3G - Usługi telefonii komórkowej

Istotą usług komórkowych trzeciej generacji UMTS jest dostarczenie abonentom nowych rodzajów usług realizowanych jednocześnie i ze zmienną szybkością transmisji - co nie było możliwe w systemach 2G ze względu na niewielką przepływność kanałów komunikacyjnych. Drugą ważną cechą usług telefonii komórkowej 3G jest zwiększenie odporności przesyłanych strumieni informacji na zaniki i zakłócenia w kanale radiowym, usprawniającej dostęp do wszelkich oferowanych w sieciach globalnych usług.

Pierwsza faza realizacji systemu UMTS zapewnia transmisję informacji o zasięgu globalnym, w trybie komutacji kanałów i z przepływnością w zakresie 144-384 kb/s z terminalami poruszającymi się z szybkością do 500 km/godz. Postępująca za nią, druga faza systemu UMTS ma umożliwiać transmisje strumieni informacji z przepływnością sięgającą 2 Mb/s wyłącznie o zasięgu lokalnym, jedynie z terminalami stacjonarnymi lub przemieszczającymi się powoli (do 10 km/godz.). Realizacja pierwszej fazy sieci UMTS zaczęła się najpierw w dużych aglomeracjach miejskich Europy, a bezprzewodowy dostęp komórkowy 3G z szybkością 2 Mb/s zaczął stopniowo obejmować coraz większą część społeczności komórkowej.

Według klasyfikacji podanej w dokumentach standaryzacyjnych 3G potrzeby telekomunikacyjne abonenta ruchomego dotyczą realizacji usług podstawowych, obejmujących: połączenia głosowe, komunikację tekstową offline (SMS, EMS, e-mail), przekazy wideotelefonii, zdalny dostęp do baz danych, przeglądanie stron WWW, odbiór z odtwarzaniem plików audio, odbiór z wyświetlaniem wideoklipów, zdalną realizację operacji bankowych i finansowych, zdalny odczyt pomiarów (telemetria) czy lokalizację geograficzną w terenie oraz opcjonalnie tekstową komunikację online.

Część z tych usług już realizują sieci komórkowe standardu 2G (GSM), a wiele jeszcze niezdefiniowanych przez ITU i 3GPP usług oczekuje na standaryzację. Z punktu widzenia abonenta usługi komórkowe o charakterze użytkowym są nazywane aplikacjami, w odróżnieniu od usług warstwy transportowej i protokołów komunikacyjnych sieci komórkowej 3G. Funkcjonalność systemów 3G zapewnia świadczenie usług telekomunikacyjnych za pośrednictwem terminali ruchomych odpowiadających obecnym i przyszłym potrzebom użytkownika mobilnego. Dostawcą tych usług jest operator telefonii komórkowej trzeciej generacji, a ich odbiorcą użytkownik - tradycyjnie nazywany abonentem sieci.

Najmniejsze komórki (pikokomórki) sieci 3G - instalowane wewnątrz budynków oraz większe (mikrokomórki) - obejmujące centra handlu i biznesu oraz porty i lotniska obsługują głównie użytkowników przemieszczających się powoli, czyli pieszych. Mają oni dostęp do większości oferowanych usług komórkowych 3G. Podstawowe komórki średniej wielkości (właściwe komórki UMTS) zapewniają obsługę użytkowników przemieszczających się w pojazdach wzdłuż tras miejskich o dużym natężeniu ruchu drogowego. Dla tych użytkowników zbiór usług nie zawiera niektórych zaawansowanych aplikacji. Najmniejszy, czyli podstawowy zbiór usług jest dostępny w komórkach o dużym (makrokomórki) i bardzo dużym (megekomórki) zasięgu, a także na obszarach całkowicie pozbawionych naziemnej infrastruktury telekomunikacyjnej.

Różnorodność zestawów usług 3G wpływa w istotny sposób na zmienność i wielkość ruchu połączeniowego (trafiku) w sieciach komórkowych. Ta różnorodność powoduje zmianę charakterystyk przenoszenia oraz wymagań jakościowych QoS (Quality of Service) stawianych poszczególnym rodzajom usług. Obecnie wyróżnia się cztery klasy usług komórkowych UMTS klasyfikowanych wg stopnia ich wrażliwości na opóźnienia i fluktuacje opóźnień (jitter) w sieci jako: konwersacyjne, strumieniowe, interakcyjne i podstawowe. Usługi konwersacyjne oraz strumieniowe są realizowane w czasie rzeczywistym w trybie komutacji kanałów i obejmują przekazy głosowe, multimedia oraz wideotelefonię. W klasach usług interakcyjnych i podstawowych, korzystających z komutacji pakietowej, znajdują się usługi niewymagające przekazów w czasie rzeczywistym, takie jak: przeglądanie stron WWW, poczta elektroniczna czy przekaz plików danych.

