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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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Presentation Transcript
chapter 10 umts

Chapter 10UMTS簡介

Introduction to Universal Mobile Telecommunications System

slide2
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。
slide3
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
slide5
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

slide6

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。
slide7
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。
slide10
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。
gsm umts
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?

section 10 1 1 r99 the architecture of mobile communication network in r99

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

release 99
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。

10 2 umts

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

user equipment ue
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。
utran 1 2
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

utran 2 2
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。
utram
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。
core network cn
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。
cs domain
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。
ps domain
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。
umts 1 2
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。
umts 2 2
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。
umts gprs
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

1 0 4 umts
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。

umts gprs29
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

section 10 1 2 rel 4 the architecture of mobile communication network in rel 4

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

release 4
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。
rel 4 1 2
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。
rel 4 2 2
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。
umts 1 236
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。
umts 2 237
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。
slide42
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)
slide43
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。
slide44
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
slide45
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

channels 1 2
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。
channels 2 2
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。
1 0 13 utran
圖 10‑13 UTRAN端邏輯通道與傳送通道間的對應關係
slide51
實體層的功能 (1/2)
  • 實體層主要處理 WCDMA 無線電傳輸技術的基頻與射頻工作,在 UE 及 Node B 上執行。
  • 實體層的主要功能:
    • 調變與解調變、展頻與解展頻、攪亂和解攪亂
    • 交錯(interleaving)與解交錯
    • 編解碼
    • 誤碼偵測,向上層回報
    • 順向錯誤校正(Forward Error Correction,FEC)
    • 閉迴路(closed loop)功率控制
      • 請參考 10-4 節
slide52
實體層的功能 (2/2)
  • 實體層的主要功能:
    • 頻率和時間的同步(包括chip、bit、slot、frame的同步)
    • 傳送通道(transport channel)的多工與分碼組合(coded composite)傳送通道的解多工
    • Macro-diversity 合併與分流,以及執行軟交遞
    • 射頻處理
wcdma
WCDMA無線電傳輸技術
  • 採用直接序列展頻方式將用戶資訊展頻成約 5MHz 頻寬(即3.84Mcps)。
  • 所有的用戶同時使用同一個頻率。
  • 每位用戶分別使用不同的展頻碼。
  • 對於傳送速率較低者,所需的傳送功率相對比較小。
  • 對於傳送速率較高者,所需的傳送功率相對比較高。
1 0 10 wcdma
圖 10‑10 WCDMA碼分多工

不同的 spreading code會有不同的資料傳輸速率

666 ms

slot

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

frame

10 msec

wcdma55
WCDMA展頻及攪亂程序
  • 用戶資料首先經由通道碼(channelization code)展頻至38,400chip per second,然後再經由攪亂碼(scrambling code)進行攪亂。
    • 通道碼採用正交可變展頻因子(Orthogonal Variable Spreading Factor,OVSF)將用戶資料展頻至38,400cps。
      • 傳送速率愈高者,其展頻因子(spreading factor)相對較小。
      • 傳送速率較低者則使用較大的展頻因子。
      • OVSF 請參考第十一章。
    • 攪亂碼不會影響信號頻寬。
ovsf code tree

