7 UTRAN Nachdem im vorhergehenden Kapitel diejenigen Protokolle näher betrachtet wurden, die im Zusammenhang mit der Datenübertragung über die Luftschnittstelle stehen und dem U u -Stratum zugeordnet sind, werden in diesem Kapitel die Struktur und der Aufbau des Zugangsnetzes (engl. UMTS Terrestrial Radio Access Network, UTRAN), das im I u -Stratum angesiedelt ist, betrachtet. Die in diesem Zusammenhang relevanten Protokolle werden vorgestellt und ihr Funktionsumfang sowie ihre Eigenschaften erläutert. Das UTRAN stellt gewissermaßen das Bindeglied zwischen den mobilen Teilnehmern (engl. User Equipment, UE) und dem Kernnetz (engl. Core Network, CN) dar. Bild 7.1 verdeutlicht diese Funktion des UTRAN. Mit Hilfe des UTRAN wird die logische Trennung der Netzwerke zum Transport von Signalisierungs- und Teilnehmerdaten sichergestellt. Hierbei sind die Funktionen von UTRAN und CN völlig getrennt von den Transportfunktionen. Die Unterstützung von Macro-Diversity im Fall des FDD-Übertragungsverfahrens (siehe Kapitel 4) wird vollständig im UTRAN abgewickelt. Desweiteren erfolgt die Steuerung der Mobilität von RRC-Verbindungen (siehe Abschnitt 6.4) ebenfalls im UTRAN.
326 7 UTRAN Core Network (CN) I u UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) U u User Equipment (UE) Bild 7.1: Logische Einordnung des UTRAN in die Gesamtarchitektur Non-Access Stratum (NAS) GC Nt DC GC Nt DC Access Stratum (AS) GC Nt DC GC Nt DC GC Nt DC GC Nt DC U U Stratum I U Stratum UE U U -Schnittstelle UTRAN I U -Schnittstelle Core Network Bild 7. 2: Einordnung des I u -Stratums in das "Access Stratum" (engl. AS)
7.1 Netzarchitektur des UTRAN 327 Das Zusammenspiel der UTRAN-Protolle mit den Protokollen der Luftschnittstelle und des Kernnetzes wird in [25931] an einer Vielzahl von Abläufen beispielhaft dargestellt. Das I u -Stratum umfaßt Teile des UTRAN und des CN und verbindet beide Teilnetze, wie Bild 7.2 zeigt [23110][25401]. 7.1 Netzarchitektur des UTRAN Aufgrund der erweiterten Möglichkeiten von UMTS wie z.b. Soft Handover gegenüber Systemen der zweiten Generation ist neben der herkömmlichen Aufteilung der Funktionalität in Controller und Basistationen auch eine Vernetzung der Basisstationen untereinander erforderlich. Bild 7.1.1 gibt einen Überblick über die so erweiterte Architektur des UTRAN. Die Funktionalität des Zugangsnetzes wird in die RNS-Einheiten (engl. Radio Network Subsystem) unterteilt. Die Kommunikation zwischen einem RNS und dem Kernnetz erfolgt über die I u -Schnittstelle. Das Kernnetz kann sowohl leitungsvermittelnde Netze (engl. Circuit Switched, CS) als auch paketvermittelnde Netze (engl. Packet Switched, PS) umfassen. Ein RNS setzt sich seinerseits aus dem Radio Network Controller (engl. RNC) und den Node B zusammen, die die Basisstationen darstellen. Die interne Kommunikation zwischen dem RNC und den ihm zugeordneten Basisstationen erfolgt über die I ub -Schnittstelle. Ein Node B kann den FDD-Mode, den TDD-Mode oder beide Modes unterstützen. Die bereits angesprochene Vernetzung der RNS-Teilsysteme erfolgt über eine weitere Schnittstelle, die die Bezeichnung I ur -Schnittstelle trägt. Diese Vernetzung ermöglicht die Implementierung der Soft Handover, bei denen ein UE gleichzeitig Verbindungen zu unterschiedlichen Node B haben kann. Hierbei wird ausgenutzt, daß die Rekonstruktion des Datensignals aus einer Kombination von mehreren Empfangssignalen in einer besseren Übertragungsqualität resultiert. Zudem beinhaltet der RNC die Funktionalität, die zur Unterstützung von Macro-Diversity zwischen verschiedenen Node-B-Instanzen benötigt wird (engl. Combining/Splitting). Der RNC trifft weiterhin die Entscheidung, wann ein Handover durchgeführt wird.
