TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY KATEDRA ELEKTRONIKY A MULTIMEDIÁLNYCH TELEKOMUNIKÁCIÍ UMTS/IMT-2000 (DIPLOMOVÁ PRÁCA) ROK 2001 RADOVAN RYBÁR
Radovan Rybár UMTS/IMT-2000 Abstrakt V tejto práci je bližšie opísaná história a vývoj mobilného komunikačného systému tretej generácie IMT-2000, ako aj jeho európskeho ekvivalentu UMTS. Ďalej sa táto práca zaoberá stručným popisom požiadaviek na tento systém, jeho spektra, architektúry systému a niektorých špecifických vlastností a služieb. Abstract In this work there is more closely described a history and evolution of the Third generation mobile communication system called IMT-2000, as well as his european equivalent UMTS. As a next this work deals with briefly description of the requirements, spectrum, architecture and some specific features and services of this system.
Radovan Rybár UMTS/IMT-2000 Obsah Abstrakt... 2 Abstract... 2 Obsah... 3 Úvod... 1 1. HISTÓRIA A VÝVOJ IMT-2000... 2 1.1. HISTORICKÉ POZADIE VÝVOJA IMT-2000 A ČASOVÝ PLÁN REALIZÁCIE... 3 1.2. ŠTANDARDY PATRIACE DO IMT-2000... 4 1.3. SPEKTRUM IMT-2000... 6 1.3.1. Európa... 7 1.3.2. Afrika a Arabské krajiny... 8 1.3.3. Severná Amerika... 8 1.3.4. Južná Amerika... 9 1.3.5. Ázia a krajiny Tichého oceánu... 9 1.3.6. Výsledky WRC-2000 (dodatočné spektrum)... 9 2. VLASTNOSTI SYSTÉMOV TRETEJ GENERÁCIE... 11 2.1. POŽIADAVKY NA MOBILNÉ KOMUNIKAČNÉ SYSTÉMY TRETEJ GENERÁCIE... 12 Požiadavky užívateľov na služby:... 13 2.2. VLASTNOSTI UMTS/IMT-2000 A REALIZÁCIA POŽIADAVIEK... 15 2.2.1. Filozofia štruktúry buniek UMTS... 16 2.2.2. Prenosové rýchlosti v UMTS... 18 2.2.3. Podpora parametrov QoS (Quality of Service - kvalita služby)... 20 3. ARCHITEKTÚRA UMTS/IMT-2000... 25 3.1. EVOLÚCIA GSM NA UMTS... 25 3.2. UMTS - FÁZA 1 (VYDANIE 99)... 27 3.2.1. Základná sieť UMTS v prvej fáze... 28 3.2.2. UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network - sieť pozemného rádiového prístupu do UMTS)... 34 3.2.3. Rádiové rozhranie UMTS... 36 3.2.3.1. UTRA FDD... 37
Radovan Rybár UMTS/IMT-2000 3.2.3.2. UTRA TDD... 39 3.2.3.3. ODMA... 41 3.2.3.4. Špecifiká rádiového rozhrania UMTS... 43 3.2.3.5. Prehodenie (handover)... 44 3.3. UMTS VYDANIE 5 (VYDANIE 2000)... 46 3.3.1. Základná sieť... 46 3.3.2. Alternatívne prístupy do siete UMTS... 47 3.3.2.1. Prístup do UMTS z pevných sietí... 47 3.3.2.2. Rádiový prístup a prístup cez pevnú sieť prostredníctvom roamigu v súkromných UMTS sieťach... 48 3.3.2.3. Súkromné prístupové systémy... 48 3.3.2.4. BRAN prístup do UMTS... 48 4. ŠPECIFICKÉ VLASTNOSTI A SLUŽBY UMTS... 49 4.1. TERMINÁLY PRE UMTS... 49 4.2. VHE (VIRTUAL HOME ENVIRONMENT - VIRTUÁLNE-AKOBY DOMÁCE PROSTREDIE)... 51 4.2.1. CAMEL... 52 4.2.2. MExE... 54 4.3. NIEKTORÉ NOVÉ SLUŽBY PONÚKANÉ V UMTS... 54 4.3.1. Číslovanie a Adresovanie v UMTS... 54 4.3.2. Určovanie polohy... 56 4.3.3. VoIP (prenos reči cez IP paketovú sieť)... 56 4.3.4. Multimediálne správy a odkazové schránky... 57 4.3.5. Multimediálne portály... 57 Záver... 58 Zoznam použitých skratiek... 59 Zoznam použitých symbolov... 65 Zoznam obrázkov... 66 Zoznam tabuliek... 66 Zoznam použitej literatúry... 67
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 1 Úvod Od čias vynájdenia telefónu sa komunikácia medzi ľuďmi rapídne zmenila. Telekomunikačný trh sa postupne rozrastal a dnes si len ťažko vieme predstaviť náš život bez telefónu. V posledných desaťročiach sa však dopyt začal obracať po zložitejších službách, ako je hlasová komunikácia. Na príklade Internetu môžeme vidieť, o aké služby majú užívatelia záujem. Za posledných pätnásť rokov prešiel Internet rapídnym vývojom od siete ponúkajúcej zdieľanie textových dokumentov po dnešný obraz Internetu, ako multimediálnej siete. Podobný vývoj prebieha aj na poli pevných telekomunikačných sietí. Niekdajšie jednoduché telefónne linky na prenos analógovej reči sa transformujú na digitálne ISDN linky, s oveľa širšími možnosťami. Keď sa objavili prvé mobilné telefónne systémy, ich širšie využitie bolo obmedzené vysokými cenami a veľkými rozmermi terminálov a tiež slabým pokrytím. So zdokonaľovaním technológií bolo možné uvádzať na trh prvé analógové mobilné systémy. Keď dopyt začal prerastať ich možnosti, pristúpilo sa k definovaniu európskeho štandardu GSM založeného už na digitálnej technológii. Jeho kvalita a nízka cena, spolu s veľmi dobrým pokrytím a ponukou doplnkových služieb spôsobila rapídny nárast užívateľov, a mobilný telekomunikačný trh sa stal veľmi lukratívny. V posledných rokoch však už tieto systémy zaostávajú za celosvetovým trendom multimediálnej komunikácie, ktorý je možný sledovať na poli Internetu. Podobne sa zväčšuje aj potreba globálnej mobility. Preto sa začalo pracovať na definovaní nového celosvetového a multimediálneho komunikačného systému. Na nasledujúcich stránkach podám stručný prehľad o histórii, základných vlastnostiach a budúcom smerovaní takéhoto systému, zvaného celosvetovo IMT-2000 a v Európe vyvíjaného štandardizačným inštitútom ETSI pod názvom UMTS. Táto práca nemá za úlohu podať presný popis technológie a všetkých vlastností tohoto systému, nakoľko je to široká problematika a nemôže byť spracovaná v jednom dokumente.
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 2 1. HISTÓRIA A VÝVOJ IMT-2000 Výskum a vývoj mobilného systému, ktorý by užívateľom malých mobilných telefónnych prístrojov umožnil globálny roaming na základe existencie jednej univerzálnej mobilnej siete s unifikovanými službami a s použitým frekvenčným spektrom rovnakým na celom svete začal už v roku 1986 na úrovni ITU (International Telecommunication Union - Medzinárodná telekomunikačná únia). Tento vyvíjaný systém dostal názov FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication System - Verejný pozemný mobilný telekomunikačný systém budúcnosti), ktorý sa však, najmä z marketingových dôvodov postupne zmenil na IMT - 2000 (International Mobile Telecommunications for the year 2000 - Medzinárodné mobilné telekomunikácie pre rok 2000). Tento systém sa tiež označuje ako mobilný komunikačný systém tretej generácie (3G - tiež tretia generácia). Myšlienka jedného univerzálneho mobilného systému tretej generácie sa postupne zmenila na myšlienku rodiny systémov tretej generácie (IMT-2000 family) a to hlavne kvôli obtiažnosti presadiť jednotný celosvetový systém, pretože v každom regióne bol vývoj mobilných komunikačných systémov na rôznej úrovni, kvôli rôznorodosti už existujúcich systémov a tiež kvôli obchodnému faktoru, tj. že každý systém musí prinášať prevádzkovateľovi zisk (napr. v Severnej Amerike sa len nedávno začali uvádzať do prevádzky systémy druhej generácie a tie najprv musia priniesť ich operátorom zisky, takže situácia so systémami tretej generácie je tam odlišná od ostatných krajín, pozri stať 1.3.3). Treba poznamenať, že celý vývoj mobilných sietí tretej generácie sa nesie v duchu absolútnej slobody operátorov implementovať, či neimplementovať tieto systémy. V Európe sa výskum, vývoj a štandardizácia mobilného komunikačného systému tretej generácie, tu známy ako UMTS (Universal Mobile Telecommunication System - Univerzálny mobilný telekomunikačný systém) vykonáva pod vedením ETSI (European Telecommunications Standards Institute - Európsky telekomunikačný štandardizačný inštitút). Vznikla tu aj organizácia UMTS-fórum (Je to asociácia výrobcov, operátorov a štandardizačných inštitúcií), ktorá sa, okrem výskumných úloh, snaží aj propagovať mobilné systémy tretej generácie, tak medzi užívateľmi, ako aj medzi operátormi, či výrobcami.
