:: Oddziaływanie pól elektromagnetycznych na ludzi i środowisko w sieciach komórkowych ::
:: Oddziaływanie pól elektromagnetycznych na ludzi i środowisko w sieciach komórkowych ::
Ewolucja telefonii komórkowej w Polsce i na świecie
System trzeciej generacji (3G) – UMTS

Pierwsze próby opracowania i budowy systemu trzeciej generacji pojawiły się już w roku 1985, parę lat zanim komercyjnie zostały uruchomione systemy drugiej generacji – GSM, choć główne prace wystartowały dopiero w 1992 r. pod okiem Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego ITU (ang. International Telecommunication Union). Główne wymagania związane z budową systemu trzeciej generacji podzielono na 3 części. Założenia dotyczyły aspektów usługowych, funkcjonalnych i realizacyjnych.

System 3G miał umożliwiać transmisję danych (dostęp do Internetu) z prędkością do 2 Mbit/s, 384 kbits/s oraz 144 kbit/s przy zastosowaniu stacji bazowych, odpowiednio z: pikokomórek, mikrokomórek oraz makrokomórek. W stosunku do systemów poprzednich generacji system miał cechować się wysoką jakością transmisji mowy, licznymi usługami multimedialnymi, takimi jak: obsługa strumieni wideo, pobieranie plików muzycznych oraz usługi lokalizacyjne i nawigacyjne, czy usługi czasu rzeczywistego. Systemy 3G miały także obsługiwać znacznie większy ruch niż 2G [Źródło].

Funkcjonalnie system miał pozwalać na korzystanie z roamingu światowego, systemu satelitarnego wraz z usługami, niezależnie od aktualnego położenia abonenta.

Do aspektów realizacyjnym zaliczono m.in.: wysoki stopień bezpieczeństwa przesyłania danych, efektywne wykorzystanie pasma częstotliwości, możliwość późniejszej rozbudowy sieci do kolejnych generacji, jednolite standardy stosowane przez różnych producentów sprzętu oraz przenoszalność wstecz – płynne przejście z systemów 2G do 3G, czyli wielosystemowe stacje ruchome, wspólna infrastruktura sieci obu generacji oraz możliwość przełączania pomiędzy systemami w trakcie transmisji danych i głosu w przypadku słabego poziomu mocy w jednym z nich [Źródło].

Prace nad systemem trzeciej generacji rozpoczęto w 1992 r. po spotkaniu Światowej Administracyjnej Konferencji Radiowej WARC (ang. The World Administrative Radio Conference). Uznano wtedy, iż w systemie 3G zostaną użyte częstotliwości w okolicach pasma 2000 MHz dla transmisji naziemnej i satelitarnej. Ze względu na fakt, iż w użyciu w innych systemach były już niektóre częstotliwości w różnych rejonach świata, prace prowadzone były przez różne jednostki standaryzacyjne w zależności od regionu: europejskim (Europa i Azja), amerykańskim, japońskim, chińskim oraz koreańskim.

Opracowaniem standardu dla segmentu naziemnego systemu IMT-2000 w Europie oraz Azji zajmował się Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych ETSI (ang. European Telecommunications Standards Institute). Zaproponował on wielodostęp do kanału radiowego, który wzbudził bardzo duże zainteresowanie. Wiele krajów spoza Europy dążyło do zastosowania podobnych założeń dla systemu wielodostępu radiowego i dlatego zdecydowano się na stworzenie ogólnoświatowego projektu 3GPP (ang. the 3rd Generation Partnership Project), do którego przystąpił m.in.: Stany Zjednoczone, Kanada, Japonia, Korea oraz Chiny. Koncepcję interfejsu radiowego nazwano UTRA (ang. Universal Terrestrial Radio Access), do której należeć miały dwie techniki transmisji cyfrowej, szerokopasmowej z wielodostępem kodowym WCDMA (ang. Wideband Code Division Multiple Access):

  • IMT-DS (ang. em>Direct Spread) – technika CDMA (ang. Code Division Multiple Access) z rozpraszaniem bezpośrednim i kanałem radiowym o szerokości 5 MHz,
  • IMT-TC (ang. em>Time-Code) – połączenie wielodostępu kodowego i czasowego – TD-CDMA (ang. Time-Domain Code-Domain Multiple Access)

