Le développement de la technologie 3G, formellement définie par la norme IMT-2000 de l'Union internationale des télécommunications, a marqué un tournant décisif dans les communications mobiles. Contrairement à son prédécesseur 2G, qui a été optimisé principalement pour les données vocales et à basse vitesse (GSM, CDMA), 3G a introduit un noyau commuté par paquets aux côtés du domaine traditionnel des commutations de circuits, permettant des services de téléphonie et de données simultanées à des vitesses nettement plus élevées.

Aperçu architectural : Les trois grands domaines

Un réseau 3G, en particulier le système universel de télécommunications mobiles (UMTS), basé sur la WCDMA, est logiquement divisé en trois domaines principaux:

  • Équipement d'utilisateur (UE):[ Le téléphone mobile, le smartphone ou la carte de données qui communique sur l'interface aérienne.
  • UTRAN (UMTS Réseau d'accès radio terrestre):[ Sous-système radio comprenant les nœuds B et les contrôleurs de réseau radio.
  • Core Network (CN):[ L'épine dorsale responsable de la commutation, du routage et de la prestation de services, a été divisée en deux domaines : le domaine de la voix et le domaine de la voix et du paquetage (PS) pour les données.

Ces domaines interagissent au moyen d'interfaces normalisées, définies par le Projet de partenariat de 3e génération (3GPP). Les sections suivantes dissectionnt chaque composante en détail, expliquant son rôle et comment elle contribue à l'expérience globale sans faille.

Réseau d'accès radio (UTRAN)

L'UTRAN est la partie la plus visible d'un réseau 3G, soit des tondeuses, des antennes et de l'équipement sur le site de la cellule. Il s'occupe de toutes les tâches liées à la radio, depuis la transmission de signaux aux appareils mobiles jusqu'à la gestion de l'allocation des ressources.

Station de base (No B)

Le Node B est l'émetteur radio physique qui communique directement avec les UT sur l'interface Uu. Il est l'équivalent 3G d'une station de radiorécepteur de base 2G (BTS) mais avec une puissance de traitement significativement plus élevée pour soutenir la technologie de spectre de propagation de WCDMA. Les fonctions clés du Node B comprennent:

  • RF Transmission et réception: Fonctionne dans la bande 2100 MHz (Band I) dans la plupart des régions, bien qu'il existe d'autres bandes (850, 1900) . Soutienne plusieurs transporteurs et secteurs (généralement 3 à 6).
  • Codage et décodage du canal:[ Effectue le codage Turbo pour les données à grande vitesse et le codage convolutionnel pour la voix, permettant une correction d'erreur robuste sur le canal radio en train de s'effacer.
  • Le contrôle de puissance : Exécute un contrôle rapide de la puissance en boucle fermée à 1500 Hz pour atténuer le problème proche de loin – une caractéristique critique de l'ACMM qui empêche une UE de noyer d'autres.
  • Soft Handover Support:[ Coordonne avec plusieurs cellules lors d'une remise douce, en envoyant et en recevant simultanément des données de plusieurs nœuds B via le RNC.
  • Rapport sur la mesure:[ Recueille les mesures de la qualité du signal (Ec/Io, RSCP, perte de chemin) et les envoie au RNC pour qu'il prenne des décisions de transfert et de ressources.

Un nœud B se connecte au RNC via l'interface Iub, qui peut utiliser diverses technologies de transport telles que les lignes E1/T1, les liaisons micro-ondes ou les fibres optiques. Le nœud B abrite également les unités de traitement de bande de base (anciennement appelées éléments de canal) qui gèrent plusieurs codes Walsh pour la propagation et la diffusion.

Contrôleur de réseau radio (RNC)

Le RNC est le contrôleur intelligent de l'UTRAN, à peu près analogue au contrôleur de la station de base 2G, mais beaucoup plus puissant. Il gère plusieurs nœuds B (généralement des dizaines à des centaines) et assure une gestion des ressources radio de haut niveau.

