2007/10/23

網站啟事:筆者外出砍柴

Dear friends and reviewers in 3Guru News Group,

很抱歉,將近一個月沒有出刊了,請別擔心,此論壇並沒有停爐,只是八個月來柴火已用盡,筆者必須外出砍柴,所以暫時無法全時坐在爐邊專心寫作與思考。

這一個月奔走下來累積了很多實地勘查的經驗,見識各種林相與當地的林務人員對話(還有幸運遇見全球性的砍柴指引顧問,扮演讓筆者感激不盡的森林女神的角色),林木有些來自瑞典、有芬蘭進口的,這些外來森林不只高大氣派還非常優雅,令人神往;其中也有中國出產的,充滿神州牧民的驕傲與征服世界市場的野心,氣味頗辛辣,但我看好這種林木的未來;也有很多木材加工廠,神乎其技地將木材雕刻成各種樣式,可惜我既不會雕刻,也不懂得畫設計圖,目前為止,我只能鑑賞木質的好壞與雕刻成品的美感高低而已,軟硬都不行,很尷尬的能力。

無論如何,森林如此大,我想總是能在某處找到些柴火的,當柴火充足以後,筆者會再度回到爐前,將UMTS這本書寫完,請各位讀者勿擔心,這是興趣,亦是使命之一:知道真理的人有義務將知識傳遞出去。

Best regards,
070831

Justin Ma
~ a connoisseur of telecommunication arts ~
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2007/09/28

重回Um界面 (draft)








主題:Um界面
尺度:Um界面的範圍就是GSM/GPRS基地台的無線涵蓋範圍,近則2km,遠則不一定,與基地台發射功率以及附近的地形有關,實務上在空曠的地形有時可以遠傳15km以上。根據Timing Advance的參數限制,無論如何,GSM系統的小區無線涵蓋範圍最大只能到達34km,至於用在西伯利亞所使用的GSM400系統,小區則可以涵蓋超過100km。

不知何故,Um界面這個名稱不只使用於GSM與GPRS,美國規範CDMA的IS-95與1xRTT,甚至演進到1xEV-DO/EV-DV都依然使用這個界面名稱,但是本文只涉及GSM與GPRS的技術範疇。由於本書以UMTS技術為主,GSM與GPRS不打算佔用太多獨立的主題,因此本文對於Um界面的通道與堆疊也一併整理,篇幅較長一些。

圖一是Um界面的網路位置。這是一個介於手機與基地台之間的空中界面,由於沒有實體線路,手機不但會跨區跑來跑去,高速移動的時候通話還不可以斷掉,應用從早期的語音服務,進步到提供數據服務,所以整個GSM技術上最複雜的界面,就是Um界面。事實上,所有無線通信系統的空中界面都是技術精華所在,GSM如此、3G如此、WiMAX如此,即使未來的4G亦然,只要遇到無線,就充滿挑戰與樂趣。

圖一左邊是能夠接取GERAN網路手機的三種可能形式,MS代表傳統的GSM或是GPRS手機;IMS MS表示提供IMS功能的GPRS手機(當然前提是網路有IMS功能元件);UE則是WCDMA/GSM的雙模手機(dual mode)。GSM與GPRS的核心網路可以與UMTS共用,但要經過適當的軟硬體升級,以便提供新的協定支援與傳輸方式。

Um界面的GSM通信協定堆疊
接下來以OSI的參考模型來說明GSM在Um界面的堆疊,請參考圖二[Um界面通信協定堆疊圖(GSM)]。由下而上,可分成L1、L2、L3與應用層(稱為DTAP),其中L1為實體層(PHY)與實體通道(Physical Channels),GSM的實體通道沒有特殊名稱,所以沒有特別畫出。

L1使用FDD技術,將下行鏈路(指BTS發射到MS接收的方向,通常以DL表示)與上行鏈路(指MS發射到BTS接收的方向,通常以UL表示)用不同的頻帶來區隔,以GSM900(又稱為P-GSM)為例,下行鏈路935 ~ 960MHz,上行鏈路890 ~ 915MHz。除此之外,GSM還有很多不同的頻帶,例如E-GSM, R-GSM, GSM850, GSM1800, GSM1900甚至在北歐、東歐與俄羅斯地區使用的GSM400,都佔有不同的頻帶,其FDD相同的特徵是DL的頻率都高於UL的頻率(有人認為此設計可以節省MS的發射功率),而且DL的頻寬與UL頻寬相同。

[GSM Burst]
每個鏈路的頻帶上以FDMA的多工方式,將每200KHz當作一個頻道,以GSM900為例共分成124個頻道,每個頻道上再使用TDMA的多工技術,將4.615ms時間長度的frame等分成8個TS(Time Slot),每個MS依服務不同可一次使用一到多個TS,每個TS中僅放入一個burst,共有5種Burst,分別是:
- Access Burst(上行),當MS需要網路分配無線資源時,用來爭取以及承載RACH的burst。A-Burst形成的logical channel為RACH。

- Normal Burst(雙向),用來傳送用戶語音或數據資料(即User Traffic),以及除RACH以外的所有CCCH, 和ACCH中的控制信令。N-Burst形成的logical channel為TCH, PCH, AGCH, SDCCH, SACCH與FACCH。

- Frequency Correction Burst(下行),用來當作MS與BTS頻率同步時的參考指標,除此用途之外,還可以放置BTS的廣播信號。F-Burst形成的logical channel為FCCH與BCCH。F-Burst與S-Burst在相同頻率。

- Synchronization Burst(下行),用來當作MS與BTS時間同步的參考指標,除此用途之外,還攜帶小區中的RFN與BSIC資料。S-Burst形成的logical channel為SCH。S-Burst與F-Burst在相同頻率。

- Dummy Burst(下行),用來當作BCCH沒有傳送廣播資料時的樣本burst,所以D-Burst與F-Burst在相同頻率,用來確保MS可以時時進行下行通道的品質量測而無中斷之虞。沒有形成logical channel。

...圖二加入CBCH
...開始寫logical channel

關於GSM實體層的深入相關資料,請參考[9],[10],[11],[12]與[13]。

上推一層是L2:數據鏈路層,協定名稱為LAPDm,是修正版本的ISDN-D通道協定。在L2與L1之間是Logical Channel,GSM在Logical Channel劃分出兩群通道:Signaling Channel(又稱為Dm channel)與Traffic Channel(又稱為Bm channel,低速則稱為Lm channel),Signaling Channel又分為三類:BCH, CCCH與DCCH;而Traffic Channel只有一類:稱為TCH,只是有高低速之別。

接下來,如圖所示,BCH其實包含了三種,分別是BCCH、SCH與FCCH,由於....

