WCDMA/UMTS 第三代无线通讯系统 核心网络架构介绍-1

一，前言

从去年以来与第三代无线通讯系统有关的新闻，就不断的在媒体上出现，各国政府纷纷选择透过竞标或是审议制来决定频宽执照的发放。似乎就在这一瞬间，我们未来的生活将会与第三代无线通讯系统有着密不可分的关系。

从1888年德国物理学家赫兹以实验证明电磁波存在之后，世界各地对于无线通讯的研究就一直不断的在进行中，从短距离的实验到日后动辄数百公里远的无线电资料传输实验，这领域技术不断的在持续进展，我们知道无线通讯日后将会在人类生活中扮演极为重要的角色。

与目前的手机系统GSM/GPRS比较起来，第三代无线通讯系统的出现，将会带来更高的无线频宽与更丰富的多媒体应用技术，在第三代无线通讯系统中使用者在静止时可以提供2 Mbits/sec的频宽，低速移动时可以提供384 Kbits/sec的频宽，而在高速移动时则提供144 Kbits/sec的频宽。以这样的频宽来说，不只足以满足许多人对于语音传递的需求，甚至是各式各样的网络服务，都有极大的浅力无时无刻出现在使用者手机中。

人类对于资讯与娱乐的需求，一直是无限渴望的，当有一天所有的手机都可以透过宽带无线上网，随时与因特网连通时，我们所看到的世界将会是服务与资讯贴身，无形中与生活紧密的连结在一起。

第三代无线通讯所包含的层面相当的广泛，其中包括所会用到的技术以及在商业化过程中所面临的问题，如果以目前的架构来看，我们可以把整个系统概略分为以下五个部分

﹝1﹞核心网络﹝Core Network﹞
﹝2﹞GSM、GPRS无线通讯网络﹝GSM、GPRS Radio Access Network﹞
﹝3﹞WCDMA/UMTS 无线通讯网络﹝WCDMA/UMTS Radio Access Network﹞
﹝4﹞服务机制与安全﹝Service and Security﹞
﹝5﹞手持装置﹝Terminal Equipment﹞

其中，核心网络﹝Core Network﹞所指的就是各系统业者用来连结各无线基地台与后端大众电话网络﹝PSTN﹞或是其它资料网络的Intranet。透过Core Network系统业者可以让手机用户的语音资料，经由业者的Core Network网络传递到目前通讯的目的端。因此在Core Network的架构中，除了包含语音媒体资料的转换外，还包括了纪录使用者资讯与计费机制的系统。

笔者认为，了解一个无线行动通讯系统最好的方式就是由Core Network着手。因为如果一旦确实了解使用者的语音或是数据资料，是如何透过Core Network来转送与处理的话，那整个系统的雏形将会很自然的在脑海中产生，进一步的再由无线通讯的协定与接口来着手，在这样的学习过程中，可以在建立一个对系统大纲的轮廓后，再逐一的把各个细节探讨完整，相信这将会是对初学无线行动通讯的读者来说，最好的一个学习道路。

而GSM/GPRS与WCDMA/UMTS的无线通讯网络，所指的就是手机与基地台间的无线通讯接口与机制，这也是在认识无线行动通讯系统中相当重要的一环。无线频宽的资源并不像有线频宽资源一样，只要透过光纤与基础建设的建置就可以把频宽一直向上提升，而无线电频宽资源在一个无线传输的范围内是固定的，无法透过增加硬件设备的方式来增加无线频宽。所以我们会发现每一个无线技术的突破，都是致力于在所属的频谱中透过压缩算法与编码的方式，试图让频宽的利用率与资料的传输量可以有所提升。

这五大部分的内容，也就是目前3GPP主要分组讨论的五个主题，笔者打算依据这些内容的不同，分别以Core Network与 Radio Network为主题，再后续的文章中为各位做进一步的介绍，希望可以让更多人有机会了解第三代无线通讯技术的内容与观念。

