支援多無線技術之移動式無線中繼站的裝置與方法

項目	內容
所屬技術領域	長期演進技術LTE是目前備受矚目的新一代的行動無線寬頻技術。LTE使用OFDMA/SC-FDMA的射頻接收技術，同時支援FDD和TDD。LTE可以讓電信業者除了傳統語音電話外，還能提供更經濟便利的無線寬頻服務，網路頻寬更超越3G無線網路的效能、帶來更為優異的表現。LTE已經正式被3GPP列為新一代無線電信標準技術， LTE標準可以提供新的服務之外，也可同時向下相容之前的版本，因此能與GSM/UMTS等服務網路相容，讓LTE的佈建比WiMAX等技術更為便利。
所欲解決之問題	由於3GPP LTE是長期演進發展的電信網路，在實際佈建時，如果透過建置LTE-Advanced中Relay Node（RN）於行車載具中，將可以有效降低行動終端用戶頻繁handover的動作。而現有環境有其它非LTE之3GPP版本行動用戶需要連線的需求，如果LTE可以透過Multiple Radio Access Technology（Multi-RAT）的方式，讓多種行動終端可以順利連線上網，將可以有效增加服務範圍及降低佈建成本。此外由於交通運 輸技術的快速發展，在行車載具中的乘客大都有連線的需求，然而現有行動終端用戶之終端設備可採用3GPP所發展的多種不同存取技術，如何透過Multi-RAT技術來達成其互通性是一個極需解決的問題。
解決問題之技術手段	我們將RN的角色視為是一台NB，使用者的控制訊息或資料要能連回到UTRAN中的一個RNC才能夠運作，透過現有的介面有三種方式能夠達成此目的，分別如下： 由S-GW藉由S12介面直接連到RNC。 由P-GW藉由S4介面連到SGSN，再由SGSN透過Iu-PS介面連到RNC。 由P-GW藉由SGi介面傳至Internet，經過Internet後透過Gi介面傳送到GGSN，由GGSN藉由Gn介面送至SGSN，再由SGSN透過Iu-PS介面送至RNC。 另外一種方式則是使用現有All-IP的方式連接。
對照先前技術之功效	既有支援Multi-RAT的方式是透過RAN sharing的技術，但RAN sharing的技術必須要在通訊連線上的每一個設備都要具有sharing的功能，系統的複雜度以及設備與管理的成本較高。
實施方式	在現有介面共會有三種方式能夠達成支援multi-RAT目的，分別如下：   由S-GW藉由S12介面直接連到RNC。 由P-GW藉由S4介面連到SGSN，再由SGSN透過Iu-PS介面連到RNC。 由P-GW藉由SGi介面傳至Internet，經過Internet後透過Gi介面傳送到GGSN，由GGSN藉由Gn介面送至SGSN，再由SGSN透過Iu-PS介面送至RNC。 這三種架構統稱為Architecture A，在Architecture A內的架構主要是希望在不改變EPC與UMTS核心網路的前提下，利用既有的介面並透過tunnel 的方式（RN到RNC之間的路徑仿佛就是Iub介面般），讓RN能連回RNC以支援UMTS的UE（以下將簡稱UE）。這個做法即是將UE原本要對RNC傳送的控制訊息、資料，透過RN、DeNB、EPC（S-GW、P-GW）傳送到UTRAN底下的RNC 。 第一種方式稱之為Alternative 1（Alt_1），Alt_1則是利用S12介面使S-GW直接與UMTS之RNC做溝通；第二種方式和第一種方式類似，主要是利用S-GW與SGSN現有的S4介面來做傳輸，UE則會透過EPC及透過SGSN與其UMTS之RNC做溝通，稱之為Alternative 1（b） （Alt_1（b））；最後一個方式稱之為Alternative 2（Alt_2），由P-GW先連至Internet，再由Internet連回UMTS之GGSN，再透過UMTS其他設備來轉傳，使UE與UMTS的RNC建立連線。我們除了使用目前現有的介面做連接以外，還另外使用現有All-IP的方式連接，我們將此連接方法稱為Architecture B。Architecture A和Architecture B兩個架構最大的不同在於Architecture B 使用了現有All-IP的方式連接，而不是使用目前現有的介面，而且和UMTS有關的控制訊息和資料並不需要進到EPC，之所以會考慮使用這種方法是為了減少EPC的流量，所以我們在做法上增加了本來沒有定義的介面以及增加了一些功能在DeNB和RN上面，所以使用Architecture B的好處是：RN和RNC之間的資料或控制訊息都不需要經過EPC，可以減少多重無線存取技術對EPC造成的流量。在Architecture B，我們一樣假設RN有著NB的功能、DeNB有S-GW和P-GW的功能，以Intranet的方式，在Intranet內部增加了新的介面用來連接DeNB和RNC，使得UE在E-UTRAN中還能透過RN利用IP tunnel和UTRAN中的RNC連接，這個方式在本研究稱之為Alternative 3（Alt_3）。 除了Alt_3的假設之外，我們又更進一步提出了將NB和RNC的功能都做在RN上的這個做法，DeNB可以直接將資料送至SGSN或MSC，這個方式在本研究稱之為Alternative 4（Alt_4）。