09.09.2003
12 Das UMTS-Vermittlungsnetz

12.1 Core Network

Der aufmerksame Leser wird sicher erkannt haben, dass für die Implementation all dieser Funktionen eine Fülle von Kontrollmechanismen notwendig sind. Das macht auch die Auslieferung der ersten UMTS-Equipmentkomponenten so mühsam, da viele Funktionen noch nicht serienreif sind. In diesem letzten Kapitel wollen wir den Fokus auf die Vermittlungsnetzebene verlegen, da dieses Netzwerk ebenso Schwerstarbeit zu verrichten hat. Zwar wurde die erste Ausbaustufe von UMTS (Release 99) so konzipiert, dass so gut wie möglich die bereits bestehende Vermittlungsstruktur von GSM/GPRS für UMTS adaptiert werden kann, dennoch ist klar, dass die schnellen UMTS-Datendienste entsprechende Übertragungsressourcen im Vermittlungsnetz voraussetzen. Es ist doch ein gewaltiger Unterschied, ob man 9,6 kbit/s oder 384 kbit/s an die entsprechenden externen Netze vermitteln muss.

Die erste Implementationsstufe des Core Networks verwendet nach wie vor zwei getrennte Domänen, nämlich eine, die für leitungsorientierte Dienste (CS-Domain) verantwortlich ist, und eine, die sich um paketorientierte Dienste (PS-Domain) kümmert. Dieser Sachverhalt wurde in Kapitel 2 bereits gezeigt. An dieser Stelle soll die Funktion der einzelnen Netzkomponenten dargestellt werden.



Die Abbildung 1 zeigt die Core-Architektur der ersten Implementierung, die durch zwei separate Netzwerkdomänen aufgeteilt ist, die Circuit Domain (blau gehalten) und die Packet Domain (rot gehalten).


12.2 CS-Domäne

Die CS-Domäne (Circuit Switched) erbringt die leitungsorientierten Dienste, das heißt, zwischen Nachrichtenquelle und Nachrichtenziel wird beim am Anfang des Informationsaustausches ein Übertragungskanal definiert, über den während des Nachrichtenflusses nur diese eine Information, z.B. Telefongespräch, übertragen wird. Gerade für Telefongespräche ist charakteristisch, dass es viele Sprechpausen gibt. Man könnte theoretisch bis zu 65% der Übertragungskanalkapazität einsparen, da sie durch Sprechpausen ungenutzt bleiben - man könnte diese Kapazitäten also an andere Teilnehmer vergeben. Genau das ist aber die Schwäche von leitungsvermittelten Diensten, da der Kanal beim Gesprächsaufbau definiert wird und solange beibehalten werden muss, bis das Gespräch beendet wird. Also 65% der Dienstzeit wird nichts übertragen und daher übertragungstechnisch verschwendet. Um dies zu verdeutlichen ein anschauliches Beispiel: Beim Internetsurfen lädt man sich gewöhnlich eine Internetseite aus dem Netz herunter und betrachtet diese anschließend eine zeitlang, bis man irgendwann die nächste Seite herunterlädt - hier entsteht also eine längere Übertragungspause. Folgende Abbildung soll diesen Sachverhalt veranschaulichen:



Abbildung 2: Unausgelasteter Übertragungskanal beim Webbrowsing


Um diese Schwächen zu umgehen, wurde die paketorientierte Übertragungstechnik eingeführt, die weiter unten dargestellt wird.

12.3 Komponenten der CS-Domäne

Die zentrale Baugruppe der CS-Domäne ist der MSC (Mobile Switching Center), der in UMTS auch UMSC oder 3G-MSC (dritte Generation) genannt wird und einer Vermittlungsstelle entspricht. Die Hauptaufgaben des MSC besteht darin, den Datenverkehr an die Zielvermittlungsstelle durchzuschalten, den Aufbau von Kommunikationskanälen durchzuführen, Dienste zu implementieren, Eine Basis für Dienstvergebührung und das Mobilitätsmanagement durchzuführen.



