1

Chapter 10

UMTS 簡介

Introduction to Universal Mobile

Telecommunications System

2

課程目標

3G行動通訊系統設計的目標，是希望提供用戶在任何時間、任何地點都能接取寬頻無線多媒體服務。因此更高速的接取頻寬、可變的資料傳輸速率，以及滿足各種多媒體服務的服務品質（Quality of Service，QoS），都是 3G 系統主要的設計目標。

本章針對由 GSM 系統演進的通用行動通訊系統（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）的網路架構、無線電接取網路與核心網路的基本功能進行簡介。

3

章節目錄

UMTS 概述

UMTS 無線電接取技術

無線電介面協定

無線電資源管理

分封交換領域數據服務

安全機制

總結

4

Section 10.1

UMTS 概述UMTS Overview

5

UMTS 的研究歷程

UMTS（Universal Mobile Telecommunications

System）

由 3GPP (the 3rd Generation Partner ship Project)

制定，詳細的規範請參見 3GPP 網站（http://www.3gpp.org）。

1988 1992 1995 1997 1998 1999

RACE I

Basic

studies

RACE II

ATDMA

CODIT

ACTS/FRAMES

FMA1: WTDMA

FMA2:WCDMA

ETSI

Concept

groups

ETSI Decision:

WCDMA for FDD

operation

3GPP

Release-3

或 Release-99

Release-4Release-5

Release-6

Release-7

6

UMTS 主要技術特點

高品質語音服務。

高速接取頻寬，理論上最高速率達 2Mbps。

支援多重服務品質（QoS）機制，可滿足語音和數據混合等即時和非即時性訊務的需求。

增強的安全機制，使用相互認證（mutual

authentication）及 128 位元加密機制。見10-6節

具備多重存取服務（multi-access service）功能，可同時講電話及使用上網服務。

具備 3G-324M 影像電話（video call 或 video

telephony）功能。

7

UMTS 空中介面

採用寬頻分碼多重存取（Wideband Code

Division Multiple Access，WCDMA）

UMTS包括分頻多工（FDD）和分時多工（TDD）兩種模式。

目前商用產品可提供的最大下載速率為384kbps，最大上傳速率為 128kbps。

無線電接取網路指定採用ATM做為傳送層承載網路，以滿足各種多媒體服務的需求。

8

QoS 分類

訊務類別

交談類（即時性交談類）

串流類（即時性串流類）

互動類（Interactive

互動類）

背景類（Best effort

背景類）

基本特性

必須確保封包在固定的時間範圍內到達。

訊務封包較小且對延遲敏感，但對資料傳送的正確性不苛求。

必須確保封包在固定的時間範圍內到達。

屬於請求/回應的（request/response

）訊務模型。

必須確保資料傳送的正確性。

沒有資料到達時間的限制。

必須確保資料傳送的正確性。

服務應用

語音服務、3G影像電話服務

串流視訊服務 網頁瀏覽、Java Game/ MP3

下載

電子郵件下載

9

圖 10-1 GSM/GPRS/UMTS 網路演進趨勢

2G/2.5G

GSM / GPRS

Bearer Services

- Voice

- CS Data (CSD)： 9.6 kbps

- PS Data (PSD)： 最高達 115 kbps

（＊採用 CS2 編碼 方式、取理論值）

主要技術- New coding scheme

- 加入 packet switched

core network

3G

UMTS Rel-3

Bearer Services

- Voice

- CSD：64 kbps

- PSD：最高達 2 Mbps

主要技術- UTRA FDD/TDD

（3.84 Mcps）- ATM-based UTRAN

- Alternative IP-based

signalling bearer

UMTS Rel-4

Bearer Services

- Voice

- CSD：64 kbps

- PSD：最高達 2 Mbps

主要技術- 加入 TD-SCDMA

（1.28 Mcps）- IP telephony

（加入 MSC server

和 Media Gateway）

UMTS Rel-5

Bearer Services

- Voice

- CSD：64 kbps

- PSD：最高達 14.4 Mbps

主要技術- ALL IP core network

- IP multimedia

subsystem

- IP RAN

- High Speed Downlink

Packet Access

（HSDPA）

ALL IP Network

10

第 10.1 節的說明

本章介紹的侷限於 Release-99 和 Release-4。

• Release-4 與 Release-99 的系統架構大同小異。

• Release-99 見 10.1.1 節。

• Release-4 見 10.1.2 節。

• 在第 10.1.2 節會說明 Release-4 與 Release-99 的區別。

Release-5 的 HSDPA 見第 11章。

Release-5 的 All-IP 網路見第 12 章。

Release-6 和 Release-7 在第 9 章。

11

GSM 與 UMTS 專有名詞的對照

GSM UMTS

Mobile Station (MS) User Equipment (UE)

Base Station Transceiver

(BST)

Node B

Base Station Controller

(BSC)

Radio Network

Controller (RNC)

Base Station Subsystem

(BSS)

Radio Network

Subsystem (RNS)

Subscriber Identity

Module (SIM)

Universal Subscriber

Identity Module (USIM)

12

Section 10.1.1

R99 行動通訊網路架構The Architecture of Mobile

Communication Network in R99

13

Release-99

即 Release-3

UMTS R99 的網路架構請參考圖10-2。主要分為四大部分：

• 用戶設備（User Equipment，UE）

• UMTS 陸地無線電接取網路（UMTS Terrestrial

Radio Access Network，UTRAN）

• 核心網路（Core Network，CN）

• 服務網路（service network）

各元件間的溝通介面。

14

圖 10-2 UMTS 系統架構圖

Node B

Node B

Node B

Node B

RNC

RNC

Iub

Iur

UTRAN

(UMTS Terrestrial RAN)

USIM

ME

UE

Cu

3G MSC/VLR

3G SGSN

GMSC

GGSN

HLR

PLMN,

PSTN, ISDN,...

