1

Introduction to UMTS

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Reference (1/2)

[1] Wireless and Mobile Network Architectures，Y-Bing Lin and Imrich Chlamtac，Wiley Computer Publishing。

[2] The Most Materials of this talk is summarized by the UMTS System Overview course held by the “Informa Telecoms Ltd”。

[3] GSM, cdmaOne and 3G Systems，Raymond Steele, Chin-Chun Lee and PeterGolud，John Wiley & Sons, LTD.

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Reference (2/2)

[4] WCDMA for UMTS, Radio Access For Third Generation Mobile Communications，HarriHolma and Antti Toskala，John Wiley & Sons, LTD.

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Outlines

IntroductionSystem ArchitectureWCDMA in UMTSUTRAUMTS User Plane vs. Control PlaneMobility ManagementSummary

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Introduction

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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-99

Release-4Release-5

Release-6

Universal Mobile Telecommunication System

(UMTS)3GPP (the 3rd Generation Partner ship

Project)3rd Generation System

•以下歐洲在 3G 上的研究歷程:•1988 年, 進行 RACE I (Research of Advanced Communication Technologies in Europe) program, 對 3G 展開基礎的研究.•1992-1995 年接著進行 RACE II 同時對 CDMA-based CODIT (Code Division Tested) 和 TDMA-based ATDMA (Advanced TDMA Mobile Access) 等 air interface proposal 進行評估.•1995 年底, 進行新的 ACTS(Advanced Communication Technologies and Services) 計畫. 在 ACTS 之下, 設立了 FRAMES (Future Radio Wideband Multiple Access System) project, 希望提出 RAS (radio access system) 的 proposal. 包括 Nokia, Siemens, Ericsson, France Telecom, CSEM/Pro Telecom 與數所歐洲大學均參與其中.•最初的評估下, FRAMES 將兩個 proposals: Wideband TDMA (FMA1) 與Wideband CDMA (FMA2) 送到 ETSI, 做為 UMTS Air Interface 的後選人.•1996-1997 年, 各界紛紛將 proposals 提到 ETSI, 成為 UMTS 的 UMTS TURA (Terrestrial Radio Access) 的 candidates. 在 1997 年 7 月, ETSI 將這些 proposals 歸納為五大類: WCDMA, WTDMA, TDMA/CDMA, OFDMA, ODMA. •依據 ITU-R IMT 2000 的規格, ETSI 對各 proposals 進行評估, •1998 年1月, ETSI 決定使用WCDMA 做為 UTRS (UMTS Terrestrial Radio Access) 的 air interface. 對於一般的 licensed paired bands, 使用 FDD. 對於一些剩餘無法成對的 spectrum 使用 TDD 的技術.•於 1999 年出, 3GPP 成立, ETSI 亦加入 3GPP 中. 因此提出完整的 UMTS specification 的工作, 便交給3GPP. 從 ETSI 到後來的 3GPP, 我們將第三代的系統通稱為 Universal Mobile Telecommunication System (UMTS). •於 1999 年出 3GPP提出第一個完整的 specification: Release-99. 強調無線電介面, UTRA. •2000 年開始致力於將WCDMA TDD 與 IS-41 結合, 把 cdma200 架於 GSM core network 之上.•Release 4 制定的部分則著重於傳統 Circuit Switched domain, 利用了 Softswitch 將 Signal 與Media 切割，將原先的 MSC 分割成 MSC Server 負責 Signal、Media Gateway 負責 Media。•Release 5 制定的部分，單純是要在 Packet Switched Domain 上提供 real-time multi-media 的服務，故將 GPRS 網路加以修正，希望使得無線手機能夠對 IP 網路作即時且大量資料的存取。•Release 6 整合Wireless LAN 與 GSM.

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3GPP

Project Coordination Group (PCG)4 Technical Specification Groups (TSGs):• Radio Access Network (RAN) TSG• Core Network TSG• Service and System Aspects TSG• Terminals TSG

•3GPP 的成員包括 ARIB (Japan), CWTS (China), ETSI (Europe), TI (USA), TTA (Korea) and TTC (Japan), 市場代表有 GSM Association, UMTS Forum, IPv6 Forum, UWCC.•3GPP 的運作由一個稱為 project coordination group (PCG) 來監控. 然而specification 的制定則是由 3GPP 底下 4 個 TSG 來負責:

•Radio Access Network (RAN) TSG: 制定與 radio 相關的功能. 1999 年提出 Release-99, UTRA air interface specification. 各個加入 3GPP 的組織, 都必須依據 Release-99 UMTS spec.•Core Network TSG 與 All IP network 相關•Service and System Aspects TSG: 制定 3G 的 service.•Terminals TSG: 制定手機的規格.

•每一個 TSG 下有數個 working group, 負責不同的 spec.

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CS vs. PS Domains

The Core Network (CN) • Circuit-switched (CS) service domain (i.e.,

PSTN/ISDN) • Packet-switched (PS) service domain ( i.e., IP).

In the CS domain, an Mobile Station (MS) is identified by IMSI and TMSI.In the PS domain, an MS is identified by IMSI and P-TMSI.

•Core Network (CN) 包含兩個服務領域•電路交換服務領域 circuit-switched (CS) service domain (i.e., PSTN/ISDN).•分封交換服務領域 packet-switched (PS) service domain (i.e., Internet, IP).

•在 CS domain 中, 使用 IMSI 與 TMSI 來識別MS.•在 PS domain 中, 則使用 IMSI 與 P-TMSI 來識別MS.

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GSM and UMTS Terminologies

Universal Subscriber Identity Module (USIM)

Subscriber Identity Module (SIM)

Radio Network Subsystem (RNS)

Base Station Subsystem (BSS)

Radio Network Controller (RNC)

Base Station Controller (BSC)

Node BBase Station Transceiver (BST)

User Equipment (UE)Mobile Station (MS)

UMTSGSM

•這是一張 GSM 與 UMTS 專用術語的對照表. 但在功能上並不是完全的一對一對應.

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System Architecture

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UMTS System Architecture

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

External Networks

PLMN,PSTN, ISDN,...

Internet

Core Network

Uu Iu

Iu-PS Gn Gi

GrGc

D D

System Architecture of 3GPP Release 99

Gs

Iu-PS

Iu-CS

Iu-CS

•這是 Release 99 的 UMTS 系統. 圖中可看出 UMTS 架構若以功能來區分, 可分成 3 個部份:

•UTRAN (UMTS Terrestrial RAN): 制定與 radio 相關的功能, WCDMA, FDD/TDD•Core network: 與外界網路相接 (做 interworking), 負責電話與資料的交換與繞送.•User Equipment: 做為 air interface 與 user 的溝通介面.

