邁向全IP/扁平化架構 LTE/SAE掀行動網路新革命

新通訊 2009 年 9 月號 103 期《 技術前瞻 》

文．許亨仰

下世代網路的基本趨勢 是朝向全面採用網際網路通訊協定(All-IP)的方向發展，讓電信業者以更簡單的方式來延伸網路，以面對日益遽增的服務需求，並且讓日後的新技術能更簡 單地加入現有網路。在過去，營運商必須建立各種網路來提供不同類型的服務給客戶使用，但未來勢必將會以單一網路來支援所有服務。

在回程線路 (Backhaul)IP化呼聲日益高漲之際，無線網路存取技術也開始朝向提供更高的資料傳輸速率以及改善頻譜使用率的方向演進。長程演進計畫(LTE) 無線通訊系統即是以此方向演進的主要標準之一。隨著3GPP Release 8標準於2008年12月底頒布，以及各主要供應商都已宣示開始進行LTE無線通訊系統的開發，使得無線通訊技術展開新一波朝向更高傳輸速率與服務品質發 展的浪潮。本文將簡介第三代夥伴計畫(3GPP)所採用的LTE無線通訊系統，同時說明相關網路架構及通訊協定技術，期能讓讀者一窺LTE無線通訊系統全 貌。   LTE/SAE攜手打造下世代網路 全球微波存取互通介面(WiMAX)的誕生，加速了Pre-4G無線行動寬頻服務發展的新契機，也點出目前3G技術在現有的電信網路架構下，無法完全滿足 行動網路服務需求的缺陷。為了突破寬頻分碼多重存取(WCDMA)系統5MHz頻寬的限制，3GPP開始發展下一世代的無線網路標準，亦即所謂的LTE。 LTE是無線通訊網路從線路交換語音網路(PSTN)邁向全資料封包網路的重要里程碑。透過LTE無線通訊系統，電信業者可用來提高無線網路的傳輸容量和 資料速率，以支援更強大的服務和互動視訊等新型多媒體應用，進而滿足未來的無線通訊需求。 隨著3GPP Release 8標準於2008年12月底定，整個行動產業已加速對於LTE無線通訊技術展開布局的腳步。位於產業鏈前端的行動射頻大廠目前仍處於LTE晶片研發階段， 高通(Qualcomm)、易利信(Ericsson)、飛思卡爾(Freescale)、三星(Samsung)與樂金(LG)等公司都將於今年嘗試推 出LTE晶片；而3GPP成立的長期演進計畫/系統架構演進測試聯盟(LSTI)也正在如火如荼的進行LTE裝置第一波的互通與田野測試。此次主要行動寬 頻通訊設備大廠阿爾卡特朗訊(Alcatel-Lucent)、易利信、華為、摩托羅拉(Motorola)與諾基亞西門子(NSN)也都投入LTE產品 的布局，希望能夠於2009年推出第一波產品。目前，全球領導電信營運商NTT、T-Mobile與威瑞森(Verizon)都宣稱將於2010年推出 LTE的商用服務，表明LTE無線通訊技術在商用上已開始起步，使得LTE的發展進入了新的階段。 LTE無線通訊系統是一個具有成本效益的網路架構，同時也有助於廠商設計出具吸引力的用戶端產品。在IP多媒體子系統(IMS)將納入下世代網路 (NGN)，以及固定/行動網路匯流(FMC)的趨勢影響下，使用者未來在移動網路上將擁有類似家庭數位用戶迴路(DSL)網路的高傳輸速率；對營運商而 言則是提供布建簡單、具價格競爭優勢的整合型網路。 LTE的主要設計目標有：第一，提高尖峰資料傳輸率(Peak Data Rate)，以提供與xDSL匹敵的資料傳輸速率。具體來說，其目標為在20MHz的頻寬中能夠提供下行100Mbit/s、上行50Mbit/s的尖峰 傳輸速率；第二，提高網路覆蓋區域邊緣的傳輸性能，允許網際網路應用能夠被無縫整合，不受到載波技術的影響；第三，降低系統延遲與連線設定時間。其具體目 標為將無線存取網路區域的延遲減少至10毫秒，同時要讓使用者在LTE網路上要有「隨時連線」的即時感覺。其他設計目標則包括增進頻譜效率、支援可調式頻 寬以及和現有系統及非3GPP系統的互通等。 為了實現上述要求，LTE無線通訊系統須對現有3G系統的空中介面(Air Interface)技術和網路結構提出改進與增強。由於此事牽涉到兩種行動通訊的主要元素，因此3GPP於3GPP Release 8標準規範中，將LTE與系統架構演進(System Architecture Evolution, SAE)技術規範區隔開來，後來兩者分別演進成3GPP Release 8標準中定義新型無線存取網路的演進統一陸地無線接取網路(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network, E-UTRAN)，與核心網路的演進數據分組核心網路(Evolved Packet Core, EPC)，其網路架構如圖1所示。 