參考文獻與延伸閱讀:
[1] ETSI TS 100 938 V8.2.1 (2002-05) Technical Specification Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Mobile Station - Base Stations System (MS - BSS) Interface Data Link (DL) Layer Specification (3GPP TS 04.06 version 8.2.1 Release 1999)

[2] ETSI TS 144 060 V4.1.0 (2001-04) Technical Specification Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); General Packet Radio Service (GPRS); Mobile Station (MS) - Base Station System (BSS) interface; Radio Link Control/ Medium Access Control (RLC/MAC) protocol (3GPP TS 44.060 version 4.1.0 Release 4)

[3] EN 301 349 V6.3.1 (1999-06) European Standard (Telecommunications series) Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); General Packet Radio Service (GPRS); Mobile Station (MS) - Base Station System (BSS) interface; Radio Link Control/ Medium Access Control (RLC/MAC) protocol (GSM 04.60 version 6.3.1 Release 1997)

[4] Jörg Erbespächer, Hans Jörg Vogel, Christian Bettstetter, GSM: Switching services and protocols, Wiley 2001.

[5] Gunnar Heine, GSM Networks: Protocols, Terminology and Implementation, Artech House, 1998.

[6] Yi-Bing Lin and Imrich Chlamtac. Wireless and Mobile Network Architectures. John Wiley, 2001.

[7]ETSI TS 101 350 V8.9.0 (2001-11) Technical Specification Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); General Packet Radio Service (GPRS); Overall description of the GPRS radio interface; Stage 2 (3GPP 03.64 version 8.9.0 Release 1999)

[8]OMA/Material from Affiliates/WAP Forum: http://www.openmobilealliance.org/tech/affiliates/wap/wapindex.html

[9] GSM 05.01;Physical layer on the radio path;General description

[10] GSM 05.02;Multiplexing and multiple access on the radio path.

[11] GSM 05.03;Channel coding; Specifies the channel coding and interleaving schemes for all radio channel types and modes of transmission.

[12] GSM 05.04;Modulation; Specifies the GMSK modulation used in GSM.

[13] GSM 05.05;Radio transmission and reception; Specifies the transmitter and receiver characteristics and their performances (transmission power and spectrum, phase accuracy, intermodulation, receiver sensitivity, etc.).

[14] 賴薇如等箸,個人通訊服務網路,維科圖書,2006年。

070721r3
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2007/08/07

3Guru News Group - 邀請新讀者

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[3] Wired Wireless Words: 這是一本通信字典
[4] Wired Wireless World學習筆記 : 這是一張包含有線的、無線的;天上的、地下的;類比的、數位的;過去的、未來的...一切與訊息交換有關的科技知識地圖
[5] Wired-and-Wireless Protocols Decoding: 儀器間的竊竊私語,在此一一解密

070627r2版本

2007/04/26

Uu界面(1.1版)








主題:Uu界面
尺度:Uu界面的範圍就是WCDMA基地台的無線涵蓋範圍,近則2km,遠則不一定,與基地台發射功率以及附近的地形有關,實務上在空曠的地形有時可以遠傳15km以上。

圖一 Uu界面的位置

Uu界面位於UE與NodeB之間的空中介面,以白話的說法,Uu是在手機天線與基地台天線間的無形界面。圖一可以看出此界面在UMTS網路地圖的位置。這個界面是我們手機用戶存在的空間,沒有實體的線路,完全靠無線電波的傳輸來完成通話、簡訊以及上網的服務,而且用戶本身是會到處移動的,可能在開車的路上、在山區活動、在高樓林立的市區商場中,也或許在地下室,而且今天在台灣使用的手機,關機後明天可能隨著用戶飛到了歐洲維也納會議現場...凡此種種因素,當手機開機以後,Uu界面隨即進入服務狀態來應付用戶所有的狀況,這些可能狀況都是手機與網路業者在Uu界面當初制訂規格與後來設計上的挑戰。

Uu界面素描

如果有一種儀器,可以突破加密的限制,在Uu界面進行監看(讀者請先放心,從GSM時代開始,這種儀器技術上還不可能存在,我們目前已知的手機監聽,是在機房的有線界面進行的,最常見的是利用SS7界面來偷聽),當手機開機以後就開始監看其中的電波往來,加以適當的ASN.1語法解碼,就可以看到如圖二所畫的協定堆疊圖。在這張推疊圖上,筆者避免將許多協定間的控制關係畫出,盡量讓整體看起來單純明亮,即使如此,還是加入許多無法避免的元素,例如將在RRC的上方的NAS堆疊畫出來,以及將3GPP R5 IMS會用到的SIP畫出,放在PDCP的上方。

對於不熟悉通信ISO OSI通信堆疊模型(protocol stack model)的讀者而言,這些堆疊可以想像成是一種特殊功能的語言,一個方塊代表一種語言,方塊間上下的關係是下者為上者提供服務,例如RRC為MM提供服務,而MM又為CC提供服務,以此類推,這些不同的語言由上而下,像俄羅斯娃娃一樣由小娃娃套在中娃娃裡面,中娃娃再套在較大的娃娃裡面,最後再全部塞入大娃娃的肚子中。這個大娃娃位於最底層的PHY,在此處邏輯上是一個大娃娃,但實際上會被切分成許多frame,利用無線電波將這些frame依序送出,經過空中界面,被基地台的天線接收,在基地台的對應PHY層重組成大娃娃,將內容物取出第一次,處裡後,剩下的較小娃娃透過有線的網路運送,到達適當的通信對像再將內藏的娃娃一一取出來對話,圖四畫出其相對應的通信階層。至於從網路到手機間的過程是一樣的,仍舉俄羅斯娃娃的模式說明,網路上散佈在不同網路單元位置上的娃娃被一路收集到基地台這個最大的娃娃肚子中,然後被切割成許多frame以電波的方式送到手機的天線,組合成大娃娃後,再將肚子中的小娃娃逐一取出對話。

