Wstęp

Systemy telefonii pierwszej generacji NMT (Nordic Mobile Telephony) powstały w latach 80-tych. Były one analogowe, czyli działały bez cyfrowego przetwarzania i bez kompresji sygnałów mowy. Pomimo swojej niedoskonałości, pierwsze systemy rozbudziły zapotrzebowanie na nowe usługi telekomunikacyjne. Konsekwencją było opracowanie tzw. systemów drugiej generacji, do których należy m.in. obecnie działający system GSM (Global System for Mobile Communication) w częstotliwościach 900,1800,1900 MHz [5].

GSM jest obecnie najbardziej rozpowszechnionym systemem telefonii komórkowej na świecie. Usługi telefoniczne stanowią 97% ruchu w sieciach, ale dostępne także są usługi transmisji danych i telefaksowe, realizowane z prędkością 9,6 kbit/s [1].

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) jest to system komunikacji ruchomej i bezprzewodowej trzeciej generacji i podobnie jak GSM, będzie wdrażany stopniowo. UMTS zaprojektowano jako ewolucyjny i otwarty system, co pozwoli na wykorzystanie nowych możliwości technicznych także GSM.

Pomostem pomiędzy UMTS a GSM jest faza GSM2+, która zakłada kilka następujących etapów:

• transmisje GPRS (General Packet Radio Service), czyli pakietowe przesyłanie danych,
• wprowadzenie standardu CAMEL, który umożliwia korzystanie z pełnego pakietu usług podczas przebywania za granicą [1].

Rys. 1. Przykład telefonu wykorzystywanego w trzeciej generacji [6].

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 [5]. UMTS będzie umożliwiał pełny dostęp do palety multimediów, niezależnie od czasu i miejsca pobytu.

Telefonia trzeciej generacji (3G) powiększy możliwości komunikacji i będą one dostępne prawie we wszystkich dziedzinach naszego życia. Dzięki możliwości komunikacji z Internetem jaką daje nam technika UMTS (już dostępna również w GSM2+), system będzie mógł korzystać z 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). Gdy zapragniemy, możemy na wyświetlaczu terminala zażyczyć sobie wyświetlenia mapy z miejscem naszego położenia i punktem docelowym. Powstaną interaktywne usługi lokalne takie jak np. oglądanie repertuaru właśnie mijanego kina i rezerwacja biletu na seans. Będzie można zestawić wideo połączenie, 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. Istniejąca już transmisja GPRS jest pomostem miedzy GSM a UMTS, w której również płaci się za ilość odebranych i wysłanych informacji.

Tak więc wideo-telefon, wideo-konferencje, system nawigacji i lokalizacji, gazeta elektroniczna, muzyka i wideo na żądanie, serwis informacyjny oraz wiele innych usług będą miały multimedialne zastosowanie w technice UMTS [5].

Historia rozwoju 3G

Harmonogram wdrożenia do życia UMTS w Europie przewiduje przede wszystkim rozwiązanie kwestii koncesji dla operatorów sieci nowej generacji i zarezerwowanie odpowiednich podzakresów częstotliwości. W 1992 r. na Światowej Konferencji Radiokomunikacyjnej przeznaczono na te cele pasma o częstotliwości 1920-1980 MHz i 2110-2170 MHz. Globalny zasięg zapewni użytkownikowi UMTS ciągłość usług niezależnie od jego miejsca pobytu oraz sieci, z której będzie korzystał. Terminale abonenckie będą wielosystemowe i zgodne z różnymi standardami [1].

Badania nad koncepcją, architekturą i częściami składowymi uniwersalnego systemu radiokomunikacji ruchomej i bezprzewodowej UMTS prowadzone były od końca lat osiemdziesiątych w ramach programu Unii Europejskiej RACE (Research into Advanced Communications in Europe) a następnie kontynuowane w ramach programu ACTS (Advanced Communications Technologies and Services). Specyfikacja techniczna nowego systemu UMTS pozostaje w gestii specjalnej grupy d/s radiokomunikacji ruchomej ETSI (European Telecommunications Standard Institute).

Równolegle do prac nad systemem UMTS prowadzone są badania i działalność standaryzacyjna nad wprowadzeniem uniwersalnego systemu radiokomunikacyjnego przez Międzynarodową Unię Telekomunikacyjną (ITU - International Telecommunication Union). Systemowi temu nadano nazwę IMT-2000 (International Mobile Telecommunications - 2000) [3].

