Wprowadzenie do UMTS

Przegląd technologii 3G, ewolucja UMTS z GSM i kluczowe ulepszenia względem 2G.

Ograniczenia Świata 2G

Druga generacja (2G) technologii mobilnej, na czele z Globalnym Systemem Komunikacji Mobilnej (GSM), odniosła monumentalny sukces. Ucyfrowiła komunikację głosową, wprowadziła bezpieczne połączenia i dała nam rewolucyjną Usługę Krótkich Wiadomości (SMS). Po raz pierwszy ludzie mieli niezawodny i stosunkowo przystępny cenowo sposób na bezprzewodową komunikację ponad granicami państw i kontynentów. Jednak pod koniec lat 90., w miarę gwałtownego rozwoju internetu, ograniczenia tego skoncentrowanego na głosie świata stawały się coraz bardziej widoczne.

Architekci GSM zaprojektowali system zoptymalizowany pod kątem głosu, który jest ciągłym strumieniem informacji. Usługi danych były raczej dodatkiem. Technologie takie jak CSD, GPRS i EDGE były sprytnymi ulepszeniami dołożonymi do istniejącej architektury, ale nie stanowiły długoterminowego rozwiązania. Doświadczenie mobilnego internetu w erze 2G charakteryzowało się:

Frustrująco Niskimi Prędkościami: Nawet z ulepszeniami takimi jak GPRS i EDGE, prędkości transmisji danych mierzone były w kilobitach na sekundę. Załadowanie prostej strony internetowej z obrazkami mogło trwać bardzo długo, a streaming wideo czy muzyki był w zasadzie niemożliwy.
Wysokimi Opóźnieniami: Opóźnienie, czyli czas między wysłaniem żądania a otrzymaniem odpowiedzi, było bardzo duże. To sprawiało, że aplikacje interaktywne, takie jak gry online czy komunikacja w czasie rzeczywistym, działały ociężale i bez responsywności.
Nieefektywną Architekturą dla Danych: Podstawowa sieć GSM była zbudowana wokół , która jest idealna dla głosu, ale nieefektywna dla nieregularnej, "wybuchowej" natury ruchu internetowego. Świat potrzebował nowego rodzaju sieci, zaprojektowanej od podstaw z myślą o danych.

Wizja Trzeciej Generacji (3G)

W odpowiedzi na te ograniczenia, globalna społeczność telekomunikacyjna, pod przewodnictwem Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego (ITU), zaczęła formułować wizję dla następnej generacji technologii mobilnej. Ta inicjatywa, znana jako IMT-2000, wyznaczyła szereg ambitnych celów dla tego, czym powinno być 3G. Wizja nie dotyczyła tylko wyższych prędkości, ale stworzenia zunifikowanego, globalnego standardu, który prawdziwie umożliwiłby "mobilne społeczeństwo informacyjne".

Głównym celem było stworzenie architektury sieciowej, która mogłaby płynnie obsługiwać zarówno tradycyjne usługi głosowe, jak i nowy świat szybkich, zawsze dostępnych usług danych. Z tego globalnego wysiłku wyłoniło się kilka konkurencyjnych standardów 3G, ale tym, który miał osiągnąć światową dominację, zwłaszcza jako następca GSM, był Uniwersalny System Telekomunikacji Mobilnej (UMTS).

Czym jest UMTS? Ewolucyjny Skok z GSM

Uniwersalny System Telekomunikacji Mobilnej (UMTS) to wiodąca technologia komórkowa trzeciej generacji (3G). Nie było to całkowite zerwanie z przeszłością, lecz starannie zaplanowana ewolucja istniejącego standardu GSM. To ewolucyjne podejście było kluczową decyzją strategiczną podjętą przez 3GPP (3rd Generation Partnership Project), zrzeszenie organów normalizacyjnych, które opracowało UMTS. Pozwoliło to operatorom komórkowym, którzy zainwestowali miliardy w swoją infrastrukturę GSM, na stopniową i bardziej opłacalną modernizację do 3G.

Kluczową innowacją UMTS było całkowite przeprojektowanie technologii dostępu radiowego. Chociaż wykorzystywano istniejące komponenty sieci szkieletowej GSM (takie jak MSC i HLR), wprowadzono zupełnie nowy, znacznie bardziej zaawansowany i wydajny interfejs radiowy. Ten nowy interfejs radiowy był kluczem do odblokowania wysokich prędkości i pojemności wymaganych dla prawdziwego mobilnego internetu szerokopasmowego.

Kluczowe Ulepszenia UMTS w Stosunku do Technologii 2G

UMTS to więcej niż tylko افزایش prędkości; była to fundamentalna re-architektura sieci komórkowej, przynosząca przełomowe ulepszenia w niemal każdym aspekcie wydajności i możliwości.

1. Rewolucyjny Dostęp Radiowy: Potęga WCDMA

Najbardziej znaczącym postępem w UMTS było przyjęcie nowego interfejsu radiowego o nazwie . Było to radykalne odejście od schematu FDMA/TDMA używanego w GSM.