Internet

Core Network

Uu Iu

Iu-PSGn Gi

GrGc

D D

System Architecture of 3GPP Release 99

Gs

Iu-PS

Iu-CS

Iu-CS

在 Rel99 中，radio

network和core network做了一個很清楚的區隔。

將原本GPRS SGSN中處理radio的工作(RMM, handoff)

拿到 RNC 來處理。

Iur 處理 soft

handoff

External

Network

15

用戶設備（User Equipment，UE）

UE 為用戶之行動終端設備，包括

• 行動設備（Mobile Equipment，ME）：負責無線電收發

• UMTS 用戶識別模組（UMTS Subscriber Identity

Module，USIM）

ME 與 USIM 之間使用 Cu 介面溝通。

UE 經由 Uu 空中介面與 UTRAN 通訊。

16

UTRAN (1/2)

提供 UE 接取核心網路服務的功能。

由無線電網路子系統（Radio Network

Subsystem，RNS）所組成。每個 RNS 包含

• 一部無線電網路控制器（Radio Network Controller，RNC）

• 許多基地台（Node B）。

Node B

Node B

RNC

Iub

RNS

IuCS

IuPS

Uu

17

UTRAN (2/2)

Node B 負責執行實體層的功能，包括展頻/解展頻、調變/解調變、編解碼、柔交遞（softer

handover）之訊務分流與合併，以及無線電資源管理功能的功率控制（power control）功能。

RNC主要負責無線電資源管理（Radio

Resource Management，RRM）及與核心網路介接的功能。RNC的無線電資源管理包括允諾控制（admission control）、交遞控制（handover control）、功率控制及負載控制（load control）等，將在10.4節中介紹。

18

UTRAM 的介面

RNC 透過 Iub 介面控制 Node B。

RNC 之間的介面則稱為Iur介面。

• 是特別為支援跨RNC間的軟交遞而設計的。

RNC 與核心網路間的介面通稱為 Iu 介面。

• 銜接 CS domain 之介面稱為 Iu-CS

• 銜接 PS domain 之介面稱為 Iu-PS。

R99 版本中 UTRAN 各設備間的傳輸採用 ATM，以提供較佳的傳輸效能和服務品質。

19

核心網路（Core Network，CN）

核心網路負責訊務交換以及介接 PSTN/ISDN

和 Internet 等外部網路。

依據處理的訊務類別，核心網路區分為

• 電路式交換領域（Circuit Switched domain，CS

domain）演進自 GSM 網路，負責語音訊務的處理。

• 分封交換領域（Packet Switched domain，PS

domain）。演進自 GPRS 網路，負責數據訊務的處理。

20

CS Domain

主要的網路元件包括 MSC/VLR、HLR 和GMSC 等。

R99 版本 CS domain 核心網路信令介面採用MAP。

SGSN 與 HLR 間的 Gr 介面及SGSN 與 MSC 間的 Gs 介面都是採用 MAP 協定。

GGSN 與 HLR 間的 Gc 介面亦採用 MAP 協定。

21

PS Domain

主要的網路元件包括 SGSN 和 GGSN 等。

SGSN 與 GGSN 間的 Gn 介面仍採用 GTP 協定來傳送信令及轉送 IP 封包。

• GTP（GPRS Tunneling Protocol）

UMTS 依存取點名稱（Access Point Name，APN）的不同，使用兩種不同的 IP 位址配發：

• 通透（transparent）模式由 GGSN 分發 IP 位址。

• 非通透（non-transparent）模式由 GGSN 協同外部伺服器來分發 IP 位址。例如透過企業內部的 DHCP 或 RADIUS 伺服器配發企業內部的 IP 位址給UE。

22

UMTS 的協定設計模型 (1/2)

為了控制和載送用戶的通訊服務，UMTS將協定模型區分為：

• 控制平面（Control plane，C-plane）負責控制信令的處理，如處理用戶發話的控制信令等。

圖10-3 為控制平面的協定模型。

圖10-5 為UMTS PS Domain 控制平面協定堆疊。

• 使用者平面（User plane，U-plane）負責用戶訊務的處理，例如封包切割、重組和轉送等功能。

圖10-4 為使用者平面的協定模型。

圖10-6 為UMTS PS Domain 使用者平面協定堆疊。

23

UMTS 的協定設計模型 (2/2)

