UTRAN - Funknetzteil von UMTS
UTRAN - UMTS Terrestrial Radio Access Network
Das UTRAN ist das Funknetzteil von UMTS und beinhaltet eine fundamental neue Technik. Die Kerntechnologie für das Übertragungsverfahren stellt das WCDMA-Multiplexverfahren dar, das neue dynamische Serviceleistungen ermöglicht. Andererseits bedingt die WCDMA-Technik aber auch neue Kontroll- und Steuermechanismen, die bei GSM nicht notwendig waren. So wird vom UTRAN beispielsweise Makrodiversität eingesetzt, um über möglichst große Flächen perfekte Leistungsregulierung zu haben. Und eine perfekte Leistungsverwaltung aller Funkinstanzen im Netz, also sowohl Bodenstationen (Node B) als auch Teilnehmergeräte (UE), ist für ein gut und effizient funktionierendes UTRAN von enormer Bedeutung. Die Makrodiversität erfordert auch die Einführung einer neuen Schnittstelle Im Funknetzteil, die es bei GSM nicht gegeben hat. Bei UMTS sind nämlich alle RNC´s (Radio Network Controller) über die Iur-Schnittstelle (siehe Bild A unten) miteinander verbunden und können somit miteinander kommunizieren.
Das UTRAN wird aus zwei Architektur-Komponenten aufgebaut:
- RNC - Radio Network Controller: Der Verwalter eines Radio Network Subsystems.
- Node B: Die Bodenstation, die mehrere Zellen (meistens 3) mit Funksignalen versorgt.
Die Node B ist mit dem RNC über die Iub-Schnittstelle verbunden. Jeder RNC definiert mit allen Node B´s, die an ihm angeschlossen sind, ein RNS-Radio Network Subsystem (analog dazu bezeichnet man bei GSM jeden BSC mit seinen angeschlossenen BTS´s als BSS-Base Station Subsystem). Bei einer Analogiebetrachtung entspricht der RNC beim GSM-Netz dem BSC (Base Station Controller), nur hat er wesentlich mehr Aufgaben durchzuführen und eben eine Verbindung zu anderen RNC´s. Die Node B entspricht beim GSM-Netz dem BTS (Base Tranceiver Station) und wird daher auch bei UMTS gelegentlich als "BTS" bezeichnet.
Bild A: UTRAN - Netzstruktur
In der Abbildung oben sind 2 RNS´s eingezeichnet, eines besteht aus den blauen und gelben Node B´s, das andere besteht aus den grünen Node B´s. Die blauen Node B´s bilden eine Location Area (LA), ebenso bilden die gelben eine LA und die grünen eine (LA). Die Einteilung in Location Areas ist wichtig für das Routing in die richtige Zelle beispielsweise bei einem kommenden Anruf. Im Core Network wird nur die Location Area abgespeichert, nicht aber die exakte Zelle. Das hat den Vorteil, dass solange man die Location Area beim Herumgehen nicht verlässt, muss auch kein "Location Update" im VLR (Visitor Location Register) des Core Networks durchgeführt werden. Dadurch wird Signalisierungsaufwand eingespart. Jedes RNS (Radio Network Subsystem) besteht also aus einzelnen Location Areas.
Anforderungen an das UTRAN
- Das UTRAN muss die Funkverbindung zu den Mobilteilnehmern herstellen und diese so ausgetauschten Signale mit dem Core Network austauschen. Da bei UMTS ein WCDMA-Verfahren verwendet wird, soll das UTRAN Makrodiversität anbieten können, um die Zellenkapazität möglichst hoch zu halten. Dazu muss sie ein ausgeklügeltes Radio Ressource Management (Funkressourcen-Verwaltung) haben.
- Da paketorientierte Datendienste immer wichtiger werden, weshalb ja bereits GPRS in die GSM-Netzstruktur implementiert wurde, soll das UTRAN das gemeinsame Handling von paketorientierten (PS) und leitungsorientierten (CS) Datendiensten optimieren.
- Ebenso soll das UTRAN eine Kooperation mit GSM möglichst gut implementieren.
- Und das UTRAN soll ATM-Links als Haupttransportmechanismus zwischen den UTRAN-Komponenten verwenden, also für die Iub-, Iur- und Iu-Schnittstelle (Iu-CS und Iu-PS).
Der Radio Network Controller - RNC
Der RNC ist für die Funkressourcenverwaltung seines RNS und damit für alle an ihm angeschlossenen Zellen verantwortlich. Er muss also für jede einzelne Funkverbindung die Sendeleistung regeln und die Codes für die WCDMA-Kanäle verwalten und zuweisen. Das Core Network wird über die Iu-Schnittstelle mit dem RNC verbunden, wodurch ihm die Aufgabe zuteil wird, den Datenaustausch mit dem Core Network sicherzustellen. Der RNC terminiert auch das RRC-Protokoll, das in der dritten Netzwerkschicht zu finden ist und die Funkverbindung zwischen Node B und UE (Handy) steuert.
