Posted by Lawpig on 5月 30, 2017 | No comments
WCDMA/UMTS 第三代無線通訊系統 Core Network 架構介紹﹝1﹞
一，前言
從去年以來與第三代無線通訊系統有關的新聞，就不斷的在媒體上出現，各國政府紛紛選擇透過競標或是審議制來決定頻寬執照的發放。似乎就在這一瞬間，我們未來的生活將會與第三代無線通訊系統有著密不可分的關係。
從1888年德國物理學家赫茲以實驗證明電磁波存在之後，世界各地對於無線通訊的研究就一直不斷的在進行中，從短距離的實驗到日後動輒數百公里遠的無線電資料傳輸實驗，這領域技術不斷的在持續進展，我們知道無線通訊日後將會在人類生活中扮演極為重要的角色。
與目前的手機系統GSM/GPRS比較起來，第三代無線通訊系統的出現，將會帶來更高的無線頻寬與更豐富的多媒體應用技術，在第三代無線通訊系統中使用者在靜止時可以提供2 Mbits/sec的頻寬，低速移動時可以提供384 Kbits/sec的頻寬，而在高速移動時則提供144 Kbits/sec的頻寬。以這樣的頻寬來說，不只足以滿足許多人對於語音傳遞的需求，甚至是各式各樣的網路服務，都有極大的淺力無時無刻出現在使用者手機中。
人類對於資訊與娛樂的需求，一直是無限渴望的，當有一天所有的手機都可以透過寬頻無線上網，隨時與網際網路連通時，我們所看到的世界將會是服務與資訊貼身，無形中與生活緊密的連結在一起。
第三代無線通訊所包含的層面相當的廣泛，其中包括所會用到的技術以及在商業化過程中所面臨的問題，如果以目前的架構來看，我們可以把整個系統概略分為以下五個部分
﹝1﹞核心網路﹝Core Network﹞
﹝2﹞GSM、GPRS無線通訊網路﹝GSM、GPRS Radio Access Network﹞
﹝3﹞WCDMA/UMTS 無線通訊網路﹝WCDMA/UMTS Radio Access Network﹞
﹝4﹞服務機制與安全﹝Service and Security﹞
﹝5﹞手持裝置﹝Terminal Equipment﹞
其中，核心網路﹝Core Network﹞所指的就是各系統業者用來連結各無線基地台與後端大眾電話網路﹝PSTN﹞或是其它資料網路的Intranet。透過Core Network系統業者可以讓手機用戶的語音資料，經由業者的Core Network網路傳遞到目前通訊的目的端。因此在Core Network的架構中，除了包含語音媒體資料的轉換外，還包括了紀錄使用者資訊與計費機制的系統。
筆者認為，了解一個無線行動通訊系統最好的方式就是由Core Network著手。因為如果一旦確實了解使用者的語音或是數據資料，是如何透過Core Network來轉送與處理的話，那整個系統的雛形將會很自然的在腦海中產生，進一步的再由無線通訊的協定與介面來著手，在這樣的學習過程中，可以在建立一個對系統大綱的輪廓後，再逐一的把各個細節探討完整，相信這將會是對初學無線行動通訊的讀者來說，最好的一個學習道路。
而GSM/GPRS與WCDMA/UMTS的無線通訊網路，所指的就是手機與基地台間的無線通訊介面與機制，這也是在認識無線行動通訊系統中相當重要的一環。無線頻寬的資源並不像有線頻寬資源一樣，只要透過光纖與基礎建設的建置就可以把頻寬一直向上提昇，而無線電頻寬資源在一個無線傳輸的範圍內是固定的，無法透過增加硬體設備的方式來增加無線頻寬。所以我們會發現每一個無線技術的突破，都是致力於在所屬的頻譜中透過壓縮演算法與編碼的方式，試圖讓頻寬的利用率與資料的傳輸量可以有所提昇。
這五大部分的內容，也就是目前3GPP主要分組討論的五個主題，筆者打算依據這些內容的不同，分別以Core Network與 Radio Network為主題，再後續的文章中為各位做進一步的介紹，希望可以讓更多人有機會了解第三代無線通訊技術的內容與觀念。
