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Chapter 10 UMTS 簡介

Chapter 10 UMTS 簡介. Introduction to Universal Mobile Telecommunications System. 課程目標 . 本章針對由 GSM 系統演進的 通用行動通訊系統 （ Universal Mobile Telecommunications System ， UMTS ）的網路架構、無線電接取網路與核心網路的基本功能進行簡介。

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Chapter 10 UMTS 簡介

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Presentation Transcript

  1. Chapter 10UMTS簡介 Introduction to Universal Mobile Telecommunications System

  2. 課程目標 • 本章針對由 GSM 系統演進的通用行動通訊系統（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）的網路架構、無線電接取網路與核心網路的基本功能進行簡介。 • 3G行動通訊系統設計的目標，是希望提供用戶在任何時間、任何地點都能接取寬頻無線多媒體服務。因此更高速的接取頻寬、可變的資料傳輸速率，以及滿足各種多媒體服務的服務品質（Quality of Service，QoS），都是 3G 系統主要的設計目標。

  3. 章節目錄 • UMTS 概述 • UMTS 無線電接取技術 • 無線電介面協定 • 無線電資源管理 • 分封交換領域數據服務 • 安全機制 • 總結

  4. Section 10.1UMTS 概述 UMTS Overview

  5. UMTS 的研究歷程 • UMTS（Universal Mobile Telecommunications System） • 由 3GPP (the 3rd Generation Partner ship Project)制定，詳細的規範請參見 3GPP 網站（http://www.3gpp.org）。 RACE I Basic studies RACE II ATDMA CODIT ACTS/FRAMES FMA1: WTDMA FMA2:WCDMA ETSI Concept groups ETSI Decision: WCDMA for FDD operation Release-6 1988 1992 1995 1997 1998 1999 Release-5 Release-7 3GPP Release-3 或Release-99 Release-4

  6. 設計 UMTS 的目的為何? 為什麼作者會認為這些是 UMTS 主要的技術特點? UMTS 主要技術特點 • 高品質語音服務。 • 高速接取頻寬，理論上最高速率達 2Mbps。 • 支援多重服務品質（QoS）機制，可滿足語音和數據混合等即時和非即時性訊務的需求。 • 增強的安全機制，使用相互認證（mutual authentication）及 128 位元加密機制。見10-6節 • 具備多重存取服務（multi-access service）功能，可同時講電話及使用上網服務。 • 具備 3G-324M 影像電話（video call 或 video telephony）功能。

  7. UMTS 空中介面 • 採用寬頻分碼多重存取（Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA） • UMTS包括分頻多工（FDD）和分時多工（TDD）兩種模式。 • 目前商用產品可提供的最大下載速率為384kbps，最大上傳速率為 128kbps。 • 無線電接取網路指定採用ATM做為傳送層承載網路，以滿足各種多媒體服務的需求。

  8. QoS 分類

  9. 圖 10‑1 GSM/GPRS/UMTS網路演進趨勢

  10. 第 10.1 節的說明 • 本章介紹的侷限於 Release-99 和 Release-4。 • Release-4 與 Release-99 的系統架構大同小異。 • Release-99 見 10.1.1 節。 • Release-4 見 10.1.2 節。 • 在第 10.1.2 節會說明 Release-4 與 Release-99 的區別。 • Release-5 的 HSDPA 見第 11章。 • Release-5 的 All-IP 網路見第 12 章。 • Release-6 和 Release-7 在第 9 章。

  11. GSM 與 UMTS 專有名詞的對照 名稱改變的用意何在，是否功能也有所不同?

  12. Section 10.1.1R99 行動通訊網路架構The Architecture of Mobile Communication Network in R99

  13. Release-99 看了UMTS網路架構圖後，請想一下和GPRS的架構有什麼地方不一樣。 • 即 Release-3 • UMTS R99 的網路架構請參考圖10-2。主要分為四大部分： • 用戶設備（User Equipment，UE） • UMTS 陸地無線電接取網路（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UTRAN） • 核心網路（Core Network，CN） • 服務網路（service network） • 各元件間的溝通介面。 以往很少提到服務網路，why? 請想一下如果要建立服務網路，該放在那麼，該怎麼做才可以提供大量的服務。