Aus Sicht der Node B ist sie mit einem RNC über die Iub-Schnittstelle verbunden, den man für diese Node B als ihren CRNC-Controlling RNC bezeichnet. Dieser CRNC muss den Datenmenge und -fluss kontrollieren. Will in einer Zelle ein Teilnehmer ein Gespräch führen, so muss er dem Teilnehmer einen Code zuweisen, mit dem er einen kodierten WCDMA-Funkkanal aufbauen kann. In Randgebieten zwischen zwei Zellen muss der RNC Makrodiversität durchführen, das heißt es werden zwei Funkkanäle für das Handy aufgebaut und verwaltet (siehe Makrodiversität). Jeder physikalischer RNC (also aufgestelltes Gerät) führt die Funktionen eines SRNC (Serving RNC), DRNC (Drift RNC) und CRNC (Controlling RNC) aus (siehe weiter unten). Dabei kann es zwei Möglichkeiten geben:
- 1. Die zwei Zellen, in deren Überlappungsgebiet der Teilnehmer sich befindet, gehören zum gleichen RNS:
Softer Handover
Bild 2
Soft Handover mit logischem SRNC und DRNC
- 2. Sie gehören zwei verschiedenen RNS´s an, was den Einsatz von zwei RNC´s für die Makrodiversität erfordert:
Soft Handover mit physikalischen Serving- und Drift-RNC (SRNC, DRNC)
Der DRNC (Drift RNC) hat physikalisch seinen Auftritt, falls ein Teilnehmer sich im Überlappungsgebiet zweier Zellen befindet, wobei diese zwei Zellen von jeweils einem unterschiedlichen RNC über deren dritte Netzwerkschicht verwaltet und gesteuert wird (siehe Abbildung oben). Wobei der physikalische DRNC nicht die Funktionalitäten der zweiten Netzwerkschicht (siehe UMTS-Protokolle) durchführt, sondern die Daten seiner eigenen Zelle transparent von seiner Iub- zur Iur-Schnittstelle (zum physikalischen SRNC) weiterleitet, außer der Teilnehmer verwendet einen "Common-" oder "Shared"- Transportkanal.
Wie bereites erwähnt weist jeder physiaklische RNC die logische Funktionen eines SRNC, DRNC bzw. CRNC auf. Logisch gesehen muss der DRNC die Funktion der Makrodiversität durchführen - also "Combining" und Splitting". Im Bild 2 übernimmt also ein einziger physikalisch aufgestellter RNC sowohl die Aufgaben des SRNC (Iu-Schnittstelle) als auch die Aufgaben des DRNC (Combining und Splitting). Im Bild 3 muss die DRNC-Funktion des physikalischen SRNC die zwei Signalwege zu einem einheitliche Signal Kombinieren und dieses dem Core Network über die Iu-Schnittstelle weiterleiten. Umgekehrt muss der physikalische SRNC natürlich auch Signale, die vom Core Network kommen, auf zwei Signalwege aufsplitten und diese einerseits über die Iub-Schnittstelle seiner eigenen Zelle zuweisen und andererseits über die Iur-Schnittstelle den zweiten Signalweg dem physikalischen DRNC zuweisen.
Weitere Funktionen des RNCs:
Implementierung der Protokollschichten: MAC, RLC, PDCP, BMC, RRC
Node B - Die Bodenstation
Manchmal findet man auch die Bezeichnung BTS (Base Tranceiver Staiton) für die Node B, da bei GSM die Bodenstation ebenfalls BTS genannt wird. Die Node B muss die Funkverbindung realisieren, wofür sie die Funktionalitäten der ersten Netzwerkschicht, der physikalischen Schicht, zur Verfügung hat. Zu diesen Funktionen gehören:
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Kanalkodierung,
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Interleaving,
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Ratenanpassung,
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Kodierung (umgekehrt auch Dekodierung) mit dem zugewiesenen Spreizfaktor (Channelization-Code),
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Kodierung (umgekehrt auch Dekodierung) mit dem Scramblingcode,
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Modulation auf die HF-Trägerfrequenz bzw. Demodulation
Jede Node B kann mehrere Zellen verwalten, im allgemeinen werden es drei Zellen sein, die oft auch als Sektoren bezeichnet werden. In Bild A sind für jede Node B ebenfalls 3 Antennensysteme eingezeichnet, wobei jede Antenne einen Sektorwinkel von 120o hat.
Bild 4: Sektorisierung in Einzelzellen der Node B
Die Node B transportiert ihre Daten über die Iub-Schnittstelle zum RNC. Sie arbeitet auch als Leistungsmessgerät für die empfangenen Funksignale, kann diese aber nicht auswerten, sondern muss die Messergebnisse an den RNC weiterleiten, der die entsprechenden Konsequenzen zieht und veranlassen kann, ob die Leistung an der Funkschnittstelle erhöht oder herabgesetzt wird. Die Node B ist verantwortlich für den "Inner Loop Power Control"-Leistungsregelkreis aber auch für den "Open Loop"-Leistungsregelkreis im Falle einer Verbindungsinitialisierung.