Pomiędzy 2G a 3G
Omawiane w poprzednim artykule sieci 2G szybko przestały spełniać rosnące oczekiwania użytkowników. W tamtym okresie telefony komórkowe oferowały zbliżoną funkcjonalności do tradycyjnej telefonii naziemnej – umożliwiały dzwonienie oraz posiadały dodatkową funkcję, wysyłanie krótkich wiadomości tekstowych SMS (Short Messaging Service).
Usługa SMS została bardzo dobrze przyjęta przez klientów i szybko stała się powszechnie wykorzystywana (należy pamiętać, że były to czasy naliczania opłat za czas rozmowy i za wysyłane SMSy). Również dostępna była usługa transmisji danych, która znów de facto stała się „przenośnym modemem”, ale oferowała niskie przepływności danych. Stosowano tzw. komutację łączy podczas transmisji cały radiowy slot zostaje zarezerwowany wyłącznie dla jednego użytkownika. Tak jak w klasycznej telefonii stacjonarnej, gdzie kanał zostaje zajęty na transmisję głosu albo transmisję danych.
W pierwszych wersjach GSM w usłudze CSD (Circut-Switched Data) oferowano przepływność do 9.6 kbs na jeden kanał rozmowy. W tamtych czasach popularnym wykorzystaniem kanału danych było przesyłanie faksów. Wtedy też pojawił się WAP (Wireless Application Protocol) – specjalny protokół stron internetowych, które musiały zostać opracowane w WML (Wireless Markup Language) w bardzo uproszczonej i dostosowanej wersji HMTL (HyperText Markup Language).
W ulepszonej usłudze HSCSD (High Speed Circut Switched Data) poprawiono parametry przepływności per kanał do 14.4 kbs, a sieć umożliwiała „łączenie” kanałów, co pozwalało na przepływność maksymalną do 57,6 kbs (4 sloty x 14.4 kbs). Rzeczywiste parametry były niższe na poziomie od 30-40 kbs. Komutacja kanałów dla transmisji danych, przy rosnącym obciążeniu, powodowała zwiększanie obciążenia sieci oraz zmniejszała liczbę użytkowników możliwych do obsługi w danym kanale radiowym. Trzeba było wymyśleć coś nowego.
Przełomem myślenia o transmisji danych w sieciach 2G było wdrożenie pakietowej transmisji danych GPRS (General Packet Radio Service). Czyli zamiast „zajmowania” kanałów (komutacji kanałów) przesyłane są pakiety danych. Wykorzystano fakt, że podczas korzystania z internetu nie wszyscy użytkownicy w tym samym czasie pobierają dane. Są przerwy w transmisji, a tę chwilową przerwę można wykorzystać do przesyłania danych innych użytkowników. Stąd przewaga pakietowej transmisji danych, która umożliwia efektywne wykorzystanie zasobów sieci GSM.
GPRS był ewolucją standardu GSM, dopracowaną pod kątem zwiększonego przesyłania danych. Sieć 2G z GPRS określano jako sieć 2.5G; tego typu sieci zaczęto wdrażać w latach 1999-2000. W usłudze GPRS opłaty ponoszono nie od czasu trwania połączenia, a od ilości danych.
Kolejnym etapem rozwoju GSM była ulepszona transmisja danych GSM w postaci EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), gdzie zmieniono modulację GMSK z 8PSK co pozwoliło teoretycznie zwiększyć przepływność do 473 kbs (8 slotów x 59,2 kbs). W warunkach rzeczywistych osiągano przepływności 100- 200 kbs. Była to znacząca zmiana, dlatego często EDGE określano jako 2.75G, rozwiązaniem pośrednim pomiędzy 2G a 3G..
Sieci 2G (GSM) są systemami wąskopasmowymi (narrowband) natomiast sieci 3G przeszły na szerokopasmowe (wideband) kanały transmisyjne. W 2G stosowano kanały radiowe o szerokości 200 kHz, podzielone na 8 szczelin czasowych (slotów). Oznacza to, że jednocześnie z jednego kanału mogło korzystać 8 użytkowników lub mniej, jeśli potrzebna była większa przepływność danych (łączenie slotów zmniejsza liczbę użytkowników możliwych do obsłużenia).
Przejście na systemem wideband wynikało z chęci zapewnienia jednoczesnej transmisji głosu, danych i wideo oraz potrzeby zwiększenia przepływności danych (do kilku Mb/s dla usług internetowych). Kanał szerokopasmowy w 3G ma znacznie większą szerokość pasma (5 MHz zamiast 200 kHz), co wymusiło stosowanie nowych rodzajów transmisji.
