Lo sviluppo della tecnologia 3G, formalmente definito dallo standard IMT-2000 dell'Unione Telecomunicazione Internazionale, ha segnato un cambiamento fondamentale nelle comunicazioni mobili.A differenza del suo predecessore 2G, che era principalmente ottimizzato per i dati vocali e a bassa velocità (GSM, CDMA), 3G ha introdotto un core di commutazione dei pacchetti insieme al dominio tradizionale, consentendo ai servizi di voce e dati simultanei a velocità notevolmente più elevate.

Panoramica architettonica: I tre domini principali

Una rete 3G, in particolare il Sistema Universale di Telecomunicazioni Mobile (UMTS) basato su WCDMA, è logicamente divisa in tre domini principali:

  • User Equipment (UE): Il telefono cellulare, lo smartphone o la scheda di dati che comunica sull'interfaccia dell'aria.
  • UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network): Il sottosistema radio comprendente Node Bs e Radio Network Controllers.
  • Core Network (CN):] La spina dorsale responsabile per il passaggio, il routing e la consegna dei servizi, ulteriormente suddivisa nel dominio Circuit-Switched (CS) per la voce e il dominio Packet-Switched (PS) per i dati.

Questi domini interagiscono attraverso interfacce standardizzate, tutte definite dal Progetto di partenariato di terza generazione (3GPP), le sezioni seguenti distinguono ogni componente in dettaglio, spiegandone il ruolo e il modo in cui contribuisce all'esperienza globale senza soluzione di continuità.

Rete di accesso radio (UTRAN)

L'UTRAN è la parte più visibile di una rete 3G, tower, antenne e apparecchiature sul sito cellulare, che gestisce tutte le attività relative alla radio, dalla trasmissione di segnali ai dispositivi mobili alla gestione dell'allocazione delle risorse.

Stazione di base (Node B)

Il Node B è il transceiver radio fisico che comunica direttamente con gli UE sull'interfaccia Uu. È l'equivalente 3G di una stazione di trasmissione 2G Base (BTS) ma con una potenza di elaborazione significativamente più per supportare la tecnologia di diffusione-spetro WCDMA. Le funzioni chiave di Node B includono:

  • RF Trasmissione e ricezione:[] Opera nella banda 2100 MHz (Band I) nella maggior parte delle regioni, anche se esistono altre band (850, 1900). Supporta più vettori e settori (di solito 3 a 6).
  • Channel Coding e Decoding:[[] Esegue la codifica Turbo per dati ad alta velocità e codifica convoluzionale per voce, consentendo una correzione di errore robusta sul canale radio sbiadito.
  • Controllo potenza:[] Esegue il controllo di potenza a loop rapido a 1500 Hz per mitigare il problema vicino a casa, una caratteristica WCDMA critica che impedisce a un UE di annegare gli altri.
  • Supporto per il passaggio a mano:[] Coordina con più celle durante una consegna morbida, inviando e ricevendo simultaneamente dati da diversi Node Bs tramite il RNC.
  • Rilevamento della misurazione:[] Raccoglie metriche di qualità del segnale (Ec/Io, RSCP, perdita del percorso) e li invia al RNC per le decisioni di consegna e di risorse.

Un Node B si collega al RNC tramite l'interfaccia Iub, che può utilizzare diverse tecnologie di trasporto come linee E1/T1, collegamenti a microonde o fibre ottiche. Il Node B ospita anche le unità di elaborazione della banda base (ex denominato elementi del canale) che gestiscono più codici Walsh per la diffusione e la dissoluzione.

Controllore di rete radio (RNC)

Il RNC è il controller intelligente per l'UTRAN, approssimativamente analogo al controller di base 2G ma molto più potente. Gestisce più Node B (tipicamente decine a centinaia) e svolge una gestione delle risorse radio di alto livello.

  • Radio Resource Control (RRC):[] Stabilisce, mantiene e rilascia connessioni tra UE e rete. Il RNC gestisce gli stati RRC (Idle, Cell FACH, Cell DCH, URA PCH) per ottimizzare la durata della batteria e l'utilizzo delle risorse.
  • Gestione di indoviazione:[] Controlla sia le consegne morbide/soft all'interno della propria area di copertura e i rifornimenti duri attraverso i confini RNC.
  • Controllo delle emissioni e controllo della congestione:[[]] Decide se una nuova chiamata o sessione di dati possono essere accettate in base ai requisiti di carico, interferenza e QoS.
  • Protezione dei dati e dell'integrità:[[] Esegue la crittografia e l'autenticazione dei messaggi per garantire la sicurezza dei dati degli utenti, utilizzando algoritmi definiti da 3GPP.
  • Controllo di potenza del loop esterno:[] Imposta la qualità del segnale di destinazione (obiettivo SIR) per il loop interno veloce, regolandolo in base alla velocità di errore del blocco (BLER) per mantenere la qualità minimizzando le interferenze.

