UMTS

UMTS поддерживает теоретические максимальные скорости передачи данных до 42 Мбит/с при реализации в сети Evolved HSPA (HSPA+)^[6]. В сетях с первоначальной версией стандарта (Release '99, R99) ожидаемая скорость составляла до 384 кбит/с, а для устройств с поддержкой HSDPA — до 7,2 Мбит/с на входящем (downlink) канале. Эти скорости значительно превышают показатели предыдущих систем: одиночный передаваемый канал GSM давал 9,6 кбит/с, а HSCSD — объединённые 9,6 кбит/с на канал, CDMAOne — 14,4 кбит/с.

С 2006 года в мире началось массовое обновление сетей UMTS с внедрением HSDPA (часто обозначается как 3,5G), что обеспечило входящие скорости до 21 Мбит/с. Также ведётся развитие повышения скорости передачи данных в восходящем канале с использованием HSUPA. Стандарт LTE, преемник UMTS, изначально обеспечивает скорости до 100 Мбит/с (входящий) и 50 Мбит/с (исходящий), с масштабируемостью до 3 Гбит/с, благодаря применению технологии ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM).

Первые национальные сети UMTS для массового рынка были запущены в 2002 году с акцентом на сервисы мобильного оператора (мобильное ТВ, видеозвонки). Однако опыты с запуском сервисов в Японии и ряде других стран показали, что основной спрос — это высокоскоростной доступ в интернет, а популярность видеозвонков и мультимедийного контента от операторов постепенно снижалась в пользу доступа к World Wide Web — как непосредственно с устройства, так и через подключение к компьютеру через Wi-Fi, Bluetooth или USB^[7].

UMTS сочетает три различных наземных радиоинтерфейса, ядро MAP от GSM и семейство голосовых кодеков GSM.

Радиоинтерфейсы называются UMTS Terrestrial Radio Access (UTRA)^[8]. Все варианты UTRA являются частью семейства ITU IMT-2000. Наиболее распространённый вариант для мобильных телефонов — это W-CDMA (IMT Direct Spread), также называемый интерфейсом "Uu", соединяющим пользовательское оборудование (User Equipment) с сетью радио-доступа UMTS.

Термины W-CDMA, TD-CDMA и TD-SCDMA на деле обозначают не только методы доступа, но и целиком стандарт интерфейса радиодоступа^[9].

W-CDMA (Wideband Code-Division Multiple Access, широкополосный кодовый множественный доступ), вместе с UMTS-FDD, UTRA-FDD или IMT-2000 CDMA Direct Spread — стандарт радиоинтерфейса для сетей 3G. Поддерживает как голосовую связь, текстовые и мультимедийные сообщения, так и передачу данных с высокими скоростями, что позволяет операторам предоставлять потоковое видео и доступ в широкополосный интернет^[10].

W-CDMA использует метод DS-CDMA с парой каналов шириной по 5 МГц; альтернативная система CDMA2000 использует один или несколько 1,25-МГц каналов на каждое направление. W-CDMA критикуется за высокий спектральный расход, осложнивший запуск в странах, где процесс выделения новых частот занял много времени.

Определённые частотные диапазоны для UMTS: 1885–2025 МГц (uplink) и 2110–2200 МГц (downlink). В США применяются 1710–1755 МГц и 2110–2155 МГц, так как диапазон 1900 МГц уже занят^[11]. В ряде стран UMTS-операторы используют диапазоны 850 (900 в Европе) и/или 1900 МГц.

Термин UMTS-FDD — это сокращение от Universal Mobile Telecommunications System — Frequency Division Duplexing (дуплексирование с разделением частот), стандартизованного 3GPP варианта UMTS, использующего дуплексирование по частоте для работы через радиоинтерфейс UTRA^[12].

W-CDMA лежит в основе серисов FOMA операторов NTT DoCoMo (Япония), и часто используется как синоним UMTS^[13]. Метод доступа — DS-CDMA, дуплексирование — FDD, что обеспечивает большую ёмкость сети и покрытие по сравнению с TDMA и TDD-схемами.

Хотя W-CDMA не является эволюционным апгрейдом по радиоинтерфейсу, она использует то же ядро, что и GSM, позволяя совместную работу GSM/EDGE/UMTS.

В конце 1990-х W-CDMA была создана компанией NTT DoCoMo как радиоинтерфейс для 3G-сети FOMA и предложена ITU как один из кандидатов на новый международный стандарт (IMT-2000). Позднее стандарт был включён в спецификацию IMT-2000 как альтернатива CDMA2000, EDGE или DECT. В первые годы сеть NTT DoCoMo была несовместима с финальной версией UMTS, но впоследствии оператор доработал сеть.