Założenia systemu UMTS

Działanie w różnych "środowiskach" - naziemna część systemu UMTS będzie działać w różnych środowiskach począwszy od terenu wiejskiego a skończywszy na wnętrzach budynków. Zakłada się zatem istnienie trzech typów komórek: piko-, mikro- i makro- komórek z właściwymi im warstwami fizycznymi systemu. Segment satelitarny systemu UMTS będzie stanowił uzupełnienie części naziemnej na obszarach o małej gęstości ruchu telekomunikacyjnego lub zacofanej infrastrukturze. W konsekwencji cały system UMTS powinien mieć zasięg globalny.

Wybór rodzaju transmisji dupleksowej - z przydzielonych dla systemu UMTS oraz IMT-2000 przez konferencję WARC'92 dwóch pasm o nierównej szerokości wynika konieczność zastosowania zarówno transmisji dupleksowej z podziałem czasowym jak i częstotliwościowym .

Zapewnienie odpowiednich usług - UMTS ma za zadanie zapewnić szeroką gamę usług począwszy od transmisji mowy aż do szybkiej transmisji danych. Część ruchu może być asymetryczna w obu kierunkach. System powinien być tak zaprojektowany, aby w przyszłości można było dogodnie wprowadzać nowe usługi. W tym celu system dostępu radiowego powinien zapewniać zbiór jednokierunkowych połączeń oparty na niewielu podstawowych typach transmisji radiowej.

Zestaw oferowanych usług będzie zależał od operatora sieci i będzie modyfikowalny przez abonenta. Przewiduje się również zastosowanie idei UPT (Universal Personal Telecommunications), w myśl której abonent posiada swój specyficzny i jedyny numer, niezależnie od sieci, z której aktualnie korzysta. System UMTS jest też krokiem w stronę idei PCS (Personal Communication Systems). Kluczowymi cechami PCS są:

• funkcjonalny i dość łatwy w obsłudze terminal ręczny,
• pojedynczy numer abonenta, dzięki któremu jest on osiągalny wszędzie,
• zindywidualizowany profil usług świadczonych abonentowi w każdym miejscu pobytu.

Co umożliwia nam UMTS?

Komunikacja: Telemedycyna, edukacja na odległość, ochrona, faksy, SMS (Short Message System), MMS (Mulimedia Message System), poczta elektroniczna, tablice ogłoszeniowe, komunikaty, komunikacja samochodowa.

Planowanie: Asystent osobisty, organizowanie, narzędzia, różności (płacenie przy kasie, weryfikacja tożsamości, zdalne uruchamianie urządzeń domowych)

Informacja: Finanse i usługi bankowe, handel i sprzedaż, hobby, serwisy informacyjne i lokalne, turystyka.

Rozrywka: Astrologia, gry, muzyka, rozmowy, styl życia, wideo i TV, zabawa, zdjęcia [3].

Standaryzacja ITM-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 WP8. 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.

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. W roku 2005 zaplanowano pełne wdrożenie standardów telefonii 3G w Europie [5].

Dla IMT 2000 przeznaczono dwa podzakresy częstotliwości obowiązujące na całym obszarze Ziemi: satelitarny 1980-2010 MHz i 2170-2200 MHZ, naziemny (dostępny w pełni po 2005 r.) w pasmach 2010-2025 MHz i 2160- 2170 MHz [2].

Ocenia się jednak, że docelowo zapotrzebowanie rynku na nowe usługi będzie wymagało znalezienia dodatkowych 300 MHz wolnych częstotliwości [7].

Podstawowym założeniem systemów 3G była integracja a 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.

• usługi multimedialne,
• ujednolicenie norm technicznych,
• dostęp operatorów i producentów do jednolitych standardów IMT,
• w miarę płynne przejście z systemów 2G.

• pieszy - 144 kbit/s;
• pojazd - 384 kbit/s;
• stała lokalizacja - 2 Mbit/s [5].

Z powodu uniwersalności systemu UMTS i współdziałania szeregu jego segmentów sieć systemu będzie mieć bardzo różnorodną strukturę.