在真正开始文章的内容前，我们先把名词的部分加以说明清楚。第三代行动通讯的技术称为3G，而GPRS﹝General Packet Radio Service﹞称为2.5G，至于现在在台湾拥有最多使用者的GSM﹝Global System for Mobile Communication﹞称为2G，过去的类比式移动电话AMPS﹝Advance Mobile Phone System﹞则称为1G。

目前3GPP对于第三代无线通讯系统的详细内容，还有许多讨论的议题，读者如果需要最新的3G资讯可以到http://www.3gpp.org 去取得相关资讯。

二，浅谈GSM、GPRS、WCDMA Core Netwok

目前数码式的无线行动通讯技术主要包括GSM﹝Global System for Mobile Communication﹞、CDMA﹝Code Division Multiple Access﹞与PDC﹝Personal Digital Cellular﹞。

其中GSM是欧洲所制定的规格，也是目前台湾使用人口最高的无线行动通讯系统，它在无线电的部分主要是采用FDMA + TDMA的跳频分时多工技术。

而CDMA﹝Code Division Multiple Access﹞是由美国的Qualcomm公司所研发，并且IS-95采用CDMA作为无线电接口的标准，而IS-41则定义了cdmaOne与其他通讯系统节接的网络标准，而基于IS-95标准与符合CDMA规范的系统则称为cdmaOne系统。CDMA也是目前3G系统所应用的通讯协定基础，主要是透过分码多工的连接方式，让所有人可以在一个频段上透过不同的码来收送资料，并可确保资料的正确性。

PDC是由日本最大的电信公司NTT所自行研发的无线通讯规格，主要采用TDMA分时多工技术，也是目前日本所主要采用的行动通讯技术。

早期的无线通讯技术标准，主要的考量是在声音的传递上，例如在台湾最多人使用的GSM行动通讯系统，它在设计之初主要的考量就是声音传递的功能，也因此缺乏了对于封包数据资料的传递考量。虽然，在GSM之后推出的WAP﹝Wireless Application Protocol﹞能让GSM的手机可以透过GSM数据播接的方式享用WAP网页的服务，不过WAP在GSM上的传输速率为9.6Kbits/sec，这与我们一般使用的网络频宽相比较之下，可以说是相当的不足与缓慢。

由于GSM对于传送数据资料能力的不足，所以WAP的服务一直未能如系统业者所愿在商业应用上有所发挥，因而使用人数一直无法成长。

而GSM在无线部分主要还是采用电路交换﹝Circuit-Switch﹞的技术 ，这个技术最主要的问题就是一旦使用者的电话播通之后，不论是否有通话，在这段期间基地台与手机间都会预留固定的通讯频道，直到使用者把电话中断。这样的方式，与现在我们所使用的室内电话﹝PSTN﹞一样，一旦我们建立了两端通话连线，不论现在双方是否有在说话，这段实际的电话连线其实是一直存在的，因此也就不断的对使用者收取费用。透过Circuit-Switch方式最大的缺点就是保留的频宽并未能被充分的利用，而浪费了这段频宽资源。

如下图﹝一﹞所示，这是一个GSM的网络架构概要图



在GSM的网络中，手机我们通称为MS﹝Mobile Station﹞，而基地台为BTS﹝Base Transceiving Station﹞，MS与BTS的无线通讯接口﹝Radio Interface﹞称为Um。而基地台﹝BTS﹞与基地台控制器﹝BSC﹞则透过ISDN (Interated Servicer for Digital Network)网络连结，一个BSC可以连结多个BTS。

接下来就是GSM的核心网络﹝Core Network﹞部分，首先我们可以看到BSC与MSC所连结的A接口，这个接口同时传送了SS7的Signaling与使用者通话的语音资料。如图﹝一﹞所示，其中A、C、D、E、F、G接口都具备传输信号﹝Signaling﹞的能力，而在GSM核心网络中控制信号的传递主要是透过SS7﹝Signaling System #7﹞。而语音的资料，而可以透过T1或是E1的线路，例如一条T1可以切割出24个语音频道，而一个E1可以切割出31个语音频道。

