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NAS/MAC/PHY各司其職　LTE通訊協定預埋4G伏筆

2009-10-16

許亨仰

繼上一期專欄中介紹了長程演進計畫(LTE)的網路架構後，本期專欄將更進一步介紹其所使用的通訊協定。由於行動通訊網路的通訊協定設計與無線存取網路架構間，有非常高的依存關係。因此在介紹LTE無線通訊系統所使用的通訊協定技術之前，讀者應先對LTE的演進統一陸地無線接取網路(E-UTRAN)有基本了解。

E-UTRAN本質上是一種正交分頻多工(OFDM)通訊技術，可支援分頻雙工(FDD)與分時雙工(TDD)模式，以及多種不同的頻寬(1.4M～20MHz)。不同於傳統2G/3G無線存取網路會連接到3GPP核心網路的電路交換領域(Circuit-switched Domain)，LTE的E-UTRAN無線存取網路只會連接到純封包交換領域(Packet-switched Domain)的演進數據分組核心網路(EPC)網路。

因此，整個E-UTRAN無線網路通訊協定已針對以網際網路通訊協定(IP)為基礎的即時與非即時應用與服務進行最佳化。E-UTRAN無線網路通訊協定主要是針對手機端(UE)與基地台端(eNodeB)的無線存取傳輸部分進行定義，提供E-UTRAN用戶平面(User Plane)與控制平面(Control Plane)在eNodeB與UE間的資料傳輸協定。其中用戶面包含封包資料匯聚通訊協定(PDCP)、無線連結控制(RLC)、媒體存取控制(MAC)、實體層(PHY Layer)等元件，控制面則是由無線資源控制模組(RRC)所構成。

而eNodeB與eNodeB之間是經由X2傳輸介面進行溝通；eNodeB是利用S1傳輸介面與EPC網路進行溝通，更明確的說，eNodeB是利用S1-移動管理實體(S1-MME)傳輸介面與移動管理實體(MME)進行溝通；至於與服務閘道(S-GW)的通訊則是透過S1-U傳輸介面進行。E-UTRAN的架構描述如圖1所示。

資料來源：3GPP
圖1　E-UTRAN網路架構

更進一步來看，LTE無線通訊系統的通訊協定技術可分為兩大類：一類為與手機溝通的無線存取層通訊協定技術，另一類為與EPC溝通的網路層通訊協定技術，如圖2所示。

圖2　LTE通訊協定技術架構

逐層剖析LTE無線存取層通訊協定技術

如圖3所示，LTE無線存取層通訊協定技術還可細分為三層通訊協定技術，分別為第三層的非存取層(NAS)、無線資源控制、第二層的封包資料匯聚協定、無線連結控制、媒體存取控制與第一層實體層協定技術。

圖3　LTE協定架構

與既有3G/3.5G無線通訊系統不同的是，除了NAS是由UE與後端網路的移動管理實體進行溝通外，其他各層協定技術都是制定UE與eNodeB之間的通訊溝通，有效減少各層協定技術溝通時間。

LTE無線存取層關鍵協定技術又可以分成控制平面與資料平面(Data Plane)兩大塊，資料平面涵蓋PDCP、RLC、MAC、PHY各層，控制平面則涵蓋所有的分層。其中又以第二層所扮演的資料傳輸角色的關鍵層，其下行與上行傳輸架構如圖4與圖5所示。

資料來源：3GPP
圖4　Layer 2下行傳輸架構

資料來源：3GPP
圖5　Layer 2上行傳輸架構

各層間針對端對端(Peer-to-peer)溝通的服務存取點(SAP)在圖上用圓圈來表示。PHY與MAC間的SAP為傳輸通道(Transport Channel)；MAC與RLC間的SAP為邏輯通道(Logical Channel)；PDCP往上層的SAP為無線承載(Radio Bearer)。各層協定技術所負責的功能說明如下：

‧	非存取層
	非存取層協定技術是負責處理演進封包系統承載(EPS Bearer)管理、身分認證、手機閒置模式(ECM-IDLE)移動性功能處理、手機閒置模式的呼叫起始功能、安全控制等功能。