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 3 1.1. Historické pozadie vývoja IMT-2000 a časový plán realizácie 1986 - Začína sa výskum na úrovni ITU, ktorý sa zaoberá možnosťou zabezpečenia globálneho roamingu užívateľov malých mobilných terminálov prostredníctvom existencie jednej univerzálnej mobilnej siete s unifikovanými službami a s jednotným frekvenčným spektrom po celom svete. 1988-1995 Výskumný program európskej komisie RACE, (Research of Advanced Communication Technologies in Europe - Výskum zdokonalených komunikačných technológií v Európe) 1990 - ETSI ustanovuje výskumnú skupinu SMG5 (Special Mobile Group - Špeciálna mobilná skupina) zodpovednú za celú štandardizáciu UMTS. Táto skupina je len časťou výskumného výboru ETSI SMG. Tu sú všetky zložky tohoto výboru a ich funkcie: SMG1 - sa zaoberá aspektom služieb v UMTS SMG2 - je zodpovedný za špecifikáciu rádiového prístupu do UMTS SMG3 - zodpovedá za ďalší vývoj základnej siete GSM (Global System for Mobile communications - Globálny systém pre mobilnú komunikáciu, pozri podkapitolu 3.1) SMG4 - sa zaoberá dátovými službami SMG5 - sa zaoberá celkovým návrhom UMTS a koordináciou jeho vývoja SMG6 - sa zaoberá aspektom obsluhy a údržby (Operation and Maintenance - O&M) SMG7 - skúma testovanie mobilnej stanice SMG8 - skúma testovanie základňovej stanice SMG9 - skúma možnosti SIM (Subscriber Identity Module - modul identity užívateľa) SMG10 - má na starosti bezpečnostné hľadisko SMG11 - sa zaoberá kódovaním reči SMG12 - má na starosti celkovú architektúru UMTS 1990 - V Japonsku a v Kórei začína výskum v oblasti vývoja mobilného komunikačného systému tretej generácie 1993 - V Japonsku vzniká študijný výbor IMT-2000 pri ARIB (Association of Radio Industries and Businesses - Asociácia rádiového priemyslu a obchodu) na zabezpečenie koordinácie výskumných a vývojových aktivít v ohľadom IMT-2000. 1995-1998 Výskumný program ACTS (Advanced Communication Technologies and Services - Zdokonalené komunikačné technológie a služby) a jeho projekt FRAMES
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 4 (Future Radio Wideband Multiple Access System - Budúci systém širokopásmového rádiového viacnásobného prístupu). Zaoberá sa výskumom mnohých rádiových techník, vhodných pre mobilné systémy tretej generácie. Jeho výsledkom, ktorý postúpil ETSI boli dve techniky viacnásobného prístupu: FMA1 - (FRAMES Multiple Access) - Širokopásmový mnohonásobný prístup s časovým delením s rozprestretím a bez (TDMA - Time Division Multiple Access). FMA2 - Širokopásmový mnohonásobný prístup s kódovým delením s rozprestretím priamou postupnosťou (DS-CDMA - Direct Sequence Code Division Multiple Access) 1997 - V USA začína stúpať záujem o IMT-2000 1998 - ETSI prijala kompromis medzi FMA1 a FMA2 a WCDMA (Wideband CDMA - širokopásmový viacnásobný prístup s kódovým delením) navrhnutého Japonským ARIB a ustanovila WCDMA so zložkami FDD a TDD (Frequency/Time Division Duplex - frekvenčný/časový duplex) ako základnú viacnásobnú prístupovú techniku pre UMTS 1999 - GSM Release 99 - (GSM vydanie 99) Vydanie rozširujúcich štandardov pre GSM, tzv. dva a polta generácia (GSM 2+), ktoré umožňujú prenos paketových a spínaných dát väčšou rýchlosťou Október 2000 - WRC-2000 (World Radio Conference - Svetová rádiová konferencia) rozhodla o doplnkovom spektre k základnému spektru IMT-2000 (pozri stať 1.3.6 - Výsledky WRC-2000) 2002 - Čiastočná dostupnosť základného pásma UMTS (pozri stať 1.3.6). Implementácia prvej fázy UMTS (UMTS Phase 1) a komerčné využitie s podporou GSM 2+ základnej siete. 2005 - Úplná dostupnosť základného pásma 2010 - Dostupnosť doplnkového pásma 1.2. Štandardy patriace do IMT-2000 Myšlienka jedného univerzálneho mobilného komunikačného systému sa postupne zmenila na myšlienku rodiny štandardov tretej generácie, ktoré by boli schopné medzi sebou komunikovať, a ktoré umožnia ďalší vývoj smerom k jednému univerzálnemu systému. Študijná skupina č.11 telekomunikačného štandardizačného sektora ITU-T (ITU
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 5 Telecommunication section) schválila pre pozemný komponent IMT-2000 týchto päť štandardov rádiových rozhraní: IMT-DS (Direct Sequence - Priama Postupnosť) - Je to tzv. UTRA/FDD (UMTS Terrestrial Radio Access - pozemný rádiový prístup do UMTS), čiže zložka WCDMA s frekvenčným duplexom, ktorú prijala ETSI ako Európsky štandard a adoptovali si ho aj Japonsko a regióny Ázie a Ameriky, kde sa nachádzajú operátori GSM. Používa párované spektrum. IMT-MC (Multi Carrier - viacnásobná nosná) - Označovaný ako cdma2000 (tiež Wideband cdmaone - širokopásmová cdmaone), čo je vlastne mutácia WCDMA, ktorá je spätne kompatibilná s americkým mobilným systémom druhej generácie IS-95 (Interim Standard - dočasný štandard), za ktorého štandardizáciu je zodpovedná TIA TR45.5 (Telecommunications Industry Association - Asociácia pre telekomunikačný priemysel). Tiež používa párované spektrum. IMT-TC (Time Code - čas a kód) - Pozostáva zo zložky UTRA/TDD a z TD-SCDMA (ešte nieje úplne štandardizovaná). Využíva nepárované spektrum. IMT-SC (Single Carrier - jedna nosná) - Americký štandard UWC-136 (Universal Wireless Communications - univerzálne bezdrôtové komunikácie). Je nasledovníkom IS-136 vyvíjaného asociáciou TIA zložkou TR45.3 založeným na TDMA (Time Division Multiple Access - viacnásobný prístup s časovým delením). Podľa odporúčania UWCC (Universal Wireless Communications Consortia - Konzorcium pre univerzálne bezdrôtové komunikácie) bol tento štandard vyvíjaný v súlade s EDGE (Enhaced Data Rate for GSM Evolution - zvýšené dátové rýchlosti pre vývoj GSM) a preto je vhodný pre operátorov GSM, ktorý majú nedostatok spektra na implementovanie mobilných sietí tretej generácie, alebo na nich nezískajú licenciu. Využíva párované spektrum. IMT-FT (Frequency Time - frekvencia a čas) - Tento komponent IMT-2000 je identický s Európskym štandardom DECT (Digital Enhaced Cordless Telecommunications - zdokonalené digitálne bezšnúrové telekomunikácie). Využíva párované aj nepárované spektrum.
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 6 V nasledujúcej tabuľke sú uvedené niektoré parametre týchto rádiových rozhraní: WCDMA 1 cdma2000 UWC- 136/136HS DECT Viacnásobný prístup CDMA CDMA TDMA MC/TDMA/TDD Modulácia QPSK QPSK/BPSK 8-PSK GFSK Šírka frekvenčného kanála 5MHz 1,25;5;10;15; 20MHz 200kHz; 1,6MHz 2 2,4,6 20MHz Trvanie rámca 10ms 20ms 4,615ms 10ms Vnútorná synchronizácia základňovej stanice Čipová rýchlosť/bitová rýchlosť nosnej frekvencie 1 Obsahuje zložku FDD aj TDD Asynchrónna Synchrónna Asynchrónna Asynchrónna 1,28/3,84 Mchip/s 1,2288/3,6864/7,3728/ 11,0593/14,7456Mchip/ s pre DS n x 1,2288 Mchip/s (n=1,3,6,9,12) pre multicarrier 770kbit/s- (200kHz) a 2,6Mbit/s 5,2Mbit/s (1,6MHz) 2 8 slotov/rámec (200kHz) - EDGE a 16/64 slotov/rámec (1,6MHz) - širokopásmová TDMA QPSK Quarternary Phase Shift Keying - kvadratúrne fázové kľúčovanie BPSK Binary Phase Shift Keying - binárne fázové kľúčovanie 8-PSK Eight-state Phase Shift Keying - osem-stavové fázové kľúčovanie GFSK Gaussian Frequency Shift Keying - gausovské frekvenčné kľúčovanie 768kbit/s Tab. 1.1 Niektoré vlastnosti rádiových rozhraní mobilných systémov rodiny IMT - 2000 1.3. Spektrum IMT-2000 IMT-2000 je vyvíjaný ako globálny mobilný komunikačný systém, čo znamená, že určité podmienky musia byť dodržané na celosvetovej úrovni. Jednou z týchto podmienok je aj jednotné frekvenčné spektrum. Ešte v roku 1992 WARC-92 (World Administration Radio Conference - Rádiová konferencia svetovej administratívy) pridelila frekvenčné pásmo v rozsahu 1885-2025MHz a 2110-2200MHz (spolu 230MHz) pre nové mobilné komunikačné systémy. Nebolo však presne špecifikované, akú technológiu majú tieto systémy používať a tak sa stalo, že v Severnej Amerike bola časť tohoto spektra už obsadená pre systémy druhej generácie. Táto skutočnosť vážne ohrozila myšlienku jedného globálneho štandardu a tak, ako už bolo povedané v prvej kapitole, vznikla idea rodiny IMT-2000. Obrázok 1.1 ukazuje skutočnú situáciu frekvenčného spektra v rôznych regiónoch sveta a spektrum odporúčané úniou ITU, ktoré vydala na WARC-92.
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 7 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 1885 1980 2010 2025 2110 2170 1880 IMT-2000 MSS ITU Odporúčanie IMT-2000 MSS GSM-1800 DECT UMTS MSS Európa UMTS MSS GSM-1800 WLL IMT-2000 MSS Čína IMT-2000 MSS 1893 1919 PHS IMT-2000 MSS Japonsko/Kórea IMT-2000 MSS 1990 2160 PCS A D B E F C A D B E F C MSS Severná Amerika Rezervované MDS MSS 1800 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 MHz MSS MDS Mobile Satellite Services - mobilné satelitné služby Multipoint service/mobile Data Services - viacbodové služby/mobilné dátové služby Obr. 1.1 Spektrum IMT-2000 v dôležitých regiónoch sveta 1.3.1. Európa V krajinách CEPT (Conférence Européenne des Postes et Télécommunications - Európska konferencia pôšt a telekomunikácií) je celé spektrum IMT-2000, navrhnuté ITU odporúčaním, okrem pásma 1985-1900MHz vyhradené pre UMTS. Toto pásmo je už vyhradené pre súčastné systémy DECT, s ktorým sa však tiež počíta ako s jednou z prístupových techník pre UMTS. Pre pozemný prístup do UMTS sú určené tieto pásma: 1900-1980MHz 2010-2025MHz 2110-2170MHz To je spolu 155MHz pre pozemný prístup
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 8 Pre satelitný prístup do UMTS siete (MSS) v okolí 2GHz sú určené tieto pásma: 1980-2010MHz 2170-2200MHz To dáva 60MHz pre satelitný prístup Ďalší vývoj spektra v Európe bol schválený výborom ERC (European Radiocommunications Committee - Európsky rádiokomunikačný výbor) v roku 1997 a väčšina európskych krajín toto rozhodnutie už prijalo. Podľa rozhodnutia ERC má byť začiatkom roku 2002 k dispozícii pre operátorov spektrum minimálne 2x40MHz, pričom celé spektrum 155MHz by sa malo sprístupniť podľa záujmu do roku 2005. 1.3.2. Afrika a Arabské krajiny V týchto krajinách sa bude vývoj uberať väčšinou podľa odporúčaní ITU. 1.3.3. Severná Amerika Zatiaľ, čo v Európe a v Japonsku sa už pracovalo na vývoji systému tretej generácie, a teda aj spektrum alokované na WARC-92 bolo postupne vyhradené pre tieto systémy, v Severnej Amerike sa v tom čase riešila otázka zväčšenia kapacity analógových systémov prvej generácie (AMPS - Advanced Mobile Phone System - Vylepšený mobilný telefónny systém, založený na frekvenčnej modulácii) a uvádzali sa do prevádzky nové digitálne systémy druhej generácie (IS-95, IS-136, D-AMPS - Digital AMPS - digitálny AMPS), ktoré využívajú aj pásmo alokované na WARC-92. To je vidieť z obrázka 1.1, kde sú tieto systémy označené spoločným menom PCS (Personal Communication System - Osobný komunikačný systém). Z tohoto môžeme vidieť, že kým v Európe sa prešlo z mnohých rôznych systémov prvej generácie na jednotný európsky štandard GSM v Severnej Amerike sa vyvinulo mnoho nekompatibilných systémov druhej generácie, čo značne sťažuje situáciu a ako už bolo spomenuté v prvej kapitole (tabuľka 1.1), prvým krokom na ceste k mobilnému systému tretej generácie v Severnej Amerike je vytvorenie štandardu cdma2000 spätne kompatibilného s IS- 95 a štandardu UWC-136 (EDGE) založeného na IS-136, ktoré už majú parametre vhodné aj na prenos multimédií a väčšieho množstva dát. Čo sa týka spektra, z obrázka je vidieť, že je voľné len spektrum pre mobilné satelitné systémy v rozsahu 1990-2025MHz a 2160-2200MHz.