c,c

00000000

0000

c

00001111

c,-c

00

00110011

0011

00111100

0

01010101

0101

01011010

01

01100110

0110

01101001

OVSF Code Tree

SF: Spreading Factor 展頻因子

Chip length SF=1 SF=2 SF=4 SF=8

SF=4, 3.84Mbps/4=960kbps

SF=8, 3.84Mbps/8=480kbps

data 1 1 code 0110 0110

data 1 code 0110 1001

slide57
展頻與攪亂程序

區別來自同一來源的傳輸連結

區別不同來源的傳輸連結

channelization code

scrambling code

通道碼

擾亂碼

38400cps

Data

To transmit

Bit rate

Chip rate

Chip rate

Spreading

Scrambling

  • 在 physical layer, DPCCH 傳送 control information, DPDCH 傳送data。
slide59
傳送通道
  • 傳送通道主要配合實體層可變速率的需求而設計。依據屬性共可分為二類:
    • 專屬通道(dedicated channel)
    • 共用通道(common channel)
  • 3G 和 2G 間的差異
    • 傳送封包數據資料
    • 用於傳送封包數據資料的下行共享通道(shared channel)快速功率控制
slide60
傳送通道 - 專屬通道
  • 專屬通道係專屬的無線電資源,供某一特定UE使用。
    • Dedicated channel (DCH)
      • 載送用戶的訊務資料。
      • DCH 具備快速功率控制以及軟交遞等機制。
      • Service data (e.g., speech frame) and higher layer control frame (e.g., handover commands and measurement reports)
slide61
傳送通道 - 共用通道
  • 共用通道則是提供單一的無線電資源,給所有的 UE 或某一群 UE 共用。包含:
    • Broadcast Channel (BCH) (downlink)
    • Forward Access Channel (FACH) (downlink)
    • Paging Channel (PCH) (downlink)
    • Random Access Channel (RACH) (uplink)
    • Uplink Common Packet Channel (CPCH) (uplink)
      • 共用的上行傳送通道,用以載送中大量的PS數據封包。
    • Downlink Shared Channel (DSCH) (downlink)
      • 載送特定 UE 的數據封包或控制信令。為共用通道,可供所有 UE 以分時多工方式共用。
      • 必須伴隨DCH一起運作。
slide63
MAC 的功能
  • MAC的主要功能包括:
    • 依據邏輯通道是屬於共用、專屬或廣播的特性來選用適當的傳送通道。
    • 依據 RRC 的控制,選擇適當的傳送通道格式(transport format),以達到 UMTS 可變速率和QoS 之要求。
    • 當啟動加密功能時,MAC 層需負責 RLC 透通模式(transparent mode,見10.3.3節)封包的加密工作。
    • 其他功能如 Priority handling (between data flows/terminals)、 Multiplexing/demultiplexing、 Traffic volume monitoring
slide64
邏輯通道
  • 邏輯通道依據所載送資料的類別分成兩類:
    • 控制通道(Control Channel)傳送控制訊令。
    • 訊務通道(Traffic Channel)傳送用戶訊務資料。
        • downlink: 會對應到 FACH, DSCH, DCH.
        • uplink: 會對應到 CPCH, RACH, USCH, DCH, 表示這些 transport channel 也都會傳送 user data.
      • 專屬訊務通道(DTCH, Dedicated Traffic Channel) 負責載送專屬UE的資料訊務。(bi-directional, point-to-point)
      • 共用訊務通道(CTCH, Common Traffic Channel) 將用戶專屬的訊務傳送給所有的用戶。(downlink, point-to-multipoint), 只會對應到 FACH.
slide65
邏輯通道 – 訊務通道
  • 專屬訊務通道
    • Dedicated Traffic CHannel,DTCH
    • Bi-directional,one-to-one
    • 為 UE 專屬,負責載送 UE 的資料訊務。
  • 共用訊務通道
    • Common Traffic CHannel,CTCH
    • Downlink,one-to-many
    • 經由此通道,用戶專屬的訊務將會被傳送給所有的用戶。
slide66
邏輯通道 - 控制通道 (1/2)
  • 廣播控制通道
    • Broadcast Control CHannel,BCCH
    • downlink
    • 負責載送系統控制資訊。
  • 傳呼控制通道
    • Paging Control CHannel,PCCH
    • downlink
    • 負責載送傳呼信令。
slide67
邏輯通道 - 控制通道 (2/2)
  • 共用控制通道
    • Common Control CHannel,CCCH
    • Bi-directional,one-to-many
    • 負責載送網路與UE間的控制信令。
    • CCCH 通常對應到 RACH/FACH 等傳送通道。
  • 專屬控制通道
    • Dedicated Control CHannel,DCCH
    • Bi-directional,one-to-one
    • 負責載送UE與RNC間的專屬控制信令。
1 0 14 mac
圖 10‑14 MAC結構

說明請參考第十一章

slide70
RLC 的功能
  • RLC 主要的功能:
    • 提供使用者平面之資料和控制平面之信令的切割(segmentation)、重組(reassembly)及重傳(retransmission)等功能。
    • 針對每一個無線電鏈結,RLC 會根據 RRC 的設定選擇適當的傳輸模式,並根據其傳輸模式特性提供如流量控制、錯誤偵測、重傳和加密等功能。
slide71
RLC 層的傳輸模式

