Reseña de la arquitectura de red 3G

La red de control de las células de tercer generación (3G), estandarizada como IMT-2000 por la Unión Internacional de Telecomunicaciones, trajo un cambio fundamental de la voz desgarrada a una arquitectura híbrida capaz de datos de alta velocidad y servicios multimedia. La norma 3G más desplegada es el sistema universal de telecomunicaciones móviles (UMTS), basado en la tecnología de acceso a radio de banda ancha (UT-CDMA).

Comprender los roles de cada componente y cómo se comunican sobre interfaces estandarizadas (Iub, Iur, Iu) es esencial para ingenieros de red, estudiantes de telecomunicaciones y cualquier persona que participe en el diseño del sistema móvil. Este artículo proporciona una inmersión técnica y autoritativa en la arquitectura, funciones e interacciones de Node B, RNC y Core Network, junto con los protocolos que hacen que las redes 3G sean confiables y escalables.

Nodo B: La estación de base de UTRAN

Nodo B es el transceptor de radio físico que proporciona la interfaz de aire al equipo de usuario dentro de una célula geográfica específica. Es el contraparte UTRAN de una estación de transceptor de la base GSM (BTS). Nodo B maneja todo el procesamiento de capas 1 (capa física), incluyendo codificación de canales, difusión/despreading, modulación, control de potencia y la suave transferencia de mano combinando.

Funciones clave del nodo B

  • Radio Transmisión y Recepción: Nodo B transmite y recibe señales W-CDMA en la interfaz Uu dedicada. Gestiona múltiples operadores y sectores, cada uno de los cuales soporta a muchos usuarios simultáneos mediante la multisección de código-división.
  • Control de potencia interior-Loop: Para combatir el problema de cerca en los sistemas de CDMA, Node B ejecuta el control de potencia rápido a una velocidad de 1500 Hz, ajustando la energía de transmisión de la UE para mantener un objetivo Ratio de señal a conexión (SIR). Esto es crítico para la vida de la batería y la capacidad.
  • Soft/Softer Handover Support: Node B participa en la combinación de macrodiversidad, donde múltiples Node Bs (o sectores) reciben la misma transmisión de la UE y la envían al RNC. El Nodo B también realiza una entrega más suave que combina para sectores bajo la misma estación base.
  • Medición Presentación de informes: Las medidas del Nodo B recibieron fuerza de señal, calidad y tiempo de las UEs e informan al RNC para la adopción de decisiones y asignación de recursos.
  • ]Lub Interface Termination: Nodo B se conecta a la RNC a través de la interfaz Iub, transportando ambos datos de plano de usuario (desde la MAC-hs en High-Speed Downlink Packet Access, o desde marcos RLC) y señalización de control (NBAP – Node B Application Part).

Nodo B Hardware Architecture

Un Nodo B típico incluye una o más Unidades de Baseband (BBUs) que manejan el procesamiento digital, y Unidades de radio remotas (RRU) o transceptores integrados que convierten la banda base a RF. El BBU ejecuta los algoritmos de capa física, mientras que el RRU amplifica y filtra la señal. Nodo Bs se despliega a menudo en configuraciones que soportan 1, 3 o 6 sectores, con hasta cuatro transportadores por sector de alta calidad.

Iub Interface and Protocols

La interfaz Iub entre Node B y RNC utiliza el Modo de Transferencia Asincrónica (ATM) o el transporte IP. En el plano de usuario, varios marcos DCH se multiplexan en AAL2 (ATM Adaptation Layer 2) o IP/UDP streams. El plano de control utiliza NBAP (Node B Application Part) para la configuración de enlaces de radio, eliminación, reconfiguración y control de medición.

Controlador de la red de radio (RNC)

El RNC es el controlador inteligente que gestiona los recursos de radio en múltiples Node Bs. Se conecta a la Red Core a través de la interfaz Iu y a otros RNC a través de la interfaz Iur. El RNC es responsable de la configuración de conexión, gestión de movilidad y aplicación de calidad de servicio. Se puede ver como el "cerebro" de la red de acceso a radio.