同理，一个MSC可以连结多个BSC，在MSC收到使用者的语音资料后，会把它转成PCM的格式再透过E接口﹝可为T1/E1线路﹞送到GMSC，然后再由GMSC转送到大众网络﹝PSTN﹞上。

如下图﹝二﹞所示，笔者以两个GSM PLMN网络与PSTN网络的为范例，来说明MSC与GMSC在整个通讯流程中的脚色



如图﹝三﹞所示，如果User B与User E为同一个移动电话业者的用户，假设该业者所规划的GSM网络为 PLMN 2，当User B与User E进行网内互打时，User B的语音资料会透过User 所在Cell的BTS送到BSC，之后再到MSC，再由MSC转到User E所属的BSC，再透过User E所属Cell的BTS把User B的通话资料送到User E。



如下图﹝四﹞所示，如果User A与User E分属于两个不同移动电话业者的用户，这两个业者所属的GSM网络分别为PLMN 1与PLMN 2。如果当User A与User E进行通话时，就必须透过两个GSM网络的GMSC作为一个转接的桥梁，才能让两个不同系统业者的用户可以建立通话。



同理如下图﹝五﹞，如果我们要建立一般电话用户﹝PSTN网络﹞User F与手机用户User A的通话连线时。如下图﹝五﹞所示，就会透过移动电话业者所属的GMSC与PSTN网络连结，进而建立了User A与User F的通话。



在这所介绍的架构其实是相当简要的，笔者打算在下一期的内容中再深入的讨论每一个通话建立的过程与核心网络的详细架构﹝例如:HLR、VLR的功能﹞，到时我们才会更详细的把每个步骤一一的加以说明，在这所介绍的内容，主要是希望可以带给各位一个对于行动无线通讯的概念。

在GSM网络中主要负责信号传递的协定为SS7﹝Signaling System 7﹞，它是一种Out-of-Band的通讯协定，所谓的Out-of-Band的意义就是说它是把讯号与使用者资料透过两个不同的实体线路来传送，如下图﹝六﹞



透过Signaling Traffic传递SS7的控制信号资料，使得A与B两端可以建立实际的资料传输连线﹝透过User Traffic﹞。

相信各位一定会好奇，既然有Out-of-Band的硬件通讯接口，那In-of-Band的通讯接口呢? 例如目前许多网络设备采用的ISDN﹝Interated Servicer for Digital Network﹞就是在同一条实体线路上区分2B+D的Channel，一个B Channel同提供64 Kbits/sec的频宽，而D Channel则提供16 Kbit/sec的频宽，所以说一个ISDN的线路最多可以提供2B+D=2*64+16=144 Kbit/sec的频宽。因为这样的架构，所以ISDN网络是在一条实体线路上虚拟出3个Logical Channel，虽然我们看上去是2B+D，B是拿来传送使用者资料，D是用来传送控制的信号，不过这样的方式其实是把D Chnnael的频宽预留起来，使得我们可以在同一个实体线路上同时传输资料与控制信号。

ISDN的In-of-Band架构如下图﹝七﹞所示



随着人们对于行动通讯的需求提高，为了能够让更丰富的资讯可以应用到无线行动网络的环境中，我们需要比GSM更好的数据通讯频宽来满足我们对于无线行动网络服务的需求。因而延伸出的技术就是GPRS﹝General Packet Radio Service﹞。

原本的GSM无线网络环境，在无线的部分主要使用了Circuit-Switch的概念，因而对于无线频宽的资源以及通讯成本上造成了不少浪费。所以GPRS在GSM Phase 2+的标准中，采用了封包交换﹝Packet-Switch﹞的概念，多个用户可以共同分享无线频宽的资源，而屏除了过去GSM专属无线频道时槽﹝Time-Slot﹞只服务一位使用者的问题。在GPRS的架构下所有的手机只要一开机就连接上无线网络，只有在实际资料传输时才计算费用，在不传输资料时间，使用者并不会浪费电无线频宽的资源。相对的，因为对于无线频宽的利用率更好，所以使用者不但可以降低无线频宽的使用费用，也可以促进使用者对无线网络服务的使用率。

