Развитие технологии 3G, формально определяемой стандартом IMT-2000 Международного союза электросвязи, ознаменовало поворотный момент в мобильной связи. В отличие от своего предшественника 2G, который был в первую очередь оптимизирован для голосовых и низкоскоростных данных (GSM, CDMA), 3G представила ядро с коммутацией пакетов наряду с традиционным доменом с коммутацией каналов, что позволило одновременно использовать услуги голосовой связи и передачи данных на значительно более высоких скоростях. Это заложило основу для мобильной широкополосной связи, экосистем смартфонов и, в конечном итоге, всегда включенной связи, на которую мы полагаемся сегодня. Понимание ключевых компонентов сетевой инфраструктуры 3G необходимо не только для профессионалов в области телекоммуникаций, но и для оценки инженерных решений, которые поддерживают миллиарды мобильных устройств во всем мире.

Архитектурный обзор: три основных домена

Сеть 3G, в частности универсальная мобильная телекоммуникационная система (УМТС) на основе WCDMA, логически разделена на три основных домена:

  • Пользовательское оборудование (UE): Мобильный телефон, смартфон или карта данных, которая обменивается данными через воздушный интерфейс.
  • UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network): Радиоподсистема, включающая Узел Bs и Контроллеры Радиосети.
  • Основная сеть (CN): Основы, ответственные за переключение, маршрутизацию и доставку услуг, далее разделены на домен с коммутацией каналов (CS) для голоса и домен с коммутацией пакетов (PS) для данных.

Эти домены взаимодействуют через стандартизированные интерфейсы, все из которых определены в проекте партнерства 3-го поколения (3GPP). В следующих разделах подробно рассматриваются каждый компонент, объясняя его роль и то, как он способствует общему бесшовному опыту.

Сеть радиодоступа (UTRAN)

UTRAN является наиболее заметной частью сети 3G — башен, антенн и оборудования на сотовой площадке. Он обрабатывает все связанные с радио задачи, от передачи сигналов на мобильные устройства до управления распределением ресурсов.

Базовая станция (узл B)

Узел B - это физический радиоприемопередатчик, который напрямую взаимодействует с UE через воздушный интерфейс Uu. Это 3G-эквивалент базовой приемопередаточной станции 2G (BTS), но со значительно большей вычислительной мощностью для поддержки технологии WCDMA с расширенным спектром. Ключевые функции узла B включают:

  • RF передача и прием: Работает в полосе 2100 МГц (диапазон I) в большинстве регионов, хотя существуют и другие полосы (850, 1900). Поддерживает несколько носителей и секторов (обычно от 3 до 6).
  • Канал кодирования и декодирования: Выполняет турбокодирование для высокоскоростных данных и сверточного кодирования для голоса, обеспечивая надежную коррекцию ошибок по угасающему радиоканалу.
  • Управление мощностью: Управление мощностью: Исполняет быстрое управление мощностью замкнутого цикла на частоте 1500 Гц, чтобы смягчить проблему ближнего расстояния — критическая функция WCDMA, которая предотвращает затопление одного UE другими.
  • Поддержка мягкой передачи: Координирует с несколькими ячейками во время мягкой передачи, одновременно отправляя и получая данные от нескольких узлов Bs через RNC.
  • Отчетность по измерениям: Собирает показатели качества сигнала (Ec/Io, RSCP, потеря пути) и отправляет их в RNC для принятия решений о передаче и ресурсах.

Узел B подключается к RNC через интерфейс Iub, который может использовать различные транспортные технологии, такие как линии E1/T1, микроволновые линии или оптоволокно.Узел B также содержит блоки обработки базовой полосы (ранее называемые элементами канала), которые управляют несколькими кодами Уолша для распространения и распространения.