Do dalszych prac nad standardem IMT-2000 dodano także telefonię bezprzewodową DECT opracowaną przed ETSI pod nazwą IMT-FT (ang. Frequency-Time). T1P1 – Amerykański Komitet Standaryzacyjny zaproponował rozwinięcie cdmaOne – system cmda2000, który miał wykorzystywać wiele nośnych oraz system UWC-136 (ewolucja systemu IS-136) opartego wielodostępie TDMA. Systemy oznaczono odpowiednio IMT-MC (ang. Multi Carrier) i IMT-SC (ang. Single Carrier) [Źródło].

W trakcie konferencji WARC w 1992 r. zaproponowano różne pasma częstotliwości, głównie w okolicach 2 GHz. Uzyskano pasmo o całkowitej szerokości około 230 MHz i oceniono je później na niewystarczające. W maju 2000 r. podczas spotkania ITU-R WRC-2000 zdecydowano, iż pasma: 806-960 MHz, 1710-1885 MHz oraz 2500-2690 MHz do tej pory używane między innymi częściowo w systemach drugiej generacji (GSM)m mogą zostać użyte w systemie IMT-2000. Na rysunku 1.5 przedstawiono przydział częstotliwości dla systemu IMT-2000 z roku 2000 [Źródło].

Rys. 1.5. Przydzielenie nowych zakresów częstotliwości podczas WRC-2000 [Źródło]

Zgodnie z planami zakres powyżej 2,5 GHz miał zawierać także pasmo dla segmentu satelitarnego (2500-2520 MHz i 2670-2690 MHz). Przydzielono także kilka innych zakresów dla potrzeb transmisji satelitarnych (1525-1544 MHz, 1545-1559 MHz, 1610-1645,5 MHz, 1646,5-1660,5 MHz oraz 2483,5-2500 MHz).

Podejmując decyzje o przydziale nowych częstotliwości dla systemu IMT-2000 pamiętano także o ograniczonych zasobach radiowych na świecie. Koniecznym było więc zastosowanie technik umożliwiające jak najefektywniejsze wykorzystanie pasma, aby osiągnąć maksymalną przepływność, czyli użycie odpowiedniego kodowania, modulacji czy rodzaju dupleksu. Niestety praktycznie niemożliwe jest opracowanie systemu, który spełniałby wszystkie te założenia. Tworzone systemy radiowe są kompromisem między fizycznymi właściwościami transmisji radiowej (możliwe częste straty i błędy transmisji), zasobami częstotliwości i szybkością transmisji danych.

W czasie prac nad systemem pojawiały się także różne koncepcje technik wielodostępu w tym: OFDMA (ang. Orthogonal Frequency Division Multiple Access), WB-TDMA (ang. Wide-Band Time Division Multiple Access), plany połączenia technik CDMA i TDMA, czy też ODMA (ang. Opportunity Driven Multiple Access). W końcu zdecydowano się na zastosowanie techniki wielodostępu kodowego CDMA (ang. Code Division Multiple Access) realizowane w szerokim paśmie 5 MHz oraz TD-CDMA (ang. Time-Division Code-Division Multiple Access) [Źródło].

Ostateczna wersja systemu radiowego trzeciej generacji została zaakceptowana przez ITU-R (ang. The International Telecommunication Union - Radiocommunication Sector). Przyjęto 2 tryby pracy systemów: FDD z techniką wielodostępu WCDMA oraz TDD z techniką wielodostępu TD-CDMA. System trzeciej generacji nazwano UMTS (ang. Universal Mobile Telecommunications System).

Struktura sieci, zgodnie z założeniami, miała zawierać elementy sieci drugiej generacji, z dodanymi niezbędnymi, nowymi elementami. Na rysunku 1.6 zamieszczono strukturę sieci telefonii komórkowej opartej na systemie 2G i 3G. Na czerwono zaznaczono nowe interfejsy niezbędne w systemie UMTS. Obsługą radiową zajmuje się stacja bazowa nodeB oraz sterownik sieci radiowej RNC (ang. Radio Network Controller). Część radiowa w sieciach UMTS nazywana jest siecią UTRAN (ang. UMTS Terrestrial Radio Access Network), do której możliwe jest podłączenie sieci GERAN (ang. GSM Edge Radio Access Network) jako rozwinięcia podsystemu stacji bazowych BSS w sieciach drugiej generacji.