  14. USIM Cu ME UE 圖 10-2 UMTS 系統架構圖 Iur 處理 soft handoff 在 Rel99 中，radio network和core network做了一個很清楚的區隔。 Uu Iu Iub Node B PLMN, PSTN, ISDN,... Iu-CS RNC 3G MSC/VLR GMSC Node B Iu-CS D D Iur HLR Gs Gr Node B Gc Iu-PS Internet RNC 3G SGSN GGSN Iu-PS Gn Gi Node B External Network UTRAN (UMTS Terrestrial RAN) Core Network 將原本GPRS SGSN中處理radio的工作(RMM, handoff)拿到 RNC 來處理。 System Architecture of 3GPP Release 99

  15. 用戶設備（User Equipment，UE） • UE 為用戶之行動終端設備，包括 • 行動設備（Mobile Equipment，ME）： 負責無線電收發 • UMTS 用戶識別模組（UMTS Subscriber Identity Module，USIM） • ME 與 USIM 之間使用 Cu 介面溝通。 • UE 經由 Uu 空中介面與 UTRAN 通訊。

  16. UTRAN (1/2) • 提供 UE 接取核心網路服務的功能。 • 由無線電網路子系統（Radio Network Subsystem，RNS）所組成。每個 RNS 包含 • 一部無線電網路控制器（Radio Network Controller，RNC） • 多個基地台（Node B）。 Iub Node B Uu IuCS RNC IuPS Node B RNS

  17. UTRAN (2/2) • Node B負責執行實體層的功能，包括展頻/解展頻、調變/解調變、編解碼、柔交遞（softer handover）之訊務分流與合併，以及無線電資源管理功能的功率控制（power control）功能。 • RNC主要負責無線電資源管理（Radio Resource Management，RRM）及與核心網路介接的功能。RNC的無線電資源管理包括允諾控制（admission control）、交遞控制（handover control）、功率控制及負載控制（load control）等，將在10.4節中介紹。

  18. UTRAM 的介面 • RNC 透過 Iub 介面控制 Node B。 • RNC 之間的介面則稱為Iur介面。 • 是特別為支援跨RNC間的軟交遞而設計的。 • RNC 與核心網路間的介面通稱為 Iu 介面。 • 銜接 CS domain 之介面稱為 Iu-CS • 銜接 PS domain 之介面稱為 Iu-PS。 • R99 版本中 UTRAN 各設備間的傳輸採用ATM，以提供較佳的傳輸效能和服務品質。

  19. 核心網路（Core Network，CN） • 核心網路負責訊務交換以及介接 PSTN/ISDN 和 Internet 等外部網路。 • 依據處理的訊務類別，核心網路區分為 • 電路式交換領域（Circuit Switched domain，CS domain） • 演進自 GSM 網路，負責語音訊務的處理。 • 分封交換領域（Packet Switched domain，PS domain）。 • 演進自 GPRS 網路，負責數據訊務的處理。

  20. CS Domain • 主要的網路元件包括 MSC/VLR、HLR 和 GMSC 等。 • R99 版本 CS domain 核心網路信令介面採用MAP。 • SGSN 與 HLR 間的 Gr 介面及SGSN 與 MSC 間的 Gs 介面都是採用 MAP 協定。 • GGSN 與 HLR 間的 Gc 介面亦採用 MAP 協定。

  21. PS Domain • 主要的網路元件包括 SGSN 和 GGSN 等。 • SGSN 與 GGSN 間的 Gn 介面仍採用 GTP 協定來傳送信令及轉送用 IP 封包。 • GTP（GPRS Tunneling Protocol） • UMTS 依存取點名稱（Access Point Name，APN）的不同，使用兩種不同的 IP 位址配發： • 通透（transparent）模式 • 由 GGSN 分發 IP 位址。 • 非通透（non-transparent）模式 • 由 GGSN 協同外部伺服器來分發 IP 位址。例如透過企業內部的 DHCP 或 RADIUS 伺服器配發企業內部的 IP 位址給UE。

