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Home Node B介面技术规范探讨《IUu介面篇》
 

【作者: 廖東儀,王建文,康世璋,吳坤霖】2010年01月07日 星期四

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在2002年,一群工程师在Motorola进行一项研究计画,该计画的主要成果之一,是一座全世界上最小的3G基地台;这个基地台的外形与家用的WiFi AP相似,却提供了蜂巢式行动通讯系统的服务,可以说是Femtocell的雏形。 Femtocell 这个字是由物理单位中的femto,再加上行动通讯系统中的cell而形成的一个组合字;其中femto在物理单位中的涵义是10的负15次方,在这边意指cell的布建数量可以达到非常多。


随着Femtocell的概念日趋成熟,许多厂商自行提出了针对这个概念所设计的网路架构与介面,但彼此没有统一的标准,这样势必会影响发展性、实际应用以及商品化的困难。因此,3GPP标准组织为了Femtocell日后的发展,进而制定了Femtocell相关的网路架构与介面标准,同时将Femtocell命名为Home NodeB(HNB),意指为家用基地站。HNB透过新制定的Iuh介面与电信网路中新增的Home NodeB Gateway(HNB-GW)连接,未来只要是遵循Iuh标准介面所设计出来的HNB,就可以轻易地与电信网路连接,让室内的使用者享受到更多元化的3G行动通讯应用服务。


《图一 4 个DC/DC uModule稳压器系统均流,以在48A时调节1.5V电压,每个组件高度仅2.8mm,占用 15mm x 15mm电路板面积。每个uModule稳压器仅重 1.7g,具有IC外形尺寸,在电路板组装时,可以非常容易地用任何抓放式(pick-and-place)机器抓取和放置。》
《图一 4 个DC/DC uModule稳压器系统均流,以在48A时调节1.5V电压,每个组件高度仅2.8mm,占用 15mm x 15mm电路板面积。每个uModule稳压器仅重 1.7g,具有IC外形尺寸,在电路板组装时,可以非常容易地用任何抓放式(pick-and-place)机器抓取和放置。》

如图一的HNB示意图所示,HNB装置一方面透过DSL或Cable连接到行动通讯网路中的HNB-GW,另一方面透过装置本身的射频收发设备,与用户的行动装置进行无线传输,这两个要件整合成为一个类似于现有基地台子系统的环境,让使用者在该环境中能撷取行动通讯的服务内容。使用者可以在HNB装置所提供的讯号范围内,拥有较好的收讯品质以及资料传输的频宽保证。但在这边必须说明,目前所制定的HNB与现有的基地台子系统,两者所能提供的功能与硬体效能并非完全相同,目前的HNB算是精简过后的基地台子系统,未来3GPP也会陆续将HNB的功能制订地更加完整。


HNB的网路架构

图二显示了HNB存取网路中的各项功能个体。 HNB与HNB-GW之间是多对一的对应关系,其中HNB-GW对核心网路而言就如同3G RNC的角色,而他们之间的介面也沿袭原本核心网路与RNC间的Iu介面。



《图二 原理图,简单地并联多个 DC/DC uModule稳压器系统,以实现更高的输出电流。电路板布局就像复制和粘贴每个uModule稳压器的布局一样容易,仅需要非常少的外部组件。》
《图二 原理图,简单地并联多个 DC/DC uModule稳压器系统,以实现更高的输出电流。电路板布局就像复制和粘贴每个uModule稳压器的布局一样容易,仅需要非常少的外部组件。》

HNB存取网路中所包含的功能个体,其功能分别说明如下:


HNB管理系统(HMS)


 遵循TR-069系列的标准


 协助HNB-GW的寻找(Discovery)


 提供组态相关的资料给HNB


 识别HNB的位置及指定适当的服务(Serving)元素,包含HMS、Security Gateway,及HNB-GW


Security Gateway(SeGW)


 建构TR-069以及Iuh介面的安全通道


 HNB的认证


 提供HMS及HNB-GW的存取


HNB Gateway(HNB-GW)


 利用现有的Iu介面与现存的核心网路连接


 提供注册相关服务给HNB


HNB


 透过Ui介面与UE联系


 利用Iuh介面来提供RAN连线


 支援与RNC类似的协定功能


 经由Iuh来支援HNB注册及UE注册


HNB之Iuh介面技术规范

上章节介绍HNB共包含两个介面协定,一个是与手机连通的无线Uu界面,一个是与HNB Gateway连通的Iuh介面。 Iuh介面是为了发展HNB所新增的协定标准,里面沿用了3G RNC部分的Iu介面协定,以及新制订两个技术规范:HNBAP及RUA协定。图(三)即为HNB通讯协定架构图:



