一,前言

這期的文章,筆者將會針對WCDMA/UMTS核心網路中所運作的各種通訊協定做一個介紹,由於WCDMA/UMTS無線通訊系統是一個相當龐大的主題,透過這依序的探討各部分運作的文章,希望可以讓各位讀者對於整個系統架構開始有一個清晰的輪廓

從使用者的手持設備到遍佈各地的基地台,再由基地台透過其它設備連結到系統業者的核心網路,這其中包含了許多不同的傳輸媒介與各種訊號轉換。我們可以想像使用者手持設備透過無線電波傳輸資料,基地台接收後,經由無線網路控制器﹝RNC﹞透過光纖﹝Iu介面﹞把資料傳送到核心網路。核心網路又區分為Circuit-Switched與Packet-Switched兩份,因此資料透過這兩部分傳輸時,都必須要透過不同的協定轉換,以適應於這兩個區域的協定特性。

整個無線通訊系統包含了這樣多樣的通訊協定,透過本篇文章相信會讓許多讀者可以對這些協定有一個基本的認識,這裡面所介紹的內容,每一個部分其實都可以再深入的探討,但這就留待有興趣的讀者再行發掘了。

接下來,就讓我們開始這次所要介紹的內容吧。

二,核心網路的通訊協定架構

如同一般的網路通訊,無線通訊系統的架構中也是需要彼此協同工作的通訊協定來完成使用者所要傳送的資料,也因此在這個章節中,我將為各位介紹目前在WCDMA/UMTS核心網路中主要使用的通訊協定,如下圖﹝二﹞所示


我們把系統的通訊協定大略分為四個層次,分別為Physical Layer、Transport Network Layer、Radio Network Layer與System Network Layer。其中值得注意的就是,與無線通訊協定有關的Radio Network Layer,他所延伸的範圍主要由使用者手持設備﹝UE﹞端到MSC/VLR與SGSN所負責的區域,也就是說在MSC與SGSN之後的Gn、E介面網路傳輸資料與控制信號時,就沒有屬於Radio Network Layer的通訊協定加入了。所以,透過這樣分層的解析無線通訊網路使用的傳輸協定,我們可以清楚的釐清彼此的關係,進一步的了解每一個階層所負責的工作。

首先,我們會遇到的就是Physical Layer,從使用者通訊設備透過無線電波與基地台通訊,到訊號透過核心網路傳送到使用者家中的電話,其實這裡面轉換了許許多多的實體層設備與介質。在本篇文章中主要著重在與核心網路有關的部分,無線的部分筆者將在之後的文章再加以介紹。

接下來,我們以Transport Network Layer為主題來加以介紹,如下圖﹝三﹞所示這是在核心網路中Transport Network Layer在各區域所運作的通訊協定示意圖


在UTRAN網絡中通訊協定主要是以RLC與MAC為主,不過所需要的實體層介面會由無線部分轉移到有線的介面﹝例如:由無線電波到ATM﹞,由於RLC與MAC是屬於WCDMA中Radio Interface的通訊協定,因此在UTRAN之後的網路就會把屬於Radio Interface的通訊協定轉換到屬於有線網路部分使用的通訊協定。

目前,UTRAN與核心網路Packet-Switched區域主要採用的傳輸介面是以ATM為主。而在核心網路用來傳送語音資料的Circuit-Switched部分,則是以能傳送語音資料的﹝PCM,Pulse Code Modulation﹞的分時多工網路為主﹝例如:T1/T3/E1.......﹞。

由圖﹝三﹞我們可以看到在WCDMA/UMTS網路架構中ATM被廣泛的採用來傳送附加在上面的通訊協定,ATM的網路傳輸主要屬性分為四個等級:A、B、C與D,其中包含了AAL1﹝ATM Adaptation Layer 1﹞--AAL5等五種不同的ATM調節層。如下表﹝一﹞所示

ATM調節層/屬性/應用/Real-Timed/速率/連線模式


WCDMA/UMTS網路主要使用ATM的AAL2與AAL5。AAL2主要特色為需要建立連線、即時傳輸以及非固定的傳輸速率,適合用來傳送經過壓縮的影音資料,由於每一個經過壓縮的影音資料傳輸速率並不固定,會隨著每一個畫面的複雜度不同而有所改變,而這且類的服務需要有即時性的傳輸,所以適用於AAL2的傳輸服務。AAL5主要的特色為無須建立連線、非即時傳輸以及非固定的傳輸速率。

