Teletekniikan laboratorio
UMTS - 2000 -luvun matkapuhelin
Teletietotekniikka (s-38.116)
Seminaariesitelmä
Markus Paasi (s35279t)
mpaasibeta.hut.fi
Sisällys:
1. Johdanto 3
2. 2000 -luvun haasteet langattomalle järjestelmälle 3
3. UMTS - kolmannen sukupolven järjestelmä 4
3.1 Tulevaisuuden matkapuhelimen standardointi 4
3.2 Mobiiliviestinnän kolmas sukupolvi 5
4. UMTS:n ominaisuuksia 7
4.1 Radiotien kapasiteetti ja peittoalue 7
4.2 UMTS ja laajakaistaverkot 7
4.3 UMTS ja UPT 8
4.4 Palvelut UMTS -verkossa 9
4.5 Päätelaitteista 10
5. Mobiiliverkot 2000 -luvun alussa 11
5.1 GSM, UMTS, IMT-2000 ja MBS 11
5.2 Onko evoluutio GSM:stä UMTS:n mahdollista ja järkevää ? 12
6. Yhteenveto 13
Lyhenteet 14
Lähteet 16
1. Johdanto
Tämän dokumentin tarkoitus on antaa perustiedot UMTS järjestelmästä. Se on kirjoitettu sellaiselle henkilölle, jolla on pohjatiedot teletekniikasta, mutta ei aikai-sempia tietoja UMTS:stä. UMTS on laaja aihe, jota voidaan tarkastella usealta eri kannalta. Tässä dokumentissa käsitellään UMTS -järjestelmää yleiseltä kannalta ja pyritään antamaan tärkeimmät perustiedot aiheesta.
UMTS on tällä hetkellä vielä kehitysasteella oleva järjestelmä, jonka lopullinen muoto on vielä määrittelemättä. Tämän vuoksi tarkkojen esimerkkien kertominen esim. käytettävästä laitteistosta tai järjestelmän tarjoamista palveluista on tällä hetkellä vielä mahdotonta.
2. 2000 -luvun haasteet langattomalle järjestelmälle
Matkapuhelimien ja langattomien hakulaitteiden määrä on kasvanut räjähdysmäisesti. On arvioitu, että vuonna 2000 matkapuhelinten, langattomien puhelimien ja tekstihakulaitteiden määrä on Euroopassa kasvanut yli 100 miljoonan. Nykyiset järjestelmät, jotka on suunniteltu toimimaan kymmenien miljoonien käyttäjien kanssa eivät pysty tarjoamaan riittävää palvelutasoa kaikille. Tämä on näkyvissä etenkin suurkaupungeissa, joissa nykyiset GSM -verkot alkavat jo olla ylikuormitettuja. Palvelutaso laskee etenkin ruuhka-aikoina.
Kuva 1. Puhelinliittymien määrä maailmassa
Myös asiakkaiden vaatimukset palvelun laadun suhteen kasvavat. GSM:n tarjoama 9600 bps siirtonopeus on jo nykyistenkin mittapuiden mukaan hidas. Uudet palvelut, etenkin kuvan (liikkuvan tai liikkumattoman) siirto tulevat vaatimaan aivan toisenlaista siirtokapasiteettia, kuin mitä nykyiset järjestelmät voivat tarjota. Ihmisten liikkuvuuden lisääntyessä käyttäjät vaativat langatonta järjestelmää, joka pystyy tarjoamaan saman palvelutason kuin lankaverkkokin, maailmanlaajuisesti missä tahansa ja milloin tahansa; Raja kiinteän ja langattoman tiedonsiirron välillä tulee hämärtymään.
Nämä palvelut tulee pystyä tarjoamaan edullisella hinnalla. Tämä taas edellyttää resurssien tehokasta käyttöä. Nykyisin eri tarkoituksia varten rakennetut järjestelmät ovat toisistaan riippumattomia. Tämä tarkoittaa sitä, että sama infrastruktuuri on jouduttu paikoin rakentamaan useaan kertaan. Tehokkaampaa olisi rakentaa yksi järjestelmä, joka olisi tarpeeksi monipuolinen kaikkiin käyttötarkoituksiin.