RLC 都會根據 RRC 的設定選擇適當的傳輸模式

  • RLC 定義三種傳輸模式:
    • 透通模式(Transparent mode,Tr mode)
      • RLC 除了對所收到的封包進行切割和重組外,不會做任何其他處理或添加RLC封包標頭(header)。
    • 無回應模式(Unacknowledged Mode,UM mode)
      • 除了切割和重組外,增加了加密(ciphering)和添加RLC封包標頭等機制。
      • 添加的封包標頭具備傳送序號(sequence number),可協助接收端進行封包次序檢查和資料完整性的確認。

語音和Streaming Video服務

傳送細胞廣播服務、VoIP服務

slide72
RLC 層的傳輸模式
  • RLC 定義三種傳輸模式:
    • 回應模式(Acknowledge Mode,AM mode)
      • 除了切割和重組、加密及添加封包標頭外,又多增加了流量控制和自動重複請求(Automatic Repeat Request,ARQ)錯誤更正機制。
  • 不同的應用服務基於對誤碼率與延遲的要求不同,在RLC層會有不同的處理方式。
  • 基本上,此三種模式均具備 CRC 偵錯功能(即在實體層執行 CRC 偵錯,然後再回報至 RLC 層)。

Internet瀏覽、電子郵件下載和檔案傳送

slide74
PDCP 的功能
  • 只存在於使用者平面,只有PS domain的服務才會使用PDCP。
  • 封包標頭壓縮與還原的功能
    • 有效地提昇在無線電空中介面的傳輸效率。
    • 使用的壓縮演算法見 RFC2507。
  • 傳送用戶的封包資料
    • PDCP層 從 NAS 層接收用戶的 IP 封包資料並轉送到適當的 RLC 層傳輸模式。
  • 支援SRNS轉移程序
    • SRNS轉移程序將在10.5.3節介紹。
slide76
BMC 的功能
  • BMC 只負責用戶的封包訊務處理,只存在於使用者平面,且PS domain的服務才會使用。
  • 其主要功能係用來配合廣播(broadcast)與群播(multicast)服務,例如細胞廣播服務即是BMC 通信協定所提供的功能。
bmc 1 2
BMC 的功能 (1/2)
  • UTRAN 端 BMC 通信協定的功能:
    • 儲存廣播訊息:BMC需儲存細胞廣播中心(Cell Broadcast Center,CBC)所送來的廣播訊息。
    • 估算所需的無線電資源:針對所收到的細胞廣播訊息來計算所需的資料傳輸量,以便向RRC協定請求適當的無線電資源(如FACH或CTCH)。
    • 廣播訊息排程(scheduling):針對儲放在暫存區(buffer)的細胞廣播訊息進行排程。
    • 發送和接收細胞廣播訊息。依排程發送細胞廣播訊息給用戶。
bmc 2 2
BMC 的功能 (2/2)
  • UE 端 BMC 通信協定的功能:
    • 將所收到的排程資訊送給RRC協定以便在適當時間進行接收。
    • 將所收到的細胞廣播訊息遞送至上層。
slide80
RRC 的功能
  • 控制整個無線電介面協定組(實體層、MAC、RLC、PDCP和BMC)的運作。
    • 建立、修改和釋放無線電鏈結、MAC 層的傳送通道格式、封包切割和重組、通道多工對應方式以及加密處理等,皆是由RRC下令進行控制。
  • 無線電資源管理,參見10.4節。
  • UE 的行動管理(Mobility Management,MM),將在這一節說明。
ps domain 1 2
PS Domain 行動管理 (1/2)
  • UMTS 除延用 GPRS 的路由區域(Routing Area,RA),進一步將 RA 細分為許多 URA(UTRAN Registration Area),以便更精準地追蹤UE的位置。

cell

cell

RA

URA

cell

URA

URA

LA

cell

small

cell (for CS/PS domain)

URA: UTRAN RA (for PS domain)

RA: register area (for PS domain)

LA: location area (for CS domain)