每个用户最多可以同时使用GSM 8个时槽﹝Time-Slot﹞。如果以GPRS目前支援的四种编码方式﹝CS-1（9.05 Kbits/sec）、CS-2（13.4Kbits/sec）、CS-3（15.6Kbits/sec）及CS-4（21.4Kbits/sec）﹞提供的传输速率来说，8个时槽最大可以提供21.4K *8=171.2 Kbps/sec的频宽，对于使用者上网来说算是相当够用了。

由于GPRS修改了部分无线电接口的资料传输方式，所以说原本GSM系统业者升级到GPRS时，需要对基地台端的设备加以升级，并且使用GPRS功能的用户必须要配备支援GPRS通讯协定的手机，以提供多个时槽﹝Time-Slot﹞同时收发的功能。如果希望仍旧可以使用GSM通讯系统的话，则可以选择采用GPRS/GSM的双模手机。

GPRS技术的出现并不是全面性的推翻GSM系统既有的架构，相对来说它选择了在既有的GSM网络系统上延伸出来一个可以容纳资料封包的网络架构，在核心网络Core Network部分加入了SGSN﹝Serving GPRS Support Node﹞与GGSN﹝Gateway GPRS Support Node﹞....网络元件。在通讯的接口部分共增加了Gb、Gn、Gp、Gi、Gs、Gf、Gr、Gc...等接口。主要的目的就是让无线通讯端的网络封包可以顺利的透过GPRS的Core Network绕送到它指定的目标网络中。

如下图﹝八﹞所示，Gs、Gf、Gr、Gc都是走SS7﹝Signal System 7﹞的协定，而Gb接口则是透过Frame Rely来传输资料，Gn、Gp与Gi接口则是连接以太网路接口或是ATM接口，这三个Interface所采用的协定为IP﹝Internet Protocol﹞。



由图中我们可以看到，GPRS的通讯网络使用了原本GSM网络所使用的基本配备，像是MSC、EIR、HLR与AUC这些原本GSM网络中的元件，在与GPRS网络配备通讯时并不需要再新增新的通讯接口，可以透过原本GSM网络中使用的SS7讯号通讯协定，来让SGSN与GGSN可以与原本GSM的网络设备进行讯号资料的传递。

GPRS的出现，固然提供了更为充足的无线频宽，不过对于使用者来说多媒体的应用以及大量资料的传输上，仍旧是有所不足，也因此下一代的无线通讯协定中，就必须针对更高的频宽需求提出更理想的解决方案。

而3G 通讯协定目前主要包括了中国大陆的TD-SCDMA、美国的CDMA2000与日本和欧洲共同支持的WCDMA/UMTS。目前来说，较广为一般业界所看好的技术为WCDMA/UMTS因为它是由目前使用人口最多的欧洲GSM业者所参予制定的规格，在保障过去GSM/GPRS系统业者的投资效益来说，具有相当高的相容性。

WCDMA﹝Wideband Code Division Multiple Access﹞是一种使用CDMA技术的无线行动通讯服务，WCDMA主要是由日本的NTT DoCoMo所开发，而核心网络Core Network的部分主要是以欧洲所定的GSM系统核心网络为基础再加以延伸，以期许可以达到国际间漫游的目的。而欧洲所提出的UTRA﹝UMTS Terrestrial Radio﹞由于与WCDMA的技术内容大致相容，所以欧洲的行动电信开发厂商，也倾向于采用WCDMA的技术。

CDMA2000则是以cdmaOne为技术基础，再加以改良而成，主要是由美国所提出。CDMA2000的核心网络Core Network将会以cdmaOne所使用的IS-41标准为基础再延伸出去，以使得CDMA2000可以与cdmaOne的核心网络相容，并达成通讯漫游的目的。