Rys. 1.6. Struktura sieci GSM i UMTS zgodna z 3GPP Release 99 [Źródło]

Poszczególnym typom transmisji, oparty na różnych technikach wielodostępu, przyznano następujące zakresy częstotliwości. Transmisji FDD przydzielono (ang. Frequency Division Duplex): 1920-1980 MHz oraz 2110-2170 MHz – dwa podzakresy o szerokości 60 MHz, z odstępem dupleksowym 190 MHz, z rozpraszaniem bezpośrednim DS-SS (ang. Direct Sequence – Spread Spectrum) i przepływnością ciągów rozpraszających równą 3,84 Mczip/s. Natomiast transmisji TDD (ang. Time Division Duplex) przyznano zakresy 1900-1920 MHz i 2010-2025 MHz, gdzie do przesyłania danych wykorzystywana jest jedna, ta sama częstotliwość „w górę” i „w dół”. Jest to kombinacja CDMA i TDMA, w której wykorzystywany jest szerokopasmowy wielodostęp czasowo-kodowy TD-CDMA (ang. Time-Division Code-Division Multiple Access). Podzakres ten używany jest głównie do transmisji niesymetrycznej, w której łącze „w dół” jest bardziej obciążone niż „w górę”.

W trackie prac powstały także pomysły, aby do przyszłego systemu trzeciej generacji wprowadzić wielodostęp TDMA. Zmieniające się jednak wymagania użytkowników w czasie połączenia dotyczące szybkości transferu spowodowały, iż planowanie przydziału konkretnej liczby szczelin czasowych przy użyciu tego wielodostępu stało się bardzo skomplikowane. Dodatkowo dla wysokich częstotliwości wymagane jest wysyłanie ciągów testowych przed pakietami danych, jakie chcemy przesłać, co wprowadza m.in. opóźnienia w transmisji danych.

Rozpraszanie bezpośrednie polega na wymnożeniu bit po bicie sekwencji informacyjnej, którą planujmy przesłać przez szybkozmienny ciąg pseudolosowy tzw. ciąg rozpraszający o wartościach ±1. Długość trwania jednego bitu ciągu rozpraszającego tzw. czipu (ang. chip) jest wielokrotnie mniejsza (kilkanaście, kilkaset) niż czas trwania bitu sekwencji informacyjnej. W wyniku przemnożenia sekwencji i ciągu otrzymujemy sekwencję rozproszoną, której pasmo jest szersze od pasma sekwencji informacyjnej tyle razy, ile razy czas trwania bitu sekwencji rozpraszającej (czipu) jest krótszy od czasu trwania bitu sekwencji informacyjnej. Sekwencja rozproszona jest więc jedynie zbiorem czipów wymnożona przez ±1.

Bardzo ważne jest także odpowiednie zastosowanie ciągów rozpraszających, kody między innymi muszą być ortogonalne i pseudolosowe. Kody te oprócz rozproszenia pasma podstawowego przed transmisją, jednocześnie redukują gęstość widmową mocy PSD (ang. Power Spectra Density). Poszerzone pasmo może być używane przez wiele osób – sygnał może być emitowany w tym samym momencie i paśmie dzięki wysokiej wydajności widmowej. Transmisja jest realizowana w dużo szerszym paśmie niż jest to wymagane, zaś ostateczny poziom mocy sygnału nośnego jest dużo mniejszy niż przed rozproszeniem. Operacja rozpraszania w systemach WCDMA działa w taki sam sposób jak w systemach CDMA. Liczba chipów na 1 bit informacji wynosi od 4 do 512 w łączu „w dół” oraz do 256 w łączu „w górę”. Ciągi rozpraszające są ortogonalne pomiędzy ciągami o różnej długości chyba, że dłuższy ciąg wygenerowany jest z krótszego. Możliwe jest w ten sposób przydzielenie kanałów fizycznych o różnej przepływności, te z krótszymi ciągami posiadają większą przepływność.