URA

URA

RA

RA

URA

URA

URA

big

ps domain 2 2
PS Domain 行動管理 (2/2)
  • 依據 UE 分配到的無線電資源多寡,UTRAN 對於 UE 位置追蹤分成 cell 與 URA 兩個層次,以便更精準地控制無線電資源的配置。
slide84
無線電資源使用的狀態 (1/2)
  • 圖 10-15 GSM/GPRS/UMTS 的無線電資源狀態切換圖說明 UE 使用無線電資源的各種情況。
  • GSM 與 GPRS 都是將無線電資源使用的狀況分成未使用與使用中兩個模式。
    • 當 UE 使用 GSM 系統建立起無線電資源連結(Radio Resource connection,RR connection)後,就會從未使用無線電資源的閒置模式(idle mode)(或稱待機模式)進入GSM連結模式(GSM connected mode)。
    • 若 UE 使用 GPRS 服務,啟始無線電區塊(radio block)傳送封包的動作,便進入GPRS封包傳送模式(GPRS packet transfer mode)。
slide85
連結模式
  • 當 UE 與 UTRAN 建立所謂的 RRC 連結(RRC connection),開始使用行動網路服務後,便進入無線電資源連結模式(UTRA RRC connected mode)。
    • 依據所分配到無線電資源的多寡,連結模式分成 CELL_DCH、CELL_FACH、CELL_PCH 和URA_PCH 等四個狀態。
    • CS domain 的服務只用到 CELL_DCH 狀態。
    • 依據 UE 實際的資料送收情況來配置最適當的無線電通道,可降低系統信令負載及 UE 電池消耗外,也可 提升無線電資源的使用效率。
cell dch
連結模式 - CELL_DCH 狀態
  • 表示 UE 正使用 DCH 通道來進行語音通話(CS domain),或者進行大量封包數據資料的送收(PS domain)。
    • 由於 DCH 使用較多的無線電資源,因此當持續一段時間無資料送收,UTRAN 將會暫時收回 DCH 並要求 UE 轉換至使用 FACH 或 PCH 等無線電資源消耗較少的共用通道,因此就會進入 CELL_FACH 或 CELL_PCH 狀態。稍後如有較大量的資料送收時,再予恢復至DCH通道,回到CELL_DCH狀態。
    • 在此狀態下,當 UE 跨細胞移動時,需要執行跨細胞的註冊程序。
cell fach
連結模式 - CELL_FACH 狀態
  • UE 只能使用 FACH 和 RACH 來進行 PS 數據服務的資料送收。
    • FACH 和 RACH 通道除了用來載送控制信令外,亦可載送少量的使用者數據資料。
  • 如果 UE 處於 CELL_FACH 狀態且又持續一段時間無資料送收後,UTRAN 將會命令 UE 切換至無線電資源消耗更少的 PCH 通道(進入CELL_PCH狀態)。
  • 當 UE 跨細胞移動時,要執行跨細胞的註冊程序。
cell pch
連結模式 – CELL_PCH 狀態
  • UE僅可接收 PCH 通道的傳呼信令而無法進行資料送收。
  • 但是如果 UE 跨細胞移動時,仍需執行細胞註冊程序。
  • 倘若 UE 在 Cell_PCH 狀態下且又經一段長時間無資料收發,但卻經常執行細胞註冊的程序,UTRAN 可將 UE 再切換至 URA_PCH 狀態,以便更有效地節省UTRAN的信令負載。
ura pch
連結模式 – URA_PCH 狀態
  • 在此狀態下 UE 僅可接收 PCH 通道的傳呼信令而無法進行資料送收。
  • UE 只需在跨 URA 間移動時才需執行所謂URA註冊程序,可有效地節省信令負載。
slide91
無線電資源管理
  • 無線電資源管理功能的目的在有效率地管理空中介面的無線電資源,以維持所規劃的系統容量,和保證 UE 鏈結的服務品質。
  • RRM 包含允諾控制、功率控制、交遞控制、負載控制和封包排程。

為什麼要做這些管理?

不做會產生什麼問題嗎?

要如何進行?

怎樣才能做到最好?

如何在效能與成本間得到平衡?

admission control
允諾控制(Admission Control)
  • WCDMA 網路系統容量及無線電鏈結品質受到基地台發射功率及接收功率的影響。
  • 當有新的服務請求時,RNC 便會執行允諾控制機制,依據目前無線電資源的使用狀況來決定是否同意該服務請求。
  • 如果預估加入該新服務後可能產生過載(overload)進而造成既有通訊品質降低時,便會拒絕該請求以保證既有用戶的服務品質。
power control
功率控制(Power Control)
  • 功率控制的目的在控制上行(即UE)和下行(即Node B)的發射功率,嘗試控制以最小的發射功率來滿足用戶的服務品質要求,進而減少空中介面的無線電干擾量。
  • 功率控制分為:
    • 開迴路(open loop)
    • 閉迴路(close loop)
      • 內閉迴路功率控制(inner closed loop power control)
      • 外閉迴路功率控制(outer close loop power control)
slide94
開迴路功率控制
  • UE 在建立無線電鏈結之前,依據 Node B 廣播的發射功率資訊以及 UE 實際接收到的信號強度來估算初始發射功率的機制。
  • 開迴路功率控制主要用來消除遠近效應(near-far effect)對系統所造成的影響。

broadcast

UE 2

Node B

但用下行的訊號來估計上行的功率是不準的!

