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Home NodeB介面技術規範探討《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,一群工程師在Motorola進行一項研究計畫,該計畫的主要成果之一,是一座全世界上最小的3G基地台;這個基地台的外形與家用的WiFi AP相似,卻提供了蜂巢式行動通訊系統的服務,可以說是Femtocell的雛形。Femtocell 這個字是由物理單位中的femto,再加上行動通訊系統中的cell而形成的一個組合字;其中femto在物理單位中的涵義是10的負15次方,在這邊意指cell的佈建數量可以達到非常多。


隨著Femtocell的概念日趨成熟,許多廠商自行提出了針對這個概念所設計的網路架構與介面,但彼此沒有統一的標準,這樣勢必會影響發展性、實際應用以及商品化的困難。因此,3GPP標準組織為了Femtocell日後的發展,進而制定了Femtocell相關的網路架構與介面標準,同時將Femtocell命名為Home NodeB(HNB),意指為家用基地站。HNB透過新制定的Iuh介面與電信網路中新增的Home NodeB Gateway(HNB-GW)連接,未來只要是遵循Iuh標準介面所設計出來的HNB,就可以輕易地與電信網路連接,讓室內的使用者享受到更多元化的3G行動通訊應用服務。


《圖一 4 個DC/DC uModule穩壓器系統均流,以在48A時調節1.5V電壓,每個元件高度僅2.8mm,佔用 15mm x 15mm電路板面積。每個uModule穩壓器僅重 1.7g,具有IC外形尺寸,在電路板組裝時,可以非常容易地用任何抓放式(pick-and-place)機器抓取和放置。》
《圖一 4 個DC/DC uModule穩壓器系統均流,以在48A時調節1.5V電壓,每個元件高度僅2.8mm,佔用 15mm x 15mm電路板面積。每個uModule穩壓器僅重 1.7g,具有IC外形尺寸,在電路板組裝時,可以非常容易地用任何抓放式(pick-and-place)機器抓取和放置。》

如圖一的HNB示意圖所示,HNB裝置一方面透過DSL或Cable連接到行動通訊網路中的HNB-GW,另一方面透過裝置本身的射頻收發設備,與用戶的行動裝置進行無線傳輸,這兩個要件整合成為一個類似於現有基地台子系統的環境,讓使用者在該環境中能擷取行動通訊的服務內容。使用者可以在HNB裝置所提供的訊號範圍內,擁有較好的收訊品質以及資料傳輸的頻寬保證。但在這邊必須說明,目前所制定的HNB與現有的基地台子系統,兩者所能提供的功能與硬體效能並非完全相同,目前的HNB算是精簡過後的基地台子系統,未來3GPP也會陸續將HNB的功能制訂地更加完整。


HNB的網路架構

圖二顯示了HNB存取網路中的各項功能個體。HNB與HNB-GW之間是多對一的對應關係,其中HNB-GW對核心網路而言就如同3G RNC的角色,而他們之間的介面也沿襲原本核心網路與RNC間的Iu介面。



《圖二 原理圖,簡單地並聯多個 DC/DC uModule穩壓器系統,以實現更高的輸出電流。電路板佈局就像複製和粘貼每個uModule穩壓器的佈局一樣容易,僅需要非常少的外部元件。》
《圖二 原理圖,簡單地並聯多個 DC/DC uModule穩壓器系統,以實現更高的輸出電流。電路板佈局就像複製和粘貼每個uModule穩壓器的佈局一樣容易,僅需要非常少的外部元件。》

HNB存取網路中所包含的功能個體,其功能分別說明如下:


HNB管理系統(HMS)


 遵循TR-069系列的標準


 協助HNB-GW的尋找(Discovery)


 提供組態相關的資料給HNB


 識別HNB的位置及指定適當的服務(Serving)元素,包含HMS、Security Gateway,及HNB-GW


Security Gateway(SeGW)


 建構TR-069以及Iuh介面的安全通道


 HNB的認證


 提供HMS及HNB-GW的存取


HNB Gateway(HNB-GW)


 利用現有的Iu介面與現存的核心網路連接


 提供註冊相關服務給HNB


HNB


 透過Uu介面與UE聯繫


 利用Iuh介面來提供RAN連線


 支援與RNC類似的協定功能


 經由Iuh來支援HNB註冊及UE註冊


HNB之Iuh介面技術規範

上章節介紹HNB共包含兩個介面協定,一個是與手機連通的無線Uu界面,一個是與HNB Gateway連通的Iuh介面。Iuh介面是為了發展HNB所新增的協定標準,裡面沿用了3G RNC部分的Iu介面協定,以及新制訂兩個技術規範:HNBAP及RUA協定。圖(三)即為HNB通訊協定架構圖:



《圖三 標記:綠色為時脈,紫色為uModule開關頻率,黃色是輸出漣波。12VIN、1.5VOUT,uModule開關頻率擴展為與時脈 90o 異相,由 LTC6909 振盪器同步,這降低了電壓漣波,因此降低了最大的電容電壓額定值。》 - BigPic:699x505
《圖三 標記:綠色為時脈,紫色為uModule開關頻率,黃色是輸出漣波。12VIN、1.5VOUT,uModule開關頻率擴展為與時脈 90o 異相,由 LTC6909 振盪器同步,這降低了電壓漣波,因此降低了最大的電容電壓額定值。》 - BigPic:699x505

其中Iuh介面規範可分成控制層與用戶層兩個部分,控制層包含RANAP、RUA、HNBAP、SCTP等協定,而用戶層則包含Iu-UP、GTP-U、RTP等協定。RANAP提供傳統的RNC UTRAN功能,HNBAP提供HNB所需要的註冊功能,RUA則取代原本RNC的SCCP傳輸協定,在HNB和HNB Gateway間提供傳送RANAP訊息的服務。本章節將針對Iuh控制層來作說明,分別介紹HNBAP、RANAP、RUA以及SCTP協定。


中標:HNBAP協定


HNB在每次開啟使用時,必須先經過網路認證機制的檢驗,認證成功後才是一個合法的HNB裝置;相同地,想透過HNB來擷取服務的使用者,在這裡的使用者通常指的是一組IMSI或是一組TMSI代碼,經過網路認證機制的檢驗,認證成功後方可透過合法的HNB來擷取行動通訊服務。之所以有這樣的設計,是因為HNB可以為用戶自行向系統業者租借或是購買的個人行為,透過該用戶個人的網路連接到該系統業者的核心網路;因此,並非該系統業者的所有合法用戶都有權利透過他人的HNB裝置來擷取服務,於是制訂出了HNBAP協定,用來確認HNB以及使用者的合法性。


HNBAP具有三個主要的功能,分別為HNB註冊功能、UE註冊功能以及錯誤回報等機制,表(一)即列出這三種主要功能;另外HNBAP的訊息傳遞是透過底層所建立的SCTP連線來與網路端連接。


表(一) HNBAP協定功能說明
功能
說明
HNB Registration 在HNB啟動時,由HNB送出註冊的要求,其中會夾帶HNB相關的資訊,由核心網路決定該HNB是否合法並回覆給 HNB中的HNBAP模組。
UE Registration 當UE欲透過HNB擷取服務時,必須先送出UE註冊的要求,由核心網路決定該UE是否合法並回覆給HNB中的HNBAP模組。
HNB De-Registration 這個流程是雙向並且不須回覆的,當HNB或是核心網路端收到這個訊息,就表示該HNB已經不合法或是沒在使用。
UE De-Registration 這個流程是雙向並且不須回覆的,當HNB或是核心網路端收到這個訊息,就表示該UE已經不合法或是沒在使用。
Error Indication 這個流程是雙向並請不須回覆的,當HNB或是核心網路收到這個訊息,就表示有錯誤發生,訊息內會告知對方該錯誤的診斷資料。

RANAP協定

RANAP負責執行HNB和核心網路之間的控制信令流程。其中HNB Gateway只負責RANAP訊息的轉送,並不會執行RANAP相關的程序,實際執行RANAP流程則是在HNB與核心網路中,相當於原本3G系統網路的Iu介面。除此之外,RANAP在原本3G網路中的Handover與SRNS Relocation流程扮演重要角色,但是在HNB系統中,由於網路架構的限制,目前尚無Handover與SRNS Relocation程序的相關規範。


RANAP提供的Service可分為四類:


一般控制流程

類流程主要功能在於控制HNB和核心網路之間所有Iu介面連線的instance,這類流程的訊息皆經由RUA提供的非連線導向模式傳送。


通知流程

這類流程主要功能在於通知特定手機或是特定範圍內的所有手機,這類流程的訊息皆經由RUA提供的非連線導向模式傳送。


專屬控制流程

這類流程主要功能在於控制特定手機,專屬於某一個Iu介面的instance。這類流程的訊息皆經由RUA提供的連線導向模式傳送。


MBMS控制流程

這類流程主要功能在於控制MBMS Session Bearer。這類流程的訊息皆經由RUA提供的連線導向模式傳送。


RANAP主要功能如下表所示:


(表二) RANAP協定功能說明
功能 說明
傳送手機和核心網路之間的NAS訊息 這項功能有兩類: 1.單向傳送手機的Initial NAS訊息給核心網路,同時建立一條Iuh連線。 2.在已建立的Iu連線上,雙向傳送手機和核心網路間的NAS訊息。
控制UTRAN的安全模式 這個功能用來傳送Cyphering Key和Integrity Key,並設定安全功能的運作方式。
發送手機的Common ID給HNB Common ID在目前的RANAP規格書裡指的是IMSI。HNB在收到Common ID後,可以用來偵測同一支手機是否有其他的Iu連線或RRC連線。
釋放Iu連線所有相關的資源 將一條Iu連線所佔用的資源全部釋放。
請求釋放Iu連線所有相關的資源 Iu連線的建立與釋放的決定全在於核心網路,HNB藉由這個功能向核心網路請求釋放Iu連線的相關資源。
Radio Access Bearer的管理 建立、修改或釋放Radio Access Bearer。
佇列待建立的Radio Access Bearer 將欲建立的Radio Access Bearer放到佇列裡,並通知核心網路端。
請求釋放Radio Access Bearer Radio Access Bearer的建立、修改或釋放是由核心網路決定的,HNB只能向核心網路請求釋放Radio Access Bearer。
控制Iu介面的負載狀況 藉由這個功能,可以調整HNB與核心網路間的負載狀況
重置Iu介面 當無法復原的錯誤發生時,可使用這項功能重置Iu介面。
呼叫(Page)特定手機 提供核心網路呼叫(page)特定手機的能力。
管理控制媒體廣播多重播放服務(Multimedia Broadcast Multicast Service) 提供MBMS註冊、反註冊與MBMS RAB建立、釋放。

RUA協定

在HNB的Iuh介面規範中,RUA為新增的協定模組,取代原本3G RNC的SCCP傳輸協定,負責HNB與HNB GW之間的控制信令傳輸服務,而RUA本身的訊息傳遞是透過底層所建立的SCTP連線來與網路端連接。RUA主要功能為提供連線導向以及非連線導向的傳輸服務給RANAP協定,並處理錯誤回報等機制。在這裡所提到的連線導向服務,是針對某個特定手機所使用的連線服務,此連線可對應到RANAP協定所使用的Iu連線;至於非連線導向服務,則不需事先建立連線,即可直些傳送訊息給對方,通常在對一群UE或整個介面作設定時才會用到。下表列出RUA的基本流程與說明:


(表三) RUA協定功能說明
功能 說明
Connect 此功能為單向流程,由HNB發起至HNB GW,主要目的為建立一條RUA連線,並承載第一道RANAP訊息至網路端。
Direct Transfer 此功能為雙向流程,目的為傳輸RANAP協定的連線導向訊息。
Disconnect 此功能為雙向流程,目的為關閉一條既有的RUA連線,另外也可依據上層協定的需求,來承載RANAP協定的連線導向訊息。
Connectionless Transfer 此功能為雙向流程,目的為傳輸RANAP協定的非連線導向訊息。
Error Indication 此功能為雙向流程,目的為通知對方發生錯誤以及相關原因。

SCTP協定

SCTP全名為Stream Control Transmission Protocol,其所提供的服務與UDP及TCP類似。SCTP將Client與Server之間的關係稱做為關聯(Association)。和TCP一樣,SCTP也提供給應用程式一些功能,如:可靠性、排序(Sequencing)、流量控制,及全雙工的資料傳輸。一條連線(Connection)僅能代表兩個IP位址之間的溝通,因此,為了避免不必要的誤解,SCTP採用關聯而不是連線這個詞,一條關聯代表兩個系統間的溝通,由於多址(Multihoming)的特性,一條關聯可能包含兩個以上的IP位址。


與TCP不同的是,SCTP是訊息導向(Message-oriented)的,它讓個別的紀錄可以有順序地傳輸。而與UDP相同的是,由發送端紀錄的資料長度也會傳給接受端的應用程式。在連線的端點之間,SCTP可以提供多個串流(Stream),分別有各自的訊息傳送順序,也就是說,在某個串流中遺失一則訊息不會影響其他串流裡的訊息傳遞,這樣的作法正好與TCP的相反,在TCP中,不論任何的時間點,若在某個串流中有訊息遺失,都會造成該連線無法再傳遞資料,直到接收端收到該遺失的訊息。


結語

自第三代無線通訊技術發展至今,許多衍生的應用服務也在全球市場上蓬勃發展起來,其中家用基地台(HNB)服務受到許多電信業者與廠商的關注與支持。對於電信業者來說,推動HNB可以抒解現有戶外基地台的負載容量,提供用戶更穩定的室內通訊服務品質, HNB更可以結合數位家庭的概念,延伸出多元化的附加應用商機。


對於欲投入HNB市場的廠商來說,在HNB發展初期,許多國際大廠個別發展推動自家所認同的技術規範,HNB與HNB GW之間也沒有統一的介面標準,導致HNB系統架構有各種形式的產品樣式,因此HNB廠商勢必要選擇特定的合作夥伴,方有機會切入家用基站服務市場。


隨著HNB技術發展漸趨成熟,3GPP標準組織制訂了HNB規範,也定義HNB與HNB GW之間的Iuh協定標準,這對於欲研發HNB技術的廠商來說,有了可依循的規範,並且大幅降低網路設備的相容性問題,倘若未來國際設備商釋出代工訂單時國內廠商也可望受惠,因此HNB產品的出現,對於國內網路設備商製造商而言,是切入行動通訊核心網路供應鏈的一個絕佳契機。


本文作者廖東儀、王建文、康世璋、吳坤霖皆任職於資策會網路多媒體研究所


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