Architektura UMTS

Sieć rdzeniowa (CN), struktura UTRAN, Node B, RNC i interfejsy sieciowe.

Opowieść o Dwóch Sieciach: Ewolucyjny Projekt UMTS

Uniwersalny System Telekomunikacji Mobilnej (UMTS) został pomyślany jako most łączący skoncentrowany na głosie świat 2G/GSM z przyszłością napędzaną danymi. Aby to osiągnąć, jego projektanci podjęli kluczową decyzję strategiczną: zamiast zaczynać od zera, postanowili budować na udanej i globalnie wdrożonej podstawie sieci GSM. To ewolucyjne podejście pozwoliło na płynniejszą i bardziej opłacalną transformację dla operatorów komórkowych.

Wynikiem jest zaawansowana architektura, którą najlepiej rozumieć jako połączenie starego z nowym. Składa się ona z trzech fundamentalnych części:

Urządzenie Użytkownika (UE): Urządzenie mobilne zdolne do pracy w 3G, ewolucja stacji ruchomej z 2G.
Sieć Rdzeniowa (CN): Jest to "mózg" sieci, odpowiedzialny za zadania wysokiego poziomu, takie jak kierowanie połączeń, uwierzytelnianie użytkowników i łączenie z innymi sieciami. W przypadku UMTS, sieć rdzeniowa była w dużej mierze ewolucją istniejącej sieci rdzeniowej GSM, wzbogaconą o obsługę szybkich danych.
Naziemna Sieć Dostępu Radiowego UMTS (UTRAN): Był to rewolucyjny, nowy komponent UMTS. UTRAN to kompletny zestaw elementów sieciowych odpowiedzialnych za zarządzanie interfejsem radiowym. Zastąpił on sieć radiową GSM (BSS) i wprowadził nową, potężną technologię interfejsu radiowego WCDMA.

To celowe oddzielenie Sieci Dostępu Radiowego (UTRAN) od Sieci Rdzeniowej (CN) jest kluczową zasadą projektową. Pozwala to na niezależny rozwój technologii radiowej od infrastruktury komutacyjnej i usługowej, co jest koncepcją kluczową dla ewolucji sieci komórkowych od tamtego czasu.

Sieć Rdzeniowa (CN) UMTS: Ulepszony Mózg

Sieć Rdzeniowa jest kręgosłupem systemu UMTS, obsługując zarządzanie abonentami, rozliczenia i łączność ze światem zewnętrznym. Wyewoluowała bezpośrednio z rdzenia GSM, ale została znacznie zmodernizowana, aby sprostać nowym wymaganiom danych mobilnych. Najważniejszą zmianą był jej formalny podział na dwie równoległe subdomeny, co pozwoliło na jak najbardziej efektywną obsługę ruchu głosowego i danych.

A. Domena Komutacji Łącz (CS)

Domena CS to część Sieci Rdzeniowej dedykowana obsłudze tradycyjnych usług czasu rzeczywistego, przede wszystkim połączeń głosowych i wideo. Działa na zasadzie , gdzie dedykowane połączenie od końca do końca jest ustanawiane i utrzymywane przez cały czas trwania rozmowy. Ta domena jest w zasadzie bezpośrednią ewolucją Podsystemu Sieciowego i Komutacyjnego (NSS) z GSM i wykorzystuje bardzo podobne komponenty:

Centrala Komutacyjna (MSC) Server: Centralny komponent domeny CS. Działa jak potężna centrala telefoniczna, odpowiedzialna za zestawianie, kierowanie i zarządzanie połączeniami głosowymi i wideo do i od użytkowników UMTS. Łączy się z UTRAN z jednej strony i z publiczną siecią telefoniczną z drugiej.
Bramowa Centrala Komutacyjna (GMSC): To wyspecjalizowana centrala MSC, która działa jako punkt wejścia i wyjścia dla połączeń pochodzących z lub kierowanych do zewnętrznych sieci komutowanych łącz, takich jak tradycyjna Publiczna Komutowana Sieć Telefoniczna (PSTN).
Rejestr Abonentów Gości (VLR): Tymczasowa baza danych, która jest zawsze sparowana z MSC. Przechowuje kopię profili wszystkich abonentów, którzy aktualnie znajdują się w obszarze obsługiwanym przez MSC, co pozwala na szybkie zestawianie połączeń bez ciągłego odpytywania głównej bazy danych HLR.

