37MK Semestrální práce
UMTS – Frekvence, rádiové rozhraní a modulace
Vypracoval: Filip Palán Datum: 8.5.2005
Úvod S rostoucím trhem datových služeb se systém GSM dostal do problémů s přenosovou kapacitou. Proto se již v roce 1985, tedy ještě před oficiálním spuštěním GSM sítě, ITU (International Telecommunication Union) rozhodla pro vývoj nového standardu s označením IMT-2000, kterým se měla zabývat tzv. Prozatímní pracovní skupina ( Interim Working Party 8/13 (IWP 8/13) ). Zkratka IMT znamená v překladu Mezinárodní Mobilní Telekomunikace (z anglického International Mobile Telecommunications) a číslice 2000 měla tři významy, a to předpokládaný start systému v roce 2000, dále označuje rychlost přenosu dat 2000 kb/s a nakonec tato číslice znamená frekvenční pásmo vyhrazené pro tento systém čili 2000 MHz. 1.Použité frekvence v UMTS systému Roku 1996 byl přijat název UMTS (Universal Mobile Telecommunications System – Univerzální Mobilní Telekomunikační Systém) pro „Evropský standard“ WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access – Širokopásmový kódově dělený vícenásobný přístup) na konferenci v Zürichu a o dva roky později v roce 1998 byl uskutečněn první testovací hovor v síti japonského operátora DoCoMo za použití Nokia terminálů WCDMA. Tento japonský operátor se také postaral o spuštění první komerční 3G sítě na světě, stalo se tak 1.října 2001. Následovaly další operátoři v různých zemích Evropy a Asie. Na Americkém kontinentu se ale spíše prosazuje technologie založená na CDMA2000, zároveň zde již byla rozprodána frekvenční pásma pro WCDMA. Rozložení pásem v jednotlivých kontinentech ukazuje obrázek 1.1. 1850
19 00 1885 M H z
19 50
IM T 2 0 0 0
UM TS
20 50
2100
D o p o ruč e n í W R C 92
M SS 19 80 M H z
1880 M H z
G SM 1800
2000 20 10 M H z
M SS
IM T 2 0 0 0 2110 M H z
20 25 M H z
E v ro p a
IM T 2 0 0 0
21 70 M H z
UM TS
M SS
M SS
Japonsko
IM T 2 0 0 0
M SS
1990 M H z
PCS 19 00
M SS
1980 M H z
1895 M H z1918 M H z
18 50
2200
21 50
M SS 19 50
2000
2160 M H z R e z e rvo v á n o
USA 20 50
2100
M SS
21 50
2200
F re k v e n c e [M h z ]
Obr. 1.1 Rozložení frekvenčních pásem na jednotlivých kontinentech
V Evropě se situace vyvinula následujícím způsobem spektrum signálu UMTS systému se skládá z jednoho párového pásma (1920-1980 MHz + 2110-2170 MHz) a jednoho nepárového pásma (1910-1920 MHz + 2010-2025 MHz). Toto rozdělení spektra je zobrazeno na obrázku 1.2. Duplexní metody pro WCDMA jsou dvě: • •
FDD (Frequency Division Duplex) pro párové pásmo TDD (Time Division Duplex) pro pásmo nepárové
Obr. 1.2 Rozdělení spektra UMTS Číslo na obrázku pásmo č.1 pásmo č.2 pásmo č.3 pásmo č.4 pásmo č.5 pásmo č.6 pásmo č.7
Frekvenční rozsah 1885 - 1900 MHz 1900 - 1920 MHz 1920 - 1980 MHz 1980 - 2010 MHz 2010 - 2025 MHz 2110 - 2170 MHz 2170 - 2200 MHz
Šířka pásma 15 MHz 20 MHz 60 MHz 30 MHz 15 MHz 60 MHz 30 MHz
Použitá technologie DECT TD-CDMA W-CDMA - Uplink Satelitní složka TD-CDMA W-CDMA - Downlink Satelitní složka
Tab. 1.1 Popis k obrázku 1.2 Rozdělení spektra UMTS 2. Radiová přístupová síť UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) UMTS Terrestrial Radio Access Network je síť rádiového přístupu pro UMTS. Podporuje plný roaming s rozvinutými sítěmi GSM. UTRAN má za úkol poskytovat spojení mezi CN (Core Network) a mobilním terminálem (nebo jiným uživatelským zařízením). UTRAN plní dvě hlavní funkce, a to zprostředkování rádiového přenosu a řízení a přidělování rádiových kanálů. UTRAN se skládá z jedné nebo více RNS ( Radio Network Sub-system ), čili rádiového síťového podsystému. RNS se dále dělí na jeden RNC ( Radio Network Controller ) a jednu nebo více základnových stanic Node B. Jedna jednotka RNC má na starost rádiové zdroje a jejich management pro určitou geografickou oblast, rozdělenou na jednotlivé buňky. Základnové stanice Node-B se starají o pokrytí těchto buněk rádiovým signálem. Složení UTRAN je orientačně zobrazeno na obrázku 2.1, kde je vidět propojení s UE (User Equipment ) a CN, přes jednotlivá rozhraní, jednak lu CS pro okruhová spojení a lu PS pro paketové spojení.
Uu
Node B Iu C S
RNC U S IM
Node B
Cu
M S C /V L R lu r
lu b
M E
Node B
SGSN RNC
UE
Iu P S
Node B
CN UTRAN
Obr. 2.1 Propojení UTRAN s UE a CN 3. Modulace používané v UMTS V závislosti na kavalitě signálu v UMTS systému se mění modulace a počet bitů na paket. Teoretické přenosové maximum na jedné nosné je 2,4 Mb/s při modulaci 16QAM, která přichází na řadu při velmi dobrém signálu, resp. jeho odstupu od interferujících Node B. Naopak nejrobustnější modulací je QPSK, se kterou sektor Node B posílá data rychlostí 384 kb/s, nicméně dokáže tak, i pokud má mobilní terminál signál o neuvěřitelných 11,5 dB slabší než interferenční. Důležité je, že nikoliv síla signálu, ale právě jeho odstup od interferujícího je určující pro výběr modulace a tím i rychlosti přenosu. Pokud bychom ale dosadili do Shannonova vzorce ( C = W log2 (1+S/N) [bitů/s], kde S je střední výkon signálu na vstupu přijímače, N je střední výkon šumu v patřičném pásmu a W je šířka kanálu v Hz. ) konkrétní hodnoty pro UMTS, kde je šířka kanálu 5 MHz, zjistíme, že maximální kapacita dle Shannona je 20 Mb/s. Vzhledem k tomu, že samotné UMTS dnes definuje podle Release 99 rychlosti do cca 2 Mb/s, existuje zde určitý prostor k dalšímu vylepšování. Nejnovější vydání UMTS Release 5 a Release 6 obsahuje již specifikaci pro rychlejší stahování dat ( Release 5 – HSDPA - High Speed Downlink Packet Access ) a odesílání dat ( Release 6 – EUDCH - Enhanced Uplink for Dedicated Channels ). Uživatelé s technologií HSDPA v jedné oblasti budou moci sdílet přenosový kanál o rychlosti až 14,4 Mb/s a s technologií EUDCH mohou odesílat data rychlostí až 2 Mb/s. Závěr Závěrem lze snad jen konstatovat fakt, že stále modernější způsoby kódování budou vyžadovat velký operační výkon na straně mobilních zařízení. To se negativně
promítne na množství spotřebovávané energie a v budoucnu tak může dojít k situaci, kdy budou pravděpodobně baterie nejslabším článkem mobilních telefonů.