說明:俄羅斯娃娃是一種組合玩具,通常由四五個外型相似但大小尺寸不同的空心娃娃組成,小娃娃可以被收藏到較大的娃娃中,如此反覆疊套,可將所有娃娃都進入大娃娃的肚子中。

對於每個堆疊的功能描述,請參考本書第四章:UMTS通信協定簡介。在此值得一提的是,NAS(Non Access Stratum)雖然在RRC的上端,但卻不是Uu界面的第四層,被稱為NAS的原因緣自於這是GSM/GPRS時代的遺留物,局部更新後在UMTS網路繼續使用,故與UTRAN沒有任何關係,3GPP特地用AS(Access Stratum)來描述新的包含PHY, MAC, RLC, BMC, PDCP, RRC等UTRAN特有的堆疊,而以NAS來代表舊有的堆疊以資區分。圖二與圖三是很具代表性的圖,從R99到R6都適用此圖。

圖二 Uu界面通信協定堆疊圖 (CS mode)

UE有三種操作模式:CS/PS mode, CS mode以及PS mode,一般的教科書或是3GPP的規格書,都將CS/PS mode視為理所當然,於是Uu界面的堆疊看到的其實只是CS/PS mode,而且還省略了CS mode的traffic沒提,這樣其實很容易引起誤會,在此決定將CS mode與PS mode以圖二、圖三分別畫出,讓讀者仔細看看其差異,至於CS/PS mode就是將圖二與圖三直接結合起來,無需改變任何架構,可能唯一的變化是,在CS/PS mode,原本CS mode的SMS不再需要,將集中使用PS mode的GSMS而已。

圖二左側RRC以上,綠色的堆疊包含CM(CC, SS, SMS)與MM是CS domain的控制信令,這些信令上行將穿透NodeB與RNC兩個元件,送到CS-core的MSC處理,反之下行亦然;右側RLC上方,通過U-Plane Radio Bearers收送的堆疊,都屬於CS domain的traffic,也就是用戶真正通信的內容物,其中AMR負責語音編解碼,用於語音通信,RLP/V.110是CS-data的數據服務控制堆疊,用於傳統的GSM數據服務,至於最右側的堆疊是以H.324M為名,用來提供有名的video call服務,可以一邊通話一邊看到對方的影像。H.324M使用ISDN的2B+D通道概念,video與audio各使用64kbps的固定頻寬,在CS domain的實際應用佔有重要的分量,儘管如此重要,由於不是Uu界面的必要堆疊,所以使用虛線來標示。

圖三 Uu界面通信協定堆疊圖 (PS mode)

圖三左側RRC以上,粉紅色的堆疊包含CM(SM, GSMS)與GMM是PS domain的控制信令,這些信令上行將穿透NodeB與RNC兩個元件,送到PS-core的SGSN處理,反之下行亦然;右側RLC上方,很明顯比CS mode多了BMC與PDCP,這兩個堆疊都是PS mode特有的協定。通過其上U-Plane Radio Bearers收送的堆疊,都屬於PS domain的traffic,也就是用戶真正通信的內容物,無論語音、數據、視訊等都是以IP為主的服務,這點比CS-data單純很多,其中IP下方PPP是為了讓ISP業者每次提供動態IP才設計的,並非強制性,故以虛線標示,由於IP位址資源珍貴,使用PPP方式以取得動態IP將是一個很好的選擇 [4]。至於更上方SDP/SIP是R5 IMS手機新增的堆疊,SIP在IMS的實際應用佔有重要的分量,由IMS的CSCF元件來處理。必須強調一點,在此IMS並非唯一IP上層的應用,其他應用如Internet, email等都可以類似堆置於TCP/UDP/IP之上。

欣賞UMTS架構之美

請再仔細回顧圖二與圖三,可以逐漸感覺到UMTS邏輯架構的美感,以垂直結構來看,下層L2/L1負責大部分與WCDMA通道建立與維護等相關的工作,屬於傳輸層(bearer),上層RRC用來管理下層,同時還兼具手機與CN間CM/MM的信差,從CN的角度來看,RRC也是一種bearer,上層的資訊對bearer而言是透明的;以水平結構來看,UMTS延續自ISDN時代以來的概念,將控制信令(ISDN的D Channel)與用戶訊務(ISDN的B Channel)分離,控制信令集中在Contril Plane,用戶訊務則集中在User Plane,無論CS或PS domain的堆疊,都遵循著這個方式來分工,而且最正點的是,讀者以後將發現,不只Uu如此架構,Iub, Iur與Iu界面都是在相同的美感標準下如此架構的。簡直像碎形幾何的自我複製體系,美極了!

所以如果您回顧3G歷史,發現當cdma2000 1xRTT的手機已經商用之際,UMTS的手機卻還在原型機的測試階段,當時連UTRAN的handover都還存在很大的問題,對UMTS的進度緩慢感到質疑的時候,何妨靜下來慢慢欣賞UMTS網路所規劃的一致性工藝美感,也許可以找到自己的解答。至少筆者深信,這樣的網路架構才是未來足以承載開發各種新奇應用、順利過渡到4G的好體質!