AAL2在IuCS介面主要是用來傳送使用者的語音資料,而AAL5在IuPS介面則是用來傳送使用者的封包資料,IuPS與IuCS介面的控制訊號都是透過AAL5來傳送的。雖然AAL5不像AAL3/4在切割資料包時,會在每一個資料片段保留一個順序編號,以便於接收端可以在處理資料時從前後的資料順序編號知道是否有資料在傳輸過程中遺失,不過當核心網路採用AAL5來傳輸控制訊號或是使用者封包資料時,會在上面負載其它具備偵錯與重傳的通訊協定﹝例如:SSCOP與SCTP﹞,以協助整個傳輸流程可以更為可靠,這些內容筆者會在稍後加以介紹。

目前核心網路主要使用ATM介面的包括,IuCS、IuPS、Gn、GP介面,由於3GPP R99的規格主要是承襲GSM/GPRS的架構所延伸而來的,因此許多原本使用SS7介面或是透過PCM分時多工傳送語音資料的介面﹝例如:T1/E1/T3....etc﹞,仍舊是採用了過去的架構。在使用ATM的網路傳輸時,SS7的信號通訊就會透過ATM的AAL5來加以傳送。


接下來,我們首先就先探討由UTRAN連網Packet-Switched網路所需經過的各種通訊協定轉換介面與機制。


基於GTP-U的資料轉換

透過GTP-U﹝GPRS Tunneling Protocol – Packet Data User Plane﹞的通訊協定層,我們可以在UMTS網路的Packet-Swtich部分網路建立起Tunnelling的通訊機制。透過Tunneling的架構,使用者無論使用怎樣的通訊協定或是路由機制,SGSN與GGSN都無需要了解,這些UMTS網路的封包傳送設備只需要基於GTP-U來進行使用者資料的轉送即可,而使用者真實的封包資料,如果是基於TCP的HTTP或是SMTP,UMTS封包網路的設備都不需要了解,只需由透過GTP-U的機制來轉送到GGSN,在由GGSN把經由GTP-U所封裝過的使用者封包資料還原到外部網路即可。

所有真正的TCP/IP繞送機制,將會在資料傳到GGSN外部網路的路由之後,才會進行。

如下圖﹝四﹞所示,GTP-U會透過Tunnelling機制把使用者的封包資料轉送到外部的網路中,因此使用者可以順利的在上面運作各類的網路服務。


如下圖﹝五﹞所示,透過這層Tunnelling使用者無須知道資料被轉送的流程,猶如一個運作的通道,會把使用者的資料完整的傳送到目的地。


SS7在核心網路的應用

在之前的文章中,我們曾經介紹過WCDMA/UMTS網路為了相容於過去GSM/GPRS所投資的電信設備,所以也沿用了SS7﹝Signalling System 7﹞作為3G網路用來傳輸控制訊號的通訊協定,不過為了適用於3G網路所採用的ATM或是IP的架構,SS7也有了相當程度的改變。

SS7的Data Link Layer為MTP1﹝Message Transfer Protocol 1﹞、Link Layer稱為MTP2﹝Message Transfer Protocol 2﹞,Network Layer則稱為﹝MTP3與SCCP﹞。

如下圖﹝六﹞就是SS7通訊協定的架構圖,在它上面所提供的使用者服務主要以第四層User Part為主


在此我們大略的介紹它所提供的使用者服務

ISUP﹝ISDN User Part﹞


TCAP﹝Transaction Capabilities Applications Part﹞


MAP﹝Mobile Application Part﹞

OMAP﹝Operations,Maintenance and Administration Part﹞

如下圖﹝九﹞所示,為SS7通訊協定在核心網路中的協定層示意圖


我們可以看到MSC與MSC﹝或是GMSC﹞之間會透過ISUP協定建立傳送語音資料的通道。而MSC、HLR與VLR之間會透過MAP協定來交換,在建立一個無線通訊設備使用者完整通話連線時,所有與該使用者有關的資料。