•上圖中顯示的是 Release 99 的 UMTS 系統。這個網路架構與 GPRS 類似，差別是在 Release 99 中，radio network 和 core network 做了一個很清楚的區隔。Radio network 負責處理和 radio 相關的工作，所以將原本 GPRS SGSN中處理 radio 的工作，拿到 RNC 來處理。例如 handoff 與 radio resource management (RMM) 改由 RNC 負責, 所以可以看到 RNC 間有存在著連結, 這是單純把 RNC 當成 BSC 所看不出來的。因此多出 RNC 間的 Iur介面，主要負責 soft handoff 的工作。•VLR 在 CS domain 中與MSC 合在一起, 而在 PS domain, 與 SGSN 相結合.

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User Equipment (UE)

UE consists of two parts:• Mobile Equipment (ME) • UMTS Subscriber Identity Module (USIM)

Three operation modes :• PS/CS mode UE is equivalent to GPRS Class A

MS.• PS mode UE is equivalent to GPRS Class C MS.• CS mode UE can only attach to the CS domain.

•User Equipment (UE; MS 的 3G 用語), 透過 Uu radio interface 以 WCDMA 技術與 Node B 相連. 包括兩個部份

•Mobile Equipment (ME) : 是負責 Uu介面的無線電終端機.•UMTS Subscriber Identity Module (USIM): smart card, 執行認證程式, 儲存認證與加密密碼與其他資訊.

•UMTS UE 定義了三種操作模式:•PS/CS mode UE: 相當於 GPRS 的 Class A MS. (MS 允許同時使用 CS 及 PS connection.)•PS mode UE: 相當於 GPRS 的 Class C MS. (只支援 PS connection)•CS mode UE: 只能連上 CS domain.

•UMTS 不支援 GPRS 定義的 Class B MS (提供可在某段時間自動選擇使用CS 或 PS connection 其中的一種).

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UTRAN

RNS (Radio Network Sub-system)• Consists of one RNC and several Node Bs

Node B• Converts data flow between Iub and Uu interfaces

Radio Network Controller (RNC)• Own and control the radio resources of Node Bs

connected to it• Provide service to CN Node B

Node BRNC

Iub

RNS

•UTRAN 由許多 RNS (Radio Network Sub-system) 這樣的子網路所組成. •每個 RNS 則包括一個 RNC 與其相連的數個 Node B.

•RNC 與 Node B使用 Iub interface 相連.•每一個 RNC 透過 IuPS interface 與一個 SGSN 之間相連, 並透過 IuCSinterface 與一個MSC 相連.

•Node B, 即 Base station, 負責 Uu與 Iub之間 L1 資料的轉換, 工作包括channel coding 與 interleaving, rate adaptation, spreading 等. 類似 BTS, 不同的是 Node B 也會處理部份 radio resource management, 如 inner loop power control.•RNC 擁有且控制其管轄範圍內所有 Node B 的無線電資源, 做為 service access point 提供服務給 Core Network. RRC (Radio Resource Control) 協定到RNC 才終止 (i.e., 靠網路端的最後一站).

•Note: RRC 定義 UE 與 UTRAN 間的 message 與 procedure. RRC 負責傳送建立或釋放 L1 或 L2 entities 所需的參數, 會傳送來自上層 (MM, CM, SM) 的訊號, 與UE 的 mobility 相關的參數 (measurement, handover, cell update).•一個 RNC 可與數個 RNCs透過 Iur interface 相連. Note: GPRS/GSM 中的 BSCs彼此之間並不相連.

•IuCS, IuPS, Iub, Iur interface 均實現於 ATM 網路的架構上.

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Characteristics of UTRAN

Support of UTRA and all the related functionalityMaximization of the commonalities in the handling of PS and CS dataMaximization of the commonalities with GSMUse of the ATM transport as the main transport mechanism in UTRAN

•底下介紹 UTRAN 的特性(也就是在設計 UTRAN 架構時的主要考量):•提供 radio interface 所有相關功能, 特別是支援 soft handover 及WCDMA 的Radio Resource Management algorithms.•儘可能讓處理 PS 與 CS domains 的資料的方式, 有最大共通性, 使用相同的air interface protocol stack (Uu) 連到 UE, 相同的 Iu連到 CN. •儘可能維持與 GSM 間的最大共通性•使用 ATM 做為 UTRAN 中最主要的 bearer.

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Logic Role of the RNC

Controlling RNC (CRNC)Serving RNC (SRNC)Drift RNC (DRNC)

Node B

Node B

Node B

Node B

SRNC

DRNC

Iub

Iur

Iu

UE

Node B

Node B

Node B

Node B

SRNC

DRNC

Iub

Iur

Iu

UE

Soft handover

Node B

Node BSRNC

IubIu

UE(a)

(b)(c)

•RNC 有三種不同的角色, CRNC, SRNC, DRNC.•CRNC: 當 RNC 在扮演控制一個 Node B 的角色時, 稱為 CRNC.

•負責其管轄的 cells 間的 load and congestion control. 當要與 UE 建立起新的連結時, 負責 admission control 與 code allocation.

•當一個 UE 與 UTRAN 建立連線後, 可能因 handover, 造成需要多個 RNC 同時支援無線電資源, 此時 RNC 間便有下面兩種角色:•SRNC: 在UE 與 UTRAN 建立連線中, 與 CN 相連, 負責和 CN 間傳遞資料與處理 RANAP 的 RNC, 稱為 SRNC. SRNC 也是 RRC signaling 的最後一站. SRNC 要負責與 air interface 間 L2 資料的處理, Radio Access Bearer 參數與air interface transport channel 參數間的轉換, handover decision, outer loop power control.

•Note: RNC 與 CN 間的連結稱為 RANAP connection.•DRCN: 對 UE 而言, 同時支援 UE 無線電資源那些 RNC, 除了 SRNC 外, 都稱為 DRNC. DRNC 必須負責 data routing, macro-diversity combining and splitting. DRNC 不處理 L2 層的使用者資料, 但當 UE 使用單獨的 transport channel 時, 必須負責在 Iub, Iur間的繞送.

•每個 UE 必會有一個 SRNC, 會有 0 或多個 DRNC.•圖中是 inter-RNC soft handover 的示意圖, 圖 (a) 是一開始 UE 只與一個SRNC 相連的情況. 圖 (b) UE 做 soft handover 同時使用兩個 RNC 的資源, 資料是在原 SRNC 做 combine 的動作, 新加入的稱為 DRNC. 圖 (c) 是 UE 再往下移動後, 只與一個 Node B 相連的情況.