圖四 手機通信協定堆疊與其對應網路元件(不含HSPA)

在本書第二章畫出3GPP不同版本的UMTS網路地圖,在這些地圖上,我們看到一個手機其實是被一整個由不同功能的網路元件所組成的UMTS團隊各司其職所共同服務的,這個概念現在由圖三可以充分印證與說明。

我們還是使用俄羅斯娃娃做例子好了,筆者稱之為通信協定堆疊娃娃。 先看手機端圖四左手邊UE的部份,一個手機的所有通訊功能是由這些不同的堆疊合作完成的,這些堆疊由上而下,最後可以通通塞入PHY娃娃中,以電波的方式經由Uu界面送到基地台,在不考慮macro-diversity的正常情況下,基地台(NodeB)只負責處理PHY層相關議題,非相關的堆疊娃娃被取出後處理一下,以有線的方式經由Iub界面送到RNC,RNC將送來的MAC娃娃取出RLC, PDCP, BMC以及RRC娃娃之後,一口氣處理與這五種堆疊間的對話,然後將NAS娃娃繼續發送,屬於CS-NAS的堆疊娃娃經由IuCS界面送給MSC處理,屬於PS-NAS的堆疊娃娃則經由IuPS界面送給SGSN處理,最後我們看到SIP娃娃一直穿透整個PS核心網路,直到IMS網路的CSCF才出面處理。

所以一個具備IMS功能的手機其實至少被五個網路元件:NodeB, RNC, MSC, SGSN, CSCF所共同服務著,其它的網路元件則扮演輔助的角色,協助這些主要的網路元件來共同完成服務任務,但是以通信協定的角度來看,並不直接與手機對話,因為它們不負責處理手機的堆疊娃娃。

在圖四容易引起誤解的部份,可能是網路元件的界面,網路界面應該以第二章所繪製的為主,這裡所標示的界面是以手機堆疊娃娃進入網路元件的角度來看,例如Iub是MAC以上進入RNC的界面,IuCS是NAS娃娃進入MSC的界面...以此類推,Gm則是SIP娃娃進入CSCF的界面。

圖五 手機通信協定堆疊與其對應網路元件(含HSPA)

HSPA包含上傳(HSUPA)與下傳(HSDPA),各別在Uu界面新開了一些MAC層的Transport Channel來負責高速傳輸,因此推疊娃娃的分工有些改變。圖五與圖四的最大差異是,有了HSPA的功能之後,NodeB增加新的任務,要開始處理MAC層的業務,所以部分MAC娃娃會先在NodeB消化處理,其餘非HSPA的MAC娃娃仍然經由Iub送到RNC處理,也就是MAC娃娃本身又切割成兩部份,一部分在NodeB處理,另一部分由RNC處理。例如HSDPA的MAC-hs(hs表示high speed),以及HSUPA的MAC-e(e表示enhance),就是在UE與NodeB之間所新增的MAC功能。

技術上必須附加說明圖四與圖五是張概念圖,如前所述已經排除macro-diversity的情況,也簡化RNC的功能種類,不指明S-RNC或C-RNC,如果要指出S-RNC與C-RNC,則必須引入Iur界面,只會讓局面更加混亂,同時在MSC的部份,本主題也不使用MSC Server的名稱,還有圖中的CSCF其實是P-CSCF等等,以上種種簡化都是為了增加理解與閱讀上的透明度。想知道詳細內容可以閱讀參考文件,甚至連每種Transport Channel如DCH, RACH/FACH所個別對應到的情況都有說明。

Uu界面的相關議題

幾乎整個UMTS技術上最困難的部份,也是從GSM/GPRS改良進化而來的部份,都集中在Uu界面,甚至於市面上有整本書只談WCDMA技術的,就是在Uu界面細細數說PHY, MAC, RLC到RRC的詳細故事,由此可知Uu的技術密度。

這個界面包含了手機各種交遞(handover)程序、手機與基地台彼此的功率控制、各種diversity,無線通道多路徑衰等等的議題,甚至未來的MIMO, LTE也都在Uu界面發生主要改變。

關於測試的議題,例如UE的符合性測試:TS 34.121, TS34.123系列;NodeB的符合性測試:TS 25.141;UE的field test、網路的drive test、UE的性能測試、UE的EMC測試、UE的SAR測試;UE的IOT測試以及各種UE的應用測試,都是在Uu界面進行的測試,我們未來會各別討論這些議題。

Ref:
[1] Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Radio Interface Protocol Architecture, (3GPP TS 25.301 version 3.11.0 Release 1999); ETSI TS 125 301 V3.11.0 (2002-09)
[2] Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Radio Interface Protocol Architecture, (3GPP TS 25.301 version 6.4.0 Release 6); ETSI TS 125 301 V6.4.0 (2005-09)
[3] Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Mobile radio interface signalling layer 3; General aspects (3GPP TS 24.007 version 3.10.0 Release 1999); ETSI TS 124 007 V3.10.0 (2004-06)
[4] 呂純德,王宏庭,第三代行動通訊PPP應用協定整合,2005年NCS全國計算機會議,October, 2006.

070605r6版本
3GPP, UMTS,3GPP, UMTS,3GPP, UMTS,3GPP, UMTS

2007/04/20

加入Google Adsense聲明

感謝Google與Blogger免費提供給用戶郵件與網路的空間,讓人類可以使用自己的方式在數位的世界繼續擴大與深化知識的建構,看看目前免費的事,在5年前竟然需要自己買硬體架設伺服器、申請網址,用指令書寫一片片網頁才能完成一個勉強可觀的網站,這真是不可思議的改變!