Kilpailun vapauttaminen teletoimessa on ollut yleinen suuntaus länsimaissa viime aikoina. Tämänhetkiset matkapuhelinjärjestelmät estävät vapaata kilpailua siksi, että teknisistä syistä palveluita voidaan toteuttaa vain puhelinkeskuksissa. Näin ollen verkko-operaattori pystyy halutessaan olemaan tarjoamatta tiettyjä palveluita omissa keskuksissaan. Jotta vapaa kilpailu toteutuisi, tulee järjestelmän olla sellainen että palveluiden tarjoajat ja verkkojen omistajat voivat olla toisistaan riippumattomia.
3. UMTS - kolmannen sukupolven järjestelmä
3.1 Tulevaisuuden matkapuhelimen standardointi
Eurooppa on edennyt maanosista ehkä parhaiten kolmannen sukupolven matkapuhelinjärjestelmän suunnittelussa. Euroopassa uuden järjestelmän stan-dardointia vie eteenpäin Euroopan komission ohjaama RACE-projekti. Järjestelmän nimeksi on annettu UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). RACE:lla on useita UMTS:n liittyviä projekteja:
· MONET, määrittelee UMTS:n verkko-ominaisuuksia
· CODIT, tutkii CDMA -tekniikan soveltumista UMTS -käyttöön
· ATDMA, kehittää edistynyttä TDMA tekniikkaa UMTS:n käyttöön
· MAVT, kehittää liikkuvaa audio-visuaalista terminaalia
· TSUNAMI, keskittyy älykkäiden antennien teknologiaan
· SAINT, tutkii satelliittien integroimista UMTS -järjestelmään
· MBS, kehittää yli 2Mbs:n siirtonopeuden omaavaa, 60 GHz:n alueella toimivaa järjestelmää
RACE:n tärkeänä tavoitteena on siirtää työnsä tulokset asiaankuuluville standardi-sointielimille (Euroopassa tämä on ETSI:n tekninen komitea SMG5).
Maailmanlaajuisesti kolmannen sukupolven matkapuhelinjärjestelmän standardointi on jaettu ITU:n radio- ja telepuolten, ITU-R:n ja ITU-T:n kesken.
Kuva 2. Kolmannen sukupolven kehittämiseen osallistuvat osapuolet
ITU:n projektin nimenä on IMT-2000 (aikaisemmin FPLMTS). Tarkoituksena on että UMTS:n ja IMT-2000:n hankkeet yhdistetään jatkossa.
3.2 Mobiiliviestinnän kolmas sukupolvi
UMTS:n on tarkoitus olla kolmannen sukupolven matkapuhelinjärjestelmä. Se tulee integroimaan toisen sukupolven digitaaliset järjestelmät yhdeksi kaikenkattavaksi järjestelmäksi.
Kuva 3. Langattomien telekommunikaatiojärjestelmien kolme sukupolvea
Palvelut, joiden tarjoamiseen tarvittiin useita eri järjestelmiä, tulevat käyttämään yhtä infrastruktuuria. UMTS integroidaan kiinteisiin televerkkoihin niin, että resurs-sien jako tehokkaasti kiinteiden ja liikkuvien käyttäjien kesken on mahdollista.
4. UMTS:n ominaisuuksia
4.1 Radiotien kapasiteetti ja peittoalue
UMTS perustuu toistaiseksi lähinnä sotilassovellutuksissa käytettyyn hajaspektri-tekniikkaan. Järjestelmälle on varattu WARC '92 -kokouksessa 230 MHz taajuuskaista 2 GHz alueella 2000 -luvun alusta alkaen. Siirtonopeudeksi terminaalin ja tukiaseman välillä saadaan 2 Mbps kumpaankin suuntaan. Tämä on n. 200 -kertainen nopeus verrattuna GSM:n datansiirtokykyyn ja se mahdollistaa jo esim. kuvan, grafiikan ja multimedian siirron. Taajuuskaista jaetaan käyttäjien kesken ATDMA tai CDMA -tekniikalla. Siirtokapasiteettia voidaan varata tarpeen mukaan 2Mbs:n ollessa maksimi. Jos käytettävä sovellus tarvitsee vähemmän kapasiteettia, varataan sitä vähemmän, näin se jää muiden käyttöön.
