UMTS

Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) je další stupeň (3G) vývoje GSM sítí v rámci 3GPP. Účastník v síti GSM, který má aktivovaný datový tarif a telefon s podporou UMTS, bude v místech, kde je dostupný UMTS signál, automaticky UMTS používat. V budoucnosti může UMTS sloužit i pro přenos telefonních hovorů.

UMTS kombinuje použití TDMA na obvyklých GSM pásmech s W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) pro sdílení přístupového kanálu na nově přidělených kmitočtech v pásmu 1,9-2,2 GHz.

Zavedení HSDPA přineslo uživatelům mobilní sítě GSM/UMTS podstatné zvýšení rychlosti přenosu dat:

2G GSM: 9,6 kbit/s (CSD) nebo násobky při použití HSCSD
2.5G GPRS: až 107 kbit/s (s možností povýšení na EDGE)
2.75G EDGE: až 384 kbit/s
3G UMTS: až 384 kbit/s (s možností povýšení na HSDPA)[5]
3.5G HSDPA: až 14 Mbit/s (s možností povýšení na HSDPA+ až 84.4 Mbit/s)
3.9G LTE: až 326 Mbit/s[7]
4G LTE Advanced: až 1 Gbit/s
UMTS splňuje požadavky ITU IMT-2000 pro mobilní buňkové sítě třetí generace.

Struktura UMTS sítě
UE (User Equipment) – uživatelská stanice
UTRAN/GERAN – obecná radiová přístupová síť
CN (Core Network) – jádro sítě
UE - Uživatelská stanice

Nokia 6650, jeden z prvních telefonů s podporou UMTS
UE se rozumí uživatelská stanice, obecně mobilní telefon či terminál schopný přistupovat k UMTS síti. Často je také používáno původní označení z GSM standardů Mobile Terminál (MT) nebo Mobile Station (MS) – je často velmi obtížně zřetelné, jaký praktický rozdíl je mezi těmito pojmy. My se budeme pro jednoduchost držet tvrzení, že všechny tři tyto pojmy jsou vzájemně zaměnitelné, už proto, že ani sám standardizátor nemá ve výkladu rozdílu příliš jasno.

UE v některých výkladech není součástí obecného konceptu UMTS sítí, ale argument, že bez uživatelských stanic by byla síť jaksi nekompletní, lze jistě akceptovat.

UTRAN/GERAN – Obecná radiová přístupová síť

UMTS Node B vysílač na střeše budovy
Mobilní telefony nebo obecněji uživatelské stanice komunikují s rádiovou přístupovou sítí (RAN – Radio Access Network). Může se jednat buď o nově vybudovanou síť s mnohonásobným přístupem W-CDMA na kmitočtech 1900–2200 MHz označovanou UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) nebo o standardní GSM rádiovou síť na kmitočtech v pásmu 900 nebo 1800 MHz nazývanou GERAN (GSM EDGE Radio Access Network). Standard IMT-2000 ponechává do jisté míry otevřenou otázku, jak má RAN vypadat s tím, že se tak otvírají dveře budoucím rozšířením a standardům. Jako RAN mohou sloužit již existující radiové digitální standardy jako GSM BSS, DECT, digitální TV, HiperLAN, nebo dva nové standardy, které přináší UMTS koncept – tedy UTRAN a USRAN. Komerčně se prosazuje zatím pouze UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) jakožto pozemní radiové síti zajišťující přístup k jádru sítě. Koncept USRAN je v současné době spíše v záměru než že by existoval jako hotový standard, jedná se totiž o satelitní radiovou přístupovou síť (UMTS Satelite RAN) a zatím není firma, která by aplikaci USRAN plánovala.

Zatímco standardní GERAN sestává z BTS (Base Transceiver Station) a BSC (Base Station Controller), základnové stanice v UTRAN se označují jako Node B (Node A neexistuje, B označuje slovo Base, tedy Základna uzlu) – jde o ekvivalent pojmu BTS v GSM sítích. A dále RNC, Radio Network Controller, ovladače radiové sítě, který v GSM sítích označujeme jako BSC. Odlišné označení v GSM a UMTS síti má zabránit zmatkům, co pojem označuje.

CN – Jádro sítě
Jádrem sítě se rozumí samotný soubor služeb poskytovaných UMTS sítí a rozhraní k ostatním službám, do nichž může uživatel UMTS sítě přistupovat – především pak do jiných telefonních sítí nebo například do internetu. Opět základní idea standardu IMT-2000 předpokládala, že bude možno GRAN (a tím i uživatele přes tento GRAN připojený) propojovat do více jader sítě, například do GSM či ISDN, dnes se ale spíše předpokládá, že pro nasazení UMTS se bude používat společné jádro sítě pro UMTS a GSM, tedy že operátor upgraduje svoje stávající GSM jádro sítě tak, aby vyhovovalo požadavkům UMTS.

Jádro sítě je rozděleno do tzv. domén, podle použité metody přepojování:

Okruhově spínaná doména (CS) – používá přepojování okruhů k přenosu telefonních hovorů, SMS a dat s využitím techniky přepojování okruhů (CSD, HSCSD, ECSD)
Paketově spínaná doména (PS) – používá přepojování paketů k přenosu dat (GPRS, EGPRS, HSPA) a SMS
Do UMTS od Release 5 je zařazen IP Multimedia subsystém, který má umožnit postupný přechod k přenosu telefonní hovorů (obecně multimediálních relací) paketově spínanou doménou.

