تقنية 3G UMTS

يعد (UMTS) مصطلح شامل لتقنيات الراديو من الجيل الثالث التي طورتها (3GPP)، كما تحدد (UMTS) نظام شبكة كامل، حيث يستخدم مكون الوصول اللاسلكي المعروف باسم (UTRAN) وتقنية (WCDMA) لتقديم كفاءة طيفية أكبر وعرض نطاق لمشغلي شبكات الهاتف المحمول، كما يتضمن النظام الشبكة الأساسية؛ الكيان الذي يتعامل مع الشبكات الخارجية بما في ذلك شبكة الهاتف العامة وشبكات الاتصالات المتنقلة الأخرى.

ما هي تقنية 3G UMTS؟

تقنية (3G UMTS) باستخدام تقنية (WCDMA): هي نظام اتصالات متنقل من الجيل الثالث يتم تشغيله تحت رعاية (3GPP) يوفر اتصال بيانات الجوال وصوت تبديل الدائرة، كما يستخدم (UMTS) إصداراً واسع النطاق من (CDMA) يشغل قناة بعرض (5 ميجا هرتز).

نظراً لكونه أوسع من منافسه (CDMA2000) الذي يستخدم قناة (1.25 ميجا هرتز) فقط، فقد عُرف مخطط التعديل باسم النطاق العريض (CDMA أو WCDMA / W-CDMA)، وغالباً ما تم استخدام هذا الاسم للإشارة إلى النظام بأكمله.

مواصفات 3GPP UMTS:

من أجل إنشاء وإدارة نظام معقد مثل (UMTS أو WCDMA)، فمن الضروري تطوير وصيانة عدد كبير من الوثائق والمواصفات، أمّا بالنسبة إلى (UMTS أو WCDMA)، تتم إدارتها الآن بواسطة مجموعة تعرف باسم (3GPP) أي برنامج شراكة الجيل الثالث، وهذا تعاون عالمي بين ستة شركاء تنظيميين (ARIB وCCSA وETSI وATIS وTTA وTTC).

كان نطاق (3GPP) هو إنتاج المواصفات الفنية المطبقة عالمياً لنظام اتصالات متنقل من الجيل الثالث، كما يعتمد ذلك على شبكات (GSM) الأساسية وتقنيات الوصول إلى الراديو التي تدعمها أي الوصول العالمي للأرض الراديوي (UTRA) كلا من أوضاع تقسيم التردد المزدوج (FDD) والازدواج بتقسيم الزمن (TDD)، ومنذ إنشائها في الأصل تولت (3GPP) مسؤولية معايير (GSM) وكذلك النظر في التطورات المستقبلية بما في ذلك تطور طويل الأمد (LTE) وتقنية (4G) المعروفة باسم (LTE Advanced).

قدرات 3G UMTS:

يستخدم (UMTS) نطاق واسع النطاق (WCDMA) كأساس للإرسال اللاسلكي، كما يستخدم عرض نطاق قناة (5 ميجا هرتز)، وباستخدام هذا النطاق الترددي يمكنه إجراء أكثر من (100 مكالمة) صوتية متزامنة أو يمكنه نقل البيانات بسرعات تصل إلى (2 ميجابت في الثانية) بصيغته الأصلية، ولكن مع التحسينات اللاحقة لـ (HSDPA وHSUPA) المضمنة في الإصدارات اللاحقة من المعيار، تمت زيادة سرعات نقل البيانات إلى (14.4 ميجابت في الثانية).

تم نقل العديد من الأمور التي تم دمجها في (GSM) وتم العمل على تحسينها لـ (UMTS)، حيث تم نقل مكونات مثل بطاقة (SIM) إلى بطاقة (SIM) عالمية أكثر قوة (USIM)، بالإضافة إلى ذلك تم العمل على تصميم الشبكة بحيث يمكن استخدام التحسينات المستخدمة في (GPRS وEDGE مع UMTS)، وبهذه الطريقة يتم تقليل الاستثمار المطلوب إلى الحد الأدنى.

كما أنّ لـ (UMTS) مواصفات تسمح بكل من وضعي تقسيم التردد (FDD) وتقسيم الوقت (TDD)، أمّا الأنماط الأولى التي يتم استخدامها هي أساليب (FDD)، حيث يكون الوصلة الصاعدة والوصلة الهابطة على ترددات مختلفة، أمّا التباعد بينهما هو (190 ميجاهرتز) لشبكات النطاق 1 المستخدمة حالياً ويتم نشرها.

