Obsah

04

Universal Mobile Telecommunication System (UMTS)

4.1 Úvod


Druhá generace mobilní systémů (2G), zastoupených především systémem GSM, umožňuje bezproblémový přenos hlasu prostřednictvím rádiových vln. Nicméně nedostatkem GSM je především velmi pomalý přenos dat, jejichž množství neustále roste. Důvodem je především vývoj stále nových mobilních aplikací, které kladou vysoké nároky na přenosovou kapacitu a vysokou kvalitu služby (např. video na vyžádání, stahování či posílání obrázků s vysokým rozlišením, atd.). Z toho důvodu se začalo koncem minulého století pracovat na nové generaci mobilních systémů, nyní známých pod označením 3G, neboli mobilní systémy třetí generace.

Pro tyto potřeby byla založena v roce 1998 pracovní skupina označená jako 3GPP (Third Generation Partnership Project). Do této pracovní skupiny lze zařadit standardizační orgány z celého světa, jako je např. ETSI pocházející z Evropy, ANSI z USA či ARIB z Japonska. Skupina 3GPP měla tedy na starost vytvořit nový standard 3G, který je často označován pod názvem UMTS. Nicméně, když mluvíme o standardu 3G, nemyslíme tím konkrétní technologii, ale postupně vyvíjející se řadu technických specifikací, které postupně vylepšují a obohacují standard 3G.

V několika následujících kapitolách se zaměříme ve větším detailu především na frekvenční pásma přidělená pro UMTS, základní principy přenosu prostřednictvím vícenásobného přístupu WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). Dále také rozebereme vývoj a evoluci standardů 3G se speciálním zaměřením na vysokorychlostní datové přenosy. Na závěr pak bude naše pozornost zaměřena na kvalitu služeb QoS (Quality of Service) a aplikace použitelné v sítích založených na 3G.


4.2 Frekvenční pásma přiřazené technologii UMTS


Provozní kmitočtová pásma systému UMTS jsou nastavena přibližně na 2 GHz, které stále ještě zajišťují rozumné přenosové vlastnosti vyznačující se nízkým útlumem signálu a snadným pronikáním signálu do vnitřního prostředí a do budov. Přidělená kmitočtová pásma závisí především na tom, zda UMTS pracuje v tzv. časovém duplexu TDD (Duplex Time Division) nebo ve frekvenčním duplexu FDD (Frequency Division Duplex).

UMTS může pro provoz použít spektrum 2 x 5 MHz určené pro párované kmitočtové pásmo UMTS FDD a 5 MHz pro nepárové kmitočtové pásmo sloužící pro UMTS TDD. Je nutno podotknout, že přidělená kmitočtová pásma jsou poněkud odlišná pro Evropu a USA. V Evropě jsou pro UMTS TDD alokovány frekvence v rozmezí 1900-1920 MHz pro vzestupný směr a v rozmezích 2010- 2025 MHz pro sestupný směr. Vzhledem k tomu, že FDD má být použita přednostně, je pro UMTS FDD k dispozici mnohem širší pásmo než je tomu pro UMTS TDD. Co se týče směru od uživatele, jsou přiděleny kmitočtová pásma od 1920 MHz do 1980 MHz. Na druhé straně, kmitočtová pásma v rozmezí 2110- 2170 MHz jsou přidělena pro směr opačný, tedy sestupný.

Důvodem, proč se kmitočtová pásma pro vzestupný směr nachází na nižších frekvencích než pro opačný směr je ten, že mobilní terminály jsou značně limitovány výdrží baterie a tím i omezeným vysílacím výkonem. Protože použití nižších kmitočtových pásem je charakteristické nižším útlumem signálu, lze v sestupném směru snadněji zaručit přenos signálu od uživatele k základnové stanici. Všimněte si, že maximální vysílací výkon základnové stanice je obvykle 43-46 dBm, přičemž vysílací výkon mobilního terminálu je obvykle pouze do 23 dBm.