Okruhově spínaná doména
Okruhově spínaná doména označovaná jako CS, circuit switched, je nejstarší doménou podporovanou v GSM sítích od prvních návrhů standardu. V rámci této domény se pro uživatele vytváří vyhrazený nepřerušovaný okruh, který přenáší uživatelovu komunikaci se zvolenou službou. Kapacita pro komunikaci je po celé délce přenosové trasy po celou dobu komunikace vyhrazena jen pro tohoto uživatele.

Klasickým příkladem služby určené pro CS doménu je telefonní hovor, kdy komunikační kanál je neustále vyhrazen (sepnut) pro jednoho uživatele a ten se o něj s nikým nedělí. Vyhrazení je zrušeno v okamžiku ukončení hovoru a teprve tehdy může být kanál použit pro dalšího uživatele.

CS doména je vhodná pro transport služeb, u nichž je důležitá plynulost toku. Za takové služby se obecně považuje právě telefonování nebo videokonferenční hovor, protože i drobné zpoždění doručení dat zde má za následek výrazné problémy s kvalitou služby, například v případě telefonního hovoru nepřirozené přerušování a trhání hovoru.

Okruhově spínaná doména zahrnuje v jádru sítě VLR, MSC a GMSC.

Paketově spínaná doména
Paketově spínaná doména přišla do GSM sítí spolu s potřebou rychlých datových přenosů a spolu s definicí GPRS. UMTS architektura tuto doménu vlastně beze zbytku přejala a označujeme ji jako PS, packet switched. Tato doména nevyhrazuje přenosový kanál pro uživatele na trvalo, ale pouze v okamžiku, kdy jej bezprostředně potřebuje pro přenos dat. To samozřejmě obrovským způsobem šetří prostředky sítě a ta může nabídnout „vysoké rychlosti“ – nebo alespoň jejich dobrou iluzi – více zákazníkům. Hovoří se také o konceptu „always on“ – stále připojen. Síť registruje požadavek zákazníka na přenos dat a v tom okamžiku mu začne přidělovat maximum zdrojů, které mu přidělit může dle vytížení sítě v místě, dle limitu zákaznického účtu nebo dle technických limitů uživatelské stanice.

Paketově spínaná doména je vhodná pro přenos služeb, u nichž nejsou nároky na vypořádání služby v reálném čase – například stahování emailů, webových stránek, odesílání multimediálních zpráv. V těchto případech malé zpoždění způsobené nedostatkem volných zdrojů či alokací zdrojů pro potřeby přenosu nehraje podstatnější roli a důležité je, že síť může nabídnout vyšší kapacitu a přenosové rychlosti. Paketově spínaná doména zahrnuje v jádru sítě SGSN a GGSN.

Jádro sítě obsahuje další obslužné komponenty, které se starají o obsluhu návštěvníků sítě (uživatelů v roamingu), o přepojování do jiných sítí (pevné telefonní linky, sítě jiných operátorů), autorizaci, účtování a další služby. Jejich počet závisí na počtu služeb, které hodlá poskytovat mobilní operátor.

Rozhraní pro propojení částí sítě
Mezi jednotlivými částmi sítě existují propojení, takzvaná rozhraní (interface). Rozhraní mezi uživatelskou stanicí (UE) a mezi UTRAN se jmenuje Uu a rozhraní mezi UTRAN a jádrem sítě se jmenuje Iu. Součástí Uu rozhraní je technologie WCDMA. Ekvivalentem rozhraní Uu v GSM síti, tedy rozhraní mezi mobilním terminálem a BTS se jmenuje Um.

Rozhraní Iu se rozděluje podle toho, zda se využívá pro propojení paketové spínané technologie (IuPS – Packet Switched) nebo okruhově spínané technologie (IuCS - Circuit Switched). To koresponduje s rozdělením jádra sítě do dvou domén, tedy na služby paketově spínané a okruhově spínané.

UMTS se dosud vyvíjí; jednotlivé verze (release) UMTS jsou označovány takto:

R3 (původně označován jako R99)
R4 (původně označován jako R2000)
R5 - HSDPA downlink (14.4 Mbit/s)
R6 - HSUPA uplink (5.76 Mbit/s) + Multimedia broadcast multicast (MBMS)
R7 - HSDPA 28.8/HSUPA 11.5
R8 - LTE (Long Term Evolution), HSPA evolution
Pro zajištění duplexní komunikace (oddělení uplinku a downlinku) používá UMTS dvě různé metody:

FDD – spojení mezi základnovou stanicí a telefonem v uplink a downlink na oddělených frekvencích
TDD – uplink i downlink na stejné frekvenci, střídání na základě různých time slotů tzv. „Ping-Pong“
Kmitočtový plán:[3]

Párové kmitočty (FDD) 1920 – 1980 MHz uplink (Rx) a 2110 – 2170 MHz downlink (Tx)
Nepárové kmitočty (TDD) 1900 – 1920 MHz a 2010 – 2025 MHz (Síť T-Mobile v Česku)
Družicové párové kmitočty 1980 – 2010 MHz a 2170 - 2200 MHz
Nasazení UMTS v České republice:

T-Mobile Internet 4G (pouze marketingové označení[9]): UMTS, TDD, nepárové 5 MHz kanály (které jsou odděleny intervalem 200 kHz) na 1915 MHz
O2 3G: UMTS / HSDPA, FDD (všechna krajská města)
Vodafone 3G: UMTS / HSDPA (Praha, Brno a další města)
V roce 2012 je v České republice pokryta signálem UMTS většina sídel od několika tisíc obyvatel; operátoři na rozšiřování sítí 3. generace postupně pracují.