圖1　LTE網路架構 EPC網路是基於IP網路協定的多重存取核心網路，使得營運商可以在單一共同封包核心網路進行布建與運作各種不同的存取網路，如3GPP系統的無線存取網 路、非3GPP系統的無線存取網路以及固接存取網路等。EPC網路主要是針對移動管理(Mobility Management)、策略管理(Policy Management)以及安全(Security)三大功能進行定義。 E-UTRAN無線存取網路將更進一步演進到3GPP Release 9，然後才進入LTE-Advanced技術標準(Release 10與Release 11)朝向IMT-Advanced要求的1GBit/s的資料傳輸率努力。 隨著LTE無線通訊系統的發展，無線接取網路標準的解決方案已朝向正交分頻多重存取技術(OFDMA)和多重輸入/多重輸出(MIMO)技術進行，封包核 心網路(Packet Core Network)也正演進為扁平化的SAE架構，使得其網路將從較傳統的垂直導向架構轉向為水平對等架構。這些重要的轉變讓LTE新架構網路效能最佳化、 提高成本效益，並加速以IP為基礎的服務之商用化。 逐層剖析LTE網路架構 LTE無線通訊系統網路架構的設計簡化了既有行動通訊網路架構，並可與其他IP通訊網路進行無縫整合，使LTE網路架構成為扁平式的全IP網路架構(Flat All-IP)。 LTE無線通訊網路由EPC核心網路與E-UTRAN組成，再透過其他不同的傳輸介面與其他通訊網路介接。其網路架構與其他通訊網路的傳輸介面如圖2所示。 圖2　LTE網路架構傳輸介面示意圖 EPC核心網路藉由SGi傳輸介面提供LTE與外部IP網路服務以及電信營運商所提供之多媒體服務的介接通道，利用S6傳輸介面與家庭用戶服務(Home Subscribe Server, HSS)進行資料交換負責執行身分認證、金鑰協商等安全性功能、並利用S7傳輸介面與策略交換規範功能(Policy Charging Rule Function, PCRF)溝通達到方針管理的目的，又可分別利用S2、S3、S4等傳輸介面達成與其他無線通訊網路技術進行完整資料交換(Inter-working) 與移動管理切換的目的，使得其他3GPP或非3GPP通訊技術可以透過定義好的傳輸介面進入LTE網路。EPC核心網路的關鍵功能模組概略介紹如下： ‧ 移動管理實體 移動管理實體(Mobility Management Entity, MME)顧名思義即為LTE無線網路的移動管理首腦，負責手機處於閒置模式(Idle Mode)時的移動管理、演進數據封包系統(Evolved Packet System, EPS)業務承載(Bearer)的管理、非存取層(Non-access Stratum, NAS)安全管理等功能。 ‧ 用戶平面實體 用戶平面實體(User Plane Entity, UPE)主要是處理使用者資料傳輸的功能，負責管理與儲存用戶單元的內容、進行資料加解密、做為LTE網路的移動錨點、資料封包路由與遞送以及開始呼叫使用者等功能。 ‧ 3GPP錨點 3GPP錨點(3GPP Anchor)作為LTE與同屬於3GPP組織之2G/3G無線通訊系統之間的移動錨點，以支援LTE與2G/3G無線通訊網路的移動切換。 ‧ SAE錨點 SAE錨點(SAE Anchor)作為LTE與其他非3GPP無線通訊系統之間的移動錨點，以支援LTE與非3GPP無線通訊網路的移動切換。   在考慮網路運作的因素後，上述EPC核心網路的功能模組，又可以整合成服務閘道(Serving Gateway, S-GW)、移動管理實體、封包資料網路閘道(Packet Data Network Gateway, PDN-GW)三個功能元件，再加上由UE與eNodeB(eNB)組成的E-UTRAN無線存取網路即為LTE網路架構的最重要的四個功能元件，如圖3 所示。 圖3　LTE網路架構功能元件示意圖 E-UTRAN無線存取網路主要由使用者的手機(UE)以及與手機溝通的基地台(eNodeB)所組成，負責無線訊號的控制與資料處理，包括有無線資源管 理(Radio Resource Management)、權限控制(Admission Control)、排程、服務品質(QoS)、蜂巢資訊廣播、資料封包檔頭壓縮、加解密、資料封包處理、ARQ/HARQ等功能。此外eNodeB還負責 與EPC核心網路進行資料交換的任務。 行動管理實體則負責LTE核心網路的控制功能，為LTE網路的主要控制節點，利用S1-MME傳輸介面與eNodeB溝通。