Aperçu de l'architecture réseau 3G

Les réseaux mobiles de troisième génération (3G), normalisés comme IMT-2000 par l'Union internationale des télécommunications, ont apporté un changement fondamental de la voix commutée en circuit à une architecture hybride capable de fournir des données à haute vitesse et des services multimédias. La norme 3G la plus largement déployée est le système universel de télécommunications mobiles (UMTS), basé sur la technologie d'accès multiple de la division de code à large bande (W-CDMA). L'architecture est séparée en trois grands segments : l'équipement utilisateur (UE), le réseau d'accès radio terrestre UMTS (UTRAN) et le réseau central (CN). L'UTRAN est composé de deux composantes logiques : le nœud B (station de base) et le contrôleur de réseau radio (RNC). Ensemble, ces éléments assurent une connectivité sans faille, la gestion de la mobilité et la qualité du service sur l'ensemble des empreintes cellulaires.

Comprendre les rôles de chaque composant et la façon dont ils communiquent sur des interfaces normalisées (Iub, Iur, Iu) est essentiel pour les ingénieurs de réseau, les étudiants en télécommunications et tous ceux qui participent à la conception de systèmes mobiles. Cet article fournit une plongée en profondeur technique et autorisée dans l'architecture, les fonctions et les interactions de Node B, RNC et Core Network, ainsi que les protocoles qui rendent les réseaux 3G fiables et évolutives.

Node B: La station de base de l'UTRAN

Le nœud B est le radiorécepteur physique qui fournit l'interface air à l'équipement utilisateur dans une cellule géographique spécifique. Il est le pendant UTRAN d'une station de radiorécepteur de base GSM (BTS). Le nœud B gère tous les traitements de couche 1 (couche physique), y compris le codage de canal, la propagation/dépandage, la modulation, le contrôle de puissance et le transfert souple combinant.

Fonctions clés du nœud B

  • Radio Transmission et réception: Le nœud B transmet et reçoit des signaux W-CDMA sur l'interface Uu dédiée. Il gère plusieurs transporteurs et secteurs, chacun prenant en charge de nombreux utilisateurs simultanés via le multiplexage de division de code.
  • Contrôle de puissance en boucle interne:[ Pour lutter contre le problème de proximité dans les systèmes CDMA, le Node B exécute un contrôle de puissance rapide à une vitesse de 1500 Hz, ajustant la puissance de transmission de l'UE pour maintenir un rapport signal-interférence cible (SIR).
  • Soft/Soft Handover Support: Le nœud B participe à la combinaison de la macro diversité, où plusieurs nœuds B (ou secteurs) reçoivent la même transmission UE et la transmettent au RNC. Le nœud B effectue également une combinaison plus souple pour les secteurs sous la même station de base.
  • Rapport sur les mesures : Les mesures du noeud B ont reçu la force du signal, la qualité et le moment de l'émission des rapports et des UE au RNC pour les décisions de transfert et l'affectation des ressources.
  • Fermeture de l'interface de lub: Le nœud B se connecte au RNC via l'interface Iub, transportant les deux données du plan utilisateur (à partir des MAC-hs dans l'accès à un paquet de liaison descendante haute vitesse, ou à partir des cadres RLC) et de la signalisation du plan de commande (NBAP – Node B Application Part).

Architecture matérielle du nœud B

Un nœud B typique comprend une ou plusieurs unités de bande de base (UBU) qui gèrent le traitement numérique, et des unités radio à distance (RUR) ou des émetteurs-récepteurs intégrés qui convertissent la bande de base en RF. Le BBU exécute les algorithmes de couche physique, tandis que le RRU amplifie et filtre le signal. Les B de nœuds sont souvent déployés dans des configurations qui soutiennent 1, 3 ou 6 secteurs, avec jusqu'à quatre transporteurs par secteur dans le W-CDMA. Pour l'accès à un paquet à grande vitesse (HSPA), les B de nœuds comprennent du matériel supplémentaire pour les MAC-hs ou les MAC-e, ce qui déplace une certaine intelligence de la RNC vers la station de base pour réduire la la la latence.

