Teil 2 (Mobilfunksysteme): Kap. 7
9 Mobilfunknetze 3G (UMTS, IMT-2000)
9.3 Grundlagen UMTS (3GPP)
Zugangsnetz und Kernnetz
Komponenten eines UMTS-Netzes:
- Kernnetz (CN: Core Network), - Zugangsnetz (AN: Access Network)
Schnittstelle Iu zwischen CN - AN: erlaubt Anschluss unterschiedlicher Zugangsnetze:
- BRAN (Broadband Radio Access Network), für Breitband-Zugangsnetz vom Typ WLAN (Wireless LAN, u.a. IEEE 802.11, HIPERLAN/2);
- SRAN (Satellite Radio Access Network);
- UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network).
Allgemeine Verwendung des Funkkanals über RAB (Radio Access Bearer) möglich.
Abbildung 9.5: Schema eines UMTS-Netzes
74 Ebenen (Schichten)
Schichtenkonzept: liefert unabhängige Service-Ebenen im UMTS. Hauptebenen (entspre-chend der logischen Aufteilung der Netzfunktionen): Access Stratum, Non-Access Stratum.
Access Stratum (AS):
- Umfasst alle mit dem Zugangsnetz verbundenen Funktionen, u.a. Management der Funk-kanäle, Handover-Verwaltung, UTRAN.
- Teil des Mobilgerätes (Protokolle der Funkschnittstelle Uu), - Teil des Kernnetzes (Iu-Schnittstelle).
Non-Access Stratum (NAS):
Umfasst alle anderen vom Zugangsnetz unabhängigen Funktionen des UMTS-Netzes, u.a.
- Funktionen zur Verbindungsherstellung: entsprechen den Schichten der Protokolle CC (Call Control) für leitungsvermittelte Anrufe,
SM (Session Management) für Paketvermittlung.
- Funktionen des Mobilitätsmanagements im Standby-Modus: = Schichten der Protokolle MM (Mobility Management) im leitungsvermittelten Modus,
GMM (GPRS Mobility Management) im Paketmodus.
Abbildung 9.6: Access-/Non-Access Stratum und SAP
Service Access Points (SAP) zwischen Access Stratum und Non-Access Stratum:
AS verhält sich gegenüber NAS wie Dienstleistungsanbieter: Zum Aufbau einer Verbindung wird AS vom NAS beauftragt, die Signalisierungsverbindungen und Übertragungskanäle im Zugangsnetz einzurichten.
Je nach angeforderten Dienst werden am SAP 3 Zugangspunkte angeboten:
General Control SAP (GC)
- Alle Dienste, die mit Senden von Informationen über Funkschnittstelle verbunden sind.
- Broadcast-Funktion: Senden für die Allgemeinheit, Info‘s können von allen Mobilgeräten empfangen werden, z.B. Verkehrsinformation, Wetter, Netzkonfigurationsinformationen.
Notification SAP (Nt)
- Weitere Dienste zum Senden von Informationen an der Funkschnittstelle.
- Im Gegensatz zu GC-SAP sind Informationen nur für einen oder mehrere identifizierte Benutzer bestimmt, z.B. Paging-Nachrichten oder Gruppenruf.
Dedicated Control SAP (DC)
- Nur für einzelnes Mobilgerät bestimmte Dienste, z.B. Herstellung/Beendigung einer Sig-nalsierungsverbindung, Senden/Empfangen von Nachrichten auf diesen Verbindungen.
- Beispiele: SMS (Kurznachrichten), Signalsierungen auf höheren Ebenen:
MM (Mobility Mgt.) oder CC (Call Control) für leitungsvermittelte Anrufe und PMM (Packet Mobility Mgt.) oder SM (Session Mgt.) für Paketmodus.
75 9.3.2 Architektur und Schichtenstruktur UMTS
Architektur UMTS-Netz
UMTS-Netz nach Standard ETSI: Kernnetz (CN: Core Network) und Zugangsnetz UTRAN (AN: Access Network).
Abbildung 9.7: Architektur UMTS-Netz mit UTRAN-Zugangsnetz Struktur UMTS-Netz analog Struktur GSM-Netz:
Kernnetze von GSM (mit GPRS) und UMTS ähnlich: Gesamtheit der Komponenten und Schnittstellen des GSM-Kernnetzes wurden ins UMTS-Kernnetz übernommen. Dennoch funktionelle Unterschiede in einzelnen Komponenten, insbes. Netzknoten SGSN (Serving GPRS Support Node) und MSC (Mobile Switching Center).