Abbildung 3: Vermittlungsnetz, aufgespannt durch MSC´s und Datenbank


Die Abbildung oben zeigt die Netzstruktur, an der mehrere MSCs beteiligt sind, wobei jeder MSC ein bestimmtes geographisches Gebiet zu verwalten und versorgen hat. Die MSCs sind dabei untereinander vernetzt, so dass von einem Quell-MSC zu einem Ziel-MSC mehrere Wege beim Rufaufbau definiert werden können, je nachdem wie die Übertragungsressourcen es zulassen. Im Mobilfunknetz sind darüber hinaus auch noch Datenbanken erforderlich, um die Mobilität der Teilnehmer verwalten zu können. Dazu ist jedem MSC ein VLR (Visitor Location Register) zugewiesen, das die temporären Daten aller Teilnehmer erfasst und verwaltet, die sich im vom MSC versorgten geographischen Gebiet aufhalten. Dadurch ist der MSC in der Lage den Mobilteilnehmer in der entsprechenden Funkzelle zu orten, um ihm einen Dienst zuweisen zu können. Des weiteren gibt es zentral noch ein HLR (Home Location Register), das die statischen Teilnehmerdaten speichert wie Rufnummern, Identifikationsnummern, Dienstrechte. Es speichert auch, in welchem MSC-Bereich sich der Teilnehmer gerade befindet. Das HLR übernimmt dabei die Datenerfassung nicht nur für die CS-Domäne, sondern auch für die PS-Domäne, wo z.B. erfasst wird, welche Datendienste durchgestellt werden dürfen. Dem HLR ist auch noch ein weiteres Modul zugeordnet, nämlich das AuC (Authentication Center), das für sicherheitsrelevante Funktionen verantwortlich ist. Auch das AuC erbringt Dienste für beide Netzwerkdomänen. Zwischen MSC und UTRAN übernimmt noch die TRAU (Transcoder Rate Adaption Unit) die Sprachkompression, damit an der Funkschnittstelle die Datenraten möglichst gering ausfallen. Dabei kommt das AMR-Kodierverfahren (Adaptiv Multi Rate) zum Einsatz, das acht verschiedene Kodierungsraten von 4,75 kbit/s bis 12,2 kbit/s (auch GSM bietet 12,2 kbit/s bei EFR-Kodierung -Enhanced Full Rate) zur Verfügung stellt. Nach der TRAU muss der Datenverkehr auch auf ATM umgestellt worden sein, da das UTRAN auf dieser Basis überträgt. Das MSC hat auch eine Anbindung, um IN-Dienste (Intelligent Network) durchführen zu können, die es ermöglichen, moderne und individuelle Dienste anzubieten.

12.4 PS-Domäne

Die PS-Domäne versucht die bereits oben angesprochenen Schwächen der leitungsorientierten Vermittlung zu umgehen. Dazu ist es hier möglich, dass über den gleichen Übertragungskanal mehrere Teilnehmer versorgt werden können. Jedem Teilnehmer wird jetzt kein Kanal mehr zugewiesen, sondern eine Identität. Mit dieser Identität kann jeder Teilnehmer seine Daten in Pakete zusammenfassen und das Paket mit seiner Identität und einer Zieladresse versehen.



Abbildung 4: Prinzip der Paketübertragung mehrerer Teilnehmer


Dann wird das Paket auf den Übertragungskanal geschickt, bis es bei einer Vermittlungsinstanz ankommt, die man hier Router nennt. Der Router wertet das Adressfeld des Pakets aus und übergibt das Paket an seinen entsprechenden Ausgangs-Übertragungskanal, der das Paket einen Schritt näher zu seinem Ziel bringt. Das was bei der Vermittlung in der CS-Domäne der MSC gemacht hat, macht in der PS-Domäne der Router. Der Hauptunterschied ist, dass hier keine festen Kanäle (Kabeln) am Anfang den Teilnehmern zugewiesen werden, sondern dass über das gleiche Kabel mehrere Teilnehmer versorgt werden können, da deren Daten mit einem Adressfeld individuell zugeordnet werden können.

12.5 Komponenten der PS-Domäne

In der PS-Domäne gibt es zwei Arten von Router, den SGSN (Serving GPRS Support Node) und den GGSN (Gateway GPRS Support Node). Jeder SGSN hat dabei die Aufgabe, ein ihm zugeordnetes geographisches Gebiet zu versorgen. Dazu benötigt er Funktionalitäten wie ein Mobilitätsmanagement für Datendienste und ein Sessionmanagement für das Durchführen von Datendiensten. Der SGSN übernimmt ähnliche Dienste wie der MSC, nur auf der Basis von paketorientierten Datendiensten. Der GGSN stellt einen Übergang an externe Datennetze an, wie z.B. das Internet. Der GGSN muss also die Nachrichtensprache des eigenen Netztes an den des externen Datennetzes anpassen und umgekehrt. Der GGSN verwaltet auch den Aufwand zu den externen Netzen, der dem Teilnehmer vergebührt werden muss, während der SGSN die netzinternen Ressourcen gebührenmäßig erfasst.