Funciones RNC: Control, Servición y Drift

En UMTS, un RNC puede asumir diferentes roles para una sesión de la UE determinada:

  • Serving RNC (SRNC): El RNC que controla la conexión de la UE. Gestiona el enlace Iu con la Red Core, maneja decisiones de entrega, realiza control de potencia externa y almacena datos para retransmisiones en RLC (Radio Link Control).
  • ]Drift RNC (DRNC): Cuando una UE se mueve en una célula controlada por un RNC diferente, el Nodo B en esa célula envía datos al DRNC, que luego lo envía al SRNC a través de la interfaz Iur. El DRNC no mantiene la conexión Iu para esa UE.
  • Controlar RNC (CRNC): Cada Nodo B es controlado por exactamente un RNC para la configuración y el control de admisión de canales comunes. El CRNC puede ser el SRNC para algunas UEs y el DRNC para otros.

Funciones clave de la RNC

  • Radio Resource Management (RRM): El RNC asigna y distribuye radio portadores, administra congestión y realiza el control de admisión, control de carga y programación de paquetes (para canales no de SHSPA).
  • Control de agarre: El RNC decide cuándo activar las transferencias suaves, suaves o duras basadas en los informes de medición de la UE. También controla la combinación/proporción de los flujos de datos en el SRNC durante la entrega suave.
  • Control de potencia de salida-aeropuerto: El RNC ajusta el objetivo SIR para cada UE basado en mediciones de BLER (Block Error Rate) que garantiza una calidad adecuada sin poder de desperdicio.
  • Seguridad: El RNC participa en la protección de la cifra y la integridad del plano de control, utilizando las claves proporcionadas por la Red Core.
  • Iu Interface Control: El RNC termina el protocolo RANAP (Radio Access Network Application Part) sobre el Iu-CS (circuit-switched) e Iu-PS (packet-switched) interfaces, administrando el registro de la UE, paging y configuración de sesión.

RNC Protocol Stack

El RNC alberga varios protocolos de interfaz de radio:

  • RRC (Radio Resource Control):] Establecimiento de conexión de manijas, control de medición y señalización de enlace. Los estados RRC (IDLE, CELL DCH, CELL FACH, CELL PCH, URA PCH) definen los niveles de actividad de la UE y el uso de recursos.
  • RLC (Radio Link Control): Proporciona segmentación/reasemencia, corrección de errores (ARQ) y control de flujo. RLC funciona en modo transparente (TM), no reconocido (UM), o reconocido (AM) dependiendo del servicio.
  • MAC (Media Access Control): Modificar canales lógicos para el transporte, la gestión prioritaria y la programación. En HSPA, MAC-hs (en Nodo B) y MAC-e se utilizan para datos de alta velocidad.
  • PDCP (Protocolo de Convergencia de Datos de Packet):] Realiza compresión de cabecera IP y para VoLTE más tarde, pero en 3G reduce la sobrecarga para los datos de paquete.

La red básica

La Red Core en 3G se divide en dos dominios: Circuit-Switched (CS) y Packet-Switched (PS). Estos manipulan voz y datos respectivamente, con algunas funciones superpuestas. La Red Core es responsable de la enrutamiento, gestión de suscriptores, autenticación e interconexión con redes externas (PSTN, Internet, otros PLMN).

Componentes de dominio giratorios

  • Mobile Switching Center (MSC): El MSC maneja el control de llamadas de voz, SMS y datos de conmutación de circuitos (como las llamadas de vídeo CS). Contiene el Registro de ubicación del visitante (VLR) para los datos de suscriptores temporales y actualizaciones de ubicación. El MSC se conecta al RNC a través de Iu-CS (utilizando RANAP) y a otros MSC.
  • Gateway MSC (GMSC): Un MSC que sirve como punto de entrada para llamadas de redes externas (p. ej., PSTN). GMSC consulta el HLR a la ruta llama a la actual MSC/VLR.
  • Inicio Registro de ubicación (HLR): Una base de datos central que almacena permanentemente información de suscriptores (IMSI, MSISDN, servicios suscritos, claves de autenticación). HLR admite actualizaciones de ubicación y la routing de llamadas.
  • Centro de Atenticación (AuC): Genera vectores de autenticación (RAND, XRES, CK, IK) para verificación de suscriptores y derivación clave de cifrado. Los datos de AuC se almacenan en HLR pero el AuC es una entidad lógica separada.
  • Registro de Identidad de Equipación (EIR): Una base de datos opcional que almacena números IMEI para la lista negra de dispositivos robados.