4.3 Vícenásobný přístup založený na WCDMA


Použití klasické přístupu TDMA nebo FDMA, původně používaného v sítích 2G, není pro sítě 3G nadále dostatečné. Z toho důvodu je v případě UMTS zvolena značně sofistikovanější metoda přístupu založená na CDMA, který byl vysvětlen v kapitole Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. Nicméně, v případě UMTS se nejedná přímo o CDMA, nýbrž o techniku WCDMA. Ve WCDMA jsou informační bity uživatelů rozloženy do mnohem širšího pásma, než tomu je v původním CDMA. Tímto způsobem je podstatně zvýšená kapacita systému, která se samozřejmě projeví zvýšením přenosových rychlostí dosažitelné jednotlivými uživateli připojenými k dané základnové stanici. Podobně jako v případě CDMA jsou informační bity násobeny kvazi-náhodnou sekvencí bitů, tzv. čipů, odvozených z rozprostřených kódů CDMA. UMTS používá čipovou rychlost 3,84 Mcps (Mega chip za sekundu) a šířku pásma 5 MHz. Další významná charakteristika systému založená na WCDMA je ta, že stejné pásmo lze použít ve všech buňkách, aniž by se navzájem rušily. V případě GSM využívá každá buňka jiné frekvence, aby se minimalizovalo rušení. Proto jsou v případě WCDMA radiové zdroje mnohem efektivněji využity.

Použití WCDMA přináší hned několik důležitých vlastností co se týče standardu UMTS:

  • Rake přijímač – V mobilních sítích při šíření radiového signálu a jeho propagaci dochází k odrazům a útlumu signálu z důvodu různých překážek, jako jsou budovy, kopce, vegetace, atd. To má za následek tzv. vícecestné šíření a pomalé a rychlé úniky, neboli silný útlum signálu na určitých frekvencích. Systém UMTS založený na WCDMA bojuje s těmito negativními jevy za pomoci Rake přijímače, který je schopen efektivně přijímat a kombinovat jednotlivé komponenty signálu.

  • Řízení výkonové úrovně - Jedním z nejdůležitějších aspektů týkajících se WCDMA je velmi rychlá regulace výkonu, a to zejména ve vzestupném směru. Pokud by toto výkonové řízení nebylo použito, jeden uživatel by byl schopen zablokovat celou buňku při použití nepřiměřeně vysokého vysílacího výkonu. Proto je snaha, aby síla přijímaného signálu na straně základnové stanice byla od všech uživatelů stejná, nezávisle na vzdálenosti či výše zmíněným vícecestným šířením. Poznamenejme ale, že v případě HSPA, je toto tvrzení jen z části pravdivé, jak bude vysvětleno později.

  • Měkký handover - Vzhledem k tomu, že sousední buňky používají stejnou frekvenci, mohou být uživatelé současně připojeni ke dvěma základovým stanicím (pro tyto účely musí být použity dva různé rozprostřené kódy). To má za následek tzv. měkký (nebo také bezešvý) handover mezi dvěma buňkami bez jakéhokoliv přerušení spojení.


4.4 Standardizace a vývoj UMTS


Vývoj sítí 3G byl zahájen v roce 1999 vydáním úplně první verze UMTS známou pod označením Release 99. Od té doby byla schválena řada dalších doporučení jak je popsáno v této kapitole.

Release 99

Tento standard je založen na GSM síti a je tedy i zpětně kompatibilní. Ve srovnání se sítí 2G přináší Release 99 zcela nový typ radiové přístupové sítě, známé jako UTRAN (UMTS Universal Radio Access Networks). Teoretické maximální dosahované přenosové rychlosti jsou 2 Mbit/s ve směru k uživateli a 384 kbit/s ve směru opačném.