各個平面再依據其協定組的性質從水平面切割成上下兩類協定：

• 非接取層級（Non-Access Stratum，NAS）負責手機與核心網路間的控制信令。

僅存在於控制平面，包含有 CM、MM、GMM 與 SM 等控制信令，簡稱為L3信令（Layer 3 signaling）。

• 接取層級（Access Stratum，AS）負責與無線電接取網路和ATM傳輸網路相關的協定。

Uu介面的無線電介面協定（radio interface protocol）。

Iu介面的AS層協定則負責UTRAN與核心網路間的信令介接工作。

24

圖 10-3 UMTS 控制平面協定模型

UTRANUE CN

Non-Access Stratum

Access stratum

CM、MM、GMM、SM

Radio

Interface

Protocols

Iu

Protocols

CM、MM、GMM、SM

Radio

Interface

Protocols

Iu

Protocols

Radio

（Uu）Iu

25

圖 10-5 UMTS PS Domain

控制平面協定堆疊

Relay

GMM / SM

/ SMS

RRC

RLC

MAC

L1

GMM / SM

/ SMS

RANAP

SCCP

SignallingBearer

ATM

L1

ATM

AAL5

MACSignalling

Bearer

RLC SCCP

RRC RANAP

AAL5

UE RNS 3G SGSNUu Iu-PS

26

UMTS 與 GPRS控制平面的比較

(a) Control plane for

UMTS Mobility

Management

因SGSN已不再負責radio, 因此分成RRC與RANAP分別確保UE與RNC, RNC與SGSN間

的可靠連結

(b) Control Plane for

GPRS Mobility

Management

以LLC確保MS與SGSN間的可靠連結

RLC

GMM

LLC

Lower

layer

protocols

BSSGP

Lower

layer

protocols

GMM

LLC

Lower

layer

protocols

Lower

layer

protocols

RLC BSSGP

Relay

MS

Um

SGSNBSSGb

RRC

GMM

RLC

Lower

layer

protocols

RANAP

AAL 5

ATM

GMM

SCCPRLC SCCP

AAL5

ATM

Lower

layer

protocols

RRC RANAP

Relay

MSUn

SGSNRNS IuPS

27

圖 10-4 UMTS 使用者平面協定模型

UTRANUE CN

Non-Access Stratum

Access stratum

Radio

Interface

Protocols

Iu

ProtocolsRadio

Interface

Protocols

Iu

Protocols

Radio

（Uu）Iu

不論是控制平面還是使用者平面，Uu介面的AS層均使用相同的無線電介面協定來處理用戶的無線電控制信令和使用者訊務。

28

圖 10-6 UMTS PS Domain

使用者平面協定堆疊

Relay

Application

E.g., IP、PPP

PDCP

RLC

L1 L1 ATM

AAL5

RLC UDP/IP

PDCP GTP-U

UE UTRAN 3G GGSNUu Gn

3G SGSN

MACMAC

Relay

ATM L1

L2

UDP/IP UDP/IP

GTP-U GTP-U

AAL5

E.g., IP、PPP

GTP-U

UDP/IP

L1

L2

GiIu-PS

29

UMTS 與 GPRS使用者平面的比較

(a) User plane for

UMTS

UTRAN改用IP over ATM,

因此上層可用GTP-U封裝上

層IP封包

UE與UTRAN間則用PDCP

封裝上層IP封包

(b) User Plane for GPRS

UE與SGSN間, 在LLC上用

SNDCP封裝上層IP封包

L1

RLC

PDCP

MAC

E.g., IP,

PPP

Application

L1

RLC

PDCP

MAC

ATM

UDP/IP

GTP-U

AAL5

Relay

L1

UDP/IP

L2

GTP-U

E.g., IP,

PPP

3G-SGSNUTRANMS

Iu-PSUu Gn Gi

3G-GGSN

ATM

UDP/IP

GTP-U

AAL5

L1

UDP/IP

GTP-U

L2

Relay

Relay

Network

Service

GTP-U

Application

IP

SNDCP

LLC

RLC

MAC

GSM RF

SNDCP

LLC

BSSGP

L1bis

RLC

MAC

GSM RF

BSSGP

L1bis

Relay

L2

L1

IP

L2

L1

IP

GTP-U

IP

Um Gb Gn GiMS BSS SGSN GGSN

Network

Service

UDPUDP

30

Section 10.1.2

Rel-4行動通訊網路架構The Architecture of Mobile

Communication Network in Rel-4

31

Release-4

進一步繼續增訂Rel-3尚未完成的功能。

• 例如增強 UTRAN 功能和 LCS 功能。

在 TDD 模式下新增 TD-SCDMA 無線電傳輸技術。

將 CS domain 核心網路的 IP 化。

32

Rel-4 的特點 (1/2)

Rel-4 與 Rel-5 的網路參考架構圖：圖10-7

Rel-4 引進載送層獨立（bearer independent）的觀念，即採用網際網路電話技術（IP telephony）將MSC的控制與訊務分離。

• MSC伺服器（Mobile Switching Center Server，MSC

Server）負責提供用戶話務控制，例如通話控制（call control）和行動管理等功能。

• 媒體閘道器（Media Gateway，MGW）接受MSC

Server 的控制來處理用戶訊務的交換。

GMSC 也被分成 GMSC 伺服器與 MGW。

33

Rel-4 的特點 (2/2)

新增 GERAN（GSM/EDGE RAN）規格，除增加 EDGE 技術外並於 BSS 新增 Iu 介面，如此便可介接 3G MSC。

在第 12 章 UMTS All-IP 網路中將詳細介紹圖10-7。

34

圖 10-7 Rel-4 及 Rel-5 網路參考架構圖

Application &

Service

Legacy mobile

signaling network

Multimedia IP

Networks

PSTN/Legacy/

External

Application &

Service

Alternative Access

Network

SMS-GMSC

SMS-IWMSC

SM-SC

SCP

HSS

EIR

HSS

TE MTBSS /

GERAN

TE MT UTRAN

R-SGW

CSCF

MRF

CSCF

MGCF T-SGW

MGW

R-SGW

SGSN GGSN

MGW

MSG server GMSC server T-SGW

Signaling

Signaling and Data Transfer Interface

Iu’= Iucs（RTP,AAL2）Iu”= Iu（RANAP）

R

R

Um

Uu

Iu

Iu”

Gb

Iu

Iu

Iu’

