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【作者: 林映辰,張毓仁】2010年01月07日 星期四

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HNB之Uu介面技术规范


在3GPP规格书中,定义了两种的网路元件:HNB(即为Femtocell),HNB Gateway(即为Femto Gateway)与一个新的介面Iu-h。



HNB经由Iu-h介面将资料传送到HNB Gateway,而HNB Gateway则利用现有的Iu-CS与Iu-PS介面与核心网路沟通(如图二)。在这个架构下HNB可说是整合了原本UMTS Macro网路Node-B与RNC的功能(如图二)。



图三是HNB Uu介面的通讯协定堆叠架构图,可分为RRM、RRC、RLC、MAC、FP、NBAP。 RRM负责监控目前系统资源,并经由RRC Signaling对手机下命令作资源上的调整与配置。讯息会被RLC做封包切割,并经由MAC多工处理传到底层。同时,RRM也会经由NBAP对HNB的组态做调整。底下各章节还会对各个协定层做详细介绍。



《图一 UMTS Macro网路架构图》


《图二 UMTS Femto网路架构图》


《图三 HNB Uu介面的通讯协定堆叠架构图》


什么是RPM?


RRM微Radio Resource Management的缩写。 RRM模组分成Code Management、Handover control、Admission Control、Load Control 的几个功能模组。底下将分别介绍这些模组。



Admission Control


在新的手机发出RRC 连结要求、建立新的Radio Bearer或是Radio Bearer组态的重新设定时,Admission Control功能模组必须检查目前系统状态如各连结品质、讯号与杂讯比、发射功率,以及目前已存在的使用者数目。同时,它会去估算允许一个新的手机建立连接,对系统负载的影响。当估算结果发现新的手机进入系统时,会对原有的使用者产生极大的干扰时,这时新的手机就会被拒绝注册。



评断一个Admission Control演算法的好坏有很多因素,其中两个重要的指标就是错误拒绝率与错误接受率。所谓的错误拒绝就是当系统有足够的资源而Admission Control演算法却拒绝一个连结的要求。错误接受则刚好是刚好相反,此情况发生于系统没有足够的资源,却又接受一个新的手机加入要求。倘若这种情况发生时,会影响已存在连结的品质,并会减少HNB的讯号涵盖区域。所以一个优异的演算法会具有低错误拒绝率以及低错误接受率。



Handover Control


Handover是让手机具有移动性的基本功能。当手机从一个细胞(Cell)的讯号涵盖区域移动至另外一个时,手机与一个新的细胞连结就会被建立,而与旧细胞连结就会被切断。一般来说,电信营运商会有两到三个FDD频带。此时不同的频带就可以用来做为压缩模式(Compressed Mode)量测之用。



目前3G Macro 网路的Hard Handover流程可以分为底下几个步骤。



首先,网路端会下量测命令给手机。手机接到命令后会去量测不同细胞的讯号品质并会回报给网路端。网路端收到手机的回报之后,Handover演算法会跟据一些参数如服务品质、系统负载等来决定是否要让手机Handover到别的细胞上。但是,目前3G标准对于HNB Handover做法尚未有明确的解决方案。



Load Control


Load Control功能模组与Admission Control功能模组在功能上为互补关系。当Admission Control演算法估算不准确时,就有可能会发生超过负载的情况。此时Load Control模组就必须采取行动,及时把系统负载调整回正常范围。 Load Control演算法会随时侦测目前系统负载状态及发射功率。当异常状况发生时,就会启动降低负载的机制。



这个机制经由一些准则来判断系统效能的优先次序。为了要提升某些效能这个机制无可必免地要牺牲某些效能来达到目地。举例来说,提升使用者的传输速度可能会降低系统容量。在决定优先次序后,就会经由一些方法如调整TFCS参数、降低资料传输速率,以及使手机Handover到另外一个细胞等来进行负载控制。在经由调整以后,Load Control演算法会检查是否有达到预设目标。若没有,则会在经由其它方式来做进一步的调整。



Code Management


频道码与搅乱码是被HNB所管理的。搅乱码在上传方向是用来分辨不同的手机。频道码在上传方向是用来区分同一只手机的不同频道,而在下传方向是用来区分同一个HNB中的不同手机。



这些码的作用就像是手机或者是某个频道的识别码。因为码的数目是有限的,所以Code Management演算法必须以有效率的方式来分配这些码,并且以Code Handover方式来保证有足够数量的码可以使用,以防止新的呼叫因为没有适合的码可以使用而被拒绝的情况。



Power Control


UMTS标准在功率控制可以分为开回路控制与闭回路控制两大类。开回路​​功率控制可用在随机存取程序上(Random Access Procedure),而闭回路控制又可以分成外部回路功率控制与内部回路功率控制两种。



