Архитектура 3g сетей: Узел B, Rnc и базовая сеть

Обзор архитектуры 3G-сетей

Мобильные сети третьего поколения (3G), стандартизированные Международным союзом электросвязи как IMT-2000, привели к фундаментальному переходу от переключаемого на цепи голоса к гибридной архитектуре, способной к высокоскоростным данным и мультимедийным услугам. Наиболее широко развернутым стандартом 3G является универсальная мобильная телекоммуникационная система (UMTS), основанная на технологии широкополосного доступа к множественному доступу (W-CDMA). Архитектура четко разделена на три основных сегмента: пользовательское оборудование (UE), наземная сеть радиодоступа UMTS (UTRAN) и базовая сеть (CN). UTRAN состоит из двух логических компонентов: Узел B (базовая станция) и контроллер радиосети (RNC). Вместе эти элементы обеспечивают бесшовную связь, управление мобильностью и гарантии качества обслуживания через сотовые следы.

Понимание роли каждого компонента и того, как они взаимодействуют через стандартизированные интерфейсы (Iub, Iur, Iu) имеет важное значение для сетевых инженеров, студентов-телекомов и всех, кто участвует в разработке мобильных систем. Эта статья обеспечивает авторитетное, техническое глубокое погружение в архитектуру, функции и взаимодействия узла B, RNC и базовой сети, а также протоколы, которые делают сети 3G надежными и масштабируемыми.

Узел B: Базовая станция в УТРАН

Узел B — это физический радиоприемопередатчик, который обеспечивает воздушный интерфейс для пользовательского оборудования в пределах определенной географической ячейки. Это аналог UTRAN базовой приемопередающей станции GSM (BTS). Узел B обрабатывает всю обработку уровня 1 (физический слой), включая кодирование канала, распространение / отсев, модуляцию, управление питанием и мягкую передачу.

Основные функции узла B

Радиопередачи и прием: Узел B передает и принимает сигналы W-CDMA на выделенном интерфейсе Uu. Он управляет несколькими носителями и секторами, каждый из которых поддерживает множество одновременных пользователей посредством мультиплексирования с кодовым разделением.
Управление мощностью внутреннего цикла:] Для борьбы с проблемой ближнего расстояния в системах CDMA узел B выполняет быстрое управление мощностью со скоростью 1500 Гц, настраивая мощность передачи UE для поддержания целевого коэффициента сигнала к помехе (SIR). Это имеет решающее значение для емкости и срока службы батареи.
Поддержка мягкой/более мягкой передачи: Узел B участвует в комбинировании макроразнообразия, где несколько узлов B (или секторов) получают одну и ту же передачу UE и пересылают ее в RNC. Узел B также выполняет более мягкую комбинацию передачи для секторов под одной базовой станцией.
Отчетность по измерениям: Меры узла B получили силу, качество и время сигнала от UE и отчеты в RNC для принятия решений о передаче и распределении ресурсов.
Lub Interface Termination: Узел B подключается к RNC через интерфейс Iub, перевозя как данные о пользовательском плане (из MAC-hs в высокоскоростном доступе к пакетам нисходящей линии связи, так и из кадров RLC), так и сигнализацию о плоскости управления (NBAP — Node B Application Part).

Node B Hardware архитектура

Типичный узел B содержит один или несколько блоков полосы пропускания (BBU), которые обрабатывают цифровую обработку, и блоки удаленного радио (RRU) или интегрированные приемопередатчики, которые преобразуют базовый диапазон в RF. BBU запускает алгоритмы физического уровня, в то время как RRU усиливает и фильтрует сигнал. Узел Bs часто развертывается в конфигурациях, поддерживающих 1, 3 или 6 секторов, с до четырех несущих на сектор в W-CDMA. Для высокоскоростного пакетного доступа (HSPA) узел Bs включает дополнительное оборудование для MAC-hs или планирования MAC-e, которое перемещает некоторый интеллект от RNC к базовой станции, чтобы уменьшить задержку.