ومع ذلك، فإن أسلوب (TDD) حيث تنقسم الوصلة الصاعدة والوصلة الهابطة في الوقت المناسب مع المحطات القاعدية ومن ثم ترسل الهواتف المحمولة بالتناوب على نفس التردد مناسباً بشكل خاص لمجموعة متنوعة من التطبيقات، وعندما يكون الطيف محدوداً ولا تتوفر نطاقات مقترنة متباعدة بشكل مناسب، كما أنّه يعمل بشكل جيد حيث يتم استخدام الخلايا الصغيرة ونظراً لأنّ وقت الحراسة مطلوب بين الإرسال والاستقبال، فسيكون هذا أصغر عندما تكون أوقات العبور أصغر نتيجةً للمسافات الأقصر التي يتم تغطيتها.

ظهرت ميزة أخرى من حقيقة أنّه يتم نقل المزيد من البيانات في الوصلة الهابطة نتيجةً لتصفح الإنترنت وتنزيل الفيديو وما شابه، وهذا يعني أنّه من الأفضل في كثير من الأحيان تخصيص المزيد من السعة للوصلة الهابطة وعند استخدام الطيف المقترن، ومع ذلك عند استخدام نظام (TDD) يمكن تغيير التوازن بين إرسالات الوصلة الهابطة والوصلة الصاعدة لاستيعاب هذا الاختلال وبالتالي تحسين الكفاءة.

وبهذه الطريقة، يمكن أن تكون أنظمة (TDD) عالية الكفاءة عند استخدامها في الخلايا الصغيرة لنقل بيانات الإنترنت، حيث لم يتم نشر أنظمة (TDD) على نطاق واسع ولكن هذا قد يحدث أكثر في المستقبل، ونظراً لطابعها غالباً ما يشار إليها باسم (TD-CDMA) أي تقسيم الوقت (CDMA).

تقنيات 3G UMTS / WCDMA:

هناك العديد من المجالات الرئيسية لـ (3G UMTS / WCDMA)، كما يتوفر الكثير من التقنيات الرئيسية التي تم استخدامها لتمكين (UMTS / WCDMA) من توفير قفزة في الأداء مقارنة مع سابقاتها من الجيل الثاني.

1. السطح البيني الراديوي:

بعمل السطح البيني الراديوي (UMTS) على توفير التعريف الأساسي للإشارة الراديوية، حيث يشغل (W-CDMA) قنوات بسرعة (5 ميغاهرتز) وله تنسيقات محددة لعناصر، مثل المزامنة والتحكم في الطاقة.

2. تقنية CDMA:

يعتمد (3G UMTS) على مخطط يعرف باسم الوصول المتعدد لتقسيم الكود (CDMA)؛ لتمكين أجهزة متعددة أو معدات مستخدم من الوصول إلى المحطة الأساسية، وأمّا استخدام مخطط طيف الانتشار بالتسلسل المباشر يكون لتجهيزات (UE) المختلفة رموز مختلفة ويمكنّها جميعاً التحدث إلى المحطة الأساسية على الرغم من أنّها جميعها على نفس التردد.

3. هندسة شبكة UMTS:

تم تصميم بنية شبكة (UMTS) لتمكين نقل حزم البيانات عبر الشبكة، ومع الاستمرار في تمكينها من دعم صوت تبديل الدائرة، كما يتم أيضاً دعم جميع الوظائف المعتادة التي تتيح الوصول إلى الشبكة الإلكترونية والتجوال وما شابه ذلك.

4. مخططات تشكيل UMTS:

ضمن تنسيق إشارة (CDMA)، تُستخدم مجموعة متنوعة من أشكال التشكيل وهذه هي عادة أشكال مفتاح إزاحة الطور.

5. قنوات UMTS:

كما هو الحال مع أي نظام هاتف متنقل، يلزم وجود قنوات بيانات مختلفة لتمرير بيانات الحمولة بالإضافة إلى معلومات التحكم ولتمكين تخصيص الموارد المطلوبة، كما تُستخدم مجموعة متنوعة من قنوات البيانات المختلفة لتمكين إنجاز هذه المرافق.