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Core Network

HLR (Home Location Register)MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/ Visitor Location Register)GMSC (Gateway MSC)SGSN (Serving GPRS Support Node)GGSN (Gateway GPRS Support Node)

•Core Network 包括下面這些元件, 還有一些提供 Intelligent network 功能的元件未列在上面:•HLR•MSC/VLR 提供 circuit-switched (CS) 服務. •GMSC 提供 UMTS PLMN 從 CS domain 連到外界網路的交換機.•SGSN 類似MSC/VLR, 提供 circuit-switched (PS) domain 服務. •GGSN 類似 GMSC, 提供 PS domain 服務. •從 GPRS 演進到 UMTS, core network 中的 SGSN 與MSC 都需要作修改.

•SGSN 與MS 都必須修改 (特別是MM 與 PDP Context 及相關程序).•其它 core network 節點如 HLR (特別是 HLR 的 packet domain subscription date), VLR 及 GGSN ( 特別是, PDP contexts) 基本上都是一樣.

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Main Open Interface

Cu: USIM ↔ MEUu: UE ↔ Node BIub: Node B ↔ RNCIur: RNC ↔ RNCIu: UTRAN ↔ CS

•UMTS 定義了底下這些 interface.•Cu: USIM ↔ ME•Uu: UE ↔ Node B•Iub: Node B ↔ RNC•Iur: RNC ↔ RNC•Iu: UTRAN ↔ CS

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Wideband CDMA, Code Division Multiple Access

4.4 – 5.0 MHz

Frequency

Time

Power

10 msec frame

High bit rate user

Variable bit rate user

= Codes with different spreading, giving 8-384 kbps

•在這個部份, 我們將簡單陳述第二代系統, GSM 與 IS-95, 與第三代系統間在air interface 上的差異.•第二代系統主要是提供語音的服務, 而第三代系統必須達到特定的需求, 才會有能力提供新的服務. 因此我們將先介紹第三代系統的需求, 再來看WCDMA 的特性. 我們會先介紹 power control 與 softer/soft handover, 再介紹2G/3G 間的差異.•上面的圖將在後面說明WCDMA 的特性時, 用於說明 frame length, bandwidth, variable bit rate, code與 power 等概念.

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Requirements of 3G Systems (1/2)

Bit rate up to 2 MbpsVariable bit rate to offer bandwidth on demandMultiplexing of services with different quality requirements on a single connectionDelay requirements from delay-sensitive real-time traffic to flexible best-effort packet dataQuality requirements from 10% frame error to 10-6 bit error rate

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Requirements of 3G Systems (2/2)

Coexistence of 2G and 3G systems and inter-system handovers for coverage enhancements and load balancingSupport of asymmetric uplink and downlink trafficHigh spectrum efficiencyCoexistence of FDD and TDD modes

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Main WCDMA Parameters

Supported by the standard, optional in the implementation

Multi-user detection, smart antennas

Coherent using pilot symbols or common pilotDetection

Variable spreading factor and multi-codeMulti-rate concept

Multiple services with different quality of service requirements multiplexed on one

connection

Service multiplexing

Asynchronous operationBase station frequency

10 msecFrame length

3.84 McpsChip rate

FDD / TDDDuplex method

DS-CDMA (Direct-Sequence - CDMA)Multiple access method

•以下是WCDMA 的一些重要特徵:•WCDMA 採用 wideband Direct-Sequence Code Division Multiple Access. 換言之, 使用者的資料乘上由 CDMA spreading code 所形成的 quasi-random bits (稱為 chips, 3.84Mchips per second), 直接在 5 MHz 頻寬上展開.

•如果 DS-CDMA 系統所使用的頻寬在 1 MHz 左右, 像 IS-95 使用1.25 MHz, 通常會稱為 narrowband CDMA 系統.•寬頻代表更大的資料傳輸量, 增加 multipath diversity.•依據各個 carriers 間的 interference, 展開的頻寬會在 4.4 MHz - 5 MHz 之間.

•WCDMA 支援 Bandwidth on Demand (BoD) 的概念. 每 10 msec稱為一個frame, 在這段期間內, 使用者的資料傳輸速率是固定的. 但換到下一個 frame, 便可以依需求改變 data rate. 網路端會希望達到最佳的 throughput, 而有效且快速的分配無線電資源.•WCDMA 提供 FDD (uplink/downlink 各 5 MHz) 與 TDD (用於 IMT2000 無法成對的頻道上) 兩種模式.•對WCDMA 而言, 各個基地台不需像 IS-95 用 GPS 做為時間的參考, 基地台不需要同步. 所以對室內或微細胞基地台的建立會相對比較容易.•WCDMA 利用 pilot symbol 或 common pilot, 來連續偵測 (coherent detection) uplink 與 downlink 訊號. 相對於 IS-95 只有偵測 downlink, WCDMA 可以增進 uplink 的 capacity 與 coverage.•在網路端, 可以使用先進的 CDMA 接受器的觀念, 如 smart antenna, multiuser detection, 來增加 capacity 與 coverage.•支援WCDMA 與舊有 GSM 系統間的 handovers.

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Spreading and Despreading

•使用者的資料假設使用 BPSK, bit sequence rate R.•在 spreading 的過程中, 每一個 bit 乘上一個 spreading code (i.e., sequence of 8 bits, (稱為 chips)). 則最後的結果有 chip rate =8R. 我們說 spreading factor = 8.•當 receiver 收下來後, 依據相反的步驟進行, despreading, 將收到的訊號與spreading code 做 equivalence, 就可還原成原來的 data.•對 BS 而言, 把每一筆 user 的資料做 summation, 一起送出去.

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Principle of the CDMA Correlation Receiver

•這張圖說明MS 對這個訊號, 用自己的, 不同的 code 做 despreading, 則會得到很小的 power. 只有 BS 傳給自己的 signal, 會在 depreading 後得到足夠的能量表示 1 or –1.•上半部是用正確的 code 做 despreading, 對第一個 data bit 而言, 得到 8 個連續的 1, 把這八個 1 加起來, 能量就從 0 升到 8, 再乘上 1/8, 就得到最初的1.•上半部是另一個MS 用不正確的 code 做 despreading, 對第一個 data bit 而言, 得到 1,-1,-1,-1,-1,1,1,1,1, 把這八個能量加起來, 能量就從 0 上上下下, 最後得到 0, 再乘上 1/8, 就得到能量 0, 對解開 BS 給自己的資料, 完全沒有影響.