在真正開始文章的內容前，我們先把名詞的部分加以說明清楚。第三代行動通訊的技術稱為3G，而GPRS﹝General Packet Radio Service﹞稱為2.5G，至於現在在台灣擁有最多使用者的GSM﹝Global System for Mobile Communication﹞稱為2G，過去的類比式行動電話AMPS﹝Advance Mobile Phone System﹞則稱為1G。
二，淺談GSM、GPRS、WCDMA Core Netwok
目前數位式的無線行動通訊技術主要包括GSM﹝Global System for Mobile Communication﹞、CDMA﹝Code Division Multiple Access﹞與PDC﹝Personal Digital Cellular﹞。
其中GSM是歐洲所制定的規格，也是目前台灣使用人口最高的無線行動通訊系統，它在無線電的部分主要是採用FDMA + TDMA的跳頻分時多工技術。
而CDMA﹝Code Division Multiple Access﹞是由美國的Qualcomm公司所研發，並且IS-95採用CDMA作為無線電介面的標準，而IS-41則定義了cdmaOne與其他通訊系統節接的網路標準，而基於IS-95標準與符合CDMA規範的系統則稱為cdmaOne系統。CDMA也是目前3G系統所應用的通訊協定基礎，主要是透過分碼多工的連接方式，讓所有人可以在一個頻段上透過不同的碼來收送資料，並可確保資料的正確性。
PDC是由日本最大的電信公司NTT所自行研發的無線通訊規格，主要採用TDMA分時多工技術，也是目前日本所主要採用的行動通訊技術。
早期的無線通訊技術標準，主要的考量是在聲音的傳遞上，例如在台灣最多人使用的GSM行動通訊系統，它在設計之初主要的考量就是聲音傳遞的功能，也因此缺乏了對於封包數據資料的傳遞考量。雖然，在GSM之後推出的WAP﹝Wireless Application Protocol﹞能讓GSM的手機可以透過GSM數據播接的方式享用WAP網頁的服務，不過WAP在GSM上的傳輸速率為9.6Kbits/sec，這與我們一般使用的網路頻寬相比較之下，可以說是相當的不足與緩慢。
由於GSM對於傳送數據資料能力的不足，所以WAP的服務一直未能如系統業者所願在商業應用上有所發揮，因而使用人數一直無法成長。
而GSM在無線部分主要還是採用電路交換﹝Circuit-Switch﹞的技術 ，這個技術最主要的問題就是一旦使用者的電話播通之後，不論是否有通話，在這段期間基地台與手機間都會預留固定的通訊頻道，直到使用者把電話中斷。這樣的方式，與現在我們所使用的室內電話﹝PSTN﹞一樣，一旦我們建立了兩端通話連線，不論現在雙方是否有在說話，這段實際的電話連線其實是一直存在的，因此也就不斷的對使用者收取費用。透過Circuit-Switch方式最大的缺點就是保留的頻寬並未能被充分的利用，而浪費了這段頻寬資源。
如下圖﹝一﹞所示，這是一個GSM的網路架構概要圖
圖﹝一﹞，GSM系統架構圖
在GSM的網路中，手機我們通稱為MS﹝Mobile Station﹞，而基地台為BTS﹝Base Transceiving Station﹞，MS與BTS的無線通訊介面﹝Radio Interface﹞稱為Um。而基地台﹝BTS﹞與基地台控制器﹝BSC﹞則透過ISDN (Interated Servicer for Digital Network)網路連結，一個BSC可以連結多個BTS。
接下來就是GSM的核心網路﹝Core Network﹞部分，首先我們可以看到BSC與MSC所連結的A介面，這個介面同時傳送了SS7的Signaling與使用者通話的語音資料。如圖﹝一﹞所示，其中A、C、D、E、F、G介面都具備傳輸信號﹝Signaling﹞的能力，而在GSM核心網路中控制信號的傳遞主要是透過SS7﹝Signaling System #7﹞。而語音的資料，而可以透過T1或是E1的線路，例如一條T1可以切割出24個語音頻道，而一個E1可以切割出31個語音頻道。