A

CAP

CAP

Mc

D C

Mh

Nc

Nb

Mc

Gi Mc

GiGi

Gi

MrMg

MmMw

MsMh

Cx

Gc

Gr

Gf

CAP

35

Section 10.2

UMTS 無線電接取技術UMTS Radio Access Technology

36

UMTS 的頻譜配置 (1/2)

依據信號多工方式，UMTS 分成 FDD 和 TDD

等兩種模式。

ITU-T 對 UMTS 頻譜配置的建議，如圖10-8。

• FDD 上行頻率為 1920-1980MHz，下行頻率為2110-2170MHz。

• 每一業者 FDD 模式頻率的最小配置頻寬為上/下行各 5MHz，且上/下行頻率間隔為 190MHz。

• TDD 頻段則為 1900-1920MHz 和 2010-2025MHz。

• 稱為 WCDMA 2100 頻段。

37

UMTS 的頻譜配置 (2/2)

各國實際配置的頻段略有差異。

北美地區國家可能的使用頻段為上行 1850-

1910MHz 及下行 1930-1990MHz 。

• 稱為 WCDMA 1900 頻段。

表 10-3 列出 UMTS FDD 和 TDD 模式實體層的主要參數特性。

38

圖 10-8 IMT2000 頻段配置的情況1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250

1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250

MSS

MSS

PCS

MSS

MSS

MSS

MSS

MSS

MSS

MSS

MSS

MSS

MSS

TDD

TDD

IMT 2000ITU

Taiwan

R.O.C.

Europe

China

Japan

USA

GSM

1800

GSM 1800

GSM

1800

UMTS

FDD-

uplink

DECT TDD

UMTS

FDD-

uplink

IMT 2000

PHS IMT 2000

IMT 2000

UMTS

FDD-

downlink

UMTS

FDD-

downlink

IMT 2000

IMT 2000

Reserve MSS：Mobile

Satellite ServicesA D B EF C A D B EF C

2010

1885

1805 1880

1920 1975 2010

2025

2025

2025WLL WLL

1980

1918

1895

1990 2160

2170

2110

2110

2170

2165

39

表10-3 UMTS FDD和TDD實體層的主要特性參數 (1/2)

參數 UTRA FDD UTRA TDD

多重存取 DS-CDMA TD-CDMA

多工方式 FDD TDD

基地台是否同步 非同步操作（Asynchronous operation）

通道頻寬 5MHz

傳輸信號速率 3.84 Mcps

時槽結構 15 slots/frame

無線電訊框長度 10 ms

調變方式上行：IQ/code multiplexing BPSK

下行：QPSKQPSK

展頻因子 4〜512 1、2、4、8、16

40

表10-3 UMTS FDD和TDD實體層的主要特性參數 (2/2)

參數 UTRA FDD UTRA TDD

實作多種傳輸速率方式之概念

spreading factor、multi-codespreading factor、multi-code、

multi-slot

偵測 Coherent，based on pilot symbol Coherent，based on midamble

功率控制 Fast closed loop（1500 Hz）上行：open loop（100或200Hz）下行：closed loop（800 Hz）

同頻率交遞 軟交遞（Soft handover） 硬交遞（Hard handover）

跨不同頻率交遞 硬交遞（Hard handover） 硬交遞（Hard handover）

通道配置不需DCA（Dynamic Channel

Allocation）通道需要DCA（Dynamic Channel

Allocation）通道

41

Section 10.3

無線電介面協定Radio Interface Protocol

42

無線電介面協定 (1/3)

無線電介面協定為 UMTS 空中介面的一部份，其主要功能為提供 UE 與 RNC 間無線電鏈結（radio link）的建立及管理。

無線電介面協定共區分成三層：

• 實體層（physical layer）

• 資料鏈結層（data link layer）

• 網路層（network layer）

43

無線電介面協定 (2/3)

資料鏈結層中的協定：

• 媒體存取控制（Media Access Control，MAC）

• 無線電鏈結控制（Radio Link Control，RLC）

• 廣播與群播控制（Broadcast and Multicast Control，BMC）

• 封包資料聚合協定（Packet Data Convergence

Protocol，PDCP）BMC 和 PDCP 僅參與使用者資料的處理工作。

44

無線電介面協定 (3/3)

網路層中的協定：

• 無線電資源控制（Radio Resource Control，RRC）協定。

• RRC 提供無線電資源的控制與管理，以及控制RLC，MAC，PDCP 和 BMC 等協定。

若以控制平面與使用者平面區分：

• 參與使用者平面的協定包括第二層的MAC、RLC、PDCP和BMC，沒有第三層的協定；

• 參與控制平面的協定包括第二層的MAC、RLC和第三層的RRC協定。

• 參考圖10-5、圖10-6

45

無線電介面協定的架構

L3

cont

rol

cont

rol

cont

rol

cont

rol

Logical

Channels

Transport

Channels

C-plane signalling U-plane information

PHY

L2/MAC

L1

RLC

DCNtGC

L2/RLC

MAC

RLC

RLCRLC

RLC

RLCRLC

RLC

Duplication avoidance

UuS boundary

BMCL2/BMC

control

PDCPPDCP L2/PDCP

DCNtGC

Radio

Bearers

RRC

RRC負責無線電資源管理, UE行動管理, 控制其他所有協定的運作

RLC

負責封包之切割與重組,

是否要重傳或加密MAC

選擇合適的傳輸通道與格式

廣播與群播之儲存,

排程與傳送接收

傳送IP封包, 表頭壓縮

46

Section 10.3.6

無線電資源控制Radio Resource Control，RRC

47

RRC 的功能

控制整個無線電介面協定組（實體層、MAC、RLC、PDCP和BMC）的運作。

• 建立、修改和釋放無線電鏈結、MAC 層的傳送通道格式、封包切割和重組、通道多工對應方式以及加密處理等，皆是由RRC下令進行控制。

無線電資源管理，參見10.4節。

UE 的行動管理（Mobility Management，MM），將在這一節說明。

48

PS Domain 行動管理 (1/2)

