Jak działają współczesne sieci mobilne. Część 4

UMTS – szerokopasmowy przełom

W poprzednim artykule wspomniano o UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Można go tłumaczyć na uniwersalny systemem telekomunikacji ruchomej, ale w praktyce to po prostu 3G – trzecia generacja systemów telefonii komórkowej. W porównaniu z sieciami 2G to był technologiczny przełom, który otworzył drogę do mobilnego internetu.

Od wąskopasmowego GSM do szerokopasmowego UMTS
Sieci 2G (GSM) były systemami wąskopasmowymi – szerokość pojedynczego kanału wynosiła 200KHz. Ten system został zaprojektowanymi głównie pod kątem połączeń głosowych i prostych usług, takich jak SMS. Transmisja danych, nawet z użyciem rozszerzeń GPRS czy EDGE, pozostawała ograniczona.

3G (UMTS) to systemy szerokopasmowe – szerokość kanału 5 MHz, co umożliwiło jednoczesną transmisję głosu, danych i wideo, a do tego dużo większe przepływności danych – rzędu kilku Mb/s dla usług internetowych. To właśnie wtedy telefon komórkowy przestał być tylko „przenośnym urządzeniem do dzwonienia”, a zaczął pełnić rolę małego kieszonkowego terminala danych z dostępem do sieci internet.

Najważniejszą zmianą była znacznie większa przepustowość i szybkość transmisji danych. 3G umożliwiło wygodne korzystanie z przeglądarki internetowej, poczty e-mail, prostych komunikatorów czy pierwszych serwisów społecznościowych w wersji mobilnej. Pojawiły się też nowe usługi, takie jak wideorozmowy czy mobilne strumieniowanie muzyki i wideo np. meczy piłkarskich (choć na początku w dość ograniczonej jakości). To właśnie na fundamencie 3G powstały pierwsze smartfony, które zaczęły zmieniać sposób, w jaki się komunikujemy i pracujemy.

Techniczne podstawy UMTS: WCDMA i modulacja QPSK
W UMTS zastosowano technikę szerokopasmowego wielodostępu kodowego z rozpraszaniem widma – WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) oraz wykorzystano kwadraturową modulacje czterowartościową QPSK (Quadrature Phase Shift Keying). Modulacja QPSK jest efektywniejsza w porównaniu do modulacji stosowanych w GSM takich GMSK oraz 8-PSK, co pozwoliło na zwiększenie przepływności danych.

W dużym skrócie WCDMA 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 to kody są ortogonalne, czyli nie są skorelowane ze sobą, to sygnały pozostałych użytkowników traktuje się jak szum i są one odfiltrowywane.

Nowa architektura sieci – NodeB, RNC, Core Network
Przejście na system szerokopasmowy w UMTS wymagało nowej architektury sieci przystosowanej do:

• obsługi usług multimedialnych (audio, wideo, wideokonferencje),
• zapewnienie określonych parametrów jakości QoS (Quality of Service),
• możliwości naliczania opłat za wolumen danych, a nie tylko za czas połączenia.

Z tym wiązała się również zmiana nazewnictwa i struktury elementów sieci:

• znane z GSM stacje bazowe stały się w UMTS węzłami NodeB,
• kontroler stacji bazowych BSC (Base Station Controller) został zastąpiony przez RNC (Radio Network Controller),
• w warstwie rdzeniowej sieci odpowiednikiem klasycznego MSC stał się SGSN, a rolę GMSC przejął GGSN, odpowiedzialny za obsługę ruchu pakietowego.

Ogólnie architektura systemu UMTS dzieli się na trzy główne elementy:

• UE (User Equipment) – terminal użytkownika, czyli telefon/modem,
• UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) – naziemna sieć dostępu radiowego,
• CN (Core Network) – sieć szkieletowa, która odpowiada za zestawianie połączeń, routowanie danych, dostęp do internetu itp.

Założenia i możliwości UMTS
Projektując UMTS, przyjęto kilka kluczowych założeń:

• jakość mowy porównywalna z jakością połączeń w sieciach stacjonarnych,
• jednolita architektura sieci, umożliwiająca świadczenie usług o zadanych parametrach jakościowych,
• wsparcie dla usług multimedialnych (audio, wideo, wideokonferencje),
• wysokie przepływności transmisji danych.

Zakładane przepływności w UMTS były uzależnione od mobilności użytkownika:

• do 2 Mb/s dla użytkowników stacjonarnych lub wolno poruszających się (np. wewnątrz budynków),
• do 384 kb/s dla użytkowników poruszających się w środowisku miejskim (do ok. 100 km/h),
• do 144 kb/s dla użytkowników poruszających się z dużą prędkością (do ok. 500 km/h).