Release 4

Release 4 byl schválen v roce 2001 a zavádí několik podstatných změn týkající se především páteřní sítě. Hlavními rysy jsou oddělení uživatelských dat a kontrolních informací ve spojově orientovaném přenosu CS (Circuit Switched). Dále jsou definována nová rozhraní umožňující zavedení subsystému IMS (IP Multimedia Subsystem).

Release 5

Hlavní vylepšení tohoto standardu je umožnění vysokorychlostních přenosů ve směru k uživateli, označovaného jako HSDPA (High Speed Downlink Packet Access). Pomocí HSDPA lze zvýšit přenosovou kapacitu na jednu buňku až na 14,4 Mbit/s.

Release 6

Podobně jako předchozí standard, Release 6 umožňuje podstatné navýšení přenosových rychlostí, ale tentokrát ve směru od uživatele. Jedná se o tzv. HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) dosahující přenosových rychlostí až 5,76 Mbit/s. Dále tento standard přináší značné vylepšení subsystému IMS.

Release 7

Jedná se o poslední standard v rámci UMTS, který dále vylepšuje přenosové rychlosti v obou směrech přenosu. Datové přenosy bývají často označovány jako HSPA+. Zlepšení je umožněno zavedením efektivnějšího typu modulace (64 QAM) a použitím techniky MIMO (Multiple Input Multiple Output), kdy lze použít většího počtu antén na přijímači a vysílači. V důsledku toho jsou maximální teoretické přenosové rychlosti až 42 Mbit/s ve směru k uživateli a až 11,5 Mbit/s ve směru opačném.


4.5 Architektura sítě


Síťová architektura UMTS se skládá ze tří hlavních částí, jak je ukázáno na obrázku. Je důležité si uvědomit, že hlavní bloky sítě zůstávají stejné i pro novější verze UMTS, pouze jejich funkce jsou postupně změněny či rozšířeny. Síťová architektura UMTS je logicky rozdělena do tří částí, UE (User Equipment), rádiová část UTRAN a páteřní síť CN (Core network). Jednotlivé části jsou od sebe odděleny rozhraními definovanými 3GPP. Hlavním účelem rozhraní je umožnit přímou komunikaci mezi jednotlivými síťovými entitami a usnadnit tak jejich optimální spolupráci a koordinaci.


Architektura sítě UMTS


První část sítě architektury UMTS (tj. UE) obsahuje dva bloky:

  • MT (Mobilní terminál) - Zařízení, které má na starost veškerou komunikaci na Uu rozhraní. Jedná se tedy např. o mobilní telefon, notebook nebo PDA. MT je identické zařízení jako MS definovaná v sítích 2G.

  • USIM (UMTS Subscriber Identity Module) – Karta obsahující specifické údaje o uživateli, jako je identifikace, autentizační algoritmus, atd. Karta USIM je analogická ke kartě SIM používanou v sítích 2G.

Druhá část síťové architektury UMTS je reprezentována radiovou částí UTRAN. Tato část je také nejvíce upravena v porovnání se síti 2G. UTRAN se skládá ze dvou síťových prvků:

  • Základnová stanice NodeB – NodeB je obdobou BTS v síti 2G. Za tímto účelem se NodeB skládá ze stožáru, vysílací/přijímací antény a potřebného hardwaru a softwaru. Hlavním cílem NodeB je umožnit uživatelům připojení k 3G síti pomocí radiového kanálu (tj. přes Uu rozhraní) a zajišťuje přenosové funkce radiového kanálu.

  • RNC (Radio Network Controller) – Blok RNC je obdobou uzlu BSC, používanou v sítích 2G. Proto je také RNC zodpovědný za řízení několika připojených NodeB. Bloky RNC a BSC mají několik podobných funkcí jako je odpovědnost za radiové zdroje (alokace radiových zdrojů, řízení přístupu, ochrana proti přetížení, atd.). Nicméně blok RNC má větší odpovědnost co se týká pohybu uživatelů a řízení jednotlivých uživatelů než blok BSC. V sítích 2G toto mají převážně na starosti bloky MSC a SGSN.

