Überblick über die 3G-Netzwerkarchitektur

Die dritte Generation (3G) Mobilfunknetze, die von der International Telecommunication Union als IMT-2000 standardisiert wurden, brachten einen grundlegenden Wandel von einer leitungsvermittelten Spracharchitektur zu einer hybriden Architektur, die Hochgeschwindigkeitsdaten und Multimediadienste ermöglicht. Der am weitesten verbreitete 3G-Standard ist das Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), das auf der Breitband-Code-Multiple-Access-Technologie (W-CDMA) basiert. Die Architektur ist sauber in drei Hauptsegmente unterteilt: die Benutzerausrüstung (UE), das UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) und das Kernnetz (CN). Die UTRAN besteht aus zwei logischen Komponenten: dem Node B (Basisstation) und dem Radio Network Controller (RNC). Zusammen bieten diese Elemente nahtlose Konnektivität, Mobilitätsmanagement und Qualitätsgarantien über Mobilfunk-Fußabdrücke hinweg.

Die Rollen der einzelnen Komponenten zu verstehen und wie sie über standardisierte Schnittstellen (Iub, Iur, Iu) kommunizieren, ist für Netzwerkingenieure, Telekommunikationsstudenten und alle, die am Design mobiler Systeme beteiligt sind, von wesentlicher Bedeutung. Dieser Artikel bietet einen maßgeblichen, technischen Einblick in die Architektur, Funktionen und Interaktionen von Node B, RNC und Core Network sowie die Protokolle, die 3G-Netzwerke zuverlässig und skalierbar machen.

Node B: Die Basisstation in UTRAN

Node B ist der physische Funk-Transceiver, der die Luftschnittstelle zu Benutzergeräten innerhalb einer bestimmten geografischen Zelle bereitstellt; er ist das UTRAN-Gegenstück einer GSM-Basis-Transceiverstation (BTS), Node B übernimmt alle Verarbeitungen der Schicht 1 (physische Schicht), einschließlich Kanalcodierung, Streuung/Verbreitung, Modulation, Leistungssteuerung und Soft-Handover-Kombination.

Hauptfunktionen von Node B

  • Radioübertragung und -empfang: Node B sendet und empfängt W-CDMA-Signale auf der dedizierten Uu-Schnittstelle. Es verwaltet mehrere Träger und Sektoren, wobei jeder viele gleichzeitige Benutzer über Codemultiplex unterstützt.
  • Inner-Loop Power Control: Um das Nah-Fern-Problem in CDMA-Systemen zu bekämpfen, führt Node B eine schnelle Leistungssteuerung mit einer Rate von 1500 Hz aus und passt die UE-Sendeleistung an, um ein Zielsignal-zu-Interferenz-Verhältnis (SIR) aufrechtzuerhalten.
  • Soft/Softer Handover Support: Node B nimmt an der Makrodiversitätskombination teil, bei der mehrere Node Bs (oder Sektoren) die gleiche UE-Übertragung erhalten und an die RNC weiterleiten. Node B führt auch eine weichere Handover-Kombination für Sektoren unter derselben Basisstation durch.
  • Messberichte: Node B-Messungen erhielten Signalstärke, Qualität und Timing von UEs und Berichte an die RNC für Übergabeentscheidungen und Ressourcenzuweisung.
  • Lub Interface Termination: Node B verbindet sich über die Iub-Schnittstelle mit dem RNC und transportiert sowohl Benutzerebenendaten (von den MAC-hs in High-Speed Downlink Packet Access oder von RLC-Frames) als auch Steuerebenensignalisierung (NBAP – Node B Application Part).

Node B Hardware Architektur

Ein typischer Knoten B umfasst eine oder mehrere Basisbandeinheiten (BBUs), die digitale Verarbeitung handhaben, und Remote Radio Units (RRUs) oder integrierte Transceiver, die das Basisband in RF umwandeln. Die BBU führt die physikalischen Schichtalgorithmen aus, während die RRU das Signal verstärkt und filtert. Knoten Bs werden oft in Konfigurationen eingesetzt, die 1, 3 oder 6 Sektoren unterstützen, mit bis zu vier Trägern pro Sektor in W-CDMA. Für High-Speed Packet Access (HSPA) enthalten Knoten Bs zusätzliche Hardware für MAC-hs oder MAC-e-Zeitplanung, die einige Intelligenz von der RNC zur Basisstation bewegt, um die Latenz zu reduzieren.