《图三 标记:绿色为频率,紫色为uModule开关频率,黄色是输出涟波。12VIN、1.5VOUT,uModule开关频率扩展为与频率 90o 异相,由 LTC6909 振荡器同步,这降低了电压涟波,因此降低了最大的电容电压额定值。》 - BigPic:699x505
《图三 标记:绿色为频率,紫色为uModule开关频率,黄色是输出涟波。12VIN、1.5VOUT,uModule开关频率扩展为与频率 90o 异相,由 LTC6909 振荡器同步,这降低了电压涟波,因此降低了最大的电容电压额定值。》 - BigPic:699x505

其中Iuh介面规范可分成控制层与用户层两个部分,控制层包含RANAP、RUA、HNBAP、SCTP等协定,而用户层则包含Iu-UP、GTP-U、RTP等协定。 RANAP提供传统的RNC UTRAN功能,HNBAP提供HNB所需要的注册功能,RUA则取代原本RNC的SCCP传输协定,在HNB和HNB Gateway间提供传送RANAP讯息的服务。本章节将针对Iuh控制层来作说明,分别介绍HNBAP、RANAP、RUA以及SCTP协定。


中标:PBAP协定


HNB在每次开启使用时,必须先经过网路认证机制的检验,认证成功后才是一个合法的HNB装置;相同地,想透过HNB来撷取服务的使用者,在这里的使用者通常指的是一组IMSI或是一组TMSI代码,经过网路认证机制的检验,认证成功后方可透过合法的HNB来撷取行动通讯服务。之所以有这样的设计,是因为HNB可以为用户自行向系统业者租借或是购买的个人行为,透过该用户个人的网路连接到该系统业者的核心网路;因此,并非该系统业者的所有合法用户都有权利透过他人的HNB装置来撷取服务,于是制订出了HNBAP协定,用来确认HNB以及使用者的合法性。


HNBAP具有三个主要的功能,分别为HNB注册功能、UE注册功能以及错误回报等机制,表(一)即列出这三种主要功能;另外HNBAP的讯息传递是透过底层所建立的SCTP连线来与网路端连接。


表(一) PBAP协定功能说明
功能
说明
HNB Registration 在HNB启动时,由HNB送出注册的要求,其中会夹带HNB相关的资讯,由核心网路决定该HNB是否合法并回覆给 HNB中的HNBAP模组。
UE Registration 当UE欲透过HNB撷取服务时,必须先送出UE注册的要求,由核心网路决定该UE是否合法并回覆给HNB中的HNBAP模组。
HNB De-Registration 这个流程是双向并且不须回覆的,当HNB或是核心网路端收到这个讯息,就表示该HNB已经不合法或是没在使用。
UE De-Registration 这个流程是双向并且不须回覆的,当HNB或是核心网路端收到这个讯息,就表示该UE已经不合法或是没在使用。
Error Indication 这个流程是双向并请不须回覆的,当HNB或是核心网路收到这个讯息,就表示有错误发生,讯息内会告知对方该错误的诊断资料。

RANAP协定

RANAP负责执行HNB和核心网路之间的控制信令流程。其中HNB Gateway只负责RANAP讯息的转送,并不会执行RANAP相关的程序,实际执行RANAP流程则是在HNB与核心网路中,相当于原本3G系统网路的Iu介面。除此之外,RANAP在原本3G网路中的Handover与SRNS Relocation流程扮演重要角色,但是在HNB系统中,由于网路架构的限制,目前尚无Handover与SRNS Relocation程序的相关规范。


RANAP提供的Service可分为四类:


一般控制流程

类流程主要功能在于控制HNB和核心网路之间所有Iu介面连线的instance,这类流程的讯息皆经由RUA提供的非连线导向模式传送。


通知流程

这类流程主要功能在于通知特定手机或是特定范围内的所有手机,这类流程的讯息皆经由RUA提供的非连线导向模式传送。


专属控制流程

这类流程主要功能在于控制特定手机,专属于某一个Iu介面的instance。这类流程的讯息皆经由RUA提供的连线导向模式传送。


MBMS控制流程

这类流程主要功能在于控制MBMS Session Bearer。这类流程的讯息皆经由RUA提供的连线导向模式传送。


RANAP主要功能如下表所示:


