UMTS - czy tylko telefony?

Ciekawostki | Dvd,Mp3 | Ebiznes | Gry komputerowe | Internet | Kościół i Internet | Oprogramowanie | Sprzęt |

UMTS - czy tylko telefony?

Jerzy Guterman

Telefonia komórkowa jest obecnie najszybciej rozwijającym się działem telekomunikacji na świecie, przyciąga ogromne inwestycje i gwarantuje znaczne dochody. Szacuje się, że za kilka lat połowa wszystkich transmisji głosu, wizji i danych będzie się odbywała przez łącza radiowe. Czy zapowiadany system UMTS spełni pokładane w nim nadzieje?

Wpływy do budżetów państw Unii Europejskiej ze sprzedaży koncesji na UMTS (Universal Mobile Telecomunication System) przerosły najśmielsze oczekiwania organizatorów przetargów: w Wielkiej Brytanii w myśl zasady "kto da więcej" za sprzedaż koncesji osiągnięto łącznie 22 mld funtów (równowartość ponad 30 mld dolarów), w Niemczech wartość sześciu licencji przekroczyła 98 mld marek (około 50 mld dolarów). Operatorzy sieci komórkowych z rozmachem inwestują w system, który dotychczas nie został nigdzie uruchomiony, widząc w nim podstawę utrzymania się na rynku telekomunikacyjnym przez następne kilkanaście lat.

W Polsce po rekordowo szybkim przetargu 2 grudnia 2000 roku minister łączności Tomasz Szyszko podpisał i wręczył koncesje na telefonię UMTS firmom: PTK Centertel, Polska Telefonia Cyfrowa oraz Polkomtel SA. Jednak na wprowadzenie systemu 3G trzeba będzie jeszcze poczekać. W czasie, gdy prace standaryzacyjne nie zostały jeszcze sfinalizowane, operatorzy przygotowują się do zmian, podejmując głównie działania finansowo-prawne i finalizują część inwestycji. Na przykład Polska Telefonia Cyfrowa, operator sieci Era GSM, zbudowała i uruchomiła na terenie Polski sieć szkieletową SDH. Jest to pierwszy krok do samodzielnego świadczenia usług teleinformatycznych, będących standardem w systemie UMTS. Obecnie sieć długości ponad 2600 km łączy 12 miast. Jej duża przepustowość (2*155 Mb/s) uniezależni operatora w przyszłości od łączy TP SA, co pozwoli na obniżenie kosztów połączeń.

Zasadniczym celem wprowadzania UMTS jest zapewnienie zintegrowanej łączności cyfrowej o maksymalnej przepustowości do 2 Mb/s. Projektowane struktury będą obejmowały zarówno tradycyjne sieci przewodowe, siatkę naziemnych stacji nadawczych, jak i zespół satelitów. Tak zróżnicowane sposoby komunikacji mają zapewnić niezawodną, niezależną od warunków atmosferycznych łączność globalną. Podczas wprowadzania systemów trzeciej generacji przewiduje się hierarchiczny podział obsługiwanego terytorium na różnej wielkości strefy, odmienne pod względem maksymalnego transferu i dopuszczalnej szybkości przemieszczania się abonenta.

Najmniejszym fragmentem sieci UMTS będzie tzw. pikokomórka, obejmująca obszar o promieniu nie większym niż kilkadziesiąt metrów. Rozwiązania takie będą stosowane przede wszystkim w miejscach o bardzo dużym natężeniu ruchu telekomunikacyjnego, takich jak lotniska, biurowce, urzędy czy domy mieszkalne. W jednostkach tych oferowana przepływność sieci będzie największa i osiągnie wartość do 2 Mb/s. W obszarze pikokomórki, ze względu na niewielką odległość terminalu osobistego od stacji nadawczej, zdolność do niezawodnej transmisji w ruchu będzie ograniczona do około 10 km/h. Większą jednostką systemów trzeciej genera-cji będzie mikrokomórka (microcell), o zasięgu nie większym niż 1 km od nadajnika. Obejmie obszary miejskie, gdzie jest wielu użytkowników - tam szybkość transmisji będzie zawierać się w przedziale 384 Kb/s - 2 Mb/s. Wraz ze wzrostem odległości od stacji bazowej dopuszczalna prędkość poruszania się użytkownika wzrasta i dla mikrokomórki osiąga już wartość 100 km/h. Zasięgiem ogólnomiejskim (do 40 km) będą dyspo-nowały makrokomórki (macrocells), obszar kraju natomiast pokryją megakomórki (megacells). Dla łączności w obrębie tych struktur szybkość transmisji znacznie się obniży (maksymalna 384 Kb/s), jednak ograniczenia szybkości poruszania się stacji ruchomej praktycznie znikną.

Inicjatywa utworzenia uniwersalnego systemu radiokomunikacji (UMTS), integrującego wszystkie segmenty systemów radiokomunikacji ruchomej i bezprzewodowej, powstała pod koniec lat osiemdziesiątych. W Europie standaryzacja rozpoczęła się od uruchomienia programu RACE (Research of Advenced Technologies in Europe), prowadzonego w latach 1988-1995 i była kontynuowana w programie ACTS (Advanced Communication Technologies and Services).