Hauptbestandteile des Kernnetzes:
- MSC, HLR / VLR (Home / Visitor Location Register), AuC, EIR,
- GGSN (Gateway GPRS Support Node), SGSN (Serving GSN), GMSC (Gateway MSC).
UMTS-Zugangsnetz besteht aus
- RNC (Radio Network Controller): Äquivalent zum BSC im GSM-Netz, - NodeB: Äquivalent zur BTS im GSM-Netz,
- Neue Schnittstelle zwischen den RNC: Iur. Schichtenstruktur UMTS-Netz
Für Anrufe im leitungsvermittelten Modus:
Abbildung 9.8: Schichtenarchitektur für Anrufe im leitungsvermittelten Modus
76
• Die im Kernnetz an den Schnittstellen C, E und F verwendeten Transportschichten TCAP, SCCP und MTP sind mit denen im GSM identisch,
• UMTS-Anwendungsschicht ist Weiterentwicklung der GSM-MAP-Schicht,
• Für das Zugangsnetz wurden neue Protokolle definiert.
Für Datenübertragung im Paket-Modus:
Abbildung 9.9: Schichtenarchitektur der Packet-Switched Domain
• Die Transportschichten des Kernnetzes zwischen SGSN und GGSN bleiben wie im lei-tungsvermittelten Modus unverändert,
• Signalisierung, die zur NAS-Schicht gehört, d.h.
- Schichten CC (Call Control) und MM (Mobilty Mgt.) im leitungsvermittelten Modus, - Schichten SM (Session Mgt.) und GMM (GPRS Mobilty Mgt.) im Paketmodus sind mit GSM identisch.
• Einige Weiterentwicklungen zu neu eingeführten Diensten.
9.3.3 UMTS-Kernnetz Domain-Konzept
UMTS-Spezifikation Version 99 und 3GPP unterscheidet (analog zu GSM) zwei Service- Domains: CS (Circuit Switched): leitungsvermittelt, PS (Packet Switched): Paket-basiert
Abbildung 9.10: Aufteilung der Kernnetz-Komponenten auf Domains
77 Bestandteile des Kernnetzes auf 3 Bereiche verteilt:
- Gruppe 1: Elemente der CS-Domain -> umfasst MSC, GMSC, VLR.
- Gruppe 2: Elemente der PS-Domain -> umfasst SGSN, GGSN.
- Gruppe 3: Elemente, die von CS-Domain und PS-Domain gemeinsam genutzt werden -> umfasst HLR, EIR, AuC.
Moderne UMTS-Handys können zugleich über die CS- und PS-Domain kommunizieren.
Integriertes Kernnetz
Trotz Trennung der CS- und PS-Domains gestattet GSM-Norm eine Verbindung beider Do-mains über Gs-Schnittstelle. UMTS verstärkt dies durch das Konzept des „integrierten Kern-netzes“ (Integration der CS- und PS-Domains). Damit vereinfachte Durchführung von Aktua-lisierungen, verkürzte Bearbeitung der Vorgänge und geringere Netz-Instandhaltungskosten.
Ausgelagerte Funktionen Schicht-2-Protokolle
Verlagerung einiger Funktionen des SGSN (2G) ins UMTS-Zugangsnetz, um Unabhängig- keit des UMTS-Kernnetzes gegenüber den Funktechnologien zu sichern, u.a.
- Protokolle LLC (Fehlerkontrolle, Senden und Quittieren von Frames, Verschlüsselung), - SNDPC (Kompression der IP-Header)
von GPRS nach RNC (Schichten RLC bzw. PDCP im UMTS-Zugangsnetz).
Kodierungsfunktion
Während die Sprachkodierungsfunktion TRAU (Transcoder and Rate Adaption Unit) im GSM im Zugangsnetz angeordnet ist, wird sie im UMTS im Kernnetz plaziert (z.B. zwischen MSC und BSC).
Aus Sicht der Übertragung im Netz ist es auch die wirtschaftlichste Option. Die Iu -Schnittstelle transportiert kodierte Sprach-Frames, wodurch bei Telefongesprächen ein vier- bis zehnmal geringerer Datenfluss als an der A-Schnittstelle entsteht. Eine Verlagerung des Sprachkodierers dagegen in das Kernnetz würde bedeuten, dass der Datenfluss im Zugangs-netz zum Normalfall wird. Vom UTRAN her gesehen ist der Telefondienst kein spezieller Vorgang mehr (die Kodierung erfolgt ja oberhalb, im Kernnetz). Der Transport vom Frames im UTRAN wird zum Bestandteil eines allgemeinen Prozesses für Sprache und Daten.