  22. UMTS 的協定設計模型 (1/2) • 為了控制和載送用戶的通訊服務，UMTS將協定模型區分為： • 控制平面（Control plane，C-plane） • 負責控制信令的處理，如處理用戶發話的控制信令等。 • 圖10-3 為控制平面的協定模型。 • 圖10-5 為UMTS PS Domain控制平面協定堆疊。 • 使用者平面（User plane，U-plane） • 負責用戶訊務的處理，例如封包切割、重組和轉送等功能。 • 圖10-4 為使用者平面的協定模型。 • 圖10-6 為UMTS PS Domain使用者平面協定堆疊。

  23. UMTS 的協定設計模型 (2/2) • 各個平面再依據其協定組的性質從水平面切割成上下兩類協定： • 非接取層級（Non-Access Stratum，NAS） • 負責手機與核心網路間的控制信令。 • 僅存在於控制平面，包含有 CM、MM、GMM 與 SM 等控制信令，簡稱為L3信令（Layer 3 signaling）。 • 接取層級（Access Stratum，AS） • 負責與無線電接取網路和ATM傳輸網路相關的協定。 • Uu介面的無線電介面協定（radio interface protocol）。 • Iu介面的AS層協定則負責UTRAN與核心網路間的信令介接工作。

  24. 圖 10‑3 UMTS控制平面協定模型

  25. 圖 10‑5 UMTS PS Domain控制平面協定堆疊

  26. UMTS與GPRS 控制平面的比較 (a) Control plane for UMTS Mobility Management 因SGSN已不再負責radio, 因此分成RRC與RANAP分別確保UE與RNC, RNC與SGSN間的可靠連結 (b) Control Plane for GPRS Mobility Management 以LLC確保MS與SGSN間的可靠連結

  27. 圖 10‑4 UMTS使用者平面協定模型 不論是控制平面還是使用者平面，Uu介面的AS層均使用相同的無線電介面協定來處理用戶的無線電控制信令和使用者訊務。

  28. 圖 10‑6 UMTS PS Domain使用者平面協定堆疊

  29. UMTS與GPRS使用者平面的比較 (a) User plane for UMTS UTRAN改用IP over ATM, 因此上層可用GTP-U封裝上層IP封包 UE與UTRAN間則用PDCP封裝上層IP封包 (b) User Plane for GPRS UE與SGSN間, 在LLC上用SNDCP封裝上層IP封包

  30. Section 10.1.2Rel-4行動通訊網路架構The Architecture of Mobile Communication Network in Rel-4

  31. Release-4 • 進一步繼續增訂Rel-3尚未完成的功能。 • 例如增強 UTRAN 功能和 LCS 功能。 • 在 TDD 模式下新增 TD-SCDMA 無線電傳輸技術。 • 將 CS domain 核心網路的 IP 化。

  32. Rel-4 的特點 (1/2) • Rel-4 與 Rel-5 的網路參考架構圖：圖10-7 • Rel-4 引進載送層獨立（bearer independent）的觀念，即採用網際網路電話技術（IP telephony）將MSC的控制與訊務分離。 • MSC伺服器（Mobile Switching Center Server，MSC Server）負責提供用戶話務控制，例如通話控制（call control）和行動管理等功能。 • 媒體閘道器（Media Gateway，MGW）接受MSC Server 的控制來處理用戶訊務的交換。 • GMSC 也被分成 GMSC 伺服器與 MGW。

  33. Rel-4 的特點 (2/2) • 新增 GERAN（GSM/EDGE RAN）規格，除增加 EDGE 技術外並於 BSS 新增 Iu 介面，如此便可介接 3G MSC。 • 在第 12 章 UMTS All-IP 網路中將詳細介紹圖 10-7。