W ich rezultacie wybrano dwie koncepcje dostępu do kanału radiowego, oparte na technikach szerokopasmowych CDMA (Code Division Multiple Access) oraz TDMA (Time Division Multiple Access).

Postęp standaryzacji

Oba rozwiązania zostały zgłoszone do ETSI (European Telecommunications Standards Institute) oraz do ITU (International Telecommunication Union) jako propozycje interfejsu radiowego w systemach 3G (UMTS i jego odpowiednik IMT 2000 wg ITU). W toku dalszych prac metody dostępu radiowego objęto wspólną nazwą UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access), a w roku 1998 wybrano dwie:

WCDMA (Wideband CDMA) wykorzystującą podział częstotliwościowy FDD (Frequency Division Duplex),

WTDMA/CDMA oparta na podziale czasowym TDD (Time Division Duplex).

W 1998 roku powstała międzynarodowa organizacja standaryzacyjna 3GPP (3rd Generation Partnership Project), zrzeszająca przedstawicieli wszystkich znaczących organizacji. W wyniku jej prac powstały wspólne dokumenty, znane pod nazwą Release 99 i Release 2000.

Do zadań 3GPP należą także prace standaryzacyjne nad podsystemami zwiększającymi wydajność obecnie używanej sieci GSM: HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), GPRS (General Pocket Radio Service) oraz EDGE (Enhanced Data GSM Evolution).

W systemach 3G będziemy mieć zatem do czynienia z nadmiernym pokryciem terenu, gdyż wiele miejsc (szczególnie większych skupisk ludności) znajdzie się w zasięgu więcej niż jednej stacji. W przypadku kłopotów z nawiązaniem łączności przez komórkę najbliższą abonentowi (powodowanych zarówno przeszkodami terenowymi, jak i zbyt szybkim przemieszczaniem się klienta) transmisja zostanie automatycznie przełączona do większej jednostki sieci. Taka taktyka znacznie zwiększy niezawodność systemu i umożliwi jego dynamiczne dostosowywanie się do warunków łączności. Koncepcja sieci 3G zakłada, że prędkość transferu radiowego nie spadnie poniżej 144 Kb/s, a na ograniczonych obszarach osiągnie nawet 2 Mb/s. Zapewne jesteś trochę rozczarowany, gdy z przyzwyczajenia odniesiesz te wartości do znanych Ci parametrów sieci przewodowych. Zakładane przez pomysłodawców systemów trzeciej generacji przepływności nie są oszałamiające w porównaniu z osiągami najnowszych rozwiązań kablowych lub światłowodowych. Czy oczekiwane rozwiązania 3G będą zatem wielką rewolucją? Wątpliwości zmniejszą się, gdy uświadomisz sobie, że w używanych obecnie standardowych systemach GSM (bez opisanych dalej rozwiązań HSCSD oraz GPRS) maksymalne szybkości trans-feru nie przekraczają 9,6 Kb/s! Dzięki tak znacznemu zwielokrotnieniu przepustowości łączy UMTS umożliwi realizowanie znacznie większej liczby usług: począwszy od zwykłej rozmowy poprzez przesyłanie dokumentów po przeglądanie stron WWW i transmisję obrazu.

Widmo trzeciej generacji

Pasmo częstotliwości przyz-nawane operatorom w koncesjach jest jednak ograniczone, co przy tak szybkich łączach stawia interfejsowi radiowemu systemu bardzo ostre wymagania. Wstępna analiza planowanych usług (których różnorodność będzie zależała jedynie od fantazji operatorów) pozwala podzielić je na dwie grupy. Decydującym parametrem jest stosunek ilości transmitowanych danych do terminalu osobistego (down-link) oraz od niego do stacji ba-zowej (up-link). Pierwszą grupę aplikacji będą stanowiły usługi obciążające transmisje w obie strony w jednakowym stopniu, np. rozmowa telefoniczna. Do drugiej klasy należą usługi, w których asymetria wykorzystania łączy będzie bardziej odczuwalna. Typowym przykładem usługi "niesymetrycznej" jest eksploracja stron WWW, gdzie transmisja up-link ograniczona jest do zgłoszenia zapotrzebowania na konkretne dane. Taka klasyfikacja była dla twórców nowych standardów jednym z głównych powodów rozróżnienia dwóch metod transmisji radiowej. Dla zastosowań "symetrycznych" przeznaczona jest transmisja dupleksowa z podziałem częstotliwościowym FDD. Przekaz danych "w górę" i "w dół" realizowany jest w innych, odseparowanych zakresach częstotliwości, stanowiących w zasadzie niezależne kanały. Ze względu na dużą niezawodność takie rozwiązanie jest stosowane w większych komórkach sieci, począwszy od mikrokomórek. W usługach "niesymetrycznych" wykorzystuje się transmisję dupleksową z podziałem czasowym TDD, używając do up-linku i down-linku pojedynczych pasm częstotliwości. Taki typ interfejsu znajduje zastosowanie głównie w pikokomórkach, gwarantując w nich najszybsze transfery.

