Universal Mobile Telecommunications System
Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) è la tecnologia di telefonia mobile di terza generazione (3G). Tale tecnologia impiega lo standard base W-CDMA, è compatibile con lo standard 3GPP e rappresenta la risposta europea al sistema ITU di telefonia cellulare 3G.
L'UMTS è a volte lanciato sul mercato con la sigla 3GSM per mettere in evidenza la combinazione fra la tecnologia 3G e lo standard GSM di cui dovrebbe in futuro a prendere il posto.
Introduzione
Questo articolo si propone di illustrare la tecnologia, il mercato e gli altri aspetti riguardanti lo standard UMTS, il successore di terza generazione del GSM che utilizza l'interfaccia di trasmissione W-CDMA, e le infrastrutture del GSM. Per quanto riguarda le peculiarità dell'interfaccia W-CDMA si rimanda al relativo articolo.
Poiché lo standard UMTS e le sue applicazioni sono in rapida evoluzione, alcune delle informazioni contenute in questo articolo potrebbero non essere del tutto aggiornate, ragion per cui il lettore è pregato di integrarle con ricerche e riscontri personali, che potrebbero anche essere utilizzati per tenere aggiornato il presente articolo.
Caratteristiche tecniche
Il sistema UMTS supporta un transfer rate (letteralmente: tasso di trasferimento) massimo di 1920 kbit/s (e non di 2000 kbit/s come a volte, erroneamente, si sostiene). Per applicazioni tipiche, tuttavia, il valore effettivo è di circa 384 kbit/s in un ambiente reale fortemente saturato. Tuttavia da misure in campo in mobilità su reti scariche si sono raggiunti 300 kbit/s. In ogni caso questo valore è decisamente superiore ai 14,4 kbit/s di un singolo canale GSM con correzione di errore ed anche al transfer rate di un sistema a canali multipli in HSCSD. UMTS è quindi è in grado, potenzialmente, di consentire per la prima volta l'accesso, a costi contenuti, di dispositivi mobili al World Wide Web di Internet.
Il precursore dei sistemi 3G è l'oramai diffusissimo sistema di telefonia mobile GSM, spesso denominato sistema 2G (cioè di seconda generazione). Un altro sistema evolutosi dal 2G è il GPRS, conosciuto anche come 2.5G. Il GPRS supporta un transfer-rate nettamente più alto del GSM (fino ad un massimo di 140,8 kbit/s), e può essere talvolta utilizzato insieme al GSM.
In un prossimo futuro le attuali reti UMTS potranno essere potenziate mediante il sistema di accesso denominato HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), con una velocità massima teorica di scaricamento dati di 10 Mbit/s. Gli operatori interessati al lancio sul mercato di questo sistema hanno preannunciato la possibilità di fornire servizi di videoconferenza tramite dispositivi mobili. Rimane tuttavia ancora da dimostrare l'esistenza, ad oggi, di un mercato di massa per questo tipo di servizi. Un'altra applicazione possibile è lo scarico di brani musicali.
Reti UMTS esistenti
La prima rete UMTS al mondo, chiamata semplicemente 3, è diventata operativa nel Regno Unito nel 2003. 3 è una compagnia creata appositamente per fornire servizi 3G, di proprietà del gruppo Hutchison Whampoa e di alcuni altri partner, che variano a seconda dei paesi in cui la rete è stata lanciata. Tali paesi nel marzo 2004 erano i seguenti: Austria, Danimarca, Italia, Hong Kong, Australia, Svezia e Israele. La maggior parte degli operatori GSM europei hanno in programma di passare a UMTS, dal momento che i due standard sono fortemente fra loro compatibili.
Nel dicembre 2003, la T-Mobile ha lanciato l'UMTS in Austria, e ha eseguito test nel Regno Unito e in Germania. Nel febbraio 2004 la Vodafone ha lanciato in grande stile l'UMTS in diversi paesi europei, fra cui: Germania, Olanda e Svezia.