Sieć części radiokomunikacyjnej systemu jest dołączona do segmentu stałego przez centrale tranzytowe (TX). Do nich z kolei dołączone są centrale lokalne (LE), których grupy nadzorowane są przez węzły sterujące (MCN). Poszczególne centrale zarządzają z kolei zespołami sterowników stacji bazowych (BSC). ,p> W systemie UMTS będzie można wyróżnić również dwa dodatkowe segmenty:

• prywatną sieć radiokomunikacyjną np. zarządzaną przez określoną firmę, sieć CPN (Customer Premises Network) mającą własną centralę radiokomunikacyjną (CEX - Customer Exchange), węzeł sterujący MCN oraz zespoły stacji bazowych wraz z ich kontrolerem.
• segment poruszający się MCPN (Moving Customer Premises Network) o podobnej strukturze jak segment prywatny. Segment taki jest przewidziany do realizacji wewnątrz pociągu, w którym również przewiduje się działanie systemu.

Problem przenoszenia połączenia w systemie UMTS jest jednym z najważniejszych i najtrudniejszych zadań dla dobrze działającej sieci ze względu na jej komplikację [5]. Zdecydowano, że w systemie UMTS występować będą dwa standardy interfejsu radiowego:

• szerokopasmowy interfejs CDMA (tzw. W-CDMA) działający w trybie dupleksowym z podziałem częstotliwości,
• interfejs mieszany TDMA/CDMA działający w trybie dupleksowym z podziałem czasu.

Dwa pierwsze tworzą parę dla trybu dupleksowego z podziałem częstotliwości, w tych zakresach działać będzie system z interfejsem W-CDMA. W ostatnim paśmie nie mającym odpowiedniego pasma z nim stowarzyszonego przebiegać będzie transmisja w trybie dupleksowym z podziałem czasu [5].

Architektura systemu

System UMTS będzie charakteryzował się hierarchiczną architekturą, tzn. że na obszarach o dużym ruchu, w budynkach telefony komórkowe będą miały zasięg w promieniu kilkudziesięciu metrów (tzw. piko-komórki), w centrach miast będą o zasięgu kilkusetmetrowym - podobnie jak GSM 1800 (tzw. mikro-komórki), natomiast na pozostałych obszarach przewiduje się zasięg o średnicy 30-40 km, czyli porównywalne z GSM 900 (tzw. makro-komórki).

W rejonach świata o małym zaludnieniu, tam gdzie nie została rozwinięta klasyczna sieć łączności połączenia będą zapewniać systemy satelitarne.

Nie znaczy to wcale, że użytkownik będzie zmuszony używać kilka telefonów o różnych zakresach częstotliwości. Będzie to jedna "komórka", która będzie miała możliwość automatycznego przestawiania się na daną częstotliwość tak aby zapewnić jak najlepsze parametry transmisji [5]. Przełączenie będzie następowało automatycznie na dany zakres analogicznie jak w teraźniejszości gdy wjeżdżamy do dużego miasta (z 900 na 1800 MHz)

UMTS jeszcze nie jutro (podsumowanie)

Telefonia komórkowa przeżywa obecnie rozkwit i już niedługo dane nam będzie zobaczyć jej trzecią generację. Mówi się o wielkiej rewolucji - przede wszystkim o szybkiej transmisji danych, która umożliwi korzystanie z pełnego pakietu multimediów, a co za tym idzie - pozwoli na zupełnie nowe wykorzystywanie komórek.

Komórka dnia dzisiejszego służy przede wszystkim do dzwonienia. Najczęściej spotykanymi narzędziami, stanowiącymi uzupełnienie funkcji dzwonienia i wysyłania SMS-ów, są wbudowane w niektóre telefony kalendarze, czy nawet proste organizery, porty do komunikacji na podczerwień i przeglądarka WAP. Właśnie WAP miał być takim rodzynkiem wśród dodatków do telefonu.

Jedną z najważniejszych nowości jest wprowadzenie komercyjne pierwszych produktów opartych na technologii Bluetooth. Ideą Bluetooth jest bezprzewodowe łączenie ze sobą różnych urządzeń, co pozwala im na wzajemną współpracę [3].

Rys. 2. Urządzenie Bluetooth, które można podłączyć do portu USB, przez co możliwa się staje komunikacja komputera z telefonem bez użycia kabla [zdjęcie własne].