話雖如此,要持續經營一個網站,除了熱情之外,還需要物質上的支援,為了續炊之故,作者不惜加入Google Adsense的廣告陣營,讓花花綠綠的商業訊息飄進我一筆一畫所孕形的世界中,希望不至於影響讀者的胃口。

在此聲明,Google Adsense所媒合的任何商業項目,與本網頁沒有任何關係,作者無需為此訊息負責,請讀者以平常心欣賞、盡情享受本網頁的所有廣告,但別問我任何與廣告相關的問題。

PS. 應該不會出現T and A ads吧?雖然我很歡迎且期待這類的廣告活動出現在電信展上(為何只有車展有比基尼女郎?這不合理! 想想看一個躺在浴缸中的女人拿著最新的手機與情人交談的景況,以後電信展都該放一個浴缸的。)

070420r1版本
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2007/03/25

UMTS R8網路地圖(1.0版)

(建構中)






3GPP, UMTS, WCDMA, 3GPP, UMTS, WCDMA, 3GPP, UMTS, WCDMA, 3GPP, UMTS

UMTS R7網路地圖(1.0版)

(建構中)

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UMTS R6網路地圖(1.0版)









Dear friends and reviewers in 3Guru News Group,

這是第6篇文章,整理3GPP/R6的網路地圖。

知道3GPP R6版本的規格在2004年12月就已經凍結的資料以後,深深感到慚愧,一直自許為3G技術觀察者,竟然在2007年才有機會靜下來好好瀏覽一次R6的架構,回想原因是台灣的網路建置大都還停留在R5初期,所以工作時期粗淺地認為只要了解到R5就夠了,殊不知這種受限於使用者經驗的狹隘知識體系是值得自我警惕的。

看完R6的架構之後,才發現這幾年來一直宣傳的3G各種應用(如精確定位、手機電視、即時訊息、上下行高頻寬、WLAN雙網合併...等等夢幻功能),其實在R6的平台上才可能完全實現,換句話說,如果UMTS的網路沒有到達R6,3G就不能發揮3G所承諾的未來,看來各營運商還有一段長路要走了。

R6發展時程:
- 2004年12月基本凍結了RAN WG1(無線層1)協議
- 2005年3月基本凍結了RAN WG2(無線層2和無線層3)協議、RAN WG3(Iub/Iur/Iu定義和UTRAN操作維護需求)協議
- 2005年6月基本凍結RAN WG4(無線性能及協定)

以下針對每張圖簡單說明其外觀:

UTRAN:
- 在Uu界面定義上行速率高達5.76 Mbps的HSUPA
說明1:R5的HSDPA +R6的HSUPA一起實現了Uu界面的HSPA
說明2:R5的HSDPA又稱為3.5G,R6的HSUPA又稱為3.75G,但筆者擔心未來R7的MIMO與R8的LTE又該如何稱呼呢?難道稱為3.875G與2.95G嗎?目前合宜的方式應該是將R5的HSDPA稱為3.5G,R6的HSUPA稱為3.6G,R7的MIMO稱為3.7G,R8的LTE稱為3.8G才恰當。

CN:
- PDF變成一個獨立的網路元件,以便能新增Gq界面,負責對多媒體業務的QoS要求進行策略判決[TS 23.207 ]。原本Go的界面還是保留。
說明:PDF之前的舊稱呼是PCF,許多廠商的poster還未及時更正,這點請讀者留意。
- 新增CRF網路元件,因此新增兩個新界面:Gx與Rx。
說明:The CRF acts as a controller for Flow Based Charging functionality. The CRF selects and provides the applicable charging rules to the GGSN.

GERAN沒有改變。

LCS:
- 同一個PLMN內的GMLC可以有許多個,因此在GMLC之間新增Lr界面。

CN+CAMEL:
- 這張圖重新排列,原因是R5以前的圖有一處錯誤,必須重新畫過。
- 在gsmSCF- gprsSSF間新增一個公開界面:Ge
- 新增GUP可以提供服務,因此與HLR間新增Rp與Rg界面。

IMS:
- 將Internet改成IP Multimedia Networks以資區別,雖然筆者還不清楚IP Multimedia Networks的精神,但似乎與Internet不盡相同。
- 由於PDF功能從P-CSCF獨立出來,因此界面從Go改成Gq。
- 將MBMS功能與IMS畫在一起,新增BM-SC網路元件,BM-SC與GGSN的新界面稱為Gmb。
- MBMS source是提供服務內容的網路元件,可以在PLMN內部或是外部。
說明:MBMS是R6的重頭戲,可以提供手機瀏覽互動電視節目的服務(非DVB-H方式),MBMS標準工作於2002年啟動,並預計在2005年9月凍結,實際網絡實施預計在2007年。2008年前3G網絡可以推廣MBMS業務。

AS這塊沒有改變。

UMAN是新增的圖:
- 終端設備假設是WLAN/WCDMA雙模UE。
- 無線界面稱為Ww,是以802.11進接UMTS的網路,此進接技術稱為UMA,在2005年正式納入成為3GPP的GAN
說明:目前市面上UMA這個稱呼還是比GAN來得響亮,我想部分原因是GAN名稱太一般性,沒有突顯其新特色,其次UMA比較會讓人想到是UMTS的相關新技術,GAN則會覺得是GSM同時代的產物。所以在此還是使用UMAN的名稱,因為筆者覺得比GAN來得出色。
- UMAN由AP與UNC構成,如同GERAN中的BTS與BSC,AP與UNC的界面是Up。
- 在GAN的定義中,核心網路建議仍然使用2G-MSC與2G-SGSN,但筆者認為不合理,當UMTS網路已經進展到R6的階段,沒有道理這時引入的新技術是只能與R99或以前的核心網路相容,這點筆者很難自圓其說,所以在此大膽將R6的核心網路與UMAN接在一起,這是目前筆者自創的畫法,請讀者引用時務必小心,筆者不希望誤導讀者以為是標準上的架構。
說明:UMAN使用核心網路筆者認為是很優雅的方案,這樣以往在GERAN的建置與網路管理經驗就可以重複套用在UMAN身上,而且一通由WLAN經由VoIP的MOC打到CS Core的語音MTC,可以在MSC節點直接交換,無須通透到IMS或Internet才繞路回頭CS Core給手機。可是目前主導IMS的3GPP似乎不樂見此架構的成熟,所以才有Interworking WLAN的架構(如下圖),但筆者還是期待UMAN的成熟,讓沒有升級到IMS的UMTS業者也可以達到與WLAN融合的目的。
- AAA是因為加入UMAN而新增的元件,UNC與AAA的界面是Wm,AAA與AAA間的界面是Wd。
- AAA與HSS的界面是Wx,與HLR的界面是D'/Gr'。