  34. 圖 10‑7 Rel-4 及 Rel-5 網路參考架構圖

  35. Section 10.2UMTS 無線電接取技術 UMTS Radio Access Technology

  36. UMTS 的頻譜配置 (1/2) • 依據信號多工方式，UMTS 分成 FDD 和 TDD 等兩種模式。 • ITU-T 對 UMTS 頻譜配置的建議，如圖10-8。 • FDD 上行頻率為 1920-1980MHz，下行頻率為 2110-2170MHz。 • 每一業者 FDD 模式頻率的最小配置頻寬為上/下行各 5MHz，且上/下行頻率間隔為 190MHz。 • TDD 頻段則為 1900-1920MHz 和 2010-2025MHz。 • 稱為 WCDMA 2100 頻段。

  37. UMTS 的頻譜配置 (2/2) • 各國實際配置的頻段略有差異。 • 北美地區國家可能的使用頻段為上行 1850-1910MHz 及下行 1930-1990MHz 。 • 稱為 WCDMA 1900 頻段。 • 表 10-3 列出 UMTS FDD 和 TDD 模式實體層的主要參數特性。

  38. 圖 10‑8 IMT2000頻段配置的情況

  39. 表10-3 UMTS FDD和TDD實體層的主要特性參數 (1/2)

  40. 表10-3 UMTS FDD和TDD實體層的主要特性參數 (2/2)

  41. Section 10.3無線電介面協定Radio Interface Protocol

  42. 無線電介面協定 (1/3) • 無線電介面協定為 UMTS 空中介面的一部份，其主要功能為提供 UE 與 RNC 間無線電鏈結（radio link）的建立及管理。 • 無線電介面協定共區分成三層： • 實體層（physical layer） • 資料鏈結層（data link layer） • 網路層（network layer）

  43. 無線電介面協定 (2/3) • 資料鏈結層中的協定： • 媒體存取控制（Media Access Control，MAC） • 無線電鏈結控制（Radio Link Control，RLC） • 廣播與群播控制（Broadcast and Multicast Control，BMC） • 封包資料聚合協定（Packet Data Convergence Protocol，PDCP） • BMC 和 PDCP 僅參與使用者資料的處理工作。

  44. 無線電介面協定 (3/3) • 網路層中的協定： • 無線電資源控制（Radio Resource Control，RRC）協定。 • RRC 提供無線電資源的控制與管理，以及控制RLC，MAC，PDCP 和 BMC 等協定。 • 若以控制平面與使用者平面區分： • 參與使用者平面的協定包括第二層的MAC、RLC、PDCP和BMC，沒有第三層的協定； • 參與控制平面的協定包括第二層的MAC、RLC和第三層的RRC協定。 • 參考圖10-5、圖10-6

  45. 無線電介面協定的架構 RRC負責無線電資源管理, UE行動管理, 控制其他所有協定的運作 傳送IP封包, 表頭壓縮 RLC負責封包之切割與重組, 是否要重傳或加密 廣播與群播之儲存,排程與傳送接收 MAC選擇合適的傳輸通道與格式 Physical Channels

  46. Channels (1/2) • 在協定堆疊中，相臨兩層間是透過服務存取點（Service Access Point，SAP）來溝通。 • SAP 是兩層中間介面的輸入與輸出點。 • 在無線電介面協定中將SAP定義成通道（channel）。 • 無線電承載（radio bearer） • 邏輯上傳送控制或使用者資料的通道。 • 實體通道（physical channel） • 最後真正傳送資料的通道。 • 有特殊的傳送目的或特性，以不同的 channelization code 來區分它們。

  47. Channels (2/2) • 邏輯通道（logic channel） • 延續 GSM logic channel 的概念, 代表上層在傳輸資料時所需要的特定型態的資訊。 • 來自上層的資訊送往 RLC 時，RLC 會選擇適當的邏輯通道來傳送使用者與控制資料。 • 傳送通道（transport channel） • 真正對應到 WCDMA 的 physical channel，描述資料是如何在 air interface 上傳送的。 • 當資料傳送到 MAC 時，MAC 會將邏輯通道對應到相對應的傳送通道。

  48. 圖 10‑12 傳送通道與實體通道間的對應關係

  49. 圖 10‑13 UTRAN端邏輯通道與傳送通道間的對應關係

  50. Section 10.3.1實體層Physical Layer，PHY

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