El desarrollo de la tecnología 3G, definido formalmente por la norma IMT-2000 de la Unión Internacional de Telecomunicaciones, marcó un cambio fundamental en las comunicaciones móviles. A diferencia de su predecesor 2G, que fue optimizado principalmente para datos de voz y baja velocidad (GSM, CDMA), 3G introdujo un núcleo de cableado junto con el dominio tradicional de circuitos, permitiendo servicios de voz y datos simultáneos a velocidades significativamente mayores.

Sinopsis arquitectónica: Los tres principales dominios

Una red 3G, en particular el Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (UMTS) basado en WCDMA, se divide lógicamente en tres dominios principales:

  • Equipos de usuario (UE): El teléfono móvil, el teléfono inteligente o la tarjeta de datos que se comunica a través de la interfaz de aire.
  • UTRAN (UMTS Terrestre Radio Access Network): El subsistema de radio que comprende Nodo Bs y Controladores de Redes de Radio.
  • Core Network (CN): La columna vertebral responsable de cambiar, enrutar y prestar servicios, se dividió más en el dominio de circuito (CS) para voz y el dominio de paquete (PS) para datos.

Estos dominios interactúan a través de interfaces estandarizadas, todas definidas por el Proyecto de la 3a Generación de Alianzas (3GPP). Las siguientes secciones diseccionan cada componente en detalle, explicando su papel y cómo contribuye a la experiencia total sin problemas.

Radio Access Network (UTRAN)

La UTRAN es la parte más visible de una red 3G, antenas y equipos en el sitio de la célula. Maneja todas las tareas relacionadas con la radio, desde la transmisión de señales a dispositivos móviles hasta la gestión de la asignación de recursos.

Base de datos (Nodo B)

El Nodo B es el transceptor de radio físico que se comunica directamente con las Uu en la interfaz de aire. Es el equivalente 3G de una estación de transceptor de base 2G (BTS) pero con una potencia de procesamiento significativamente más para apoyar la tecnología de espectro de propagación de WCDMA. Las funciones clave de Nodo B incluyen:

  • RF Transmisión y Recepción: Opera en la banda 2100 MHz (Band I) en la mayoría de las regiones, aunque existen otras bandas (850, 1900) soporta múltiples operadores y sectores (típicamente 3 a 6).
  • Calificación y codificación de canales: Realiza la codificación Turbo para datos de alta velocidad y codificación convolutiva para la voz, permitiendo una corrección de error robusta sobre el canal de radio apagado.
  • Control de potencia: Ejecuta el control de potencia de cierre rápido a 1500 Hz para mitigar el problema de cerca de la distancia, una característica crítica de WCDMA que impide que una UE ahogue a otros.
  • Soft Handover Support: Coordina con múltiples células durante una suave entrega, enviando y recibiendo simultáneamente datos de varios Node Bs a través de la RNC.
  • Medición Presentación de informes: Recoge métricas de calidad de la señal (Ec/Io, RSCP, pérdida de ruta) y los envía al RNC para la transferencia y decisiones de recursos.

Un Nodo B se conecta a la RNC a través de la interfaz Iub, que puede utilizar diversas tecnologías de transporte como líneas E1/T1, enlaces de microondas o fibra óptica. El Nodo B también alberga las unidades de procesamiento de banda base (anteriormente llamados elementos de canal) que administran múltiples códigos de Walsh para la difusión y eliminación.

Controlador de la red de radio (RNC)

El RNC es el controlador inteligente para el UTRAN, aproximadamente análogo al 2G Controlador de Bases pero mucho más poderoso. Gestiona múltiples Nodos Bs (normalmente decenas a cientos) y realiza una gestión de recursos de radio de alto nivel. Sus responsabilidades incluyen:

  • Control de Recursos Radio (RRC): Establece, mantiene y libera conexiones entre las UEs y la red. La RNC maneja los estados RRC (Idle, Cell FACH, Cell DCH, URA PCH) para optimizar la vida de la batería y el uso de los recursos.
  • Manejo de los ganchos: Controla las transferencias suaves/más suaves dentro de su propio área de cobertura y las entregas duras a través de los límites de RNC. El RNC actúa como el RNC de servicio (SRNC) para una UE determinada.
  • Control de Admisión y Control de Congestión: Decide si se puede aceptar una nueva llamada o sesión de datos sobre la base de los requisitos de carga, interferencia y QoS. También se activa el tráfico durante la sobrecarga.
  • Protección de la cifrado y la integridad: Realiza la autenticación de cifrado y mensajes para garantizar la seguridad de los datos del usuario, utilizando algoritmos definidos por 3GPP.
  • ] Control de potencia de la bucle exterior: establece la calidad de señal de destino (SIR target) para el bucle interior rápido, ajustando la base de la tasa de error de bloque (BLER) para mantener la calidad al minimizar la interferencia.

Interfaz de RNCs entre sí a través de la interfaz Iur, permitiendo la movilidad inter-RNC, y conectarse a la red central a través de la interfaz Iu (Iu-CS para el tráfico de circuitos a la MSC, Iu-PS para el tráfico de paquetes a la SGSN).