Zajímavý fakt týkající se NodeB je samotný název pro něj vybraný. Lze se ptát, proč právě NodeB? V sítích 2G (GSM) je základnová stanice logicky pojmenovaná jako BTS, což v Anglickém jazyce znamená "Base Transceiver Station". Když 3G síť byla původně navržena, byly jednotlivé subjekty v síti označeny jednoduše jako uzly (z angličtiny Node), aby se odlišily jména uzlů pojmenovaných v síti 2G. Z toho důvodu bylo mobilní zařízení označeno jako NodeA, základnová stanice jako NodeB, atd. Všechny subjekty byly jeden po druhém přejmenovány, ale název pro základnové stanice zůstal jako NodeB, protože žádné vhodnější jméno nebylo nalezeno.


Poslední část UMTS se skládá z páteřní části CN, která je logicky rozdělena na okruhově přepínanou část CS a paketově přepínanou část PS (Packet Switched). Vzhledem k tomu, že struktura CN je téměř stejná jako v případě sítě 2G, jsou zde uvedeny pouze hlavní rozdíly (detailní popis jednotlivých prvků částí sítě CN lze nalézt v kapitole 12):

  • Jak už bylo řečeno výše, řízení mobility bylo v UMTS přeneseno z CN části do radiové části UTRAN.

  • Bezpečnostní a zabezpečovací funkce jsou v UMTS rozšířeny v porovnání s 2G. Jedná se především o nové šifrovací algoritmy, které jsou ale prováděny už v RNC místo CN.

  • Řízení klasických hovorů je prováděno v CN místo v BSS.

Subsystém IMS

Nedílnou součástí páteřní sítě UMTS je subsystém IMS, který umožňuje flexibilní a rychlý vývoj nových služeb 3G. Chceme-li být konkrétnější, tak IMS dovoluje zavádět širokou škálu nových aplikací založených na bázi paketového přenosu jako přenosy dat, videa a textu.

IMS byla poprvé zavedena ve verzi UMTS Release 4, kde byla její architektura oddělena od přístupové sítě s cílem zajistit nezávislou kontrolu provozu. V UMTS Release 6 se potom subsystém IMS stává úplně nezávislým na přístupové části sítě. V důsledku toho může být IMS integrovaná také s jinými přístupovými sítěmi např. přístupovými systémy na základě technologie GPRS nebo EDGE.

Jako signalizační protokol je v IMS použit protokol SIP (Session Initiation Protocol), který vytváří paketové spojení mezi více mobilními terminály (např. pro hlasové nebo video konference) nebo paketové spojení mezi jedním mobilním terminálem a aplikačním serverem.


4.6 HSDPA


Vysokorychlostní přenos HSDPA je poprvé nově zaveden v UMTS Release 5. HSDPA přijímá nové techniky umožňující podstatně zvýšit přenosové rychlosti ve směru k uživateli (datový tok ve směru od uživatele zůstává stejný). V důsledku toho je nejvyšší teoretická přenosová rychlost na jednu buňku zvýšena z předchozích 2 Mbit/s až na 14,4 Mbit/s. Změny v architektuře sítě jsou patrné především v radiové části UTRAN. Klíčová myšlenka byla přesunout několik procedur pro správu radiových zdrojů do základnové stanice NodeB. Dříve, tj. v UMTS Release 99 a v UMTS Release 4, byla většina procedur prováděna dále od uživatele až v bloku RNC. Výhodou tohoto kroku je, že NodeB je mnohem "blíže" k uživatelům. Proto může mnohem efektivněji reagovat na měnící se kvalitu radiového kanálu a požadavků jednotlivých uživatelů. Procedury, které byly přesunuty do NodeB jsou znázorněny na níže uvedeném obrázku.