Радио-сетевой контроллер (RNC)

RNC является интеллектуальным контроллером для UTRAN, примерно аналогичным контроллеру базовой станции 2G, но гораздо более мощным. Он управляет несколькими узлами Bs (обычно от десятков до сотен) и выполняет управление радиоресурсами высокого уровня. Его обязанности включают:

  • Радиоуправление ресурсами (RRC): Устанавливает, поддерживает и выпускает соединения между UE и сетью. RNC обрабатывает состояния RRC (Idle, Cell FACH, Cell DCH, URA PCH) для оптимизации времени автономной работы и использования ресурсов.
  • Управление поверхностями: Контролирует как мягкие/мягкие передачи в пределах своей собственной зоны покрытия, так и жесткие передачи через границы RNC. RNC выступает в качестве обслуживающего RNC (SRNC) для данного UE.
  • Контроль пропускной способности и контроль загруженности: Решает, можно ли принять новый вызов или сеанс передачи данных на основе требований нагрузки, помех и QoS. Он также замедляет трафик во время перегрузки.
  • Защита от шифрования и целостности: Выполняет шифрование и аутентификацию сообщений для обеспечения безопасности данных пользователей, используя алгоритмы, определенные 3GPP.
  • Управление мощностью внешней петли: Устанавливает качество целевого сигнала (цель SIR) для быстрого внутреннего контура, регулируя его на основе частоты ошибок блока (BLER) для поддержания качества при минимизации помех.

RNC взаимодействуют друг с другом через интерфейс Iur, обеспечивая мобильность между RNC и подключаемые к основной сети через интерфейс Iu (Iu-CS для коммутируемого трафика в MSC, Iu-PS для пакетного трафика в SGSN).

Основная сеть: Circuit-Switched Domain

Сетевой домен (CS) обрабатывает традиционные голосовые вызовы, видеозвонки (хотя видеозвонки 3G никогда не достигали массового принятия) и дополнительные услуги, такие как переадресация вызовов. Он построен на унаследованной архитектуре ядра сети GSM, но расширен для 3G.

Центр мобильной коммутации (MSC) и Регистр местонахождения посетителей (VLR)

MSC служит основным переключателем для голосового трафика. Он настраивает, поддерживает и срывает цепи, так же как PSTN-переключатель. В 3G MSC также обрабатывает управление мобильностью для пользователей CS. VLR обычно интегрирован с MSC и хранит временные данные абонента (область местоположения, TMSI, дополнительные профили обслуживания) для пользователей, находящихся в настоящее время в зоне обслуживания MSC. Ключевые функции включают:

  • Call Control: Управляет настройкой и выпуском вызовов с помощью ISUP (ISDN User Part) и BICC (Bearer Independent Call Control) по IP/E1.
  • Управление мобильностью: Обновления местоположения процессов, перераспределение TMSI и запросы на подачу.
  • Взаимодействие: Подключается к телефонной сети с коммутацией общего пользования (PSTN) и другим PLMN через шлюз MSC.
  • Получение: Проверяет идентичность UE, запрашивая HLR и AuC (см. ниже).

MSC/VLR взаимодействует с RNC через интерфейс Iu-CS, который обычно использует ATM (AAL2 для передачи голоса) или IP-транспорт в более поздних архитектурах выпуска.

Home Location Register (HLR)

HLR - это центральная база данных, которая хранит постоянную информацию о подписчиках, в том числе:

  • Международная идентификационная информация мобильного абонента (IMSI).
  • Номер(ы) телефона абонента (MSISDN).
  • Услуги подписки и профили QoS.
  • Текущее местоположение (адрес обслуживающего MSC/VLR и SGSN).
  • Данные аутентификации (квинтуплеты, полученные из секретного ключа абонента Ki).

Когда UE присоединяется или вызывает вызов, MSC запрашивает HLR для получения информации о маршрутизации и проверки статуса абонента. HLR также является важным элементом сети для роуминга - глобальная доступность зависит от обновлений HLR.

Центр аутентификации (AuC)

AuC тесно сотрудничает с HLR для генерации векторов аутентификации, используемых обслуживающей сетью для проверки личности абонента и получения ключей шифрования. Для каждого запроса аутентификации AuC производит набор из пяти параметров (квинтуплетов): случайный вызов (RAND), подписанный ответ (SRES), ключ шифрования (CK), ключ целостности (IK) и токен (AUTN) для взаимной аутентификации. Это гарантирует, что и сеть, и UE являются подлинными, защищая от олицетворения.

Реестр идентификации оборудования (EIR)

EIR хранит номера IMEI (International Mobile Equipment Identity) в трех списках: White (разрешено), Gray (мониторинг) и Black (блокировано). Хотя не каждый оператор развертывает EIR в живой сети 3G, он служит инструментом для идентификации украденных или несанкционированных устройств. MSC запрашивает EIR во время настройки вызова, чтобы проверить состояние оборудования UE.