UMTS zasadniczo działa w trybie dupleksu częstotliwościowego (FDD), ale możliwa jest również praca w trybie dupleksu czasowego (TDD). Frequency Division Duplex (FDD) to taki tryb pracy systemu komunikacyjnego, w którym transmisja downlink i uplink odbywa się jednocześnie, ale na różnych pasmach częstotliwości np. oddzielonymi od siebie o 60 MHz. Time Division Duplex (TDD) to taki tryb pracy systemu komunikacyjnego, w którym transmisja uplink – od urządzenia końcowego użytkownika UE (user equipment) do stacji bazowej i downlink – transmisja od stacji bazowej do UE, współdzielą to samo pasmo częstotliwości, ale są rozłożone w czasie. Transmisja jest dzielona na tzw. szczeliny (time slots – w branży używa się też pojęcia „slot”), które są naprzemiennie wykorzystywane do uplinku i dowlinku. Warto zauważyć, że w trybie TDD mogą dynamicznie zmieniać się proporcje downlink/uplink w zależności od obciążenia sieci.

Satelity, UMTS-NTN i wpływ na współczesne rozwiązania
Już na etapie standardu 3G pojawiły się pierwsze pomysły wykorzystania segmentu satelitarnego do świadczenia usług telefonii komórkowej. Koncepcje satelitarnego segmentu nazwano UMTS-NTN (UMTS Non-Terriestial Networks). W praktyce okazało się to ślepą uliczką w ramach 3G, głównie dlatego, że wymagało to specjalnych terminali satelitarnych – zwykłe telefony komórkowe nie były w stanie z takiej sieci korzystać. Mimo, że te pomysły niemal nie doczekały się masowego wdrożenia w sieciach 3G, to pozostawiły po sobie ważne doświadczenia techniczne i koncepcyjne. To właśnie one stały się inspiracją dla rozwiązań wdrażanych w nowszych standardach, m.in. w 4G. Dobrym przykładem jest Starlink Direct to Cell – usługa, która wykorzystuje infrastrukturę satelitarną, ale opiera się na standardach 3GPP (w wersji Release 10). Z punktu widzenia użytkownika istotne jest to, że:

• nie potrzeba specjalnego „telefonu satelitarnego”,
• satelita pełni rolę węzła eNodeB,
• wsparcie musi zostać włączone po stronie operatora komórkowego.

Obecnie usługa dostępna jest na pięciu kontynentach, ale niestety u wybranych operatorów:

Starlink Direct to Cell to już jednak historia mocno związana ze światem 4G i LTE.

Koniec pewnej epoki: wyłączanie 3G
UMTS i w ogóle 3G odegrały kluczową rolę jako pomost między światem 2G – zdominowanym przez rozmowy głosowe i SMS-y –a erą szybkiego, multimedialnego internetu mobilnego w 4G i 5G. Dziś jednak G jest technologią schodzącą ze sceny – operatorzy zwalniają pasma wykorzystywane przez 3G na świadczenie usług w nowszych standardach. Można więc powiedzieć, że 3G „zrobiło swoje”: umożliwiło mobilny internet, narodziny smartfonów i usług multimedialnych, a teraz ustępuje miejsca technologiom
4G i 5G, które lepiej odpowiadają dzisiejszym wymaganiom użytkowników i operatorów.

Użytkownicy, którzy posiadają bardzo stare smartfony i karty SIM muszą przesiąść się na nowy sprzęt. Zasadniczo standard 4G wspierają urządzenia produkowane po 2012 roku a 5G urządzenia produkowane po 2020 roku.

Proces wyłączania sieci 3G trwa również w Polsce i jest prowadzony etapami przez wszystkich dużych operatorów. Najszybciej z 3G pożegnał się T-Mobile, który zakończył świadczenie usług w tej technologii już w 2023 roku. Orange prowadzi wygaszanie 3G stopniowo i cały proces ma zakończyć się do końca 2025 roku. Najwolniej do wyłączenia podchodzą operatorzy Play i Plus, którzy deklarują, że wygaszenie nastąpi w okolicach 2027 roku.

Ironią losu jest to, że dłużej będzie egzystował … starszy standard 2G (GSM), a to ze względu na zapewnienia wsparcia połączeń telefonicznych i SMS oraz transmisji M2M (mobile to mobile), które nie wymagają dużej transmisji danych. Urządzeń używanych min. do połączenia awaryjnego w windach, w systemach alarmowych, telemetrii, lokalizatorach GPS, alarmach, licznikach mediów, interkomach w budynkach, terminalach płatniczych itp.

Krystian Górski