň MS se musí přeladit z UMTS pásma do GSM pásma a
navíc začít namísto UMTS signálu dekódovat GSM signál. Přitom se ještě musí
"trefit" do nějakého volného timeslotu (elementární přenosová jednotka u
technologie TDMA, Time Division Multiple Access, využité v sítích GSM). Jeden
timeslot trvá zhruba 0,577 ms a vysílá se jednou za 4,616 ms. Vzhledem ke
složitosti operace se to ne vždy povede a hovor se při takovémto přechodu
přeruší. Podstatné je ovšem to, aby se tato událost nestávala příliš často.
Stejný problém se samozřejmě vyskytuje i při přechodu z GSM do UMTS sítě, i
když každý rozumný operátor takovéto přechody pokud možno raději neprovádí.

UMTS a rychlosti
Zatím tu byla řeč o tom, jak UMTS funguje, ale nikoliv o tom, co umí. UMTS TDD
(v implementaci od IPWireless, kterou má například český T-Mobile) ovládá pouze
paketové přenosy, UMTS FDD ovládá kromě paketových přenosů také hlasové hovory,
videohovory a připojení metodou přepojování okruhů o rychlosti 64 + 64 Kb/s (to
je využíváno právě pro zmíněné videohovory). Pro ty, co se chtějí připojovat
přes UMTS k internetu, jsou patrně nejdůležitější paketové datové přenosy.
Jejich přenosová rychlost je ale u UMTS FDD R99 značně závislá na rychlosti
pohybu. Důvodem je výše zmiňovaný Power Control. Ten při vyšších rychlostech
pohybu snižuje přenosovou rychlost i pod 100 Kb/s. U novějších typů UMTS už to
je o něco lepší. UMTS TDD, UMTS FDD R5 pro downlink, a UMTS FDD R6 dokonce ani
pro uplink Power Control nepoužívá, takže závislost na rychlosti pohybu je již
významně nižší.
Jak můžete vidět z přiložené tabulky, spolu s nástupem UMTS FDD R5 a UMTS FDD
R6 přicházejí i vyšší rychlosti pro downlink a uplink. Je to díky technologiím
HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) a HSUPA (High Speed Uplink Packet
Access). HSDPA je technologie, jejíž implementace je rozdělena de facto do čtyř
fází. HSDPA Phase 1 je implementováno do UMTS FDD R5, HSDPA Phase 2 je pak
implementováno do UMTS FDD R6, a to spolu s HSUPA Phase 1. U HSUPA sice již
nyní existuje představa, jak by měla vypadat Phase 2, ale doposud nedošlo k
příslušné standardizaci. Lze snad jen říci, že HSUPA Phase 2 by měla přinést
rychlost uplinku až 5,8 Mb/s. Dosahované přenosové rychlosti u UMTS TDD, UMTS
FDD R5 a UMTS FDD R6 se liší i podle verze čipu použitého v MS.
UMTS TDD má již HSDPA a HSUPA implementováno od své první verze. Zatím však
nejsou k dispozici čipy, které by jej uměly dostatečně efektivně využívat, což
by se mělo během letošního roku změnit.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.