峹3G與LTE 的異質網路下峿重無線崊取技術整峯之評估

Journal of Computer Science and Educational Technology 2012 Vol.2 No.1

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在在在在3G與與與與LTE 的異質網路下多重無線存取技的異質網路下多重無線存取技的異質網路下多重無線存取技的異質網路下多重無線存取技

術整合之評估術整合之評估術整合之評估術整合之評估

1麥毅廷麥毅廷麥毅廷麥毅廷 1陳振庸陳振庸陳振庸陳振庸* 2楊峻權楊峻權楊峻權楊峻權 2張朝欽張朝欽張朝欽張朝欽

1修平科技大學資訊網路技術系 1 Department of Information Networking Technology,

Hsiuping University of Science and Technology

2國立暨南國際大學資訊工程學系 2 Department of Computer Science and Information Engineering,

National Chi Nan University

摘要摘要摘要摘要

LTE (Long Term Evolution)是由電信相關業者所組成的 3GPP標準中所新制訂的一項高

頻寬的無線存取標準，除了能夠提供較高的頻寬與效能，LTE 標準在訂定時也同時考量能

夠與現有行動通訊網路相容的特性，是目前 4G 標準中最被看好的一種網路接取技術。在

LTE 架構之下，規範了行動用戶(UE)如何透過無線訊號與 LTE 骨幹網路(Evolved Packet

Core, EPC)的基地台(E-UTRAN NodeB, eNB)連線並進行無線通訊。而目前進階的版本為

LTE-Advanced之標準，在 LTE-A環境，有了中繼設備 Relay Node (RN)的加入，可讓服務覆

蓋範圍增加及效能提升。多重無線存取技術(Multi-RAT)則是在原有的無線網路環境多增加

另外的無線存取技術，使得該網路能讓不同系統的使用者存取到網路。本文希望在不影響

核心網路(Core Network)的前提下，由於 UMTS 是高頻寬 All IP 的新架構，因此將

UMTS/HSPA+技術整合於 LTE架構之中進行探討，讓 UMTS/HSPA+的使用者能透過 LTE的

架構和 UMTS核心網路交換資訊，一方面針對整合技術進行說明外，進一步將探討之間的

換手效能。

關鍵字：HSPA+、LTE、UMTS、Relay Node、多重無線存取技術

Abstract

LTE is one of 3GPP standards while 802.16 WiMAX is standardized by IEEE. Although

WiMAX already commercially operates in Taiwan, it is limited to the independently new system

that cannot compatible with current 3G system. Hence, the cost of system construction is higher

and cannot be popularized fast. On the other hand, LTE is developed by 3GPP which is organized

by telecommunication manufactories and operators. Moreover, LTE is backward compatible with

3G/UMTS cellular systems. The LTE specifications define how user equipments (UEs) connect

and communicate with base stations (eNBs). The enhanced version, LTE-Advanced, add a new

entity called relay node (RN) to enlarge service coverage. The architecture is changed and


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becomes more complicated when RN is added. In order to support Multiple Radio Access

Technologies (Multi-RATs) in LTE-Advanced RN networks, the system architecture should be

enhanced. This is still an open issue in LTE-Advanced system. This paper tries to present a

Multi-RAT system architecture in LTE-Advanced RN networks.