主要功能有負責手機註冊與解除 註冊的流程處理；藉由與HSS溝通進行用戶身分認證(Authentication)、授權(Authority)和計費(Accounting)等安全 功能；負責為手機選擇資料封包傳輸的伺服閘道；管理演進數據封包系統的承載，包括業務承載的建立，改變和拆除；負責對閒置模式手機的移動管理，包括追蹤手 機位置與呼叫尋找手機位置；負責與手機進行NAS通訊協定層資料的交換與保護；以及負責對存取層(Access Stratum, AS)通訊協定層的安全控制。 此外MME並利用S3傳輸介面與2G/3G無線通訊系統進行移動控制的溝通，對於漫遊手機的移動控制則是透過S6傳輸介面與HSS進行溝通，以確保多模手機可以於不同無線通訊系統下仍能自在的享受服務。 服務閘道是負責LTE核心網路的資料傳輸功能的主角，為LTE網路資料收送的閘道器，利用S1-U傳輸介面與eNodeB溝通。主要功能有負責路由並傳遞 使用者的封包資料；扮演用戶平面(User Plane)於eNode B之間換手時的行動錨點；扮演LTE與其他3GPP無線通訊系統之間的3GPP錨點；負責閒置模式手機下行資料路徑的終止與當其下行資料抵達時呼叫尋找手 機離開閒置模式進行資料接收；負責管理並儲存使用者內容，如IP承載服務參數、內部網路路由資訊等；負責於合法攔截時複製使用者訊息；以及協助服務品質的 策略控制與執行以及負責計算用戶的流量使用執行計費。此外，S-GW並利用S4傳輸介面與2G/3G無線通訊系統進行資料封包的傳遞與交換。 數據封包網路閘道則是LTE核心網路與外部世界連接的介面，為LTE網路與其他非3GPP網路資料收送與訊息控制的閘道器，分別透過S2、S7、SGi傳 輸介面與非3GPP無線通訊網路、PCRF、IP服務網路進行溝通，與S-GW溝通則是透過S5傳輸介面。主要功能有扮演手機通訊的資料封包傳輸進入點或 離開點，提供手機和外部封包資料網路連線；負責每個使用者的策略執行(Policy Enforcement)與封包過濾；負責支援計費、合法攔截與封包審查；扮演3GPP無線通訊網路與非3GPP通訊網路間移動的SAE錨點；基於 PCRF的請求管理演進的數據封包系統承載；以及扮演作為IP移動錨點的呈現點，負責分發IP位址給手機。 而MME與S-GW、P-GW又可以整合成實體的存取閘道器(Access Gateway)設備，因此從圖4的演進可以知道，LTE網路架構已經從既有2G/3G網路的四個實體設備簡化為eNodeB與存取閘道器兩個實體設備， 並且移除原本3G網路支援的電路交換(Circuit-switch)功能，轉變成全封包交換(Packet-switch)的IP網路，大幅降低LTE 核心網路的複雜度，相關元件之演進見 圖4。 圖4　LTE無線通訊功能元件演進示意圖 承載服務架構滿足多樣化QoS需求 由於LTE網路具備以單一架構滿足多種不同服務需求的能力，因此營運商勢必要能夠對不同種類的服務定義其服務品質。為此，LTE網路架構也定義了端對端服 務(End-to-end Service)的承載服務架構(Bearer Service Architecture)以滿足QoS的要求，如圖5所示。 資料來源：3GPP 圖5　端對端服務的承載服務架構 從圖5中可以看出，EPS承載業務架構繼續沿用了通用行動通訊系統(UMTS)網路相似的QoS框架結構，亦即分層次、分區域的QoS體系結構。在這個體系中，每一層的承載業務都是通過其下一層的承載業務來提供的。 端對端的QoS業務可以分解為兩部分：EPS承載業務與外部承載業務。其中，外部承載業務用於連接UMTS核心網和位於外部網路節點之間的業務承載。 EPS承載業務則可以分為EPS無線承載業務與EPS接入承載業務兩部分。EPS無線承載業務可根據請求的QoS，實現eNodeB與UE之間的EPS承 載業務數據單元的傳送，同時提供IP標頭壓縮、用戶平面加密功能，並可以為UE提供映射及復用信息；EPS接入承載業務則可以根據請求的QoS，實現 MME與eNodeB之間的EPS承載業務數據單元的傳送，同時提供端點到端點IP業務流匯聚的QoS保證。 多功/扁平化為4G主要特色 為了滿足下一代網路以單一網路架構支援多重服務的需求，以及透過結構扁平化來協助營運商撙節資本支出，LTE與SAE在網路結構設計上做了許多改良，同時 也導致硬體設備上，將簡化成只有基地台與存取閘道器兩元架構。此外，經過大幅簡化的網路架構亦有助於電信業者在單一網路上提供多元服務。 經過上述的介紹，相信讀者已對LTE無線通訊系統的網路架構已有概括的了解，作者在下期文章中，將進一步針對LTE無線通訊系統的通訊協定技術進行介紹。 (本文作者任職於資策會網路多媒體研究所)