無線資源管理協定技術是負責處理在空中介面中的LTE第三層流程，包括有廣播系統訊息(System Information)、RRC連線控制，包含呼叫(Paging)、建立/重新設定/釋放RRC連線、配置UE身分識別等功能，亦負責進行初始用於加解密(Ciphering)與完整性保護(Integrity Protection)的安全啟動。此外，無線資源管理也包含移動控制機制，如橫跨不同通訊系統的換手機制(Handover)、服務品質(QoS)控制以及量測設定控制等功能。最後，RRC協定技術也負責其他較低層協定技術(PDCP、RLC、MAC、PHY)的設定。

‧	封包資料匯聚協定
	封包資料匯聚協定技術位於LTE第二層的最上層，其負責的主要功能有利用ROHC技術進行檔頭壓縮與解壓縮、加解密與完整性保護、傳送接收使用者資料與控制訊息以及根據RLC協定技術的傳輸資料類型進行相關資料處理。

無線連結控制協定技術位於LTE第二層的中間，上面介接PDCP，下面介接MAC。RLC傳送的資料模式有承認模式(Acknowledge Mode, AM)、非承認模式(Un-acknowledge Mode, UM)與傳輸模式(Transparent Mode, TM)三種。其負責的主要功能有傳送來自上層的協定資料單元(PDU)、 LTE傳輸資料的串接(Concatenation)、分割(Segmentation)、重組(Reassembly)、上層PDU依順序傳送、重複偵測、協定錯誤偵測與恢復、捨棄RLC SDU以及RLC重新建立等功能，這些功能均針對UM與AM資料傳輸。此外，RLC還肩負ARQ、PDU重新組合等功能，但這些功能僅適用於AM資料傳輸。

媒體存取控制協定技術位於LTE第二層的最下層，其負責的主要功能為邏輯通道(Logical Channel)與傳輸通道(Transport Channel)的對應、將屬於單一或不同邏輯通道的MAC SDU多工組合成傳輸區塊(Transport Block)，再透過傳輸通道傳送到實體層。MAC協定也必須反向將實體層經由傳輸通道傳送上來的傳輸區塊解多工成單一或不同邏輯通道的MAC SDU，並負責排程資料回報、混合式自動重傳請求(HARQ)的錯誤更正、單一手機邏輯通道之間的優先順序處理、使用動態排程進行手機間的優先順序處理、傳輸格式(Transport Format)選擇、添加區隔(Padding)等功能。

實體層協定技術將對資料進行調變與解調變、錯誤更正碼等複雜運算。在3GPP LTE標準中，下行多工存取機制是採用正交分頻多重存取(OFDMA)技術進行傳輸，OFDMA技術是OFDM技術的變形，其訊號產生流程如圖6所示。

資料來源：3GPP
圖6　OFDMA訊號產生流程

在這種技術之下，頻段會被區分成多個子載波(Subcarrier)來分配使用，而時間軸上則以符元(Symbol)作為單位進行分配使用。無線資源會在時間及頻率兩個方向被多工使用，其上行多工存取機制則是採用單載波分頻多重存取(SC-FDMA)技術進行傳輸，訊號產生流程如圖7所示。

資料來源：3GPP
圖7　SC-FDMA訊號產生流程

時域的資料符元(Data Symbol)使用離散式傅立葉轉換(Discrete Fourier Transform, DFT)演算轉換到頻域，再將頻域的訊號放置在整個頻寬中期望放置的位置，並使用反快速傅立葉轉換(Inverse FFT, IFFT)演算轉換回時域，最後插入循環前綴(Cyclic Prefix, CP)即可傳送出去。

SC-FDMA技術主要是結合單載波低峰值至平均值功率比(PAPR)以及OFDMA頻率配置彈性與對抗多路徑干擾的優點。而整個下行實體層處理流程包括有循環冗餘校正插入(CRC Insertion)、頻道編碼(Channel Coding)、頻道交錯(Channel Interleaving)、擾亂編碼(Scrambling)、調變(Modulation)、分層對應(Layer Mapping)、預編碼(Pre-coding)以及安排對應指定資源與天線埠(Mapping to Assigned Resources and Antenna Ports)等處理流程；上行實體層處理流程則與下行流程大致相同，但沒有頻道交錯流程，並添加了實體層混合自動重傳請求處理(Physical-Layer HARQ Processing)。

