UMTS unterstützt sowohl leitungs- als auch paketorientierte Dienste. Das CN setzt bei seiner ersten Ausbaustufe auf bereits bestehende Strukturen des GSM/GPRS-Standards auf - es verwendet somit am Anfang zwei getrennte Netzerke für CS- und PS-Dienste. Was ist der Unterschied zwischen CS- und PS-Diensten?
Leitungsorientierte Dienste (engl. CS-Circuit Switched) werden dadurch realisiert, dass jedes Übertragungssignal ein eigenes Übertragungsmedium zur Verfügung gestellt bekommt. Damit das Signal von Ort A nach Ort B gelangen kann, sind in einem geographischen Land mehrere Vermittlungsstellen aufgestellt, die man bei Mobilfunknetzen "Mobile Switching Center", kurz MSC, nennt. Da MSC´s auch vom GSM-Netz verwendet wurden, bezeichnet man die MSC´s von UMTS manchmal auch als 3G-MSC oder als UMSC. Die Funktionalität ist aber im wesentlichen die Gleiche, nur dass bei UMTS neue und mehrere Dienste realisiert werden müssen.
Der MSC hat nun die Aufgabe eine Verbindungsstrecke von einer Quelle bis zu einem Ziel durchzuschalten. Das, was früher eine Vermittlungsdame durch mechanisches Verstöpseln von Leitungen getan hat, wird heute natürlich im MSC elektronisch geregelt. Ziel ist es also ein Übertragungsmedium von Ort A bis Ort B zusammen zu "stöpseln". Wichtig ist hier nur, dass am Anfang einer Signalübertragung bekannt gemacht werden muss, von wo und wohin die Daten transportiert werden müssen. Entsprechend diesen Informationen wird zu Beginn ein Übertragungsweg zusammengestellt. Diese Aufgabe nennt man auch Signalisierung.
Wesentliches Merkmal von CS-Leitungen ist, dass jeweils nur ein Teilnehmer dieses Medium nutzen kann. Das ist für Echtzeitanwendungen wie z.B. Telefonieren auch vorteilhaft und wünschenswert, da hier fast permanent die Leitung belegt ist (mit Ausnahme von Sprachpausen). Auch Lifevideo- oder Lifeaudioübertragungen sind typische Echtzeitanwendungen, wo man einen permanenten und konstanten Datenstrom übertragen will. Anders sieht es bei interaktiven Diensten wie z.B. das Internet aus. Hier ist im allgemeinen kein permanenter Datenstrom von Nöten. Dafür eignen sich hervorragend paketorientierte Datendienste.
Paketorientierte Dienste (engl. PS - Packet Switched) geht bei der Übertragung von Signalen einen ganz anderen Weg. Während bei CS-Diensten jedes Signal sein eigenes Übertragungsmedium hat, können sich bei PS-Diensten mehrere Signale den selben Übertragungskanal teilen. Dabei können mehrere Teilnehmer ihre Daten zu Pakete zusammen fassen, wobei jeder Teilnehmer sein Paket mit Zieladresse und Absender versieht. Ist das Paket so gekennzeichnet, wird es einfach auf den Übertragungskanal gelegt, wo es bis zum Kanalende weitergereicht wird und dort von einem Router ausgewertet wird. Der Router schaut sich die Zieladresse an und weiß nun anhand von Tabellen auf welchen seiner Ausgänge er das Paket wieder hinausschicken muss. Vom Ausgang dieses Routers bewegt sich das Paket bis zum nächsten Router, der wiederum die dem Adressfeld entsprechenden Konsequenzen zieht und das Paket weiterleitet. Das Spiel geht solange von Router zu Router weiter, bis das Paket seine Zieladresse erreicht hat.
Das Paket kann dabei unterschiedliche Länge haben. Bei ATM-Netzen haben die Pakete eine feste Länge von 53 Byte, von denen 5 Byte für Kontrollinformationen wie z.B. Adresse und 48 Byte für die eigentlichen Nutzdaten verwendet werden. Bei IP-Netzen können pro Paket bis zu 65536 Byte übertragen werden. Sollten die zu übertragenden Daten größer sein, so müssen sie auf mehrere Pakete aufgeteilt werden, die nach und nach übertragen werden.