如下圖﹝十﹞所示,為SS7通訊協定在我們透過手機撥打國際電話時,協定層示意圖

由圖﹝十﹞中我們可以看到,透過手機撥打到國外的手機使用者時,同樣會透過ISUP建立通話的語音通道,並且透過MAP協定來交換兩地使用者的相關訊息。

SS7 Over IP and SAAL

SS7是一套在通訊產業相當成熟的產品,而在GSM/GPRS無線通訊網絡中SS7當然也佔了相當重要的角色,所以說在WCDMA/UMTS網絡中當然有許多部分仍舊採用了SS7的通訊協定,不過由於有一些通訊的硬體設備已經不同了,所以SS7通訊協定的底層介面也順應了新的網路環境而有所改進。

在ATM的網路中,SS7訊號的傳送可以透過ATM本身的控制訊號調節層﹝SAAL,Signaling AAL﹞或是透過IP Over ATM。如下圖﹝十一﹞所示,左方是透過ATM本身的控制訊號來傳送,右方則是透過IP Over ATM的機制來傳送SS7的訊號。


ATM本身的控制訊號是透過AAL5﹝ATM Adaptation Layer 5﹞調節層來傳送的,主要包括了

SSCOP﹝Service Specific Connection – Orieinted Protocol﹞

SSCF﹝Specific Service Coordination Function﹞


MTP3-B﹝Message Transfer Part 3-B﹞

而在圖﹝十一﹞的右方,透過IP Over ATM 來繞送SS7訊號的機制包括了

SCTP﹝Stream Control Transport Protocol﹞﹝RFC 2960﹞

M3UA﹝MTP3 User Adaptation﹞

由於SCCP原本以MTP3作為它下層的通訊協定,不過為了可以順利透過IP 或是 ATM等通訊協定,所以都會在SCCP的下層提供一個類似MTP3的通訊協定,以便於可以把SCCP順利運作在這些不同的通訊協定之上。

Radio Network Layer

如下圖﹝十三﹞所示為Radio Network在系統中的架構示意圖


Radio Network Layer中用來傳輸控制信號的通訊協定包括:

RANAP

RANAP﹝Radio Access Network Application Protocol﹞是應用在UTRAN與核心網路所連結的Iu介面﹝包含傳送語音的IuCS<Circuit-Switched>與IuPS<Packet-Switched>﹞,傳送控制訊號時所採用的通訊協定。具備RANAP通訊協定的設備包括UTRAN中的RNC﹝Radio Network Controller﹞與核心網路的MSC和SGSN,在3GPP R99的規範中Iu介面所傳送的RANAP通訊協定可以基於SS7與ATM,或是基於SS7搭配IP Over ATM的機制。

如下圖﹝十四﹞所示


其中,MTP3-b、SSCF-NNI與SSCOP就是屬於ATM AAL5用來傳送控制訊號的通訊協定,而M3UA、SCTP與IP/UDP就是用來傳輸SS7 Over IP的通訊協定。

不論我們用何種方式傳送SS7通訊協定﹝例如:ATM AAL5或是 IP﹞,它最上層的通訊協定都會是SCCP。RANAP本身並沒有處理錯誤的能力,它假設所有送出的訊息內容都會被正確的接收,也就是說它下層的通訊協定﹝Transport Network Layer﹞本身就需要有處理錯誤的能力,例如圖﹝十四﹞中的SSCOP與SCTP就具有錯誤偵測與資料重送的機制。

RANAP主要用來傳輸送給MSC/VLR與SGSN端屬於Non-Access Stratum的通訊協定,例如圖﹝十四﹞中的MM、GMM、CC與SM。這些通訊協定是使用者通訊設備﹝UE﹞與核心網路溝通的協定,與底層傳輸用的通訊協定無關。

RANAP負責以下的功能

﹝1﹞傳遞核心網路要傳送給UTRAN的訊息﹝例如:當有人撥電話給UTRAN網路中的使用者﹞
﹝2﹞透過每個使用者通訊設備專屬的控制服務﹝Dedicated Control Service﹞,提供各自專屬的訊號管理服務
﹝3﹞傳輸上層屬於Non-Access Stratum的通訊協定
﹝4﹞要求與管理各類的Radio Access Bearer
﹝5﹞執行使用者切換Radio Network的重置工作
RNSAP﹝Radio Network Subsystem Application Protocol﹞、NBAP﹝Node B Application Protocol﹞與RRC﹝Radio Resource Control Protocol﹞由於屬於Radio Network部分用來傳輸控制訊號的通訊協定,筆者將在之後的文章中再行討論。