Интерфейс и протоколы Iub

Интерфейс Iub между Node B и RNC использует Asynchronous Transfer Mode (ATM) или IP-транспорт. На плоскости пользователя несколько кадров DCH мультиплексируются в потоки AAL2 (ATM Adaptation Layer 2) или IP/UDP. Плоскость управления использует NBAP (Node B Application Part) для настройки радиосвязи, удаления, реконфигурации и контроля измерений. Плоскость управления транспортной сетью обрабатывает ALCAP (Access Link Control Application Part) для связывания AAL2. В современных развертываниях IP-ориентированный Iub снижает стоимость и сложность.

Радио-сетевой контроллер (RNC)

RNC — это интеллектуальный контроллер, который управляет радиоресурсами через несколько узлов Bs. Он подключается к основной сети через интерфейс Iu и к другим RNC через интерфейс Iur. RNC отвечает за настройку соединения, управление мобильностью и обеспечение качества обслуживания. Его можно рассматривать как «мозг» сети радиодоступа.

Роль RNC: управление, обслуживание и дрейф

В UMTS RNC может выполнять различные роли для данной сессии UE:

Обслуживающий RNC (SRNC): RNC, который контролирует соединение UE. Он управляет связью Iu с базовой сетью, обрабатывает решения о передаче, выполняет управление питанием внешнего цикла и буферизирует данные для ретрансляций в RLC (контроль радиоканала).
Drift RNC (DRNC): Когда UE перемещается в ячейку, контролируемую другим RNC, узел B в этой ячейке пересылает данные в DRNC, который затем отправляет их в SRNC через интерфейс Iur. DRNC не поддерживает соединение Iu для этого UE.
Контролирующий RNC (CRNC): Каждый узел B управляется точно одним RNC для общей конфигурации канала и контроля входа. CRNC может быть SRNC для некоторых UE и DRNC для других.

Основные функции RNC

Управление радиоресурсами (RRM): RNC распределяет и распределяет радионосители, управляет загруженностью и выполняет контроль входа, контроль нагрузки и планирование пакетов (для каналов, не связанных с HSPA).
Управление поверхностями: RNC решает, когда активировать мягкие, более мягкие или жесткие передачи на основе отчетов об измерениях UE. Он также контролирует объединение/расщепление потоков данных в SRNC во время мягкой передачи.
Управление мощностью в режиме внешнего цикла: RNC регулирует целевую SIR для каждого UE на основе измерений BLER (Block Error Rate) . Это обеспечивает адекватное качество без потери мощности.
Безопасность: RNC участвует в шифровании и защите целостности плоскости управления, используя ключи, предоставляемые Core Network.
Iu Interface Control: RNC прекращает протокол RANAP (Radio Access Network Application Part) на интерфейсах Iu-CS (с коммутацией каналов) и Iu-PS (с коммутацией пакетов), управляя регистрацией UE, подачей и установкой сеанса.

Протокол RNC стек

RNC содержит несколько протоколов радиоинтерфейса:

RRC (Radio Resource Control): Обрабатывает установление соединения, контроль измерений и сигнализацию нисходящей линии связи. RRC состояния (IDLE, CELL DCH, CELL FACH, CELL PCH, URA PCH) определяют уровни активности UE и использование ресурсов.
RLC (Radio Link Control): Предоставляет сегментацию/сборку, исправление ошибок (ARQ) и управление потоком. RLC работает в прозрачном (TM), непризнанном (UM) или признанном (AM) режиме в зависимости от услуги.
MAC (Media Access Control): Картирование логических каналов для транспортировки каналов, приоритетная обработка и планирование.В HSPA для высокоскоростных данных используются MAC-hs (в Узле B) и MAC-e.
PDCP (Протокол конвергенции пакетных данных): Выполняет сжатие заголовка IP и для VoLTE позже, но в 3G это уменьшает накладные расходы для пакетных данных.

Основная сеть

Основная сеть в 3G разделена на два домена: Circuit-Switched (CS) и Packet-Switched (PS). Они обрабатывают голос и данные соответственно, с некоторыми перекрывающимися функциями. Основная сеть отвечает за маршрутизацию, управление абонентами, аутентификацию и взаимосвязь с внешними сетями (PSTN, Интернет, другие PLMN).