Interface et protocoles Iub

L'interface Iub entre le Node B et le RNC utilise le mode de transfert asynchrone (ATM) ou le transport IP. Sur le plan utilisateur, plusieurs cadres DCH sont multiplexés en flux AAL2 (ATM Adaptation Layer 2) ou IP/UDP. Le plan de contrôle utilise NBAP (Node B Application Part) pour la configuration de liaisons radio, la suppression, la reconfiguration et le contrôle de mesure.

Contrôleur de réseau radio (RNC)

Le RNC est le contrôleur intelligent qui gère les ressources radio sur plusieurs nœuds B. Il se connecte au réseau central via l'interface Iu et aux autres RNC via l'interface Iur. Le RNC est responsable de la configuration de la connexion, de la gestion de la mobilité et de la qualité du service. Il peut être considéré comme le « cerveau » du réseau d'accès radio.

Rôles du RNC : contrôle, service et dérift

Dans l'UMTS, un RNC peut assumer différents rôles pour une session d'UE donnée :

  • Serveur RNC (SRNC):[ Le RNC qui contrôle la connexion UE. Il gère le lien Iu au réseau central, gère les décisions de transfert, effectue le contrôle de la puissance externe et tamponne les données pour les retransmissions dans RLC (Radio Link Control).
  • Drift RNC (DRNC):[ Lorsqu'une UE se déplace dans une cellule contrôlée par une autre RNC, le nœud B de cette cellule transmet les données à la DRNC, qui les envoie ensuite à la SRNC par l'intermédiaire de l'interface Iur. La DRNC ne tient pas la connexion Iu pour cette UE.
  • Contrôle RNC (CRNC):[ Chaque nœud B est contrôlé par exactement un RNC pour la configuration des canaux communs et le contrôle d'admission. Le CRNC peut être le SRNC pour certains EU et le DRNC pour d'autres.

Fonctions clés du RNC

  • Gestion des ressources radio (GRR):[ La RNC alloue et traite les radios, gère la congestion et effectue le contrôle d'admission, le contrôle de la charge et l'ordonnancement des paquets (pour les canaux non HSPA).
  • Contrôle de la poignée :[ Le RNC décide quand déclencher des transferts mous, plus doux ou plus dures à partir de rapports de mesure de l'UE. Il contrôle également la combinaison/la fractionnement des flux de données au SRNC pendant la remise en main douce.
  • Outer-Loop Power Control:[ Le RNC ajuste le SIR cible pour chaque UE en fonction des mesures de BLER (Block Error Rate).
  • Sécurité:[ Le RNC participe à la mise en mémoire et à la protection de l'intégrité du plan de commande, en utilisant les clés fournies par le réseau de base.
  • Iu Interface Control: Le RNC met fin au protocole RANAP (Radio Access Network Application Part) sur les interfaces Iu-CS (circuitées) et Iu-PS (paquetées-switchées), en gérant l'enregistrement, la recherche et la configuration de session.

RNC Protocole Stack

Le RNC héberge plusieurs protocoles d'interface radio :

  • RRC (Radio Resource Control):[ Poigne l'établissement de connexion, le contrôle de mesure et la signalisation de liaison descendante. Les états RRC (IDLE, CELL DCH, CELL FACH, CELL PCH, URA PCH) définissent les niveaux d'activité et l'utilisation des ressources de l'UE.
  • RLC (Radio Link Control):[ Fournit la segmentation/le montage, la correction d'erreur (ARQ) et le contrôle du débit. RLC fonctionne en mode transparent (TM), non reconnu (UM) ou reconnu (AM) selon le service.
  • MAC (Media Access Control):[ Cartographier les canaux logiques vers les canaux de transport, la gestion des priorités et l'horaire.
  • PDCP (Packet Data Convergence Protocol):[ Effectue la compression d'en-tête IP et pour VoLTE plus tard, mais en 3G il réduit les frais généraux pour les données de paquets.

Le réseau de base

Le réseau Core en 3G est divisé en deux domaines : Circuit-Switched (CS) et Packet-Switched (PS). Ces domaines traitent respectivement la voix et les données, avec certaines fonctions qui se chevauchent. Le réseau Core est responsable du routage, de la gestion des abonnés, de l'authentification et de l'interconnexion avec les réseaux externes (PNTN, Internet, autres PNMN).