這個做法不需要透過DeNB的tunneling來和RNC做溝通，可以減少和UMTS 核心網路的RNC交換控制訊息，傳輸路徑變短，延遲也會變得更低。 為了達成支援multi-RAT的功能，我們根據上述的protocol stack分別對我們提出之幾種alternative在RN上做整合，整合的部分其實是以LTE-Advanced的protocol stack為基礎，將UMTS的protocol stack加入以達成整合的目的，使得RN能夠支援UE，而且在Architecture A中的EPC和UMTS核心網路的部分是不需要做修改的。在LTE-Advanced網路環境中的UMTS UE必須和UTRAN中的RNC先建立連結，而在EPC內部傳輸資料時，我們是將UMTS的Control-plane和User-plane的資料包在LTE的GTP-U tunnel裡來傳送，這樣子的做法好比是將RN到RNC整段路徑都當作是Iub介面來看待，只是這條Iub介面內部是利用GTP-U tunnel的方式將資料一站一站送至RNC。 以Alt_1來說，主要是S-GW利用S12 介面直接和RNC做溝通，中間資料不用透過SGSN來做轉傳。在LTE網路這部分我們將UMTS的Control-plane和User-plane的資料包在LTE的GTP-U tunnel裡來傳送，所以UMTS的控制訊息或使用者的資料對DeNB和S-GW來說都當做是User-plane的資料在傳送而已，這樣可使得UMTS的UE在LTE-Advanced的環境下能夠透過RN直接和RNC連接，而為了實現此架構，RN必介面能夠有NB的功能，即運作NBAP、FP、ALCAP、SCTP等protocol；而UMTS網路的部分則不需要做任何的修改。傳送UE的控制訊息必須包含Transport network layer的Control-plane及User-plane的部分，即ALCAP與SCTP，這兩個部份是為了保證資料傳遞時之可靠性；而Radio network layer的資料是搭載於Transport network layer的User-plane之上；故NBAP、FP及MAC、RLC、RRC均繪製於SCTP之上。在傳送UE資料的部分，除了利用GTP-U tunnel來傳送外，還另外用UDP來加強其可靠性。Alt_1（b）和Alt_1不同的地方主要是S-GW利用現有的S4介面和SGSN做傳輸，透過SGSN來做轉傳，所以和Alt_1的差別在於多了SGSN這一站。在LTE網路這方面RN的protocol stack運作方式與Alt_1大致相同；UMTS網路這部分也是和Alt_1的一樣，沒有很大的差異。 Alt_2的架構是將LTE的P-GW與UMTS的GGSN，都透過其對外（LTE或是UMTS domain之外）專屬的介面（SGi、Gi） 與Internet連線，此種溝通方式除了在EPC及UMTS 核心網路中，還須透過之間Internet來傳送。在這裡我們的做法是把P-GW與GGSN之protocol stack再加上一層IP，使得資料能夠在Internet當中順利傳送。當UE要對RNC傳送控制訊息或資料時，因為經過的設備很多，資料路徑也必須透過Internet來做傳送，在這其中可能會造成較大的延遲。Alt_2這種架構可以支援在不同電信業者之間漫遊（Roaming）的問題，但資料必須透過Internet來傳送，然而其安全性之問題需要再更深入考量。在Architecture B的部分，我們在E-UTRAN和UMTS核心網路之間使用了All-IP的方式連接，而不是使用目前現有的介面，和UMTS有關的控制訊息和資料並不需要進到EPC；此外還增加了一些功能在DeNB和RN上面，在路徑上Architecture B會比Architecture A更為縮短，在protocol stack的方面Architecture B會變得更為簡單一些。 在Alt_3的架構下，我們也和Architecture A的做法一樣將NB的功能做在RN上面，把UMTS的Control-plane和User-plane都包在LTE的GTP-U tunnel來傳送；不同的是中間DeNB和RNC是用IP的連線；在UMTS網路不需要做任何改變，只需要用IP的連線將RNC接上DeNB即可。和Architecture A的部分比較起來其實大同小異，差別只在於少了EPC的那段路徑以及DeNB和RNC中間是以IP相連接；在RNC後面的核心網路則是維持UMTS本來的架構，不需要改變。 在Alt_4的架構下，我們進一步將NB和RNC的功能都做在RN上面，所以路徑會變得更為縮短些，因為可以將NB和RNC之間的控制訊息都省略掉；而且因為RN有RNC的功能了，所以DeNB直接和SGSN用IP連接，將RN的資料用IP傳給SGSN即可。Alt_4的RN需要把NB和RNC的功能都做在RN上面，要能夠完全運作NB和RNC的protocol，所以RN的複雜度會變得比較高；在Alt_4的protocol stack沒有存在RNC，因為RN本身已經有RNC的功能，只需要直接將資料傳至SGSN即可如果按照我們所提出的整合來做修改，RN就能夠支援多重無線存取技術，不僅可以服務LTE-Advanced的UE，還可以服務UMTS的UE，而且在核心網路的部分其實不需要修改太多的部分就能夠運作。