同理，一個MSC可以連結多個BSC，在MSC收到使用者的語音資料後，會把它轉成PCM的格式再透過E介面﹝可為T1/E1線路﹞送到GMSC，然後再由GMSC轉送到大眾網路﹝PSTN﹞上。
如下圖﹝二﹞所示，筆者以兩個GSM PLMN網路與PSTN網路的為範例，來說明MSC與GMSC在整個通訊流程中的腳色
圖﹝二﹞，MSC與GMSC的功能
如圖﹝三﹞所示，如果User B與User E為同一個行動電話業者的用戶，假設該業者所規劃的GSM網路為 PLMN 2，當User B與User E進行網內互打時，User B的語音資料會透過User 所在Cell的BTS送到BSC，之後再到MSC，再由MSC轉到User E所屬的BSC，再透過User E所屬Cell的BTS把User B的通話資料送到User E。
圖﹝三﹞，同一業者的網內互打
如下圖﹝四﹞所示，如果User A與User E分屬於兩個不同行動電話業者的用戶，這兩個業者所屬的GSM網路分別為PLMN 1與PLMN 2。如果當User A與User E進行通話時，就必須透過兩個GSM網路的GMSC作為一個轉接的橋樑，才能讓兩個不同系統業者的用戶可以建立通話。
圖﹝四﹞，不同業者間的通話
同理如下圖﹝五﹞，如果我們要建立一般電話用戶﹝PSTN網路﹞User F與手機用戶User A的通話連線時。如下圖﹝五﹞所示，就會透過行動電話業者所屬的GMSC與PSTN網路連結，進而建立了User A與User F的通話。
圖﹝五﹞，由無線網路播到PSTN網路
在這所介紹的架構其實是相當簡要的，筆者打算在下一期的內容中再深入的討論每一個通話建立的過程與核心網路的詳細架構﹝例如:HLR、VLR的功能﹞，到時我們才會更詳細的把每個步驟一一的加以說明，在這所介紹的內容，主要是希望可以帶給各位一個對於行動無線通訊的概念。
在GSM網路中主要負責信號傳遞的協定為SS7﹝Signaling System 7﹞，它是一種Out-of-Band的通訊協定，所謂的Out-of-Band的意義就是說它是把訊號與使用者資料透過兩個不同的實體線路來傳送，如下圖﹝六﹞
圖﹝六﹞，Out-of-Band的SS7
透過Signaling Traffic傳遞SS7的控制信號資料，使得A與B兩端可以建立實際的資料傳輸連線﹝透過User Traffic﹞。
相信各位一定會好奇，既然有Out-of-Band的硬體通訊介面，那In-of-Band的通訊介面呢? 例如目前許多網路設備採用的ISDN﹝Interated Servicer for Digital Network﹞就是在同一條實體線路上區分2B+D的Channel，一個B Channel同提供64 Kbits/sec的頻寬，而D Channel則提供16 Kbit/sec的頻寬，所以說一個ISDN的線路最多可以提供2B+D=2*64+16=144 Kbit/sec的頻寬。因為這樣的架構，所以ISDN網路是在一條實體線路上虛擬出3個Logical Channel，雖然我們看上去是2B+D，B是拿來傳送使用者資料，D是用來傳送控制的信號，不過這樣的方式其實是把D Chnnael的頻寬預留起來，使得我們可以在同一個實體線路上同時傳輸資料與控制信號。
ISDN的In-of-Band架構如下圖﹝七﹞所示
圖﹝七﹞，In-of-Band的ISDN
隨著人們對於行動通訊的需求提高，為了能夠讓更豐富的資訊可以應用到無線行動網路的環境中，我們需要比GSM更好的數據通訊頻寬來滿足我們對於無線行動網路服務的需求。因而延伸出的技術就是GPRS﹝General Packet Radio Service﹞。