Zgodnie ze specyfikacją 3GPP w naziemnym środowisku 3G stopa błędów dla usług czasu rzeczywistego mieści się w przedziale od 10-3 do 10-7, a maksymalne opóźnienie sygnału w granicach 20-300 ms. W segmentach satelitarnych przy tej samej stopie błędów opóźnienie przekazu nie powinno przekraczać 400 ms. W usługach realizowanych nie w czasie rzeczywistym - NRT (Non Real Time Services) tolerancje są inne: stopa błędów winna mieścić się w zakresie od 10-5 do 10-8, a maksymalne opóźnienie jedynie 150 ms. Wyjątek stanowi segment satelitarny, w którym maksymalne opóźnienie może sięgać 1200 ms, a niekiedy nawet więcej.

Klasy usług telefonii 3G

Różnorodność usług oferowanych w systemach UMTS wiąże się z możliwością negocjowania z systemem charakterystyki kanału radiokomunikacyjnego. Dotyczy to wielu parametrów transmisyjnych, takich jak: tryb komutacji (komutacja kanałów czy przełączanie pakietów), szybkość transmisji, dopuszczalne opóźnienia sygnałów, maksymalna stopa błędów, symetria lub asymetria natężenia ruchu w obydwu kierunkach (góra, dół), zabezpieczenie przed błędami (jednakowe w obu łączach, niejednakowe, brak zabezpieczeń) oraz zmienna w czasie szybkość i jakość transmisji. Najbardziej ogólny podział wyróżnia cztery klasy usług 3G: konwersacyjne, strumieniowe, interakcyjne i podstawowe;

• Usługi klasy konwersacyjnej 3G dotyczą przesyłania sygnałów mowy oraz realizacji usługi wideotelefonicznej w trybie komutacji kanałów.

W usługach głosowych o jednakowym natężeniu ruchu w obydwu kierunkach przesyłania średnie standardowe opóźnienie głosu nie powinno przekraczać 150 ms. Rozszerzeniem tej klasy usług jest komunikacja głosowa VoIP przez Internet, która korzysta z trybu komutacji pakietów. W systemach 3G jako podstawowy sposób kodowania głosu przyjęto koder źródłowy z predykcją AMR ACELP (Adaptive Multi-Rate Algebraic Code Excited Linear Predoction Coder), pobudzany wzorcowym ciągiem sygnałów binarnych.

Adaptacyjny koder AMR ma zdolność kodowania głosu dla 8 szybkości, co umożliwia dostosowania się do aktualnej jakości kanału w szerokim zakresie od 4,75 kb/s do 12,2 kb/s (4,75; 5,15; 5,90; 6,70; 7,40; 7,95; 10,2; 12,2). Takie rozwiązanie pozwala na optymalne wykorzystanie własności kanału transmisyjnego. Dla niewielkich obciążeń w sieci koder głosowy pracuje z największą szybkością (szersze pasmo, wyższa jakość odtwarzania sygnałów mowy, mało rozmów), natomiast w miarę wzrostu zapotrzebowania na liczbę połączeń głosowych, szybkość kodowania automatycznie zmniejsza się (degradacja jakości głosu, więcej jednoczesnych rozmów w tym samym kanale, większy zasięg transmisji).

W usługach wideotelefonicznych stopień kompresji obrazu jest dużo większy niż w przekazach głosowych, więc dopuszczalny stopień błędu musi być zdecydowanie niższy. O ile podczas przesyłania sygnałów mowy wystarcza prawdopodobieństwo błędu elementarnego na poziomie 10-3, o tyle do przekazywania sygnałów obrazu winno mieścić się w przedziale 10-6-10-8. W przypadku komutacji kanałów realizacja usług wideotelefonicznych przebiega zgodnie ze standardem H.324M dostosowanym do rozwiązań mobilnych, natomiast podczas przekazów z komutacją pakietów - zgodnie z ulepszoną wersją standardu H.323. Złożony sposób sterowania w standardzie H.323, używany obecnie do realizacji usługi wideotelefonicznej przez Internet, został praktycznie zastąpiony IETF tekstowym protokołem komunikacyjnym na potrzeby wideotelefonii. Ma on ułatwić zestawianie i realizację sesji telekonferencyjnych oraz jednoczesne korzystanie z innych usług podczas połączenia głosowego.