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Multipath Propagation

Rake fingers

Rake receiver

Strong coding, interleaving, retransmission

• 由於週遭障礙物的影響, 無線電波射到不同的障礙物又反設回來(reflection), 也許也會有 light of sight. 就會產生下面的 effects:

1. 發送出來的信號, 遇到障礙物而折射回來的每一條路徑長短不一, time delay 也不相同, 最後抵達手機的時間與能量都不同. 在WCDMA 每個chip 佔 0.26 υs (for 3.84Mcps), 只要兩條 path 的長度差 78m 以上, 其delay 便超過 0.26us, 遠比 IS-95 要 300m 嚴重. 因在手機移動時, 遇到的障礙物會慢慢改變, 所以接收的訊號功率準位會平緩改變, 稱為 slow fading.

2. 即所謂 Fast fading, signal cancellation. 若兩條 path 的距離剛好差半個波長, 能量又差不多, 便剛好抵消. 因此當手機移動時, 每半個波長 (ex: GSM 900 MHz, 波長 0.33m) 的距離, 信號強度便發生快速的變化, 所以稱為 fast fading.

• WCDMA 的對抗的政策:1. 偵測並在這些特殊的 delay position, 使用多個 Rake fingers (correlation

receivers) 將分散的能量合併起來.2. 使用 Rake receiver 及 fast power control3. 使用 strong coding and interleaving and retransmission protocol, 以增加

redundancy 及 time diversity.

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Maximal Ratio CombiningTransmitted symbol

Received signal at each time delay

Modified with the channel estimate

Combined symbol

Finger #1

Finger #2

Finger #3

•這張圖說明 Rake receiver 使用 3 個 Rake finger 追蹤不同時間收到的信號 (包括phase 與 amplitude). •WCDMA 使用已知的 pilot symbols 做為基準, 用來修正其他收到信號的, 做phase rotator. 最後再加在一起, 以還原最原始的信號.•這樣的過程稱為 maximal ratio combining (MRC).

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CDMA Rake Receiver

Correlator

Code generators

Channelestimator

DelayEqualizer

Phaserotator

Σ I

Σ Q

I

Q

Combiner

I

Q

Timing (Finger allocation)

Matched filter

Finger 1Finger 2

Finger 3

Input signal from RF

•這是一個 CDMA Rake receiver 的 block diagram.•Code generator 與 Correlator用於 despreading and integration 使用者資料.•利用 phase rotator 將delay 移除.•Combiner 將來自不同 finger 的訊號加在一起.•Matched filter 用於決定目前這個 channel 的 multipath delay profile.

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Close-loop Power Control

UE1

UE2

P1

P2

BS

•在WCDMA 中嚴謹而快速的 power control 是最重要的概念. 特別是 uplink 的 power control, 若沒有 uplink power control, 一支手機發送太大的能力, 就會使整個 cell 無法動作 (block).•圖中 UE1 與 UE2 使用相同的頻率, 只有利用不同的 spreading code 來區別它們. 若 UE1 在 cell 的邊緣正為 path loss 所苦惱, 而 UE2 靠近 BS. 假使 UE1 與 UE2 沒有做 power control, 用相同的 power 來傳送, UE1 的訊號便會被UE2 的訊號蓋過. 稱為 near-far problem of CDMA. 要解決這樣的問題必須讓BS 收到所有手機的訊號是一樣大的.•Open-loop power control 的機制(只有單向), 是利用手機計算 downlink beacon signal 的平均值, 來得到大概的 path loss, 然而若用此值來決定手機的發送功率太不精確. 原因是因為WCDMA uplink 與 downlink 使用的頻道離太遠, 所以 uplink/downlink 的 fast fading 的形態是不相關的. 因此 open-loop power control 只能用於當 UE 開始要與系統建立連結時做粗略的 power setting.•最後只有 Fast closed-loop power control 才能解決此問題. 對於 uplink, BS 經常 (1.5kHz) 要估計接收到的 Signal-to-Interference Ratio (SIR), 並與 target SIR 比較. 若是 measured SIR > target SIR, BS 命令所有 UE 降低 power; 若是measured SIR < target SIR, BS 命令所有 UE 提高 power. 這樣的控制頻率比嚴重的 path loss 或 fast Reyleigh fading 來得頻繁, 才得以解決問題.

•Note: power 增高會干擾到臨近的 cell.•相同的 closed-loop power control 也用於 downlink. 在 downlink, 在 cell 邊緣的 UE 受到周遭所有 BS 的干擾, 也因 Rayleigh fading 而希望 BS 能增強微弱的信號.

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Outer Loop Power Control

UE1

SIR target adjustment commands

Node BRNC

Time

SIR target

UE stands still

Frame reliability information

•用於設定 target SIR setpoint.•對於各別的 radio link connection, 可以設定其 uplink 的 frame error rate (FER), 或是 bit error rate (BER) 等服務品質, BS 藉由設定 target SIR setpoint當做基準, 要求手機增加或減少 power. 但是 target SIR 不應是一個定值, 原因是當手機快速移動, 遇到不同的 multipath profile 或靜止時, 都會使連線有不同的特性. 所以我們隨時設定 target SIR setpoint (power), 隨著手機的移動速度來改變, 只要隨時符合最低的通訊品質 (FER) 即可.

•如上圖, 當手機不動時, target SIR 可以設的很小, 但又滿足 FER (ex: <1%).

•Outer loop power control 通常都是做在 RNC 端. BS 將 frame 的 CRC check 當做 frame reliability indicator, 送給 RNC 判斷傳輸的品質是否下降. 如果下降的話, RNC 通知 BS 增加 target SIR setpoint. 最後決定權會做在 RNC 的原因, 是在於如果手機正在 handoff, 計算 CRC check, 必須在 soft handover combining 之後.

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Softer Handovers

UE1

Node BRNC

Sector 1

Sector 2

The same signal is sent from both sectors to UE1.

•當手機在同一個 BS 的兩個 sectors 的重疊區域中 (使用相同的 frequency), 就會做 softer handover. •此時手機會與系統透過兩個 air interface 通訊, 為了讓手機可以區別這兩個不同的訊號來源, 必需使用不同的 spreading code, 手機收到後再用 (maximal ratio combining) Rake processing 合併在一起.•Uplink 也是分別走不同的 air path, 送到 BS 的 baseband Rake receiver 合併(maximal ratio combining) 在一起.•在做 softer handover 時, 只有一個 path 會做 power control.•大約有 5-15% 是 softer handover.•要進行 soft/softer handover 的原因與需要做 closed-loop power control 的原因相似, 若不做 soft/softer handover, 就會產生 near-far scenarios, 手機會因傳送太大的 power (跟自己的 BS 有 power control), 而干擾到相臨的 cells (沒有做power control). 因此 soft/softer handover 是WCDMA 中簡少干擾很重要的工具.