  • Radio Resource Control (RRC):[ Établit, maintient et libère des connexions entre les URE et le réseau. Le RNC gère les états RRC (Idle, Cell FACH, Cell DCH, URA PCH) pour optimiser la durée de vie de la batterie et l'utilisation des ressources.
  • Gestion des frais : Contrôle les transferts à la fois doux et plus doux dans sa propre zone de couverture et les transferts durs au-delà des limites de la RNC. La RNC agit comme la RNC servant (SRNC) pour une UE donnée.
  • Décide si une nouvelle session d'appel ou de données peut être acceptée en fonction des exigences de charge, d'interférence et de QoS. Elle agit aussi sur le trafic pendant la surcharge.
  • Ciphering and Integrity Protection:[ Effectue le chiffrement et l'authentification des messages pour assurer la sécurité des données utilisateur, en utilisant des algorithmes définis par 3GPP.
  • Régle la qualité du signal cible (cible SIR) pour la boucle intérieure rapide, en l'ajustant en fonction du taux d'erreur de bloc (BLER) pour maintenir la qualité tout en minimisant les interférences.

Interface RNCs entre elles via l'interface Iur, permettant la mobilité entre les NRC et se connecter au réseau central via l'interface Iu (Iu-CS pour le trafic commuté en circuit vers le MSC, Iu-PS pour le trafic commuté en paquets vers le SGSN).

Réseau de base : Domaine commuté en circuit

Le domaine commuté (CS) gère les appels vocaux traditionnels, les appels vidéo (bien que les appels vidéo 3G n'aient jamais été adoptés de masse) et les services supplémentaires comme l'acheminement des appels. Il est basé sur l'architecture de réseau GSM de base historique mais amélioré pour 3G.

Centre de commutation mobile (CSM) et registre de localisation des visiteurs (VLR)

Le SMC sert de principal commutateur pour le trafic vocal. Il met en place, maintient et déchire des circuits, comme un commutateur PSTN. En 3G, le SMC gère également la gestion de la mobilité pour les utilisateurs CS. Le VLR est généralement intégré au SMC et stocke des données d'abonné temporaire (zone de localisation, TMSI, profils de service supplémentaires) pour les utilisateurs actuellement dans la zone de service du SMC. Les fonctions clés comprennent:

  • Call Control:[ Gère la configuration et la sortie des appels en utilisant ISUP (ISDN User Part) et BICC (Bearer Independent Call Control) sur IP/E1.
  • Gestion de la mobilité:[Mise à jour des lieux des processus, réaffectation de l'IMTG et demandes de téléappel.
  • Interworking:[ Se connecte au réseau téléphonique public commuté (RTPC) et aux autres RPM par voie de passerelle MSC.
  • Authentification: Valide l'identité UE en interrogeant le HLR et l'AuC (voir ci-dessous).

Le MSC/VLR communique avec le RNC sur l'interface Iu-CS, qui utilise généralement les ATM (AAL2 pour la voix) ou le transport IP dans des architectures de sortie ultérieures.

Registre de localisation (HLR)

Le HLR est la base de données centrale qui stocke les renseignements sur les abonnés permanents, notamment :

  • Identité internationale des abonnés mobiles (IMSI).
  • Numéro(s) de téléphone de l'abonné (MSISDN).
  • Services d'abonnement et profils QoS.
  • Emplacement actuel (adresse du MSC/VLR et SGSN).
  • Données d'authentification (quintuples dérivés de la clé secrète Ki de l'abonné).

Lorsqu'un UE fixe ou lance un appel, le SMC demande au HLR d'obtenir des informations sur le routage et de vérifier le statut de l'abonné. Le HLR est un élément de réseau crucial pour l'itinérance et l'accessibilité mondiale dépend des mises à jour du HLR.

Centre d'authentification (AuC)

Pour chaque demande d'authentification, l'AuC produit un ensemble de cinq paramètres (quintuples) : un défi aléatoire (RAND), une réponse signée (SRES), une clé de chiffrement (CK), une clé d'intégrité (IK) et un jeton (AUTN) pour l'authentification mutuelle, ce qui garantit que le réseau et l'UE sont authentiques, protégeant contre l'immoralité.