In base ad un precedente accordo con la NTT DoCoMo, il provider americano AT&T Wireless dei sistemi AMPS/TDMA/GSM dovrà installare e commercializzare reti UMTS in 4 grandi città americane entro la fine del 2004. In occasione del CTIA 2004 la AT&T Wireless ha confermato che le sue reti 3G saranno soltanto implementazioni a 1900 Kbit/s dell'UMTS e saranno lanciate entro la fine dell'anno, come previsto. Nel luglio 2004 AT&T Wireless ha lanciato con successo il nuovo sistema nelle città di Seattle, San Francisco, Detroit, Phoenix, San Diego, e Dallas.
Alcuni operatori del settore stanno lanciando sul mercato dispositivi portatili in grado di connettersi sia a reti 3G che a reti Wi-Fi. Sono disponibili modem UMTS per PC laptop che, previa installazione di un programma client che monitorizza la presenza di una delle due reti, commutano da una rete all'altra a seconda della disponibilità e della intensità del campo. In un primo momento le reti Wi-Fi erano considerate concorrenti dei sistemi 3G, ma ora ci si è convinti che la combinazione delle due tecnologie consente di offrire prodotti molto più competitivi di quelli che utilizzano unicamente l'UMTS.
Nella sezione Collegamenti esterni è riportata una lista delle reti UMTS già operative o in fase di collaudo.
Tecnologia
Nota: la maggior parte delle caratteristiche tecnologiche di base sono in comune fra UMTS e le varie implementazioni dello standard W-CDMA, a cui si può fare riferimento per ulteriori informazioni. Quelle che seguono sono alcune caratteristiche peculiari dell'UMTS, non condivise con altre implementazioni di sistemi FOMA o W-CDMA.
In parole semplici, l'UMTS è una combinazione delle seguenti interfacce trasmissive (dove per interfaccia trasmissiva si intende il protocollo che definisce lo scambio di dati fra i dispositivi mobili e le stazioni radio base):
- W-CDMA
- MAP del GSM (acronimo di Mobile Application Part), protocollo che fornisce funzionalità varie ai dispositivi mobili, come ad esempio l'instradamento delle chiamate da e per i gestori.
- La famiglia di codec (codec = algoritmo software di codifica-decodifica) del GSM come ad esempio i protocolli MR e EFR, che definiscono il modo in cui il segnale audio è digitalizzato, compresso e codificato)
Da un punto di vista tecnico il W-CDMA (secondo la definizione del IMT2000) è solo l'interfaccia trasmissiva, mentre l'UMTS è l'insieme completo dello stack di protocolli di comunicazione progettati per i sistemi 3G, successori diretti del GSM. Comunque l'acronimo W-CDMA è spesso usato come termine generico per comprendere tutta la famiglia di standard 3G che utilizzano l'interfaccia trasmissiva W-CDMA, compresi i sistemi UMTS, FOMA e J-Phone.
Come altre implementazioni del W-CDMA, l'UMTS utilizza una coppia di canali a 5 MHz di larghezza di banda, uno nel range 1900 MHz per la trasmissione e uno nel range 2100 MHz per la ricezione. Al contrario il sistema cdma2000 utilizza uno o più canali con 1,25 MHz di larghezza in range di frequenza non predefiniti per ciascuna delle due direzioni di trasmissione. L'UMTS viene spesso criticato per la grande larghezza di banda di cui necessita.
Le bande di frequenza originariamente previste per lo standard UMTS sono 1885-2025 MHz e 2110-2200 MHz, per la trasmissione e la ricezione rispettivamente. Consultare la sezione Link esterni per la mappa delle allocazioni di frequenze UMTS. Per gli operatori GSM esistenti la migrazione all'UMTS è relativamente semplice ma anche costosa: la maggior parte delle infrastrutture esistenti può essere riutilizzata, ma la spesa per ottenere le concessioni per le nuove frequenze e per gestirle con le esistenti stazioni radio base, può ancora richiedere investimenti elevatissimi.
Una delle principali differenze rispetto al GSM è la configurazione dell'interfaccia trasmissiva (il cosiddetto GRAN, acronimo di Generic Radio Access Network). Sono possibili connessioni con le dorsali (backbone) di varie altre reti, come Internet, ISDN (acronimo di Integrated Services Digital Network), GSM o altre reti UMTS. L'interfaccia GRAN utilizza i 3 layer di più basso livello del cosiddetto modello OSI. Il layer di rete del protocollo OSI (precisamente il layer 3) rappresenta il cosiddetto protocollo RRM (acronimo di Radio Resource Management). L'insieme di questi protocolli ha la funzione di gestire i canali portanti fra i dispositivi mobili e le reti fisse, compresa la gestione delle commutazioni (handover) fra reti diverse.