Технологии CDMA конкурентов (преимущественно Qualcomm) долгое время доминировали на рынке Америки. Был сделан эксперимент по унификации стандартов (CDMA2000 3x), но в итоге по ряду требований стандарты развились независимо; W-CDMA стала ведущей технологией третьего поколения, в 2012 году использовавшейся более чем в 457 сетях 178 стран^[14]. Несколько операторов CDMA2000 даже перешли на W-CDMA ради совместимости роуминга и плавного перехода на LTE.

W-CDMA передаёт по паре каналов по 5 МГц, тогда как CDMA2000 — по одной или нескольким парам по 1,25 МГц. Несмотря на концептуальное сходство, W-CDMA и CDMA2000 серьёзно отличаются по архитектуре, балансу затрат/ёмкости и могут быть выгоднее в условиях плотной городской застройки Европы и Азии. Несмотря на перекрёстное лицензирование, остаются вопросы по патентам (в частности, Qualcomm)^[15].

Первая в мире коммерческая сеть W-CDMA (FOMA) была запущена NTT DoCoMo в Японии в 2001 году.

Остальные операторы внедряли W-CDMA под брендом UMTS. В некоторых случаях W-CDMA была адаптирована для спутниковых сетей (например, Mobile User Objective System, США).

В 2003–2007 годах национальные сети на базе UMTS запускались в Европе, Сингапуре, Новой Зеландии, Австралии, Канаде, Финляндии, Южной Корее, Норвегии, Малайзии, Швеции и других странах.

В США AT&T Mobility использовала сеть UMTS с поддержкой HSPA+ с 2005 до 2022 года.

UMTS-TDD — версия UMTS с дуплексированием по времени (TDD), стандартизирована 3GPP^[12]. Основное назначение — предоставление доступа в интернет в условиях, где возможна конкуренция с WiMAX. Технически несовместим с UMTS-FDD, требует специальных абонентских устройств. IMT-2000 классифицирует его как CDMA-TDD или IMT-TD^[16].^[17]

Радиоинтерфейсы UMTS-TDD: TD-CDMA и TD-SCDMA. Оба используют сочетание CDMA и TDMA.

TD-CDMA (Time-Division-Code-Division Multiple Access) — технология доступа по широкополосной CDMA с временным мультиплексированием. Используется для UTRA-TDD HCR, с шириной канала 5 МГц и десятью миллисекундными фреймами по 15 тайм-слотов^[16].

TD-CDMA входит в стандарты IMT-2000 и 3GPP. В США применялась для ведомственных и государственных сетей в Нью-Йорке; в Японии планировалось внедрение (оператор IPMobile), но не состоялось.

TD-SCDMA (Time-Division Synchronous-Code-Division Multiple Access) — китайский стандарт радиоинтерфейса, разработанный с целью снижения зависимости от западных технологий и роялти, иногда обозначается как UTRA-TDD 1.28 Mcps LCR.^[9][17] TD-SCDMA используется в Китае и практически не распространён за его пределами^[18].

TD-SCDMA основан на синхронной CDMA; количество тайм-слотов для uplink и downlink может меняться динамически. Стандарт утверждён в Китае в 2006 году, в 2009 году China Mobile получила соответствующую лицензию, но после 2016 года сеть постепенно выводится из эксплуатации.

UMTS определяет универсальную наземную сеть радиодоступа (UTRAN), включающую множество базовых станций, возможно работающих на разных стандартах и частотах.

UMTS и GSM/EDGE могут использовать общее ядро сети (Core Network, CN), что позволяет прозрачное переключение между радиоинтерфейсами в зависимости от зоны покрытия.

Интерфейс пользовательского оборудования (UE) основан на протоколах RRC, PDCP, RLC и MAC. RRC отвечает за установление соединений, измерения, безопасность и решения о хендовере. RLC делится на три режима (TM, UM, AM), сходные по функциям с протоколами TCP/UDP. MAC занимается распределением ресурсов на радиоинтерфейсе.

Вся совокупность параметров передачи данных называется радиоканал (Radio Bearer, RB). Для безопасности реализованы процедуры целостности и шифрования.

В ядре сети UMTS используется протокол MAP, аналогичный таковому у GSM/EDGE, что упрощает миграцию с GSM. Однако установка новых базовых станций и полос связи требует значительных затрат.