UTRAN kennt von den verschiedenen, vom Anwender benutzten Diensten, nur den RAB (Radio Access Bearer), der durch eine Liste von Attributen bestimmt ist. Somit ist der RAB eines Telefondienstes ist also nur eine Anwendung unter vielen.
Damit enthält UTRAN nur einen einzigen Protokollstapel, der auf alle RAB-Typen ange-wandt wird, aber flexibel genug ist, die für jeden einzelnen Dienst erforderliche Qualität zu gewährleisten.
9.3.4 UMTS-Zugangsnetz (UTRAN) Komponenten des Zugangsnetzes
Radio Network Controller (RNC)
RNC im UTRAN hat gleiche Funktion wie BSC im GSM-Netz:
- vor allem das Routen der Verbindungen zwischen dem NodeB und dem Kernnetz, - Überwachung des NodeB.
Durch die Einführung einer neuen Schnittstelle im Zugangsnetz (Iur-Schnittstelle) und durch Definition neuer Konzepte im UTRAN (speziell Access und Non-Access Stratum) ist die Funktion des RNC stark abweichend gegenüber der BSC im GSM-Netz.
Zu den neuen Funktionen des RNC gehören:
- die Relocation-Funktion,
- die Verwaltung der Makrodiversität.
78 Abbildung 9.11: Schema des Zugangsnetzes
Wegen der zwischen RNC und UTRAN eingeführten Iur-Schnittstelle unterscheiden die Spe-zifikationen verschiedene Arten von RNC, je nach ihrer Funktion bei den einzelnen Verbin-dungen.
Falls Mobiltelefon aktiv ist, wird eine RRC-Verbindung zwischen dem Mobiltelefon und ei-nem RNC des UTRAN hergestellt (entsprechender RNC SRNC (Serving-RNC) genannt).
Wenn sich der Benutzer im Netz bewegt, kann er die Zelle wechseln oder sogar in den Be-reich einer Zelle kommen, die nicht von seinem SRNC abhängt. Der RNC, der für solche ent-fernte Zellen zuständig ist, wird Controlling-RNC genannt. Vom RRC aus bezeichnet man so einen entfernten RNC als Drift-RNC. Bei Drift-/Controlling-RNC laufen die zwischen Ser-ving-RNC und Mobiltelefon ausgetauschten Daten über die Iur- und Iub-Schnittstellen. Der Drift-RNC spielt für diese Daten die Rolle eines simplen Routers. Die Rollen jedes RNC als Controlling-RNC gegenüber den NodeB-Komponenten sind genau festgelegt, nicht aber seine Serving- und Drift-Rollen. Ein RNC kann zugleich Serving- und Drift-RNC für verschiedene Mobiltelefone sein, je nachdem, wie die Verbindungen hergestellt werden.
NodeB
NodeB des UTRAN ist das Äquivalent zum BTS der GSM-Netze. Wichtigste Aufgabe: Si-cherstellung der Sende- und Empfangsfunktionen einer oder mehrerer UTRAN-Zellen.
Die technische Umsetzung der internen NodeB-Architektur ist dem Hersteller überlassen.
Somit kann ein NodeB auch eine oder mehrere Zellen umfassen und seine Antennen in alle Richtungen oder in einzelne Sektoren richten.
Abbildung 9.12: Logisches Modell des NodeB
Das RANAP-Protokoll (Radio Access Network Application Part, genutzt an der Iub -Schnittstelle zum Ausloten der Funktionsweise des NodeB) ist ein offenes Protokoll, d.h.
vollständig durch die 3GPP-Norm spezifiziert. Damit Verbindung zwischen RNC und NodeB
79 durch verschiedene Hersteller ermöglicht. Zur Erleichterung der Protokolldefinition spezifi-ziert UTRAN-Norm ein logisches Modell des NodeB.
Logisches Modell des NodeB besteht aus verschiedenen Elementen:
• Die Kommunikationskontexte stellen die den Benutzern des Netzes zugeteilten und vom NodeB unterstützten Ressourcen dar. Jeder Anwender verfügt über einen Kommunikati-onskontext, der aus einem oder mehreren zugeordneten (DCH) oder gemeinsam genutzten (DSCH: Downlink Shared CHannel) Transportkanälen besteht. Das Management der An-wenderressourcen erfolgt über den Communication Control Port.