Jedenfalls hat die paketorientierte Vermittlung große Vorteile bei der Ressourcenauslastung der Übertragungskanäle. Wäre z.B. die Leitung zu 65% unausgelastet wie im Beispiel oben bei der CS-Domäne, so kann der Router in dieser Zeit Pakete anderer Teilnehmer auf den selben Kanal legen, da die einzelnen Pakete wieder auseinandergeglaubt werden können - sie sind ja einzeln mit einem Adressfeld beschriftet. Der Netzbetreiber spart somit bei der Verlegung von Übertragungsmedien einiges an Kosten und Aufwand ein. Nachteil der paketorientierten Vermittlung ist, dass es schwierig ist, konstante Bitraten zu realisieren, da die Performance der Übertragungsstrecke davon abhängt, wie viele Teilnehmer gerade Pakete übertragen wollen. So kann es schon vorkommen, dass sich die Datenrate bei hohem Verkehrsaufkommen reduziert. Der CS-Dienst eignet sich hervorragend für diese Anforderung, da hier für jeden Dienst ein eigenes Übertragungsmedium fix reserviert und zugeordnet ist.

12.6 Ein Ausblick: Release 2000

Zum Abschluss möchten wir noch die nächste Ausbaustufe des Core Networks skizzieren, die die Aufgabe hat, die zwei getrennten Netzwerkdomänen der Release 99 zusammenzuführen. Einerseits um Netzwerkressourcen einzusparen, und andererseits, um den Verwaltungsaufwand zu reduzieren. Bei der Release 2000 geht man dazu über, die leitungsorientierten Dienste nun auch über einen Packet Backbone (Paket Datennetz) zu transportieren. Der MSC verliert sozusagen die Aufgabe, CS-Dienste weiterzuvermitteln, seine Hauptaufgabe besteht nun im Call-Management:



Abbildung 5: Core Network - Release 2000


Um an externe Netze eine Anbindung zu bekommen, sind hier sogenannte Media Gateways eingeführt, die die Datensprache an die jeweiligen Netzwerke anpassen. Um einen Sprachdienst zwischen dem gelben Gateway für das PSTN-Netz und dem blauen Gateway für das UTRAN zu etablieren, hat der Call Server (adaptierter MSC) nun Gatewaycontroller (MGC-Media Gateway Controller) bekommen, über die durch das MGCP (Media Gatewa Control Protocoll) die beteiligten Media Gateways gesteuert werden können. Dadurch lässt sich für Sprachdienste eine Übertragungsroute im Netzwerk definieren, die eine leitungsorientierte Charakteristik hat. Bei weiterer Vereinheitlichung der Core Network Infrastruktur wandert das Mobilitätsmanagement vom Call Server zum Media Gateway des UTRAN´s ab (oben dunkelblau), so dass ab diesem Punkt sowohl für PS- als auch für CS-Dienste, das Mobilitätsmanagement gemeinsam durchgeführt werden kann. Dadurch können weitere Ressourcen eingespart werden. Die zentralen Datenbanken wie auch die IN-Dienste, die primär per SS7 angesprochen werden, werden über ein SIG (SS7 to IP Gateway) an die gemeinsame Datennetzwolke angebunden.

© Rudolf Riemer, http://www.umtslink.at

1 UMTS stellt sich vor2 Vorteile, Frequenzen und Standards3 Wie wird ein UMTS-Netz aufgebaut?4 Internationales Konzept und Dienste5 Ein interessantes Verfahren: WCDMA-Codemultiplexing6 Die Entschlüsselung: WCDMA-Dekodierung7 Der Prozessgewinn8 Quasi-Orthogonalität9 UMTS-Leistungsregulierung10 Zellensuche und Übertragungsverfahren11 UTRAN-Funktionen12 Das UMTS-Vermittlungsnetz

zurück

Home  |   Impressum  |   Datenschutz