UMTS 除延用 GPRS 的路由區域（Routing Area，RA），進一步將 RA 細分為許多 URA（UTRAN Registration Area），以便更精準地追蹤UE的位置。

LA

RA

RAURA

URAURA

URAURA

URAURA

RA

URA

cell

cellcell

cell

cell (for CS/PS domain)

URA: UTRAN RA (for PS domain)

RA: register area (for PS domain)

LA: location area (for CS domain)big

small

49

PS Domain 行動管理 (2/2)

依據 UE 分配到的無線電資源多寡，UTRAN

對於 UE 位置追蹤分成 cell 與 URA 兩個層次，

以便更精準地控制無線電資源的配置。MSC/VLR SGSN UTRAN

GSM GPR

S

UMT

S

GPR

S

UMT

S

UMTS

Cell no no no yes no yes

URA - - no - no yes

RA - no no yes yes no

LA yes yes yes no no no

50

圖 10-15 GSM/GPRS/UMTS

無線電資源狀態切換圖

Establish RRCConnection

Release RRCConnection

UTRA RRC Connected Mode

UTRA: Inter-RAT

Handover

GSM:Handover

Establish RRCConnection

Release RRCConnection

URA_PCH CELL_PCHGSM

ConnectedMode

Establish RRConnection

Release RRConnection

Idle Mode

Camping on a UTRAN cell Camping on a GSM / GPRS cell

GPRS Packet Idle Mode

GPRS

Packet

Transfer

Mode

Initiation oftemporaryblock flow

Release oftemporaryblock flow

Cell reselection

CELL_DCH

out of service

in service

CELL_FACH

out of service

out of service

in service

service in

51

無線電資源使用的狀態 (1/2)

圖 10-15 GSM/GPRS/UMTS 的無線電資源狀態切換圖說明 UE 使用無線電資源的各種情況。

GSM 與 GPRS 都是將無線電資源使用的狀況分成未使用與使用中兩個模式。

• 當 UE 使用 GSM 系統建立起無線電資源連結（Radio Resource connection，RR connection）後，就會從未使用無線電資源的閒置模式（idle mode）（或稱待機模式）進入GSM連結模式（GSM

connected mode）。

• 若 UE 使用 GPRS 服務，啟始無線電區塊（radio

block）傳送封包的動作，便進入GPRS封包傳送模式（GPRS packet transfer mode）。

52

連結模式

當 UE 與 UTRAN 建立所謂的 RRC 連結（RRC

connection），開始使用行動網路服務後，便進入無線電資源連結模式（UTRA RRC

connected mode）。

• 依據所分配到無線電資源的多寡，連結模式分成CELL_DCH、CELL_FACH、CELL_PCH 和URA_PCH 等四個狀態。

• CS domain 的服務只用到 CELL_DCH 狀態。

• 依據 UE 實際的資料送收情況來配置最適當的無線電通道，可降低系統信令負載及 UE 電池消耗外，也可提升無線電資源的使用效率。

53

連結模式 - CELL_DCH 狀態

表示 UE 正使用 DCH 通道來進行語音通話（CS domain），或者進行大量封包數據資料的送收（PS domain）。

• 由於 DCH 使用較多的無線電資源，因此當持續一段時間無資料送收，UTRAN 將會暫時收回 DCH 並要求 UE 轉換至使用 FACH 或 PCH 等無線電資源消耗較少的共用通道，因此就會進入 CELL_FACH

或 CELL_PCH 狀態。稍後如有較大量的資料送收時，再予恢復至DCH通道，回到CELL_DCH狀態。

• 在此狀態下，當 UE 跨細胞移動時，需要執行跨細胞的註冊程序。

54

連結模式 - CELL_FACH 狀態

UE 只能使用 FACH 和 RACH 來進行 PS 數據服務的資料送收。

• FACH 和 RACH 通道除了用來載送控制信令外，亦可載送少量的使用者數據資料。

如果 UE 處於 CELL_FACH 狀態且又持續一段時間無資料送收後，UTRAN 將會命令 UE 切換至無線電資源消耗更少的 PCH 通道（進入CELL_PCH狀態）。

當 UE 跨細胞移動時，要執行跨細胞的註冊程序。

55

連結模式 – CELL_PCH 狀態

UE僅可接收 PCH 通道的傳呼信令而無法進行資料送收。

但是如果 UE 跨細胞移動時，仍需執行細胞註冊程序。

倘若 UE 在 Cell_PCH 狀態下且又經一段長時間無資料收發，但卻經常執行細胞註冊的程序，UTRAN 可將 UE 再切換至 URA_PCH 狀態，以便更有效地節省UTRAN的信令負載。

