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。》 |
|
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。》 |
|
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 |
|
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