原本的GSM無線網路環境，在無線的部分主要使用了Circuit-Switch的概念，因而對於無線頻寬的資源以及通訊成本上造成了不少浪費。所以GPRS在GSM Phase 2+的標準中，採用了封包交換﹝Packet-Switch﹞的概念，多個用戶可以共同分享無線頻寬的資源，而屏除了過去GSM專屬無線頻道時槽﹝Time-Slot﹞只服務一位使用者的問題。在GPRS的架構下所有的手機只要一開機就連接上無線網路，只有在實際資料傳輸時才計算費用，在不傳輸資料時間，使用者並不會浪費電無線頻寬的資源。相對的，因為對於無線頻寬的利用率更好，所以使用者不但可以降低無線頻寬的使用費用，也可以促進使用者對無線網路服務的使用率。
每個用戶最多可以同時使用GSM 8個時槽﹝Time-Slot﹞。如果以GPRS目前支援的四種編碼方式﹝CS-1（9.05 Kbits/sec）、CS-2（13.4Kbits/sec）、CS-3（15.6Kbits/sec）及CS-4（21.4Kbits/sec）﹞提供的傳輸速率來說，8個時槽最大可以提供21.4K *8=171.2 Kbps/sec的頻寬，對於使用者上網來說算是相當夠用了。
由於GPRS修改了部分無線電介面的資料傳輸方式，所以說原本GSM系統業者升級到GPRS時，需要對基地台端的設備加以升級，並且使用GPRS功能的用戶必須要配備支援GPRS通訊協定的手機，以提供多個時槽﹝Time-Slot﹞同時收發的功能。如果希望仍舊可以使用GSM通訊系統的話，則可以選擇採用GPRS/GSM的雙模手機。
GPRS技術的出現並不是全面性的推翻GSM系統既有的架構，相對來說它選擇了在既有的GSM網路系統上延伸出來一個可以容納資料封包的網路架構，在核心網路Core Network部分加入了SGSN﹝Serving GPRS Support Node﹞與GGSN﹝Gateway GPRS Support Node﹞….網路元件。在通訊的介面部分共增加了Gb、Gn、Gp、Gi、Gs、Gf、Gr、Gc…等介面。主要的目的就是讓無線通訊端的網路封包可以順利的透過GPRS的Core Network繞送到它指定的目標網路中。
如下圖﹝八﹞所示，Gs、Gf、Gr、Gc都是走SS7﹝Signal System 7﹞的協定，而Gb介面則是透過Frame Rely來傳輸資料，Gn、Gp與Gi介面則是連接乙太網路介面或是ATM介面，這三個Interface所採用的協定為IP﹝Internet Protocol﹞。
圖﹝八﹞，GPRS系統架構圖
由圖中我們可以看到，GPRS的通訊網路使用了原本GSM網路所使用的基本配備，像是MSC、EIR、HLR與AUC這些原本GSM網路中的元件，在與GPRS網路配備通訊時並不需要再新增新的通訊介面，可以透過原本GSM網路中使用的SS7訊號通訊協定，來讓SGSN與GGSN可以與原本GSM的網路設備進行訊號資料的傳遞。
GPRS的出現，固然提供了更為充足的無線頻寬，不過對於使用者來說多媒體的應用以及大量資料的傳輸上，仍舊是有所不足，也因此下一代的無線通訊協定中，就必須針對更高的頻寬需求提出更理想的解決方案。
而3G 通訊協定目前主要包括了中國大陸的TD-SCDMA、美國的CDMA2000與日本和歐洲共同支持的WCDMA/UMTS。目前來說，較廣為一般業界所看好的技術為WCDMA/UMTS因為它是由目前使用人口最多的歐洲GSM業者所參予制定的規格，在保障過去GSM/GPRS系統業者的投資效益來說，具有相當高的相容性。
WCDMA﹝Wideband Code Division Multiple Access﹞是一種使用CDMA技術的無線行動通訊服務，WCDMA主要是由日本的NTT DoCoMo所開發，而核心網路Core Network的部分主要是以歐洲所定的GSM系統核心網路為基礎再加以延伸，以期許可以達到國際間漫遊的目的。而歐洲所提出的UTRA﹝UMTS Terrestrial Radio﹞由於與WCDMA的技術內容大致相容，所以歐洲的行動電信開發廠商，也傾向於採用WCDMA的技術。