Kannattaa huomioida myös se, että kiinteiden verkkojen puolella ETSI on standardoimassa teknologiaa, joka mahdollistaa 2 Mbps siirtokyvyn pitkin tavallista, kierretystä parista tehtyä, tilaajalinjaa pitkin. 2 Mbps:n siirtonopeus tulee täten käytettäväksi sekä liikkuvien, että kiinteiden liittymien käytettäväksi enemmän tai vähemmän samanaikaisesti.
Maailmanlaajuinen peitto yhdistettynä hyvään palvelutasoon aikaansaadaan käyttämällä tiheästi asutuilla alueilla tiheää solukkoverkkoa. Tukiasemia voidaan sijoittaa myös sisätiloihin, juniin, linja-autoihin jne. (Vrt. GSM, joka suunnittelu-vaiheessa tarkoitettiin lähinnä ulkokäyttöä varten.) Harvaan asutulla alueella kuten esim. merellä, yhteys muodostetaan satelliittien avulla. Siirtojärjestelmän valinta on käyttäjälle läpinäkyvää. Järjestelmä on joustava : jos olosuhteet ovat huonot, saadaan yhteys muodostettua, mutta silloin joudutaan joskus tinkimään siirtonopeudesta.
4.2 UMTS ja kiinteät laajakaistaverkot
Laajakaistaverkkojen rakentaminen Euroopassa on jo alkanut. Yhdistämällä UMTS näihin verkkoihin saavutetaan kustannussäästöjä, koska samaa infrastruktuuria ei tarvitse rakentaa moneen kertaan. Samoin pyritään käyttämään hyväksi älyverkkojen luomia mahdollisuuksia nopeaan palvelujen luomiseen. Käyttämällä hyväksi aiempia järjestelmiä UMTS:n käyttöönotto tulee nopeammaksi, koska kaikkea ei tarvitse alkaa rakentaa tyhjästä.
Sekä ETSI (UMTS) että ITU (IMT-2000/FPLMTS) ovat tehneet periaatepäätöksen kolmannen sukupolven mobiilijärjestelmän integroimisesta osaksi kiinteää verkkoa. UMTS -projektin MONET -nimisen aliprojektin tavoitteena on integroida UMTS ja B-ISDN.
ATM -tekniikalla toteutetun B-ISDN -verkon odotetaan toimivan tulevaisuuden kiinteiden digitaalisten televerkkojen selkärankana. UMTS:n ja B-ISDN:n yhteistoiminta tulee siis olemaan edellytyksenä UMTS:n integroimiseen kiinteisiin verkkoihin. Tätä integroimista puoltavat paitsi päällekkäisten infrastruktuurien välttämisestä aiheutuvat säästöt, myös markkinointitekniset syyt: Eräs tapa tehdä UMTS asiakkaiden kannalta houkuttelevaksi olisi se, että se tarjoaa käyttäjälleen samoja palveluita kuin B-ISDN, 2Mbps siirtonopeuden puitteissa.
Tällä hetkellä valmiina olevat B-ISDN -luonnokset eivät tue mobiiliominaisuuksia, joten integrointi vaati työtä myös B-ISDN:n kehityksessä. Erityisesti vaatimukset kohdistuvat signalointiin keskusten välillä, sekä signalointiin keskuksen ja asiakkaan välillä. Muutokset eivät kuitenkaan tule olemaan kovin suuria. Ne tapahtuvat protokollapinon ylemmillä tasoilla, ilman että alempia ATM tasoja AAL (ATM Adaption Layer) mukaanluettuna tulisi muuttaa.
IN -tekniikka tulee osaltaan olemaan vaatimuksena UMTS:n ja B-ISDN:n integraatiolle. IN -tekniikkaa voidaan laajentaa ohjaamaan UMTS:n verkko-funktioita. UMTS:n B-ISDN:n ja IN:n kehitystyöt tapahtuvat samanaikaisest ja kehitystyöt vaikuttavat toinen toisiinsa, joten on luonnollista olettaa, että järjes-telmien integroinnista on tuloksena toimiva kokonaisuus.