Registre d'identité du matériel (RIE)

L'EIR stocke les numéros IMEI (International Mobile Equipment Identity) dans trois listes : Blanc (autorisé), Gris (recruté) et Noir (bloquant). Bien que tous les opérateurs ne déploient pas un EIR dans le réseau 3G en direct, il sert d'outil pour identifier les appareils volés ou non autorisés.

Réseau de base : Domaine commuté par paquets

Le domaine PSP (paquet-switched) est ce qui a vraiment défini la rupture de 3G de 2G. Il permet l'accès à Internet, la diffusion en continu, le courrier électronique et tout service de données basé sur IN, en utilisant IP comme protocole de transport de bout en bout.

Node de soutien GPRS (SGSN)

Le SGSN est chargé de fournir des paquets de données à destination et en provenance des UE dans sa zone de service. Il sert d'ancrage local pour la mobilité et la gestion de session dans le domaine PS.

  • GPRS Mobility Management (GMM):[ Poignées attachent/détachent, mises à jour de la zone de routage et recherche pour les sessions PS.
  • Gestion de la session (SM):[ Établit, modifie et publie des contextes de PDP (Paquet Data Protocol) – essentiellement des sessions entre l'UE et un RDP externe (p. ex., Internet).
  • Packet Routage et renvoi:[ Route les paquets IP utilisateurs entre le RNC (via Iu-PS) et le GGSN.
  • Collection de données de charge:[ Recueillir des enregistrements d'utilisation (DCE) pour la facturation en volume et dans le temps.
  • QoS Application de la loi : Trace la classe QoS demandée (conversation, diffusion, interaction, contexte) aux paramètres du porteur Iu-PS.

Le SGSN est utilisé pour la recherche de données sur les abonnés et le SMC pour la recherche de mises à jour de messages de messages et de localisations de CS/PS.

Noeud de soutien GPRS (GGSN)

Le GGSN agit comme passerelle du réseau mobile vers les réseaux de données de paquets externes (Internet, intranets d'entreprise, etc.). Du point de vue de l'UE, le GGSN apparaît comme routeur de passerelle par défaut. Les fonctions comprennent:

  • P Affectation d'adresses : Assigne des adresses IP dynamiques ou statiques aux EU pendant l'activation du contexte PDP.
  • Resolution du nom de point d'accès (APN):[ Planifie les APN fournis par l'UE vers le réseau externe correct (par exemple, les routes "internet" vers IP publique, les routes "corp.example.com" vers une passerelle VPN).
  • Packet Filtrage et pare-feu:[ Applique les caractéristiques de charge, peut effectuer NAT, et peut faire appliquer les règles de politique.
  • Trafic Police and Shaping:[ Application des limites de bande passante par abonné ou par APN.
  • Interaction avec les PDN:[ Maintient la connectivité par l'intermédiaire des protocoles de routage IP (BGP/OSPF) aux réseaux externes.

Le GGSN peut être situé n'importe où dans le réseau de l'opérateur; il n'a pas besoin d'être proche de l'utilisateur. Le SGSN et GGSN se connectent via l'interface Gn/Gp en interne (ou à travers les PNMN pour l'itinérance).

Portail de recharge et systèmes de facturation

Bien que le noyau ne soit pas toujours considéré comme une «composante» de l'infrastructure réseau, il repose sur une fonction de charge de passerelle (CGF) ou un système de charge en ligne (OCS) qui reçoit des DDC du SGSN et du GGSN. Ces derniers sont ensuite traités par le système de facturation.

Systèmes de transmission: le rétro-haul et l'interconnexion

Tous ces composants doivent être reliés par des réseaux de transmission fiables et à haute capacité. Au début des déploiements 3G, les rétrocavaux de nœuds B à RNC utilisent souvent des circuits TDM (E1/T1), parfois augmentés par le multiplexage inverse ATM. Au fur et à mesure que le trafic augmente, les opérateurs migrent vers Ethernet sur fibre, les liaisons hertziennes et ensuite IP/MPLS.