Ядро сети может быть связано с различными магистральными сетями, такими как Интернет или ISDN. UMTS охватывает три нижних уровня модели OSI; управление радиоресурсами (RRM) включает перераспределение каналов между мобильными терминалами и фиксированной сетью, включая хендоверы.

UARFCN (UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number) — уникальный номер канала, идентифицирующий конкретную частоту в сетях UMTS. Обычно номер вычисляется как частота (МГц) × 5.

В мире к 2004 году было выдано более 130 лицензий на W-CDMA. В Европе лицензии на 2100-МГц диапазон были распределены на пике технологического бума, что привело к очень высокой стоимости и банкротству ряда операторов (особенно в Великобритании и Германии).

В Северной Америке диапазоны 2100 МГц заняты под другие нужды, поэтому используются альтернативные спектры (например, 1700, 1900, 850, 900 МГц).

Телефоны, поддерживающие UMTS (и соответствующие модемы), обычно реализованы как двухрежимные UMTS/GSM-устройства, что обеспечивает прозрачный роуминг и переключение между сетями. Различные страны используют разные диапазоны, поэтому телефоны должны поддерживать нужные частоты для полноценной работы.

В большинстве случаев используется универсальная идентификационная SIM-карта (USIM), хранящая идентификатор, аутентификацию и телефонную книгу пользователя.

Япония стала первой страной, массово развернувшей 3G (FOMA), и, в отличие от других регионов, не интегрировала поддержку GSM в ранних телефонах.

Большинство современных смартфонов поддерживают несколько UMTS-диапазонов, что упрощает роуминг. Ранние модели были рассчитаны только на "свои" диапазоны страны (например, 1900/2100 МГц), что ограничивало совместимость.

На рынке есть устройства с поддержкой пентабанда UMTS (850/900/1700/1900/2100 МГц) и многодиапазонные GSM/UMTS-телефоны.

Главный конкурент UMTS — стандарт CDMA2000, развиваемый 3GPP2; он позволяет сохранение совместимости частот с предыдущими поколениями (cdmaOne), в отличие от полностью новых UMTS/W-CDMA-сетей.

Другие конкуренты: EDGE (IMT-SC, эволюция GSM), TD-SCDMA (Китай), WiMAX, DECT. Все перечисленные технологии входят в семейство IMT-2000.

На рынке беспроводного доступа в интернет конкурируют WiMAX, Flash-OFDM и различные корпоративные решения.

Из старой GSM/GPRS-сети могут быть использованы следующие элементы:

• HLR, VLR, EIR, MSC, GMSC, AUC, SGSN, GGSN

Элементы, которые нельзя использовать без модернизации:

• BTS (базовая станция)
• BSC (контроллер базовой станции)
• PCU

В UMTS добавляются новые сетевые компоненты:

• Node B (базовая станция)
• RNC (контроллер радио-сети)
• Медиагейтвей (MGW)

В разных странах диапазоны UMTS определяются регуляторами отличающимся образом, что затрудняет глобальную совместимость оборудования. Также существуют вопросы совместимости при роуминге, но с появлением многодиапазонных телефонов эти проблемы стали менее острыми^[22].

Первые UMTS-терминалы были громоздки и имели невысокое время автономной работы. Отмечались проблемы с устойчивостью хендовера между UMTS и GSM, необходимостью плотного размещения базовых станций (особенно при использовании 2100 МГц). Также отмечается большее энергопотребление по сравнению с GSM^[23].

С 2008 года известны случаи злоупотреблений уязвимостями сигнализационных протоколов (например, SS7) для отслеживания местоположения пользователей и перехвата сообщений^[24][25]. Отдельные уязвимости были оперативно закрыты операторами, но решение возможно только на уровне всей индустрии^[26].

Развитие стандарта UMTS происходит в виде поэтапных релизов:

• Release '99: базовая спецификация; 64 кбит/с (CS), 384 кбит/с (PS), совместимость с GSM, USIM, частота 2,1 ГГц.
• Release 4: поддержка EDGE, мультимедийные сообщения, мобильная исполняемая среда (MExE), улучшенные сервисы определения местоположения, TD-SCDMA.
• Release 5: IP Multimedia Subsystem (IMS), IPv6, HSDPA.
• Release 6: интеграция с WLAN, мультимедийное вещание, HSUPA.
• Release 7: расширения на уровне L2, 64 QAM, MIMO, голос через HSPA.
• Release 8: Dual-Cell HSDPA.
• Release 9: Dual-Cell HSUPA.