Podczas standaryzacji systemów trzeciej generacji wstępnie pasma radiowe zlokalizowano w okolicach częstotliwości 2,1 GHz, o łącznej szerokości nie mniejszej niż 230 MHz. Europejskiemu UMTS-owi przypadły zakresy 1900-2025 MHz oraz 2110-2200 MHz. Na konferencji standaryzacyjnej WRC2000 w Istambule sys-temowi IMT-2000 przydzielono trzy dodatkowe okna częstotliwości, w sumie ponad 500 MHz. Określone okna widmowe składają się z mniejszych fragmentów, z których każdy ma sprecyzowany sposób wykorzystania. Dok-ładne wartości częstotliwości skrajnych poszczególnych okien (dla łączności naziemnej) będą określone oddzielnie w każdym kraju, gdyż pewne pasma są obecnie przydzielone innym użytkownikom. W Polsce część częstotliwości oddanych przyszłym operatorom UMTS jest nadal wykorzystywana przez wojsko.

Co to jest WCDMA

Wykorzystanie znacznych szybkości transmisji powoduje konieczność zajęcia odpowiednio szerokiego pasma. W jaki sposób jednak udostępnić abonentowi dostatecznie rozległe widmo częstotliwości, gdy pojawia się wielu użytkowników? Wielodostępowość w systemie UMTS została zrealizowana z użyciem techniki WCDMA (patrz ramka "Postęp standaryzacji"). Taki typ interfejsu radiowego umożliwia przyznanie całego dostępnego pasma każdej z komórek sieci, co eliminuje konieczność rozdziału częstotliwości między komórki (a więc i ograniczenia detalicznego transferu). Przyjmując pewne uproszczenia, można założyć, że każdy użytkownik otrzymuje indywidualny kod (kodowy ciąg rozpraszający), za pomocą którego sygnały przez niego wysyłane są szyfrowane. Operator, na podstawie znajomości tego kodu, jest w stanie wyłowić z sygnału łącznego, pochodzącego od wszystkich użytkowników (przypominającego raczej szum), informacje od określonego abonenta. Zatem dzięki szerokopasmowemu dostępowi wie-lokrotnemu z podziałem kodowym (WCDMA) realizowana jest identyfikacja użytkowników i usług, z których w danym momencie korzystają. Oprócz tego interfejs automatycznie dostosowuje szybkość każdego z kanałów transmisyjnych do stawianych mu wymagań, optymalizując w ten sposób wykorzystanie pojemności całego łącza. Zastosowanie skomplikowanych technik kodowania pozwala także na płynne przełączanie abonenta między komórkami podczas zmian jego lokalizacji (tu, tak jak w systemach CDMA, przełączenie odbywa się w sposób "miękki", czyli bez zmiany częstotliwości nośnej).

Coraz tańsze kilobajty

Dopóki telefon przenośny służył Ci jedynie do prowadzenia rozmów, nie zastanawiałeś się zbytnio nad jego zdolnościami transmisyjnymi. Gdy jednak za pośrednictwem sieci komórkowej zechcesz transmitować informacje cyfrowe różnego typu, zagadnienie przepływności stanie się bardzo ważne. To od szybkości wykorzystywanego łącza oraz sposobu taryfikacji przesyłanych danych będzie przecież zależeć koszt i czas przepływu danych. Zakres usług przesyłania danych w sys-temach 2G jest dosyć ograniczony.

Co prawda, operatorzy sieci GSM oferują dostęp do Internetu z wykorzystaniem protokołu WAP czy też transmisję danych i faksów, ale z szybkością do 9,6 kbit/s. Te ograniczenia wynikają z założeń systemów drugiej generacji, optymalizowanych głównie pod kątem cyfrowej transmisji mowy.

Najbardziej oczywistą metodą zwiększenia przepływności łącza między operatorem a abonentem wydaje się zwiększenie liczby wykorzystywanych kanałów. Abonent używający jednocześnie kilku kanałów rozmownych dysponuje połączeniem o szybkości będącej zwielokrotnieniem szybkości detalicznej kanału (agregacja). Taka technika została wprowadzona pod nazwą HSCSD i umożliwia przydzielanie abonentowi innej liczby kanałów do up-linku, innej zaś do down-linku. Zakładając, że szybkość pojedynczego kanału jest stała w czasie i wynosi 9,6 Kb/s (sytuacja idealna), to podczas jednej minuty połączenia prześlesz nim najwyżej 72 KB danych. Przy zastosowaniu HSCSD wartość ta może wzrosnąć kilkakrotnie. Wraz ze wzrostem przepustowości może jednak znacznie wzrosnąć cena połączenia. Przykładowo minuta połączenia czterokanałowego kosztowałaby Cię tyle samo, co cztery minuty zwykłego połączenia. Wysokość naliczanych opłat będzie zależała jedynie od operatora. Zapłacisz kwotę proporcjonalną do czasu połączenia, co wynika z budowy protokołu systemu GSM, opartego na technice komutacji kanałów. Transmisja w systemach 2G charakteryzuje się ustawieniem fizycznego połączenia (dla CDMA ustawienie stałego kodowego ciągu rozpraszającego) między dwoma użytkownikami na czas trwania wymiany informacji. Zatem niezależnie od stopnia wykorzystania łącza, kanał i cały łańcuch urządzeń na drodze od nadawcy do odbiorcy są cały czas przez nich zarezerwowane. Komutacja kanałów wydaje się zatem idealna do obsługi rozmów telefonicznych, gdzie ilość przesyłanych informacji utrzymuje się na stałym poziomie, ale podczas transmisji danych metoda ta zaczyna być nieefektywna.