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Soft Handovers

UE1

2nd Node B RNC

The same signal is sent from both BSs to UE1 except for the power control commands.

1st Node B

•當手機在兩個 BS 的重疊區域中 (使用相同的 frequency), 就會做 soft handover. •此時手機會與系統透過兩個 air interface 通訊, 為了讓手機可以區別這兩個不同的訊號來源, 必需使用不同的 spreading code, 手機收到後再用 (maximal ratio combining) Rake processing 合併在一起. 和 softer handover 幾乎一樣.•Uplink 時, soft 和 softer handover 差很多. 兩個 uplink signal 會分別送到 RNC 才合併. RNC 會利用 frame reliability indicator (用於 outer power control) 選出較好的 frame. 這個過程約須 10-80ms (因為要先做 interleaving).•兩個 path 都會做 power control.•大約有 20-40% 是 softer handover.•為了要做到 soft handover, 系統在規劃時, 必需考量下列額外的資源:

•在 Node B 需要額外的 Rake receiver channels.•在 RNC 與 Node B 之間需要額外的 transmission links•在 UE 需要額外的 Rake finger.

•UTRA FDD 會從 CPICH (common pilot channel) 來測量•Received Signal Code Power (RSCP): 代表接收後做 despreading, CPICH 單一 signal code 的訊號強度•Received Signal Strength Indicator (RSSI): 代表接收到整個寬頻的訊號強度

•UTRS FDD 用 Ec/No: RSCP/RSSI 來做為判斷是否 handover 的依據. 此外spec 也有提到 operator 可以用 power control 會測量的 SIR 做為 handover 的參考.•當要進行 soft handover 時, 必需考慮兩個 cell 間的 timing, 手機 Rake receiver 才有辦法 combine 來自不同 BS 的訊號. 而 serving cell 也會把手機送來的 timing difference measurement, 送給 RNC. RNC 再送給 target cell 做

調整

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Handovers in WCDMA

Softer handoverSoft handoverInter-frequency hard handoverInter-system hard handover

•要進行 soft/softer handover 的原因與需要做 closed-loop power control 的原因相似, 若不做 soft/softer handover, 就會產生 near-far scenarios, 手機會因傳送太大的 power (跟自己的 BS 有 power control), 而干擾到相臨的 cells (沒有做power control). 因此 soft/softer handover 是WCDMA 中簡少干擾很重要的工具. •除了 soft/softer handover 外, WCDMA 另外有下面兩種 handovers:•Inter-frequency hard handover 用於兩個 BS 使用不同的頻道. 通常是因為要增加系統的 capacity, 才會在同一區域中架構許多使用不同 frequency 的 BSs. Hard handoff 就不需如同 soft handoff 要做 timing measurement. •Inter-system hard handover 用於跨越WCDMA FDD 系統與WCDMA TDD, 或 GSM, 或其他系統如Multi-carrier CDMA 時使用.

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WCDMA vs. GSM Air Interface

No supported by standard

Supported for improving downlink capacity

Downlink transmit diversity

Time slot based scheduling with GPRS

Load-based packet schedulingPacket data

Frequency hopping5 MHz bandwidth gives multipath diversity with Rake

receiver

Frequency diversity

Network planning (frequency planning)

Radio resource management algorithms

Quality control

2 Hz or lower1500 HzPower control frequency

1-181Frequency reuse factor

200 kHz5 MHzCarrier spacing

GSMWCDMA

•原有 GSM 系統包括 core network 與 service 的概念, 這樣的 platform 加上WCDMA air interface, 便可以提供新的服務. •但 GSM 系統

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WCDMA v. IS-95 Air Interface

Yes, typically obtained via GPS

Not neededBase station frequency

No supported by standardSupported for improving downlink capacity

Downlink transmit diversity

Packet data transmitted as short circuit switched calls

Load-based packet scheduling

Packet data

Not needed for speech only network

Yes, provides required quality of service

Efficient radio resource management algorithm

Possible, but measurement method not specified

Yes, measurements with slotted mode

Inter-frequency handovers

Uplink: 800 Hz, downlink: slow power control

1500 Hz, both uplink and downlink

Power control frequency

1.2288 Mcps3.84 McpsChip rate

1.25 MHz5 MHzCarrier spacing

IS-95WCDMA

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Universal Terrestrial Radio interface (UTRA)

•原來在 ETSI 中, UTRA 代表的是 UMTS Terrestrial Radio.

35

Duplex Modes

UTRA FDD (Frequency Division Duplex) Mode• Paired separate frequency bands• Duplex separation is 190 MHz• For low data rate, wide cell area

UTRA TDD (Time Division Duplex) Mode• Uplink and downlink in the same frequency band• Guard period is needed.• For higher data rate, small cell area

•WCDMA 提供 FDD (uplink/downlink 各 5 MHz) 與 TDD (用於 IMT2000 無法成對的頻道上) 兩種模式. 但底下介紹都是以 FDD 為主.•FDD (Frequency Division Duplex):

•A “DUPLEX SEPERATION” of 190 MHz is used to avoid interference between the two signals.•FDD is better suited to covering wide areas with lower transmission rate.

•TDD (Time Division Duplex):•To avoid overlap between uplink and downlink from propagation delays, a “GUARD PERIOD” is allocated.•TDD is suitable for small cell areas where higher data rates can be provided.

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General Protocol Model for UTRAN Terrestrial Interfaces

Transport Network Layer

Radio Network Layer

Control Plane User Plane

Transport Network Control Plane

Transport Network Control

Plane

Transport Network User

Plane

Signaling Bearer (s)

Data Bearer (s)

Signaling Bearer (s)

ALCAP(s)

Application Protocol

Data Stream(s)

Physical Layer

Data

Transporchannel

Physical channel

•設計 UTRAN terrestrial interfaces 的協定結構時, 會依據上圖這個一般性的協定模型. 此 model 的原則在每一個 plane, 每一個 layer 之間都要independent. •此模型包含兩個主要的 layers: Radio Network Layer 與 Transport Network Layer. 只有 Radio Network Layer 與 UTRAN 有關, Transport Network Layer 只要是一般的通訊標準, 無需因 UTRAN 而改變.•從另一個角度看此模型, 則包括 Control plane, User Plane, Transport Network Control Plane, Transport Network User Plane.•Control Plane 用於傳送 UMTS 特定的控制信號, 在應用協定上包括 Iu中的RANAP, Iur的 RASAP, Iub的 NBAP. 下層的 Signaling bearer 用於傳送 AP 的資料.