(表二) RANAP协定功能说明
功能 说明
传送手机和核心网路之间的NAS讯息 这项功能有两类: 1.单向传送手机的Initial NAS讯息给核心网路,同时建立一条Iuh连线。 2.在已建立的Iu连线上,双向传送手机和核心网路间的NAS讯息。
控制UTRAN的安全模式 这个功能用来传送Ciphering Key和Integrity Key,并设定安全功能的运作方式。
发送手机的Common ID给HNB Common ID在目前的RANAP规格书里指的是IMSI。 HNB在收到Common ID后,可以用来侦测同一支手机是否有其他的Iu连线或RRC连线。
释放Ip连线所有相关的资源 将一条Iu连线所占用的资源全部释放。
请求释放Iu连线所有相关的资源 Iu连线的建立与释放的决定全在于核心网路,HNB藉由这个功能向核心网路请求释放Iu连线的相关资源。
Radio Access Bearer的管理 建立、修改或释放Radio Access Bearer。
伫列待建立的Radio Access Bearer 将欲建立的Radio Access Bearer放到伫列里,并通知核心网路端。
请求释放Radio Access Bearer Radio Access Bearer的建立、修改或释放是由核心网路决定的,HNB只能向核心网路请求释放Radio Access Bearer。
控制Ui介面的负载状况 藉由这个功能,可以调整HNB与核心网路间的负载状况
重置Ui介面 当无法复原的错误发生时,可使用这项功能重置Iu介面。
呼叫(Page)特定手机 提供核心网路呼叫(page)特定手机的能力。
管理控制媒体广播多重播放服务(Multimedia Broadcast Multicast Service) 提供MBMS注册、反注册与MBMS RAB建立、释放。

RUA协定

在HNB的Iuh介面规范中,RUA为新增的协定模组,取代原本3G RNC的SCCP传输协定,负责HNB与HNB GW之间的控制信令传输服务,而RUA本身的讯息传递是透过底层所建立的SCTP连线来与网路端连接。 RUA主要功能为提供连线导向以及非连线导向的传输服务给RANAP协定,并处理错误回报等机制。在这里所提到的连线导向服务,是针对某个特定手机所使用的连线服务,此连线可对应到RANAP协定所使用的Iu连线;至于非连线导向服务,则不需事先建立连线,即可直些传送讯息给对方,通常在对一群UE或整个介面作设定时才会用到。下表列出RUA的基本流程与说明:


(表三) RUA协定功能说明
功能 说明
Connect 此功能为单向流程,由HNB发起至HNB GW,主要目的为建立一条RUA连线,并承载第一道RANAP讯息至网路端。
Direct Transfer 此功能为双向流程,目的为传输RANAP协定的连线导向讯息。
Disconnect 此功能为双向流程,目的为关闭一条既有的RUA连线,另外也可依据上层协定的需求,来承载RANAP协定的连线导向讯息。
Connectionless Transfer 此功能为双向流程,目的为传输RANAP协定的非连线导向讯息。
Error Indication 此功能为双向流程,目的为通知对方发生错误以及相关原因。

SCTP协定

SCTP全名为Stream Control Transmission Protocol,其所提供的服务与UDP及TCP类似。 SCTP将Client与Server之间的关系称做为关联(Association)。和TCP一样,SCTP也提供给应用程式一些功能,如:可靠性、排序(Sequencing)、流量控制,及全双工的资料传输。一条连线(Connection)仅能代表两个IP位址之间的沟通,因此,为了避免不必要的误解,SCTP采用关联而不是连线这个词,一条关联代表两个系统间的沟通,由于多址(Multihoming)的特性,一条关联可能包含两个以上的IP位址。


与TCP不同的是,SCTP是讯息导向(Message-oriented)的,它让个别的纪录可以有顺序地传输。而与UDP相同的是,由发送端纪录的资料长度也会传给接受端的应用程式。在连线的端点之间,SCTP可以提供多个串流(Stream),分别有各自的讯息传送顺序,也就是说,在某个串流中遗失一则讯息不会影响其他串流里的讯息传递,这样的作法正好与TCP的相反,在TCP中,不论任何的时间点,若在某个串流中有讯息遗失,都会造成该连线无法再传递资料,直到接收端收到该遗失的讯息。


结语

自第三代无线通讯技术发展至今,许多衍生的应用服务也在全球市场上蓬勃发展起来,其中家用基地台(HNB)服务受到许多电信业者与厂商的关注与支持。对于电信业者来说,推动HNB可以抒解现有户外基地台的负载容量,提供用户更稳定的室内通讯服务品质, HNB更可以结合数位家庭的概念,延伸出多元化的附加应用商机。


对于欲投入HNB市场的厂商来说,在HNB发展初期,许多国际大厂个别发展推动自家所认同的技术规范,HNB与HNB GW之间也没有统一的介面标准,导致HNB系统架构有各种形式的产品样式,因此HNB厂商势必要选择特定的合作伙伴,方有机会切入家用基站服务市场。


随着HNB技术发展渐趋成熟,3GPP标准组织制订了HNB规范,也定义HNB与HNB GW之间的Iuh协定标准,这对于欲研发HNB技术的厂商来说,有了可依循的规范,并且大幅降低网路设备的相容性问题,倘若未来国际设备商释出代工订单时国内厂商也可望受惠,因此HNB产品的出现,对于国内网路设备商制造商而言,是切入行动通讯核心网路供应链的一个绝佳契机。


本文作者廖东仪、王建文、康世璋、吴坤霖皆任职于资策会网路多媒体研究所


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