56

連結模式 – URA_PCH 狀態

在此狀態下 UE 僅可接收 PCH 通道的傳呼信令而無法進行資料送收。

UE 只需在跨 URA 間移動時才需執行所謂URA

註冊程序，可有效地節省信令負載。

57

Section 10.5

分封交換領域數據服務Data Service in Packet Switched

Domain

58

UMTS GMM

UMTS PS domain 行動管理（又稱GPRS

Mobility Management，GMM）的目的在管理與追蹤UE目前的位置，以利傳送服務給用戶。

• 延用 GPRS 中 RA 的概念，由 SGSN 追蹤 UE 所在的 RA。

• SGSN 會將用戶的行動管理資料儲存成行動管理紀錄（MM context）。

• 建立連線時，則建立相對應的 PDP context，記錄資料傳送的相關資訊。

• 每位用戶只會有一份MM context，但可以有許多份PDP context。

59

GMM 中主要的程序 (1/2)

UMTS PS domain的GMM的主要程序包括

• PS domain之連網服務程序（PS attach procedures）

• 取消連網服務程序（PS GPRS detach procedures）當執行此程序後，用戶便無法再使用PS服務。

• 手機位置管理程序（location management procedure）

• 服務請求程序（service request procedure）提供用戶向網路提出建立服務連線的申請。

例如，手機回應收到網路傳呼，或者手機擬傳送資料等情況都會使用到此程序。

為 UMTS 新增的程序。

60

GMM 中主要的程序 (2/2)

• 跨UMTS與GPRS系統程序（UMTS-GPRS

intersystem-change procedure）提供 GSM/GPRS/UMTS 雙模手機在 GPRS 與 UMTS 網路間跨系統移動的程序，讓 IP 連線不會中斷。

• 安全程序（security procedure）執行認證（authentication）、用戶身分保密（如使用 P-

TMSI reallocation 和 P-TMSI signature 等方式）和加密（ciphering）。

請參見10-6節的說明。

61

Section 10.5.1

分封交換領域行動管理Mobility Management in Packet

Switched Domain

62

PS Domain之連網服務程序

為 UE 在 PS domain 上的註冊程序。

用戶開機後，以及使用 PS 服務前都必須主動執行此程序。

• 讓 SGSN 得知手機所在位置資訊。

• 讓 SGSN 向 HLR 讀取用戶所申請的服務資料。

• 讓 SGSN 建立行動管理記錄（MM context）。

合併 PS/CS Attach 程序流程，代表同時對 PS

domain 與 CS domain 進行註冊。

63

圖 10-16 合併 PS/CS Attach 程序流程 (1/2)

6d. Insert Subscriber Data

6c. Cancel Location Ack

6b. Cancel Location

3. Identity Response

2. Identification Response

2. Identification Request

1. Attach Request

5. IMEI Check

3. Identity Request

4. Authentication

6a. Update Location

6f. Update Location Ack

6e. Insert Subscriber Data Ack

UE UTRAN New SGSN Old SGSN GGSN HLREIROld

MSC/VLR

New

MSC/VLR

向舊的 SGSN取得IMSI、 MM context

等UE資訊

如果在舊的 SGSN找不到資料, 則要求UE提供IMSI。

進行認證

PS domain的location update

64

圖 10-16 合併 PS/CS Attach 程序流程 (2/2)

7d. Cancel Location Ack

7c. Cancel Location

7b. Update Location

7g. Update Location Ack

7e. Insert Subscriber Data

7f. Insert Subscriber Data Ack

7a. Location Update Request

7h. Location Update Accept

UE UTRAN New SGSN Old SGSN GGSN HLREIROld

MSC/VLR

New

MSC/VLR

9. Attach Complete

8. Attach Accept

10. TMSI Reallocation Complete

CS domain的location update

通知UE attach成功

回覆VLR已修改TMSI

當UE完成 GPRS Attach註冊程序後，便可開始建立 PS domain 數據服務連線，啟動 PDP context Activation Procedure 來建立IP連線使用行動數據服務，

同時也開始執行PS domain的GMM行動管理程序。

65

手機位置管理程序 (1/2)

用戶手機向網路回報目前位置，以便執行用戶行動管理功能。

相關的位置管理程序包括：

• RA更新程序（RA update procedure）

• 同時跨越RA及LA邊界的合併RA與LA更新程序（Combined RA/LA update procedure）

RA update procedure 的執行時機可分為：

• 一般性（normal）

• 週期性（periodic）是指UE必須每隔一週期時間向SGSN回報位置。

66

手機位置管理程序 (2/2)

依據新舊 SGSN 是否變換，RA update

procedure 分為

• 同一SGSN的RA位置更新程序（intra-SGSN RA

update procedure）因 SGSN 已有建立 UE 的相關資料庫，因此其程序將不會牽涉到 GGSN 和 HLR。

週期性 RA update 程序即屬於此類。

• 跨SGSN的RA位置更新程序（inter-SGSN RA update

procedure）新的 SGSN 會向舊的 SGSN 請求該用戶的 MM context 和

PDP contexts。

暫存在 RNC 的用戶封包經由舊的 SGSN 轉送至新的SGSN。

67

圖 10-17 跨 SGSN 的 RA 位置更新程序 (1/2)

3. SGSN Context Response

4. Security Functions

2. SGSN Context Request

1. Routeing Area Update Request

UE Old SRNS GGSNOld

3G-SGSN

New

3G-SGSNHLR

New

MSC/VLR

Old

MSC/VLR

5. SGSN Context Ack

9. Update PDP Context Response

9. Update PDP Context Request

2a. SRNS Context Request

2a. SRNS Context Response

6. SRNS Data Forward Command

7. Forward Packets

8. Forward Packets

new SRNS

向舊的 SGSN取得IMSI、MM context

等UE資訊

如果UE 正在傳資料，舊的SGSN要向舊的SRNC 要PCP context 的資料，舊的 SRNC不再傳資料。

進行認證

舊的SGSN內資料設為無效並傳回未發送的資料

通知GGSN改PDP context

下面新的 SGSN 通知 HLR 更新該用戶的 SGSN 位址等資訊，進行 PS domain 的位置更新。

68

圖 10-17 跨 SGSN 的 RA 位置更新程序 (2/2)