Composants de domaine commutés par circuit

  • Centre de commutation mobile (MSC):[ Le SMC gère le contrôle des appels vocaux, les SMS et les données commutées par circuit (comme les appels vidéo CS). Il contient le registre de localisation des visiteurs (VLR) pour les données temporaires d'abonné et les mises à jour de localisation. Le SMC se connecte au RNC via l'Iu-CS (en utilisant RANAP) et à d'autres MSC via l'ISUP/SCCP.
  • Gateway MSC (GMSC):[ Un MSC qui sert de point d'entrée pour les appels provenant de réseaux externes (p. ex. RTPC). GMSC demande au HLR d'acheminer les appels vers le MSC/VLR actuel.
  • Home Location Register (HLR):[ Une base de données centrale qui stocke en permanence les informations des abonnés (IMSI, MSISDN, services abonnés, clés d'authentification). HLR prend en charge les mises à jour de localisation et le routage des appels.
  • Centre d'authentification (AuC):[ Génére des vecteurs d'authentification (RAND, XRES, CK, IK) pour la vérification des abonnés et la dérivation des clés de chiffrement.
  • Registre d'identité du matériel (EIR):[ Une base de données facultative qui stocke les numéros IMEI pour la liste noire des appareils volés.

Composants de domaine commutés par paquets

  • Serving GPRS Support Node (SGSN):[ Le SGSN gère les services commutés par paquets pour les utilisateurs de sa zone de service. Il assure la gestion de la mobilité (Attach, RAU), la gestion de session (activation du contexte PDP), la recharge et le codage. Il se connecte au RNC via Iu-PS (RANAP sur IP ou ATM) et au GGSN via Gn/Gp (GPRS Tunneling Protocol).
  • Gateway GPRS Support Node (GGSN):[ Le GGSN agit comme passerelle entre le réseau mobile et les réseaux de données de paquets externes (Internet, réseaux locaux d'entreprise). Il alloue des adresses IP aux UE, effectue le routage IP, applique les politiques QoS et tunnele les sessions d'abonnés via GTP (GPRS Tunneling Protocol). Le GGSN gère également la sélection de services basés sur APN.
  • Border Gateway (BG): Utilisé pour l'itinérance entre les PLMN GPRS, la connexion de la maison et les réseaux visités via une interface Gp.

HLR et HSS Evolution

En 3G pur, le HLR détient à la fois des données d'abonnés CS et PS. Au fur et à mesure que les réseaux évoluent vers IMS et SAE (System Architecture Evolution), le HLR a été remplacé par le Home Subscriber Server (HSS), qui prend également en charge l'authentification IP Multimedia Subsystem (IMS).

Interactions entre le nœud B, le RNC et le réseau central

Une session complète d'appel ou de données 3G circule à travers plusieurs couches. Considérez une UE dans l'état CELL DCH effectuant une session de navigation web:

  1. L'UE est connectée par une liaison radio W-CDMA à un nœud B. Le nœud B mesure son SIR reçu et règle en permanence la puissance de l'UE par le contrôle de boucle interne.
  2. Les données utilisateur sont envoyées par voie aérienne en utilisant des canaux dédiés ou partagés. Le nœud B effectue un transfert souple combinant si l'UE est en transfert doux avec plusieurs nœuds B.
  3. Le nœud B fait passer les blocs de transport vers le SRNC sur l'Iub. Le RNC effectue des retransmissions RLC ARQ si nécessaire et réassemble le PDCP PDU après décompression de l'en-tête.
  4. Le SRNC envoie ensuite les données utilisateur sur l'Iu-PS au SGSN, qui les encapsule dans GTP-U et les envoie au GGSN.
  5. GGSN renvoie les paquets IP vers le réseau externe. Les paquets entrants suivent le chemin inverse, le HLR étant consulté pour la mobilité lorsque l'UE est inactif.
  6. Pour les appels téléphoniques, le SRNC envoie des cadres de parole (AMR) sur l'Iu-CS au SMC, qui fait route par le TDM ou IP vers le RTPC ou un autre SMC.
  7. La signalisation (RRC, messages NAS) utilise le plan de contrôle : le nœud B avance NBAP/NBAP? En fait, les messages RRC passent au-dessus de SRB (Signaling Radio Bearer) géré par RNC; les messages NAS (p. ex. pour la gestion de la mobilité, le contrôle des appels) sont transmis au réseau central en utilisant RANAP.