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 9 V Kanade je situácia trochu iná, pretože tam kvôli rezerve do budúcnosti ponechali voľné pásma C a E a tak je k dispozícii pásmo 2x15MHz a 2x5MHz (spolu 40MHz) a uvažuje sa o udelení licencie. 1.3.4. Južná Amerika V Južnej Amerike je situácia veľmi nejednotná. Pozitívne ohlasy na udeľovanie licencií prichádzajú z Brazílie, Venezuely, Chile a Argentíny, ale nástup systémov tretej generácie tam začne určite neskôr ako vo väčšine krajín sveta. 1.3.5. Ázia a krajiny Tichého oceánu Taktiež tieto krajiny budú poväčšine nasledovať odporúčania ITU. Japonské Ministerstvo pôšt a telekomunikácií sa rozhodlo nasledovať Európu a aj spektrum bude podobné, ako tu. Malá výnimka je na dolnom konci spektra v rozsahu 1893,5-1919,6MHz, ktoré je už v súčasnosti použité pre PHS systémy (Personal Handyphone System - osobný systém pre príručné telefóny). Takto má Japonsko k dispozícii 2x60MHz+15MHz, čiže 135MHz pre systémy tretej generácie a 12.júna 2000 udelilo tri licencie (po 2x15MHz) pre operátorov sietí tretej generácie. Podľa licenčnej zmluvy by mali byť spustené do prevádzky v máji a v decembri roku 2001, čo znamená, že Japonsko bude prvá krajina, ktorá začne poskytovať služby sietí tretej generácie, aj keď treba poznamenať, že v počiatku len v kľúčových oblastiach. O situácii v Číne nieje známe mnoho faktov a ani konečné rozhodnutie o spektre IMT- 2000. Počíta sa však, že aj tu sa vývoj spektra bude uberať cestou odporúčania ITU, aj keď niektoré časti spektra plánovaného pre IMT-2000 sú rezervované pre bezšnúrové aplikácie a aplikácie s lokálnymi bezdrôtovými slučkami (WLL - Wireless Local Loop). 1.3.6. Výsledky WRC-2000 (dodatočné spektrum) Keďže spektrum je cenný a ohraničený zdroj, musí byť využitý čo najefektívnejšie, aby bolo možné uspokojiť vzrastajúci dopyt po ňom. Na zabezpečenie úspešného vývoja a sprístupnenia UMTS/IMT-2000 pre široké vrstvy ľudí, ako aj kvôli vzbudeniu záujmu výrobcov a operátorov je nutné zabezpečiť dostatočne veľké spektrum na umožnenie spustenia týchto systémov a tiež vytvoriť perspektívu na pridelenie ďalšieho spektra, ktoré
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 10 bude podľa odhadov CEPT ERC TG1 a ITU-R TG8/1 (Task Group - pracovná skupina) potrebné kvôli vzrastajúcemu dopytu. Preto sa spektrum IMT-2000 rozdelilo na tri pásma. Základné pásmo, vyhradené na WARC-92, prídavné pásmo č.1 a prídavné pásmo č.2. Prídavné pásmo 1: Toto pásmo bolo definované na WRC-2000 a skladá sa z dvoch zložiek: 1710 1885MHz 2500 2690MHz Je dôležité podotknúť, že hoci bolo toto pásmo celosvetovo určené ako prídavné pásmo k základnému pásmu IMT-2000, WRC-2000 zdôraznila, že je to iba doporučenie, ktoré nikoho nezaväzuje použiť toto pásmo iba na tento účel. Je len na vládach štátov, či sa rozhodnú implementovať IMT-2000, alebo nie. Ak sa rozhodnú tak urobiť, niesu viazaný na spektrum, ktoré odporúča ITU a môžu si zvoliť aj iné pásmo (samozrejme s dopadom na zlú kompatibilitu s ostatnými krajinami). Ak nechce vláda daného štátu implementovať IMT- 2000, môže toto pásmo použiť na iné účely. Prídavné pásmo 2: Tieto pásma majú slúžiť na zväčšenie kapacity systému v lokalitách, kde to bude potrebné. Niesu globálne nijako určené a môžu sa líšiť umiestnením v spektre aj veľkosťou. Budú vyhradzované na regionálnej, prípadne národnej úrovni. Prídavné pásma pre satelitnú zložku IMT-2000: Na WRC-2000 boli na tento účel určené nasledujúce pásma: 1525-1544MHz 1545-1559MHz 1610-1626. 5MHz 1626.5-1645.5MHz
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 11 1646.5-1660.5MHz 2483.5-2500MHz (2500-2520MHz) (2670-2690MHz) Posledné dve pásma spadajú do prídavného pásma 1, takže môžu byť použité aj pre pozemské siete UMTS/IMT-2000. Odhad spektra, ktoré bude potrebné na uspokojenie požiadaviek užívateľov sa robil so zreteľom na to, že časť prevádzky bude obslúžená aj systémami druhej generácie. Preto sa počíta s tým, že keď oslabne dopyt po službách sietí druhej generácie (alebo sa tento dopyt presunie na siete tretej generácie), bude sa môcť toto pásmo prideliť pre systémy tretej generácie. Samozrejme so zreteľom na termín ukončenia licencie daného operátora a aj s ohľadom na užívateľov daného systému. 2. VLASTNOSTI SYSTÉMOV TRETEJ GENERÁCIE Na príklade neúspešnej celosvetovej koordinácie ohľadom alokovania spektra (Severná Amerika) a nepodareného pokusu o jednotný celosvetový štandard môžeme vidieť, aký dôležitý je pre mobilné systémy tretej generácie marketingový faktor. To si uvedomujú predovšetkým štandardizačné inštitúcie, ktoré vydávajú množstvo materiálov zaoberajúcich sa marketingovými predpoveďami dopytu po službách mobilných sietí tretej generácie. 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 1995 2000 rok 2005 2010 Zdroj: UMTS fórum Obr. 2.1 Predpoveď dopytu užívateľov po mobilných rečových a multimediálnych službách
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 12 Tie hovoria, že v kontraste so stále sa spomaľujúcim dopytom po fixných komunikačných službách bude dopyt po mobilných službách rásť stále viac. V spojení s Internetom tak budú tvoriť jeden masívny obchodný potenciál. Zárukou úspechu sietí tretej generácie je v prvom rade záujem zo strany operátorov a výrobcov, ktorý pomaly narastá hlavne vďaka vízii zvýšenia obratu (napr. len čo sa týka terminálov sa v priebehu desiatich rokov počíta s predajom približne miliardy kusov). 2.1. Požiadavky na mobilné komunikačné systémy tretej generácie Systémy tretej generácie sa od systémov druhej generácie zásadne líšia a napriek tomu už aj pri systémoch druhej generácie môžeme vidieť, že užívatelia sa zďaleka neuspokoja iba s rečovými službami. Príkladom je obrovský úspech krátkych správ (SMS - Short Message Service), ale aj iné doplnkové služby, ako sú napríklad CLIP (Calling Line Identification Presentation - prezentácia identifikácie volajúceho účastníka), CLIR (Calling Line Identification Restriction - zamedzenie identifikácie volajúceho účastníka) či hlasová odkazová schránka, bez ktorých si už mobilnú komunikáciu nevieme predstaviť. Ďalšie vlastnosti, ktoré si užívatelia obľúbili sa viažu na mobilné terminály. Ovládanie hlasom, grafické displeje, rôzne užívateľské menu, osobný telefónny zoznam, to sú všetko vlastnosti, ktoré dotvárajú klasickú rečovú službu a robia ju pohodlnejšou. Prvé náznaky nástupu ďalšej generácie mobilných komunikačných systémov priniesol so sebou WAP (Wireless Application Protocol - protokol pre bezdrôtové aplikácie). Takto sa z rečovej komunikácie stáva kvázi multimediálna, aj keď to multi v tomto prípade znamená ešte len dva, čiže text a reč. Pre obrovský rozmach Internetu a pomaly sa zväčšujúcimi požiadavkami na prenosové rýchlosti sa operátori mobilných komunikačných systémov druhej generácie snažia rozšíriť ponúkané služby aj na tieto. Táto snaha vyústila do vytvorenia niekoľkých štandardov, ktoré sa radia už do dva a poltej (2+) generácie mobilných komunikačných systémov (HSCSD - High Speed Circuit Switched Data - vysokorýchlostné okruhovo spínané dáta, GPRS - General Packet Radio Service - hlavná rádiová paketová služba) a sú rozšírením systému GSM na prenos dát vyššími rýchlosťami čí už spôsobom prepájania paketov, alebo okruhov.
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 13 IMT-2000 EDGE UMTS (W-CDMA) GPRS 115kbps HSCSD 32kbps HSCSD 64kbps CAMEL reč SMS Data 9,6kbps Vývoj v čase Obr. 2.2 Vývoj mobilných komunikácií od GSM k IMT-2000 Takto rozšírené systémy druhej generácie sa už trochu približujú myšlienke, ktorá vyústila do vytvorenia IMT-2000. Obrázok 2.2 názorne zobrazuje tento vývoj (CAMEL - Customised Application for Mobile network Enhaced Logic - užívateľovi prispôsobené aplikácie pre zdokonalenú logiku mobilných sietí - pozri stať 4.2.1). Systémy tretej generácie poskytnú všetky tieto služby na minimálne rovnakej úrovni, ale už v zdokonalenej podobe, pričom sú už od svojej podstaty navrhované tak, že sa berie do úvahy široký rozsah služieb rôzneho charakteru (nie ako v sieťach druhej generácie, kde bol celý systém prispôsobený len na prenos reči). Toto sú konkrétne požiadavky na mobilné komunikačné systémy tretej generácie rozdelené do viacerých kategórií: Požiadavky užívateľov na služby: 1. Zvýšenie kvality hlasových služieb (podľa požiadaviek až na úroveň CD kvality). 2. Poskytovanie dátových kanálov s prenosovou rýchlosťou až do 2Mbit/s. 3. Poskytovanie služieb paketových sietí. 4. Poskytovanie niekoľkých pripojení súbežne pre získanie rôznych služieb naraz (pripojenie na Internet, telefonický rozhovor) a to v rámci jedného užívateľského kanála.