Optymalne wykorzystanie łączy do przesyłania danych w systemach opartych na metodach komutacji kanałów nie jest możliwe. Dla ich użytkownika szczególnie nieprzyjazny wydaje się sposób naliczania opłat proporcjonalnie do czasu połączenia. Przy cenie 1 zł za minutę wykorzystania pojedynczego kanału koszt pracy w trybie online jest trudny do zaakceptowania. Nawet stosunkowo wysokie przepływności (dla HSCSD do 115,2 Kb/s) nie ratują sytuacji, w której przez połowę czasu połączenia zastanawiasz się, który z odnośników w witrynie wybrać. Rozwiązaniem optymalnym dla transmisji zmiennej w czasie jest zatem system oparty na komutacji pakietów. Taki typ transmisji zaimplementowano we wprowadzanym obecnie standardzie GPRS. Przesyłanie informacji odbywa się za pomocą oddzielnych pakietów wysyłanych tylko wtedy, gdy są do tego gotowe. W trakcie wymiany danych między dwoma użytkownikami sieci nie ma między nimi fizycznego połączenia. W jego miejsce przesyłane są pakiety danych zaopatrzone w adresy przeznaczenia oraz odpowiednie numery umożliwiające ustawienie ich w odpowiedniej kolejności po stronie odbiorcy. Każdy z pakietów otrzymuje indywidualny kod rozpraszający (porównaj z HSCSD), jest zatem traktowany jako oddzielne połączenie. Dzięki temu kanał jest zajęty tylko do czasu rzeczywistej transmisji danych. Użytkownikowi terminalu osobistego obsługującego GPRS daje to bardzo wymierne korzyści. Dzięki "pakietowej orientacji" transmisji operator może naliczać opłaty proporcjonalnie do ilości przesłanych danych. Zatem, niezależnie od czasu przebywania online płacisz tylko za informacje, które faktycznie wymieniłeś. Dodatkowo szybkość oferowanych transferów jest imponująca. Podobnie jak w metodzie HSCSD, GPRS może wykorzystywać jednocześnie kilka kanałów (tu jednak obciążenie systemu jest znacznie mniejsze), co pozwala na uzyskanie szybkości transmisji do 115,2 Kb/s.

Innowacją wprowadzoną w GPRS jest zastosowanie protokołów transmisyjnych, opartych na protokołach internetowych. Takie rozwiązanie zapewnia większą kompatybilność systemu z Internetem oraz jego otwartą, łatwo modyfikowalna strukturę. Wprowadzenie standardu GPRS to z punktu widzenia zarówno abonenta, jak i operatora duży przełom, stąd często nazywane jest systemem 2,5 G. Obecnie wszyscy polscy operatorzy sieci komórkowych uruchamiają usługi wykorzystujące pakietową transmisję danych, ale jak się okazuje, jest to dosyć kłopotliwe zarówno dla usługodawcy, jak i abonenta. Uruchomienie GPRS wymaga przede wszystkim modernizacji sieci szkieletowej systemu (dokładniejsze informacje w części "Zmiany architektury sieci") oraz wymiany terminali osobistych na obsługujące transmisję pakietową. Ostatnim etapem usprawnienia GSM, przybliżającym do technologii trzeciej generacji będzie wprowadzenie metody EDGE. Jest ona ulepszeniem GPRS, umożliwiającym najszybszy do tej pory przekaz danych z prędkością przewyższającą nawet 384 Kb/s. Takie przepustowości umożliwią przeprowadzenie wideokonferencji, transmisję danych, obrazów, dźwięku itp. Jednak cena wprowadzenia EDGE jest bardzo duża. Osiągnięcie tak dobrych parametrów kanału radiowego wymaga bowiem zmiany sposobu modulacji fali nośnej.

W dotychczasowych rozwiązaniach, z GPRS włącznie, transmisja jest realizowana za pomocą binarnego kluczowania częstotliwości z ciągłą fazą (FSK, a dokładniej GMSK) fali elektromag-netycznej. Każdemu stanowi logicznemu wysyłanego sygnału przypisana jest konkretna częstotliwość, dzięki której odbiornik jest w stanie rozróżnić 0 od 1. Ten sposób modulacji opiera się na wysyłaniu naprzemiennie sygnałów sinusoidalnych o dwóch różnych częstotliwościach, przydzielając każdemu z nich rozróżnialność jednobitową. Transmisja radiowa w standardzie EDGE prowadzona jest za pomocą sygnału sinusoidalnego o stałej częstotliwości, którego faza zmieniana jest skokowo w obrębie ośmiu dozwolonych wartości (8-PSK). Przesyłany w ten sposób sygnał ma większą pojemność informacyjną niż w wypadku 2FSK, gdyż w jednej chwili daje rozróżnialność trzybitową (bo 23=8). Najprawdopodobniej przyszły UMTS będzie korzystał z tej samej metody modulacji.