I-WLAN也是新增的圖:
- UE與UMAN部分與GAN一致。
- CN部分差異很大,有兩種進接方式,一種是UMAN直接到Internet(未經CN),UNC透過Wa界面與AAA相接。(這點與上圖的Wm界面位置相同,但是名稱不同);另一種是UMAN透過WAGPDG,使用IMS取得服務,因此新增了12個W系列的新界面與4個新網路元件。
說明:此架構是3GPP所建議的,進程分成六種scenario。[3GPP TS 23.234]

由於R7還在研擬中,局外人如筆者還無法在公開資料中一窺全貌,因此R7的網路地圖預計等進展明確之後再行整理。

此篇文章同步刊登於3Guru News Group網誌上。
070325r2版本
3GPP, UMTS, WCDMA, 3GPP, UMTS, WCDMA, 3GPP, UMTS, WCDMA, 3GPP, UMTS

2007/02/16

UMTS R5網路地圖(1.1.4版)










1.1.4版將CAMEL重新繪製,原因是以前的圖中gsmSRF的連線有誤,很抱歉直到R6的時候才發現,現在一併更正。
070409r1版本
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Dear friends and reviewers in 3Guru News Group,

此通知更新3GPP/R5的網路地圖成1.1.2版。主要更改LCS(Location Services)的部份:

1. LMU Type A的部份與R4網路地圖1.1.2版的更正相同。
2. 加入網路元件OSA SCS (Open Service Access Service Capability Server )與一個新界面:OSA API。
請各位讀者務必以此最新地圖取代的舊版本。
歡迎評論與建議
070313r1版本
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Dear friends in 3Guru News Group,

祝各位讀者開春如意!

這則通知更新3GPP/R5的網路地圖成1.1版。春節期間隨手翻書,才發現R5(1.0版)的地圖漏掉一個很重要的界面:Iur-g,特此更正。

根據TR43.930,Iur-g可以是BSC-BSC之間,亦可以是BSC-RNC間的界面,用作radio-resource-management相關訊息的轉發,但是使用Iur-g的時候A與Gb不能使用,必須使用IuCS與IuPS界面模式。另外,Iur-g與Iur最大的差別是Iur同時可以傳遞signalling與user data,但是Iur-g只能傳遞signalling而已。

新增加一張圖UMTS-GERAN來突顯當2G/3G並存時,Iur-g如何串接BSC與RNC。
請各位讀者務必以此最新地圖取代上次的舊版本。

歡迎評論與建議
070224版本
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Dear friends in 3Guru News Group,

先祝各位讀者金豬年行金運!

這是第5篇文章,整理3GPP/R5的網路地圖。

從R5開始,正式進入Justin以往工作經驗未涉及的新領域,推算也該是目前台灣UMTS的佈署階段吧,因此格外興奮。這次為了找尋IMS的相關資料,花了很多工夫,參考許多資料,綜合繪製出原創性的網路地圖,很高興能夠將此剛出爐的資料與各位讀者分享,這些地圖或許還有錯誤,但是已經做到自己當初的承諾之一:讓讀者只要查找一張地圖,就可以窺得全豹,不需要看很多書來重新拼湊每個界面與其對應關係。 在這段工作期間,很驚訝地感受到中國大陸技術論壇風氣的崛起,回想以往R99/R4時代(約2001年開始),在台灣Google中查找資料,前幾名都是Nokia, Ericsson, Agilent, Tektronix等大廠貢獻的免費技術文件,或是芬蘭、英、美與德國等工業科技大學的教材,現在則全然不同了,一個查詢結果,大陸技術論壇竟然已經可以排滿台灣Google前150的項目,而且內容從新聞層次、政策層次、技術層次甚至測試層次都涵蓋了,普遍充實詳盡,令人目不暇給,這股動能強勁的知識交流風潮,實在是靜態台灣的借鏡。

回到主題,與R99地圖類似的編排方式,以UTRAN, GERAN, UTRAN-LCS, GERAN-LCS與CN-CAMEL來分類,新增IMS與AS共有七張地圖。 為了突顯版本間的改變,從R5開始,將新增界面以藍色字體標示,新增網路元件以粗體標示,希望幫助讀者能更快看出差異性。(但全部新增的地圖不在此限) R5的最大改變有二,一是在Uu介面引入HSDPA技術(俗稱3.5G),第一階段目標是下載峰值速率達到14.4Mbps(目前台灣網路業者宣稱2006年底預計可達到3.6Mbps,可見得第一階段都還有一段路要走),另外的改變就是增加一個IMS網路。新增的IMS也有三個發展階段,分別對應到3GPP的R5, R6與R7之中,IMS R5版本的規格已於2002年9月完成,主要定義了IMS的核心架構、網路元件功能、界面和呼叫流程等內容。

UTRAN部分:CS Core沒有改變,所有改變都發生在PS Core。因為與IMS的介接,新增了Mb, Gp與Go等三個界面。

GERAN部分:因為新增IMS而可以在GPRS手機上面實現PoC的功能,因此我加入了IMS MS的手機,另外在A與Gb界面分別引進了IuCS與IuPS,但是我很懷疑真的有operator會將BSS昇級到這個地步嗎?

UTRAN R5-LCS部份:引進獨立的SMLC,因此新增Iupc界面。

GERAN R5-LCS部分:可由Gb傳送定位資料,並在A與Gb界面分別引進了IuCS與IuPS。

CN+CAMEL部分:新增R-SGW與其對應的Mh界面。

IMS部分:是Justin原創的圖,將許多資料融合成此一張圖,IMS的功能非常複雜,希望以後有機會為各位報告我的研究心得。此IMS即是UTRAN/GERAN中右下角區塊的詳細放大。其中Gm與Ut是非常抽象的存在,我一直無法想透這兩個界面的作用,如果有專家知道,請不吝告知好嗎?