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Physical Layer

To support variable bit rate transport channels to offer bandwidth-on-demand serviceTo multiplex several service to one connection

•在 UTRA 中, 上層的資料會由下層的 transport channel 來載送. Transport channel 再對應到 Physical layer, 使用不同的 physical channel 傳送.•Physical layer 的工作在於提供各種 bit rate 的 transport channel, 以支援bandwidth-on-demand 的服務. 再將這許多不同的服務放入同一個連結(connection) 中.

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Transport Channels vs. Physical Channels

TFCI

TFI Transport Block

Transport Block

TFI Transport Block

Transport Block

Coding & Multiplexing

Transport Ch. 1 Transport Ch. 2

Physical Control Channel

Physical Data Channel

TFCI

TFI Transport Block

Transport Block

TFI Transport Block

Transport Block

Decoding & Demultiplexing

Transport Ch. 1

Physical Control Channel

Physical Data Channel

Transport Ch.2

Transmitter Receiver

Transport Format Indicator

Transport Format Combination Indicator

•每一個上層的 Transport channel 都會有一個 TFI (Transport Format Indicator) 說明其目的地. 這些 TFI 送到 physical layer 後會合併於 TFCI (Transport Format Combination Indicator), 透過 physical control channel 送出. •每一個 Transport channel 的資料部份, 則經過 coding 與 multiplexing, 透過physical data channel 送出.•在 Receiver 端, 則以相反的方向做 Decoding 與 demultiplexing, 分送給各個transport channel.

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Transport Channel

Dedicated transport channel• Dedicated channel (DCH)

Service data (e.g., speech frame) and higher layer control frame (e.g., handover commands and measurement reports)

Common transport channel• 6 types• Difference between 2G and 3G

Transmission of packet dataDownlink shared channel for transmitting packet dataFast power control

•Transport channel 分成兩大類: Dedicated transport channels 與 common transport channels.•Dedicated transport channels 是保留給一特定 user 使用, 使用特定的 code.

•底下只有一種 dedicate channel (DCH), 可以運送 data 如 speech frame, 以及 higher layer control information 如 handover commands, measurement report.•在WCDMA 中, 每一個 frame 可以有不同的 data rate, 所以不需要像GSM 分成 traffic channel (TCH), Associated control channel (ACCH).

•Common transport channels 是給所有 users 共享, 共有六種 type.•和 GSM 差不多, 差異在於在 common channel 上會傳送 packet data, 在 downlink shared channel 上也會傳送 packet data.•Common channel 不負責 handover, 但傳送 fast power control.

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Common transport channel

Broadcast Channel (BCH) (downlink)Paging Channel (PCH) (downlink)Random Access Channel (RACH) (uplink)Uplink Common Packet Channel (CPCH) (uplink)Forward Access Channel (FACH) (downlink)Downlink Shared Channel (DSCH) (downlink)

•Broadcast Channel (BCH): 傳送與 cell 或 UTRAN 相關的基本資訊, 如此 cell 中可獲得的 random access codes, access slots, 或 transmit diversity method 的型式.

•為了讓最遠, 最 low-end 的手機可以讀取 BCH, BCH 必須採用 low and fixed data rate, high power.•Paging Channel (PCH): 傳送與 paging procedure 相關資訊, 如果網路要通知手機有一通 speech call, 所有 location area 下的 cells 都要 page 手機.

•PCH 的設計會影響手機的耗電量, 當手機在 standby 時, 在網路發送 paging 資訊的時間必需轉為 receiver 以檢查是否有來電. 越多的 paging 會耗電.

•Random Access Channel (RACH): 讓手機在回應 page, 主動建立 connection, initial system access, 時, 上傳資料給網路.

•RACH 也要是 low data rate, 確保網路端可以聽懂手機傳來的訊息•Uplink Common Packet Channel (CPCH): 做為 RACH 的延伸, 傳送上行的 packet-based user data (相對的下行 packet-based user data 則透過 FACH 傳送).

•CPCH 和 RACH 不同的地方是 UPCH 做 fast power control, 使用 physical layer 的 collision detection 機制, 有 CPCH status monitoring procedure. RACH 通常只有 1-2 frames, 而 UPCH 可能有多個 frames.

•Forward Access Channel (FACH): 當手機上用 RACH 傳送資料後, 基地台就要透過 FACH 傳送控制資訊如 inbandidentification information 給手機.

•至少要有一個 FACH 要用 low bit rate, 不做 power control, 確保所有手機要收得到. 如果有其他資料要給手機, 則可用其他 high bit rate 的 FACH 來傳送.

•Downlink Shared Channel (DSCH): 傳送特定的 user data 及 control information.•DSCH 和 FACH 不同的地方是 DSCH 做 fast power control, variable bit rate. DSCH 只要讓特定的手機可以接收到訊息,

•若要維持最基本的網路運作, Common transport channels 中 RACH, FACH 與 PCH 一定要有, 而 DSCH 與 CPCH 是option.

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Transport-channel to Physical-channel Mapping

Transport Channels Physical ChannelsBCH FACH PCH RACH DCH

Primary Common Control Physical Channel (PCCPCH) Secondary Common Control Physical Channel (SCCPCH)

Physical Random Access Channel (PRACH) Dedicated Physical Data Channel (DPDCH) Dedicated Physical Control Channel (DPCCH) Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) Physical Common Packet Channel (PCPCH) Synchronization Channel (SCH) Common Pilot Channel (CPICH) Acquisition Indication Channel (AICH) Paging Indication Channel (PICH) CPCH Status Indication Channel (CSICH)

Collision Detection/Channel Assignment Indicator Channel (CD/CA-ICH)

DSCH CPCH

•這張投影片說明 transport channel 與 physical layer 的 physical channels 的對應. 可以發現大部份的 transport channel 都有特定的 physical channel 來幫忙傳送.•SCH, CPICH, AICH 一定要有•CSICH, CD/CA-ICH 是當 CPCH 有用到時, 才使用.•DCH 對應到兩個 physical channels, 分別傳送 physical layer control information 與 data. DPCCH 是 fixed rate, DPDCH 是 variable rate.•在 physical layer, 每個 radio frame 佔 10 msec. 然而對於 paging procedure 或random access procedure, 為了要正確接收手機資料, 使用大於 10 msec的system frame.

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Spreading and Scrambling

DataChip rateChip rateBit rate

scrambling codechannelization code

To transmit

Uplink: Separation of terminal Downlink: Separation of sectors (cells)

Uplink: Separation of DPDCH and DPCCH from the same terminalDownlink: Separation of downlink connections to different users within one cell

UsageScramblingSpreading

•手機除了要做 spreading, 也要做 scrambling. 傳送端做完 spreading (使用channelization code) 之後, 再做 scrambling (使用 scrambling code) .•Scrambling code 是要分別 uplink 的各個手機與分別 downlink 的基地台•Spreading/Channelization code 的作用在於

•Downlink: 區別同一個 cells 中的給不同 users 的連結.•Uplink: 區別來自同一個手機的 DPDCH 和 DPCCH.