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 14 5. Videokonferencie, možnosť posielať multimediálne správy a s tým súvisiace multimediálne odkazové schránky, multimediálne aplikácie (VOD/AOD - Video On Demand/Audio On Demand - video na požiadanie/audio na požiadanie) a prenos veľkých objemov dát. 6. Vytváranie služieb užívateľom. 7. Jednotný prístupový bod k obsahu a službám. 8. Nízka cena služieb. Požiadavky užívateľov na vlastnosti systému: 9. Vysoké zabezpečenie proti odpočúvaniu a neoprávnenému získavaniu dát treťou osobou a to aj v porovnaní s technológiou GSM. 10. Asymetrický charakter prenosového kanála napríklad na prenos dát pri prístupe na Internet (tiež v záujme operátorov, kvôli efektívnejšiemu využitiu spektra). 11. Národný a medzinárodný roaming - mobilita terminálov (aj medzi sieťami s rôznymi rádiovými rozhraniami vrátane satelitných sietí - pozri č.20). 12. Užívateľská mobilita - možnosť prístupu do siete cez ľubovoľný vhodný terminál (založené na použití účastníckych kariet - ako SIM v GSM) 13. Neprestajný a spojitý prístup k službám (aj k službám vytvoreným užívateľom, alebo k službám špecifickým pre domáceho operátora) nezávisle od siete, v ktorej sa užívateľ nachádza. 14. Jedno číslo resp. adresa nezávisle na polohe užívateľa (či sa nachádza v domácej sieti, alebo v cudzej). 15. Jeden spoločný účet pre rôzne služby. 16. Nový spoplatňovací mechanizmus tj. možnosť platby za množstvo prenesených dát a za kvalitu poskytovaných služieb v danom okamihu. Požiadavky užívateľov na terminály: 17. Nízka cena a malá hmotnosť terminálov. 18. Zníženie vysielacieho výkonu mobilných terminálov pod 1W (v záujme obmedzenia vplyvu rádiových vĺn na iné elektrické zariadenia ako aj na zdravie človeka, tiež pozri č.19). 19. Zvýšenie doby hovoru a pohotovostného režimu na jedno dobytie batérie.
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 15 20. Mobilné terminály schopné pracovať s rozličnými rádiovými rozhraniami (viacpásmové, viacrežimové alebo neskôr adaptívne terminály) 21. Integrácia rôznych elektronických zariadení (osobný počítač, mobilný multimediálny telefón s kamerou a obrazovkou, fax, prístroj na určovanie polohy atď.) do jedného mobilného terminálu. 22. Vytváranie a uchovávanie užívateľských profilov (počíta sa s možnosťou existencie viacerých profilov). 23. Rovnaké užívateľské prostredie nezávisle na sieti a polohe a termináli (v rámci možností siete a terminálu, táto požiadavka sa kladie aj na systém). Požiadavky operátorov a výrobcov na systém: 24. Vysoká efektívnosť využitia spektra. 25. Flexibilita systému pri implementácii nových technológií a služieb. 26. Možnosť evolúcie zo systémov druhej generácie s ohľadom na náklady vynaložené do týchto systémov a na ich užívateľov. 27. Krížová kompatibilita jednotlivých etáp (vydaní - release), to znamená, že sa musí zabezpečovať obojsmernú kompatibilitu jednotlivých aktualizácii štandardu, čo sa týka terminálov, signalizácie a protokolov medzi UTRAN (UTRA Network - UTRA sieť) a základnou sieťou (Core Network - CN), medzi jednotlivými PLMN (Public Land Mobile Network - verejná pozemná mobilná sieť) a medzi terminálom a sieťou a tiež aspektov zabezpečenia (mechanizmus zabezpečenia by mal byť podobný, ako v GSM). 2.2. Vlastnosti UMTS/IMT-2000 a realizácia požiadaviek Požiadavky, ktoré boli vymenované vyššie, sú náročné a ich naplnenie musíme chápať v kontexte dlhodobejšej vízie budúcnosti. Mnohé požiadavky niesu dnes ešte realizovateľné ani z technického hľadiska (hlavne čo sa týka terminálov), ale vývoj v elektronike a v mikroelektronike dospel dnes k takému stupňu, že si môžeme dovoliť predpovedať približný čas, kedy bude daná technológia zvládnutá a počítať s ňou už v dnešných štandardoch. To zároveň umožní výrobcom zintenzívniť výskum, pretože budú mať zaručený odbyt svojich výrobkov v budúcnosti.
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 16 2.2.1. Filozofia štruktúry buniek UMTS Jedným z hlavných cieľov UMTS je integrovať všetky druhy mobilných sietí do jednej univerzálnej mobilnej siete. Počínajúc od privátnych domácich pikosietí (v spolupráci s DECT a Bluetooth), privátnych rádiových sietí (TETRA - Terrestrial Trunked Radio - pozemné diaľkové rádio), sietí v obchodných centrách a úradoch (W-LAN - Wireless Local Area Network - bezdrôtové lokálne siete), cez verejné mobilné komunikačné siete až po satelitné mobilné komunikačné siete. To bude možné aj vďaka novej, hierarchickej štruktúre buniek (Hierarchical Cell Structure - HCS): Domáce bunky - ako vyplýva už z názvu, budú to predovšetkým bunky pokrývajúce jednotlivé domácnosti, miestnosti a úrady. Ich rozmery budú desiatky metrov a budú realizované v spolupráci s technológiami Bluetooth a DECT. Budú slúžiť na pripojenie domácich spotrebičov, počítačov ku Internetu a k sieti UMTS, čo umožní ich ovládanie na diaľku a prístup k informáciám nezávisle od polohy užívateľa (napr. môžeme na diaľku nastaviť video na nahrávanie konkrétneho filmu, stiahnuť si materiály z počítača), ale aj prehodenie (handover) z domácej bezšnúrovej linky na mobilnú linku bez prerušenia, pri vzdialení sa z dosahu počas komunikácie (vyžaduje vhodné terminály, pozri. podkapitolu 2.1 požiadavku č.20) Pikobunky - sú určené na pokrytie obchodných centier, úradov a rôznych malých priestorov. Ich polomer bude do 100 metrov a budú realizované v spolupráci s DECT a W-LAN. Zabezpečia pripojenie firiem, úradov, súkromných LAN do UMTS a tiež prehodenie zo systému DECT do mobilného systému bez prerušenia, ako v prípade domácich buniek). Mikrobunky - bunky v mestách a husto osídlených oblastiach s polomerom podľa potreby, okolo 500-1000 metrov. Zabezpečia úplné pokrytie týchto oblastí. Makrobunky - zabezpečia pokrytie okrajových častí miest a vidieka. Počíta sa s rozmermi od 3 do 8km. Novým prvkom, ktorý ešte nebol preskúmaný a nieje ani veľmi známy sú HAPS (High Altitude Platform Stations - vysoko položené stanice). Tento pojem bol prvý krát v súvislosti s UMTS/IMT-2000 použitý na WRC-2000. Ide o stanice uložené vysoko nad oblasťami 1 s veľkou hustotou osídlenia, kde nahusto 1 Na WRC-2000 bol uvedený príklad základňovej stanice uloženej v balóne
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 17 situované a vysoké stavby prekážajú v šírení elektromagnetických vĺn a bolo by treba veľa pozemných základňových staníc na pokrytie tohoto priestoru. Megabunky - Footprint (bunka satelitného systému) - majú slúžiť ako doplnok k celému systému, v lokalitách s extrémne nízkou hustotou osídlenia, kde sa operátorom neoplatí budovať svoje siete (lode na oceánoch, lietadlá, lokalizované základňové stanice, napr. osamotené budovy s vonkajšími opakovačmi pre satelit). Z tohoto členenia vidíme, že užívateľ môže byť obsluhovaný bunkou z ktorejkoľvek úrovne. Každá úroveň má však za úlohu pokryť iný typ užívateľov (čo sa týka mobility a požadovanej prenosovej rýchlosti). Domáce bunky - statické (ale bezdrôtové!) a pomaly sa pohybujúce terminály Pikobunky - statické (ale bezdrôtové!) a pomaly sa pohybujúce terminály Mikrobunky - chodci, pomaly sa pohybujúce vozidlá Makrobunky - chodci, vozidlá Megabunky - chodci, vozidlá, statické terminály Ak je napríklad chodec obsluhovaný mikrobunkou a nasadne do auta, ktoré sa bude pohybovať rýchlejšie, môže systém na základe určenia jeho rýchlosti (rýchlosť môže zistiť podľa potreby častého prehadzovania) odovzdať obsluhu bunke na vyššej úrovni - makrobunke. Pretože každá úroveň buniek pracuje na inej frekvencii, nazýva sa toto prehodenie prehodením medzi frekvenciami (interfequency handover). Takto sa zaručí, že signalizácia potrebná na prehodenie spojenia neprerastie nad únosnú mieru a pomer užitočnej informácie k signalizácii ostane zachovaný (nedochádza k zníženiu efektívnosti systému). Taktiež sú na každej úrovni dostupné odlišné maximálne prenosové rýchlosti, lebo nieje možné zabezpečiť maximálnu prenosovú rýchlosť vo väčších vzdialenostiach od základňovej stanice, alebo pre terminály pohybujúce sa väčšou rýchlosťou a to hlavne z fyzikálneho hľadiska. Prehodenie medzi frekvenciami môže nastať aj vtedy, ak je požadovaná služba s vyššou prenosovou rýchlosťou, za podmienky, že užívateľ splní kritéria rýchlosti pohybu a vzdialenosti od základňovej stanice. Ináč mu nemôže byť daná služba poskytnutá. Rovnako môže nastať prehodenie medzi frekvenciami, ak je potrebné uvoľniť kanál umožňujúci prenos vyššími rýchlosťami pre iného užívateľa, pričom účastníkovi odchádzajúcemu z vyššej úrovne postačuje aj prenosová rýchlosť poskytovaná nižšou úrovňou v hierarchii buniek.