Red de núcleo: Dominio giratorio

El dominio de circuitos (CS) maneja llamadas de voz tradicionales, videollamadas (aunque las llamadas de vídeo 3G nunca lograron la adopción masiva), y servicios complementarios como el reenvío de llamadas. Se basa en la arquitectura de red central GSM heredada pero se mejora para 3G.

Centro de conmutación móvil (MSC) y registro de ubicación de visitantes (VLR)

El MSC sirve como el interruptor principal para el tráfico de voz. Se establece, mantiene y desgarra circuitos, mucho como un interruptor PSTN. En 3G, el MSC también maneja la gestión de movilidad para los usuarios de CS. El VLR se integra normalmente con el MSC y almacena datos de suscriptores temporales (zona de ubicación, TMSI, perfiles de servicio complementarios) para los usuarios actualmente en el área de servicio de MSC.

  • Call Control: Gestiona la configuración y la liberación de llamadas usando ISUP (Parte del usuario de ISDN) y BICC (Control de llamadas independiente de portador) sobre IP/E1.
  • Gestión de la movilidad: Procesa Actualizaciones de ubicación, reasignación TMSI y solicitudes de paging.
  • Interworking:] Se conecta a la Red de Teléfonos Interruptores Públicos (PSTN) y a otros PLMNs a través de MSCs de la puerta de entrada.
  • Autorización: Valida la identidad de la UE al preguntar por el HLR y AuC (ver más abajo).

El MSC/VLR se comunica con el RNC sobre la interfaz Iu-CS, que normalmente utiliza ATM (AAL2 para voz) o IP transport en arquitecturas de lanzamiento posteriores.

Registro de ubicación (HLR)

El HLR es la base de datos central que almacena información de suscriptor permanente, incluyendo:

  • Identidad internacional de suscriptor móvil (IMSI).
  • Número de teléfono suscriptor (s) (MSISDN).
  • Servicios de suscripción y perfiles de QoS.
  • Ubicación actual (la dirección del servicio MSC/VLR y SGSN).
  • Datos de autenticación (quintuplets derivados de la clave secreta del suscriptor Ki).

Cuando una UE concede o origina una llamada, el MSC pide al HLR que obtenga información de enrutamiento y verifique el estado del suscriptor. El HLR es un elemento de red crucial para el itinerante también, la capacidad global depende de las actualizaciones de HLR.

Authentication Center (AuC)

El AuC trabaja estrechamente con el HLR para generar vectores de autenticación utilizados por la red de servicio para verificar la identidad del suscriptor y para obtener claves de cifrado. Para cada solicitud de autenticación, el AuC produce un conjunto de cinco parámetros (quintuplets): un desafío aleatorio (RAND), una respuesta firmada (SRES), una clave de cifrado (CK), una clave de integridad (IK) y una red mutua de protección contra la autentificación

Registro de identidad de equipo (EIR)

El EIR almacena los números IMEI (Identidad Internacional del Equipo Móvil) en tres listas: Blanco (apto), Gris (acondicionado), y Negro (blocked). Aunque no todos los operadores despliegan un EIR en la red 3G en vivo, sirve como una herramienta para identificar dispositivos robados o no autorizados. El MSC consulta el EIR durante la configuración de llamadas para comprobar el estado del equipo de la UE.

Red de núcleo: Dominio de paquete con ranura

El dominio de empaquetado (PS) es lo que define realmente la ruptura de 3G de 2G. Permite el acceso a Internet, streaming, correo electrónico y cualquier servicio de datos basado en IN, utilizando IP como protocolo de transporte final a extremo.

Nodo de apoyo de GPRS (SGSN)

El SGSN es responsable de entregar paquetes de datos a y desde las UT dentro de su área de servicio. Actúa como el ancla local para la gestión de la movilidad y la sesión en el dominio PS.

  • Gestión de Movilidad de los PGPRS (GMM):] Manijas adjuntas/detallejas, actualizaciones de área de enrutamiento y paging para sesiones de PS.
  • ] Gestión de la Sesión (SM): Establece, modifica y libera contextos del Protocolo de Datos de Packet (PDP)—sesiones esencialmente entre la UE y un PDN externo (por ejemplo, Internet).
  • Packet Routing and Forwarding: Rutas usuario paquetes IP entre el RNC (via Iu-PS) y el GGSN.
  • Recopilación de datos: Recopila los registros de uso (CDR) para facturación basada en volumen y tiempo.
  • QoS Enforcement: Maps the requested QoS class (Conversational, Streaming, Interactive, Background) to the Iu-PS bearer parameters.

Las interfaces SGSN con HLR a través de la interfaz Gr para recuperar datos de suscriptores y con el MSC a través de la interfaz Gs para actualizaciones combinadas de paging CS/PS y ubicación.

Nodo de apoyo de la GPRS (GSN)

El GGSN actúa como la puerta de entrada de la red móvil a las redes externas de datos de paquetes (Internet, intranets corporativos, etc.) Desde la perspectiva de la UE, el GGSN aparece como el router de puerta de entrada predeterminado.