UE Old SRNS GGSNOld

3G-SGSN

New

3G-SGSNHLR

New

MSC/VLR

Old

MSC/VLR

11. Cancel Location

11. Cancel Location Ack

10. Update Location

15b.Cancel Location

Cancel Location Ack

15d. Insert Subscriber Data

19. TMSI Reallocation Complete

15f. Update Location Ack

16. Location Update Accept

18. Routeing Area Update Complete

17. Routeing Area Update Accept

13. Update Location Ack

15a. Update Location

14. Location Update Request

12. Insert Subscriber Data

12. Insert Subscriber Data Ack

15e. Insert Subscriber Data Ack

11a. Iu Release Command

11a. Iu Release Complete

new SRNS

15c.

PS domain的location update

CS domain的location update

通知UE RA update成功

回覆VLR已修改TMSI

69

Section 10.5.2

分封交換領域議程管理Session Management in Packet

Switched Domain

70

議程管理 (1/2)

當用戶完成 PS domain 的註冊程序後，必須再經由議程管理（Session Management，SM）程序來建立 IP 連線及取得 IP 位址後，才能使用PS domain 數據服務。

• 負責 PS 數據服務議程管理功能的設備為SGSN和GGSN。

• 建立、管理用戶 PS 服務封包連線以及訊務路由。

71

議程管理 (2/2)

針對每一個連線，SGSN 和 GGSN 都會建立一PDP context 以執行議程管理功能。

• PDP context 包括 PDP 路由資訊（如PDP 識別碼、PDP 狀態、PDP 型態、和 PDP 位址等）、所使用的 APN（Access Point Name）、QoS 組態以及 PDU

資訊（如PDCP-SND和PDCP-SNU等封包編號）。

相關程序包括

• PDP context activation：圖 10-18

• PDP context modification

• PDP context deactivation

• Secondary PDP context activation：圖 10-19

72

圖 10-18 PDP Context Activation 的程序

3G-GGSN

5. Activate PDP Context Accept

2. Create PDP Context Response

2. Create PDP Context Request

1. Activate PDP Context Request

3G-SGSNUTRANUE

3 Radio Access Bearer Setup

4 . Update PDP Context Reponse

4 . Update PDP Context Request

73

圖 10-19 Secondary PDP Contex

Activation 的程序

3G-GGSN

5. Activate PDP Context Accept

2. Create PDP Context Response

2. Create PDP Context Request

1. Activate Secondary PDP Context Request

3G-SGSNUTRANUE

3 Radio Access Bearer Setup

4 . Update PDP Context Reponse

4 . Update PDP Context Request

Secondary PDP context 是指使用已取得的 IP位址 及相同的 APN 設定，再建立另一個 QoS 不同的數據連線（PDP context）。

74

Section 10.5.3

分封交換領域 SRNS 轉移程序Inter-SGSN SRNC Relocation on

Packet Swtiched Domain

75

交遞後建立的路徑

當手機的移動從舊細胞（屬於 RNC1 及 SGSN1）移動到新的細胞（屬於RNC2 及 SGSN2）時，會進行交遞的程序。

• 通訊路徑會從 GGSN 連到SGSN1、RNC1、RNC2、Node B，再透過無線電鏈結到手機端。

• 在這個路徑上經過兩個RNC，分別負責不同的工作。

Node B

Node B

Node B

Node B

SRNC

DRNC

Iub

Iur

Iu

UE

RNC 的角色依在路徑上的位置分為兩類：

• SRNC（Serving RNC）• DRNC（Drift RNC）

SGSN1RNC1

RNC2 SGSN2

GGSN

76

RNC 的三種角色

Controlling RNC (CRNC)

Serving RNC (SRNC)

Drift RNC (DRNC)

Node B

Node B

SRNC

Iub

Iu

UE

Node B

Node B

Node B

Node B

SRNC

DRNC

Iub

Iur

Iu

UE

Node B

Node B

Node B

Node B

RNC

SRNC

Iub

Iur

Iu

UE

(c)

Node B

Node B

Node B

Node B

SRNC

DRNC

Iub

Iur

Iu

UE

(d)(b)

處理 handover

，使用者資料的轉換。SRNC 銜接用戶通訊

的線路至核心網路，以及控制用戶的無線電鏈結的狀態。 CRNC 扮演控制

Node B 的角色。

DRNC 負責執行無線電鏈結的新增/刪除/重新組態。

(a)

77

SRNC 角色的轉移

若是能改變傳遞封包的路徑為GGSN→SGSN2→RNC2→Node B→UE，可以避免系統資源的浪費，也能減少傳送封包的延遲。

• 見圖10-20

當 UE 在通信狀態下，因移動而產生跨 RNS 情況時，此時原有負責控制的 RNC1 便可啟動SRNS 轉移程序，讓 RNC2 擔任 SRNC 的角色，將自己從路徑中移除。

• 見圖10-21

78

圖 10-20 SRNS 轉移GGSN

SGSN2

LA1,RA1

UE

LA2,RA2

SGSN1

RNC1

LA1,RA1

UE

LA2,RA2

(a) (b)

SGSN1

RNC1 RNC2 RNC2

SGSN2

GGSN

（a）SRNS轉移前的通訊鏈結 （b）SRNS轉移後的通訊鏈結

(1) 先建 packet core network link (2) RNC1 不再收使用者資料(3) SRNC 把尚未送出的 packet 轉送給新的 RNC

(4) 通知 MS RNC2 變成 SRNC. (5) 改 PDP context

(6) 釋放 RNC1 之 link.