328 7 UTRAN +4915xx xxxxxxxx RNS U u Node B I ub RNC Node B I ub I u I ur Node B I ub RNS Packet Switched (PS) Circuit Switched (CS) RNC I u +4915xx xxxxxxxx Node B I ub Radio Network Controller U u Access Point User Equipment (UE) UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) Core Network (CN) Bild 7.1.1: UTRAN-Architektur mit Schnittstellen Während die I ur -Schnittstelle logisch gesehen eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung darstellt, muß die physikalische Realisierung nicht unbedingt als Punkt-zu-Punkt- Verbindung ausgeführt werden. Verschiedene RNCs können über die I ur -Schnittstelle miteinander verbunden werden, wobei das Interface nur logische Bedeutung hat und sowohl über eine direkte physikalische Verbindung als auch über jedes andere verfügbare Transportnetzwerk geführt werden kann. Darüberhinaus verwaltet jedes RNS eigenverantwortlich die Ressourcen seiner Zellen. Entsprechend ihrer funktionellen Bedeutung für ein UE erfolgt eine Unterscheidung der RNS in die Instanzen "Serving RNS" (SRNS) und "Drift RNS" (DRNS). Das SRNS ist für die Verbindung zum UE verantwortlich und stellt den Endpunkt der Verbindung über die I u -Schnittstelle dar. Ein DRNS unterstützt das SRNS mit zusätzlichen Ressourcen, die über die I ur -Schnittstelle zugänglich gemacht werden (siehe Bild 7.1.2). Die Controller, die innerhalb des DRNS und des SRNS angeordnet sind, werden entsprechend als DRNC (engl. Drift RNC) bzw. SRNC (engl. Serving RNC) be-
7.1 Netzarchitektur des UTRAN 329 Core Network (CN) I u Drift RNS (DRNS) I ur Serving RNS (SRNS) UE Bild 7.1.2: Serving RNS und Drift RNS zeichnet. Sie haben die vollständige Kontrolle über die ihnen angegliederten Node B und deren Ressourcen. In diesem Zusammenhang ist noch der Begriff des "Controlling RNC" (engl. CRNC) zu erläutern. Das CRNC ist immer dasjenige RNC, das die mit ihm über die I ub -Schnittstelle verbundenen Node B kontrolliert. Gleichzeitig kann das CRNC aber auch in Abhängigkeit vom betrachteten UE die Funktion eines SRNC oder eines DRNC wahrnehmen. Durch den Wechsel des SRNS, der als "SRNS Relocation" (siehe Abschnitt 7.2.7.3) bezeichnet wird, kann ein RNC bzw. RNS auch nacheinander beide Funktionen wahrnehmen. 7.1.1 Adressierung und Kennungen Im Rahmen des UTRAN werden vielfältige Adressierungsschemata [23003] verwendet, um die Instanzen eindeutig ansprechen und voneinander unterscheiden zu können. Nachfolgend werden die verwendeten Adreßangaben näher spezifiziert. Die Reihenfolge entspricht der abnehmenden Größenordnung der bezeichneten Teilbereiche.
330 7 UTRAN Der "PLMN Identifier" (PLMN-Id) stellt die Kennung eines Netzwerks dar und setzt sich additiv aus dem "Mobile Country Code" (engl. MCC) und dem "Mobile Network Code" (engl. MNC) zusammen: PLMN-Id = MCC + MNC. Die Adressen für MCC und MNC sind für ein UTRAN fest vorgegeben und werden vom jeweiligen Betreiber im RNC eingestellt. Der "CN Domain Identifier" bezeichnet einen Netzknoten, der als Zugangspunkt zu einem Teilbereich des Kernnetzes dient (engl. CN Domain Edge Node) und wird bei der Durchführung eines Wechsels des SRNS benötigt. Entsprechend der internen Struktur des Kernnetzes muß zwischen den beiden folgenden Kennungen unterschieden werden: - CN-CS-Domain-Id = PLMN-Id + LAC, - CN-PS-Domain-Id = PLMN-Id + LAC + RAC Hierbei bezeichnet LAC (engl. Location Area Code) ein bestimmtes geographisches Gebiet, die Location