Radio Network Layer中用來傳輸使用者資料的通訊協定包括:

Iu FP

Iu Frame Protocol主要是應用在IuCS與IuPS介面,為了適應這兩個介面不同的特性,所以Iu FP也有兩個不同的模式,如下

Transparent Mode﹝用於IuPS﹞

Support Mode﹝用於IuCS﹞

如下圖﹝十五﹞所示,為這兩個模式架構示意圖

Iub FP、IurFP與PDCP﹝Packet Data Convergence Protocol﹞屬於Radio Network中用來傳輸使用者資料的通訊協定,筆者將在之後的文章中再行討論。

System Network Layer

System Network Layer通訊協定主要透過 Radio Network Layer與 Transport Network Layer 來傳輸資料,主要的系統架構如下圖﹝十六﹞所示


現在我們就根據圖﹝十六﹞,所介紹的各式通訊協定,來為各位做一個介紹

MM﹝Mobility Management﹞

MM主要運作於使用者通訊設備﹝UE﹞與核心網路 MSC/VLR之間,提供基本的移動管理與認證流程,可運作於只有電路交換﹝CS,Circuit-Switched﹞或是電路交換與封包交換﹝PS,Packet-Switched﹞模式都啟動的使用者行動設備。

如下圖﹝十七﹞所示,MM的連線由屬於無線通訊部分的Radio Bearer﹝由RRC所建立﹞與透過IuCS介面的Iu Bearer﹝由RANAP所建立﹞組成。MM協定在傳送時,會透過RNC﹝Radio Network Controller﹞做一個通訊協定的轉換工作,以適用於兩邊不同的傳輸特性。


MM通訊協定隨時更新使用者手持設備的位置狀態,以致於它具備有能用來負載上層CM﹝Connection Management﹞通訊協定的能力。所以使用者手持設備與MSC/VLR透過CM通訊協定連線時,都是以MM通訊協定作為它的底層協定。

MM通訊協定主要包含以下三個基本的功能

﹝1﹞MM 連線功能

主要用來建立與釋放MM的連線,並且用來傳輸CM的通訊資料。通常MM連線的建立,都是透過上層的CM協定所引發的,所以一開始時都會觸發CM 的Request,然後再建立MM的連線。

如果使用者要透過手機撥出電話或是送出簡訊,就會由手機端主動發出CM服務的Request。同理,如果有其他使用者要撥號給該使用者,就會透過核心網路送出CM的Request給該使用者手機。在MM部分的連線建立後,CM的通訊協定才能傳輸,而且每個CM都會對應到一個專屬的MM連線。

﹝2﹞MM一般程序

當MM連線建立後,一般程序的資料隨時都能傳送。目前主要包含以下的功能

﹝a﹞TMSI的重新配置 TMSI在上期文章中有介紹過,讀者可以自行參閱。這個程序是由核心網路所觸發,並且會在加密的模式下進行。
﹝b﹞認證程序 由核心網路所觸發,進行使用者身份的確認。
﹝c﹞身分確認程序 由核心網路要求使用者手持設備送出特定的身分確認資訊,例如:IMSI或IMEI。
﹝d﹞IMSI卸載程序 當使用者手持設備停止運作,就會透過MM送出IMSI DETACH INDICATION的訊息,此時核心網路就會進行一連串動作,釋放為該使用者所保留的資源。
﹝e﹞取消程序 核心網路可以主動的取消任何正在進行的MM連線。

﹝3﹞MM特定程序

隨時都可以被啟動,並不限於必須要有MM連線存在。主要負責用來進行位置更新的工作,其中包含以下三個基本的位置更新程序

﹝a﹞一般位置更新程序
﹝b﹞週期位置更新程序
﹝c﹞IMSI啟動程序

GMM﹝GPRS Mobility Management﹞

GMM主要運作於使用者手持設備與SGSN之間,提供了基本的MM控制與認證機制,可運作於只有封包交換﹝PS,Packet-Switched﹞或是電路交換與封包交換﹝PS,Packet-Switched﹞模式都啟動的使用者行動設備。