CDMA2000則是以cdmaOne為技術基礎，再加以改良而成，主要是由美國所提出。CDMA2000的核心網路Core Network將會以cdmaOne所使用的IS-41標準為基礎再延伸出去，以使得CDMA2000可以與cdmaOne的核心網路相容，並達成通訊漫遊的目的。
TD-SCDMA是由中國大陸大唐電信與德國西門子所共同推出第三代無線行動通訊技術，TD-SCDMA在無線部分是透過TDD﹝Time-Division Duplex﹞的方式來傳輸資料。所以說，支援TD-SCDMA的手機與基地台設備彼此對於時間同步的掌握需要相當的精準，所以說每個TD-SCDMA的基地台所涵蓋的範圍將會受限，對於中國大陸整體普及應用上，我想還有相當的問題需要克服。不過如果以中國大陸目前人口總數來說，一旦決定全面採用TD-SCDMA技術的話，這將有可能成為全球最多人採用的單一無線通訊技術。電信產業攸關一個國家通訊機密與國防安全，各國政府無不試圖把通訊的技術掌握在自己手中，中國大陸將是日後發展無線通訊最大的單一市場，所以，我相信這將會是一場政治與商業利益的角力戰，再過不久答案就會揭曉。。
第一次看到WCDMA/UMTS 無線通訊部分的人，一定會好奇使用的名詞竟然變了這樣多，例如原本我們在GSM網路中所稱的基地台﹝BTS﹞，在WCDMA/UMTS架構下則稱為Node B。而原本過去的基地台控制器﹝BSC﹞在新的架構下則稱為RNC﹝Radio Network Controller﹞。它們不只是名稱上的不同，其實彼此所負責的工作也有所不同，例如過去的BTS/BSC本身並不負責無線頻寬資源的管理﹝RRM，Radio Resource Management﹞，這方面的工作主要是由MSC來統籌負責，不過MSC還肩負有在收到使用者語音資料時，把語音資料還原到PCM格式再透過E介面送到GMSC﹝Gateway MSC﹞，以便於經由GMSC連接到其他通訊網路中﹝例如:PSTN﹞ ，所以在過去的架構中MSC其實負責了相當多的系統運算。
不過在WCDMA/UMTS的架構下，MSC不再需要去處理這樣多的複雜運算，無線頻寬資源主要交由RNC來負責處理。這樣做的好處就是可以讓資源管理的工作平均的分布到各個節點上，所以原本的MSC就可以有更多的效能與更多的資源用來處理其他的工作，維持系統運作。
由於WCDMA目前還在制定當中，各個版本對於核心網路Core Network的架構均有所不同，目前主要有R99、R4與R5共三個版本。之所以會分為R99、R4與R5主要的原因在於3GPP在1999年制定了3G網路架構的第一個版本Release 99﹝3GPP R99﹞，原本的規劃是依年度來作為每一個階段版本的編號名稱，所以說下一個版本因該稱為3GPP R00，不過因為接收到許多來自各地對於3G網路的提案，以至於產生了許多不同的提議，所以把之後的版本規劃為3GPP R4與3GPP R5。因此，目前所稱的3GPP R99亦可稱為3GPP R3。
如下圖﹝九﹞所示，為3GPP R99的版本，在這個版本中核心網路Core Network的部分與原本的GPRS核心網路非常類似，沿襲了許多GSM/GPRS核心網路的架構，這樣做的好處就是可以讓原本GSM/GPRS的系統業者，再過渡到3G網路時，可以保有過去投資的成本與效益。所以說，在3GPP R99的版本中，對於原本經營GSM/GPRS的新3G系統經營者來說，是相當有吸引力的一個架構。
圖﹝九﹞，WCDMA/UMTS系統架構圖 R99