L'interfaccia RNC con l'altro tramite l'interfaccia Iur, consentendo la mobilità inter-RNC, e connettersi alla rete core tramite l'interfaccia Iu (Iu-CS per il traffico inter-interruttore al MSC, Iu-PS per il traffico intercambiato a pacchetti per lo SGSN).

Rete di base: Dominio interrato

Il dominio interattivo (CS) gestisce chiamate vocali tradizionali, videochiamate (anche se le videochiamate 3G non hanno mai raggiunto l'adozione di massa), e servizi supplementari come invio chiamate.

Centro di commutazione mobile (MSC) e registro delle posizioni dei visitatori (VLR)

Il MSC funge da interruttore principale per il traffico vocale. Imposta, mantiene e abbatte i circuiti, molto simile a un interruttore PSTN. In 3G, MSC gestisce anche la gestione della mobilità per gli utenti CS. Il VLR è tipicamente integrato con il MSC e memorizza i dati abbonati temporanei (area di localizzazione, TMSI, profili di servizio integrati) per gli utenti attualmente nell'area di servizio di MSC.

  • Call Control:[[]] Gestisce l'impostazione e il rilascio delle chiamate utilizzando ISUP (parte utente ISDN) e BICC (Bearer Independent Call Control) su IP/E1.
  • Gestione della mobilità:[[ Processi Aggiornamenti della posizione, TMSI di rilocalizzazione e richieste di paging.
  • Interworking:[]] Collega alla rete telefonica pubblica (PSTN) e ad altri PLMN tramite gateway MSCs.
  • Autorizzazione:[] Convalida l'identità UE interrogando l'HLR e l'auC (vedi sotto).

MSC/VLR comunica con il RNC sull'interfaccia Iu-CS, che in genere utilizza ATM (AAL2 per voce) o il trasporto IP nelle architetture di rilascio successive.

Home Location Register (HLR)

L'HLR è il database centrale che memorizza le informazioni abbonati permanenti, tra cui:

  • Identità internazionale del sottoscrittore mobile (IMSI).
  • Numero di telefono (MSISDN) dell'abbonamento.
  • Servizi di abbonamento e profili QoS.
  • Luogo attuale (l'indirizzo del servizio MSC/VLR e SGSN).
  • Dati di autenticazione (quintuplets derivato dalla chiave segreta dell'abbonato Ki).

Quando un UE attacca o ha origine a una chiamata, la MSC interroga l'HLR per ottenere informazioni di routing e verificare lo stato dell'abbonato. L'HLR è un elemento di rete cruciale per il roaming, la raggiungibilità globale dipende dagli aggiornamenti HLR.

Centro di autenticazione (AuC)

Per ogni richiesta di autenticazione, l'AuC produce un insieme di cinque parametri (quintuplets): una sfida casuale (RAND), una risposta firmata (SRES), una chiave di cifratura (CK), una chiave di integrità (IK) e un token (AUTN) per la protezione dell'autenticazione reciproca.

Identità delle attrezzature Registrazione (EIR)

L'EIR memorizza i numeri IMEI (International Mobile Equipment Identity) in tre liste: Bianco (consentito), Grigio (monitorato) e Nero (bloccato). Mentre non tutti gli operatori distribuiscono un EIR nella rete live 3G, serve come strumento per identificare i dispositivi rubati o non autorizzati.

Rete di base: Dominio interrato con i pacchetti

Il dominio "pacchetto-switched" (PS) è quello che ha definito la rottura di 3G da 2G. Consente l'accesso a Internet, lo streaming, l'email e qualsiasi servizio dati basato su IN, utilizzando IP come protocollo di trasporto end-to-end.

Serve il nodo di supporto GPRS (SGSN)

Lo SGSN è responsabile della fornitura di pacchetti di dati da e verso gli UE all'interno della sua area di servizio, che funge da ancoraggio locale per la mobilità e la gestione delle sessioni nel dominio PS.

  • GPRS Mobility Management (GMM):[] Maniglie di fissaggio / distacco, aggiornamenti area di routing e paging per sessioni PS.
  • Gestione delle Sessioni (SM):] Stabilisce, modifica e rilascia i contesti del Protocollo dati dei pacchetti (PDP)—essenzialmente sessioni tra l'UE e un PDN esterno (ad esempio, Internet).
  • Packet Routing and Forwarding:[] Percorsi dei pacchetti IP dell'utente tra il RNC (via Iu-PS) e il GGSN.
  • Raccolta dati accattivante:[] Raccoglie record di utilizzo (CDRs) per fatturazione basata su volume e basata sul tempo.
  • QoS Enforcement:[] Maps the richiesto classe QoS (Conversazionale, Streaming, Interactive, Background) ai parametri del portatore Iu-PS.

L'interfaccia SGSN con HLR tramite l'interfaccia Gr per recuperare i dati dell'abbonato e con la MSC tramite l'interfaccia Gs per la paging e gli aggiornamenti di posizione combinati CS/PS.

Gateway GPRS Nodo di supporto (GGSN)

Il GGSN funge da gateway dalla rete mobile alle reti di dati di pacchetti esterni (Internet, Intranet aziendali, ecc.). Dalla prospettiva dell'UE, il GGSN appare come router gateway predefinito.

