Panoramica di 3G Network Architecture

La rete di telecomunicazioni di terza generazione (3G), standardizzata come IMT-2000 dall'Unione internazionale delle telecomunicazioni, ha portato un cambiamento fondamentale dalla voce interruttrice a un'architettura ibrida in grado di fornire dati ad alta velocità e servizi multimediali.

Comprendere i ruoli di ogni componente e come comunicare su interfacce standardizzate (Iub, Iur, Iu) è essenziale per gli ingegneri di rete, gli studenti di telecomunicazioni e chiunque sia coinvolto nella progettazione di sistemi mobili. Questo articolo fornisce un'immersione profonda tecnica e autorevole nell'architettura, nelle funzioni e nelle interazioni di Node B, RNC e Core Network, insieme ai protocolli che rendono le reti 3G affidabili e scalabili.

Nodo B: La stazione di base di UTRAN

Node B è il transceiver radio fisico che fornisce l'interfaccia aerea all'apparecchiatura dell'utente all'interno di una specifica cella geografica. È la controparte UTRAN di una stazione GSM Base Transceiver (BTS). Node B gestisce tutta la lavorazione Layer 1 (strato fisico), compresa la codifica del canale, la diffusione / depreading, la modulazione, il controllo di potenza e la combinazione di handover morbido.

Funzioni chiave del nodo B

  • Radio Transmission and Reception:[] Node B trasmette e riceve segnali W-CDMA sull'interfaccia Uu dedicata.
  • Controllo di potenza interna-loop: Per combattere il problema vicino a distanza nei sistemi CDMA, Node B esegue il controllo di potenza veloce ad una velocità di 1500 Hz, regolando l'energia UE di trasmissione per mantenere un target Signal-to-Interference Ratio (SIR).
  • Supporto per il passaggio a mano:[] Node B partecipa alla macro diversità combinando, dove più Node B (o settori) ricevono la stessa trasmissione UE e lo inoltrano al RNC. Node B esegue anche un passaggio più morbido che si combina per i settori sotto la stessa stazione di base.
  • Riferimento di misura:[ Le misure di Nodo B hanno ricevuto forza di segnale, qualità e tempistiche da UE e rapporti al RNC per le decisioni di consegna e l'allocazione delle risorse.
  • Lub Interface Termination:[] Node B si connette al RNC tramite l'interfaccia Iub, trasportando entrambi i dati dell'utente (dalla MAC-hs in High-Speed Downlink Packet Access, o da frame RLC) e segnalazione del piano di controllo (NBAP – Node B Application Part).

Node B Architettura hardware

Un Nodo B tipico comprende una o più unità di banda base (BBU) che gestiscono l'elaborazione digitale, e unità radio remoti (RRU) o transceivers integrati che convertono la banda base in RF. Il BBU gestisce gli algoritmi di livello fisico, mentre la RRU amplifica e filtra il segnale.

Interfaccia e protocolli di Iub

L'interfaccia Iub tra Node B e RNC utilizza la modalità di trasferimento asincrono (ATM) o il trasporto IP. Sul piano utente, diversi frame DCH sono multisalati in AAL2 (ATM Adaptation Layer 2) o IP/UDP flussi. Il piano di controllo utilizza NBAP (Node B Application Part) per l'installazione di collegamenti radio, la cancellazione, la riconfigurazione e il controllo dei costi di misurazione.

Controllore di rete radio (RNC)

Il RNC è il controller intelligente che gestisce le risorse radio attraverso più Node Bs. Si collega al Core Network tramite l'interfaccia Iu e ad altri RNC tramite l'interfaccia Iur. Il RNC è responsabile per l'installazione di connessione, la gestione della mobilità e l'applicazione di qualità-di-servizio. Può essere visto come il "brain" della rete di accesso radio.

Ruoli RNC: Controllo, Serve e Drift

In UMTS, un RNC può assumere ruoli diversi per una data sessione UE:

  • RNC (SRNC):[] Il RNC che controlla la connessione UE. Gestisce il collegamento Iu al Core Network, gestisce le decisioni di consegna, esegue il controllo di potenza a livello esterno e buffer dati per le retransmissioni in RLC (Radio Link Control).
  • Drift RNC (DRNC): Quando un UE si sposta in una cella controllata da un RNC diverso, il Nodo B in quella cella inoltra i dati al DRNC, che poi lo invia al SRNC tramite l'interfaccia Iur. Il DRNC non contiene la connessione Iu per quella UE.
  • Controlling RNC (CRNC):[ Ogni Nodo B è controllato da un RNC per la configurazione e il controllo di ammissione dei canali comuni. Il CRNC può essere il SRNC per alcuni UE e il DRNC per altri.