Iub Interface und Protokolle

Die Iub-Schnittstelle zwischen Node B und RNC nutzt Asynchrone Transfer Mode (ATM) oder IP-Transport. Auf der Benutzerebene werden mehrere DCH-Rahmen in AAL2 (ATM Adaptation Layer 2) oder IP/UDP-Streams gemultiplext. Die Steuerungsebene nutzt NBAP (Node B Application Part) für Funkverbindungsaufbau, Löschung, Rekonfiguration und Messsteuerung. Die Transportnetzwerksteuerungsebene übernimmt ALCAP (Access Link Control Application Part) für AAL2-Bindung. In modernen Einsatzfällen reduziert IP-basiertes Iub Kosten und Komplexität.

Funknetz-Controller (RNC)

Die RNC ist die intelligente Steuerung, die Funkressourcen über mehrere Knoten Bs verwaltet. Sie verbindet sich über die Iu-Schnittstelle mit dem Kernnetzwerk und über die Iur-Schnittstelle mit anderen RNCs. Die RNC ist für den Verbindungsaufbau, das Mobilitätsmanagement und die Durchsetzung der Dienstqualität verantwortlich. Sie kann als das "Gehirn" des Funkzugangsnetzwerks angesehen werden.

RNC-Rollen: Controlling, Serving und Drift

In UMTS kann ein RNC verschiedene Rollen für eine bestimmte UE-Sitzung übernehmen:

  • Serving RNC (SRNC): Die RNC, die die Verbindung des UE steuert. Sie verwaltet die Iu-Verbindung zum Kernnetzwerk, übernimmt Übergabeentscheidungen, führt eine Stromsteuerung im äußeren Schleifenbereich durch und speichert Daten für die erneute Übertragung in RLC (Radio Link Control).
  • Drift RNC (DRNC): Wenn sich ein UE in eine Zelle bewegt, die von einem anderen RNC gesteuert wird, leitet der Knoten B in dieser Zelle Daten an das DRNC weiter, das es dann über die Iur-Schnittstelle an das SRNC sendet.
  • Steuerelement RNC (CRNC): Jeder Knoten B wird von genau einem RNC für die gemeinsame Kanalkonfiguration und Zutrittskontrolle gesteuert.

Schlüsselfunktionen der RNC

  • Radio Resource Management (RRM): Die RNC ordnet und deloziert Funkträger, verwaltet Staus und führt Zutrittskontrolle, Lastkontrolle und Paketplanung (für Nicht-HSPA-Kanäle) durch.
  • Handover Control: Der RNC entscheidet, wann weiche, weichere oder harte Handovers ausgelöst werden sollen, basierend auf UE-Messberichten.
  • Outer-Loop Power Control: Die RNC passt die Ziel-SIR für jedes UE auf Basis von BLER-Messungen (Block Error Rate) an.
  • Sicherheit: Die RNC beteiligt sich an der Chiffrierung und dem Integritätsschutz für die Kontrollebene unter Verwendung der vom Kernnetzwerk bereitgestellten Schlüssel.
  • Iu Interface Control: Die RNC beendet das RANAP (Radio Access Network Application Part) Protokoll auf den Iu-CS (circuit-switched) und Iu-PS (paket-switched) Schnittstellen, verwaltet die UE-Registrierung, das Paging und die Sitzungseinstellung.

RNC Protocol Stack

Das RNC beherbergt mehrere Funkschnittstellenprotokolle:

  • RRC (Radio Resource Control): Handhabt Verbindungsaufbau, Messsteuerung und Downlink-Signalisierung. RRC-Zustände (IDLE, CELL DCH, CELL FACH, CELL PCH, URA PCH) definieren UE-Aktivitätsniveaus und Ressourcennutzung.
  • RLC (Radio Link Control): Bietet Segmentierung/Wiederaufbau, Fehlerkorrektur (ARQ) und Flusssteuerung. RLC arbeitet je nach Dienst im transparenten (TM), nicht bestätigten (UM) oder anerkannten (AM) Modus.
  • MAC (Media Access Control): Mapping Logical Channels to Transport Channels, Priority Handling, and Scheduling. In HSPA werden MAC-hs (in Node B) und MAC-e für Highspeed-Daten verwendet.
  • PDCP (Packet Data Convergence Protocol): Führt IP-Header-Komprimierung und für VoLTE später durch, aber in 3G reduziert es den Overhead für Paketdaten.