AS部分:也是Justin原創的圖,此AS是網路業者真正提供手機多媒體服務用來賺錢的平台,AS又必須搭建在CN與IMS的平台之上,所以很難表現在同一張圖上,各位可以在IMS區塊的SLF下方發現一個AS,此圖就是那個小小AS的放大圖。

各位是否驚訝於UMTS網路的複雜度有些超乎想像呢?這個網路應該是目前人類智慧所能規劃出的最佳藍圖,已經將未來NGN與FMC都考慮進去了。個人以為,如果3G不能成功,那4G也不可能來臨,因為以人類的智慧而言,UMTS已經處於通訊工程金字塔的頂端了,4G只可能搭建在這個基礎上面來設計(在此泛指UMTS網路,並不是單指WCDMA技術),換句話說,3G目前所解決的問題會成為未來4G的基礎,3G所遭遇的困難,也將是4G的困難,目前常有人將WiMAX當成4G來談,個人認為值得深思,因為正如WCDMA只是UMTS在Uu界面上的技術而已,HSPA與WiMAX也都只是無線介接技術而已,他們都需要一個可以提供寬頻呼叫、多媒體內容、即時交換與QoS的網路來支持這個無線界面,因此即使WiMAX成熟了,也將只是4G的一個無線界面而已,未來4G的網路將有大部分依然使用目前UMTS所建立的各種平台上面,這是我的基本信仰,給各位參考看看,如果您有不同意見,歡迎提出指教。

附件是R5的知識地圖,是Justin整合目前資訊所繪出最完整的地圖,各位只要查此地圖即可不必翻閱spec或業者提供的poster,未來將會慢慢加入每個介面的堆疊,方便工程師查找或內部簡報使用(請勿公開使用)。由於版權問題,請原諒無法提供可以擷取畫面或PowerPoint版本,但是高品質列印沒有問題。 礙於有限的實際工作經驗,對於spec的詮釋難免出錯,懇請各位讀者發現有誤的部份不吝指證,讓這份地圖更為正確,以利後人正確通行。

歡迎批評與建議
070214版本
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UMTS R4網路地圖(1.1.3版)








1.1.3版將CAMEL重新繪製,原因是以前的圖中gsmSRF的連線有誤,很抱歉直到R6的時候才發現,現在一併更正。
070409r1版本
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此R4網路地圖1.1.2版主要更改LCS(Location Services)的部份:

1. 關於LMU Type A 筆者至今還是沒有具體概念(很抱歉),此附件只是參考TS 23.002V4.7.0的figure 2與figure 3將LMU Type A單獨畫出,沒有新意。

2. 網路上很多學者將UMTS的Stand-alone LMU與Associated LMU分別視同為GERAN的Type A LMU與Type B LMU,為了簡化名稱起見,也依循此方式來統一稱呼。
亦即
LMU Type A : = Stand-alone LMU
LMU Type B : = Associated LMU

3. 網路元件OSA SCS (Open Service Access Service Capability Server )筆者並沒有畫在R4的LCS的地圖上,準備在R5以後的網路地圖上放入,原因是R5-IMS的地圖上對OSA SCS才看得出較為完備的說明,以此推論在R4上面施行LCS不夠普遍。

請以此最新地圖取代舊版本。
歡迎評論與建議
070313r1版本
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Dear friends in 3Guru News Group,

這是第4篇文章,繪製R4版本的UMTS網路地圖。

與R99地圖類似的編排方式,以UTRAN, GERAN, UTRAN-LCS, GERAN-LCS與CN-CAMEL來分類,共有五張地圖。

UTRAN部分很明顯看出來,R4的MSC分裂成兩個網路單元:MSC Server + CS-MGW,將控制信號與使用者資料分開,請各位別誤會IuCS介面並沒有因此變成兩條線,實體上還是一條經過CS-MGW的線,只是分成兩個網路實體元件來分工處理,MSC Server負責原本MSC的主要控制功能,而CS-MGW則負責媒體資料的轉換。也因此增加了Mc, Nc與Nb這三個介面。

除此之外,CN其它部分的功能皆與R99無異。

值得注意的是LCS部分,由於Justin不清楚user traffic會不會經過L-介面,因此暫時都以實線來描繪,但是日後Justin必須設法澄清這一個疑問。

附件是R4的知識地圖,是Justin整合目前資訊所繪出最完整的地圖,各位只要查此地圖即可不必翻閱spec或業者提供的poster,未來將會慢慢加入每個介面的堆疊,方便工程師查找或內部簡報使用(請勿公開使用)。由於版權問題,請原諒無法提供可以擷取畫面或PowerPoint版本,但是高品質列印沒有問題。

礙於有限的實際工作經驗,對於spec的詮釋難免出錯,懇請各位讀者發現有誤的部份不吝指證,讓這份地圖更為正確,以利後人正確通行。

歡迎批評與建議
070216版本

2007/02/15

UMTS R99網路地圖(1.1.4版)





1.1.4版將CAMEL重新繪製,原因是以前的圖中gsmSRF的連線有誤,很抱歉直到R6的時候才發現,現在一併更正。
070409r1版本

Dear friends in 3Guru News Group,
祝各位讀者年初開工如意!
這則通知更新3GPP/R99的網路地圖成1.1.3版。

在繪製R6的網路地圖時,仔細看了一遍手機定位技術,這才注意到R99的法規ETSI TS 123 002 (V3.6.0)(2002-09) 在4a.3.3節已經說明:(
Type A LMU is not supported in UMTS release 1999.
奇怪的是隨後又將LMU Type A畫出來(Figure 3),這種情況我認為還是以文字描述為主,因此將圖UMTS R99-LCS的Type A LMU刪除。
(
另外一點,經過許多文件的交叉閱讀後,逐漸體會出Type A LMU 並不是一種存放在MS或UE中的軟硬體功能(最初還以為是類似於A-GPS功能的中性名稱),而是真實存在的一個獨立實體,功能與Type B LMU 相同,差別只不過Type A LMU 是由MS/UE的無線介面Um/Uu來與BTS/NodeB連線,而Type B LMU 卻是經由有線的Abis/Iub介面來與BTS/NodeB連線。
也就是如下簡圖:
(
Type A LMU <--Um/Uu--> BTS/NodeB
Type B LMU <-- Abis/Iub--> BTS/NodeB
(
因此將圖GERAN R99-LCS的MS(Type A LMU)改成獨立的Type A LMU。
(
誠實地說,對於LMU的實際存在與運作,我還是充滿疑問(尤其是Type A LMU),希望以後能有機會澄清。
(
請各位讀者務必以此最新地圖取代上次的舊版本。 歡迎評論與建議
070303版本
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Dear friends in 3Guru News Group,

首先祝各位讀者年終獎金大豐收!