Porovnání procedur prováděných v základnové stanici pro HSDPA (Release 5) a pro Release 99/Release 4


Rychlé plánování datových přenosů

Důležitým aspektem týkající se HSDPA je, že většina radiových zdrojů je sdílena mezi jednotlivými aktivními uživateli. Zbytek radiových zdrojů je především určen pro klasické volání či streamované video. Účelem rychlého plánování dat je poté přiřadit radiové prostředky, kterými NodeB disponuje, svým uživatelům. V HSDPA lze dynamicky přiřazovat data uživatelům každé 2 ms. Této době se říká časový interval přenosu TTI (Time Transmission Interval). Důvod, proč říkáme rychlé plánování přenosu je ten, že u původního standardu UMTS (UMTS Release 99 nebo Release 4), je minimální hodnota TTI 10 ms. Zkrácení hodnoty TTI je umožněno tím, že NodeB přímo komunikuje s připojenými mobilními terminály a přijímá tedy aktuální informace o jejich požadavcích a stavu radiového kanálu. Několik strategií pro přidělování zdrojů uživatelům je ukázáno na následujícím obrázku.


Plánování přenosu v HSDPA


Nejpopulárnější a zároveň nejjednodušší strategie se nazývá Round Robin (RR), kde se pravidelně střídají jednotliví aktivní uživatelé a nebere se žádný ohled na stav radiového kanálu. Hlavní nevýhodou této metody je to, že radiové zdroje jsou neefektivně využívány, protože uživatelé mající špatné podmínky na rádiu nemohou přenášet vysokými přenosovými rychlostmi. Důvod je ten, že musí být velká část přenosových prostředků použita pro zabezpečení správného přijetí právě generovaných dat. Druhá metoda plánování datových přenosů preferuje ty uživatele, kteří mají ideální přenosové podmínky. Jinými slovy, uživatel který má největší odstup nosné od šumu přijímá data vyslané základnovou stanicí NodeB. Proto se pro tuto metodu vžil název max-C/I (maximal Carrier to Interference). Výhoda této metody je ta, že přenosová kapacita na buňku je maximalizována, protože je vždy použita nejvyšší možná přenosová rychlost ve směru k uživateli. Na druhou stranu má ale tato strategie i podstatnou nevýhodu, protože uživatelé v blízkosti základnové stanice NodeB jsou preferováni před uživateli nacházející se na okraji buněk a mající podstatně horší podmínky pro přenos dat. Z toho důvodu byla navržena další metoda pro plánování přenosů, která se snaží najít určitý kompromis mezi oběma předchozími metodami. Tato metoda se snaží objektivně plánovat přiřazování radiových prostředků a je nazývána jako Proportional Fair (PF). Při použití PF jsou přiřazeny přijímací okamžiky pro aktivní uživatele jak v závislosti na kvalitě kanálu, tak i v závislosti na tom, jak dlouho danému uživateli nebyli přiděleny žádné prostředky. Proto se pro neaktivního uživatele neustále zvyšuje pravděpodobnost, že bude moci v příštím TTI přijímat data.

Rychlé přeposílání chybných dat

Pokud UE není schopna správně dekódovat přijaté datové pakety, je nutné co nejrychleji tyto pakety poslat znovu. V předchozích verzích UMTS, je žádost o přeposlání špatně přijatých paketů zaslána do řídícího bloku RNC, který je zodpovědný za tuto operaci. V HSDPA je za tuto operaci zodpovědný NodeB, který je blíže k uživateli a to je taky hlavní důvod, proč mluvíme o rychlém přeposílání chybně přijatých paketů. Základní princip této metody v porovnání se starším standardem UMTS je znázorněn na následujícím obrázku.

Princip rychlého přeposílání dat v HSDPA

Další novinkou v HSDPA je princip mechanismu mající za úkol samotné přeposílání chybných paketů. Zatímco v původním standardu UMTS je použit jednoduchý ARQ (Automatic Repeat Request) princip, HSDPA využívá mnohem sofistikovanější mechanismus známý jako HARQ (Hybrid ARQ). Základní princip HARQ je ten, že je schopen dočasně uložit poškozená data do vyrovnávací paměti. Ta jsou poté zkombinována s přeposlaným paketem a tím se zvyšuje pravděpodobnost úspěšného dekódování a tedy i úspěšného přijetí paketů.