Das Kernnetz

Das Kernnetz in 3G ist in zwei Domänen unterteilt: Circuit-Switched (CS) und Packet-Switched (PS), die Sprach- und Datenverarbeitung mit teilweise überlappenden Funktionen übernehmen. Das Kernnetz ist für Routing, Abonnentenverwaltung, Authentifizierung und die Verbindung mit externen Netzwerken (PSTN, Internet, andere PLMNs) zuständig.

schaltungsvermittelte Domänenkomponenten

  • Mobile Switching Center (MSC): Der MSC verarbeitet Sprachanrufsteuerung, SMS und leitungsvermittelte Daten (wie CS-Videoanrufe). Es enthält das Visitor Location Register (VLR) für temporäre Teilnehmerdaten und Standortaktualisierungen. Der MSC verbindet sich mit dem RNC über Iu-CS (unter Verwendung von RANAP) und mit anderen MSCs über ISUP/SCCP.
  • Gateway MSC (GMSC): Ein MSC, der als Einstiegspunkt für Anrufe von externen Netzwerken (z. B. PSTN) dient. GMSC fragt den HLR ab, um Anrufe an den aktuellen MSC/VLR zu leiten.
  • Home Location Register (HLR): Eine zentrale Datenbank, die dauerhaft Teilnehmerinformationen speichert (IMSI, MSISDN, abonnierte Dienste, Authentifizierungsschlüssel).
  • Authentizitätszentrum (AuC): Erzeugt Authentifizierungsvektoren (RAND, XRES, CK, IK) für die Verifizierung von Abonnenten und die Ableitung von Chiffrierschlüsseln. AuC-Daten werden in HLR gespeichert, aber das AuC ist eine separate logische Entität.
  • Equipment Identity Register (EIR): Eine optionale Datenbank, die IMEI-Nummern für die Blacklisting-Liste gestohlener Geräte speichert.

Paketvermittelte Domänenkomponenten

  • Serving GPRS Support Node (SGSN): Der SGSN verwaltet paketvermittelte Dienste für die Nutzer in seinem Servicebereich. Er führt Mobilitätsmanagement (Attach, RAU), Sitzungsmanagement (PDP-Kontextaktivierung), Laden und Chiffrieren durch. Er verbindet sich mit dem RNC über Iu-PS (RANAP über IP oder ATM) und mit dem GGSN über Gn/Gp (GPRS Tunneling Protocol).
  • Gateway GPRS Support Node (GGSN): Der GGSN fungiert als Gateway zwischen dem Mobilfunknetz und externen Paketdatennetzen (Internet, Unternehmens-LANs). Er weist IP-Adressen an UEs zu, führt IP-Routing durch, erzwingt QoS-Richtlinien und Tunnels für Teilnehmersitzungen über GTP (GPRS Tunneling Protocol) durch.
  • Border Gateway (BG): Wird für Inter-PLMN GPRS-Roaming verwendet, indem das Heim- und das besuchte Netzwerk über eine Gp-Schnittstelle verbunden werden.

HLR und HSS Evolution

In reinen 3G, die HLR hält sowohl CS und PS-Abonnentendaten. Als Netzwerke in Richtung IMS und SAE (System Architecture Evolution) entwickelt, wurde die HLR durch den Home Subscriber Server (HSS) ersetzt, die auch IP Multimedia Subsystem (IMS) Authentifizierung unterstützt.

Interaktionen zwischen Node B, RNC und Core Network

Ein vollständiger 3G-Aufruf oder eine Datensitzung fließt durch mehrere Schichten.

  1. Das UE ist über eine W-CDMA-Funkverbindung mit einem Node B verbunden. Node B misst seinen empfangenen SIR und passt die UE-Leistung über eine innere Schleifenregelung kontinuierlich an.
  2. Benutzerdaten werden über dedizierte oder gemeinsame Kanäle gesendet. Node B führt eine Soft-Handover-Kombination durch, wenn sich das UE in einer Soft-Handover-Kombination mit mehreren Node B befindet.
  3. Knoten B leitet Transportblöcke über Iub an die SRNC weiter. Die RNC führt bei Bedarf RLC-ARQ-Retransmissionen durch und setzt PDCP-PDU nach Header-Dekompression wieder zusammen.
  4. Die SRNC sendet dann die Benutzerdaten über Iu-PS an die SGSN, die sie in GTP-U kapselt und an die GGSN sendet.
  5. GGSN leitet IP-Pakete an das externe Netzwerk weiter. Inbound-Pakete folgen dem umgekehrten Weg, wobei der HLR für die Mobilität konsultiert wird, wenn das UE im Leerlauf ist.
  6. Für Sprachanrufe sendet der SRNC Sprachrahmen (AMR) über Iu-CS an den MSC, der über TDM oder IP an den PSTN oder einen anderen MSC weiterleitet.
  7. Signaling (RRC, NAS-Nachrichten) nutzt die Steuerungsebene: Node B leitet NBAP/NBAP weiter? Eigentlich gehen RRC-Nachrichten über SRB (Signaling Radio Bearer), die von RNC gehandhabt werden; NAS-Nachrichten (z.B. für Mobilitätsmanagement, Call Control) werden transparent über RANAP an das Kernnetz weitergeleitet.