W odróżnieniu od połączeń przez podczerwień, technologia Bluetooth wykorzystuje pasmo powyżej 2 GHz. Dzięki temu, na przykład, aby korzystać z zestawu słuchawkowego opartego na Bluetooth nie musimy nawet wyjmować telefonu z kieszeni. Nie ma także żadnych kabli łączących telefon z zestawem. Daje to naprawdę olbrzymie możliwości użytkownikowi.

Jednak wszystkie te projekty oraz potencjalne terminale 3G mają ten sam problem, że bez prądu to nie zadziała. Obecne technologie pozwalają na tworzenie małych i lekkich ogniw zasilających terminale, jednak są to telefony służące głównie rozmowie. Technologia produkcji baterii jonowo-polimerowych jest na razie dość droga. Jest to wbrew pozorom bardzo poważny problem, bowiem mając przed sobą perspektywę transmisji danych o szybkości 2 Mbit/s, należy się liczyć z niebagatelnym poborem mocy.

Telefonia trzeciej generacji, mimo wielkiego szumu i gigantycznych pieniędzy za koncesje należy pamiętać, że to wciąż jest system raczej pojutrza niż jutra Powody są wbrew wszystkiemu dość prozaiczne. Otóż GSM jeszcze nie odkrył wszystkich kart. Potężne możliwości niosą ze sobą wspomniany GPRS i Bluetooth.. Widać to zresztą w studiach koncepcyjnych prezentowanych przez firmy telekomunikacyjne przy okazji różnych targów. I tu praktycznie każda z firm ma swoją własną wizję tego, jak to ma wyglądać, choć idea jest jak najbardziej wspólna: integracja telekomunikacji i sprzętu komputerowego. Czołowi światowi producenci telefonów komórkowych prześcigają się w pomysłach i rozwiązaniach telefonów trzeciej generacji. Miniaturowe modele terminali UMTS były już prezentowane na szeregu międzynarodowych wystawach. W stosunku do telefonów 2G terminale UMTS są bogatsze, głównie dzięki możliwościom przekazów wideofonicznych, znacznie rozszerzających możliwości aplikacyjne aparatów [3].

Nowe telefony mają być wyposażone w środowisko aplikacyjne o nazwie MEXE (Mobile Station Application Execution Environment), posiadających znacznie więcej funkcji w stosunku do dzisiejszego standardu WAP (Wireless Application Protocol), który umożliwia jedynie na interpretowanie prostych skryptów (WML, HTML) i prezentacje treści w postaci tekstowej czy nieskomplikowanej grafiki. Aplikacja MEXE będzie bazować na środowisku z wirtualną maszyną Javy z pełnym ruchem obrazu oraz wbudowanymi mechanizmami bezpieczeństwa, a także z rozpoznawaniem rodzaju odbiornika i dostosowaniem szybkości przesyłu danych i rodzaju usług wedle możliwości odbiorczych terminalu. Duża przepływność kanałów radiowych w technologii UMTS (od 144 kb/s do 2 Mb/s), a zwłaszcza transmisje obrazów z zastosowaniem techniki kodowania MPEG-4, pozwoli odbierać na ekranie przenośnego telefonu komórkowego obrazy z pełnym ruchem, oglądać filmy wideo oraz programy z transmisją na żywo. Terminale 3G mają być sterowane głosem, rysikiem, długopisem lub miniaturową myszką oraz obowiązkowo wyposażone w maleńką kamerę obrazową. Które z tych pomysłów zostaną zaakceptowane i przyjęte przez rynek konsumentów okaże się w najbliższej przyszłości [6].

Kiedy UMTS?

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 1.01.2004 r. 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 [5].

Objaśnienie pojęć i skrótów

Bluetooth - jest to technologia transmisji danych z przepustowością do 1 Mb/s na odległość do 10 metrów. Łączność taka zapewnia przesyłanie głosu i danych (w tym obrazów) pomiędzy urządzeniami zgodnymi ze standardem Bluetooth. Każde urządzenie elektroniczne lub gadżet, wyposażone w łącze Bluetooth może wymieniać bezprzewodowo informacje, jeżeli znajdzie się w zasięgu innego urządzenia wyposażonego w podobne łącze

GPRS (General Packet Radio Service) - technika bezprzewodowej i efektywnej transmisji pakietowej w systemach komórkowych drugiej generacji (GSM2+), przeznaczona specjalnie do transmisji danych między telefonem komórkowym i Internetem nawet do 170 kbit/s. Stanowi fazę przejściową rozwoju globalnych sieci komórkowych do UMTS.