UE 1

slide95
閉迴路功率控制
  • 為無線電鏈結建立後的功率控制機制,可應用於上行及下行的通道。
  • 內閉迴路功率控制用來控制UE上行的發射功率。
  • 外閉迴路功率控制係用於配合內閉迴路功率控制一起運作。
    • RNC依據用戶訊務的訊框錯誤率(Frame Error Rate,FER)來設定適當的SIR參考值,並通知Node B。Node B 便依據此 SIR 參考值來執行內迴路功率控制。
slide96
內閉迴路功率控制
  • Node B 定期通知 UE 調整其功率,使UE以最小的功率來維持 SIR(Signal-to-Interference Ratio )。

調整速率為1500 Hz,故又稱為快速功率控制(fast power control)。

P1

P2

UE1

Node B定期通知UE調整其功率。

Node B 估計接收到UE的 SIR,並與 target SIR 比較:若是 measured SIR > target SIR,BS 命令 UE 降低 power。若是 measured SIR < target SIR,BS 命令 UE 提高 power。

Node B

UE2

slide97
外閉迴路功率控制

外閉迴路功率控制係用於配合內閉迴路功率控制一起運作。

Frame reliability information

SIR target adjustment commands

UE1

RNC依據用戶訊務的FER(Frame Error Rate)來設定適當的SIR參考值,並通知Node B。Node B便依據此SIR參考值來執行inner loop power control。

target SIR

Node B

RNC

因為有 soft handoff,所以在 RNC 才能得到 BER。

Time

UE stands still

handover control
交遞控制(Handover Control)
  • 採用手機輔助交遞(MAHO)
    • UE 量測鄰近細胞的信號強度並回報 RNC,RNC 再依據 UE 回報的資訊決定是否啟動交遞程序。
  • UMTS的交遞類型:
    • UE 交遞到另一個使用同頻率的細胞。
      • 柔交遞(softer handover)
      • 軟交遞(soft handover)
      • 同時與 UE 通信的細胞所形成的集合稱為活動集(active set)。
    • UE 交遞到另一個不同頻率的細胞。
      • 硬交遞(hard handover)
      • 跨系統交遞(inter-system handover)
soft handover
軟交遞(Soft Handover)

UE同時與二個以上相同頻率的細胞建立無線電鏈結,而且這些細胞屬於不同的Node B。

The same signal is sent from both BSs to UE1 except for the power control commands.

1st Node B

UE1

2nd Node B

RNC

無線電鏈結的合併及分流點位於RNC。

softer handover
柔交遞(Softer Handover)

UE同時與二個以上相同頻率的細胞建立無線電鏈結,而且這些細胞均屬於同一台Node B所控制。

Sector 1

The same signal is sent from both sectors to UE1.

UE1

Sector 2

Node B

RNC

無線電鏈結的合併及分流點是位於Node B之內。

inter system handover
跨系統交遞(inter-system handover)

UE在語音通話中從UMTS網路交遞至GSM網路,或者從GSM網路交遞至UMTS網路的行為稱為跨系統交遞。

 system information measurement reports  relocation report RNC 依據 report 決定 handoff  acknowledgement (GSM information)  hard handover command to GSM  GSM handoff access