4.3 UMTS ja UPT
UPT (Universal Personal Telephone) on kehitteillä oleva järjestelmä, joka mahdollistaa käyttäjän liikkuvuuden kaikenlaisten terminaalien välillä. UPT käyttäjä voi esim. rekisteröityä tavalliseen kiinteään puhelimeen, minkä jälkeen hänelle tulevat puhelut ohjautuvat automaattisesti tähän puhelimeen. Soittajan ei siis tarvitse tietää, missä UPT käyttäjä kulloinkin oleskelee. UMTS:n tulee luonnollisesti tukea UPT:ta.
Kuva 4. UPT, UMTS, laajakaistaverkot ja älyverkot
4.4 Palvelut UMTS -verkossa
UMTS -verkon palvelut on jaettu kolmeen abstraktiotasoon. Asiakas käyttää sovelluksia (lisäarvopalveluita), jotka on toteutettu palveluiden avulla. Palvelut on vuorostaan toteutettu verkkopalveluiden avulla. Sovellusten, palveluiden ja verkkopalveluiden tarjoajat voivat olla toisistaan riippumattomia yrityksiä. Sovellusten tarjoajan ei tarvitse itse omistaa siirtoverkkoa, vaan hän voi vapaasti alkaa tarjoamaan sovellustaan ja ostaa tarvitsemansa palvelut muualta.
Kuva 5. Palveluiden varausmalli
Sovellukset eivät ole UMTS:n standardoitu osa, vaan sovellusten tarjoajat voivat luoda niitä tarpeen mukaan. Sovelluksia voivat olla esim.
· etätyöskentely
· etäopiskelu
· ostosten teko
· pankkipalvelut
· interaktiivinen kartta
· näppäimetön puhelin
Sovelluksille tarjotut palvelut ovat UMTS:n standardoitu osa. Ne luodaan komponenttien avulla. Tämä mahdollistaa uusien palveluiden luomisen nopeasti vanhoista komponenteista.
palvelukomponentteja ovat:
· yhteydellinen kommunikaatio
· yhteydetön kommunikaatio
· käyttäjän palveluiden hallinta
Palveluiden siirtämä tieto esitetään komponentteina joiden esitystapoja ovat:
ääni
· Puhe (3.1 kHz ääntä, joka voidaan pakata, kuten GSM -puhelimissa)
· 3.1 kHz ääni
· 7 kHz ääni
· 15 kHz ääni
videokuva
· HDTV
· MPEG
teksti
· SGML (Standard Generalized Markup Language)
vektorigrafiikka
· CGM (Computer Graphics Metafile)
rasterigrafiikka
· JPEG
data
· Data on kaikkea sitä informaatiota, mitä ihminen ei voi suoraan aisteillaan havaita ja se siirretään yhteyden yli bittijonoina.
Lisäksi sovelluksille tarjotut palveluiden muodostamiseen käytetään erilaisia ohjauselementtejä.
Verkkopalvelut tarjoavat palveluita ylemmälle palvelukerrokselle. Verkkopalvelut eivät koostu komponenteista vaan komponentit on yhdistetty palveluun.
Verkkopalvelut tarjoavat eri AAL luokkien verkkopalveluita, sekä verkkopal-veluiden ohjauselementtejä.
4.5 Päätelaitteista
UMTS -käyttöön sopivia päätelaitteita tulee olemaan hyvin erilaisia, käyttötarkoituksen mukaan. UMTS tulee tarjoamaan niin, edullisen ja kompaktin matkapuhelimen, kuin myös multimediakäyttöön soveltuvia laitteita, jotka saattavat olla varustettuja GPS satelliittipaikannusjärjestelmällä (esim. interaktiivisen kartta- ja suunnistusjärjestelmän käyttöön). Erilaiset puhelimen ja kannettavan PC:n yhdistelmät tulevat olemaan myöskin todennäköisiä vaihtoehtoja UMTS -päätteeksi. Murrosvaiheen päätteinä tulevat olemaan monistandardiset päätteet, jota tukevat useaa eri järjestelmää (UMTS, DCS 1800, DECT, GSM ...). Pääteiden kehitystyötä tekee mm. RACE:n alaprojekti MAVT.