如同MM協定所介紹的內容。如圖﹝十八﹞所示,GMM的連線由屬於無線通訊部分的Radio Bearer﹝由RRC所建立﹞與透過IuPS介面的Iu Bearer﹝由RANAP所建立﹞組成。再透過RNC做一個通訊協定轉換的工作。


如果使用者手持設備同時運作於CS﹝Circuit-Switched﹞/PS﹝Packet-Switched﹞模式下,如果同時要傳送訊息到MSC/VLR與SGSN,為了節省有限的無線通訊資源,會把MM與GMM的訊息都透過GMM來傳送,再由SGSN透過Gs連線傳送給MSC/VLR。

GMM協定本身主要包含以下功能

﹝1﹞建立與釋放GMM Context 當使用者手持設備轉換到傳送封包模式﹝Packet-Switched﹞時,就會進行建立GMM Context的流程。GMM Context存放於SGSN,可以用來識別每一個GMM的使用者。

﹝2﹞位置資訊管理 此功能只有當GMM Context存在時,才會運作。包括了

﹝a﹞一般路由區域更新 當使用者手持設備發現路由區域﹝RA,Routing Area﹞改變時,就會通知核心網路進行路由區域位置更新的動作。一個路由區域通常指的就是一個SGSN所涵蓋的範圍。
﹝b﹞週期性路由區域更新 使用者手持設備會週期性的對核心網路更新路由區域的資訊。

﹝3﹞GMM一般程序 負責處理,P-TMSI的重新配置、GPRS認證與加密程序與GPRS身分確認程序。

CC﹝Call Control Protocol﹞
CC協定運作於使用者手持設備與MSC/VLR之間,提供了基本的訊號機制可以用來建立與釋放Circuit-Switched的服務,例如:語音通話。CC協定使用MM所提供的連線來傳送CC的訊息資料。

建立Circuit-Switched的電話服務與建立ISDN通話非常相似,所以MSC必須負責轉換CC協定與ISUP﹝ISDN User Part﹞協定,以便於可以與外部的ISDN網路建立語音通話的連線。如下圖﹝十九﹞所示


SS﹝Supplementary Services Protocol﹞

SS協定提供了額外的Circuit-Switched服務,例如:通話轉接、電話過濾﹝例如:禁打國際電話,或是過濾撥出與打入的電話﹞。CC與SS都屬於CM﹝Connection Management﹞的一部份。

SM﹝Session Management Protocol﹞

SM協定運作於使用者手持設備與SGSN之間,主要用來建立與釋放用來傳送封包資料的Session。當GMM Context存在時,SM協定才能順利運作,如果GMM Context不存在,就會試著去產生一個新的GMM Context。

SM協定可以用來產生、釋放與修改PDP Context,PDP Context記載了對應的Session所需的路由與QoS參數。有關PDP Context的資訊,讀者可以參考上一期的文章。

GTP-C﹝GPRS Tunnelling Protocol for Control Plane﹞

GTP-C協定用來產生、刪除與修改用來傳輸使用者資料的GTP Tunnel,運作於核心網路Packet-Switched的部分,屬於SGSN與GGSN之間所使用的控制協定,因此可以在Gn﹝SGSN<->GGSN﹞與Gp﹝GGSN<->GGSN,兩個不同的Packet-Switched區域網路﹞介面使用。可以用來提供Tunnelling機制的管理與控制,以便於讓使用者的封包資料可以順利傳送,並可以用來在SGSN 間傳送MM的控制訊息。

如下圖﹝二十﹞所示,GTP-C主要是透過UDP/IP來傳送控制資料的,UDP提供了非連接導向的通訊服務,在傳送資料前無須先建立連線,而IP提供了在網路收送端繞送資料的機制。


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我們非常榮幸獲得原作者工研院電通所無線通訊技術組 HungLin Chou先生授權同意原文轉載

今年電信市場因為3G的到來將會非常熱門 到底3G是什麼?WCDMA與CDMA2000又是什麼?這麼多的新名詞我們又瞭解多少,在3G正式上路前,大家或許可以讀一下HungLin Chou所寫的系列文章,或許你對3G會有更多的瞭解
也希望大家讀完之後能有一些回應,有任何疑問也可以提出來,我會盡量邀請HungLin Chou來參與我們的討論,希望對大家都有所幫助