MSC

GSM

BSS

UTRAN

RNC

UE

Inter-RAT交遞: 從UMTS交遞至GSM的跨無線電接取技術(Radio Access Technology,RAT)的交遞行為。

load control
負載控制(Load Control)
  • 負責穩定系統容量,並避免發生過載情況。
  • 負載控制機制通常與其他的 RRM 機制(例如允諾控制、交遞控制和封包排程等)共同運作來達到控制負載的目標。
  • 例如透過允諾控制,當細胞發生過載情況時將不再接受新的服務請求,或者透過封包排程機制,適當地降低非即時性數據資料傳送的速率等,以調節目前系統的容量。
packet scheduling
封包排程(Packet Scheduling)
  • 應用於非即時性的數據資料傳送服務,目的在將可控制的無線電資源適當地分配給所有非即時性的數據資料傳送服務。
  • 典型的封包排程機制的運用程序如第 10.3.6 節圖 10-15 所述,處於連結(connected)模式的 UE 如一段時間沒有資料收發時,封包排程機制便會將 UE 從 Cell_DCH 切換至 Cell_FACH/Cell_PCH 狀態。稍後當此UE需要傳送大量資訊時,再予恢復至Cell_DCH狀態。
    • 例如 Internet 瀏覽
umts gmm
UMTS GMM
  • UMTS PS domain 行動管理(又稱GPRS Mobility Management,GMM)的目的在管理與追蹤UE目前的位置,以利傳送服務給用戶。
    • 延用 GPRS 中 RA 的概念,由 SGSN 追蹤 UE 所在的 RA。
    • SGSN 會將用戶的行動管理資料儲存成行動管理紀錄(MM context)。
    • 建立連線時,則建立相對應的 PDP context,記錄資料傳送的相關資訊。
    • 每位用戶只會有一份MM context,但可以有許多份PDP context。
gmm 1 2
GMM 中主要的程序 (1/2)
  • UMTS PS domain的GMM的主要程序包括
    • PS domain之連網服務程序(PS attach procedures)
    • 取消連網服務程序(PS GPRS detach procedures)
      • 當執行此程序後,用戶便無法再使用PS服務。
    • 手機位置管理程序(location management procedure)
    • 服務請求程序(service request procedure)
      • 提供用戶向網路提出建立服務連線的申請。
      • 例如,手機回應收到網路傳呼,或者手機擬傳送資料等情況都會使用到此程序。
      • 為 UMTS 新增的程序。
gmm 2 2
GMM 中主要的程序 (2/2)
  • 跨UMTS與GPRS系統程序(UMTS-GPRS intersystem-change procedure)
    • 提供 GSM/GPRS/UMTS 雙模手機在 GPRS 與 UMTS 網路間跨系統移動的程序,讓 IP 連線不會中斷。
  • 安全程序(security procedure)
    • 執行認證(authentication)、用戶身分保密(如使用 P-TMSI reallocation 和 P-TMSI signature 等方式)和加密(ciphering)。
    • 請參見10-6節的說明。
section 10 5 1 mobility management in packet switched domain

Section 10.5.1分封交換領域行動管理Mobility Management in Packet Switched Domain

ps domain109
PS Domain之連網服務程序
  • 為 UE 在 PS domain 上的註冊程序。
  • 用戶開機後,以及使用 PS 服務前都必須主動執行此程序。
    • 讓 SGSN 得知手機所在位置資訊。
    • 讓 SGSN 向 HLR 讀取用戶所申請的服務資料。
    • 讓 SGSN 建立行動管理記錄(MM context)。
  • 合併 PS/CS Attach 程序流程,代表同時對 PS domain 與 CS domain 進行註冊。
1 0 16 ps cs attach 1 2

PS domain的

location update

圖 10‑16 合併PS/CS Attach程序流程 (1/2)

向舊的 SGSN取得IMSI、MM context 等UE資訊

如果在舊的 SGSN找不到資料, 則要求UE提供IMSI。

進行

認證

1 0 16 ps cs attach 2 2

CS domain的

location update

圖 10‑16 合併PS/CS Attach程序流程 (2/2)

通知UE attach成功

回覆VLR已修改TMSI

當UE完成 GPRS Attach註 冊程序後,便可開始建立 PS domain 數據服務連線,

啟動 PDP context Activation Procedure 來建立IP連線使用行動數據服務,

同時也開始執行PS domain的GMM行動管理程序。

slide112
手機位置管理程序 (1/2)
  • 用戶手機向網路回報目前位置,以便執行用戶行動管理功能。
  • 相關的位置管理程序包括:
    • RA更新程序(RA update procedure)
    • 同時跨越RA及LA邊界的合併RA與LA更新程序(Combined RA/LA update procedure)
  • RA update procedure 的執行時機可分為:
    • 一般性(normal)
    • 週期性(periodic)是指UE必須每隔一週期時間向SGSN回報位置。
slide113
手機位置管理程序 (2/2)
  • 依據新舊 SGSN 是否變換,RA update procedure 分為
    • 同一SGSN的RA位置更新程序(intra-SGSN RA update procedure)
      • 因 SGSN 已有建立 UE 的相關資料庫,因此其程序將不會牽涉到 GGSN 和 HLR。
      • 週期性 RA update 程序即屬於此類。
    • 跨SGSN的RA位置更新程序(inter-SGSN RA update procedure)
      • 新的 SGSN 會向舊的 SGSN 請求該用戶的 MM context 和 PDP contexts。
      • 暫存在 RNC 的用戶封包經由舊的 SGSN 轉送至新的SGSN。
1 0 17 sgsn ra 1 2
圖 10‑17 跨SGSN的RA位置更新程序 (1/2)