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 18 Globálne pokrytie Satelity Megabunky (Footprints) Vidiek Predmestia Makrobunky Mestá V budovách Mikrobunky Pikobunky a domáce bunky Obr. 2.3 Hierarchická štruktúra buniek zabezpečujúca globálne pokrytie 2.2.2. Prenosové rýchlosti v UMTS Koncom 20. a začiatkom 21. storočia sa rodia mnohé pokusy, ktoré by do rôznych služieb ponúkaných pevnými linkami vniesli určitý stupeň mobility. Takto vznikajú myšlienky, ako bezšnúrové telefóny, mobilný Internet, bezdrôtové LAN alebo ATM (Asynchronous Transfer Mode - asynchrónny prenosový režim). Niektoré tieto snahy vyústili do štandardov, ktoré sa dnes už bežne používajú (napr. DECT). Aby sme lepšie pochopili úlohu UMTS v spleti týchto všetkých systémov, pozrime sa na obrázok 2.4. Je vidieť, že na zvislej osi UMTS zasahuje až do oblasti prenosových rýchlostí 2Mbit/s, avšak na vodorovnej osi smerom vpravo táto prenosová rýchlosť klesá až na úroveň 144kbit/s. Z toho vyplývajú základné vlastnosti UMTS, čo sa týka prenosových rýchlostí: Globálne pokrytie s dostupnou prenosovou rýchlosťou 144kbit/s za spolupráce so satelitnou zložkou IMT-2000 a so systémami druhej generácie s vylepšenými technológiami ako sú EDGE, GPRS a HSCSD. Tieto poskytujú rozumné riešenie pokrytia na úrovni dnešného pokrytia pre rečovú službu hlavne v úvodných fázach realizácie UMTS. Prenosová rýchlosť 144kbit/s pre satelitné rádiové prostredie bude podporovaná len v tzv. nomadickom operačnom móde (nomadic operating mode), čo znamená, že terminály sú prenosné, ale s väčšími rozmermi (nie do ruky - hand-held) a
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 19 schopné komunikácie v stacionárnom stave, poprípade vyžadujú aj určitý stupeň spolupráce užívateľa (otvorené priestranstvá, nastavovanie antény atď.). Pre malé prenosové rýchlosti (reč) bude však v satelitnom rádiovom prostredí možnosť použitia aj malých terminálov, či dokonca viacrežimových terminálov: pozemná zložka UMTS/Satelitná zložka UMTS. Užívateľ si má možnosť zvoliť aj menšiu prenosovú rýchlosť, ale maximálna ponúkaná prenosová rýchlosť (kdekoľvek sa užívateľ nachádza) by nemala klesnúť pod túto hranicu. Pokrytie husto zaľudnených oblastí, ako sú mestá, s dostupnou prenosovou rýchlosťou 384kbit/s. Táto prenosová rýchlosť má byť v rozvinutej fáze vývoja UMTS dostupná aj na predmestiach a sídliskách miest, nielen v centre. Pokrytie miestností, úradov, jednotlivých budov a pomaly sa pohybujúcich terminálov v ich blízkosti s dostupnou prenosovou rýchlosťou až 2Mbit/s. Prenosová rýchlosť [Mbit/s] 100 10 1 0,1 0,01 WLAN Bezšnúrové systémy (DECT) MBS UMTS Celulárne systémy druhej generácie + EDGE, GPRS, HSCSD Miestnosti Budovy Stacionárne Chodci Vozidlá Vnútri Vonku MBS Mobile Broadband Systems - mobilné širokopásmové systémy Obr. 2.4 Postavenie UMTS medzi mobilnými systémami Na obrázku 2.4 UMTS celkom zahŕňa celulárne systémy druhej generácie a bezšnúrové systémy, avšak poskytuje vyššie prenosové rýchlosti a aj väčšiu mobilitu. Taktiež zasahuje aj do spodnej oblasti bezdrôtových LAN, čím je znázornené, že UMTS ponúka ich ekvivalent
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 20 s nižšou prenosovou rýchlosťou, ale s lepšími parametrami, čo sa týka mobility a pokrytia, nehovoriac už o možnosti permanentného prístupu do celej siete UMTS a prístupu k týmto WLAN z ľubovoľného miesta. UMTS má v sebe obsiahnuté aj prepojovanie takýchto WLAN navzájom. Veľmi malou časťou UMTS pokrýva aj MBS, pretože prenosové rýchlosti 2Mbit/s už môžeme počítať za širokopásmový prístup. V neskorších fázach vývoja UMTS sa počíta so zvyšovaním maximálnej prenosovej rýchlosti až na rádove 10Mbit/s, čím sa UMTS stane vážnym konkurentom pre tieto siete (WLAN a MBS) hlavne pri aplikáciách menej náročných na prenosovú rýchlosť ponúkajúc univerzálnejšie a flexibilnejšie riešenie. Existujú rozpracované úlohy, ktoré uvažujú s rozširovaním UMTS o BRAN (Broadband Radio Access Network - širokopásmová rádiová prístupová sieť) prístup pre veľmi vysoké prenosové rýchlosti s obmedzenou mobilitou. Naväzujú na technológiu HIPERLAN/2 (High Performance Radio Local Area Network - vysokovýkonné rádiové lokálne siete), ktorá je v štádiu vývoja (pod vedením ETSI), a ktorá bude podporovať prenosové rýchlosti 25Mbit/s a viac s nízkym stupňom mobility. Rovnako má UMTS potenciál nahradiť pevné linky, ak nároky na prenosovú rýchlosť niesu veľmi veľké. V riedko osídlených oblastiach, kde ešte neexistuje pevná sieť sa dokonca uvažuje o úplnej náhrade na báze bezdrôtovej siete a WLL (perspektívne UMTS, resp. DECT ako súčasť UMTS). V mnohých prípadoch je to lacnejšia alternatíva pevnej siete. Hoci v konspekte UMTS sa uvažuje aj s možnosťou prístupu do UMTS siete pomocou pevných liniek (pre aplikácie využívajúce možnosti a služby UMTS vyžadujúce vysoké prenosové rýchlosti a bezchybové prostredie), UMTS nemá za úlohu konkurovať vysokorýchlostným pripojeniam, či už na báze optických vlákien alebo medenej dvojlinky (technológie FTTC - Fiber To The Curb - vlákno až k obrubníku, FTTH - Fiber To The Home - vlákno až do domu) a iným širokopásmovým technológiám (ATM, SDH - Synchronous Digital Hierarchy - synchrónna digitálna hierarchia). 2.2.3. Podpora parametrov QoS (Quality of Service - kvalita služby) Požiadavky užívateľov na poskytované služby sú stále väčšie a väčšie a operátori sa im snažia vyhovieť, a tak podporovať aj ich ďalší záujem. Jedným z hlavných problémov, ktorý je aj užívateľmi citlivo vnímaný je prerušenie (spadnutie) práve prebiehajúceho hovoru. Preto boli už v systémoch druhej generácie zahrnuté mechanizmy, ktoré by zabránili týmto prerušeniam. Jedným z nich je alokovanie určitého percenta voľných kanálov v každej bunke pre prípad, keď sa užívateľ pohybuje a potrebuje prehodenie do novej bunky. Ak by nebolo vždy voľné určité percento kanálov, mohlo by sa stať, že užívateľ prichádzajúci do danej
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 21 bunky by nemal voľný kanál a jeho hovor by musel byť zrušený. Iným príkladom sú krátkodobé a dlhodobé úniky v dôsledku viaccestného šírenia sa signálu. Je definovaný určitý časový interval, počas ktorého mobilný terminál nemusí mať dostatočný signál, ale hovor sa neukončí ak sa v danom časovom intervale signál obnoví. V tomto prípade je menšie zlo, ak užívateľ chvíľu nepočuje nič, ako by mal spadnúť celý hovor. V systémoch tretej generácie sa ide ešte ďalej a je snaha implementovať do nich určitý stupeň garancie, že daná služba bude mať požadované parametre. Toto je známe napríklad už zo sietí ATM ako QoS. V UMTS by mal užívateľ mať možnosť špecifikovať svoje požiadavky voči sieti a to vyžiadaním si nosnej služby (bearer service) so zvolenými parametrami. Takýmito parametrami sú: Maximálne prenosové oneskorenie Kolísanie oneskorenia BER (Bit Error Ratio - koeficient bitovej chybovosti) Prenosová rýchlosť Typ prenosu - CS (Circuit Switched - okruhovo prepájaný) alebo PS (Packet Switched - paketovo prepájaný), alebo tiež spojovo a nespojovo orientovaná komunikácia Charakteristika prenosu - VBR (Variable Bit Rate - premenlivá bitová rýchlosť), CBR (Constant Bit Rate - konštantná bitová rýchlosť) a podobne. Pre jeden mobilný terminál bude možné mať aktivovaných viac nosných služieb súčasne, pričom každú s inými parametrami QoS, či už spojovo, alebo nespojovo orientovanú. Jediným obmedzením bude kumulovaná bitová rýchlosť v danom rádiovom prostredí. Kumulovaná bitová rýchlosť znamená súčet prenosových rýchlostí všetkých prevádzkovaných služieb, bez ohľadu na ich ďalšie parametre. Samozrejme, že je možnosť zo strany siete na odmietnutie poskytnutia požadovanej služby v dôsledku parametrov, ktoré niesu v danom čase dosiahnuteľné, a to z dôvodu obmedzenej kapacity systému (systémy niesu a ani v budúcnosti nebudú konfigurované tak, aby mohli všetci užívatelia, ktorých je systém schopný obslúžiť, využívať maximálne možné prenosové rýchlosti a to z dôvodu ekonomického a efektívneho využitia zdrojov). Nasledujúca tabuľka ukazuje rozsah hodnôt parametrov QoS, ktoré by mali byť podporované v UMTS. Platia tak pre spojovo orientované ako aj pre nespojovo orientované služby.