Es leuchtet natürlich ein, dass es bei der paketorientierten Übertragung von Daten zu Staus kommen kann, je mehr Teilnehmer gleichzeitig ihre Pakete auf dem Übertragungskanal abladen. Irgendwann wird die Kapazitätsgrenze erreicht sein, und der Teilnehmer muss mit dem Aufladen neuer Pakete solange warten, bis wieder Übertragungskapazität frei wird. Andererseits liegt hier auch ein großer Vorteil. Bei Internetzugriffen z.B. wird oft eine Seite heruntergeladen, die mit einigen Paketen aus dem Internet transportiert wird, und nachher wird diese Seite gelesen. Während dem Lesen wird allerdings keinerlei Daten transportiert. Der Teilnehmer überträgt somit auch keine Pakete. Bei CS-Verbindungen würde die Leitung jetzt brach stehen, ohne auch nur irgend einen Nutzen zu haben. Bei PS-Diensten können während dieser Lesepause andere Teilnehmer ihre Pakete auf der gleichen Leitung versenden, wodurch die Auslastung der Leitung wesentlich verbessert wird. Viele Dienste benötigen keine permanente Leitung.
PS-Netze stellen eine sehr effiziente Auslastung der Übertragungsressourcen dar, da hier mehrere Teilnehmer gleichzeitig über ein physikalisches Medium mit Diensten versorgt werden können. Bei CS-Dienste braucht hingegen jeder Teilnehmer sein eigenes physikalisches Medium, dafür steht er nicht in Konkurrenz mit anderen Teilnehmern, verbraucht aber mehr Leitungskapazität des Netzbetreibers!
Das folgende Bild skizziert im Groben die Vermittlungsarchitektur von UMTS (Release 99 - "Erstausgabe"). Dabei erkennt man sehr gut die CS-Strukturen, die auch bei GSM zum Tragen gekommen sind, als auch die PS-Strukturen, die bereits auch von GPRS zur Verfügung gestellt wurden. Die Release 99 hat die Aufgabe, den Netzbetreibern einen möglichst leichten und schnellen Übergang von bereits bestehender GSM/GPRS-Infrastruktur zur UMTS-Core-Architektur zu erlauben. Die MSC´s werden z.B. durch Software-Updates dazu gebracht auch UMTS-CS-Dienste durchführen zu können. Die wesentlichsten Neuerungen von UMTS finden ja bekanntlich im Funknetzteil UTRAN statt, da hier ein neues Multiplexverfahren (WCDMA) eingesetzt wird. Durch Klick auf die Grafik kann man die Abbildung vergrößern.
Das Core Network kommuniziert mit dem UTRAN (RNC) über die Iu-Schnittstelle.
Das MSC ist ein Vermittlungsknoten, der Signale von einem Eingang zu einem bestimmten Ausgang für CS-Dienste durchschalten muss. Um externe CS-Netze an das interne UMTS-Netz anzukoppeln gibt es eigene GMSC´s (Gateway MSC). Außerdem muss das MSC noch folgende Aufgaben durchführen:
Weitere Informationen zum MSC bei GSM: MSC - Mobile Switching Center
Die TRAU stellt eine Gatewayfunktion zwischen dem MSC und dem RNC (Radio Network Controller aus dem UTRAN). Sie hat die Aufgabe einerseits die AMR-Sprachkompression zur Verfügung zu stellen, da im UTRAN nur Sprachdatenraten von 4,75kbit/s bis 12,2kbit/s verwendet werden, der MSC aber nur die Standardrate von 64kbit/s versteht, die einem Zeitschlitz des PCM30-Standards entspricht. Andererseits muss die TRAU auch vom ATM-Übertragungsstandard (Pakete von fixer Länge mit 53Byte) des UTRAN´s in das PCM30-Format (Zeitmultiplexverfahren mit 32 Zeitschlitzen pro Kabel, von denen 30 als Nutzkanäle verwendet werden können) der CS-Domäne des Core Networks übersetzen. Bei der Sprachkompression kommt der AMR-Sprachcodec zum Einsatz (Adaptive Multi Rate). Im Gegensatz zur GSM-Architektur gehört die TRAU bei UMTS zum Core Network (bei GSM zum BSS).
Weitere Informationen: AMR-Sprachkompression
Das HLR ist eine Datenbank, die die Teilnehmerdaten zentral speichern. Hauptsächlich werden hier die nicht-veränderlichen Daten wie Rufnummer, Geheimschlüssel, zur Verfügung stehende Dienste (je nach abgeschlossenen Mobilfunkvertrag) gespeichert, aber auch temporäre Daten, in welchem örtlichen MSC-Bereich sich der Mobilteilnehmer z.B. gerade aufhält. Für PS-Dienste werden hier auch die PDP-Kontexte gespeichert (Packet Data Protocol), die dazu dienen, die erlaubten PS-Dienste zu spezifizieren wie z.B. Zugangsberechtigung zu einem Firmen-Intranet. Die HLR-Adresse ist indirekt auch in der Rufnummer des Teilnehmers gespeichert. Für Netzbetreiber, die bereits eine GSM-Netzinfrastruktur haben, wird das GSM-HLR auch für UMTS verwendet. Siehe auch Webseitebei GSM: HLR.