Componentes de dominio de paquete-switched

  • ]Nodo de soporte GPRS (SGSN): El SGSN gestiona los servicios de paquetes de usuarios dentro de su área de servicio. Realiza la gestión de movilidad (Asociación, RAU), gestión de sesión (activación del contexto PDP), carga y cifrado. Se conecta a la RNC a través de Iu-PS (RANAP) a la IP o GGPn
  • Gateway GPRS Support Node (GGSN): El GGSN actúa como puerta de entrada entre la red móvil y redes externas de datos de paquetes (Internet, redes corporativas). asigna direcciones IP a las UEs, realiza la enrutación IP, hace cumplir las políticas de QoS y las sesiones de abonados por túneles a través de GTP (Proto de selección de GPNS).
  • Border Gateway (BG):] Se utiliza para el andar entre PLMN GPRS, conectando el hogar y visitando redes a través de una interfaz Gp.

HLR y Evolución HSS

En 3G puro, el HLR contiene tanto datos de suscriptores de CS como PS. A medida que las redes evolucionaron hacia IMS y SAE (Evolución de Arquitectura de Sistemas de Sistemas), el HLR fue reemplazado por el servidor de suscriptor de Inicio (HSS), que también soporta la autenticación del subsistema multimedia IP (IMS).

Interacciones entre el Nodo B, el RNC y la Red Core

Una llamada 3G completa o sesión de datos fluye a través de múltiples capas. Considere una UE en el estado CELL DCH realizando una sesión de navegación web:

  1. La UE está conectada a través de un enlace de radio W-CDMA con un Nodo B. Nodo B mide su SIR recibido y ajusta continuamente la energía de la UE a través del control de bucle interior.
  2. Los datos de usuario se envían por el aire utilizando canales dedicados o compartidos. Nodo B realiza una suave entrega combinando si la UE está en suave entrega con múltiples Node Bs.
  3. Node B envía bloques de transporte al SRNC sobre Iub. El RNC realiza retransmisiones ARQ RLC si es necesario, y se vuelve a montar PDCP PDU después de la descompresión del encabezado.
  4. El SRNC envía los datos de usuario sobre Iu-PS al SGSN, que lo encapsula en GTP-U y envía al GGSN.
  5. GGSN envía paquetes IP a la red externa. Los paquetes de entrada siguen el camino inverso, con el HLR consultado para la movilidad cuando la UE está ociosa.
  6. Para llamadas de voz, el SRNC envía marcos de discurso (AMR) sobre Iu-CS al MSC, que se dirige a través de TDM o IP al PSTN u otro MSC.
  7. La señalización (RRC, mensajes del NAS) utiliza el plano de control: Node B forwards NBAP/NBAP? En realidad, los mensajes RRC pasan por SRB (Señal de radio) manejados por RNC; los mensajes del NAS (por ejemplo, para la gestión de la movilidad, el control de llamadas) se pasan transparentemente a la Red Core usando RANAP.

Escenarios de movilidad y de traspaso

3G admite varios tipos de transferencias:

  • Soft Handover:] La UE está conectada a múltiples Nodos Bs simultáneamente. La RNC (SRNC) combina los datos de enlace ascendente y selecciona la mejor secuencia de enlace. Esto aumenta la fiabilidad en los bordes de las células.
  • Softer Handover:] Igual que suave pero entre sectores del mismo Nodo B, manejado internamente.
  • Hard Handover:] Se utiliza para las transferencias de frecuencias o intersistemas (por ejemplo, 3G a 2G). La UE rompe momentáneamente la conexión, los retunes y los reestablece.
  • Relocación de RNC: Cuando la UE se mueve a una zona diferente de RNC, el SRNC se traslada a través de la interfaz de Iur o una entrega dura directa. La Red Core actualiza el SGSN/MSC con el nuevo RNC.