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 22 Prevádzkové prostredie Satelity (relatívna rýchlosť terminálu voči zemi až 1000km/h - lietadlá) V reálnom čase 2 (konštantné oneskorenie) BER/Maximálne prenosové oneskorenie BER 10-3 - 10-7 <400ms Nie v reálnom čase 3 (premenlivé oneskorenie) BER/Maximálne prenosové oneskorenie BER 10-5 - 10-8 1200ms a viac Vidiek - vonku (relatívna rýchlosť terminálu voči BER 10-3 - 10-7 zemi až 500km/h) 1 20-300ms BER 10-5 - 10-8 150ms a viac Mestá, predmestia - vonku (relatívna rýchlosť terminálu voči zemi až 120km/h) BER 10-3 - 10-7 20-300ms BER 10-5 - 10-8 150ms a viac Vnútri, vonku s malým dosahom (relatívna rýchlosť terminálu voči zemi maximálne 10km/h) BER 10-3 - 10-7 20-300ms BER 10-5 - 10-8 150ms a viac -1 Hodnota 500km/h je zvolená kvôli pokrytiu rýchlovlakov, avšak charakteristickejšia hodnota je 250km/h 2 Pravdepodobne bude nutné zvoliť kompromis medzi BER a oneskorením 3 Hodnota maximálneho oneskorenia prenosu sa tu berie ako čas, kedy je prenesené 95% prenášanej informácie Tab. 2.1 najdôležitejšie parametre QoS dostupné v rôznych rádiových prostrediach Ako už bolo spomenuté, užívateľ má možnosť zvoliť si aj menšiu prenosovú rýchlosť, ako je maximálna. V prípade, že by si mohol zvoliť ľubovoľnú rýchlosť, bolo by to ťažko realizovateľné s ohľadom na multiplexovanie užívateľov. Preto sa pri službách v reálnom čase počíta s určitým krokom (granularitou) prenosovej rýchlosti. Pre 2Mbit/s maximálnu rýchlosť - 200kbit/s krok Pre 384kbit/s maximálnu rýchlosť - 40kbit/s krok Pre 144kbit/s maximálnu rýchlosť - 16kbit/s krok V mobilných komunikačných systémoch tretej generácie je okruh ponúkaných služieb veľmi veľký, a to z dôvodu mulimediálneho charakteru služieb, čo môže byť v podstate akýkoľvek druh informácie s ľubovoľnými parametrami (statické obrazy, video alebo zvuk v rôznej kvalite, prenos dát a podobne). Tiež je treba povedať, že v systémoch tretej generácie už nebude platiť model, keď operátor siete bol aj poskytovateľom služieb. Tie teraz môžu poskytovať aj iné subjekty, čo je spôsobené predovšetkým všestranným charakterom služieb. Bolo by veľmi nepraktické (ba až nemožné), aby boli všetky služby presne definované, ako to bolo v systémoch druhej generácie, kde boli presne vymenované a definované základné a doplnkové služby. Namiesto toho sa radšej definujú akési okruhy (triedy), vymedzujúce základné charakteristiky prenášanej informácie a požiadavky na prenosový kanál (nosnú
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 23 službu - bearer service s definovanými parametrami). Samozrejme základné služby (reč, krátke správy a podobne) a doplnkové služby podobné službám sietí druhej generácie, ako aj niektoré nové služby sú definované presne. Analýzou charakteru multimediálnych služieb sa v UMTS definovali štyri základné triedy služieb: Konverzačná trieda Prúdová trieda Interaktívna trieda Trieda služieb na pozadí Tieto štyri triedy v sebe zahŕňajú najbežnejšie druhy multimediálnej komunikácie. Konverzačná trieda Najznámejším predstaviteľom tejto triedy je bežný telefónny hovor. Napriek tomu s uvedením Internetu a multimédií do komunikácie bude mnoho aplikácií vyžadovať túto schému služieb (VoIP - Voice over Internet Protocol - reč cez Internetový protokol, videokonferencie). Konverzácia v tejto triede sa vždy uskutočňuje medzi ľudskými osobami a aj z toho vyplýva, že všetky parametre QoS prenášanej informácie sú striktne dané ľudským vnímaním. Táto trieda je charakteristická tým, že doba prenosu musí byť malá, z dôvodu konverzačnej povahy týchto služieb (to znamená, že užívateľ musí mať pocit, že doba prenosu je nulová). Tiež musia byť dodržané časové väzby medzi jednotlivými informačnými jednotkami (vzorkami, paketmi) vo vnútri toku a preto ani kolísanie oneskorenia nesmie byť veľké. Prúdová trieda Je to pomerne nový druh informácie v dátovej komunikácii a jeho príkladom môže byť počúvanie rádia alebo sledovanie videa z Internetu v reálnom čase. Na príjmacej strane je vždy ľudská osoba, čo má znovu za následok, že parametre prenosu sú dané ľudským vnímaním. Prenos informácie v tejto triede je vždy jednosmerný. Oneskorenie prenosu nemá veľký vplyv na kvalitu služby, ak nieje veľmi veľké (od oneskorenia závisí, za aký čas od vyžiadania si služby bude táto prístupná užívateľovi, a preto musí byť v rozumných
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 24 medziach). Táto trieda je však charakteristická tým, že počas prenosu musia byť zachované časové väzby medzi jednotlivými informačnými zložkami (vzorkami, paketmi) vnútri prúdu. Z toho dôvodu musí byť kolísanie oneskorenia prenosu informácie obmedzené na takú mieru, aby to nemalo za následok také porušenie väzieb informačných zložiek vnútri prúdu, ktoré by bolo pre človeka vnímateľné. Pri použití vyrovnávacej pamäte na príjmacej strane sa však nároky na kolísanie oneskorenia dajú zmierniť. Interaktívna trieda Toto je prípad, keď človek, alebo nejaké zariadenie požaduje zaslanie dát zo vzdialeného miesta (prezeranie www stránok, listovanie v databázach, automatické databázové dotazy a podobne). Je to klasická služba v dátovej komunikácii založená na princípe požiadavka - odpoveď. Už z povahy týchto služieb vyplýva, že kritickým miestom je čas, za ktorý obdrží užívateľ odpoveď. Ďalšou požiadavkou je malá (nulová) chybovosť prenosu (či už požiadavky alebo odpovede). Trieda služieb na pozadí Typickými predstaviteľmi tejto služby sú prípady, keď zariadenie príjma alebo vysiela dátové súbory na pozadí (e-mail, SMS). Táto trieda je charakteristická tým, že cieľové zariadenie neočakáva doručenie dát v určitom danom čase. Je to viac menej služba necitlivá na dobu prenosu, avšak aj tu sa vyžaduje, aby doručená informácia bola bezchybná. Vo všetkých týchto triedach sa vyskytujú dva druhy informácií: Citlivé na chyby Tolerantné na chyby Napríklad telefónny hovor patrí do konverzačnej triedy a nieje citlivý na chyby (prípadný výskyt chyby nemá veľký vplyv na kvalitu služby). Príkladom na konverzačnú službu citlivú na chyby je telnet, kde výskyt chyby môže spôsobiť zlú interpretáciu príkazu, alebo chybové hlásenie.
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 25 3. ARCHITEKTÚRA UMTS/IMT-2000 Na rozdiel od techniky rádiového prístupu (WCDMA), ktorá je úplne odlišná od prístupovej techniky v systémoch druhej generácie, ostatné prvky systémov tretej generácie sú vyvíjané v náväznosti na systémy druhej generácie a ich evolúciou. To nebráni operátorom budovať siete tretej generácie na nových platformách, ktoré určuje štandard. Evolúcia zo sietí druhej generácie je však výhodná najmä kvôli nízkym počiatočným nákladom. Z toho dôvodu sa ETSI rozhodla definovať štandardy v ročných etapách, tzv. vydaniach - release. 3.1. Evolúcia GSM na UMTS Cieľom tejto evolúcie je transformovať okruhovo prepájané GSM druhej fázy na univerzálnu sieť UMTS ponúkajúcu množstvo rozličných služieb, založenú na IP (Internet Protocol - Internetový protokol). Tento vývoj sa rozdeľuje do týchto fáz: Prípravná fáza, GSM 2+ s vylepšeniami, a to najmä GPRS. GPRS sprostredkuje paralelnú sieť k základnej okruhovo prepájanej sieti GSM na princípe paketovej siete (IP). Úlohou GPRS je sprostredkovať prístup založený na IP od mobilného terminálu k ISP (Internet Service Provider - poskytovateľ Internetu), alebo do spoločne siete na hranici mobilnej siete cez tzv. tunely (tunnels), alebo rúry (pipes). Bude použité existujúce rádiové rozhranie GSM, takže mobilné terminály s GPRS sú kompatibilné s mobilnými terminálmi bez GPRS. Táto paralelná sieť bude používať SGSN (Serving GPRS Support Node - obslužný GPRS podporný uzol) a GGSN (Gateway GPRS Support Node - stykový GPRS podporný uzol), čo sú vlastne IP ekvivalenty VMSC (Visited Mobile Switching Centre - navštívené-hosťovské mobilné prepájacie Centrum) a GMSC (Gateway MSC - stykové MSC, tiež bránové MSC). Prvá fáza štandardu UMTS, označuje sa ako UMTS Vydanie 99 (Release 99). Uvádza do prevádzky nové rádiové rozhranie známe pod názvom UTRA, namiesto rádiového rozhrania GSM. Štruktúra základnej siete sa nebude veľmi líšiť od štruktúry v systéme GSM 2+ s paralelnou zložkou siete GPRS. Pričom pridáva do tohoto štandardu nevyhnutné doplnky tak, aby bolo možné splniť požiadavky na prvú fázu UMTS. Podpora existencie viacerých telefónnych hovorov nieje v tejto fáze pre operátorov povinná.