Area (engl. LA). In einem LA werden verschiedene Zellen zusammengefaßt, um beispielsweise bei der ersten Anfrage an ein UE (engl. Paging) nicht den zellgenauen Aufenthaltsort kennen zu müssen. Die Paging-Anfrage wird dann in der gesamten LA als übergeordnetem Gebiet ausgesendet. Die Bezeichnung RAC (engl. Routing Area Code) bezeichnet einen Teilbereich in einer LA und sorgt dafür, daß die ausgesendeten Nachrichten den Weg zum UE finden können. Innerhalb eines Mobilfunksystems müssen die einzelnen RNC eindeutig identifizierbar sein. Dies erfolgt mit Hilfe der "RNC Identifier", die eine systemweite Bedeutung besitzen. Die systemweite, globale RNC-Id setzt sich additiv aus dem PLMN-Id und einer RNC-Id zusammen. Die RNC-Id dient im Zusammenhang mit den Schnittstellen I u, I ub und I ur als eindeutiger Kennzeichner eines RNCs. Entsprechend der jeweiligen Funktion, die ein RNC darstellt (siehe Abschnitt 7.1), wird weiterhin gemäß der folgenden Aufteilung unterschieden: - S-RNC-Id: Id des Serving RNC, - C-RNC-Id: Id des Controlling RNC, - D-RNC-Id: Id des Drift RNC. Eine "Service Area" stellt ein Gebiet dar, welches zusammenhängend mehrere Zellen umfaßt, die einer gemeinsamen Location Area zugeordnet sind. Der ent-
7.1 Netzarchitektur des UTRAN 331 sprechende "Service Area Identifier" setzt sich aus der PLMN-Id, dem LAC und dem SAC zusammen. SAC bezeichnet hierbei den "Service Area Code". Einzelne Zellen innerhalb eines RNS werden eindeutig durch den "Cell Identifier" (C-Id) identifiziert. In Verbindung mit der Kennung des C-RNC (CRND- Id) ergibt sich die UTRAN-weit eindeutige "UTRAN Cell Identity" (engl. UC- Id): UC-Id = RNC-Id + C-Id. Darüberhinaus existiert noch der "Local Cell Identifier". Er dient zur eindeutigen Identifizierung einer Zelle innerhalb eines Node B, sollte aber aus Management- Gründen UTRAN-weit eindeutig sein. Ein "Local Cell Identifier" wird z.b. bei der Initialisierung verwendet, wenn noch keine C-Id vergeben ist. Eine wichtige Rolle bei der Kommunikation mit einem bestimmten UE spielt natürlich die Adressierung der UEs, die innerhalb des UTRAN und im Rahmen des Austauschs von Signalisierungsnachrichten zwischen UE und UTRAN eine eindeutige Identifizierung der mobilen Teilnehmer ermöglicht. Es existieren vier verschiedene Arten von temporären UE-Bezeichnern (engl. Radio Network Temporary Identities, RNTI): - s-rnti: Serving RNC RNTI, wird allen UEs mit einer RRC-Verbindung vom Serving RNC zugewiesen und wird erneut zugeteilt, wenn das SRNC für die RRC-Verbindung wechselt. Das UE identifiziert sich ebenfalls mit dieser Kennung gegenüber dem SRNC. Will das DRNC dem SRNC mitteilen, um welches UE es sich handelt, wird ebenfalls die s-rnti verwendet. - d-rnti: Drift RNC RNTI, wird der UE vom Drift-RNC zugeteilt und auch nur von diesem verwendet. Die d-rnti wird auf der Luftschnittstelle nicht verwendet. Der SRNC soll den Zusammenhang zwischen s-rnti und d-rnti kennen. Der Drift RNC soll über die s-rnti und den zugehörigen SRNC informiert sein. - c-rnti: Cell RNTI, wird der UE beim ersten Zugriff auf eine neue Zelle vom CRNC zugeteilt. Diese Kennung wird vom UE verwendet, wenn es sich gegenüber dem CRNC identifizieren will. Der CRNC sollte die d- RNTI ebenfalls kennen. - u-rnti: UTRAN RNTI, wird einer UE mit bestehender RRC-Verbindung zugewiesen und identifiziert das UE im UTRAN. Die u-rnti setzt sich aus der SRNC-Id und der s-rnti zusammen.