Rychlá adaptace rádiového kanálu

Rychlou adaptací rádiového kanálu je myšlena adaptivní změna modulace a kódování (Adaptive Modulation and Coding (AMC)) v závislosti na kvalitě kanálu. Rychlá adaptace je prováděna přímo základnovou stanicí NodeB. Pokud je tedy kvalita přenosu špatná, je použita více robustní modulace a kódování, kdy je sice přeneseno méně informačních bitů (menší přenosová rychlost), ale je zajištěna menší chybovost přenosu. Jakmile jsou vlastnosti rádiového kanálu dostatečně zlepšené, což se projeví vyšším odstupem nosné k celkovému rušení (tj. větší poměr C/I), vybere základnová stanice efektivnější modulační schéma. Princip rychlé adaptace rádiového kanálu je zobrazen na následujícím obrázku. Poznamenejme, že ve starších verzích UMTS je rychlá adaptace prováděna řízením výkonu, ne změnou modulace a kódováním dat při přenosu. Další významný rozdíl je skutečnost, že HSDPA podporuje rovněž modulaci 16 QAM zatímco starší verze UMTS podporovali pouze modulaci QPSK.

Rychlá adaptace rádiového kanálu v HSDPA


Vývoj HSDPA

Vzhledem k tomu, že ani původní HSDPA s maximálními přenosovými rychlostmi 14,4 Mbit/s není dostatečné, je HSDPA v novějších verzích standardu upravováno. Další navýšení přenosových rychlostí ve směru k uživateli je umožněno ve verzi 7 (Release 7) pomocí techniky MIMO (podrobnější vysvětlení principu MIMO budou popsány později v kapitole 31). Tímto způsobem může být teoreticky rychlost přenosu až zdvojnásobena, tedy maximální dosahovaná kapacita na jednu základnovou stanici je až 28,8 Mbit/s. Kromě toho je další navýšení umožněno zavedením ještě efektivnější modulace 64 QAM a tím je zvýšena přenosová kapacita buňky na přibližně 42 Mbit/s. Další zvyšování přenosové kapacity systému lze ve verzi 8 (Release 8) dosáhnout prostřednictvím rozšíření přenosového pásma na dvojnásobek pomocí tzv. metody Dual Carrier (DC). Ve výsledku to znamená, že při použití přenosového pásma 10 MHz místo původních 5 MHz je maximální přenosová rychlost ve směru k uživatelům až 84 Mbit/s.

Je nutné si uvědomit, že výše uvedené přenosové rychlosti jsou pouze teoretické a uživatel je schopný přenášet data podstatně menšími rychlostmi. To je způsobeno hned z několika důvodů. Prvním důležitým aspektem, který je nutno vzít v úvahu je ten, že maximální teoretické přenosové rychlosti nelze dosáhnout v reálném systému. Dostupná kapacita na jednu buňku je totiž silně závislá na kvalitě rádiového kanálu mezi uživatelem a základnovou stanicí, na maximálním povoleném vysílacím výkon a na režii přenosu potřebnou pro řízení celého systému. Kromě toho je skutečná dosahovaná kapacita jedné buňky dělena mezi jednotlivé aktivní uživatele. Další důležité omezení se pak vztahuje k samotnému mobilnímu terminálu a jeho schopnostem (např. terminál nemusí podporovat všechny typy modulace a kódování). V důsledku výše zmíněného jsou současné mobilní sítě schopné podporovat pouze přenosové rychlosti v řádu několika Mbit/s na jednoho uživatele.