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 26 UMTS Vydanie 4 (Release 4) pridá do Vydania 99 malé obohatenia funkčnosti, ale neuvádza podstatné zmeny. UMTS Vydanie 5 (Release 5), predtým známe tiež ako Vydanie 2000 (Release 2000). Základná sieť sa zmení na jedinú sieť založenú na IP. Rozšíri služby o multimediálne služby založené na IP. Sieť by mala v tomto vydaní využívať na poskytovanie podpory multimediálnych služieb na báze IP (ako hlas a video) PS doménu (UE - User Equipment - užívateľské zariadenie, UTRAN - UTRA Network - UTRA sieť, SGSN, GGSN) a IM (IP Multimedia - IP multimediálnu) doménu (CSCF - Call Server Control Function - riadiaca funkcia servera volaní, MGW - Media GateWay - stykový bod pre médiá + pridružené jednotky). PS doména by mala sprostredkovať prenos IP prevádzky v sieťach tretej generácie a IM doména by mala poskytovať riadenie volania (spojenia - Call/Session, využívajúc SIP - Session Initiation Protocol - protokol iniciácie spojenia, čo je signalizačný protokol založený na IP vyvinutý IETF - Internet Engineering Task Force - skupinou Internetového inžinierstva) a procesy konverzie médií. IM doména má byť pripojená k PS doméne cez GGSN. Na nasledujúcom obrázku sú názorne zobrazené spomenuté fázy vývoja štandardu GSM k UMTS, čo sa týka služieb, základnej siete a rádiového rozhrania: Služby Tunelovanie k ISP Na báze prepájania okruhov IP Multimédiá Základná sieť IP SGSN/GGSN CS MSC/GMSC Celá založená na IP Servery vymenia MSC SGSN/GGSN ostávajú pridané CSCF Rádiové rozhranie GSM UTRAN GSM GSM/GPRS Vydanie 99 a 4 Vydanie 5 Obr. 3.1 Vývoj služieb, základnej siete a rádiového rozhrania GSM k UMTS Aj keď na obrázku sú jednotlivé fázy jednoznačne oddelené, skutočný vývoj bude prebiehať plynulým prechodom medzi fázami. Je len na operátoroch, či sa rozhodnú zachovať
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 27 aj infraštruktúru predošlých fáz paralelne s novými technológiami, aby uspokojili čo najväčšie množstvo zákazníkov. Vydanie 5 zahŕňa dve principiálne požiadavky: Musí dovoľovať operátorom (ak sa rozhodnú) podporovať aj CS terminály používané vo vydaní 99 Musí umožňovať paralelnú existenciu IP a CS domény, takže operátor môže využívať CS doménu z vydania 99 a IP doménu z vydania 5. 3.2. UMTS - fáza 1 (Vydanie 99) Fundamentálny rozdiel medzi GSM a UMTS v prvej fáze spočíva v podpore nosnej služby s vysokými prenosovými rýchlosťami a s náznakmi QoS charakteristík. Fáza 1 UMTS by mala efektívnym spôsobom podporovať prenos zhlukového a asymetrického charakteru prevádzky. To má zabezpečiť, aby UMTS fáza 1 bol schopný sprostredkovať jedno- a multimediálne N-ISDN (Narrowband Integrated Service Digital Network - úzkopásmová digitálna sieť integrovaných služieb - prenosová rýchlosť do 2Mbit/s) aplikácie a jedno- a multimediálne IP aplikácie. Definovanie UMTS fázy 1 musí umožniť operátorom zavádzanie nových technológií, ako IP, ATM a podobne. UMTS sieť je logicky rozdelená na sieť rádiového prístupu (Radio Access Network - RAN) a na základnú sieť. Základná sieť je z funkčného hľadiska ďalej rozdelená na doménu paketovo prepájaných služieb a doménu okruhovo prepájaných služieb. Napriek tomu môžu mať siete a terminály len PS alebo len CS doménu, alebo obidve, v závislosti na voľbe operátora. Jediná, toho času definovaná prístupová sieť do UMTS je UTRAN (zahŕňajúc všetky UTRA módy - zatiaľ iba UTRA FDD a TDD). UMTS fáza 1 by mala vyť vyvinutá tak, aby podporovala kompatibilitu s existujúcimi sieťami GSM z hľadiska roamingu a prehodenia. To má byť dosiahnuté už spomenutou evolúciou GSM sietí fázy 2+, avšak nevylučuje sa ani iný postup (vybudovanie úplne novej infraštruktúry v súlade so štandardom). Ak si všimneme blokovú schému UMTS prvej fázy, vidíme, že okrem UTRAN sú ostatné prvky zhodné s GPRS/GSM 2+ sieťou. Pridaním novej prístupovej siete UTRAN bolo nutné definovať aj nové rozhrania medzi základnou a prístupovou sieťou. UTRAN využíva na komunikáciu so základnou sieťou rozhranie Iu. Toto rozhranie je jedným z najdôležitejších rozhraní v UMTS, pretože spája dva odlišné funkčné celky. Pri úvahách o spôsobe vývoja UMTS sa rozhodlo, že systém musí byť navrhnutý tak, aby dovoľoval
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 28 oddelený vývoj prístupovej a základnej siete, a to musí zabezpečiť vhodné a dostatočne flexibilné rozhranie Iu. UTRAN pozostáva z viacerých zložiek, tzv. RNS (Radio Network Subsystem - subsystém rádiovej siete). Je to UMTS ekvivalent GSM BSS (Base Station Subsystem - subsystém základňovej stanice). Obr. 3.2 Architektúra siete UMTS v prvej fáze vývoja 3.2.1. Základná sieť UMTS v prvej fáze Najdôležitejším prínosom na ceste k UMTS je GPRS. GPRS dovoľuje prenášať PS dáta cez CN a umožňuje tak priamy prístup mobilných terminálov do paketových sietí. GPRS umožňuje pri prístupe cez GSM BSS prenášať dáta rýchlosťou až 115kbit/s. Táto hodnota je však značne závislá od kvality signálu (vzdialenosti ME - Mobile Equipment - mobilné zariadenie a BSS) a od počtu práve voľných kanálov (časových slotov) v danej bunke. Takisto ani všetky terminály nemusia podporovať túto maximálnu prenosovú rýchlosť. Dôležité je aj to, že GPRS pripravuje CN na prenos PS dát rýchlosťami až 2Mbit/s, a to dovoľuje stavať UMTS CN na tomto základe. CN UMTS fázy 1 sa logicky delí na dve časti, CS doménu a PS doménu. CS doména je takmer zhodná s GSM, musia byť však urobené menšie zmeny, ktoré umožnia prenos okruhovo spínaných dát rýchlosťou 144kbit/s (2G/3G MSC, 2G/3G - Mobilný komunikačný
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 29 systém druhej/tretej generácie). Ostávajú zachované všetky funkčné celky, ako MSC, HLR (Home Location Register - register domácej polohy) a podobne. PS doménu tvorí rozšírenie GSM štandardu, GPRS prispôsobené na požiadavky UMTS [35]. Táto doména obsahuje SGSN a GGSN, čo sú PS analógie VMSC a GMSC. Na obrázku sú SGSN a GGSN označené ako 2G/3G SGSN a GGSN., čo znamená, že okrem GSM GPRS komunikácie je táto sieť schopná podporovať aj PS služby UMTS prvej fázy. Úlohou SGSN je smerovanie paketov k užívateľovi (routing). Tieto PS dáta môžu mať pôvod v danej PLMN, alebo v externej PDN (Packet Data Network - paketová dátová sieť). V druhom prípade sú dáta najprv smerované z externej PDN do GGSN, ktorý plní funkciu rozhrania danej PLMN s týmito PDN a odtiaľ sa všetky dáta prenášajú do SGSN, kde sú nasmerované priamo k užívateľovi, podľa jeho aktuálnej polohy (mobility managemant - správa polohy). Z toho je vidieť, že podobne ako MSC, aj SGSN spolupracuje s HLR (prípadne VLR) a s jemu pridruženými funkčnými jednotkami (AuC - Authentification Centre - autentifikačné centrum, EIR - Equipment Identity Register - register identity zariadení - mobilných telefónov). Novým prvkom, ktorý zo sebou prináša GSM 2+ je CAMEL. Je to architektúra, ktorá umožňuje prístup k službám inteligentných sietí (IN - Inteligent Network) špecifickým pre operátora aj za hranicami jeho PLMN (v inej PLMN - roaming). Je to prvý krok k novej technológii UMTS zvanej VHE (Virtual Home Environment - virtuálne domáce prostredie), ktorá bude opísaná neskôr. Najvýraznejšou zmenou základnej siete UMTS oproti GSM je uvedenie ATM ako prioritnej prenosovej technológie, namiesto ISDN technológie používanej v GSM (druhá vrstva v OSI referenčnom modeli - linková, Open Systems Interconnection - prepájanie otvorených systémov). Je to nevyhnutný krok, na zabezpečenie dostatočnej prenosovej kapacity základnej siete, ktorá vyplýva z charakteru služieb ponúkaných v UMTS a na umožnenie prenosu tak PS ako aj CS dát, či už s konštantnou, alebo s premenlivou prenosovou rýchlosťou. Ďalším krokom k univerzálnej sieti tretej generácie je použitie IP protokolu pri komunikácii (tretia vrstva v OSI referenčnom modeli - sieťová), či už vnútri základnej siete, alebo medzi jednotlivými PLMN. Tento bol zvolený jednak pre svoju univerzálnosť a aj pre veľkú rozšírenosť tohoto protokolu, čo zjednoduší komunikáciu aj s inými PDN, hlavne s Internetom. Použitie IP aj v sieti Internet bolo tiež jedným z týchto dôvodov, pričom sa argumentovalo tým, že veľká časť služieb, aplikácií a dát bude mať pôvod práve v tejto sieti. Presná bloková schéma pre UMTS fázu 1 sa nachádza v [32] a opis PS domény aj s rozhraniami medzi jednotlivými jednotkami v [35]. ATM sieť sa skladá z uzlov a liniek. V našom prípade tvoria tieto uzly jednotlivé funkčné bloky, ako sú SGSN, GGSN, RNC (Radio Network Controller - riadiaca jednotka rádiovej siete) a podobne. Dáta (užívateľské aj
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 30 signalizačné) sú rozdelené do ATM buniek a vysielané po jednotlivých linkách. Na zabezpečenie prenosu rôznych typov služieb s odlišnými vlastnosťami (prenosová rýchlosť, jej kolísanie, oneskorenie ) a informácií sú použité rôzne AAL (ATM Adaptation Layer - ATM adaptačná vrstva). V UMTS sú použité dve AAL: AAL-2 Pomocou tohoto prenosového módu sú spracovávané spojovo orientované dáta s premenlivou prenosovou rýchlosťou a s minimálnym oneskorením. Je vhodná najmä na prenos služieb s variabilnou prenosovou rýchlosťou v reálnom čase - video, zvuk. AAL-2 je použitá len na prenos užívateľských dát. AAL-5 Sa v UMTS používa na prenos signalizácie a paketovo orientovaných dát. Pre lepšie pochopenie funkcie celého systému uvediem dva referenčné protokolové modely pre Iu rozhranie smerom k CS doméne a smerom k PS doméne. V UMTS sa protokoly delia na dve roviny: Užívateľská rovina - toto sú protokoly opisujúce spôsob prenosu užívateľských dát Riadiaca rovina - tieto protokoly opisujú prenos signalizácie medzi jednotlivými jednotkami (MS - Mobile Station - mobilná stanica a SGSN, SGSN a GGSN a podobne) Na nasledujúcom obrázku je referenčný protokolový model Iu-CS rozhrania siete UMTS zo strany UTRAN. Hovorí o spôsobe prenosu dát medzi UTRAN a CN, takže veľa napovedá aj o vlastnostiach CS domény základnej siete. Na podobnom princípe fungujú všetky prenosy CS dát v UMTS (viď vrstva prenosovej siete, pretože vrstva rádiovej siete slúži len na komunikáciu MS - RNC - CN). Vrstva rádiovej siete má na starosti správu rádiového spojenia MS a prenos signalizačných informácií medzi UE a CN. Vrstva prenosovej siete sa stará o zabezpečenie prenosu týchto informácií, ako aj prenosu signalizácie medzi RNC a CN a užívateľských dát. Užívateľské dáta a signalizácia od UE smerom k CN boli transparentne prenesené cez rádiové rozhranie. K týmto dátam sa pridá signalizácia, ktorú generuje RNC buď na základe signalizácie MS - RNS, alebo na základe iných požiadaviek (vlastná komunikácia medzi RNC a CN). Tieto všetky informácie má potom vrstva prenosovej siete za úlohu preniesť. Na strane CN je architektúra protokolov podobná, aby CN mohla komunikovať s RNC na úrovni vrstvy rádiovej siete.