Основная сеть: Packet-Switched Domain

Домен с коммутацией пакетов (PS) - это то, что действительно определило разрыв 3G с 2G. Он обеспечивает доступ к Интернету, потоковую передачу, электронную почту и любую службу данных на основе IN, используя IP в качестве сквозного транспортного протокола.

Обслуживание узла поддержки GPRS (SGSN)

SGSN отвечает за доставку пакетов данных в и из UE в пределах своей зоны обслуживания. Он выступает в качестве локального якоря для мобильности и управления сессиями в домене PS. Ключевые функции:

  • GPRS Mobility Management (GMM): Руки прикрепляют/отсоединяют, обновляют область маршрутизации и подкачивают для сеансов PS.
  • Управление сеансами (SM): Устанавливает, изменяет и выпускает контексты протокола пакетных данных (PDP) — по сути, сеансы между UE и внешним PDN (например, Интернет).
  • Маршрутизация и пересылка пакетов: Маршрутизация IP-пакетов пользователя между RNC (через Iu-PS) и GGSN.
  • Сбор данных: Собирает записи об использовании (CDR) как для расчета на основе объема, так и на основе времени.
  • QoS Enforcement: Картирует запрашиваемый класс QoS (Разговорный, потоковый, интерактивный, фоновый) по параметрам на предъявителя Iu-PS.

SGSN взаимодействует с HLR через интерфейс Gr для получения данных абонентов и с MSC через интерфейс Gs для комбинированных обновлений подкачки CS/PS и местоположения.

Узел поддержки GPRS (GGSN)

GGSN выступает в качестве шлюза от мобильной сети к внешним сетям пакетных данных (интернет, корпоративные интрасети и т. д.). С точки зрения UE, GGSN выглядит как маршрутизатор шлюза по умолчанию. Функции включают:

  • Распределение IP-адресов: Назначает динамические или статические IP-адреса UE во время активации контекста PDP.
  • Разрешение точки доступа (APN): Картирует APN, предоставленный UE, в правильную внешнюю сеть (например, маршруты «Интернет» к общедоступному IP, маршруты «corp.example.com» к шлюзу VPN).
  • Фильтрация пакетов и брандмауэр: Применяет характеристики зарядки, может выполнять NAT и может обеспечивать соблюдение правил политики.
  • Политика и формирование трафика: Принуждает к ограничению пропускной способности на одного абонента или на один APN.
  • Взаимодействие с PDN: Поддерживает подключение через протоколы IP-маршрутизации (BGP/OSPF) к внешним сетям.

GGSN может быть расположен в любом месте сети оператора; он не должен быть близко к пользователю. SGSN и GGSN подключаются через интерфейс Gn/Gp внутренне (или через PLMN для роуминга).

Зарядные шлюзы и системы оплаты

Хотя не всегда считается «компонентом» сетевой инфраструктуры, ядро с коммутацией пакетов полагается на функцию зарядного шлюза (CGF) или систему онлайн-зарядки (OCS), которая получает CDR от SGSN и GGSN. Затем они обрабатываются системой выставления счетов. 3G представила гибкие модели зарядки: на основе объема, времени, событий и даже качества обслуживания на основе (например, более высокие сборы за гарантированную скорость передачи данных).

Системы передачи: обратный путь и взаимосвязь

Все эти компоненты должны быть связаны надежными сетями передачи высокой емкости. В ранних развертываниях 3G, обратном пути от узла Bs к RNC часто использовались схемы TDM (E1/T1), иногда дополненные обратным мультиплексированием ATM. По мере роста трафика операторы мигрировали в Ethernet по волоконным, микроволновым линиям, а затем IP/MPLS. Сеть передачи включает в себя:

  • Доступ к сайту сотовой связи: Узел B к RNC (Iub.] Обычно дробный E1 для сельских участков с низким трафиком, несколько E1 или быстрый Ethernet для городских макроэлементов.
  • RNC Interconnection (Iur): Часто по выделенным оптоволоконным или арендованным линиям, чтобы обеспечить мягкую непрерывность передачи через границы RNC.
  • Основные сетевые линии связи (Iu-CS, Iu-PS): Высокопроизводительные линии связи (STM-1/OC-3 или Gigabit Ethernet), соединяющие RNC с MSC и SGSN. Они часто объединяются в центральном офисе.
  • Связь между базовой сетью: Между MSC и PSTN, SGSN/GGSN и магистралью Интернета, с использованием SS7/SIGTRAN для передачи сигналов и IP/Ethernet для пользовательских данных.