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Scrambling Codes

The scrambling codes differentiate signals from different sources.Generated by using Pseudo-Random number sequences known as a PN sequence.• A sequence of binary numbers which

appears to be random.Since UTRA uses different scrambling codes to separate users from cells, it is not necessary to be synchronous between BSs.

•Scrambling code 是要分別 uplink 的各個手機與分別 downlink 的基地台. 所以即使多支手機都用了相同的 spreading code, 也能用 scrambling 分辨出來.

•Scrambling code 會使用 Pseudo-Random sequence, 就是一串非常random 的 binary number.•由於WCDMA 使用 scrambling 來分別來自不同 cell 的不同 user, 所以各 BS 就不再需要同步. 相反的, IS-95 由於沒有 scrambling code, 各 BS 必需做到synchronization, 使用 Spreading code 來區別 users.•Scrambling code 有底下這些特徵:

•Length: 10ms frame 使用 38400 chips (所以最後的 chip rate 仍為38400/10^-2 = 3.84 MHz)•Number of code: 有數百萬種 uplink code, 而只有 512 downlink codes•Code family: 10 ms 的 Gold code•Scrambling 不會改變 signal bandwidth, chip rate. 也就是沒有spreading 的功用.

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Channelization Codes

Transmissions from a single source are separated by chanelization codes.The Spreading Factor (SF) can be changed (e.g., for variable bit-rate services)The generations of channelisation codes are based on the OVSF codes.• OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor)

Spreading factor defines the number of channelization codes per scrambling code

•Channelization code 的作用在於區別來自同一來源 (如同一 BS 給不同 users, 或同一手機上傳的不同資料) 的傳輸連結.

•Downlink: 區別同一個 cells 中的給不同 users 的連結.•Uplink: 區別來自同一個手機的 DPDCH 和 DPCCH.

•Spreading code 使用 Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF) 的技術•Spreading factor 可以自由改變, i.e., 不同 user 在展頻時可以使用不同長度的 spreading code. 其長度稱為 spreading factor, 就是展開的倍率.•OVSF codes 的特性就是這些不同長度的 spreading code 彼此間仍然維持 orthogonal.•最後的 chip rate 仍然是 3.84 Mcps.

•各個 Node B 的 Downlink 的 orthogonal codes 都是由 RNC 來管理.•Channelization code 有底下這些特徵:

•Length: uplink 為 4-256 chips, downlink 為 4-512 chips (針對一個 10 ms frame)•Number of code under one scrambiling code = spreading factor•Code family: channelization codes 是依據 Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF) 的技術.•Channelization code 有 spreading 的功用, 會增加 transmission bandwidth.

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OVSF Code Tree

Chip length SF=1 SF=2 SF=4 SF=8

00

01

001100111100

00110011

01010101

01011010

00001111

00000000

01100110

01101001

0101

0000

0110

0

c,c

c,-cc

data 0 1 code 0110 0110

data 0 code 0110 1001

SF=4 SF=8

•OVSF code 會形成一個 tree, 如上圖.•產生的方式, 如果 parent 是 code c, 長度為 SF, 則其兩個 children 分別是 (c,c)與 (c,-c),長度為 2SF. 其中 –c代表 complement. 舉例來說, c=0110, -c=1010, c的 children 為 (c,c) =01100110, (c,-c)= 01101010. •在分配 channelization code 有一些限制: 一旦一個 code (ex: 0110) 被使用, 從此 code 到 root 間的 codes (ex: 0, 01) 都不可被使用. 而且從它之後的 branch 的 code 都不可為他人所用 (ex: 01101001).•Example: 使用者每次上傳資料時, 都會包括一條 DPCCH (使用 SF=256 的OVSF code) 放控制訊號 (如 TFCI 與 DPDCH 的 rate) 與數個不同 bit rate 的DPDCH (SF 從 4 到 256) 來放資料.•要使 chip rate=3.84Mbps, 所以在相同的 period 間, 使用的 spreading code 越短, 便可傳送越多的資料. 如同樣有 8 個 chips 的情況, 若 SF=4, 則可送 2 bits, 若 SF=8, 則可送一個 bit.•SF=4, total bit rate 為 3.84Mbps/4 = 960 kpbs•SF=256, total bit rate 為 3.84Mbps/256 = 15 kpbs

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Uplink Dedicated Channel Frame Structure

0 1 2 43 5 6 7 98 10 11 12 1413slot

10msec

PILOT TFCI FBI TPC

DataDPDCH

DPCCH

2560 chips

•我們以 Uplink 的 DPCCH, DPDCH 為例, 說明其架構. 其他的 channel 也有類似的格式, 請參考[3].•每個 frame 會切成 15 個 slots. 每個 slot 約 666 us, 與 GSM 577 us 接近.•DPCCH 的 slot 切成四塊, 分別是 pilot, TFCI, FBI, TPC.

•pilot 讓接收端做 channel estimation. TFCI (Transport Format Combination Indicator) 放控制資訊, FBI (Feedback Information) 做為BS 下行時 closed loop transmission diversity 之用. TPC (Transmission Power Control) 則是送給 BS 做下行的 power control commands.•在 DPCCH 的 slot 就有六種, 只有 pilot 與 TPC 一定有, 其長度也會變.

•DPDCH 用於放使用者資料. 若以最大傳輸量計算, 如果使用 SF=4 的spreading code, 則每一個 slot 放 640 bits, total bit rate 為 960 kpbs. 如果是用 ½coding, 則約為 480 kbps data rate.

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Mobility Management

•請參考 GPRS_UMTS_MM.ppt•這裡只簡單的介紹 UMTS 的 location tracking.