• Usługi klasy strumieniowej 3G wiążą się z aplikacjami multimedialnymi, dla których przesyłany przez sieć strumień informacji jest porowaty (czyli nieciągły). Po stronie odbiorczej niezbędny jest proces wyrównywania sygnałów do jednorodnego przebiegu ciągłego. Usługi te obejmują kontakty z Internetem w sytuacjach, gdy użytkownicy nie dysponują odpowiednią szybkością odbioru informacji z sieci. Są to przekazy, w których wyszukiwarki klienta zaczynają odtwarzać pobierane informacje z sieci, zanim kompletne zbiory dotrą do tych terminali. Wyszukiwarki kompletują wtedy napływające dane i dostarczają je jako ciągłe strumienie do aplikacji klienta, które następnie przetwarzają je do odpowiedniej postaci dźwiękowej lub obrazowej. Strumieniowa klasa usług zwykle charakteryzuje się dużą asymetrią natężenia strumieni w obydwu kierunkach. Opóźnienia nie powinny przekraczać 10 s.

W klasie strumieniowej wyróżnia się dwa rodzaje usług: informacyjne i dedykowane. Usługi strumieniowe o ogólnym charakterze informacyjnym (serwis wiadomości) są przeznaczone do odbioru przez liczne grono przypadkowych użytkowników. Przekaz takich informacji dokonuje się w trybie rozsiewczym z wydajnego serwera i ze zmienną szybkością przez kanały o ograniczonych przepływnościach (33-56 kb/s). Z usług strumieniowych o dedykowanym charakterze przesyłanych informacji korzystają najczęściej duże firmy, które odbierają audio- i wideoklipy oraz multimedialne materiały szkoleniowe. Realizacja tych usług wymaga szybkich kanałów transmisji o przepływnościach od 100 kb/s do kilku Mb/s.

• Usługi klasy interakcyjnej 3G dotyczą realizacji usług zdalnego pobierania danych z odległego serwera w trybie pracy pytanie-odpowiedź. Rozsądny przedział czasu na oczekiwaną informację z serwera nie powinien przekraczać 4s, przy czym czas ten obejmuje również procedury integralności transmitowanych danych wraz z ich zabezpieczeniem przed błędami. Dla tych aplikacji prawdopodobieństwo występowania błędów pakietowych (komutacja pakietowa) nie powinno być większe od 10-3, a błędów elementarnych nie większe niż 10-6.

Obecna oferta usług w klasie interakcyjnyjnej 3G ulega ciągłemu rozszerzaniu. Do najbardziej już znanych usług tej klasy należą: przeglądanie stron webowych (WWW), tematyczna eksploracja serwerów bazodanowych, określanie położenia terminalu użytkownika oraz zdalny odczyt pomiarów (telemetria). Dostęp do stron webowych rozszerza zastosowania telefonii 3G o wiele ukierunkowanych czasowo aplikacji, wśród których na poczesnym miejscu znajdują się: handel elektroniczny, usługi bankowe, dostęp do gazet, periodyków i wiadomości elektronicznych, a także dostarczanie użytkownikowi informacji lokalnych z uwzględnieniem własnej lokalizacji terminalu. Korzystając z komórkowych usług lokalizacyjnych 3G, mobilny użytkownik terminalu może odszukać i pozyskać lokalne mapy i plany terenowe miast czy położenie (dostępność, odległość i dojazd) najbliższych stacji benzynowych, hoteli czy restauracji. W procedurze konwersacji można też uzyskać wszelkie informacje dotyczące lokalnej rozrywki.

• Usługi klasy podstawowej 3G obejmują najstarszą, bezprzewodową usługę transmisji danych oferowaną w czasie nierzeczywistym, obligatoryjnie dostępną w systemach komórkowych 2G. Ich wspólną cechą jest przekazywanie informacji bez określenia terminu dostawy przesyłki do użytkownika. Realizacja usług klasy podstawowej umożliwia optymalne wykorzystanie przepustowości kanałów radiowych 3G: usługa jest realizowana jedynie wtedy, gdy istnieją wolne zasoby telekomunikacyjne. Ponieważ czas realizacji usługi nie jest określony, wymagania na wierność przesyłanej wiadomości mogą być wyższe niż w innych transmisjach. Do usług klasy podstawowej 3G należą: poczta elektroniczna, przekaz krótkich wiadomości SMS, przekaz rozszerzonych wiadomości EMS oraz multimedialnych pocztówek MMS. Coraz częściej z tej klasy usług korzystają aplikacje automatycznych systemów pomiarowych i stacjonarne lub mobilne systemy alarmowe.