此外，定義訊框架構(Frame Structure)也是PHY協定技術的關鍵。LTE的訊框長度為10毫秒，並支援兩種訊框架構，其中第一類訊框架構(Frame Structure Type 1)支援FDD；第二類訊框架構(Frame Structure Type 2)則支援TDD，分別如圖8與圖9所示。

資料來源：3GPP
圖8　LTE FDD訊框架構

資料來源：3GPP
圖9　LTE TDD訊框架構

在第一類訊框架購中，一個完整的LTE訊框會切成十個等長的次訊框(Subframe)，每個次訊框的長度為1毫秒，是由兩個等長的時槽(Slot)所組成。對於分頻多工來說，每個訊框都是專門給下行傳輸或是上行傳輸使用，上行與下行傳輸是在頻域切開。

第二類訊框架構中的訊框，則是由兩個5毫秒的半訊框(Half-frame)組成，每個半訊框則是由8個時槽以及DwPTS、GP、UpPTS這三個特別欄位所組成。

這三個特別欄位總長度為1毫秒，DwPTS與UpPTS的長度是可以設定的。這三個特別欄位主要功能為下行傳輸與上行傳輸的切換點(Switch Point)。LTE支援5毫秒與10毫秒兩種切換點週期，可以選擇的切換點設定如表1所示，如果切換點週期為10毫秒，則Subframe 6是可以用來進行下行傳輸的。

表1　LTE TDD訊框上行-下行配置表

Configuration

Switch-point periodicity

Subframe number

5 ms

10 ms

5 ms

資料來源：3GPP

因應架構扁平化　LTE網路層通訊協定改弦更張

如圖10所示，LTE網路層通訊協定技術是指無線資源管理(Radio Resource Management, RRM)/S1傳輸介面/X2傳輸介面通訊協定技術，並配合MME的閒置狀態移動管理(Idle State Mobility Handling)、演進封包系統承載控制(EPS Bearer Control)、S-GW的行動錨點(Mobility Anchoring)以及封包資料網路閘道(P-GW)的用戶端網路位址配置、封包過濾(Packet Filtering)等網路層通訊協定技術，即可使LTE無線通訊系統順利與既有核心網路界接，並支援LTE移動性功能的服務。

圖10　LTE網路層通訊協定技術示意圖

LTE網路層通訊協定技術採用的扁平化架構，有別於既有3G/3.5G無線通訊系統階層式繁複的架構，毋須經過層層設備的處理與資料轉傳，讓LTE無線通訊系統與既有核心網路的溝通更為順暢。各項網路層通訊協定技術所負責的功能如下：

無線資源管理協定技術實作於eNodeB，亦即基地台端，負責收集該基地台所屬手機的無線資源使用資料，以及透過S1與X2傳輸介面了解相鄰基地台的無線資源運用狀況，並指示所屬手機進行相關移動性功能，例如換手、進入閒置模式等，以進行有效的無線資源運用與管理。其主要功能有蜂巢間(Inter Cell)無線資源管理、無線承載控制(Radio Bearer Control)、連線移動控制(Connection Mobility Control)、無線入網許可控制(Radio Admission Control)、eNodeB量測組態與監管(Measurement Configuration and Provision)、動態資源配置(Dynamic Resource Allocation)等功能。

值得注意的是，無線資源管理協定技術並沒有在標準中進行明確規範，將是各家廠商研發關注的焦點之一，也會是LTE局端設備產品在無線資源運用效率差異的重要關鍵。

S1傳輸介面協定技術是負責定義eNode-B和移動管理實體/服務閘道器間控制訊息與資料封包的溝通傳遞，也是E-UTRAN無線存取網路與EPC核心網路的溝通介面。

S1傳輸介面架構如圖11所示，每個eNodeB可以與一或多個MME/S-GW進行溝通。沿襲了承載和控制分離的想法，S1介面也分為資料平面和控制平面。其中控制平面的S1-U介面將eNode-B和S-GW連接，用於使用者資料封包的傳遞；而控制平面的S1-MME介面則將eNode-B和MME相連，主要完成S1介面的無線接取承載控制、介面專用的操作維護等功能。