Technika WCDMA pozwala wydajnie wykorzystać dostępne pasmo umożliwiając przenoszenie dość dużego ruchu. Sygnały mogą być dodatkowo przesyłane w kanale poniżej poziomu szumów. Zysk przetwarzania (stosunek przepływności czipowej do przepływności bitowej) przykładowo dla usług głosowych 12.2 kbit/s i przepływność kanału radiowego dla WCDMA (ang. chip rate) 3,84 Mczip/s, wynosi 25 dB. Usługi głosowe wymagają na wyjściu odbiornika stosunku mocy sygnału informacyjnego do szumów 5dB co oznacza, iż odebrany sygnał radiowy może wynosić 5dB – 25dB = –20dB, czyli może być poniżej poziomu szumów. Odbiornik działający w systemie WCDMA poradzi sobie z detekcją takiego sygnału.

Kody rozpraszające powodują także wykrycie i skorygowanie błędów w trakcie transmisji radiowej spowodowane m.in. interferencjami z sąsiednich komórek czy też szumami urządzeń nadawczo-odbiorczych. Ponieważ są pseudolosowe, pozwalają na stworzenie unikalnych transmisji. Ważną kwestią jest bezpieczeństwo przesyłania sygnału radiowego – na wyjściu odbiornika otrzymujemy dane tylko te wcześniej rozproszone tym samym ciągiem rozpraszającym. Sygnał rozproszony innym ciągiem będzie miał amplitudę na wyjściu prawie równą 0.

Ponieważ pasmo 5 MHz jest używane przez wszystkie stacje bazowe wprowadzono dodatkowo ciągi skramblujące, których zadaniem jest dokładne określenie stacji bazowych (komórek, sektorów) oraz stacji ruchomych. Ich zadaniem nie jest zwiększenie stopnia rozproszenia sygnału nośnego. Informacje identyfikujące stację są mnożone z sekwencją rozproszoną przed wysłaniem do modulatora oraz w momencie odbioru sygnału przed zwężaniem po przejściu przed demodulator.

W trakcie planowania sieci nie ma konieczności wcześniejszego podziału częstotliwości. Wszystkie urządzenia wykorzystują do przesyłania danych to samo pasmo częstotliwości. Dodatkowy wzrost poziomu szumów w trakcie transmisji, praktycznie nie jest wyczuwalny przez innych użytkowników ze względu na fakt, iż rośnie on stopniowo.

W transmisji radiowej w systemie UMTS „w górę” i „w dół” wykorzystywana jest modulacja QPSK (ang. Quadrature Phase Shift Keying). Stosowane są 4 przesunięcia fazy: ±π/4 i ±3π/4.

Zaletą korzystania z TDD jest efektywna obsługa ruchu niesymetrycznego poprzez przydział odpowiedniej liczby szczelin w danym kierunku, najczęściej więcej szczelin „w dół”. Wadą zaś mogą być mniejsze przepływności wynikające z mniejszej mocy średniej, ze względu na nadawanie nieciągłe oraz zakłócenia spowodowane włączeniem i wyłączeniem nadawania. Minusem jest też wymagana synchronizacja między ramkami wysyłanymi przez różne stacje bazowe.

W trybie TDD, stosowanym głównie do transmisji niesymetrycznej, umożliwiono tworzenie węższych pasm o szerokości 1,6 MHz, o zmniejszonej przepływności kanału radiowego – 1,28 Mczip/s, nazywane LCR (ang. Low Chip Rate). Technika TDD w szerszym paśmie – 5MHz, oznaczana jest jako HCR (ang. High Chip Rate). W LCR ramka podzielona jest na 2 podramki z 7 szczelinami każda, trwająca 675 µs. W pojedynczej szczelinie możliwe jest przesłanie 684 czipów, w której używana jest modulacja 8-PSK. Przy wykorzystywaniu tej modulacji, każdy ze stanów charakterystycznych modulacji przenosi informacje o 3 bitach. W trybie HCR każda ramka składa sie z 15 szczelin czasowych po 666,7 µs każda, w której możliwe jest przesłanie 2560 czipów. Wykorzystywany jest więc szerokopasmowy wielodostęp czasowo-kodowy TD-CDMA (ang. Time-Division Code-Division Multiple Access) [Źródło].

© 2009 Krzysztof Niemczyk