  • IP Indirizzo Allocation:[] Assegna indirizzi IP dinamici o statici agli UE durante l'attivazione del contesto PDP.
  • Nome punto di accesso (APN) Risoluzione:[[]] Maps the APN fornito dall'UE alla corretta rete esterna (ad esempio, "internet" percorsi verso IP pubblico, "corp.example.com" percorsi verso un gateway VPN).
  • Packet Filtering and Firewalling:[[] Riguarda le caratteristiche di ricarica, può eseguire NAT e può applicare le regole di politica.
  • Traffico Policing e Shaping:[ Forze per-subscriber o per-APN limiti di larghezza di banda.
  • Interworking con PDN:[] Mantiene la connettività tramite protocolli di routing IP (BGP/OSPF) verso reti esterne.

Il GGSN può essere localizzato ovunque nella rete dell'operatore; non deve essere vicino all'utente. Lo SGSN e GGSN si collegano tramite l'interfaccia Gn/Gp internamente (o attraverso PLMN per il roaming).

Sistemi di ricarica Gateway e Billing

Mentre non sempre considerato un "componente" dell'infrastruttura di rete, il core interrutto con i pacchetti si basa su una funzione di Charging Gateway (CGF) o su Online Charging System (OCS) che riceve CDR dallo SGSN e GGSN. Questi vengono poi elaborati dal sistema di fatturazione.

Sistemi di trasmissione: Backhaul e Interconnessione

Tutti questi componenti devono essere collegati da reti di trasmissione affidabili e ad alta capacità. Nei primi 3G, il backhaul da Node Bs a RNCs spesso utilizzato circuiti TDM (E1/T1), a volte aumentata con multisala ATM inversa. Come il traffico è cresciuto, gli operatori migrati a Ethernet su fibra, collegamenti a microonde e poi IP/MPLS. La rete di trasmissione comprende:

  • Cell Site Access:[] Nodo B a RNC (Iub). In genere frazionato E1 per siti rurali a basso traffico, E1 multipli o Ethernet veloce per le macro celle urbane.
  • RNC Interconnessione (Iur):[] Spesso oltre le linee dedicate in fibra o leasing per consentire una continuità di erogazione morbida attraverso i confini RNC.
  • Core Network Links (Iu-CS, Iu-PS):[ Collegamenti ad alta capacità (STM-1/OC-3 o Gigabit Ethernet) che collegano RNC a MSC e SGSNs. Questi sono spesso aggregati in un ufficio centrale.
  • Core Network Interconnection:[] Tra MSC e PSTN, SGSN/GGSN e la backbone internet, utilizzando SS7/SIGTRAN per la segnalazione e IP/Ethernet per i dati degli utenti.

La sincronizzazione è un altro aspetto critico del backhaul. 3G Node Bs richiedono una sincronizzazione precisa della frequenza (0.05 ppm per WCDMA)—spesso derivato dai ricevitori GPS al sito cellulare o da Ethernet sincrona (SyncE) e IEEE 1588v2 Precision Time Protocol sul backhaul.

Rete di segnale e rete intelligente (IN)

In 3G, il segnale utilizza i protocolli SS7 (MAP, ISUP) sui collegamenti TDM tradizionali o SIGTRAN basati su IP (M3UA, SUA). Le entità di segnalazione chiave includono:

  • Punto di trasferimento di gravidanza (STP):[] Percorsi SS7 messaggi tra MSC, HLR e SGSN.
  • Service Control Point (SCP):[] Hosts Servizi di rete intelligente come fatturazione prepagata, domande di database di portabilità numerica e logica di rete privata virtuale (VPN) . In 3G, CAMEL (Applicazioni personalizzate per la rete mobile Enhanced Logic) è la piattaforma standard IN, che consente servizi specifici per l'operatore anche quando si lancia.

Qualità del servizio (QoS) e gestione del cuscinetto

Uno degli aspetti più complessi dell'infrastruttura 3G è il framework QoS. Il 3GPP definisce quattro classi di traffico: Conversational (voice), Streaming (video), Interactive (web navigation), e Background (email). Ogni portatore (radio access bearer, RAB) ha attributi specifici: il tasso massimo di bit, il tasso di bit garantito, il ritardo di trasferimento e la priorità di gestione del traffico.

Evoluzione: HSPA e oltre

Anche se questo articolo si concentra sull'infrastruttura 3G come originariamente definita, è importante notare che 3G rapidamente si è evoluto in 3.5G con alta velocità Downlink Packet Access (HSDPA) e poi HSUPA (collettivamente HSPA).

Conclusioni

L'infrastruttura di rete 3GLT è un sistema complesso ma elegante di componenti interoperanti: dalle torri radio (Node B) e dai controller (RNC) che gestiscono l'interfaccia aerea, agli elementi di rete principali (MSC, SGSN, GGSN, HLR, AuC) che le chiamate di percorso e i dati, e le reti di trasmissione e di segnalazione che legano tutto insieme.