圖11　S1傳輸介面架構

S1-U介面是基於UDP通訊協定與整體封包無線電服務穿隧協定-用戶平面(GPRS Tunnel Protocol–User Plane, GTP-U)通訊協定進行實作，S1-MME介面則採用串流控制傳輸通訊協定(Stream Control Transmission Protocol, SCTP)來進行控制訊息的交換，兩者的通訊協定架構如圖12所示。S1傳輸介面主要負責的功能有S1連結管理、S1介面管理、E-RAB管理、S1使用者(UE)內容管理及呼叫使用者等功能。

資料來源：3GPP
圖12　S1-MME與S1-U介面協定技術架構

X2傳輸介面則是eNodeB之間互相連接溝通的管道，這是LTE無線通訊網路相對於傳統行動通訊網路的重大變化。因為在LTE的網路架構中，為達成網路扁平化的目標，已將無線網路控制(RNC)功能模組取消，這意味著原本由RNC設備負責的無線資源管理任務必須改由eNodeB本身來承擔。因此，在LTE網路中的每個eNodeB節點須頻繁地與其相鄰eNodeB直接對話，取得無線資源資訊，從而保證使用者在整個網路中的無縫式換手(Seamless Handover)。

X2傳輸介面的控制平面與資料平面也是分別採用SCTP通訊協定與GTP-U通訊協定進行實作，其負責的功能有支援主動模式(Active Mode)的手機移動，轉發資料封包，也可以用於多細胞(Multi-Cell)的無線資源管理功能等。

此協定技術主要是負責用戶端裝置在整個LTE無線通訊網路當中的連線狀態，實作於MME。連線狀態包含了兩個部分，分別是演進封包系統移動管理(EPS Mobility Management, EMM)和演進封包系統連線管理(EPS Connection Management, ECM)。

EMM主要是代表用戶端裝置的使用服務情形，可以分成EMM註冊(EMM-REGISTERED)和EMM取消註冊(EMM-DEREGISTERED)兩種狀態；ECM則是代表用戶端的連線情形，可以分成ECM閒置(ECM-IDLE)和ECM已連接(ECM-CONNECTED)兩種狀態。因此MME的工作就是負責配合UE的狀況進行相對應的處理流程。

MME會負責管理在EPS系統裡面的承載通道，包含了用戶端裝置和基地台間的無線承載(Radio Bearer)、基地台和服務閘道器間的S1承載(S1 Bearer)和服務閘道器與封包網路閘道器間的S5承載(S5 Bearer)。承載通道主要的功能是負責LTE無線通訊系統內的資料傳遞，從用戶端裝置一直到 P-GW為止。整個管理包含了服務品質(QoS)的分配以及建立移除的工作。前端E-UTRAN無線存取網路的通道部分，MME會透過S1應用(S1 Application)通訊協定將相關資料傳給eNodeB之後由RRC負責建立，後端就由MME透過GTP通訊協定技術負責建立。

‧	移動錨點
	在EPC核心網路的系統架構中，S-GW所擔負的角色就是整合所有3GPP現有存取技術的資料錨點，所有3GPP的存取技術都可以透過S-GW來進行資料傳遞，這樣在進行不同存取技術間的換手服務時較為便利。

LTE無線通訊網路是一種IP導向的網路，用戶端裝置連線後，P-GW會利用動態IP分配配置(DHCP IP Allocation)機制派發一個IP給用戶端裝置。用戶端裝置在建立完預設承載(Default Bearer)後，會跟P-GW建立至少一組IP(可能是IPv4或 IPv6）。而IP位置的發放則是位於P-GW，這是因為考量到將來會整合不同的無線網路技術，如全球微波存取互通介面(WiMAX)，要統一一個IP位址分配的功能模組。而P-GW就是為透過IP路由來整合其他技術的閘道器，故將IP分配功能規畫在此。

在LTE的標準規範中，無線承載和S5/S8承載都具備封包過濾的功能，但這裡的過濾功能並非將封包濾除掉，而是根據流量樣板(Traffic Flow Template, TFT)進行封包分類，來決定資料封包要從那一條資料承載通道進行傳輸，圖13為資料封包分類的示意圖。