Szerokie Kanały: W przeciwieństwie do wąskich kanałów GSM o szerokości $200 \text{ kHz}$ , WCDMA wykorzystuje znacznie szersze pasmo kanału wynoszące $5 \text{ MHz}$ .
Jednoczesna Transmisja: W WCDMA wszyscy użytkownicy w komórce nadają w tym samym czasie i na tym samym kanale częstotliwości $5 \text{ MHz}$ .
Magia Kodów: System zapobiega wzajemnemu zakłócaniu się tych jednoczesnych transmisji, przypisując każdemu użytkownikowi unikalny "kod rozpraszający". Kod ten jest używany do "rozproszenia" danych użytkownika na całym kanale $5 \text{ MHz}$ . Odbiornik, znając unikalny kod użytkownika, może "odkodować" jego sygnał, podczas gdy sygnały wszystkich innych użytkowników jawią się jedynie jako szum tła. Technologia ta oferowała większą wydajność widmową, lepszą odporność na zaniki wielodrogowe oraz umożliwiała funkcję miękkiego przełączania (soft handover), gdzie telefon mógł połączyć się z nową komórką przed rozłączeniem ze starą, co czyniło przejścia połączeń jeszcze płynniejszymi.

2. Architektura Skoncentrowana na Danych

Chociaż UMTS zachował ścieżkę komutowaną obwodowo do obsługi tradycyjnych połączeń głosowych dla zapewnienia wstecznej kompatybilności, jego architektura została zaprojektowana z natywną, solidną domeną specjalnie dla usług danych. Oznaczało to, że w przypadku dostępu do internetu zasoby były wykorzystywane znacznie wydajniej. Ustanawiałeś połączenie i mogłeś pozostać "zawsze włączony", a sieć zużywała zasoby tylko wtedy, gdy aktywnie wysyłałeś lub odbierałeś pakiety. Ta zmiana z rozliczania opartego na czasie (jak w CSD) na rozliczanie oparte na objętości (płacenie za zużyte dane) uczyniła mobilny internet znacznie bardziej dostępnym i przystępnym cenowo.

3. Kwantowy Skok w Prędkości Danych

UMTS dostarczył wzrostu prędkości, na który czekał świat mobilny. Początkowa wersja standardu (Release '99) oferowała szczytowe teoretyczne prędkości transmisji danych do $2 \text{ Mbit/s}$ dla użytkowników stacjonarnych i bardziej typowe $384 \text{ kbit/s}$ dla użytkowników mobilnych. W porównaniu z ~ $50 \text{ kbit/s}$ GPRS czy ~ $200 \text{ kbit/s}$ EDGE, był to przełomowy wzrost. Ten nowy poziom wydajności odblokował całą nową kategorię aplikacji mobilnych, które wcześniej były niepraktyczne:

Mobilne rozmowy wideo i streaming.
Bogate, graficzne przeglądanie stron internetowych.
Pobieranie i streaming muzyki.
Usługi oparte na lokalizacji z dokładnymi mapami.

4. Bezpieczeństwo Następnej Generacji

UMTS wyciągnął wnioski z odkrytych słabości modelu bezpieczeństwa GSM i wprowadził znaczące ulepszenia.

Wzajemne Uwierzytelnianie: Najważniejszym ulepszeniem bezpieczeństwa było wprowadzenie wzajemnego uwierzytelniania. Nie tylko sieć uwierzytelniała kartę SIM użytkownika, ale teraz karta SIM uwierzytelniała również sieć. Zamknęło to krytyczną lukę, która pozwalała na ataki z użyciem łapaczy IMSI, ponieważ telefon UMTS odmawiał połączenia z fałszywą lub złośliwą stacją bazową.
Silniejsze Algorytmy: UMTS zaimplementował nowy, bardziej solidny zestaw algorytmów kryptograficznych (np. KASUMI) z dłuższymi, 128-bitowymi kluczami zarówno do uwierzytelniania, jak i szyfrowania, co czyniło je znacznie trudniejszymi do złamania.
Ochrona Integralności: UMTS wyszedł poza samą poufność. Wprowadził ochronę integralności dla komunikatów sygnalizacyjnych, która używa specjalnego kodu, aby zapewnić, że komunikaty kontrolne między telefonem a siecią nie zostały zmienione w trakcie przesyłania przez atakującego.

5. Wbudowana Jakość Usług (QoS)

Uznając, że różne aplikacje mają różne potrzeby, UMTS wprowadził zaawansowaną strukturę Jakości Usług. Sieć mogła klasyfikować ruch do czterech odrębnych klas:

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.

Ta zdolność QoS pozwoliła operatorom na inteligentne zarządzanie zasobami sieciowymi, priorytetyzując ruch krytyczny w celu zapewnienia wysokiej jakości doświadczeń użytkownika we wszystkich rodzajach usług.