Компоненты домена с коммутацией каналов

Мобильный коммутационный центр (MSC): MSC обрабатывает управление голосовыми вызовами, SMS и данные с коммутацией каналов (например, видеозвонки CS). Он содержит Регистр местоположений посетителей (VLR) для временных данных абонентов и обновлений местоположения. MSC подключается к RNC через Iu-CS (с использованием RANAP) и к другим MSC через ISUP/SCCP.
Gateway MSC (GMSC): MSC, который служит точкой входа для вызовов из внешних сетей (например, PSTN). GMSC запрашивает HLR для маршрутизации вызовов к текущему MSC/VLR.
Регистр местонахождения дома (HLR): Центральная база данных, которая постоянно хранит информацию о абонентах (IMSI, MSISDN, подписные сервисы, ключи аутентификации). HLR поддерживает обновления местоположения и маршрутизацию вызовов.
Центр аутентификации (AuC): Генерирует векторы аутентификации (RAND, XRES, CK, IK) для проверки абонентов и шифрования ключа вывода. Данные AuC хранятся в HLR, но AuC является отдельной логической сущностью.
Реестр идентификационных данных оборудования (EIR): Опциональная база данных, в которой хранятся номера IMEI для внесения в черный список украденных устройств.

Компоненты домена с пакетным коммутацией

Обслуживающий узел поддержки GPRS (SGSN): SGSN управляет службами коммутации пакетов для пользователей в своей зоне обслуживания. Он выполняет управление мобильностью (Attach, RAU), управление сеансами (активация контекста PDP), зарядку и шифрование. Он подключается к RNC через Iu-PS (RANAP по IP или ATM) и к GGSN через Gn/Gp (GPRS Tunneling Protocol).
Узел поддержки GPRS (GGSN): GGSN выступает в качестве шлюза между мобильной сетью и внешними сетями пакетных данных (Интернет, корпоративные локальные сети). Он выделяет IP-адреса для UE, выполняет IP-маршрутизацию, обеспечивает соблюдение политик QoS и туннелирует абонентские сессии через GTP (GPRS Tunneling Protocol). GGSN также обрабатывает выбор услуг на основе APN.
Пограничный шлюз (BG): Используется для межпланетного роуминга, подключения домашних и посещаемых сетей через интерфейс Gp.

HLR и HSS Evolution

В чистом 3G HLR содержит данные абонентов CS и PS. По мере развития сетей в направлении IMS и SAE (System Architecture Evolution) HLR был заменен сервером Home Subscriber Server (HSS), который также поддерживает аутентификацию IP-мультимедийной подсистемы (IMS). Однако в унаследованных сетях 3G HLR остается центральным.

Взаимодействие между Node B, RNC и Core Network

Полный вызов 3G или сеанс передачи данных проходит через несколько слоев. Рассмотрим UE в состоянии CELL DCH, выполняющий сеанс просмотра веб-страниц:

UE подключается через радиоканал W-CDMA к узлу B. Узел B измеряет принимаемый SIR и непрерывно регулирует мощность UE через управление внутренним контуром.
Данные пользователя отправляются по воздуху с использованием выделенных или общих каналов.Узел B выполняет мягкую передачу, совмещающую, если UE находится в мягкой передаче с несколькими узлами Bs.
Узел B пересылает транспортные блоки в SRNC по Iub. RNC выполняет ретрансляции RLC ARQ при необходимости и повторно собирает PDCP PDU после декомпрессии заголовка.
Затем SRNC отправляет пользовательские данные через Iu-PS в SGSN, который инкапсулирует их в GTP-U и отправляет в GGSN.
GGSN пересылает IP-пакеты во внешнюю сеть. Входящие пакеты следуют обратным путем, с HLR консультируются по мобильности, когда UE простаивает.
Для голосовых вызовов SRNC отправляет речевые кадры (AMR) через Iu-CS в MSC, который маршрутизируется через TDM или IP в PSTN или другой MSC.
Сигналирование (RRC, NAS сообщения) использует плоскость управления: Узел B перенаправляет NBAP/NBAP? На самом деле сообщения RRC проходят через SRB (Signaling Radio Bearer), обрабатываемые RNC; сообщения NAS (например, для управления мобильностью, управления вызовами) прозрачно передаются в базовую сеть с использованием RANAP.