El RNC controla las entregas utilizando informes de medición de la UE (Evento 1A, 1B, 1C, etc.). La entrega suave es una característica clave de la W-CDMA, mejorando la capacidad y reduciendo la probabilidad de despilfarro.

Calidad del Marco de Servicio en redes 3G

3G define cuatro clases de QoS (conversacional, streaming, interactivo, fondo) para apoyar diversos servicios. La RNC y la Red Core hacen cumplir QoS a través de:

  • Trabajación de los usuarios: Durante la activación del contexto PDP, la UE solicita parámetros QoS (clase comercial, velocidad de bits, retraso, fiabilidad). SGSN y GGSN autorizan según datos de suscripción.
  • Radio Bearer Setup: El RNC mapea los canales de transporte QoS a W-CDMA (DCH, DSCH, HS-DSCH, etc.) y elige el modo RLC adecuado.
  • Programación de paquetes: En HSPA, el programador MAC-hs de Nodo B asigna dinámicamente recursos de enlace descendente, mientras que RNC maneja el control de admisión para prevenir sobrecarga.
  • Policing and Shaping: GGSN o elementos de red externos imponen contratos de tráfico y dan forma a las explosiones de enlace descendente.

Esta arquitectura QoS fue un avance importante sobre 2G, permitiendo llamadas en video en tiempo real y tasas de datos aseguradas.

Evolución: De 3G a HSPA y Más Allá

Para satisfacer la creciente demanda de datos, 3GPP introdujo el acceso de paquete de alta velocidad (HSPA). HSPA movió la programación de la programación al Nodo B (MAC-hs para el enlace de enlace, MAC-e para el enlace de enlace), la participación RNC reducida, y el aumento de la eficiencia espectral.

  • HSDPA (Downlink): Hasta 14.4 Mbps pico usando modulación y codificación adaptativas (QPSK/16QAM), ARQ híbrido y programación rápida de paquetes en Nodo B.
  • HSUPA (Uplink): Hasta 5.76 Mbps con programación de Nodo B y HARQ rápido.
  • HSPA+:] Introdujo MIMO (Multiple Input Multiple Output), 64QAM, aggregation de doble carrier, y arquitectura de RAN de todo IP (Iub over IP), empujando las tasas máximas a 42 Mbps y más allá. Algunos operadores aplazaron HSPA+ hasta el despliegue de LTE.

El rol de RNC evoluciona: en HSPA, el RNC todavía maneja la movilidad, pero el Nodo B toma más tareas de programación radio. Más tarde, en LTE/SAE, la arquitectura se ha aplanado completamente (eNodeB reemplaza a Nodo B y RNC, y la Red Core se convierte en un núcleo de paquete evolucionado). Sin embargo, muchas redes 3G coexisten con LTE y 5G para la cobertura de voz (CSFB) y cobertura.

Conclusión

La arquitectura de red 3G de Node B, RNC y Core Network proporciona una estructura robusta y jerárquica que equilibra el control centralizado con la inteligencia de radio distribuida. Node B maneja tareas de capas físicas y control de potencia rápida; el RNC gestiona recursos de radio, movilidad y QoS; el Core Network dirige el tráfico y gestiona los datos de suscriptores. Entendiendo esta arquitectura es fundamental para los profesionales de telecomunicaciones que trabajan en sistemas de optimización de recursos de red.

Para más lectura, consulte las especificaciones 3GPP (TS 25.401, TS 23.060, TS 25.433) y los libros de texto estándar en UMTS. En este apartado se puede encontrar una descripción detallada de las interfaces Iu e Iub ]].