Opisana powyżej zmiana sposobu modulacji wymaga poważnych modyfikacji zarówno w sieci szkieletowej, stacjach bazowych, jak i w telefonach. Bardzo duże koszty modernizacji, znacznie przewyższające poniesione na wprowadzanie GPRS, stawiają celowość całego przedsięwzięcia pod znakiem zapytania. Co prawda, parametry transmisyjne łączy opartych na EDGE wyglądają kusząco, ale na horyzoncie pojawia się już wizja systemów UMTS, dających szansę połączeń szybszych o rząd wielkości.

Zmiany architektury sieci

Europa skłania się raczej ku "skróconej ścieżce ewolucyjnej". Jak deklarują operatorzy, korzystniejsze będzie wprowadzenie rozwiązań trzeciej generacji bezpośrednio po uruchomieniu pakietowej transmisji danych. Na pewno na te decyzje wpływają ogromne koszty zakupionych licencji na UMTS. Operatorzy nie chcą ponosić kolejnych, dużych wydatków na realizację technologii EDGE (opierającej się na systemie GSM), której funkcje i tak mają w końcu przejąć systemy 3G. Przejście bezpośrednio z GPRS do UMTS jest jednak uzasadnione z punktu widzenia rozbudowy architektury systemu. Segmenty sieci dobudowywane podczas implementacji pakietowej transmisji danych zostaną prawdopodobnie wykorzystane w systemie trzeciej generacji, co umożliwi ewolucyjną rozbudowę infrastruktury. Jednak aby zrozumieć wprowadzane zmiany, trzeba zacząć od poznania struktury podstawowego systemu GSM.

Za bezpośrednią komunikację z użytkownikiem odpowiedzialny jest system stacji bazowych (BSS), składający się z części nadawczo-odbiorczej (BTS) oraz kontrolera (BSC). Funkcję centrali cyfrowej sterującej stacjami bazowymi pełni jednostka MSC. To właśnie ona jest odpowiedzialna za koordynację zestawiania połączeń między abonentami ruchomymi GSM. Specyfika sieci komórkowych polega na tym, że abonenci przemieszczając się, zmieniają obsługującą ich centralę. Powoduje to konieczność dołączenia do centrali bazy danych składającej się z dwóch rejestrów, przechowujących informacje o aktualnym położeniu każdego abonenta. Pierwszy, tzw. rejestr stacji własnych (HLR), gromadzi dane o wszystkich stacjach ruchomych, na stałe zarejestrowanych w systemie zarządzanym przez danego operatora. Rejestr VLR (zwany też rejestrem stacji obcych) odnotowuje informacje o stacjach ruchomych aktualnie przebywających w obszarze obsługiwanym przez daną centralę MSC. Dzięki wymianie danych między tymi rejestrami po wywołaniu abonenta możliwa jest szybka jego lokalizacja i bezzwłoczne zestawienie połączenia. Łączność systemu z zewnętrzną siecią telefoniczną PSTN oraz siecią cyfrową ISDN obsługiwana jest poprzez centralę wyjściową GMSC.

Taka architektura systemu GSM sprawdziła się doskonale podczas transmisji z komutacją kanałów. Jednak zastosowanie transmisji z komutacją pakietów, na której opiera się GPRS, wymaga rozbudowy sieci. Do sieci szkieletowej należy dołączyć dwie jednostki: GGSN oraz SGSN. Pierwsza jest węzłem bramkującym, umożliwiającym połączenie systemu z dowolną zewnętrzną siecią pakietową (analogicznie jak GMSC łączyła z sieciami komutowanymi kanałowo). Dzięki temu urządzeniu zyskuje się więc możliwość podłączenia sieci komórkowej do Internetu. Węzeł SGSN spełnia funkcje pomocnicze. Zapewnia między innymi uwierzytelnienie abonentom łączącym się z wykorzystaniem transmisji pakietowej. Do wprowadzenia metody GPRS konieczna jest także modyfikacja struktury samej stacji bazowej. Wymiana pakietów między siecią szkieletową a kontrolerem stacji bazowej (BSC) odbywa się za pomocą oddzielnego kontrolera pakietów (PCU). Jego wprowadzenie zapewnia pełną kompatybilność stacji z nowym typem danych bez wymiany jej dosyć kosztownych elementów. Tak zmodyfikowany system gotowy jest do transmisji zarówno z komutacją kanałów, jak i pakietów.

Ostatnia faza modyfikacji sieci będzie polegać na wprowadzeniu UMTS. Na tym etapie konieczna jest praktycznie całkowita wymiana elementów stacji bazowych GSM. Ich miejsce zajmą urządzenia tworzące interfejs radiowy trzeciej generacji, według norm oznaczane wspólną nazwą UTRA. Za funkcje sterowania będzie odpowiedzialny kontroler sieci RNC, realizujący między innymi procedury przenoszenia połączenia między komórkami. Bezpośrednia łączność radiowa z terminalem przenośnym obsługiwana jest przez jeden z węzłów B (Node B), odpowiednik wcześniejszych stacji nadawczo-odbiorczych BTS.