Keywords: HSPA+, LTE, UMTS, Relay Node, Multi-RAT

1.前言前言前言前言

在現有 3GPP LTE的架構上有提供行動用戶使用者進行移動時的無線寬頻連線，因此在

相關 Mobility Management in LTE相關研究中[1]-[6]也持續在探討各種可行的行動網路機

制，我們知道目前行動電信網路架構發展有很長的一段時間，在實際的環境上如 2G GSM

[7][8], 3G UMTS [9]-[12], HSPA+ [13]-[15]等，而這些標準也可以提供無線上網，如果讓行動

用戶可以在不同的性質的無線電信網路及 Femtocell [16]環境(如圖 1)順利的 handover，然而

在 GSM, UMTS等架構之下，每種架構之 handover signal和 cell search and reselection機制都

不同如何進行整合以便讓行動用戶 UE 可以順利的在這些異質性網路中運作，訂定

heterogeneous network (HetNet) handover管理機制，進而提供更大範圍且無接縫的換手是十

分值得探討。

論文編排如下，在第2節當中會詳細介紹LTE/HSPA+/LTE等的換手機制。而第3節會介

紹如何透過Multi-RAT來整合異質性網路之架構。接下來第4節會針對我們提出的初步想法做

定性的分析和比較。最後第5節是結論與未來展望。

圖圖圖圖 1行動用戶於行動用戶於行動用戶於行動用戶於 LTE/Femtocell/UMTS/GSM 異質網路異質網路異質網路異質網路 handover示意圖示意圖示意圖示意圖


63

2.現有現有現有現有 3GPP架構之探討架構之探討架構之探討架構之探討

目前 GSM 系統在超過 170 個國家成為主要商業的通訊模式，HSPA 及即將普及的

HSPA+ [17][18]已經成為現在 3G及 3.5G以上的主流規格，因此未來 4G的發展上，LTE具

有相檔的優勢。圖 2為 3GPP network之大致架構圖，而其 core network又分為 Circuit core

domain與 Packet core domain，其傳統 2G及 3G網路支援 circuit switch及 packet switch；LTE

則否，只採 packet switch方式傳送。圖 3之紅色圈圈之內表示 LTE之 core network相關設備

及分別之 interface，首先 UE會連接一個基地台(eNB)其 interface稱為 Un；而在 eNB後面又

連接兩個設備，分別是 MME 及 S-GW，其 MME 為一個 control plane device，主要為管理控

制訊息，而 S-GW則負責資料傳輸。

圖圖圖圖 2 3GPP及現有網路架構及現有網路架構及現有網路架構及現有網路架構

圖圖圖圖 3 3GPP Core network架構架構架構架構(資料來源資料來源資料來源資料來源：：：：[19])

2.1 LTE

LTE是由 3GPP所制定的技術標準，向下相容 (HSPA以及其他 3GPP的技術 )，是朝

向高移動性以及高速無線網路為目標的新技術。3GPP成立於 1998年，由眾多行動設備廠


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商和電信業者所組成，是當前行動通訊領域最重要標準組織之一，目前制訂過的標準有

GSM、GPRS、EDGE、W-CDMA、HSPA、LTE(長程演進技術，Long Term Evolution)等標

準，目前正進行 LTE-Advanced(LTE- A)標準制訂，在 LTE已經在 R8定了完整的網路架構，

如圖 4：

eNB

MME P/S-GW

eNB

eNB

S1-MME S1-U

S1-MMES1-U

X2

X2X2

E-UTRAN

UE

Uu

Uu

EPC

UE

圖圖圖圖 4 LTE 基本架構圖基本架構圖基本架構圖基本架構圖

LTE無線存取技術稱為 Evolved UTRAN (E-UTRAN)，使用者設備稱為 User Equipment

(UE)，而所連接的基地台設備稱為 E-UTRAN NodeB (eNodeB，eNB，以下簡稱 eNB)，eNB

之間可以透過 X2介面互相連接。eNB透過 S1介面連往後端核心網路( Core Network，CN

或稱為 Evolved Packet Core，EPC)則包括 PDN Gateway (P-GW)、Serving Gateway (S-GW)