3G Node Bs требует точной синхронизации частоты (0,05 ppm для WCDMA) - часто полученной из приемников GPS на сотовой площадке или из синхронного Ethernet (SyncE) и IEEE 1588v2 Precision Time Protocol по обратной дороге.

Сигнальная сеть и интеллектуальная сеть (IN)

Под плоскостью пользовательских данных находится сложная сигнальная сеть, которая контролирует все. В 3G сигнализация использует протоколы SS7 (MAP, ISUP) по традиционным TDM-ссылкам или IP-подключенному каналу SIGTRAN (M3UA, SUA). Ключевые сигнальные объекты включают:

  • Точка передачи сигналов (STP): Маршрутизирует сообщения SS7 между MSC, HLR и SGSN.
  • Service Control Point (SCP): Размещает услуги Intelligent Network, такие как предоплаченный биллинг, запросы к базе данных переносимости номеров и логика виртуальной частной сети (VPN).В 3G CAMEL (Customized Applications for Mobile Network Enhanced Logic) является стандартной платформой IN, позволяющей предоставлять услуги, специфичные для оператора, даже при роуминге.

Качество обслуживания (QoS) и управление на предъявителями

Одним из наиболее сложных аспектов инфраструктуры 3G является QoS Framework. 3GPP определяет четыре класса трафика: разговорный (голос), потоковый (видео), интерактивный (интерактивный просмотр веб-страниц) и фоновый (электронная почта). Каждый носитель (носитель радиодоступа, RAB) имеет конкретные атрибуты: максимальная битрейт, гарантированная битрейт, задержка передачи и приоритет обработки трафика. RNC обеспечивает их через радиоинтерфейс, в то время как базовая сеть обеспечивает их на обратном пути. Этот многоуровневый QoS позволил операторам предлагать дифференцированное ценообразование - например, премиальные планы данных с гарантированными скоростями.

Эволюция: HSPA и за ее пределами

Хотя эта статья посвящена инфраструктуре 3G, как первоначально определено, важно отметить, что 3G быстро превратилась в 3.5G с высокоскоростным доступом к пакетам (HSDPA) и более поздним HSUPA (совместно HSPA). Эти улучшения потребовали обновления до Node B (добавление HS-DSCH и E-DCH графиков), RNC (новые алгоритмы для быстрого планирования) и базовой сети (для поддержки более высоких битовых частот). HSPA + дополнительно представила MIMO, модуляцию более высокого порядка (нижняя линия связи 64QAM) и работу с двумя несущими - все построено на одной базовой инфраструктуре, но со значительными изменениями в базовой сети 3G, такие как SGSN и GGSN. Инвестиции в основные элементы сети 3G, такие как SGSN и GGSN, также проложили путь для Evolved Packet Core (EPC), используемой в 4G LTE.

Заключение

Сетевая инфраструктура 3G представляет собой сложную, но элегантную систему взаимодействующих компонентов: от радиовышек (узел B) и контроллеров (RNC), которые управляют воздушным интерфейсом, до основных элементов сети (MSC, SGSN, GGSN, HLR, AuC), которые маршрутизируют вызовы и данные, и сетей передачи и сигнализации, которые связывают все вместе. Каждый компонент был тщательно разработан 3GPP для удовлетворения требований IMT-2000 для стационарных пользователей и 384 кбит/с для движущихся пользователей - скорости, которые казались революционными в то время. В то время как принципы инфраструктуры, установленные 3G, особенно разделение цепей и пакетных доменов, использование WCDMA с контролем мощности и всеобъемлющая структура QoS - остаются основополагающими. Для более глубокого погружения в точные протоколы и интерфейсы 3GPP относятся к официальным выпускам 3GPP (]3GPP Release 99 и , выпуск 4 , или исследовать рекомендации ITU