TD-SCDMA是由中国大陆大唐电信与德国西门子所共同推出第三代无线行动通讯技术，TD-SCDMA在无线部分是透过TDD﹝Time-Division Duplex﹞的方式来传输资料。所以说，支援TD-SCDMA的手机与基地台设备彼此对于时间同步的掌握需要相当的精准，所以说每个TD-SCDMA的基地台所涵盖的范围将会受限，对于中国大陆整体普及应用上，我想还有相当的问题需要克服。不过如果以中国大陆目前人口总数来说，一旦决定全面采用TD-SCDMA技术的话，这将有可能成为全球最多人采用的单一无线通讯技术。电信产业攸关一个国家通讯机密与国防安全，各国政府无不试图把通讯的技术掌握在自己手中，中国大陆将是日后发展无线通讯最大的单一市场，所以，我相信这将会是一场政治与商业利益的角力战，再过不久答案就会揭晓。。

第一次看到WCDMA/UMTS 无线通讯部分的人，一定会好奇使用的名词竟然变了这样多，例如原本我们在GSM网络中所称的基地台﹝BTS﹞，在WCDMA/UMTS架构下则称为Node B。而原本过去的基地台控制器﹝BSC﹞在新的架构下则称为RNC﹝Radio Network Controller﹞。它们不只是名称上的不同，其实彼此所负责的工作也有所不同，例如过去的BTS/BSC本身并不负责无线频宽资源的管理﹝RRM，Radio Resource Management﹞，这方面的工作主要是由MSC来统筹负责，不过MSC还肩负有在收到使用者语音资料时，把语音资料还原到PCM格式再透过E接口送到GMSC﹝Gateway MSC﹞，以便于经由GMSC连接到其他通讯网络中﹝例如:PSTN﹞ ，所以在过去的架构中MSC其实负责了相当多的系统运算。

不过在WCDMA/UMTS的架构下，MSC不再需要去处理这样多的复杂运算，无线频宽资源主要交由RNC来负责处理。这样做的好处就是可以让资源管理的工作平均的分布到各个节点上，所以原本的MSC就可以有更多的效能与更多的资源用来处理其他的工作，维持系统运作。

由于WCDMA目前还在制定当中，各个版本对于核心网络Core Network的架构均有所不同，目前主要有R99、R4与R5共三个版本。之所以会分为R99、R4与R5主要的原因在于3GPP在1999年制定了3G网络架构的第一个版本Release 99﹝3GPP R99﹞，原本的规划是依年度来作为每一个阶段版本的编号名称，所以说下一个版本因该称为3GPP R00，不过因为接收到许多来自各地对于3G网络的提案，以至于产生了许多不同的提议，所以把之后的版本规划为3GPP R4与3GPP R5。因此，目前所称的3GPP R99亦可称为3GPP R3。

如下图﹝九﹞所示，为3GPP R99的版本，在这个版本中核心网络Core Network的部分与原本的GPRS核心网络非常类似，沿袭了许多GSM/GPRS核心网络的架构，这样做的好处就是可以让原本GSM/GPRS的系统业者，再过渡到3G网络时，可以保有过去投资的成本与效益。所以说，在3GPP R99的版本中，对于原本经营GSM/GPRS的新3G系统经营者来说，是相当有吸引力的一个架构。



再3GPP R99的架构下，系统业者需要架设新的无线通讯基地台设备，以支援新一代的无线通讯标准，同样的在各无线通讯设备与核心网络的连接上，也新增了IuCS与IuPS的接口。其中，IuCS主要用来传递电路交换﹝Circuit-Switch﹞的资料，而IuPS则用来传递封包交换﹝Packet-Switch﹞资料，IuCS与IuPS的接口采用了ATM网络，而Node B与RNC间的IuB接口同样也是透过ATM来传送Radio Layer的通讯协定。