Rozwój architektury sieci, począwszy od GSM, przez GPRS, do rozwiązań trzeciej generacji, przedstawia rysunek na następnej stronie. Taka koncepcja ewolucji sieci komórkowych zapewnia wykorzystanie inwestycji poczynionych na pośrednich etapach. Wprowadzanie EDGE jako kolejnego stopnia pośredniego wymagałoby dużych wydatków na wymianę stacji bazowych, nieużytecznych w przyszłym UMTS-ie. Nie można się zatem dziwić, że dla większości operatorów jest to główny argument przemawiający za wybraniem drogi na skróty.

Jakie usługi

Prace standaryzacyjne nad UMTS nie są jeszcze zakończone. Nadal najlepiej zdefiniowanym działem pozostaje interfejs radiowy sieci, inne zagadnienia są raczej w fazie badań. Należy zwrócić uwagę na pewną analogię między drogami rozwoju Internetu oraz sieci UMTS. W obydwu przypadkach w pierwszej fazie prac określono jedynie sposób wymiany informacji i docelową pojemność sieci, lecz zagadnienie wykorzystania łączy pozostawiono otwarte. Gdy pod koniec lat siedemdziesiątych uruchamiano pier-wsze fragmenty sieci Internet, nikt nie był w stanie przewidzieć zakresu jej zastosowań. Tak popularne dzisiaj strony WWW powstały dopiero w os-tatnim dziesięcioleciu.

Podobnie będzie z systemami trzeciej generacji. Określenie interfejsu radiowego umożliwi międzynarodowe ujednolicenie sposobów wymiany informacji. Różnorodność wprowadzanych usług będzie natomiast zależeć jedynie od pomysłowości operatorów sieci oraz potrzeb rynkowych.

Ale to właśnie planowane usługi najbardziej interesują potencjalnego abonenta. Temat zastosowań sieci dominuje na większości konferencji, a producenci sprzętu prześcigają się w projektowaniu wizjonerskich terminali. Sterowane głosem, rysikiem lub zminiaturyzowaną klawiaturą urządzenia (...na razie ich makiety...) wyglądają faktycznie interesująco. Nieodłącznym elementem każdego prezentowanego aparatu jest miniaturowa kamera oraz duży kolorowy wyświetlacz. Dzięki znacznej przepustowości kanałów transmisyjnych oraz zastosowaniu najnowszych metod kompresji MPEG4 możliwa stanie się transmisja ruchomego obrazu. Rozwiną się zatem takie usługi, jak wideotelefonia czy wideokonferencje, realizowane dotychczas jedynie za pomocą stałych łączy cyfrowych ISDN. Na ekranie przenośnego telefonu będzie można oglądać filmy, transmitowane na żywo mecze czy programy informacyjne. Poszerzy się także zakres usług przekazu mowy i dźwięku. Oprócz dostępnych dotychczas rozmów telefonicznych pojawią się usługi o charakterze serwisów rozsiewczych, umożliwiające grupie abonentów równoczesne słuchanie transmitowanych wiadomości lub muzyki. W projektowaniu takich rozwiązań duży nacisk położono na możliwość ingerencji abonenta w konfigurację usługi, tak aby mógł na przykład wybierać muzykę, której chce posłuchać.

Miejsce dzisiejszego standardu WAP (Wireless Application Protocol) zajmie środowisko aplikacyjne o nazwie MEXE. Obecny protokół aplikacyjny WAP umożliwia jedynie interpretację prostych skryptów WML i HTML, prezentując treść w postaci tekstowej lub bardzo prostej grafiki. Środowisko MEXE, integrujące wirtualną maszynę Javy, będzie mogło obsługiwać szybkozmienne obrazy, dostosowując jednocześnie wymieniane z siecią informacje do możliwości konkretnego terminalu. Amatorzy surfowania po Sieci mogą zatem liczyć na ogromne rozszerzenie świadczonych dotąd usług internetowych, za które opłata będzie proporcjonalna do ilości przesłanych danych (transmisja pakietowa).

Projektanci planują także udostępnianie terminalowi danych o jego lokalizacji, przeznaczonych dotychczas jedynie dla operatora. Dzięki takim informacjom możliwe będzie wprowadzenie pozycjonowania (dziś realizowanego za pomocą specjalnie do tego celu zaprojektowanego systemu satelitarnego GPS), które w połączeniu z udostępnianymi przez operatora elektronicznymi mapami utworzy zintegrowany system nawigacyjny. Czy wyobrażałeś sobie kiedyś kieszonkowy terminal, który sprawdzi, gdzie się znajdujesz i według mapy skieruje Cię w żądane miejsce? Trudno to chyba nazwać telefonią.