• Jeder NodeB muss eine bestimmte Anzahl gemeinsam genutzter Transportkanäle un-terstützen (RACH, FACH, PCH), je nach Zahl der im NodeB vorhandenen Zellen.
• Der NodeB Control Port wird vom RNC zum Konfigurieren und Initialisieren der vom NodeB unterstützten Ressourcen verwendet, d.h. zur Bestimmung des Formats und der Struktur der gemeinsam genutzten Transportkanäle, und zur Konfigurierung der System-informationen, die über den BCCH-Peilkanal jeder Zelle des NodeB gesendet werden.
Schnittstellen des Zugangsnetzes
Das UTRAN-Zugangsnetz verfügt über folgende Schnittstellen:
- Iu zwischen RNC und Kernnetz;
- Iub zwischen RNC und NodeB;
- Iur zwischen den RNC.
Jede dieser Schnittstellen unterstützt zwei Arten von Protokollen:
- AP-Protokolle (Application Protocol): für Signalaustausch zwischen den Komponenten, - FP-Protokolle (Frame Protocol): verwendet für den Transport der Benutzerdaten.
Zwischen den Iu- und Iur-Schnittstellen des UMTS und den A- und Abis-Schnittstellen des GSM gibt es mehrere Ähnlichkeiten. Die Iur-Schnittstelle hingegen hat in der GSM-Norm keine Entsprechung.
9.3.5 UMTS-Endgeräte (USIM-Karte)
Zugang zu Diensten im UMTS-Netz ist an eine im Endgerät befindliche Chip-Karte des Teil-nehmers gebunden: USIM (Universal Subscriber Identity Module). Ohne diese Karte nur Notrufe möglich.
USIM-Karte ist wie GSM-SIM-Karte konform zu den Spezifikation 7816 der ISO/IEC (Inter-national Organization for Standardization/Inter(Inter-national Electrotechnical Commision). Diese Norm definiert eine Anzahl von Funktionsmerkmalen der Chipkarten, z.B. Abmessungen, Positionen der Kontakte, elektrische Merkmale und Protokolle des Datenaustauschs zwischen Karte und Endgerät.
Zwei Kartenformate (ISO-Norm 7816-2): Kreditkartenformat und Plug-in-Format (wegen seiner geringeren Größe am häufigsten verwendet). USIM-Karte enthält eine Anzahl von Da-ten, die in verschiedenen Dateien strukturiert sind. Datenstruktur der USIM-Karte ist eine Erweiterung gegenüber SIM-Karte von GSM-Geräten ~> erlaubt ihre Verwendung in einem GSM-Endgerät.
USIM-Karte enthält alle teilnehmerrelevanten Daten:
- IMSI (International Mobile Station Identity);
- MSISDN (Mobile Station International ISDN Number), die Telefonnummer des Teilneh- mers;
- bevorzugte Sprache für Anzeige von Informationen und Menüoperationen am Endgerät;
- Codes für Verschlüsselung und Integrität für Dienste der CS- und PS- Domains (diese Codes für Sicherheitsfunktionen verwendet);
- Liste der unzulässigen Netze;
80 - TMSI und P-TMSI, die temporären Identitäten des Teilnehmers gegenüber CS- und
PS-Domains;
- Identität der aktuellen Lokalisierungszone des Mobilgerätes für CS- und PS-Domains.
Die Norm präzisiert die Bedingungen für den Zugriff auf die einzelnen in der USIM-Karte enthaltenen Informationen und die Bedingungen für ihre Aktualisierung. Für jede in der USIM-Karte enthaltene Datei gibt es eine Zugriffsbedingung, entweder zum Lesen oder zum Aktualisieren der Informationen:
- ALW (always): die Informationen sind ohne Einschränkung zugänglich (Zugriffs-bedingung ALW ist für die am wenigsten sensiblen Daten reserviert, z.B. für die bevor-zugte Sprache).
- PIN (Personal Identification Number): Information ist erst nach Eingabe der gültigen Be-nutzer-PIN zugänglich;
- ADM (administrative): nur der Betreiber der Karte hat Zugriff auf die Informationen;
- NEV (never): verweist auf eine Information, auf die nicht zugegriffen werden kann;
Die IMSI auf der USIM-Karte kann hingegen gelesen werden, sobald die gültige PIN einge-geben wird; sie kann aber nur vom Netzadministrator (ADM) verändert werden.
9.4 Implementation UMTS