Jedem MSC ist normalerweise auch ein eigenes VLR zugewiesen, das die temporären Daten aller Teilnehmer speichern muss, die sich im Verwaltungsgebiet des MSC´s befinden. Dazu gehören Sicherheitsdaten für Authentisierung und Datenverschlüsselung, Location Area Identiy, TMSI-Rufnummer (Temporary Mobile Station Identity). Außerdem hat das VLR auch eine Kopie vom HLR über alle Dienste, auf die der betreffende Teilnehmer ein Anrecht hat, was ja auch vom jeweiligen Vertrag abhängt. Siehe auch Webseite bei GSM: VLR.
Das IN ist für die Erbringung von individuellen und kundenspezifischen Diensten zuständig: siehe auch Webseite IN-Architektur
Siehe Webseite bei GPRS: MMS-Architektur
Der SGSN ist das PS-Äquivalent zum MSC. Er hat die Aufgabe ein geographische Gebiet zu versorgen. Er ist für die Mobilität der PS-Teilnehmer und die Sicherheit (Authentisierung) verantwortlich und stellt einen Knoten im PS-Netz dar. Er hat die aktuelle geographische Lage seiner Teilnehmer gespeichert, um z.B. aus dem Internet kommende Daten dem entsprechenden Teilnehmer weiterleiten zu können. Der SGSN der UMTS-Architektur entspricht im Wesentlichen dem GPRS-SGSN, nur dass z.B. die SNDCP-Protokollschicht funktionsmäßig in den RNC des UTRANs ausgelagert wurde und bei UMTS PDCP-Protokoll (Packet Data Convergence Protocol) genannt wird. Bei UMTS endet das GTP-Protocol (GPRS Tunneling Protocol) vom GGSN kommend nicht beim SGSN sondern GTP wird auch für den Paketdatenverkehr zwischen SGSN und RNC verwendet. Als Transportmechanismus zwischen SGSN und RNC wird ATM verwendet (bei GPRS Framerelay zwischen PCU und SGSN).
Protocollstack für PS-Nutzdaten zwischen SGSN und RNC
Man sieht, dass auch das LLC-Protokoll nicht verwendet wird wie bei GPRS. Ansonsten muss der SGSN aber die gleichen Funktionalitäten bereitstellen wie bei GPRS. Somit ist der SGSN auch für die Gebührenerfassung der UMTS-Netzinternen Ressourcen verantwortlich, die über das Charging-GAteway an die Verrechnungszentrale weitergeleitet werden, um dem Teilnehmer verrechnet werden zu können. Die Funktionen der PCU von GPRS wie die MAC- und die RLC-Schicht sind in den RNC abgewandert. Da das Funknetzteil (UTRAN) dank der neuen Multiplextechnik WCDMA komplett neu aufgebaut und designt werden muss, benötigt UMTS nicht mehr den Kunstgriff einer PCU-Implementierung als eigenständigen Netzwerkknoten.
Beispiel für die Signalisierung (GMM-GPRS Mobility Management, SM-Session Management)zwischen SGSN und dem UMTS-Handy:
-> siehe auch SGSN von GPRS <-
Der GGSN ist jener PS-Netzknoten, der den Übergang zu externen Datennetzen
realisiert. Die z.B. aus dem Internet kommenden Datenpakete werden in einen
speziellen "Container" gepackt und mit Hilfe des GTP-Protokolls (GPRS
Tunneling Protokoll) an den geographisch entsprechenden SGSN weiter geroutet. Der
GGSN ist auch für die vergebührungsrelevanten Daten bezüglich der UMTS-externen
Netzressourcen verantwortlich, die über ein Charging-Gateway an das
Billing-Center weitergeleitet werden, wo sie entsprechend einer
Kostenaufschlüsselung den Teilnehmern als Geldsumme aufgeschlagen werden.
-> siehe auch GGSN bei GPRS <-
Für die IP-basierenden internen Paket-Datennetze stehen für das Routing der Pakete weitere Hilfsmittel zur Verfügung: