Ograniczenia danych we wczesnych sieciach 2G
Druga generacja (2G) technologii mobilnej, reprezentowana przez Globalny System Komunikacji Mobilnej (GSM), upowszechniła cyfrową komunikację głosową, usprawnienia bezpieczeństwa i Usługę Krótkich Wiadomości (SMS). Zapewniła niezawodny oraz stosunkowo przystępny cenowo sposób bezprzewodowej komunikacji ponad granicami państw i kontynentów. Pod koniec lat 90. internet rozwijał się szybko, a ograniczenia architektury skoncentrowanej na głosie stawały się coraz bardziej widoczne.
GSM zaprojektowano wokół głosu, który jest ciągłym strumieniem informacji. Usługi danych dodano w ramach istniejącej architektury przez CSD, GPRS i EDGE. Mechanizmy te zapewniały transmisję danych przez komutację łączy i pakietów, a mobilny internet w erze 2G charakteryzował się:
- Niskimi przepływnościami: Nawet z ulepszeniami takimi jak GPRS i EDGE, prędkości transmisji danych mierzono w kilobitach na sekundę. Załadowanie prostej strony internetowej z obrazkami mogło trwać długo, a streaming wideo lub muzyki wymagał warunków wykraczających poza typowy profil usług 2G.
- Wysokimi opóźnieniami: Opóźnienie, czyli czas między wysłaniem żądania a otrzymaniem odpowiedzi, było duże. Sprawiało to, że aplikacje interaktywne, takie jak gry online czy komunikacja w czasie rzeczywistym, reagowały wolno.
- Architekturą komutowaną łącznie: Podstawowa sieć GSM była zbudowana wokół , odpowiedniej dla głosu, lecz mniej efektywnej dla wybuchowego i przerywanego ruchu internetowego. Ograniczenia te uzasadniały rozwój dostępu radiowego i rdzenia z lepszą obsługą danych pakietowych.
Wizja usług trzeciej generacji (3G)
W odpowiedzi na te ograniczenia globalna społeczność telekomunikacyjna, pod przewodnictwem Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego (ITU), sformułowała wizję kolejnej generacji technologii mobilnej. Inicjatywa IMT-2000 określiła cele obejmujące wyższe przepływności, globalną mobilność i wspólne ramy usług, które mogły wspierać "mobilne społeczeństwo informacyjne".
Głównym celem było stworzenie architektury sieciowej obsługującej tradycyjne usługi głosowe razem z szybkimi usługami danych pakietowych. Z tego wysiłku wyłoniło się kilka standardów 3G, a Uniwersalny System Telekomunikacji Mobilnej (UMTS) stał się jednym z głównych następców GSM w sieciach, które go wdrożyły.
Czym jest UMTS? Ewolucja GSM
Uniwersalny System Telekomunikacji Mobilnej (UMTS) to technologia komórkowa trzeciej generacji (3G), zaprojektowana jako planowana ewolucja rodziny GSM. Takie podejście było kluczową decyzją 3GPP (3rd Generation Partnership Project), zrzeszenia organów normalizacyjnych, które opracowało UMTS. Operatorzy posiadający infrastrukturę GSM mogli przechodzić do 3G etapami i ponownie wykorzystywać wybrane funkcje sieci rdzeniowej.
Kluczową innowacją UMTS było przeprojektowanie technologii dostępu radiowego. Wykorzystano wybrane komponenty rdzenia GSM, takie jak MSC i HLR, oraz wprowadzono nowy interfejs radiowy o większej pojemności dla usług danych mobilnych. Taki dostęp radiowy obsługiwał profile przepływności i usług przewidziane dla IMT-2000.
Kluczowe ulepszenia UMTS względem 2G
UMTS przeorganizował sieć komórkową wokół szerokopasmowego dostępu radiowego i funkcji dopasowanych do rodzaju usługi. Najważniejsze ulepszenia dotyczyły dostępu radiowego, danych pakietowych, przepływności, bezpieczeństwa i jakości usług.
Jednym z głównych ulepszeń UMTS było zastosowanie nowego interfejsu radiowego o nazwie . Wykorzystywał on rozpraszanie bezpośrednie i separację kodową zamiast układu FDMA/TDMA używanego w GSM.
- Szerokie Kanały: W przeciwieństwie do wąskich kanałów GSM o szerokości , WCDMA wykorzystuje znacznie szersze pasmo kanału wynoszące .
- Jednoczesna transmisja: W WCDMA użytkownicy współdzielą skonfigurowaną nośną w tym samym czasie, rozdzielając transmisje za pomocą kodów rozpraszających i kontroli mocy. Nośna UTRA FDD ma szerokość około .
- Separacja kodowa: System rozdziela równoczesne transmisje, przypisując każdemu użytkownikowi kod rozpraszający. Kod rozprasza dane użytkownika w obrębie skonfigurowanej nośnej , a odbiornik koreluje sygnał z tym samym kodem. Sygnały innych kodów są traktowane jako interferencja ograniczana przez kontrolę mocy i przetwarzanie odbiornika. UTRA obsługuje również tryby FDD i TDD, dlatego układ nośnych zależy od wdrożenia. Układ ten wspierał wydajność widmową. Przetwarzanie odbiornika mogło ograniczać skutki wielodrogowości, a procedury obsługiwały miękkie przełączanie, w którym telefon łączył się z nową komórką przed zwolnieniem starego łącza radiowego.
UMTS zachował ścieżkę komutacji łączy dla tradycyjnych usług głosowych oraz wprowadził natywną dla usług danych. Zasoby pakietowe mogły być przydzielane zgodnie z zapotrzebowaniem ruchu, a kontekst sesji pakietowej mógł pozostawać ustanowiony między transmisjami. Sposób taryfikacji zależał od modelu usług operatora, przy czym dla danych mobilnych upowszechniły się plany rozliczane według objętości.
Początkowa wersja standardu (Release '99) określała referencyjne szczytowe przepływności danych do dla zastosowań stacjonarnych lub wewnątrz budynków oraz do dla mobilnego profilu IMT-2000. W porównaniu z przybliżonymi wartościami GPRS około i EDGE około był to szerszy zakres możliwości. Rzeczywista wartość zależała od środowiska, kategorii UE, warunków radiowych i konfiguracji sieci. Umożliwiało to nowe zastosowania mobilne:
- Mobilne rozmowy wideo i streaming.
- Bogate, graficzne przeglądanie stron internetowych.
- Pobieranie i streaming muzyki.
- Usługi oparte na lokalizacji z dokładnymi mapami.
UMTS rozszerzył model bezpieczeństwa GSM o wzajemne uwierzytelnianie, ochronę integralności i klucze wyprowadzane przez AKA.
- Wzajemne uwierzytelnianie: Procedura AKA w UMTS uwierzytelnia abonenta w sieci oraz pozwala USIM zweryfikować sieć obsługującą. Numery sekwencyjne pomagają USIM i sieci macierzystej sprawdzić świeżość danych uwierzytelniania. Rozwiązuje to ograniczenie bezpieczeństwa GSM i zwiększa odporność na procedury wykorzystujące fałszywą stację bazową. Zakres ochrony zależy od wybranej technologii dostępu oraz procedur obsługiwanych przez sieć i urządzenie.
- Silniejsze algorytmy: UMTS stosował algorytmy kryptograficzne, takie jak KASUMI, z kluczem algorytmu o długości 128 bitów. Procedury AKA wyprowadzały 128-bitowe klucze szyfrowania i integralności, a poszczególne pola uwierzytelniania miały własne rozmiary określone w specyfikacji.
- Ochrona integralności: UMTS wprowadził ochronę integralności komunikatów sygnalizacyjnych. Kod uwierzytelniania komunikatu w warstwie sterowania zasobami radiowymi pozwala odbiorcy wykryć zmianę komunikatów kontrolnych wymienianych przez telefon i sieć. W algorytmie f9 wynik MAC-I ma 32 bity.
UMTS wprowadził strukturę Jakości Usług, która klasyfikuje ruch według wymagań aplikacji. Obejmuje ona cztery odrębne klasy. Klasy konwersacyjna i strumieniowa dotyczą profili czasu rzeczywistego, natomiast interaktywna i tła mają inne wymagania dotyczące opóźnienia:
- Klasa konwersacyjna: Dla usług dwukierunkowych w czasie rzeczywistym, takich jak rozmowy głosowe i wideo, które są bardzo wrażliwe na opóźnienia.
- Klasa strumieniowa: Dla jednokierunkowych usług w czasie rzeczywistym, takich jak streaming wideo lub audio, gdzie taktowanie jest ważne, ale pewne opóźnienie jest dopuszczalne.
- Klasa interaktywna: Dla ruchu typu "żądanie-odpowiedź", takiego jak przeglądanie stron internetowych, gdzie zachowanie integralności danych jest ważniejsze niż idealnie stałe opóźnienie.
- Klasa tła: Dla ruchu niewrażliwego na czas, takiego jak pobieranie e-maili czy transfer plików, który może tolerować dłuższe opóźnienia.
Klasy QoS pozwalały operatorom przypisywać ruch do wymagań dotyczących opóźnienia, kolejności i dostarczania oraz przydzielać zasoby zgodnie z profilem usługi. Profile FDD i TDD mogą stosować różne konfiguracje radiowe.