W 3G wprowadzono tzw. wielodostęp z podziałem kodowym CDMA (Code Division Multiple Access). CDMA to metoda dostępu do kanału radiowego polegająca na tym, że poszczególnym użytkownikom przypisuje się unikalne sekwencje rozpraszające (kody rozpraszające). Do rozpraszania sygnału stosuje się ciągi ortogonalne, czyli takie, które nie są ze sobą skorelowane. Stacja bazowa nadaje do wszystkich obsługiwanych użytkowników w tym samym czasie (nadaje zsumowane sygnały). Odbiornik, znając kod przypisany do konkretnego użytkownika, mnoży odebrany sygnał przez ten kod. Dzięki temu, że kody są ortogonalne, czyli nie są skorelowane ze sobą, to sygnały pozostałych użytkowników są traktowane jak szum i są odfiltrowane.
Zdjęcie: Adobe Stock, ivan
Początki 3G
Imponujący sukces w komercyjnych wdrożeniach systemu 2G (GSM) przyczynił się do intensyfikacji prac na nowym globalnym standardem łączności. Pod koniec lat 90 XX wieku międzynarodowa organizacja telekomunikacyjna ITU (International Telecommunication Union) ogłosiła inicjatywę IMT-2000, której celem było opracowanie systemu trzeciej generacji. Prace rozpoczęto w ramach grup roboczych, gdzie zdefiniowano wymagania:
- do 2Mps dla użytkowników stacjonarnych lub wolno poruszających się (np. wewnątrz budynków);
- do 384 kpbs dla użytkowników znajdujących się na zewnątrz budynków w ruchu miejskim (poruszających z prędkością maksymalną do 100km/h);
- do 144 kbps dla użytkowników poruszających się z dużą prędkością (do 500km/h).
W ramach IMT-2000 rozpoczęto prace nad harmonizacją częstotliwości dla potrzeb sieci trzeciej generacji w skali globalnej. Podczas Światowej Administracyjnej Konferencji Radiowej WARC-92 (World Administrative Radio Congres) ITU wyznaczyło dla sieci FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication Systems) pasma 1885–2025 MHz i 2110–2200 MHz.
Po reformie w 1993 roku konferencje WARC przekształcono w WRC (World Radiocommunication Conference – Światową Konferencję Radiokomunikacyjną), które do dziś ustalają międzynarodowe zasady wykorzystania częstotliwości radiowych oraz zmiany w Międzynarodowych Regulaminach Radiokomunikacyjnych (Radio Regulations). W trakcie konferencji WARC-92 FPLMTS przemianowano na IMT-2000 (czyli 3G), a ITU dopuściła kilka technologii 3G :
- UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), który można próbować tłumaczyć na uniwersalny systemem telekomunikacji ruchomej. Technologia ta była głównie wykorzystywana w Europie, Azji, Afryce;
- CDMA2000, popularny w USA, Korei, Japonii. Jako ciekawostkę warto dodać, że ten standard został niszowo wdrożony w Polsce przez jednego z operatorów i był to system pracujący w paśmie 420 MHz, stąd handlowo posługiwano się nazwą CDMA420.
W latach 1998-1999 powstaje organizacja normalizacyjna 3GPP (3rd Generation Partnership Project) oraz siostrzana organizacja 3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2). 3GPP zajmowała się standardem UMTS, a 3GPP2 zajmowała się standardem CDMA2000. Standard CDMA2000 stał się wygasłym standardem i na przełomie 2013-2015 zakończono prace rozwojowe w ramach 3GPP2. Wynikało to z faktu, że większość operatorów porzuciła CDMA2000 i przeszła na standard 4G (LTE). Tymczasem 3GPP funkcjonuje do dziś, opracowując kolejne wersje standardów 4G, 5G oraz trwają prace nad 6G. Mimo, że tworzone są nowe standardy o kolejnych numerach, to nazwa organizacji 3GPP pozostała bez zmian.
Organizacja 3GPP w latach 1999/2000 wydała standard Release-99 (Wydanie-99), a następnie ten standard został zatwierdzony przez ITU jako zgodny z koncepcją IMT-2000 i uznany jako pierwsze wydanie systemu 3G. W Release-99 też opisano MMS (Multmedia Messaging Service), czyli wysyłanie obrazków na zasadach analogicznych jak SMS. MMS działał zarówno w sieciach 2.5 GPRS oraz sieciach 3G. Release-99 należy rozpatrywać jako wydanie z roku 1999, a nie wydanie o numerze 99. Kolejny standard nazwano Release-4 i został opublikowany w …2001 roku (roboczo nazywany był … Release- 2000). Następny numer wydania to Release-5 (wydany w 2002 r.), kolejny to Release-6 (2005 r.). Każde kolejne wydanie standardu otrzymuje kolejny numer. Warto też pamiętać, że każda kolejna rewizja wydania (release) jest opracowana na „zakładkę”, opisuje zarówno nowe funkcjonalności, jak i rozwinięcia poprzednich wersji. Opis standardu 3G rozpoczyna się wraz Reelase-99, gdzie uwzględniono rozszerzenia dla 2G. Rozwój standardu 2G trwał zasadniczo do Release-7 (2007 r.), natomiast nowe funkcjonalności 3G dodawano aż do standardu Release-12 (2015 r.). Więcej o 3G w następnym wydaniu.
Krystian Górski