外部回路功率控制则是跟据资料的服务品质对接收端设定一个目标讯号干扰比。内部回路主要是利用领航讯号(Pilot Signal)来量测所接收到的讯号品质,并将其与目标讯号干扰比做比较,然后再利用TPC来降低或增加发送端的功率,最快速度可以达到1500Hz 。如此高的速度就可用来补偿通道衰减所造成的效应,让接收功率维持在一个固定范围。



在同一个细胞内,若手机的数目越多,则对彼此的干扰是越大的。此时,若把手机的发射功率提高,会使系统的容量降低并且缩短手机通话时间。相反地​​,假如使发射功率降​​低,则会在接收端产生过大的位元错误率。所以Power Control 演算法必须在系统容量、手机的通讯品质以及通话时间这几个因子取得最佳平衡点。



RRC协定的功能


RRC全名为Radio Resource Control,在传统3G系统中,RRC分别位于UE及UTRAN端,主要功能为管理与维护Uu interface上的资料封包收送与程序传递。利用点对点的RRC message,UTRAN端的RRC可告知UE端的RRC如何设定、改变或释放L2(RLC、MAC)和L1(PHY)的协定个体,以达到建立、重设或取消资料传输通道的目的,来配合资料封包的传递。此外,RRC也利用Radio Bearer(RB3及RB4)提供上层(NAS)在UTRAN及UE之间程序传递的服务。



RRC协定主要分成以下几个功能个体:



绕送功能个体(RFE)


将由上层(NAS)传递过来的资讯,传送到RRC内部负责处理的功能个体,或是由收到的RRC message中,将所夹带NAS讯息传递到上层。



广播功能个体(BCFE)


在UTRAN端,此功能个体负责处理跟Broadcast相关的服务,如决定系统讯息(SIB)的参数、系统讯息的排程(MIB、SB)等等。在UE端,此功能个体会将所收到的SIB解开,并将其所携带的讯息视需求送至RRC其他功能个体或是NAS的功能个体。



传呼与提示功能个体(PNG)


在UTRAN端,透过由此功能个体,可传送传呼讯息给尚未建立RRC连线的UE或是处于URA-PCH或CELL-PCH状态的UE,令其依传呼内容进行必要的程序,如建立RRC连线或是接收更新的系统讯息(SIB)等等。



指定控制功能个体(DCFE)


此功能个体负责针对某一特定UE的所有资讯交换功能。



传输模式个体 (TIME)


此功能个体负责处理来自不同RRC协定个体的资讯,决定他们需要使用哪一种RLC传输模式来做资料传输。



RRC协定的程序


在3GPP TS 25.331 RRC协定规格书中,共定义了多个RRC程序及数十道RRC message,以下将依功能将所有程序分成五大类:



RRC Connection Management Procedures


此类程序主要功能为建立或释放RRC连线,并尽量维持RRC连线的完整性。此外还包含了诸如系统讯息的广播、针对某特定UE发出传呼讯息、NAS资讯的传递、资讯安全的相关设定及UE能力的取得及更新等功能也都归属在此类程序当中来进行。



Radio Bearer Control Procedures


此类程序主要功能为建立、再组态及释放Radio Bearer。透过设定不同的传输格式、传输通道、实体通道及RB等等的参数来满足不同的传输需求。



RRC Connection Mobility Procedures


由于UE的位置随时会改变,因此在连线状态下,为了确保连线不被中断及保持良好的连线品质,诸如Cell Update、Active Update、Hard Handover、Inter-RAT Handover等等的程序被设计来满足这样的需求,除了上面举出的几个程序外,还有好几个程序也被归在此类功能范围内。



Measurement Procedures


为维持良好的连线品质,UE必须做一些量测并回报给UTRAN端作为调整无线通道参数的依据,此类的程序包含了:Measurement Control、Measurement Report及Assistance Data Deliver。



Other Procedures


为了使无线资源运用更有效率,避免不同UE之间的相互干扰,RRC会执行Power Control程序。其他还有PRACH Selection、S-CCPCH Selection、PLMN Type Selection等等程序,分别支援不同的功能。



HNB的RRC和3G的RRC大同小异,除了Handover及PLMN认定方面因还没有完全定案,故无法确定相关程序是否支援之外,其他属于3G的RRC功能在HNB上大致上都有实现。当然,因为HNB的环境和Macro不尽相同,故在许多的做法上也会和Macro略有差异。



PDCP协定


在传统3G系统中,为了提高封包交换的传输效率,故增加了PDCP层的通讯协定,其主要功能为将传送的封包表头(如RTP、UDP或IP等表头)资料进行压缩/解压缩处理来降低传输的资料量,有效提升传输速率。此外,PDCP也提供了无漏失的SRNS Relocation服务(需在RLC-AM模式及in-sequence传送模式下才可执行),不过由于HNB关于Handover的一些细节目前仍未定案,因此HNB的PDCP目前仅支援封包表头压缩功能,SRNS Relocation的部份则需等待Handover的细节更近一步确认之后才能确定是否支援。