Funzioni chiave del RNC

  • Radio Resource Management (RRM):[] Il RNC assegna e tratta i portatori di radio, gestisce la congestione, e e esegue il controllo di ammissione, il controllo del carico e la programmazione dei pacchetti (per i canali non-HSPA).
  • Controllo di inattività:[] Il RNC decide quando attivare manopole morbide, morbide o dure basate sui report di misurazione UE, controllando anche la combinazione/splitting dei flussi di dati al SRNC durante la consegna morbida.
  • Controllo di potenza esterna:[] Il RNC regola il SIR di destinazione per ogni UE basato sulle misure BLER (Block Error Rate) che garantisce una qualità adeguata senza sprecare energia.
  • Sicurezza:[] Il RNC partecipa alla protezione di cifratura e integrità per il piano di controllo, utilizzando le chiavi fornite dalla rete core.
  • Iu Interface Control:[] Il RNC termina il protocollo RANAP (Radio Access Network Application Part) sull'Iu-CS (circuit-switched) e l'interfaccia Iu-PS (packet-switched), la gestione della registrazione UE, la paging e la configurazione di sessione.

RNC Protocollo Stack

Il RNC ospita diversi protocolli di interfaccia radio:

  • RRC (Radio Resource Control):[] Maniglia la connessione di stabilimento, controllo di misura e segnale di downlink.
  • RLC (Radio Link Control):[] Fornisce segmentazione/riassemblaggio, correzione degli errori (ARQ), e controllo del flusso. RLC opera in modalità trasparente (TM), non riconosciuto (UM), o riconosciuto (AM) a seconda del servizio.
  • MAC (Media Access Control):[] Mapping canali logici per il trasporto di canali, gestione prioritaria e pianificazione.
  • PDCP (Protocollo di convergenza dati del pacchetto): Esegue la compressione dell'intestazione IP e per VoLTE in seguito, ma in 3G riduce la testata per i dati dei pacchetti.

La rete core

Il Core Network in 3G è diviso in due domini: Circuit-Switched (CS) e Packet-Switched (PS), che gestiscono rispettivamente voce e dati, con alcune funzioni sovrapposte. Il Core Network è responsabile per il routing, la gestione degli abbonati, l'autenticazione e l'interconnessione con reti esterne (PSTN, Internet, altri PLMN).

Componenti di dominio interruttori

  • Mobile Switching Center (MSC):[] Il MSC gestisce il controllo delle chiamate vocali, SMS e dati interruttori (come le videochiamate CS) e contiene il registro delle posizioni dei visitatori (VLR) per gli aggiornamenti temporanei dell'abbonato e della posizione.
  • Gateway MSC (GMSC):[] Un MSC che funge da punto di ingresso per chiamate da reti esterne (ad esempio PSTN). GMSC interroga la HLR per indirizzare chiamate all'attuale MSC/VLR.
  • Home Location Register (HLR):[] Un database centrale che memorizza in modo permanente le informazioni abbonati (IMSI, MSISDN, servizi abbonati, chiavi di autenticazione).
  • Centro di autenticazione (AuC):[] Genera vettori di autenticazione (RAND, XRES, CK, IK) per la verifica dell'abbonato e la derivazione della chiave di cifra. I dati AuC vengono memorizzati in HLR ma l'AuC è un'entità logica separata.
  • Registrazione di identità di equipaggiamento (EIR): Un database opzionale che memorizza i numeri IMEI per la lista nera dei dispositivi rubati.

Componenti di dominio interruttori

  • Serving GPRS Support Node (SGSN):] Lo SGSN gestisce i servizi di gestione dei pacchetti per gli utenti all'interno della sua area di servizio. Esegue la gestione della mobilità (Attach, RAU), la gestione delle sessioni (attivazione del contesto PPD), la ricarica e la cifratura.
  • Gateway GPRS Support Node (GGSN): Il GGSN agisce come gateway tra la rete mobile e le reti di dati dei pacchetti esterni (Internet, LAN aziendali).
  • Border Gateway (BG):] Usato per il roaming inter-PLMN GPRS, collegando la casa e visitando le reti tramite un'interfaccia Gp.

HLR e HSS Evolution

In 3G puro, la HLR contiene sia i dati degli abbonati CS che PS. Come le reti si sono evolute verso IMS e SAE (System Architecture Evolution), la HLR è stata sostituita dal Home Sottoscrittore Server (HSS), che supporta anche l'autenticazione IP Multimedia Subsystem (IMS).