B. Domena Komutacji Pakietów (PS)

Domena PS była przełomowym ulepszeniem w UMTS. Została specjalnie zaprojektowana do obsługi całego ruchu danych, który nie jest czasem rzeczywistym, takiego jak przeglądanie internetu, e-mail czy pobieranie plików. Działa na zasadzie , która jest znacznie bardziej efektywna dla "wybuchowej" natury ruchu internetowego. Kluczowe komponenty domeny PS wyewoluowały z architektury GPRS, która została dodana do późniejszych sieci GSM:

Węzeł Obsługi GPRS (SGSN): SGSN można sobie wyobrazić jako "MSC dla danych". Jest to główny węzeł w domenie PS do zarządzania sesjami danych. Jego zadania obejmują uwierzytelnianie użytkownika danych, zarządzanie jego mobilnością (śledzenie, w której komórce się znajduje), ustanawianie i zrywanie połączeń danych (znanych jako konteksty PDP) oraz kierowanie pakietów danych do i z odpowiedniego RNC w UTRAN.
Bramowy Węzeł Obsługi GPRS (GGSN): GGSN jest bramą do świata zewnętrznego dla wszystkich danych pakietowych. Działa jako most między domeną PS operatora komórkowego a zewnętrznymi sieciami danych pakietowych, przede wszystkim z internetem. Jego kluczowe role obejmują przydzielanie urządzeniu użytkownika, działanie jako punkt zakotwiczenia sesji danych (nawet gdy użytkownik przemieszcza się między SGSN), egzekwowanie polityk bezpieczeństwa oraz kierowanie wychodzących pakietów do internetu i przychodzących pakietów do właściwego SGSN.

C. Współdzielone Bazy Danych Sieci Rdzeniowej

Kilka krytycznych baz danych jest współdzielonych przez obie domeny, CS i PS, zapewniając zunifikowany i spójny widok abonenta i sprzętu sieciowego.

Rejestr Abonentów Macierzystych (HLR): Jest to główna baza danych sieci. HLR przechowuje stały profil każdego abonenta. Obejmuje to jego unikalne identyfikatory (IMSI), numery telefonów (MSISDN), usługi, do których ma subskrypcję (zarówno dla głosu, jak i danych), jego dane uwierzytelniające oraz jego bieżącą ogólną lokalizację (adres VLR dla głosu i adres SGSN dla danych).
Centrum Uwierzytelniania (AUC): Silnie zabezpieczona baza danych przechowująca tajny klucz ( $K_i$ ) dla karty USIM każdego abonenta. Jest używana przez obie domeny do przeprowadzania procedur uwierzytelniania i generowania kluczy.
Rejestr Identyfikacji Urządzeń (EIR): Baza danych zawierająca unikalne numery IMEI aparatów komórkowych, używana do śledzenia i blokowania skradzionych lub nieautoryzowanych urządzeń przed dostępem do sieci.

Naziemna Sieć Dostępu Radiowego (UTRAN) UMTS: Rewolucja w Eterze

UTRAN jest całkowicie nową częścią architektury UMTS. Reprezentuje całą infrastrukturę radiową i jest odpowiedzialny za zarządzanie zaawansowanym interfejsem radiowym WCDMA. Jego zadaniem jest zapewnienie faktycznego połączenia bezprzewodowego z urządzeniem użytkownika i efektywne zarządzanie widmem radiowym. Składa się z dwóch nowych typów węzłów sieciowych.

A. Węzeł B (Node B)

Node B to termin UMTS dla tego, co powszechnie nazywamy masztem komórkowym lub stacją bazową. Jest to funkcjonalny odpowiednik BTS w sieci GSM. Node B jest odpowiedzialny za transmisję i odbiór radiowy w jednej lub więcej komórkach. Zawiera wzmacniacze mocy, nadajniki-odbiorniki i anteny, które komunikują się bezpośrednio z Urządzeniem Użytkownika (UE) przez interfejs $Uu$ . W porównaniu z BTS-em z GSM, Node B jest często uważany za "prostsze" urządzenie pod względem logiki wysokiego poziomu, ponieważ wiele złożonej inteligencji sterowania i zarządzania zasobami zostało przeniesione do Kontrolera Sieci Radiowej (RNC). Jego główne zadania to przetwarzanie warstwy fizycznej WCDMA, modulacja i kontrola mocy zgodnie z poleceniami RNC.