Według norm, wszystkie usługi będą takiej samej jakości, niezależnie od miejsca ich świadczenia. Wynika to z wymagania QoS (Quality of Service). Każdy użytkownik posługujący się przenośnym terminalem, identyfikowanym dzięki karcie SIM, niezależnie od miejsca, w którym się znajduje, a więc i aktualnie obsługującego go operatora, będzie miał dostęp do takich samych usług. Do implementacji tak szeroko pojętego roamingu konieczne jest rozszerzenie funkcji karty SIM. Jej modyfikacje umożliwią także korzystanie z sieci 3G w systemie pre-paid, a sama karta posłuży jako uniwersalna karta płatnicza!

Co ze sprzętem

W połowie ubiegłego roku gwałtownie przyspieszono prace nad rozwiązaniami sprzętowymi do systemów 3G. Koniec tysiąclecia nie przyniósł jednak żadnych propozycji komercyjnych, choć efekty prac są już widoczne. Jak można się było spodziewać, prym w dziedzinie eksperymentów wiodą firmy produkujące obecnie rozwiązania GSM.

We wrześniu byliśmy w Warszawie świadkami pokazu firmowych produktów 3G Ericssona. Uczestnikom zaprezentowano wideokonferencję prowadzoną z szybkością 300 kbit/s, mogli też skorzystać z usług wideofonicznych oraz dostępu do Internetu. Cała instalacja prototypowego systemu umieszczona była w dużej ciężarówce, komunikującej się z krążącym po ulicach miasta mobilnym terminalem. Rozwiązania Ericssona będą instalowane w pierwszej komercyjnej sieci 3G japońskiego operatora NTT DoCoMo, który zapowiada, że uruchomi system już w bieżącym roku!

W maju 2000 roku powstała firma Evolium SAS, utworzona przez Alcatela (70 procent) i Fujitsu (30 procent), specjalizująca się w projektowaniu rozwiązań 3G oraz badaniach kompatybilności systemów GPRS, EDGE i UMTS. Rezultatem pierwszych prac był mobilny system demonstracyjny "roadshow", prezentowany również w Polsce, umożliwiający transmisję głosową, przekaz wideofoniczny, transmisję wideo (384 Kb/s) i szybki dostęp do Internetu. Z zapowiedzi firmy wynika, że pierwsze komercyjne produkty zgodne z Release 99 (patrz: "Postęp standaryzacji") będą dostępne już w 2001 roku.

Zainstalowane w przewoźnym zestawie rozwiązanie UMTS przedstawiła też firma Siemens, która dysponuje gotowym już zestawem central 3G, zdolnych jednocześnie obsługiwać systemy drugiej i trzeciej generacji. Tworząc spółkę joint venture z firmą NEC, Siemens podjął szeroko zakrojone prace nad wprowadzeniem interfejsu opartego na dwóch technologiach dupleksowego trybu pracy (TDD/FDD), wykorzystującego w pełni możliwości przyszłego systemu. Wśród producentów projektujących urządzenia 3G wysoką pozycję zajmuje także Nokia, która otworzyła pod Paryżem laboratorium testujące zgodność standardów rozwiązań pochodzących od różnych producentów. Tak jak wcześniej wymienione firmy, Nokia zapowiada masową produkcję multimedialnych terminali przenośnych, prezentowanych na razie w postaci makiet.

W rozwoju prac nad oprzyrządowaniem sieci szkieletowych oraz stacji bazowych duży udział mają dwie firmy, działające jednocześnie w organizacji standaryzacyjnej 3GPP (Third Generation Parnership Project). Zarówno Lucent Technologies, jak i Nortel Networks mają już prototypowe rozwiązania stacji bazowych Node B, kontrolerów, przełączników ATM oraz central 3G. Temat terminali przenośnych jest jednak skrzętnie omijany. Na tegorocznym kongresie operatorów w Cannes, organizowanym pod zmienioną nazwą 3GSM World Congress, nie pokazano praktycznie nic nowego. Producenci sprzętu wystawiają w gablotach jedynie plastikowe modele planowanych telefonów, a prezentacje multimedialne są jedynie symulacjami. Według zapewnień, komercyjnych urządzeń należy spodziewać się dopiero w 2003 roku. W telefonii trzeciej generacji powtarza się zatem scenariusz wprowadzania usług WAP oraz transmisji GPRS. Powstają gotowe i przetestowane rozwiązania strukturalne, ale terminali na razie nie widać. Pracujące "mobilne" stacje pokazowe, wypełniające półciężarówki, nie przypominają prezentowanych kieszonkowych cudeniek

Polscy operatorzy a UMTS

Na początku grudnia ubiegłego roku koncesje na UMTS zostały sprzedane trzem polskim operatorom sieci komórkowych. Na razie firmy te nie udzielają żadnych informacji o planach rozbudowy sieci. Według rzeczników prasowych, na konkretne rozwiązania systemów trzeciej generacji jest jeszcze zdecydowanie za wcześ-nie. Przygotowania do zmian polegają na formowaniu odpowiednich zespołów specjalistów oraz gromadzeniu funduszy. Operatorzy prezentują jednak działające rozwiązania 2,5 G, przedstawiając jednocześnie ofertę dla klientów. Polska Telefonia Cyfrowa zaprezentowała w pełni sprawną pakietową transmisję danych GPRS, dostępną już, jak twierdzili wystawcy, na połowie obszaru zasięgu Ery. W ramach GPRS abonent może skorzystać z usługi EraWAP (abonament miesięczny 10 zł, bez limitu czasu i ilości przekazywanych danych!) oraz EraInternet, płacąc po 6 gr za każde przesłane 10 KB. W tej chwili połączenia z komutacją pakietów obsługuje tylko jeden terminal - Motorola T260 (1299 zł), umożliwiający pracę w trybie 2+1 (dwa kanały down-link, jeden kanał up-link). Nie da się ukryć, że nie są to jeszcze pełne możliwości GPRS (z planowanych 115 Kb/s jest na razie 28,8 Kb/s).