332 7 UTRAN Die Verwendung der RNTI-Kennungen hängt vom jeweiligen Verwendungsfall ab: Die S-RNTI wird in Verbindung mit der RNC-Id beim ersten Zugriff auf eine Zelle sowie beim Paging und den entsprechenden Antworten als UE-Identifier verwendet. Die RNC-Id wird hierbei vom Controlling RNC dazu verwendet, um im UL empfangene Nachrichten an den richtigen Serving RNC weiterzuleiten. Die C-RNTI wird in allen anderen DCCH/DTCH-Nachrichten auf der Luftschnittstelle als Identifierung eines UE eingesetzt. Darüberhinaus existieren eine Anzahl weiterer Kennungen für spezielle Ressourcen im UTRAN: - Radio-Network-Control-Plane-Identifier: umfassen Kennungen für "Radio- Bearer" (RAB-ID) und zugewiesene Transportkanäle (DCH-ID), - Transport-Network-Control-Plane-Identifier: beinhalten AAL 2-Adressen, IP- Adressen und GTP- (engl. GPRS Tunneling Protocol) Kennzeichner [29060]. - Binding-Identifier: Die Binding-Id wird verwendet, um die Verbindung zwischen dem ALCAP- (engl. Access Link Control Application Part) Protokoll und dem jeweiligen Anwendungsprotokoll (RANAP, RNSAP, NBAP, s.u.) herzustellen. Sie verbindet den Radio-Network-Control-Plane-Identifier und den Transport-Network-Control-Plane-Identifier. ALCAP ist hierbei der generische Name für die Signalisierungsprotokolle, die zum Auf- und Abbau der "Transport Bearer" verwendet werden. 7.1.2 Beschreibung der UTRAN-Funktionen Das UTRAN führt eine Vielzahl von Aufgaben aus, die im nachfolgenden kurz vorgestellt werden sollen. Auf die Details der einzelnen Funktionen wird im weiteren Verlauf eingegangen. Zunächst führt das UTRAN verschiedene Funktionen zur Kontrolle des Gesamtsystems aus. Eine wesentliche Funktion stellt die Verbindungsannahmesteuerung (engl. Admission Control, AC) dar. Anhand der AC wird beurteilt, ob neue Verbindungen oder neue Teilnehmer zulässig sind. Das Ziel ist hierbei, Überlast-
7.1 Netzarchitektur des UTRAN 333 Situationen so weit wie möglich zu verhindern. Die Entscheidung über die Zulassung neuer Nutzer ist im CRNC lokalisiert und wird anhand der UL-Interferenz und der DL-Sendeleistung getroffen. Zusätzlich führt das SRNC eine AC in Bezug auf die Kapazitäten der I u -Schnittstelle durch. Während die AC einen eher statischen Charakter aufweist und nur in den Verbindungsauf- und -abbau eingebunden ist, wird für die Überwachung der bestehenden Verbindungen eine Überlastkontrolle (engl. Congestion Control) eingesetzt. Die Aufgabe dieser Instanz ist es, permanent die Auslastung der Ressourcen zu überwachen und im Falle einer drohenden oder tatsächlichen Überlast verzugslos dafür zu sorgen, daß wieder stabile Verhältnisse erreicht werden. Die CC ist vollständig im UTRAN angesiedelt. Die Ausstrahlung von Systeminformationen (engl. System Information Broadcasting) versorgt die mobilen Teilnehmer mit allen Informationen des AS (engl. Access Stratum) und des NAS (engl. Non Access Stratum), die sie zur Operation im Netzwerk benötigen. Die Funktion ist wiederum vollständig im UTRAN angesiedelt. Mobilitätsorientierte Funktionen besitzen in einem Mobilfunknetz naturgemäß einen sehr hohen Stellenwert. An erster Stelle ist hier die Steuerung der Handover-Vorgänge zu nennen. Neben den zellinternen Handover-Vorgängen (engl. Softer Handover) sind Handover zwischen verschiedenen Zellen eines Systems möglich. Da ein UE mit mehreren Basisstationen gleichzeitig in Verbindung stehen kann, spricht man in diesem Zusammenhang vom "Soft-Handover". UMTS bietet darüberhinaus erstmals die Möglichkeit eines Intersystem-Handovers, bei dem beispielsweise vom UMTS-System zum GSM-System gewechselt werden kann. Die Entscheidung zu einem Handover wird auf Meßwerten basierend getroffen. Im allgemeinen soll durch Handover die vom CN angeforderte QoS (engl. Quality of Service = dt. Dienstgüte) sichergestellt werden. Die Handover- Funktion kann im SRNC, im UE oder in beiden Instanzen angesiedelt sein. In einem engen Zusammenhang mit den Handover-Vorgängen steht die Kontrolle der Macro-Diversity im FDD-Modus. Da durch die mehrfache Anbindung eines UE an das UTRAN eine Duplizierung bzw. Replikation der gleichen Datenströme über mehrere verschiedene physikalische Kanäle auftritt, wird die Kombinierung (engl. Combining) der Datenströme zu einem einzigen Datenstrom erforderlich. Dieser zusätzliche Aufwand führt dazu, daß der kombinierte Datenstrom ein besseres BER- (engl. Bit Error Ratio) Verhältnis als die einzelnen Datenströme aufweist. Das Combining ist ebenfalls im UTRAN lokalisiert. Durch Soft-Handover kann aufgrund der Bewegung des Teilnehmers ein Wechsel des versorgenden RNSs (engl. Serving Radio Network Subsystem, SRNS)