GSM (Global System for Mobile Communication) - globalny system bezprzewodowej telefonii cyfrowej działający w paśmie częstotliwości 900,1800 i 1900 MHz. Systemy komunikacyjne oparte na standardzie GSM charakteryzują się lepszą jakością przekazu mowy niż systemy analogowe NMT, są przystosowane do transmisji danych, transmisji faksowej oraz przesyłania i rozgłaszania krótkich komunikatów SMS (Short Message System).

IMT 2000 (International Mobile Telecommunication 2000) - podstawowy składnik globalnego systemu przyszłościowej komunikacji osobistej UPT (Universal Personal Telecommunication). Dla IMT 2000 przeznaczono dwa podzakresy częstotliwości obowiązujące na całym obszarze Ziemi: satelitarny 1980-2010 MHz i 2170-2200 MHz, naziemny (dostępny w pełni po 2005 r.) w pasmach 2010-2025 MHz i 2160- 2170 MHz.

PCS (Personal Communication System) - system mający cechy komunikacji osobistej stosujący 6 różnych technologii komunikacji, w tym również systemu komórkowego DCS 1900 klasy GSM. Dla PCS zarezerwowano kilka pasm częstotliwości, wszystkie w zakresie bliskim 1900 MHz ( stacje ruchome 1850-1910, stacje bazowe 1930-1990 MHz ).

NMT (Nordic Mobile Telephony) - to skandynawski standard analogowego systemu komórkowego, rozwijany w krajach europejskich od końca lat siedemdziesiątych. W pierwotnej wersji NMT 450 wykorzystywano zakres częstotliwości 450 MHz, z liczbą kanałów około 200, co przy dużej popularności systemu było przyczyną jego niewydolności na obszarach o większej gęstości abonentów. Najnowsza ujednolicona wersja NMT 900 pracuje w zakresie 900 MHz, z obsługą do 1000 kanałów.

MMS (Mulimedia Message Service) - sposób przekazywania informacji w postaci obrazu lub dźwięku. Stanowi fazę przejściową rozwoju globalnych sieci komórkowych do UMTS

SMS (Short Message Service)- sposób przekazywania krótkich informacji tekstowych przez sieci komórkowe GSM (max.160 znaków), zapewniający: nadawanie i odbiór informacji tekstowych między abonentami, obsługę serwisu komunikacyjnego, korzystanie z serwisów informacyjnych oraz dostęp do serwisów internetowych WWW.

TDMA (Time Division Multiple Access) - metoda dostępu z podziałem czasu za pomocą wielu tzw. szczelin czasowych do informacji transmitowanej przez kanał współdzielony przez wielu użytkowników.

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) jest to uniwersalny system komunikacji ruchomej i bezprzewodowej trzeciej generacji

WAP (Wireless Application Protocol) - metoda dostępu do informacji (internetowych oraz zaawansowanych usług telefonicznych)w czasie rzeczywistym, z cyfrowych telefonów bezprzewodowych lub innych terminali bezprzewodowych. System WAP jest niezależny od infrastruktury i rodzaju sieci komórkowych oraz rodzaju terminali.

WML (Wireless Markup Language) - specjalnie zdefiniowany język opisu stron w ramach WAP, wzorowany na HTML-u. Odwołanie do stron WML-owskich następuje poprzez odpowiedni adres URL.

Bibliografia

[1]. http://republika.pl/infonetp/Telefony/umts.htm.
[2]. http://www.wprost.pl.
[3]. http://strony.wp.pl/wp/axster.
[4]. Tygodnik "Wprost", Nr 921 (23 lipca 2000).
[5]. http://www.eraumts.com.pl.
[6]. http://www.telix.pl/umts.php.
[7]. Miesięcznik "Wiedza i Życie", Nr 11/200.

Marek Korniluk (kornik1231@wp.pl) i Bartosz Kubiak (bart.kubiak@wp.pl) są studentami Politechniki Koszalińskiej. Obaj studiują na Wydziale Elektroniki - kierunek Elektronika i Telekomunikacja.