Mobilitäts- und Übergabeszenarien

3G unterstützt verschiedene Arten von Übergaben:

  • Soft Handover: UE ist gleichzeitig mit mehreren Node Bs verbunden. Der RNC (SRNC) kombiniert die Uplink-Daten und wählt den besten Downlink-Stream aus. Dies erhöht die Zuverlässigkeit an Zellenrändern.
  • Softer Handover: Gleiches wie weich, aber zwischen Sektoren desselben Knotens B, intern behandelt.
  • Hard Handover: Wird für Interfrequenz- oder Intersystem-Handovers (z. B. 3G bis 2G) verwendet.
  • SRNC-Umsiedlung: Wenn sich die UE in einen anderen RNC-Bereich bewegt, verlagert sich die SRNC über die Iur-Schnittstelle oder eine direkte Hard-Handover-Übergabe.

Die RNC steuert die Übergaben mit Messberichten von UE (Event 1A, 1B, 1C, etc.). Soft Handover ist ein wichtiges Merkmal von W-CDMA, das die Kapazität verbessert und die Ausfallwahrscheinlichkeit reduziert.

Quality of Service Framework in 3G-Netzen

3G definiert vier QoS-Klassen (Konversation, Streaming, Interaktiv, Hintergrund), um verschiedene Dienste zu unterstützen.

  • Bearer negotiation: Während der PDP-Kontextaktivierung fordert die UE QoS-Parameter (Verkehrsklasse, Bitrate, Verzögerung, Zuverlässigkeit) an. SGSN und GGSN autorisieren basierend auf Abonnementdaten.
  • Radio Bearer Setup: Der RNC bildet QoS zu W-CDMA Transportkanälen (DCH, DSCH, HS-DSCH, etc.) ab und wählt den geeigneten RLC-Modus.
  • Paketplanung: In HSPA weist der MAC-hs-Scheduler von Node B dynamisch Downlink-Ressourcen zu, während RNC die Zutrittskontrolle übernimmt, um Überlastung zu verhindern.
  • Policing and Shaping: GGSN oder externe Netzwerkelemente erzwingen Traffic-Verträge und formen Downlink-Bursts.

Diese QoS-Architektur war ein großer Fortschritt gegenüber 2G, der Echtzeit-Videoanrufe und gesicherte Datenraten ermöglichte.

Evolution: Von 3G zu HSPA und darüber hinaus

Um dem steigenden Datenbedarf gerecht zu werden, führte 3GPP High-Speed Packet Access (HSPA) ein. HSPA verlagerte die Planung auf Node B (MAC-hs für Downlink, MAC-e für Uplink), reduzierte RNC-Beteiligung und erhöhte spektrale Effizienz.

  • HSDPA (Downlink): Bis zu 14,4 Mbps Peak mit adaptiver Modulation und Codierung (QPSK/16QAM), hybridem ARQ und schneller Paketplanung bei Node B.
  • HSUPA (Uplink): Bis zu 5,76 Mbps mit Node B-Planung und schnellem HARQ.
  • HSPA+: wurde MIMO (Multiple Input Multiple Output), 64QAM, Dual-Carrier Aggregation und All-IP RAN Architektur (Iub over IP) eingeführt, was die Spitzenraten auf 42 Mbps und darüber hinaus brachte.

Die Rolle des RNC entwickelte sich: In HSPA verwaltet der RNC immer noch die Mobilität, aber der Node B übernimmt mehr Aufgaben für die Funkplanung. Später, in LTE/SAE, wurde die Architektur vollständig abgeflacht (eNodeB ersetzt Node B und RNC und das Kernnetz wird zu einem Evolved Packet Core).

Schlussfolgerung

Die 3G-Netzwerkarchitektur von Node B, RNC und Core Network bietet eine robuste, hierarchische Struktur, die eine zentrale Steuerung mit verteilter Funkintelligenz ausgleicht. Node B übernimmt Aufgaben auf der physikalischen Ebene und schnelle Energiesteuerung; die RNC verwaltet Funkressourcen, Mobilität und QoS; das Core Network leitet den Datenverkehr und verwaltet die Teilnehmerdaten. Diese Architektur zu verstehen ist für Telekommunikationsexperten, die an Netzwerkoptimierung, Fehlersuche oder Bereitstellung von Legacy-Systemen arbeiten, von grundlegender Bedeutung. Obwohl moderne Netzwerke sich zu flachen IP-Architekturen entwickeln, informieren die Prinzipien des Funkressourcenmanagements, der Mobilität und der QoS, die bei 3G Pionierarbeit geleistet haben, weiterhin das 5G-Design.

Für weitere Informationen siehe die Spezifikationen 3GPP (TS 25.401, TS 23.060, TS 25.433) und Standardlehrbücher zu UMTS. Eine detaillierte Übersicht über die Schnittstellen zwischen Iu und Iub finden Sie in dieser technischen Spezifikation ETSI für die UTRAN-Gesamtbeschreibung.