Interoperabilità e roaming globale
A livello di interfaccia trasmissiva, l'UMTS è di per sé compatibile con il GSM. Poiché tutti i telefoni cellulari UMTS immessi sul mercato fino ad oggi (2004) sono del tipo dual-mode UMTS/GSM, essi possono inviare e ricevere chiamate attraverso l'esistente rete GSM. Quando un utente UMTS si sposta verso un'area non coperta dalla rete UMTS, un terminale UMTS commuta automaticamente al GSM (con eventuale addebito delle tariffe per il roaming). Se l'utente esce dalla zona di copertura UMTS durante una chiamata, la chiamata stessa sarà presa in carico dalla rete GSM in modo trasparente (cioè senza che l'utente se ne accorga). Al contrario i terminali GSM non possono essere usati all'interno di reti UMTS.
La Japan Telecom (ora divenuta Vodafone Japan) ha realizzato una rete 3G chiamata J-Phone che utilizza la tecnologia W-CDMA ed è compatibile con l'UMTS, divenendo così il primo esempio di rete globale totalmente wireless. L'attuale standard GSM, per contro, è disponibile in tutto il mondo, tranne che in Giappone e in Corea.
Anche la rete 3G realizzata dalla NTT DoCoMo, denominata FOMA, utilizza la tecnologia W-CDMA, ma non è tuttavia compatibile con l'UMTS. Ciononostante la NTT DoCoMo è proprietaria del 20% della 3UK e del 18% della AT&T Wireless (alla data di marzo 2004). Queste partecipazioni costituiscono un banco di prova per le future soluzioni di roaming global dell NTT stessa.
Tutti i telefoni cellulari dual-mode UMTS-GSM dovranno accettare le esistenti SIM card. Sarà possibile effettuare il roaming su reti UMTS utilizzando le SIM Card, come è già oggi possibile fare per un terminale GSM, che può effettuare il roaming verso la rete J-Phone in Giappone.
Negli Stati Uniti l'UMTS verrà in un primo momento introdotto (dalla AT&T Wireless) solo in banda 1900 MHz, a causa delle limitazioni imposte dalla attuale allocazione delle frequenze USA. I telefoni progettati per il mercato americano molto probabilmente non saranno utilizzabili in altri paesi, e viceversa, analogamente a quanto già accade per i telefoni e le reti GSM americane, che utilizzano frequenze diverse da quelle in uso in tutto il resto del mondo. Comunque la FCC ha già dato la propria disponibilità a consentire l'uso di un'ulteriore banda di frequenza a 2100 MHz. In effetti, quasi tutti gli operatori sembrano convinti che la possibilità di realizzare un roaming automatico in qualsiasi parte del mondo sia un requisito della massima importanza, anche se, allo stato delle cose, rimane ancora da dimostrare che ciò sia fattibile.
Assegnazione delle frequenze
Complessivamente sono state assegnate 120 licenze a livello mondiale basate sulla tecnologia W-CDMA. Quando sembrava che la nuova tecnologia fosse destinata ad una rapida diffusione, le autorità politiche si sono affrettate ad indire aste per l'assegnazione delle licenze, aste che hanno fatto entrare miliardi di dollari nei bilanci di varie amministrazioni. Soltanto in Germania i licenziatari hanno pagato 50,8 miliardi di euro. Dal momento che la tecnologia è ancora immatura si prevede che i primi proventi cominceranno ad arrivare gradualmente solo a partire dalla fine del 2004.
La gamma di frequenze allocata dall'ITU è già utilizzata negli USA. Il range 1900 MHz è usato per le reti 2G (PCS), mentre il range 2100 MHz è destinato ad usi militari. La FCC sta cercando di liberare il range 2100 MHz per i servizi 3G, ciononostante si prevede che negli USA l'UMTS dovrà condividere alcune frequenze del range 1900 MHz con le reti 2G esistenti. Nella maggior parte degli altri paesi le reti 2G GSM utilizzano le bande di frequenza 900 MHz e 1800 MHz, e quindi in questi paesi non si porrà il problema delle sovrapposizioni con frequenze destinate alle nuove reti UMTS.