及Mobility Management Entity (MME)等元件。其中 eNB連接MME設備的介面稱為S1-MME

介面，而 eNB連接 S-GW設備的介面稱為 S1-U介面，eNB和 eNB之間連接的介面稱為 X2

介面，UE和 eNB之間的界面稱為 Uu介面。

� 圖 5為 EPC和 E-UTRAN各個設備之間所負責的功能。


65

圖圖圖圖 5 EPC和和和和 E-UTRAN 所包含的功能所包含的功能所包含的功能所包含的功能

以下會詳細介紹 Control-plane protocol stack和 User-plane protocol stack各層的功能：

Control-plane protocol stack：如圖 6，包含了 Non Access Stratum (NAS)和 Radio Resource

Control (RRC)以及下層的 User-plane protocol stack。NAS層是用來傳送各種控制訊息，負責

UE的認證、閒置模式(Idle Mode)的移動性、傳呼(Paging)處理、安全性相關…等控制。RRC

層負責傳呼和廣播(Broadcast)、RRC連線管理、Radio Bearer (RB)控制、換手(Handover)訊

號傳遞、UE訊號測量與回報…等。UE的 NAS是藉由 eNB做轉送後直接和 MME 的 NAS

進行溝通，UE的 RRC則是與 eNB的 RRC進行溝通。

圖圖圖圖 6 Control-plane protocol stack


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User-plane protocol stack：如圖 7，包含了 Packet Data Convergence Protocol (PDCP)、

Radio Link Control(RLC)、Medium Access Control (MAC)和 Physical layer (PHY)，透過無線

連線和 eNB進行溝通，用來支援 UE和 EPC的資料傳輸。PDCP層主要的功能是將使用者

等級的 IP封包的標頭壓縮和解壓縮。RLC層主要的功能是負責 UE和 eNB之間資料傳輸的

錯誤復原(Error recovery)和流量控制(Flow control)。MAC 層提供 Hybrid Automatic Repeat

Request (HARQ)，負責邏輯頻道(Logical channel)到傳輸頻道(Transport channel)的對應，以及

排程操作和隨機存取(Random access)。PHY 層則是負責實體層的傳輸，像是無線訊號的編

碼和解碼。

eNB

PHY

UE

PHY

MAC

RLC

MAC

P-GW

RLC

IP IP

PDCP PDCP

圖圖圖圖 7 User-plane protocol stack

在 LTE 網路環境當中，UE傳輸資料之前除了需要先和 eNB建立好 RRC連線以外，

還要為每條連線建立 bearer，使用 bearer的目的在於為每個 traffic分 QoS等級，UE的資料

都是透過對應的 bearer傳送到 EPC。

2.1.1LTE換手程序換手程序換手程序換手程序

Type II為在 LTE網路中移動可能會遇到換手的情況發生，在 LTE網路環境的換手分

為兩類，分別是 X2換手和 S1換手，而 X2和 S1在架構上的差異在於 eNB之間是否有如圖

4直接連接的 X2 interface，如果沒有直接連結的 X2 interface時就必須進行 S1換手的動作：

X2換手的主要目的是為了平衡 eNB之間的網路流量，以及避免干擾。下圖 8是 X2換手程

序圖。一共分為三個時期，分別為：準備期(HO Preparation, Step4~Step7)、執行期(HO execution,

Step8~Step11)、完成期(HO Completion, Step12~Step17)。在 Step5 Admission Control，若 Target

eNB的資源不足，不允許讓 UE換手過來的話則會回 HO Preparation Failure給 Source eNB。

若成功的話，則是在收到 Handover Request Ack的時候開始轉送資料到 Target eNB。在

Step7~Step11這段期間內，UE和 Source eNB 斷線，要和 Target eNB做同步，用的是硬式

訊號換手(Hard Handover)，所以如何縮小延遲來避免封包遺失是有必要進一步探討的。End

marker代表最後一個封包送出，從此之後的封包就不會再走這條路徑。


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S1 換手的主要目的，是為了提升相容性，使得 LTE 能和其他的系統相容，在不同的