Scénarios de mobilité et de transfert

3G prend en charge plusieurs types de transferts :

  • Soft Handover: UE est connecté à plusieurs nœuds B simultanément. Le RNC (SRNC) combine les données de liaison ascendante et sélectionne le meilleur flux de liaison descendante. Cela augmente la fiabilité aux bords des cellules.
  • Remise plus souple: Même chose que douce mais entre les secteurs du même nœud B, manipulée en interne.
  • Remise à la main: Utilisé pour les transferts interfréquences ou intersystèmes (p. ex., 3G à 2G). L'UE rompt momentanément la connexion, retune et rétablit.
  • SRNC Relocalisation:[ Lorsque l'UE se déplace vers une autre zone de RNC, la SRNC déménage via l'interface Iur ou une remise directe en main dure. Le réseau central met à jour le SGSN/MSC avec la nouvelle RNC.

Le RNC contrôle les transferts à l'aide de rapports de mesure de l'UE (événement 1A, 1B, 1C, etc.). Le transfert souple est une caractéristique clé de l'AMCD-W, améliorant la capacité et réduisant la probabilité de panne.

Cadre de qualité des services dans les réseaux 3G

3G définit quatre classes QoS (conversation, streaming, interactive, arrière-plan) pour soutenir divers services. Le RNC et Core Network font appliquer la QoS par :

  • Négociation de la nature:[ Lors de l'activation du contexte PDP, l'UE demande des paramètres QoS (classe de trafic, débit binaire, délai, fiabilité).
  • Régulation de la radio : La RNC cartographie les canaux de transport QoS vers W-CDMA (DCH, DSCH, HS-DSCH, etc.) et choisit le mode RLC approprié.
  • Packet Scheduling:[ Dans HSPA, le programmeur MAC-hs répartit dynamiquement les ressources de liaison descendante, tandis que RNC gère le contrôle d'admission pour prévenir la surcharge.
  • Police et façonnage: GGSN ou des éléments de réseau externes font respecter les contrats de trafic et façonnent les ruptures de liaison descendante.

Cette architecture QoS a été une avancée majeure sur 2G, permettant des appels vidéo en temps réel et des taux de données assurés.

Évolution: de 3G à HSPA et au-delà

Pour répondre à la demande croissante de données, 3GPP a introduit un accès à paquets haute vitesse (HSPA). HSPA a déplacé l'ordonnancement vers le nœud B (MAC-hs pour la liaison descendante, MAC-e pour la liaison ascendante), la réduction de la participation des CNR et l'augmentation de l'efficacité spectrale.

  • HSDPA (Downlink):[ Jusqu'à 14,4 Mbps pic en utilisant la modulation et le codage adaptatifs (QPSK/16QAM), le QAR hybride et la planification rapide des paquets au Node B.
  • HSUPA (Uplink):[ Jusqu'à 5,76 Mbps avec horaire du nœud B et HARQ rapide.
  • HSPA+: Introduction du MIMO (sortie multiple d'entrée), 64QAM, agrégation à deux porteurs et architecture RAN tout-IP (Iub sur IP), poussant les taux de pointe à 42 Mbps et au-delà. Certains opérateurs ont reporté HSPA+ jusqu'au déploiement LTE.

Le rôle du RNC a évolué : dans le HSPA, le RNC gère toujours la mobilité, mais le Node B prend plus de tâches de programmation radio. Plus tard, dans le LTE/SAE, l'architecture s'est aplatie entièrement (eNodeB remplace Node B et RNC, et le Core Network devient un Evolved Packet Core).

Conclusion

L'architecture réseau 3G de Node B, RNC et Core Network fournit une structure hiérarchique robuste qui équilibre le contrôle centralisé avec l'intelligence radio distribuée. Node B gère les tâches de la couche physique et le contrôle de puissance rapide; la RNC gère les ressources radio, la mobilité et la QoS; le Core Network traite le trafic et gère les données des abonnés. Comprendre cette architecture est fondamental pour les professionnels des télécommunications qui travaillent sur l'optimisation du réseau, le dépannage ou le déploiement de systèmes existants.

Pour plus de détails, voir les spécifications 3GPP (TS 25.401, TS 23.060, TS 25.433) et les manuels standard sur l'UMTS. Un aperçu détaillé des interfaces Iu et Iub se trouve dans cette spécification technique ETSI pour la description générale de l'UTRAN.