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Control Planes for UMTS and GPRS

(a) Control plane for UMTS Mobility Management

(b) Control Plane for GPRS Mobility ManagementRLC

GMM

LLC

Lowerlayer

protocols

BSSGP

Lowerlayer

protocols

GMM

LLC

Lowerlayer

protocols

Lowerlayer

protocols

RLC BSSGP

Relay

MSUm

SGSNBSSGb

RRC

GMM

RLC

Lowerlayer

protocols

RANAP

Lowerlayer

protocols

GMM

SCCPRLC SCCP

Lowerlayer

protocols

Lowerlayer

protocols

RRC RANAP

Relay

MSUn

SGSNRNS LuPS

•UMTS 與 GPRS 的 Control Planes 的比較. •GPRS 中, MS 與 SGSN 之間可靠的連線是由 LLC 所保證. 但在 UMTS 中並沒有 LLC layer, SGSN 也不再負責任何與 radio 相關的事務. UMTS 切成兩斷: Radio Resource Control (RRC) protocol負責MS 與 UTRAN 之間的可靠連線 (包含所有 radio resource 的管理), Signaling Connection Control Part(SCCP)則負責 UTRAN 與 SGSN 之間的可靠連線.•在 SCCP 頂端的 Radio Access Network Application Part (RANAP) protocol, 支援介於MS 與 CN 之間的行動管理信號傳送, 而 UTRAN 並不會處理這些訊號. RANAP 也負責 serving RNC 的重置 relocation, radio access bearer (RAB) management 等等.•在 GPRS 與 UMTS 中, 都是使用 GPRS Mobility Management (GMM) protocol支援行動管理功能. 在 UMTS 的 GMM 也稱為 UMTS MM (UMM).

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User Planes for UMTS and GPRS

(a) User plane for UMTS

(b) User Plane for GPRS

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-SGSNUTRANMSIu-PSUu Gn Gi

3G-GGSN

ATM

UDP/IP

GTP-U

AAL5

L1

UDP/IP

GTP-U

L2

Relay

Relay

NetworkService

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

NetworkService

UDPUDP

•與使用者資料傳送有關的協定定義於 user plane. 這張圖說明 UMTS 與GPRS 上的 User Planes.•在 GPRS, SubNetwork Dependent Convergence Protocol (SNDCP)在MS 與SGSN 之間的 LLC 層的頂端, 負責傳送NPDUs (Network Packet Data Units).•然而在 UMTS 中, 在MS 與 UTRAN 的 RLC 層上方的 Packet Data Convergence Protocol (PDCP),負責傳送MS 與 UTRAN 之間的 packet. UTRAN 與 CN 間則由 GTP-U (GTP for the user plane protocol)則負責建立在 UDP/IP link (Iu link).•當執行MM signaling procedures 時, 可能會 lost 掉 User data 的封包.

50

Mobility Management (MM) Messaging

The mobility management (MM) messages are exchanged among GPRS/UMTS nodes through various interfaces described in two aspects:• Between the MS and the SGSN• Between the SGSN and Core Network Nodes

(HLR, VLR, GGSN)

•Mobility Management (MM) Messaging 的交換是經由下列的介面在 GPRS 與UMTS 節點之間傳送

•MS 與 SGSN 之間.•SGSN 與 Core Networks Nodes (HLR, VLR, GGSN) 之間.

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MM Messaging between MS and SGSN

In GPRS, MM messages are delivered through the Gb and the Um interfaces. • An LLC link provides signaling connection

between the MS and the SGSN in GPRS.In UMTS, MM message transmission is performed through the Iu and Uu interfaces. • In UMTS, the signaling connection consists of an

RRC connection between the MS and UTRAN, and an Iu connection (“ one RANAP instance”) between the UTRAN and the SGSN.

•GPRS 中, MM messages 是在 Gb及 Um interface 之間遞送.•具體而言, LLC link 提供了MS 與 SGSN 與MS 之間的 signaling connection.

•UMTS 中, MM message 的傳送是在 Iu與 Uu interface 之間進行.•UMTS 的 signaling connection 包含一條MS 與 UTRAN 之間的 RRC connection 以及 UTRAN 與 SGSN 之間的一條 Iu connection (也是一個“RANAP instance”).

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MM Messaging between SGSN and Other CN Nodes

In both GPRS and UMTS, GSM Mobile Application Part (MAP) is used to interface SGSN and the GSM nodes.

•在 GPRS 與 UMTS 中, GSM Mobile Application Part (MAP) 用於規範 SGSN 與GSM 節點之間的介面. 所以 UMTS 並沒有做大幅的修改.

•舉例而言, HLR 的 Gr與MSC/VLR 的 Gs (BSSAP+ protocol 或 BSS Application Protocol +). •SGSNs與 GGSN 使用 GPRS Tunneling Protocol (GTP) 經由 Gninterface 溝通.•具體而言, 兩個 GPRS 節點之間建立 GTP tunnel 以傳送封包. tunnel 由一個 tunnel endpoint identifier (TEID) , 一個 IP address 與一個 UDP port number 來辨認.

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Location Tracking

In UMTS, the cells in an RA are further partitioned into UTRAN RAs (URAs). The URA and the cell of an MS are tracked by the UTRAN.

LA

RA

RAURA

URA URA

URAURA

URAURA

RA

URAcell

cell cell

cell

cell URA: UTRAN RA RA: register areaLA: location area

big

small

•為了能追蹤MS, GPRS/UMTS 服務區域中的 cells (BTSs/Node Bs) 被分割成數個 groups. 為了傳送服務到MS, MS 所在的 cells 會負責呼叫MS 以建立radio link.•在 CS domain 上, cells 被區分成 location areas (LAs). VLR 可追蹤MS 所在的 LA.•在 PS domain 上, cells 被區分成 routing areas (RA). 一個 RA 典型上是一個LA 的子集合. SGSN 可追蹤MS 所在的 RA.•UMTS 中, RA 中的 cells 可進一步區分成 UTRAN 上的 RAs (URAs). UTRAN 可以追蹤 URA 以及MS 所在的 cell.

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Areas Tracked by the Network Nodes

The areas controlled by VLR, SGSN, and UTRAN are listed below:

nononoyesyesyesLAnoyesyesnono-RAyesno-no--URAyesnoyesnononoCell

UMTSUMTSGPRSUMTSGPRSGSMUTRANSGSNMSC/VLR

•表中列出MSC/VLR, SGSN 及 UTRAN 分別在 GSM, GPRS, UMTS 等系統中, 能控制的區域 (i.e., cell, URA, RA, TA ).

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GPRS and UMTS MM

In both GPRS and UMTS, IMSI is used as the common user Identity, and common MAP signaling is applied to both systems as well as GSM.Unlike GPRS, UMTS Radio network parameters and radio resources are managed in the UTRAN.Link GPRS BSS, the UTRAN does notcoordinate MM procedures that are logically between the MS and CN.

•GPRS 與 UMTS 均使用 IMSI 作為共用的 user Identity, 且也如同 GSM 一樣均可使用共用的MAP signaling.•有別於 GPRS, UMTS Radio network parameters 及 radio resources 是在UTRAN 中作管理.•如同 GPRS BSS, UTRAN 不會在MS 與 CN 之間協同MM procedures 的處理.

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Summary

57

Summary

UMTS ArchitectureWireless CDMA in UMTSUser PlaneControl PlaneMobility Management