向舊的 SGSN取得IMSI、MM context等UE資訊

進行認證

如果UE 正在傳資料,舊的SGSN要向舊的SRNC 要 PCP context 的資料,舊的 SRNC不再傳資料。

舊的SGSN內資料設為無效

並傳回未發送的資料

通知GGSN改PDP context

下面新的 SGSN 通知 HLR 更新該用戶的 SGSN 位址

等資訊,進行 PS domain 的位置更新。

1 0 17 sgsn ra 2 2

PS domain的

location update

CS domain的

location update

圖 10‑17 跨SGSN的RA位置更新程序 (2/2)

通知UE RA update成功

回覆VLR已修改TMSI

section 10 5 2 session management in packet switched domain

Section 10.5.2分封交換領域議程管理Session Management in Packet Switched Domain

slide117
議程管理 (1/2)
  • 當用戶完成 PS domain 的註冊程序後,必須再經由議程管理(Session Management,SM)程序來建立 IP 連線及取得 IP 位址後,才能使用 PS domain 數據服務。
    • 負責 PS 數據服務議程管理功能的設備為SGSN和GGSN。
    • 建立、管理用戶 PS 服務封包連線以及訊務路由。
slide118
議程管理 (2/2)
  • 針對每一個 連線,SGSN 和 GGSN 都會建立一 PDP context 以執行議程管理功能。
    • PDP context 包括 PDP 路由資訊(如PDP 識別碼、PDP 狀態、PDP 型態、和 PDP 位址等)、所使用的 APN(Access Point Name)、QoS 組態以及 PDU 資訊(如PDCP-SND和PDCP-SNU等封包編號)。
  • 相關程序包括
    • PDP context activation:圖 10-18
    • PDP context modification
    • PDP context deactivation
    • Secondary PDP context activation:圖 10-19
1 0 19 secondary pdp contex activation
圖 10‑19 Secondary PDP ContexActivation的程序

Secondary PDP context 是指使用已取得的 IP位址 及相同的 APN 設定,

再建立另一個 QoS 不同的數據連線(PDP context)。

section 10 5 3 srns inter sgsn srnc relocation on packet swtiched domain

Section 10.5.3分封交換領域 SRNS 轉移程序Inter-SGSN SRNC Relocation on Packet Swtiched Domain

slide122

Iu

Iub

Node B

SRNC

Node B

UE

Iur

Node B

DRNC

Node B

交遞後建立的路徑
  • 當手機的移動從舊細胞(屬於 RNC1 及 SGSN1)移動到新的細胞(屬於 RNC2 及 SGSN2)時,會進行交遞的程序。
    • 通訊路徑會從 GGSN 連到 SGSN1、RNC1、RNC2、Node B,再透過無線電鏈結到手機端。
    • 在這個路徑上經過兩個RNC,分別負責不同的工作。

RNC1

SGSN1

GGSN

RNC2

SGSN2

  • RNC 的角色依在路徑上的位置分為兩類:
    • SRNC(Serving RNC)
    • DRNC(Drift RNC)
slide123

Iu

Iub

Node B

SRNC

Node B

Iu

Iu

Iu

Iub

Iub

Iub

Node B

Node B

Node B

SRNC

SRNC

RNC

Node B

Node B

Node B

UE

UE

UE

UE

Iur

Iur

Iur

Node B

Node B

Node B

DRNC

SRNC

DRNC

Node B

Node B

Node B

處理 handover,使用者資料的轉換。

RNC 的三種角色

SRNC 銜接用戶通訊的線路至核心網路,以及控制用戶的無線電鏈結的狀態。

(a)

CRNC 扮演控制 Node B的角色。

  • Controlling RNC (CRNC)
  • Serving RNC (SRNC)
  • Drift RNC (DRNC)

DRNC 負責執行無線電鏈結的新增/刪除/重新組態 。

(b)

(c)