79

圖 10-21 SRNS轉移重新配置程序RNC2RNC1 SGSN1 SGSN2 GGSN

2. Forward Relocation Request

3. Relocation Request

1. Relocation Required

5. Relocation Command

4. Forward Relocation Response

3. Relocation Request Acknowledge

7. Relocation Detect

UE

10. Relocation Complete

11. Forward Relocation Complete

8.UTRAN Mobility Information

8. UTRAN Mobility Information Confirm

9. Update PDP Context Request

12. Iu Release Command

12. Iu Release Complete

6. Relocation Commit

Forwarding of data

9. Update PDP Context Response

11. Forward Relocation Complete Ack.

13. Routing Area Update

80

Section 10.6

安全機制Security Mechanism

81

GSM 安全機制的缺點

加密機制僅運用於空中介面（i.e.，UE與BTS

之間），如Abis介面使用微波系統時，有心人士將可從空中截收微波信號，進而竊取用戶的通信內容。

身份認證機制僅由網路端來確認用戶是否為合法，未提供讓用戶端確認網路端是否合法的機制。

手機與網路端之間的控制訊息未提供完整性保護（integrity protection）機制，使得如果訊息在傳送過程中遭到竄改時，將無法偵測。

82

UMTS 的安全機制 (1/2)

相互認證機制

• 網路端和手機雙方都可確認彼此的合法性。

完整性保護機制

• 確保 UE 與 RNC 間控制信令的完整性，避免信令傳送過程中遭到竄改。

• UMTS 完整性演算法（簡稱 UIA，UMTS Integrity

Algorithm）稱為 f9 演算法。

83

UMTS 的安全機制 (2/2)

用戶訊務私密保護

• UMTS加密演算法（簡稱UEA，UMTS Encryption

Algorithm）稱為 f8 演算法。

• 除更複雜的加密演算法外，加密機制更運用於 UE

與RNC間。使得當 Node B 與 RNC 間採用微波電路時，亦可達到較佳的加密保護。

84

AuC 端產生認證向量

此 Quintet 稱為AV。

AV=(AUTN, RAND, XRES, CK, IK)

• AUTN = (SQN AK) || AMF || MAC

AK = f5K(RAND)

MAC = f1K(SQN || RAND || AMF)

• XRES = f2K(RAND)

• CK = f3K(RAND)

• IK = f4K(RAND)

讓AuC認證UE

加密和完整性保護所需的金鑰

讓UE認證AuC

85

其他在 Quintet 中的參數

預先設訂的參數

• K: secrete key (in USIM & AuC)

• AMF: Authentication and Key Management

由 AuC 產生的參數

• RAND: 128-bit random number

• SQN: : 48-bit sequence number

86

圖 10-22 AuC 端認證向量產生方式

Generate SQN

Generate RAND

f1 f2 f3 f4 f5

AUTN := SQN ⊕ AK || AMF || MAC

AV := RAND || XRES || CK || IK || AUTN

RAND

AMF

MAC XRES CK IK AK

K

SQN

87

圖 10-23 USIM 端認證機制

K

SQN

RAND

f1 f2 f3 f4

f5

XMAC RES CK IK

AK

SQN AK AMF MAC

AUTN

驗證 MAC = XMAC

驗證 SQN 在正確的範圍內

USIN利用XMAC是否等於MAC驗證網路端

VLR/SGSN將RAND與AUTH送

給UE

加密和完整性保護所需的金鑰

Expected MAC

XRES

若驗證網路端正確UE計算XRES, IK,

CK. UE將XRES送給網路端認證.

88

圖 10-24 UMTS安全機制程序UE RNC VLR/SGSN HLR/AuC

Start

Integrity

Start

Integrity

Start

Ciphering/

Deciphering

Start

Ciphering/

Deciphering

1.Initial L3 message2a. Send Authentication info. req

2b. Send Authentication info. Ack

(array[AUTN,XRES,RAND,CK,IK])

3c. Authentication Failure Report

3e. Authentication Failure Report

3a. Authentication Request (AUTN,RAND)

3b. Authentication Failure (AUTN error)

3b. Authentication Response (XRES)

4a. Security mode command (UIAs,IK,UEAs,CK,etc.)

4a. Security mode command (CN,domain,UIA,…….)

5a. Security mode complete

5a. Security mode complete

打電話、位置更新等L3

訊息

UE 先驗證網路端

網路端驗證UE

VLR/SGSM要求UTRAN啟動完整性

與加密機制

RNC開始啟動完整性機制

UE先啟動完整性機制.再啟動加密機制.

雙方開始啟動完整性與加密機制.

89

Section 10.7

結語Summary

90

Summary

隨著無線電傳輸技術的進步，行動通訊技術也不斷地朝向IP化及寬頻化演進發展。3G UMTS

R99行動通訊系統可提供用戶高接取頻寬，同時提供QoS來滿足各式各樣影音多媒體服務的需求。本章簡介了UMTS第三代行動通訊系統的基本設計精神，包括網路架構、接取網路、核心網路等。同時針對UMTS所新設計的無線電管理功能、新改良的安全機制、以及PS數據服務流程等均詳細說明。冀希望提供讀者能夠快速地了解3G網路技術，作為後續進一步深入研究3G技術的基礎。

91

Homework