6. UMTS TDD:

هناك طريقتان لتوفير مزدزجتان لـ (3G UMTS)، واحد هو ما يسمى مزدوج تقسيم التردد (FDD)، حيث يستخدم هذا قناتين متباعدتين بشكل كافٍ بحيث يمكن للمستقبل أن يستقبل أثناء تشغيل جهاز الإرسال أيضاً، وطريقة أخرى هي استخدام الإرسال المزدوج للرؤية الزمنية (TDD) حيث يتم تخصيص فترات زمنية قصيرة للإرسال في كلا الاتجاهين، وباستخدام هذه الطريقة يلزم وجود قناة واحدة فقط.

7. التسليم – Handover:

أحد المجالات الرئيسية لأي نظام اتصالات متنقلة هو التسليم من خلية إلى أخرى، وباستخدام (CDMA) هناك العديد من أشكال التسليم التي يتم تنفيذها داخل النظام.

نطاقات تردد الجيل الثالث 3G UMTS WCDMA وUARFCN:

استخدم (3G UMTS) عدداً من الترددات القياسية والنطاقات والقنوات (UARFCN) والتي يمكن حسابها بسهولة، وعلى الرغم من وجود العديد من النطاقات والترددات المتاحة الآن للاتصالات المتنقلة، إلّا أنّ (3G UMTS) لديها عدد من النطاقات المعروفة التي كانت تستخدم على نطاق واسع لنقل هذه الخدمات.

تتمثل إحدى مزايا استخدام (3G UMTS) في تنسيق الطيف في جميع أنحاء العالم بشكل جيد، وهذا يعني أنّ الهواتف المحمولة يمكن أن يكون لها عدد محدود نسبياً من النطاقات إذا كانت تعمل في أي مكان، وعلى الرغم من ظهور (4Gو5G) وعدد أكبر بكثير من المستخدمين، فقد انتشرت تخصيصات الطيف وتم تخصيصها وفقاً للتوافر المحلي، حيث كانت نطاقات (3G) والتخصيصات أكثر تنسيقاً.

أساسيات نطاقات UMTS:

مع تزايد استخدام (3G UMTS)، ازدادت أيضاً متطلبات تخصيص التردد، حيث تم وضع نطاقات التردد في منطقة (1885 – 2025 و2110 – 2200 ميجاهرتز) جانباً، كما وُضعت نطاقات التردد هذه جانباً في الأصل في المؤتمر الإداري العالمي للراديو عام 1992م، لتمكين الإدارات الراغبة في تنفيذ الاتصالات المتنقلة الدولية (IMT-2000) من استخدامها على نطاق عالمي.

مع تزايد الحاجة إلى طيف تردد إضافي مع زيادة استخدام (3G UMTS)، تم تخصيص المزيد من التخصيصات، وعلى الرغم من عدم توفر جميع الفرق الموسيقية في جميع البلدان، إلّا أنّ جميع النطاقات تُدار على أساس دولي، وبهذه الطريقة يكون التجوال ممكناً دون الحاجة إلى عدد كبير من نطاقات التردد التي يلزم دمجها في كل جهاز محمول.

عرض النطاق الترددي 3G UMTS:

تستخدم (UMTS CDMA) عريض النطاق كآلية نقل راديوي وتباعد قنوات تردد (UMTS) بمقدار 5 ميجا هرتز، حيث يُعتبر عرض نطاق إشارة (UMTS) عادةً (5 ميجاهرتز) ولكن هذا الرقم يشمل نطاقات الحماية (0.58 ميجاهرتز) على كلا الجانبين، لذلك عندما يتم استبعاد نطاقي الحراسة أحدهما على كلا الجانبين، فإنّ هذا يترك وعرض نطاق إشارة فعال يبلغ (3.84 ميجا هيرتز) داخل منطقة الاستجابة المسطحة للإشارة للإرسال نفسه.

من الضروري مراعاة عامل الانقلاب للإشارة (0.22)، حيث يتم تحديد عامل الانقلاب هذا بواسطة مرشح (Root Raised Cosine) المحدد بواسطة (3GPP)، ممّا يعني أنّ إجمالي عرض النطاق الترددي للإشارة الذي يزيد من الإختلافات هو (4.68 ميجاهرتز)، وتجدر الإشارة إلى أنّ عرض النطاق الترددي المستخدم لمتغير (TD-SCDMA) من الجيل الثالث (3G UMTS) المستخدم في الصين هو (1.6 ميجا هرتز).