系統中(例如：WiMAX、UMTS)也可以換手。S1的換手程序圖，也和 X2換手一樣分為三個

時期，分別為：準備期、執行期、完成期。S1換手比 X2換手複雜是因為 eNB之間沒有直

接的 X2介面連接，可以看到 Source eNB和 Target eNB之間是不會有訊號的直接交換，除

了 Step11a是假設 eNB之間有 X2介面，其餘的所有訊號傳遞都要透過 MME 才能傳到其他

的 eNB。

2.2 LTE-Advanced

在 Type III 3GPP為符合 ITU-R所提出的 IMT-Advanced標準，進一步制定了 LTE的進

階版：LTE-Advanced。IMT-Advanced標準要求的基本傳輸速度如下：當使用者靜止時最高

傳輸速度可達 1Gbps；當使用者移動時速在 120公里時傳輸速度可達 100Mbps；當使用者移

動時速在 350公里(如高鐵)時還能夠保持順暢連線。由於 LTE-Advanced支援更大的頻寬，

會導致頻譜功率強度降低，在物理特性上即是衰減問題會變得格外嚴重，這個現象會讓靠

近基地台附近中心區域和訊號覆蓋邊界區域的傳輸速度有很大的差距，室內的使用者也會

因為訊號衰減影響到傳輸速度，所以在 LTE-Advanced就使用 Relay Node (RN)來解決訊號衰

減的問題。在 LTE-Advanced的網路環境下，eNB除了要能夠服務 UE以外還要有管理 RN

的功能。由於 RN是接收 eNB的訊號下來轉傳給 UE，若 RN沒和 eNB連線的話則無法運

作 relay的功能，所以 RN會和一個 eNB進行連線，此時 RN連接到的 eNB稱為 Donor eNB

(DeNB)，RN與 DeNB之間的無線介面為 Un介面。LTE-Advanced基本架構圖如圖 2.1.2-1

圖 9，其實 LTE-Advanced的基本架構圖跟 LTE 的基本架構圖(圖 4)很相像，差別在於多了

RN這個設備；因為 RN有支援 eNB的功能，所以 RN和 DeNB之間除了 Un介面外又包含

了 S1介面與 X2介面；EPC到 DeNB之間還多了 S11介面[20]是因為還有 RN的 S-GW在

DeNB裡面，而 MME 到 S-GW之間的界面為 S11介面。


68

legend

UE Source eNB

Target eNB MME S-GW

1. Measurement Control

Packet dataUL allocation

2. Measurement Reports

4. HO Request

6. HO Request Ack.

5. Admission Control

0. Area Restriction Provided

3. HO decision

DL allocation

7. RRC Conn. Reconf. Incl.

mobilityControlinformation

Detach from old cell and synchronize to new cell

Deliver buffered and in transit packets to target eNB

8. SN Status Transfer

Data Forwarding

9. Synchronization

Buffer packets from source eNB

10. UL allocation + TA for UE

11. RRC Conn. Reconf. complete

12. Path Switch Request

Packet data

13. User Plane Update

Request

14. Switch DL PathEnd marker

Packet dataEnd marker

15. User Plane Update

Response

16. Path Switch Request

Ack

17. UE Context Release

18. Release Resourse

L3 signalling

L1/2 signalling

User data

HO

Pre

para

tion

HO

Exc

utio

nH

O C

ompl

etio

n

Packet data

Packet data

圖圖圖圖 8 X2換手程序圖換手程序圖換手程序圖換手程序圖

圖圖圖圖 9 LTE-Advanced基本架構圖基本架構圖基本架構圖基本架構圖


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UE如果是透過 RN連到 LTE-Advanced網路，UE和 eNB之間的訊號會藉由 RN來做