在3GPP的规划中，原本的GSM/GPRS手机依旧可以在WCDMA/UMTS的网络中使用，也就是说它们允许一个系统业者同时提供一个以上的无线电接口标准，以向后相容支援过去的手机系统。不过在核心网络的部分，则就是让GSM/GPRS与WCDMA/UMTS共享这样的核心网络架构。

笔者觉得，对于系统业者来说3GPP R99 的规格是比较有吸引力的，因为它保护了过去GSM/GPRS系统业者旧有的系统设备投资，而且具备提供新一代WCDMA/UMTS无线网络的能力。

3G时代真正来临其实还有许多问题有待克服，不过我想这一切都已经在准备的路上了，台湾年底也要预备发放3G的执照，不论你是否了解与接受它，3G所带来的无线宽带梦想，将会激发所有人全新的感受。

三，未来展望与应用

3G核心网络Core Network的趋势将会朝向全IP化的方向去发展，尤其在目前的3GPP R5的规格中，整个Core Network已经是以IP作为主要的通讯协定。在日后的发展上，如果所有的手机都可以透过IP位址寻址的话，那样以IPv4来说，IPv4位址长度只有32 bits，势必无法容纳全球手机使用人口都透过IP来寻址。所以说，IPv6在解决这方面的问题时，将会有它举足轻重的地位，IPv6位址长度为128 bits，足以提供相当充足的网络位址给手持装置使用。

在解决了IP数量的问题后，Mobile IP也是一个重要的考量，日后所有的手机都可以有一个IPv6的网络位址，不过手机会在各个地方漫游移动，所以需要一个移动式IP的规范来解决手机IP网络位址在各地漫游的问题，而Mobile IPv6 即足以提供这样的解决方案。

因此在这样的架构下，我们可以想像许多新的服务，例如:网络电话﹝VoIP，Voice over IP﹞，或是多媒体视讯会议﹝Video Conference﹞都有机会普及到使用者的生活中。甚至现在的网络游戏当红，以后连线对战的游戏都可以移植到手机上，透过更佳的频宽资源，让所有人可以随时上网大显身手。

所以说囉，未来的无线宽带生活是想像力无穷尽的世界，只要商业化的脚步持续的演进，我们一定会有机会看到许许多多的点子与创意在我们周遭发生，有更多的创业家与梦想家，会趁势而起。

四，结语

台湾过去拥有相当好的科技发展，不过仍仅止于制造业的部分，不论是晶圆代工或是电脑产业，其实在更先进的研发领域上，我们可以做的事情还有很多，在学习无线通讯的过程中，我发现其实在海峡的对岸拥有许多我们所不及的技术实力，而这点正是台湾在日后发展上所需要面对的挑战。

电信产业所牵涉到的问题，决不仅止于技术的层面，其他包括经济、商业利益以及政治问题，都是影响一个新的电信服务能否顺利商业化的问题。在3G的领域中国大陆推动由大唐电信与西门子所共同制定的TD-SCDMA，日本与欧洲推动了WCDMA/UMTS，美国则主导了CDMA2000。到底哪个通讯协定会在未来夺取最大的市场占有优势，就让我们拭目以待。

下一回，笔者将继续为各位介绍WCDMA/UMTS 核心网络的架构与运作流程，希望让所有人都有机会了解这无线通讯领域的新纪元。

笔者侥幸有机会可以接触到下一代的无线通讯领域，却发现台湾在这部分的成就其实很有限，或许可以透过这样的文章激起更多人投入这领域的发展，期待台湾可以在无线通讯领域中真正占有一席之地，我们下期再见。

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我们非常荣幸获得原作者工研院电通所无线通讯技术组 HungLin Chou先生授权同意原文转载

今年电信市场因为3G的到来将会非常热门 到底3G是什么?WCDMA与CDMA2000又是什么?这么多的新名词我们又了解多少，在3G正式上路前，大家或许可以读一下HungLin Chou所写的系列文章，或许你对3G会有更多的了解
也希望大家读完之后能有一些回应，有任何疑问也可以提出来，我会尽量邀请HungLin Chou来参与我们的讨论，希望对大家都有所帮助