5. Mobiiliverkot 2000 -luvun alussa
5.1 GSM, UMTS, IMT-2000 ja MBS
Ensimmäisten UMTS -standardien tulisi olla valmiina jo vuonna 1998. Tämän jälkeen kestänee vielä muutamia vuosia ennen kuin markkinoille ilmestyy UMTS -tuotteita. Se, tuleeko UMTS yleistymään nopesti on kuitenkin monen tekijän summa.
Toisen sukupolven matkapuhelinjärjestelmä, GSM, on ollut tavaton menestys varsinkin Euroopassa. GSM on levinnyt laajalle Euroopan ulkopuolellekin. Järjestelmään tehdään teknisiä parannuksia koko ajan, mikä näkyy käyttäjille mm. uusien palveluiden muodossa. Laitteistojen massatuotanto ja sekä kilpailevien laitevalmistajien, että operaattoreiden hintakilpailu tulee laskemaan kuluttajahintoja jatkossakin.
On melko varmaa, että GSM tulee säilyttämään asemansa matkapuhelimena pitkälle ensi vuosituhannen puolelle. Pelkässä matkapuhelinkäytössä UMTS ei tarjoa käyttäjälle kovinkaan ihmeellisiä lisäominaisuuksia, joten ei ole odotettavissa, että UMTS syrjäyttäisi GSM:n kovinkaan nopeasti. GSM:n jatkokehitys ja UMTS kehitys ovat rinnakkaiset ja samansuuntaiset prosessit, joten tarvitaan taitavaa markkinoiden hallintaa ja ehkä myös jonkinasteista UMTS:n ja GSM:n yhteensopivuutta, jotta muutos toisen polven verkoista kolmannen polven verkkoihin tapahtuisi joustavasti. Muutoin on vaarana, että UMTS:stä tulee hienostunut, mutta kallis järjestelmä, jota käyttäisivät vain erityisen suurta siirtokapasiteettia vaativat käyttäjäryhmät.
GSM:n ja UMTS rinnanelo tulee olemaan todennäköistä. Sekä UMTS että GSM käyttöön soveltuvia päätelaitteita tullaan varmaankin kehittämään.
Kuva 6. Matkapuhelinverkkojen kehitys
Eurooppalainen UMTS -projekti ja kansainvälisempi IMT-2000 -projekti on tarkoitus yhdistää. Se kuinka hyvin tämä onnistuu on epävarmaa. Saadaanko kolmannen sukupolven matkapuhelinverkosta maailmanlaajuinen järjestelmä ( esim. USA ja Japani mukaanluettuna ), riippuu monesta eri seikasta. Asiaan vaikuttavat monet eri syyt, jotka ovat harvemmin teknistä laatua.
MBS on 60 Ghz taajuusalueella toimiva mobiili laajakaistaverkko, jota tutkii RACE:n alaprojekti MBS. Sen siirtokyky tullee olemaan 20 -50 Mbps luokkaa. MBS projekti on vasta alkuvaiheessa ja siitä on saatavilla hyvin vähän tietoja, joten sen roolista 2000 -luvun mobiiliverkkojen keskuudessa on vaikea esittää edes arvailuja.
5.2 Onko evoluutio GSM:stä UMTS:n mahdollista ja järkevää ?
On esitetty, että siirtyminen GSM:stä UMTS:n voisi tapahtua muuttamalla GSM -verkon osia vähitellen myös UMTS käyttöön soveltuviksi ja täten päästä UMTS:n GSM:n evoluution avulla. Tämä on asettanut paineita UMTS:lle varattua taajuuskaistaa kohti. Asteittainen kehitys voisi olla mahdollista, mutta olisi tärkeää, että UMTS:lle varattu taajuuskaista otettaisiin käyttöön vasta silloin, kun radiotiellä on mahdollista käyttää kolmannen sukupolven teknologiaa. Taajuusalueen käyttöönotto vanhemmalla teknologialla olisi silkkaa tuhlausta.