(d)

slide124
SRNC 角色的轉移
  • 若是能改變傳遞封包的路徑為GGSN→SGSN2→RNC2→Node B→UE,可以避免系統資源的浪費,也能減少傳送封包的延遲。
    • 見圖10-20
  • 當 UE 在通信狀態下,因移動而產生跨 RNS 情況時,此時原有負責控制的 RNC1 便可啟動 SRNS 轉移程序,讓 RNC2 擔任 SRNC 的角色,將自己從路徑中移除。
    • 見圖10-21
1 0 20 srns
圖 10‑20 SRNS轉移

(a)SRNS轉移前的通訊鏈結

(b)SRNS轉移後的通訊鏈結

(1) 先建 packet core network link (2) RNC1 不再收使用者資料

(3) SRNC 把尚未送出的 packet 轉送給新的 RNC

(4) 通知 MS RNC2 變成 SRNC. (5) 改 PDP context

(6) 釋放 RNC1 之 link.

slide128
GSM 安全機制的缺點
  • 加密機制僅運用於空中介面(i.e.,UE與BTS之間),如Abis介面使用微波系統時,有心人士將可從空中截收微波信號,進而竊取用戶的通信內容。
  • 身份認證機制僅由網路端來確認用戶是否為合法,未提供讓用戶端確認網路端是否合法的機制。
  • 手機與網路端之間的控制訊息未提供完整性保護(integrity protection)機制,使得如果訊息在傳送過程中遭到竄改時,將無法偵測。
umts 1 2129
UMTS 的安全機制 (1/2)
  • 相互認證機制
    • 網路端和手機雙方都可確認彼此的合法性。
  • 完整性保護機制
    • 確保 UE 與 RNC 間控制信令的完整性,避免信令傳送過程中遭到竄改。
    • UMTS 完整性演算法(簡稱 UIA,UMTS Integrity Algorithm)稱為 f9 演算法。
umts 2 2130
UMTS 的安全機制 (2/2)
  • 用戶訊務私密保護
    • UMTS加密演算法(簡稱UEA,UMTS Encryption Algorithm)稱為 f8 演算法。
    • 除更複雜的加密演算法外,加密機制更運用於 UE 與RNC間。使得當 Node B 與 RNC 間採用微波電路時,亦可達到較佳的加密保護。
slide131
AuC 端產生認證向量
  • 此 Quintet 稱為AV。
  • AV=(AUTN, RAND, XRES, CK, IK)
    • AUTN = (SQN  AK) || AMF || MAC
      • AK = f5K(RAND)
      • MAC = f1K(SQN || RAND || AMF)
    • XRES = f2K(RAND)
    • CK = f3K(RAND)
    • IK = f4K(RAND)

讓UE認證AuC

讓AuC認證UE

加密和完整性保護所需的金鑰

quintet
其他在 Quintet 中的參數
  • 預先設訂的參數
    • K: secrete key (in USIM & AuC)
    • AMF: Authentication and Key Management
  • 由 AuC 產生的參數
    • RAND: 128-bit random number
    • SQN: : 128-bit sequence number
1 0 23 usim

加密和完整性保護所需的金鑰

圖 10‑23 USIM 端認證機制

VLR/SGSN將RAND與AUTH送給UE

若驗證網路端正確UE計算XRES, IK, CK. UE將XRES送給網路端認證.

USIN利用XMAC是否等於MAC驗證網路端

XRES

Expected MAC

1 0 24 umts
圖 10‑24 UMTS安全機制程序

打電話、 位置更新等L3訊息

UE 先驗證網路端

網路端驗證UE

RNC開始啟動完整性機制

VLR/SGSM要求UTRAN啟動完整性與加密機制

UE先啟動完整性機制.再啟動加密機制.

雙方開始啟動完整性與加密機制.

summary
Summary
  • 隨著無線電傳輸技術的進步,行動通訊技術也不斷地朝向IP化及寬頻化演進發展。3G UMTS R99行動通訊系統可提供用戶高接取頻寬,同時提供QoS來滿足各式各樣影音多媒體服務的需求。本章簡介了UMTS第三代行動通訊系統的基本設計精神,包括網路架構、接取網路、核心網路等。同時針對UMTS所新設計的無線電管理功能、新改良的安全機制、以及PS數據服務流程等均詳細說明。冀希望提供讀者能夠快速地了解3G網路技術,作為後續進一步深入研究3G技術的基礎。