轉傳，所以 UE會有較好的接收品質和傳輸速度；由於 RN是接收 eNB的訊號來做轉傳，

所以 RN不需要實體佈線，可以視需要將 RN安裝於室內或者都市熱點，提升部分區域的系

統容量和基地台的訊號覆蓋範圍，讓這些區域有較好的訊號品質來維持高速的傳輸，而且

相較於大型基地台，RN 的成本較低、耗電較少，基於以上的優點，電信業者可以多使用

RN來改善訊號覆蓋的問題。RN除了 eNB的功能外還有UE的某些功能(概念及 protocol stack

架構與 LTE中圖 6類似)，如 RRC和 NAS。對 DeNB來說，RN就是一台 UE一樣；但是對

UE來說，RN就像一台 eNB一樣。而 RN也是有對應的 MME 負責 RN的管理，所以需要

NAS和 RN的 MME 做溝通，如圖 10。

圖圖圖圖 10 RN的的的的 Control-plane protocol stack

在 LTE-Advanced網路的 Control-plane protocol stack和 User-plane protocol stack其實和

LTE的 protocol stack是大同小異的，主要是多了 RN這個設備後，protocol stack需要做相關

的對應才能夠運作。RN 的結構依功能種類不同分成 Architecture A 與 Architecture B，在

LTE-Advanced R9 [21]標準中有定義 RN其實有四種不同的 Alternatives，而在 R10標準[20]

中選擇了 Alt2 為 RN的標準架構，即是 RN的 S-GW和 P-GW是整合在 DeNB中，往後的

技術開發會以 Alt2 的網路架構為主，本篇論文也是遵照 R10的標準，是以 Alt2 的架構為前

提，以下會分別對 Alt2 的 Control-plane protocol stack和 User-plane protocol stack做介紹：

� Control-plane protocol stack：如圖 11，RN對 UE來說就像一台 eNB一樣，所以

RN對 UE之間的 Uu界面需要有 RRC才行。UE的 NAS要和 MME 的 NAS溝通

時必須透過 RN上的 S1-AP到達 MME。S1-AP就像是 User-plane的 GTP tunnel

一樣，RN看起來就像是直接傳送控制訊息給 MME。Stream Control Transmission

Protocol(SCTP)則是有著 TCP和 UDP的優點，為控制訊息提供可靠又有效率的

傳輸。底色不是白色的部分其實都是跟 LTE的 Control-plane protocol stack是一

樣的。


70

圖圖圖圖 11 Control plane protocol stack – Alt 2

� User-plane protocol stack：如圖 12，在 Alt2 的架構下，要到 UE的資料必須透過

GTP tunnel到達 RN，再由 RN轉送到 UE，S-GW/P-GW上層的 IP指的是 UE的

IP，下面的 IP指的是RN的 IP，底色不是白色的部分其實都是跟 LTE的User-plane

protocol stack是一樣的。

RN DeNB

Application

LTE-UE

Uu Un

P/S-GW

IP

PDCP

RLC

MAC

PHY

PDCP

RLC

MAC

PHY

GTP

UDP/IP

PDCP

RLC

MAC

PHY

GTP

UDP/IP

PDCP

RLC

MAC

PHY

L2

L1

GTP

UDP/IP

L2

L1

GTP

UDP/IP

S1-U

IP

圖圖圖圖 12 User plane protocol stack – Alt 2

2.3UMTS

Universal Mobile Telecommunications System (UMTS)是目前最廣泛採用的一種無線技

術，也是俗稱的 Third Generation (3G)技術。UMTS封包交換系統是由 GPRS系統所演進而

來，系統的架構也和 GPRS頗為類似，是 3GPP所制定要與 Internet結合的一個無線通訊技

術。UMTS [11][12]/HSPA [13]的無線存取服務技術稱為 UTRAN，圖 13為其 UMTS架構示

意圖。UMTS網路中的使用者稱為 UE，UE所連接的基地台設備稱為 NodeB(NB)，NB負責

的只有無線訊號的傳送和接收，需要透過 Iub介面連接到 Radio Network Controller(RNC)，


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RNC透過 Iu介面連往後端核心網路(Core Network)，核心網路則包括Mobile Switching Center