Verkon osien muuttaminen voi tapahtua eri järjestyksissä:
Ns. top-down -järjestyksessä uusittaisin ensin verkon runko-osat, jolloin vanhat GSM- puhelinlaitteet voisivat vielä olla käytössä pitkäänkin. Tukiasemajärjestelmän uusiminen tapahtuisi vasta viimeisessä vaiheessa. Näin operaattorit voisivat sijoittaa jo uuteen UMTS teknologiaan ilman, että asiakkaiden tulisi sijoittaa uusiin laitteisiin.
Bottom-up -järjestyksessä GSM verkkoa uusittaisiin UMTS:n käyttöön päinvastaisessa järjestyksessä. Tällöin asiakkaiden tulisi vaihtaa GSM -laitteensa UMTS -päätteiksi hyvinkin nopeasti. Operaattorit sen sijaan voisivat käyttää GSM -verkkojen ylempiä rakenteita vielä hyvinkin pitkään.
6. Yhteenveto
Langattomien käyttäjien määrä tulee lisääntymään jatkossakin. Asiakkaiden vaatimustaso kasvaa koko ajan. Tämä asettaa uusia haasteita langattomien televerkkojen kehitykselle. Eräs ratkaisu on RACE -projektin luonnostelema kolmannen sukupolven langaton televerkko, UMTS. Nyt jo käytössä olevien toisen sukupolven digitaalisten puhelinverkkojen käyttökelpoisuus tulee kuitenkin säilymään pitkään. Tämä tulee ottaa huomioon uuden verkon markkinoille tuomisessa. Erilaisia skenaarioita verkkojen kehityksestä ja evoluutiosta on olemassa, mutta markkinavoimat ovat tekijä, joiden käyttäytyminen on aina yhtä vaikea ennustaa. Kolmannen sukupolven televerkon kehitys ja rakentaminen ei ole vain tekninen ongelma.
Lyhenteet:
ATDMA Advanced Time Division Multiple Access,
TDMA:n jatkokehitelty versio
ATM Asynchronous Transfer Mode
B-ISDN Broadband ISDN
CDMA Code Division Multiple Access
CEC Comission of European Communities
DECT Digital European Cordless Telecommunications
ERMES European Radio Messaging System,
toisen sukupolven digitaalinen henkilöhakujärjestelmä
ETSI European Telecommunications Standards Institute
FPLMTS Future Public Land Mobile Telecommunication System
GSM Global System for Mobile telecommunications
HDTV High Definition TV
IMT-2000 International Mobile Telecommunications 2000 FPLMTS -projektille annettu uusi, kätevämpi, nimi.
IN Intelligent Network
ISDN Integrated Services Digital Network
ITU International Telecommuniccations Union
ITU-R ITU:n Radiosekori
ITU-T ITU:n Telekommunikaatiosektori
MBS Mobile Broadband System
MONET Mobile NETworks
RACE Research in Advanced Communications in Europe
TDMA Time Division Multiple Access
TETRA Trans-European Trunked Radio,
toisen sukupolven digitaalinen suljettu radioverkko (mm. viranomaisten käyttöön)
UMTS Universal Mobile Telecommunications System
UPT Universal Personal Telephone
WARC'92 World Administrative Radio Conference in 1992
DCS 1800 Digital Cellular System at 1800 MHz
OSI Open Systems Interconnection
TACS Total Access Communication System
GPS Global Positioning System
Lähteet:
UMTS - A 21st Century System
A RACE mobile project line assembly vision,
Robert S Swain, 1994
Integration of UMTS and B-ISDN -it is possible or desirable ?
opinnäyte,
Lloyd Wood, 1995
UMTS Evolution
erikoistyö,
Ari Huttunen, 1995
UMTS System Structure Document
tekninen dokumentti,
RACE, 1995
Matkaviestintä siiryy multimediaan
Kauppalehti 20.3.1995
GSM:n seuraaja muhii jo laboratorioissa
Tekniikka & Talous 9.2.1995
Third Generation Mobile Telecommunications System
Mobile Communications International, 1995
UMTS Palvelut
esitelmä,
Ari Huttunen, 1995
