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