(MSC)及 Serving GPRS Support Node (SGSN)等設備，RNC分別用 Iu-CS介面和 Iu-PS所連

接。

NB

MSC SGSN

NB

NB

Iu-CS Iu-PS

Iu-CS Iu-PS

Iur

IurIur

UTRAN

UE

UuUu

UE

RNC

RNC

RNC

Iub

Iub

Iub

Iu-CS Iu-PS

圖圖圖圖 13 UMTS/HSPA基本架構基本架構基本架構基本架構

3. 3G與與與與 LTE 的異質網路下多重無線存取技術整合架構的異質網路下多重無線存取技術整合架構的異質網路下多重無線存取技術整合架構的異質網路下多重無線存取技術整合架構

3.1 Multi-RAT 整合技術整合技術整合技術整合技術

Multiple Radio Access Technology (Multi-RAT)字面上的意思就是多重無線存取技術，簡

單的說就是在一個網路設備上面，存在著不同種類的無線存取技術，這些技術使用著不同

的頻帶，例如：LTE網路中的一個 eNB除了 LTE以外，也支援 UMTS或其他更多種不同的

無線存取技術，如圖 14。在現今的社會裡存在著多種不同的無線存取技術，電信業者為了

滿足每個使用者的頻寬，需要大量的佈建基地台，若是使用者用的是較舊的技術，在目前

的基地台無法向下相容的情況下，電信業者可能無法再為了這些使用者佈建舊的基地台，

但若是基地台能同時存取多種無線技術，便可以支援更多使用不同無線技術的使用者，如

此一來不但可以服務更多使用者，也可以降低成本。若是 RN 具有多重無線存取技術的能

力，則可以節省更多的成本，來服務更多不同系統的使用者。本篇論文就提出了

LTE-Advanced網路下多重無線存取技術的整合，希望能在不修改核心網路的前提下，把多

重無線存取技術做在 RN上，不同存取技術的使用者都能夠透過 RN來連到網路，如此一來

電信業者能以最少的成本來服務更多不同系統的使用者，如圖 15。


72

圖圖圖圖 14 Multi-RAT 示意圖示意圖示意圖示意圖

圖圖圖圖 15 Multi-RAT RN 示意圖示意圖示意圖示意圖

3.2 UMTS/HAPS換手程序換手程序換手程序換手程序

UE 在資料傳輸的過程中有可能會做移動，移動的時候如果換了基地台就必須做換手

(Handover)這個動作，換手的情況如圖 16，可以分為 Intra-RNC換手及 Inter-RNC換手兩種，

如果在同一個 RNC下做換手的，就稱為 Intra-RNC 換手，在不同的 RNC下做換手的時候，

我們就稱為 Inter-RNC 換手。換手其實還有分為兩種，分別是軟式訊號換手(Soft handover)