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 31 Vrstva rádiovej siete Riadiaca rovina RANAP Užívateľská rovina protokol užívateľskej roviny rozhrania Iu Vrstva prenosovej siete Užívateľská rovina prenosovej siete Riadiaca rovina prenosovej siete Q.2630.1 Užívateľská rovina prenosovej siete SCCP Q.2150.1 MTP3b MTP3b SSCF-NNI SSCOP SSCF-NNI SSCOP AAL5 AAL5 AAL2 ATM Fyzická vrstva Obr. 3.3 Protokolový referenčný model Iu-CS rozhrania siete UMTS zo strany UTRAN SCCP (Signalling Connection Control Part - riadiaca časť signalizačného spojenia) - sa používa na prenos signalizačných správ medzi CN a RNC. RANAP (Radio Access Network Application Part - aplikačná zložka siete rádiového prístupu) - je to užívateľská funkcia, ktorú poskytuje SCCP, na vytvorenie jedného signalizačného spojenia medzi špecifickým UE a CN. MTP3b (Message Transfer Part level 3 for Q.2140 - zložka na prenos správ tretej úrovne) - odporúčanie ITU-T Q.2211. SSCF-NNI (Service Specific Coordination Function-Network Node Interface - koordinačné funkcie závislé od typu služby - rozhranie so sieťovým uzlom) - odporúčanie ITU-T Q.2140. SSCOP (Service Specific Connection Oriented Protocol - spojovo orientovaný protokol závislý na type služby) - odporúčanie ITU-T Q.2110. Odporúčanie ITU-T Q.2630.1 - sa zaoberá vybudovaním AAL2 spojenia smerom k CS doméne. Odporúčanie ITU-T Q.2150.1 - Konvertuje signalizáciu na prenos cez MTP3b.
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 32 Je vidieť, že kým signalizácia rozhrania Iu-CS sa prenáša ATM adaptačnou vrstvou 5, CS dáta ATM adaptačnou vrstvou 2. Pri Iu-PS rozhraní sa dáta aj signalizácia prenášajú ATM adaptačnou vrstvou 5. Vrstva rádiovej siete Riadiaca rovina RANAP Užívateľská rovina protokol užívateľskej roviny rozhrania Iu Vrstva prenosovej siete Užívateľská rovina prenosovej siete SCCP Riadiaca rovina prenosovej siete Užívateľská rovina prenosovej siete MTP3b SSCF-NNI SSCOP M3UA SCTP IP GTP-U UDP IP AAL5 AAL5 ATM ATM Fyzická vrstva Fyzická vrstva Obr. 3.4 Protokolový referenčný model Iu-PS rozhrania siete UMTS zo strany UTRAN GTP-U (GPRS Tunneling Protocol for the User plane - tunelovací protokol GPRS pre užívateľskú rovinu). Tento protokol pretláča (tuneluje) užívateľské dáta medzi UTRAN, 3G-SGSN a medzi jednotlivými GSN v chrbticovej sieti. Všetky PDU (Protocol Data Unit - dátové zložky protokolu) PDP (Packet Data Protocol - protokol paketových dát, napr. aj IP) by mali byť zapúzdrené do GTP. UDP/IP (User Datagram Protocol - protokol užívateľského datagramu) toto sú protokoly chrbtovej siete používané na smerovanie dát a riadiacej signalizácie medzi GSN, ako aj medzi RNC a SGSN (Podobné ako TCP/IP, ale bez potvrdzovania príjmu). Podľa odporúčania musí podporovať IPv4. Podpora IPv6 je dobrovoľná. AAL5 - na prenos IP paketov cez Iu-PS rozhranie majú byť použité AAL5 virtuálne obvody (VC - Virtual Circuit). IP/ATM - pri použití PVC (Permanent Virtual Circuit - permanentný virtuálny obvod) má byť na prenos IP paketov použitý klasický protokol IP cez ATM a multiprotokolové zapuzdrenie (Multiprotocol Encapsulation) cez AAL5.
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 33 M3UA, SCTP - plnia podobnú funkciu ako MTP3b a SSCF-NNI, ale pre SCCP signalizáciu používajúcu ako sieťový protokol IP. Z obrázka 3.4 je vidieť, že prenos užívateľských dát v PS doméne sa uskutočňuje prostredníctvom GTP-U protokolu cez UDP cez IP cez ATM. GTP-U protokol je základom GPRS technológie. Je použitý na prenos dát aj signalizácie medzi jednotlivými GSN. Komunikácia a signalizácia medzi ostatnými zložkami základnej siete PS aj CS domény sa realizuje podobne ako v GSM GPRS, pomocou protokolu MAP (Mobile Application Part - zložka mobilnej aplikácie).v PS doméne nepotrebuje vrstva prenosovej siete Iu rozhrania riadenie (riadiaca rovina je prázdna), pretože ide o nespojovo orientovaný protokol na báze AAL5. Na základnú sieť UMTS prvej fázy sú kladené určité minimálne požiadavky, aby sa zabezpečila možnosť spolupráce UMTS sietí rôznych operátorov. Keďže v prevej fáze budú možnosti základnej siete UMTS nadstavbou možností GSM základnej siete, sú spomenuté len požiadavky nad rámec GSM: Základná sieť UMTS prvej fázy musí podporovať službu okruhovo prepájaných dát s maximálnou prenosovou rýchlosťou aspoň 64kbit/s na užívateľa. To by nemalo brániť užívateľovi vybrať si službu s nižšou rýchlosťou. Ďalej by mala základná sieť podporovať službu paketovo prepájaných dát so maximálnou špičkovou prenosovou rýchlosťou 2Mbit/s na užívateľa. Taktiež to však nesmie brániť užívateľovi vybrať si nižšiu prenosovú rýchlosť. Základná sieť musí byť schopná zostaviť, prehodnotiť (re-negotiate - prispôsobiť parametre spojenia pri zmene parametrov užívateľskej informácie, alebo oznámiť, že požadované parametre nieje možné akceptovať) a zrušiť spojenie pri množstve prevádzkových parametrov. Prehodnocovanie (zjednávanie) parametrov QoS počas spojenia tiež patrí do tejto skupiny, pričom môže byť vykonávané aplikáciou, alebo užívateľom za pomoci aplikácií. Tie isté vlastnosti musí mať základná sieť aj v pri prenose nespojovo orientovaných dát. Rozsah prevádzkových a prenosových charakteristík podporovaných základnou sieťou musí byť aspoň na úrovni GPRS.
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 34 Už existujúce spojenie nesmie brániť zostaveniu nového spojenia, ktoré môže byť PS alebo CS. Samozrejme sa očakáva, že terminály a možnosti sietí budú klásť nejaké obmedzenie na počet súčasne aktívnych spojení. Je však potrebné, aby každé spojenie malo vlastné nezávislé prenosové a prevádzkové charakteristiky. Základná sieť má podporovať služby špecifické pre operátora založené na VHE. To by sa malo zabezpečiť pomocou dostupných nástrojov (ako napr. CAMEL, MExE - Mobile station application Execution Environment - prostredie pre spúšťanie aplikácií v MS, WAP, SIM). V prípade, že počas prenosu (aktívnej služby) vznikne požiadavka autentifikácie, nesmie tento proces degradovať kvalitu služby. Základná sieť má podporovať generovanie výpisov účtov so základnými položkami, ako sú volané číslo, trvanie hovoru, množstvo prenesených dát a prenosová rýchlosť a kvalita služby poskytovanej užívateľovi. Mala by podporovať on-line fakturáciu, pričom účtovanie služieb tretej strany s pridanou hodnotou by malo byť zahrnuté do faktúry zasielanej užívateľovi operátorom. Musí zabezpečiť spoluprácu so sieťami PSTN (Public Switched Telephone Network - verejná spínaná telefónna sieť), N-ISDN, GSM, X.25 a IP. Pre UMTS terminály by malo byť možné podporovať rádiové rozhrania GSM BSS aj UTRAN na zabezpečenie roamingu v sieti GSM a využívania jej služieb. Pri návrhu základnej siete musia byť zohľadnené aj požiadavky na USIM (UMTS SIM) v neskorších fázach vývoja. Základná sieť by mala mať zdroje na monitorovanie a meranie prevádzky v sieti (napríklad na zamedzenie preťaženia siete). Základná sieť musí podporovať plán číslovania uvedený v stati 4.3.1 [29]. 3.2.2. UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network - sieť pozemného rádiového prístupu do UMTS) Na rozdiel od základnej siete UMTS, ktorá bude vo väčšine prípadov (operátori, ktorý nevlastnia licenciu na sieť GSM, len na UMTS musia vybudovať celú základnú sieť, čo môže byť výhoda v tom, že môžu flexibilnejšie uviesť do systému nové technológie a skôr pretransformovať svoju základnú sieť na tzv. All IP sieť) výsledkom postupnej evolúcie
Radovan Rybár: UMTS/IMT-2000 Strana 35 existujúcich GSM sietí, je prístupová sieť UMTS úplne odlišná od GSM prístupovej siete. Z toho vyplýva potreba značných nákladov na dosiahnutie pokrytia na úrovni dnešného pokrytia GSM. Preto sa počíta s tým, že v úvodných fázach budú signálom UMTS pokryté len husto osídlené miesta, väčšinou centrá väčších miest a lokality, kde sa dá očakávať využitie týchto systémov. Na iných miestach by zatiaľ ako náhrada UMTS mali byť GSM siete s vylepšenými technológiami GPRS a HSCSD. To všetko však závisí hlavne na marketingových faktoroch v jednotlivých regiónoch. Obr. 3.5 UTRAN UTRAN sa skladá z tzv. Subsystémov Rádiovej Siete - RNS, čo sú ekvivalenty GSM BSS. Každý RNS obsahuje jeden RNC (ekvivalent GSM BSC - Base Station Controller - riadiaca jednotka základňovej stanice), ktorý by mak byť pripojený len k jednej základnej sieti, a to cez Iu rozhranie (zahŕňajúc PS aj CS zložku). Každý RNC ovláda niekoľko Uzlov B (Node B - ekvivalent GSM BTS - Base Transceiver Station - vysielacia-príjmacia základňová stanica). Uzly B sú k RNC pripojené cez Iub rozhranie. Rádiové rozhranie medzi Uzlom B a UE je označené ako Uu. Novým prvkom, ktorý v GSM nefiguroval je rozhranie Iur medzi jednotlivými RNC. Toto rozhranie slúži na zabezpečenie prehodenia bez prerušenia aj pri vysokých prenosových rýchlostiach, na prenos paketov zo zásobníka jedného RNC do druhého RNC v prípade, že užívateľ už bol prehodený a zásobník predošlého RNC ešte obsahuje pakety, ktoré nestihol poslať užívateľovi. Za pomoci Iur rozhrania je možné aj zdieľanie zdrojov jednotlivých RNC navzájom. Pri komunikácii UE a CN je RNC, ktorý obsluhuje dané UE označený ako SRNC (Serving RNC - slúžiaci RNC). Ten je zodpovedný za všetky úkony spojené s daným UE. V niektorých prípadoch (väčšinou pri prehodení) môže