  • Accès au site de la vente: Noeud B à RNC (Iub). E1 fractionnel pour les sites ruraux à faible trafic, plusieurs E1 ou Ethernet rapide pour les macrocellules urbaines.
  • RNC Interconnexion (Iur):[ Souvent sur les lignes dédiées en fibre ou louées pour permettre une continuité de transfert douce au-delà des limites de RNC.
  • Liens réseau de base (Iu-CS, Iu-PS):[ Liens de haute capacité (STM-1/OC-3 ou Gigabit Ethernet) reliant les RNC aux MSC et SGSN. Ces liens sont souvent regroupés dans un bureau central.
  • Interconnexion réseau de base:[ Entre le MSC et le RTPC, le SGSN/GGSN et l'épine dorsale Internet, en utilisant SS7/SIGTRAN pour la signalisation et IP/Ethernet pour les données utilisateur.

La synchronisation est un autre aspect critique du rétrocaveau. Les nœuds 3G B nécessitent une synchronisation précise des fréquences (0,05 ppm pour WCDMA) – souvent dérivée de récepteurs GPS sur le site cellulaire ou d'Ethernet synchrone (SyncE) et de protocole IEEE 1588v2 de précision sur le rétrocaveau.

Réseau de signalisation et réseau intelligent (IN)

Sous le plan de données utilisateur se trouve un réseau de signalisation sophistiqué qui contrôle tout. En 3G, la signalisation utilise les protocoles SS7 (MAP, ISUP) sur les liens traditionnels TDM ou SIGTRAN (M3UA, SUA) basés sur IP. Les entités de signalisation clés comprennent:

  • Point de transfert de signalisation (STP):[ Routes des messages SS7 entre les MSC, les HLR et les SGSN.
  • Point de contrôle de service (SCP):[ Hôtes de services de réseau intelligents tels que la facturation prépayée, les requêtes de base de données de portabilité de numéros et la logique de réseau privé virtuel (VPN).

Qualité du service (QoS) et gestion des porteurs

L'un des aspects les plus complexes de l'infrastructure 3G est le cadre QoS. Le 3GPP définit quatre classes de trafic : Conversationnel (voix), Streaming (vidéo), Interactive (navigation web) et Background (email). Chaque porteur (porteur d'accès radio, RAB) a des attributs spécifiques : débit bit maximal, débit bit garanti, délai de transfert et priorité de traitement du trafic. Le RNC les applique par l'intermédiaire de l'interface radio, tandis que le réseau central les applique sur le backhaul. Ce QoS à plusieurs niveaux permet aux opérateurs d'offrir des prix différenciés – par exemple, des plans de données premium avec des vitesses garanties.

Évolution: HSPA et au-delà

Bien que cet article se concentre sur l'infrastructure 3G telle qu'elle a été définie à l'origine, il est important de noter que la 3G a rapidement évolué en 3,5G avec l'accès à la pile à glissières à haute vitesse (HSDPA) et plus tard HSUPA (collectivement HSPA). Ces améliorations ont nécessité des mises à niveau vers le Node B (ajoutant la grille HS-DSCH et E-DCH), le RNC (nouveaux algorithmes pour la programmation rapide) et le réseau central (pour soutenir des taux de bits plus élevés).

Conclusion

L'infrastructure réseau 3G est un système complexe mais élégant de composants interopérants: des tours radio (Node B) et des contrôleurs (RNC) qui gèrent l'interface air, aux éléments réseau centraux (MSC, SGSN, GGSN, HLR, AuC) qui relient les appels et les données, ainsi qu'aux réseaux de transmission et de signalisation qui relient tout. Chaque composant a été soigneusement conçu par 3GPP pour répondre aux exigences de 2 Mbps IMT-2000 pour les utilisateurs fixes et de 384 kbps pour les utilisateurs mobiles — vitesses qui semblaient révolutionnaires à l'époque. Bien que les 4G et 5G dominent maintenant les titres, les principes d'infrastructure établis par 3G — en particulier la séparation des domaines de circuits et de paquets, l'utilisation de WCDMA avec contrôle de puissance, et le cadre complet QoS — refondant. Pour une plongée plus profonde dans les protocoles et interfaces exacts, se référer aux versions officielles de 3GPP (]]3GPP Release 99 et [Release 4[FLT