再3GPP R99的架構下，系統業者需要架設新的無線通訊基地台設備，以支援新一代的無線通訊標準，同樣的在各無線通訊設備與核心網路的連接上，也新增了IuCS與IuPS的介面。其中，IuCS主要用來傳遞電路交換﹝Circuit-Switch﹞的資料，而IuPS則用來傳遞封包交換﹝Packet-Switch﹞資料，IuCS與IuPS的介面採用了ATM網路，而Node B與RNC間的IuB介面同樣也是透過ATM來傳送Radio Layer的通訊協定。
在3GPP的規劃中，原本的GSM/GPRS手機依舊可以在WCDMA/UMTS的網路中使用，也就是說它們允許一個系統業者同時提供一個以上的無線電介面標準，以向後相容支援過去的手機系統。不過在核心網路的部分，則就是讓GSM/GPRS與WCDMA/UMTS共用這樣的核心網路架構。
筆者覺得，對於系統業者來說3GPP R99 的規格是比較有吸引力的，因為它保護了過去GSM/GPRS系統業者舊有的系統設備投資，而且具備提供新一代WCDMA/UMTS無線網路的能力。
3G時代真正來臨其實還有許多問題有待克服，不過我想這一切都已經在準備的路上了，台灣年底也要預備發放3G的執照，不論你是否了解與接受它，3G所帶來的無線寬頻夢想，將會激發所有人全新的感受。
三，未來展望與應用
3G核心網路Core Network的趨勢將會朝向全IP化的方向去發展，尤其在目前的3GPP R5的規格中，整個Core Network已經是以IP作為主要的通訊協定。在日後的發展上，如果所有的手機都可以透過IP位址定址的話，那樣以IPv4來說，IPv4位址長度只有32 bits，勢必無法容納全球手機使用人口都透過IP來定址。所以說，IPv6在解決這方面的問題時，將會有它舉足輕重的地位，IPv6位址長度為128 bits，足以提供相當充足的網路位址給手持裝置使用。
在解決了IP數量的問題後，Mobile IP也是一個重要的考量，日後所有的手機都可以有一個IPv6的網路位址，不過手機會在各個地方漫遊移動，所以需要一個移動式IP的規範來解決手機IP網路位址在各地漫遊的問題，而Mobile IPv6 即足以提供這樣的解決方案。
因此在這樣的架構下，我們可以想像許多新的服務，例如:網路電話﹝VoIP，Voice over IP﹞，或是多媒體視訊會議﹝Video Conference﹞都有機會普及到使用者的生活中。甚至現在的網路遊戲當紅，以後連線對戰的遊戲都可以移植到手機上，透過更佳的頻寬資源，讓所有人可以隨時上網大顯身手。
所以說囉，未來的無線寬頻生活是想像力無窮盡的世界，只要商業化的腳步持續的演進，我們一定會有機會看到許許多多的點子與創意在我們週遭發生，有更多的創業家與夢想家，會趁勢而起。
四，結語
台灣過去擁有相當好的科技發展，不過仍僅止於製造業的部分，不論是晶圓代工或是電腦產業，其實在更先進的研發領域上，我們可以做的事情還有很多，在學習無線通訊的過程中，我發現其實在海峽的對岸擁有許多我們所不及的技術實力，而這點正是台灣在日後發展上所需要面對的挑戰。
電信產業所牽涉到的問題，決不僅止於技術的層面，其他包括經濟、商業利益以及政治問題，都是影響一個新的電信服務能否順利商業化的問題。在3G的領域中國大陸推動由大唐電信與西門子所共同制定的TD-SCDMA，日本與歐洲推動了WCDMA/UMTS，美國則主導了CDMA2000。到底哪個通訊協定會在未來奪取最大的市場佔有優勢，就讓我們拭目以待。
下一回，筆者將繼續為各位介紹WCDMA/UMTS 核心網路的架構與運作流程，希望讓所有人都有機會了解這無線通訊領域的新紀元。
筆者僥倖有機會可以接觸到下一代的無線通訊領域，卻發現台灣在這部分的成就其實很有限，或許可以透過這樣的文章激起更多人投入這領域的發展，期待台灣可以在無線通訊領域中真正佔有一席之地，我們下期再見。
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