Fino a quando l'FCC non deciderà quali frequenze destinare in modo esclusivo alle reti 3G, non sarà possibile sapere a quali frequenze opererà l'UMTS negli Stati Uniti. Attualmente l'AT&T Wireless si è impegnata a rendere operativa la rete UMTS negli Stati Uniti entro la fine del 2004 usando unicamente la banda 1900 MHz già assegnata alle reti 2G PCS.
Altri standard concorrenti
Esistono altri standard 3G concorrenti dell'UMTS, come ad esempio il CDMA2000, e sistemi di tipo proprietario come iBurst della Arraycom, Flarion e WCDMA-TDD della IPWireless. Comunque si prevede che le reti 3G GSM/UMTS erediteranno la posizione dominante del sistema GSM, divenendo uno standard di fatto per le reti ed i servizi 3G. Sia la tecnologia CDMA2000 che la WCDMA sono accettati dall'ITU come parte integrante della famiglia di standard 3G IMT-2000, in aggiunta allo standard della Cina (TD-SCDMA) e allo standard EDGE.
Poiché il CDMA2000 è un'evoluzione dello standard cdmaOne, non richiede nuove assegnazioni di frequenza e può funzionare senza problemi con le frequenze dei sistemi PCS esistenti. Attualmente il pioniere dell'installazione di reti UMTS è la 3, che non aveva installato in precedenza reti GSM.
Molti operatori GSM degli USA sembrano avere l'intenzione di adottare la tecnologia EDGE come soluzione di transizione. La AT&T Wireless ha lanciato l'EDGE nel 2003, la Cingular ha lanciato lo stesso sistema in ambiti regionali, e la T-Mobile USA ha in programma l'installazione di EDGE in tutti gli USA in tempi molto rapidi. I punti di forza di EDGE sono che può utilizzare le attuali frequenze GSM e che è compatibile con i terminali GSM esistenti. EDGE, quindi, costituisce una soluzione di breve termine per gli operatori GSM e costituisce inoltre una valida alternativa al CDMA2000.
Problemi e dibattiti aperti
Alcuni dei principali problemi che gli operatori devono tuttora risolvere sono:
- realizzare la commutazione (handover) da una cella radio GSM ad una cella UMTS. Attualmente è possibile solo l'handover inverso, dal 3G al 2G;
- ridurre il peso eccessivo dei terminali portatili, aumentare la capacità delle batterie;
- i terminali dotati di tutte le funzionalità, compresi i servizi di Video on Demand, necessitano di una stazione radio base ogni 100 metri, cosa realizzabile a costi contenuti in aree urbane ad alta concentrazione abitativa, ma attualmente impossibile in zone urbane a bassa densità di popolazione e in zone rurali. Pur volendo limitare il carico della cella al 50% e la velocità a 128 kbit/s il raggio massimo di una cella non va oltre i 400 ÷ 500 m;
- fronteggiare la concorrenza della tecnologia Wi-Fi nel settore broadband (accesso a banda larga);
- ridurre i costi d'impianto che, attualmente, a parità di copertura base fornita per il servizio voce, va da 4 a 10 volte il costo della rete GSM;
- verificare l'effettiva possibilità di ricavare ulteriori profitti dai nuovi servizi a valore aggiunto. Alcuni analisti prevedono che l'aumento della concorrenza, la maggiore diffusione della rete e la possibilità di accedere a Internet dai terminali mobili finiranno con l'assorbire anche i margini di profitto attualmente esistenti.
Voci correlate
- Wi-Fi: tecnologia per reti locali LAN wireless, complementare all'UMTS, ma anche alternativa ad esso per quanto riguarda alcune delle sue prime applicazioni commerciali.
- GSM (Global System for Mobile Communications - Standard di telefonia mobile 2G
- GPRS (General Packet Radio Service) - Standard di telefonia mobile 2.5G
Collegamenti esterni
- UMTS FAQ sul mondo UMTS in generale
- Worldwide W-CDMA frequency allocations sul mondo UMTS in generale
- Worldwide UMTS Deployment Forum sull'UMTS
- UMTS TDD Alliance Alleanza Globale UMTS TDD