Сценарии мобильности и передачи

3G поддерживает несколько типов передачи:

Мягкая передача: UE подключается к нескольким узлам Bs одновременно. RNC (SRNC) объединяет данные восходящей линии связи и выбирает лучший поток нисходящей линии связи. Это повышает надежность на краях ячеек.
Удобная передача: То же самое, что и мягкая, но между секторами того же узла B, обработанная внутренне.
Твердая передача: Используется для межчастотных или межсистемных (например, 3G-2G) передач. UE на мгновение разрывает соединение, перенастраивается и восстанавливается.
Перемещение СМП: Когда UE перемещается в другую область СМП, СМП перемещается через интерфейс Iur или прямую жесткую передачу. Основная сеть обновляет SGSN/MSC с новым СМП.

RNC контролирует передачи с использованием отчетов об измерениях от UE (Event 1A, 1B, 1C и т. Д.). Мягкая передача является ключевой особенностью W-CDMA, улучшая емкость и уменьшая вероятность отключения.

Структура качества обслуживания в сетях 3G

3G определяет четыре класса QoS (разговорный, потоковый, интерактивный, фоновый) для поддержки различных услуг. RNC и Core Network обеспечивают соблюдение QoS через:

Переговоры с оператором: Во время активации контекста PDP UE запрашивает параметры QoS (класс трафика, битрейт, задержка, надежность). SGSN и GGSN авторизуются на основе данных подписки.
Настройка радионосителя: RNC отображает QoS на транспортные каналы W-CDMA (DCH, DSCH, HS-DSCH и т. Д.) и выбирает соответствующий режим RLC.
Планирование пакетов: В HSPA планировщик MAC-hs Node B динамически распределяет ресурсы нисходящей линии связи, в то время как RNC обрабатывает контроль входа для предотвращения перегрузки.
Полицейские и формирующие: GGSN или внешние сетевые элементы обеспечивают соблюдение контрактов на трафик и формируют всплески нисходящей линии связи.

Эта архитектура QoS была важным шагом вперед по сравнению с 2G, обеспечивая видеозвонки в режиме реального времени и гарантированную скорость передачи данных.

Эволюция: от 3G до HSPA и выше

Для удовлетворения растущего спроса на данные 3GPP представила высокоскоростной пакетный доступ (HSPA). HSPA переместила планирование в Узел B (MAC-hs для нисходящей линии связи, MAC-e для восходящей линии связи), сократила участие RNC и повысила спектральную эффективность. Ключевые улучшения включают:

HSDPA (Downlink): До 14,4 Мбит/с пик с использованием адаптивной модуляции и кодирования (QPSK/16QAM), гибридного ARQ и быстрого планирования пакетов в Узле B.
HSUPA (Uplink): До 5,76 Мбит/с с планированием узла B и быстрым HARQ.
HSPA+: Внедрён MIMO (Multiple Input Multiple Output), 64QAM, двухнесущая агрегация и архитектура all-IP RAN (Iub over IP), что подталкивает пиковые скорости к 42 Мбит/с и далее. Некоторые операторы откладывали HSPA+ до развертывания LTE.

Роль RNC эволюционировала: в HSPA RNC по-прежнему управляет мобильностью, но узел B принимает больше задач радиопланирования. Позже в LTE/SAE архитектура полностью сгладилась (eNodeB заменяет узел B и RNC, а Core Network становится Evolved Packet Core). Однако многие сети 3G сосуществуют с LTE и 5G для речевого резервного копирования (CSFB) и покрытия.

Заключение

Сетевая архитектура 3G узла B, RNC и Core Network обеспечивает надежную иерархическую структуру, которая уравновешивает централизованное управление с распределенным радиоразведкой. Узел B обрабатывает задачи физического уровня и быстрое управление питанием; RNC управляет радиоресурсами, мобильностью и QoS; Core Network маршрутизирует трафик и управляет данными абонентов. Понимание этой архитектуры является фундаментальным для специалистов по телекоммуникациям, работающих над оптимизацией сети, устранением неполадок или развертыванием устаревших систем. Хотя современные сети развиваются в направлении плоских IP-архитектуры, принципы управления радиоресурсами, мобильности и QoS, впервые примененные в 3G, продолжают информировать о дизайне 5G.

Для дальнейшего чтения обратитесь к спецификациям 3GPP (TS 25.401, TS 23.060, TS 25.433) и стандартным учебникам по UMTS. Подробный обзор интерфейсов Iu и Iub можно найти в этой технической спецификации ETSI для общего описания UTRAN .