Ofertę usług wykorzystujących transmisję pakietową przedstawił także Plus. Tu podczas surfowania po Internecie za każde 100 KB przesłanych danych zapłacisz 50 gr. Cena wapowania zależna jest od ilości wymienionych z serwisami danych i wynosi 25 gr za 10 KB. Plus prezentował też działające rozwiązanie HSCSD, które umożliwia transmisję z prędkością do 44 kbit/s. Niezależnie od liczby zajmowanych kanałów (do czterech), opłata za takie połączenie jest naliczana według zwykłych stawek taryfowych dla pojedynczego kanału. W tym przypadku operator nie zdecydował się zatem na zwielokrotnienie kosztu połączenia wraz ze zwiększeniem przepustowości łącza. Oferta GPRS dostępna jest także w sieci Idea. Abonent może wykupić "pakiet 50 MB" za 99 zł.

Polscy operatorzy zapowiadają uruchomienie pierwszych fragmentów sieci UMTS około 2004 roku. Wszelkie terminy są jednak raczej orientacyjne i za wcześnie na mówienie o konkretnych projektach. Nie znaczy to, oczywiście, że w Polsce po sprzedaniu koncesji prace nad systemami trzeciej generacji się zatrzymały. Powstają odpowiednie zespoły specjalistów, plany strategiczne i marketingowe. Postępu w tych działaniach na razie operatorzy nie ujawniają. Dopóki prace organizacji standaryzacyjnych, takich jak 3GPP, nie zostaną zakończone, trudno mówić o konkretnych rozwiązaniach komercyjnych. Część założeń systemu może się jeszcze zmienić, dlatego w najbliższym czasie trudno od operatorów oczekiwać rewelacji.

Krok dalej

Kolejne standardy radiokomunikacji pojawiają się jeden po drugim bardzo szybko. Gwałtowna ewolucja sprawia, że na wielu terenach łączność zapewnia kilka systemów, np. GSM900 i GSM1800. Pierwszym krokiem w stronę konwergencji systemów radiokomunikacji było wprowadzenie telefonów pracujących w obu tych systemach.

To ujednolicenie odbiorników było nieco łatwiejsze, gdyż usługi oferowane przez GSM900, jak i GSM1800 z grubsza się pokrywały. Sytuacja znacznie się komplikuje, gdy wziąć pod uwagę np. GSM i UMTS. Zasadnicze różnice w interfejsach radiowych i dostępnych usługach praktycznie uniemożliwiają wykorzystanie jednego, sprzętowego terminalu odbiorczego, nie mówiąc już o projekcie uniwersalnych stacji bazowych.

Gwałtowne przemiany w sposobach przesyłania informacji drogą radiową doprowadziły do powstania koncepcji Software Radio. W jej myśl, większość funkcji realizowanych w elementach nadawczo-odbiorczych sieci będzie wykonywana programowo. Część radiowa zostanie sprowadzona do minimum, przez szerokopasmowe przetworniki A/D i D/A sygnały będą doprowadzone do procesorów sygnałowych, gdzie dokona się ich główna obróbka.

Standaryzacja będzie w tej grupie urządzeń ograniczona do części radiowej. Projektowanie i budowa systemu bez wątpienia staną się szybsze i tańsze. Łatwiej bowiem modyfikować oprogramowanie niż wymieniać całe podzespoły realizujące sprzętowo określone funkcje. Dzięki takim rozwiązaniom operatorzy będą mogli szybciej się dopasować do wymagań klienta, co przecież leży w ich interesie.

Rozszerzeniem idei Software Radio jest koncepcja Mobile Software Telecomunications. Terminale osobiste MST będą realizować połączenia z różnymi sieciami, co stanie się możliwe dzięki ich programowej adaptacji do wielu systemów. Użytkownik takiego terminalu uzyska dostęp do wszystkich usług multimedialnych, których żaden operator nie będzie w stanie udostępnić jednocześnie. Taki kierunek zmian wymaga nowych języków programowania terminali (w rodzaju Javy), pozwalających na określenie standardów i wykonywanych usług. Język ten będzie platformą realizacji połączenia przez określenie łącza fizycznego i usług. W odróżnieniu od tradycyjnych rozwiązań sprzętowych takie właściwości transmisji, jak koder sygnału mowy, rodzaj modulacji czy algorytm szyfrowania danych będą definiowane podczas nawiązywania połączenia.

opr. JU/PO