  • Dirección de IP Asignación: Asigna direcciones IP dinámicas o estáticas a las UEs durante la activación del contexto PDP.
  • Access Point Name (APN) Resolución:] Maps the APN provided by the UE to the correct external network (e.g., "internet" routes to public IP, "corp.example.com" route to a VPN gateway).
  • Paquete Filtración y cortafuegos: Aplica características de carga, puede realizar NAT y puede hacer cumplir las reglas de política.
  • Policing y Forma de tráfico: Refuerza los límites de ancho de banda por subscriptor o por PNA.
  • Interlaborando con PDNs: Mantiene conectividad a través de protocolos de enrutamiento IP (BGP/OSPF) a redes externas.

El GGSN se puede localizar en cualquier lugar de la red del operador; no necesita estar cerca del usuario. El SGSN y GGSN se conectan a través de la interfaz Gn/Gp internamente (o a través de PLMNs para el itinerante).

Carga de puerta y sistemas de facturación

Aunque no siempre se considera un "componente" de la infraestructura de red, el núcleo desplegable se basa en una función de puerta de carga (CGF) o sistema de carga en línea (OCS) que recibe RDC de la SGSN y GGSN. Estos son procesados por el sistema de facturación. 3G introdujo modelos de carga flexibles: cargas basadas en volumen, tiempo garantizado, y calidad.

Sistemas de transmisión: El Backhaul e Interconexión

Todos estos componentes deben estar vinculados por redes de transmisión fiables y de alta capacidad. En las primeras implementaciones 3G, el backhaul de Node Bs a RNCs a menudo utiliza circuitos TDM (E1/T1), a veces aumentada con Múltiples ATM inversos. A medida que el tráfico creció, los operadores emigraron a Ethernet sobre fibra, enlaces de microondas y más tarde IP/MPLS.

  • Cell Site Access: Nodo B a RNC (Iub). Típicamente E1 fraccional para sitios rurales de bajo tráfico, múltiples E1s o Ethernet rápido para células macro urbanas.
  • Interconexión RNC (Iur):] A menudo sobre fibras o líneas alquiladas para permitir la continuidad de la transferencia de mano suave a través de los límites RNC.
  • Enlaces de red de código (Iu-CS, Iu-PS):] Enlaces de alta capacidad (STM-1/OC-3 o Gigabit Ethernet) que conectan las ECR a MSCs y SGSNs. A menudo se agregan en una oficina central.
  • Interconexión de redes de contactos: Entre MSC y PSTN, SGSN/GSN y la columna vertebral de Internet, utilizando SS7/SIGN para la señalización y IP/Ethernet para datos de usuario.

La sincronización es otro aspecto crítico del backhaul. 3G Node Bs requiere sincronización de frecuencia precisa (0.05 ppm para WCDMA)—a menudo derivada de receptores GPS en el sitio de la célula o de Ethernet sincronizado (SyncE) y el IEEE 1588v2 Precision Time Protocol sobre el backhaul.

Red de firmas y red inteligente (IN)

Debajo del plano de datos del usuario se encuentra una red de señalización sofisticada que controla todo. En 3G, la señalización utiliza protocolos SS7 (MAP, ISUP) sobre enlaces tradicionales TDM o SIGTRAN basados en IP (M3UA, SUA).

  • Punto de Transferencia de Firmas (STP):] Rutas Mensajes SS7 entre MSCs, HLRs y SGSNs.
  • ] Punto de Control de Servicios (SCP): acoge servicios de red inteligentes como facturación prepagada, consultas de bases de datos de portabilidad de números y lógica de red privada virtual (VPN). En 3G, CAMEL (Aplicaciones personalizadas para red móvil Logic) es la plataforma IN estándar, permitiendo servicios específicos para el operador incluso cuando se vaga.

Calidad del servicio (QoS) y gestión de los portadores

Uno de los aspectos más complejos de la infraestructura 3G es el marco QoS. El 3GPP define cuatro clases de tráfico: Conversational (voice), Streaming (video), Interactive (web Navigation), y Antecedentes (email). Cada portador (portador de acceso radio, RAB) tiene atributos específicos: velocidad máxima, velocidad garantizada, retraso de transferencia y prioridad de tráfico.

Evolución: HSPA y Más Allá

Aunque este artículo se centra en la infraestructura 3G según se define originalmente, es importante señalar que 3G rápidamente evolucionaron a 3,5G con acceso a paquetes de alta velocidad (HSDPA) y más tarde HSUPA (colectivamente HSPA). Estas mejoras requerían mejoras a Nodo B (programación HS-DSCH y E-DCH), RNC (nuevos algoritmos para la programación de red dual)

Conclusión

La infraestructura de red 3G es un sistema complejo y elegante de componentes interoperatorios: desde las torres de radio (Nodo B) y los controladores (RNC) que administran la interfaz de aire, hasta los elementos de red centrales (MSC, SGSN, GGFN, HLR, Auspeed) que utilizan el marco de la ruta y las redes de transmisión y señalización que lo vinculan.