4.7 HSUPA


V UMTS Release 6 je poprvé představena nová metoda umožňující rychlé datové přenosy ve směru od uživatele. Teoretická maximální dosahovaná rychlost v tomto směru je až 5,76 Mbit/s na jednu buňku. Zatímco HSDPA, která byla popsaná v předcházející kapitole, přináší pouze softwarové úpravy u základnové stanice NodeB a u řídícího bloku RNC, HSUPA přináší modifikace i u mobilního terminálu. To je poměrně logické, protože účel HSUPA je zvýšit kapacitu ve směru od uživatele a tudíž jisté změny je nutné aplikovat i zde. Z technického hlediska je princip HSUPA podobný jakou u HSDPA. Konkrétně se jedná především o rychlé plánování (přidělování) zdrojů přímo v základnové stanici, jak je ostatně ukázáno na následujícím obrázku. Nicméně samotný princip plánování je diametrálně odlišný pro obě metody, jak vysvětlíme dále. Další podstatný rozdíl mezi HSDPA a HSUPA je pak v rychlé adaptaci v závislosti na kvalitě přijímaného signálu. Zatímco u HSDPA je prováděna dynamická adaptace modulační techniky a kódovacího poměru, u HSUPA metody je tento problém řešen rychlou regulací vysílacího výkonu mobilní stanice.

Porovnání procedur prováděných v základnové stanice pro HSUPA (Release 6) a pro předchozí verze UMTS


Rychlé plánování datových přenosů

Zásadní rozdíl mezi HSDPA a HSUPA spočívá v plánování datových přenosů a jejich přidělování jednotlivým uživatelům. Pro směr k uživateli (HSDPA) jsou rádiové zdroje sdíleny mezi aktivními uživateli. Na druhou stranu ve směru od uživatele (HSUPA) mají všichni aktivní uživatelé přiděleno určité množství zdrojů současně. V závislosti na možnostech mobilního terminálu, je přiřazování prostředků prováděno adaptivně každých 10 ms (musí podporovat všechny terminály) nebo každé 2 ms (nemusí podporovat všechny terminály).

Princip rychlého datového plánování v HSUPA je následující. Kdykoliv má mobilní stanice data, která chce přenést, musí zaslat žádost o přidělení rádiových prostředků základnové stanici. V následujícím kroku základnová stanice zjistí, zda je žádost stanice oprávněna a v pozitivním případě jí přiřadí potřebné datové prostředky.


Vzhledem k tomu že v sítích UMTS je používána metoda WCDMA, kde všechny mobilní terminály využívají celé přenosové pásmo, je systém omezen především maximálním vysílacím výkonem a následným vzájemným rušením. Proto, když mluvíme o přidělování zdrojů jednotlivým uživatelům, nemáme na mysli fyzické přenosové prostředky, jako je třeba šířka pásma, ale velikost vysílacího výkonu s kterou může mobilní terminál vysílat. V případě WCDMA mluvíme o tzv. maximálním přijatém výkonu na straně základnové stanice NodeB, která je definována v řídícím bloku RNC. Proto rychlé přidělování rádiových zdrojů v HSUPA pracuje na principu, že aktivní uživatelé adaptivně mění vysílací výkon v závislosti na jejich požadavcích. Pokud potřebují přenést velké množství dat, musí svůj vysílací výkon zvýšit a naopak, pokud má mobilní terminál malé množství dat k odeslání, jeho výkon je snížen na nutné minimum.


Vývoj HSUPA

Podobně jako v případě HSDPA lze navýšit přenosové rychlosti v HSUPA prostřednictvím efektivnější modulace a novými technologickými postupy. Nejzásadnější zlepšení je dosaženo využitím techniky MIMO dovolující zdvojnásobit maximální teoretickou přenosovou rychlost přibližně až na 11,5 Mbit/s.


Kombinace HSDPA spolu s technikou HSUPA je většinou označována jako HSPA říkající, že jsou podporovány vysokorychlostní přenosy v obou směrech vysílání. Kromě toho je novější HSDPA/HSUPA na základě UMTS verze 7 (Release 7) často označována jako HSPA +.