這是第3篇文章,今天開始涉入技術議題,因為議題寫作的完成時間難以估計,以後將以不預定議題的自由方式發行,寫完的議題先刊出,希望各位讀者多多包涵這種閱讀的意外。

其實整個UMTS的關鍵技術,可以集中在一個簡單的問題上面:UMTS如何演進?
(副標題:人類如何從GSM, GPRS走向未來的4G?)

在我看來,這個答案如果要求完整與清晰,必須以一整本書來回答!

首先透視整個從R99 -> R4 -> R5 -> R6到R7的演化過程,思考為何如此演化?每個版本包含哪些網路原件與介面?每個介面上有哪些堆疊(protocol stacks)?設法說明這些堆疊分別與哪些功能或程序(procedure)相關?這些機制的原理是什麼?最後才能了解為什麼UMTS比GSM/GPRS高明。

當您攤開整個3GPP的知識地圖之後,會赫然發現UMTS涉及到的網路架構非常龐大,而我們所謂的WCDMA竟然只是其中一個Uu介面上的技術而已(雖然這個介面最複雜),充其量只是森林中的一顆巨樹,然而無論多麼巨大,獨木終難以成林,不深入了解UTRAN與CN的話,對UE的了解永遠只有一半而已,更何況想了解整個UMTS系統?

所以我將開始為各位繪製3GPP各版本的網路地圖,讓我們一步步走進UMTS迷霧森林的核心吧!

附件是R99的知識地圖,是Justin整合目前資訊所繪出最完整的地圖,各位只要查此地圖即可不必翻閱spec或業者提供的poster,未來將會慢慢加入每個介面的堆疊,方便工程師查找或內部簡報使用(請勿公開使用)。由於版權問題,請原諒無法提供可以擷取或PowerPoint版本,但是列印沒有問題。

礙於有限的實際工作經驗,對於spec的詮釋難免出錯,懇請各位讀者發現有誤的部份不吝指證,讓這份地圖更為正確,以利後人正確通行。

歡迎批評與建議
070206版本

Ericsson簡史

Dear friends in 3Guru News Group,

預祝各位讀者聖誕節快樂!

這是第2篇文章,今天同樣在行動通信的角度回顧Ericsson歷史。

看過Ericsson從1876年開始到2006年的發展史,不禁舉起大拇指讚嘆:真是了不起的企業,心中思量能夠在這樣的企業中工作,一定是件值得榮耀門楣的事情。尤其看到1906年Ericsson肯為患結核病的員工蓋療養院的資料,內心的感動久久不能平息,這樣照顧員工的企業,也會是尋求商業夥伴時的最佳人選。

與Nokia在數位時代才進入通信領域不同的是,Ericsson的歷史就是電話的歷史,或者更精確地說,是電話網路的歷史,而且也是白手起家(剛開始僅三人)到成為世界性帝國的最佳案例。Ericsson在全世界每個角落建立分公司,招攬各地一流的人才,利用全球分工、集體創作來成就其通信帝國的大業,這樣聰明的企業如何能衰敗呢?其源源不絕的活力來源是確保技術與品質永遠保持新鮮的最佳保證,難怪全世界有那麼多業者選擇使用Ericsson的網路系統,這是對Ericsson這個品牌根深蒂固的信任!

雖然Ericsson的手機設計在Sony的東方美感成功混血以前從未吸引過我,但是看到Ericsson在經營企業以及技術領域的專注深入與廣大,目前在手機市場雖然小輸幾年,實在還是Nokia最值得學習的勁敵與前輩。

如果以上的說明都無法吸引您,那麼當您知道打卡機的發明與機關槍的生產也都曾經是Ericsson的主業,這樣的企業是不是很有趣?

Ericsson簡史:http://3gstories.blogspot.com/2006/12/ericsson-brief-history-of-ericsson.html
(PS. 如果您無法順利開啟,請檢查您的瀏覽器URL最後是否多出一個+,這是bug,請除去此+即可順利開啟)

歡迎批評與建議
061220版本

Nokia簡史

Dear friends in 3Guru News Group,

科技來自於人性,研究科技也該從人文下手,這是最近的閱讀心得。

覺得Nokia的發展史,幾乎就是3G的發展史,Nokia是在數位時代才進入通信界,與Ericsson或Siemens這些從Bell申請到電話專利就開始投入通信設備的製造的老前輩而言,幾乎晚了一個世紀,以後起之秀而言,現在Nokia手機在市場大獲全勝的姿態,一定令這些公司非常吃味。

Nokia另一個值得學習之處是如何以專注與延伸(focus and leverage)的策略來擴展行動通信版圖,求得在世界變化中的領先地位,非常鼓勵台灣中小企業好好研究一下。

如果以上的說明都無法吸引您,那以Nokia在台灣佔有1/3的網路版圖來說,熟悉Nokia的發展史,至少和客戶哈啦時多一些話題吧!:)

Nokia簡史:http://3gstories.blogspot.com/2006/12/nokia-brief-history-of-nokia.html
(PS. 如果您無法順利開啟,請檢查您的瀏覽器URL最後是否多出一個+,這是bug,請除去此+即可順利開啟)
希望各位有空看看,並歡迎批評與建議

070202-5版本