RLC协定


RLC的全名为Radio Link Control,在HNB中的RLC协定基本上和传统3G的RLC协定并无差异,其主要工作是将由上层传送过来的使用者资料(PDCP)或是控制信号(RRC),或是由下层(MAC)传送过来的资料,依据不同的传输品质需求,进行切割、传送、重传和重组处理之后,再分别送到指定的协定(RRC/PDCP/MAC)。除此之外,RLC也提供了诸如流量控制、封包次序重组、封包加解密、封包错误侦测等服务。



RLC提供以下三种封包处理方式,来满足不同传输品质的需求。



Transparent Mode (TM)


在传送端直接根据封包长度进行切割分封,不做其他处理。在接收端则是将接收到的正确封包直接往上层送,错误的则直接丢弃。此模式适用于对即时传输要求高的服务,如语音电话。



Unacknowledged Mode (UM)


传送端除了基本的切割分封之外,还会在每个封包前面加上适当的表头(header),使得接收端得以进行封包次序的检查与错误封包的丢弃。除此之外,也提供对传送资料的加解密功能以确保其安全性。此模式适用于对即时传输及封包次序都有需求的服务,如视讯电话。



Acknowledged Mode (AM)


除了UM所提供的切割分封与表头附加及加解密功能之外,接收端需要确认所有的封包都必须要正确的接收完成,并告知传送端才算完成资料的递送。若接收端发现封包遗失则必须通知传送端做重传的动作直到封包确定接收到为止。目的为确保资料正确的送达接收端。此模式适用于对资料正确性要求严苛的服务,如邮件、FTP等。



MAC协定


MAC的全名为Media Access Control,在HNB中的MAC协定和传统3G的MAC协定并无差异。 MAC的主要功能为提供传输资料在逻辑通道及传输通道之间的多工/解多工处理,在传送端,MAC将自RLC逻辑通道传送过来的封包加上一些表头之后,再经由适当的传输通道转送到FP。当处于接收端时则反之。下表列出MAC的基本功能与说明:



表一: MAC协定功能说明
























功能 说明
Mapping between logical channels and transport channels 在下传方向, MAC可经由RRC的设定,针对来自RLC不同逻辑通道的封包,选择适当的传输格式及适当的传输顺序,再经由所对应的传输通道传送至FP,以满足不同的QoS需求。上传方向则反之。
Identification of UEs on common transport channels 利用C-RNTI或是U-RNTI在公用传输通道上分辨不同UE的封包。
Traffic volume measurement RRC要求MAC量测各传输通道的资料流量,并在适当的时机回报。
Ciphering 当传输是在专属的传输通道进行且RLC的传输模式为TM时,MAC需为此传输通道上所承载的资料做加解密。


FTP协定


FP全名为Frame Protocol,原为传统3G网路中在RNC与RNC(Iur)或Node B(Iub)之间资料传输的关键角色。 FP将由MAC传来的资料转换成FP自有的格式,再转送到Node B送至UE或是其他RNC。



在HNB中,由于RNC与Node B结合成一体,不需使用原本的AAL2及AAL5来传输资料,且HNB和HNB之间的沟通方式也没有定案,因此目前在HNB中的FP不需要支援Iur介面或是与AAL2/AAL5之间的资料交换。另外,FP也支援Node Synchronization及Outer Loop Power Control等机制。



PBAP协定


NBA全名为Node B Application Part,其所提供的服务如下所列:



Radio link控管


Radio link资源的建立、增加、调校、以及释放。



基地台控管


Cell的相关参数设定以及对广播信号(broadcast information)进行排程。



共用通道控管


对RACH和FACH的无限资源进行控管。



量测和监控


控制并且回报实体层量测讯息,例如功率的量测。



错误控管


回报实体层提供的相关错误讯息。



结语


电信业者利用HNB此项技术,不但可以降低现有户外大型基地台的负荷、增加覆盖率、使得系统业者可以提供更佳品质的室内行动资料服务,进而增加用户对系统业者的满意度。也因为如此,消费者可进一步地改变使用习惯,多加利用多媒体或加值服务,为大众带来更多生活上的便利。



但是,HNB仍然面对许多技术上的挑战。首先,昂贵的价格会让一般人对这项新科技望之怯步,如何将Uu界面的Protocol Stack功能在软体与硬体上做适当地切割与整合,这将会对HNB制造成本以及系统效能有决定性的影响。其次,HNB存在频率干扰问题。不仅HNB会对基地台产生讯号覆盖上的死角,而HNB与HNB彼此之间也同样会产生干扰。在让频率有​​效使用而且不会降低系统容量前提下,如何避免频率干扰问题也是RRM模组设计上的一大挑战。当这些技术难题被克服时,HNB这新技术才有机会大放异彩。



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