4.8 Služby a kvalita služeb v UMTS

Sítě založené na 2G, tedy sítě GSM, jsou především určeny pro přenos hlasu (klasický telefonní hovor) a pro posílání krátkých textových zpráv (SMS). Použití datových přenosů a tedy multimediálních služeb jsou v sítích GSM prakticky nemožné. I když částečné vyřešení problému bylo dosaženo prostřednictvím GPRS (2.5G) a EDGE (2.75G) umožňující paketové datové služby, jako je procházení webu, WAP nebo posílání multimediálních zpráv (MMS), podporované reálné datové přenosové rychlosti byly stále nedostatečné (přibližně až 50 kbit/s pro GRPS a až 200 kbit/s pro EDGE).

Průlom ve využívání multimediálních služeb přinesly až sítě založené na 3G, tedy sítě UMTS. Tyto sítě podporují širokou škálu nových služeb a aplikací mající požadavky na rychlé datové přenosy až v řádu Mbit/s. Mezi nejvíce známé a využívané služby patří:

  • Video na vyžádání (video on demand) - Jedná se o službu, kdy uživatel může na vyžádání sledovat streamované multimediální složky jako jsou např. filmy, koncerty, různé sportovní akce, atd.

  • Online hry - Podpora hraní interaktivní her. Hry vyžadující vysokou přenosovou rychlost a nízké zpoždění mohou být podporovány pouze v novějších verzích, jako Release 5 či Release 6.

  • Stahování multimediálního obsahu - Uživatel může snadno stahovat písničky (mp3, wav, ogg, atd.), fotky a další interaktivní obsah.

  • Posílání krátkých videí - Zatímco v sítích 2G byly podporovánu pouze SMS nebo jednoduché MMS (text spolu s obrázkem), sítě 3G sítě podporují i začlenění krátkého videa.

  • Videotelefonie a videokonference - Simultánní interakce několika uživatelů, kteří mohou komunikovat online pomocí hlasu či videa.

  • Lokalizační služby - Jedná se především o užitečné lokalizační služby jako je navigace uživatelů na určité konkrétní místo, vyhledávání zajímavých míst v blízkém okolí (restaurace, sportovní centra, nákupní střediska, apod.) nebo lepší pohotovostní služby.

  • Služba Push-to-talk - Pouhým stisknutím tlačítka na mobilním terminálu, může uživatel okamžitě začít mluvit s jinými uživateli. Jedná se o podobný princip jako v případě vysílačky.

Za účelem podpory výše uvedených služeb v síti UMTS, je definováno několik tříd služeb QoS (Quality of Service). Každá služba má pak přiřazenu prioritu, která je daná výše zmíněnou třídou. Priorita je pak důležitá v tom, že při větším zatížení systému mají služby s vyšší prioritou přednost před službami s menší prioritou. V sítích UMTS jsou definovány čtyři třídy služeb, kde hlavní parametr je maximální dovolené zpoždění paketů:


Třída služeb

Popis

Konverzační třída

Vysoké nároky na zpoždění dat určené pro symetrické přenosy potřebující konstantní přenosovou rychlost

Streamovaná třída

Nižší nároky na zpoždění paketů než u konverzační třídy, ale stále daná služba potřebuje konstantní přenosovou rychlost

Interaktivní třída

Vysoké nároky na zpoždění, ale není potřeba alokovat konstatní přenosové prostředky

Třída na pozadí

Nízké nároky jak na zpoždění tak i na přenosovou rychlost

Konverzační třída spolu se streamovanou třídou je určená pro podporu přenosu dat v reálném čase, jako jsou hlasové služby (konverzační třída) nebo streamované video (streamovaná třída). Na druhé straně, interaktivní třída a třída na pozadí je určena pro použití přenosů, které nejsou v reálném čase a mluvíme o službě Best Effort (BE). V důsledku toho jsou tyto služby pro např. lokalizační služby (interaktivní třída) nebo www služby (třída na pozadí).