B. Kontroler Sieci Radiowej (RNC)

RNC to prawdziwy mózg UTRAN. Jest to potężny węzeł sieciowy, który kontroluje i zarządza grupą podłączonych do niego węzłów B. Jeden RNC może kontrolować setki węzłów B, nadzorując zasoby radiowe dla dużego obszaru geograficznego. RNC to znacząca ewolucja w stosunku do Kontrolera Stacji Bazowych (BSC) z GSM, przejmując znacznie szerszy zakres złożonych zadań. Jego kluczowe obowiązki to:

Zarządzanie Zasobami Radiowymi (RRM): To jego najważniejsza rola. RNC zarządza zasobami radiowymi WCDMA, w tym przyjmowaniem nowych użytkowników do sieci (kontrola dostępu), zarządzaniem poziomami mocy wszystkich urządzeń w celu minimalizacji zakłóceń, alokacją kodów WCDMA użytkownikom oraz kontrolą przełączeń (handover).
Zarządzanie Mobilnością: RNC jest mistrzem przełączeń. Przetwarza raporty pomiarowe z UE i węzłów B, aby zdecydować, kiedy i gdzie powinno nastąpić przełączenie. To jest element, który zarządza zaawansowaną procedurą , co jest kluczową zaletą WCDMA.
Zarządzanie Danymi: RNC zarządza przepływem danych użytkownika między Siecią Rdzeniową a węzłami B. Obejmuje to szyfrowanie i deszyfrowanie danych w celu zapewnienia bezpieczeństwa w łączu radiowym oraz zarządzanie przepływem danych przez bufory.
Zarządzanie Interfejsami: RNC jest centralnym hubem komunikacyjnym w UTRAN oraz między UTRAN a Siecią Rdzeniową, zarządzając standardowymi interfejsami $Iu$ , $Iub$ i $Iur$ .

Standaryzowane Interfejsy: Spoiwo Łączące UMTS

Modułowa natura architektury UMTS jest możliwa dzięki zestawowi dobrze zdefiniowanych, otwartych interfejsów, które określają dokładnie, jak poszczególne komponenty sieciowe powinny się ze sobą komunikować. Te standardowe interfejsy są kluczowe, ponieważ pozwalają operatorom budować swoje sieci, używając sprzętu od wielu różnych dostawców.

A. Interfejs Radiowy: $Uu$

Jest to interfejs radiowy między Urządzeniem Użytkownika (UE) a Węzłem B. To tutaj działają sygnały radiowe WCDMA.

B. Interfejs Węzeł B do RNC: $Iub$

Jest to łącze komunikacyjne między Węzłem B a jego kontrolującym RNC. Służy do przenoszenia zarówno ruchu użytkownika (pakiety głosowe i danych), jak i komunikatów sygnalizacji sterującej, których RNC używa do zarządzania zasobami radiowymi Węzła B.

C. Interfejs RNC do RNC: $Iur$

Interfejs $Iur$ pozwala dwóm różnym RNC na bezpośrednią komunikację ze sobą. Ten interfejs nie zawsze jest wymagany w małych sieciach, ale jest niezwykle ważny dla umożliwienia wydajnych miękkich przełączeń. Gdy użytkownik znajduje się na granicy obszarów zasięgu komórek kontrolowanych przez dwa różne RNC, interfejs $Iur$ pozwala tym RNC koordynować przełączenie bez konieczności angażowania Sieci Rdzeniowej, co wprowadziłoby znaczne opóźnienia. Pomaga to utrzymać płynną mobilność na dużych obszarach.

D. Interfejs UTRAN do Sieci Rdzeniowej: $Iu$

Interfejs $Iu$ jest kluczowym łączem łączącym cały UTRAN z Siecią Rdzeniową. Uznając podwójną naturę CN, ten interfejs jest logicznie podzielony na dwa oddzielne połączenia:

Interfejs $Iu-CS$ : Łączy RNC z serwerem MSC w domenie komutacji łączy. Cały ruch dla połączeń głosowych i wideo przepływa przez ten interfejs.
Interfejs $Iu-PS$ : Łączy RNC z SGSN w domenie komutacji pakietów. Cały ruch internetowy i inny ruch danych przepływa przez ten interfejs.