Interazioni tra Nodo B, RNC e Core Network

Una chiamata 3G completa o la sessione di dati scorre attraverso più strati. Considerare un UE in CELL DCH stato eseguendo una sessione di navigazione web:

  1. L'UE è collegata tramite un collegamento radio W-CDMA a un Nodo B. Node B misura il suo SIR ricevuto e regola continuamente l'energia UE tramite il controllo interno-loop.
  2. I dati dell'utente vengono inviati in aria utilizzando canali dedicati o condivisi. Node B esegue una gestione morbida combinando se l'UE è in soft handover con più Node Bs.
  3. Il RNC effettua ritrasmissioni RLC ARQ se necessario e riassembla PDCP dopo la decompressione dell'intestazione.
  4. La SRNC invia i dati utente su Iu-PS alla SGSN, che lo incapsula in GTP-U e invia al GGSN.
  5. GGSN inoltra i pacchetti IP alla rete esterna. I pacchetti in entrata seguono il percorso inverso, con la HLR consultata per la mobilità quando l'UE è inattivo.
  6. Per le chiamate vocali, il SRNC invia frame di discorso (AMR) su Iu-CS al MSC, che si sposta tramite TDM o IP al PSTN o altro MSC.
  7. In realtà, i messaggi RRC vanno oltre SRB (Signaling Radio Bearer) gestiti da RNC; i messaggi NAS (ad esempio, per la gestione della mobilità, il controllo delle chiamate) sono trasmessi in modo trasparente al Core Network utilizzando RANAP.

Scenari di mobilità e di erogazione

3G supporta diversi tipi di handover:

  • Soft Handover:[[] UE è collegato a più Nodi Bs simultaneamente. Il RNC (SRNC) combina i dati uplink e seleziona il miglior flusso downlink.
  • Softer Handover:[] Stesso come morbido ma tra settori dello stesso Nodo B, gestito internamente.
  • Hard Handover:[] Usato per interfrequenza o intersistema (ad esempio, 3G a 2G) gli avanzi dell'UE rompe momentaneamente la connessione, le rettine e ristabilisce.
  • RNS Relocation:[] Quando l'UE si sposta in un'area diversa del RNC, la SRNC si trasferisce tramite l'interfaccia Iur o un passaggio diretto duro.

Il controllo RNC passa attraverso i report di misura dell'UE (Event 1A, 1B, 1C, ecc.).Il soft handover è una caratteristica chiave del W-CDMA, migliorando la capacità e riducendo la probabilità di estrazione.

Qualità del quadro di servizio in 3G Networks

3G definisce quattro classi QoS (conversazionale, streaming, interattivo, background) per supportare vari servizi.

  • Trattamento del bearer:[ Durante l'attivazione del contesto PDP, l'UE richiede parametri QoS (classe di traffico, bit rate, ritardo, affidabilità).
  • Radio Bearer Setup:[] Il RNC mappa QoS ai canali di trasporto W-CDMA (DCH, DSCH, HS-DSCH, ecc.) e sceglie la modalità RLC appropriata.
  • Packet Scheduling:[] In HSPA, il programmatore MAC-hs di Node B distribuisce dinamicamente le risorse downlink, mentre RNC gestisce il controllo di ammissione per evitare sovraccarico.
  • Policing e Shaping:[ GGSN o elementi di rete esterni applicano i contratti di traffico e modellano i colpi di downlink.

Questa architettura QoS è stata un importante anticipo rispetto al 2G, consentendo in tempo reale videochiamate e tassi di dati garantiti.

Evoluzione: Dal 3G al HSPA e oltre

Per soddisfare la crescente domanda di dati, 3GPP ha introdotto l'accesso ai pacchetti ad alta velocità (HSPA). HSPA ha spostato la programmazione a Node B (MAC-hs per downlink, MAC-e per uplink), ridotto coinvolgimento RNC e maggiore efficienza spettrale.

  • HSDPA (Downlink): Fino a 14,4 Mbps picco utilizzando modulazione e codifica adattativa (QPSK/16QAM), ARQ ibrido e programmazione veloce dei pacchetti a Node B.
  • HSUPA (Uplink): Fino a 5.76 Mbps con Node B scheduling e HARQ veloce.
  • HSPA+:[] Introdotto MIMO (Multiple Input Multiple Output), 64QAM, aggregazione dual-carrier, e architettura RAN all-IP (Iub over IP), spingendo i tassi di picco a 42 Mbps e oltre. Alcuni operatori hanno differito HSPA+ fino alla distribuzione LTE.

Il ruolo RNC si è evoluto: in HSPA, il RNC gestisce ancora la mobilità, ma il Node B assume più compiti di programmazione radio. In seguito, in LTE/SAE, l'architettura è completamente appiattita (eNodeB sostituisce Node B e RNC, e il Core Network diventa un Evolved Packet Core Core). Tuttavia, molte reti 3G coesiste con LTE e 5G per il ritorno vocale (CSFB).

Conclusioni

L'architettura di rete 3G di Node B, RNC e Core Network fornisce una struttura robusta e gerarchica che bilancia il controllo centralizzato con l'intelligenza radio distribuita. Node B gestisce compiti a livello fisico e controllo di potenza veloce; il RNC gestisce le risorse radio, la mobilità e QoS; il core network tratta il traffico e gestisce i dati degli abbonati.

Per ulteriori informazioni, fare riferimento alle specifiche 3GPP (TS 25.401, TS 23.060, TS 25.433) e ai manuali standard su UMTS. Una panoramica dettagliata delle interfacce Iu e Iub può essere trovata in questo ]]