和硬式訊號換手(Hard handover)，在這篇論文裡面的假設都是硬式訊號換手，以下簡稱換

手。RNC有三種不同的角色，分別為 CRNC(Control RNC)、SRNC(Serving RNC)、DRNC(Drift

RNC)。當 RNC在扮演控制一個 NB的腳色時稱為 CRNC，負責管理 cell之間的流量控制跟

壅塞控制。當 UE跟 UTRAN建立連線後，可能因為換手使得 RNC需要處理更多不同的事

情，此時 RNC便會有 SRNC跟 DRNC這兩種角色：SRNC是在 UE跟 UTRAN建立連線後，

用 RANAP與 CN連接並傳遞資料，SRNC要負責做換手決策(Handover decision)，也要負責

處理 Uu介面第二層的資料，是 RRC signaling的最後一站；對 UE而言，SRNC以外的 RNC

都稱為 DRNC，負責資料路由，但不負責 Uu 介面第二層的資料。每個 UE 一定會有一個

SRNC，但是有可能有一個或多個 DRNC，甚至沒有 DRNC。在圖 17(a)，UE接收 RNC傳

過來的資料，並準備換手到其他的 RNC，資料傳輸路徑如紅色線條所示。在圖 17(b)，UE

換手到另外一個 RNC底下的 NB，此時的 RNC稱為 DRNC，資料都是先到達 SRNC，再由

SRNC轉傳到 DRNC才送到 UE，上傳也是走一樣的路徑，此時 DRNC與 SGSN的連線並

不會使用到，且 UE可以同時連接兩台 NB的訊號而不會斷線，UE是同時使用兩個 RNC的

資源，而圖 17(b)這部分是軟式訊號換手(Soft handover)才會發生的步驟，資料傳輸路徑如紅

色線條所示。當整個換手程序完成以後，如圖 17(c)，DRNC變成 RNC來服務 UE時，SGSN

就直接傳送資料到 UE所在的 RNC，資料傳輸路徑如紅色線條所示。


73

Iub Iub Iu

b Iub

圖圖圖圖 16 UE在在在在 RNC之間的換手之間的換手之間的換手之間的換手

Transmission Path

(a) 換手前資料傳輸路徑

SGSN

NB3NB2NB1

DRNCSRNC

Iu-PS

Iub Iub Iub

Iu-PS

Iur

UE

Transmission Path

This link is not used as all

data from and to the SGSN

is sent via the SRNC

(b) 軟式訊號換手時資料傳輸路徑 (c) 換手後資料傳輸路徑

圖圖圖圖 17 換手時資料傳輸路徑換手時資料傳輸路徑換手時資料傳輸路徑換手時資料傳輸路徑

相同 RNC (Intra-RNC)的換手程序，UE和 NB建立起連結，但這些 UE所連結的 NB是

屬於同一 RNC所管轄。不同 RNC (Inter-RNC)的換手的程序，UE會和不屬於同一 RNC所

管轄的 NB建立起連結。

3.3 以以以以 LTE-Advanced上上上上 RN來進行來進行來進行來進行 Multi-RAT

在 3GPP R9版本之前的網路環境中還沒有提供中繼(relay)功能的設備，從 3GPP R10版

本才開始提出使用 RN這個設備來改善無線訊號品質以及增加基地台的無線訊號範圍，希望

能以較低的成本提供 LTE 使用者更佳的使用體驗(如圖 18)。在未來的網路環境中，存在著

使用各種不同的存取技術的使用者，不管是打電話或者存取網路，都需要不同系統的基地

台來為使用者服務，假若不同系統的使用者透過 RN就能存取網路，則可以減少很多基地台

的布建，電信業者也可以減少許多營運和建置成本；若考慮無線傳輸品質，以 RN支援多重


74

無線存取技術將可以更有效及大範圍支援不同系統的使用者(如使用者在室內或行車載具

中)，接收 RN 的無線訊號勢必比接收基地台的無線訊號來的較佳，所以本論文提出了在

LTE-A 中繼架構下多重無線存取技術(Multi-RAT)的整合，目的是希望 RN 能夠相容更多不

同系統的使用者(如圖 15)，而且還可以有較佳的無線傳輸品質。3GPP網路(如：GSM、GPRS、

UMTS、LTE…等)之間其實都有介面能夠彼此互相連接，從 UMTS的目標開始了 All-IP 方

面的網路架構，即使用者資料與控制訊息都以 IP的方式來傳送，對多媒體資料的傳輸有更

進一步的支援，針對封包交換這部份 UMTS 核心網路也有更完善的設備來做處理，所以

UMTS不僅支援電路交換還可以同時支援封包交換，而且在擁有大量使用者使用 UMTS的

情況下，讓 UMTS 成為了目前最廣泛使用的 3G無線通訊技術，所以在這篇論文裡面我們

以 UMTS為例來做多重無線存取技術的整合(其他的無線存取技術也能夠適用，但在本文不

做細部討論)，希望可以利用 RN來服務大量的 UMTS使用者。因為 UMTS網路和 LTE 核

心網路(EPC)存在現有介面可以直接連接，所以我們只要考慮在 EPC或者 E-UTRAN有方法

可以讓 RN連接到 UMTS的 RNC即可，而在這篇論文裡面我們是假設 RN能夠支援 UMTS

實體層(WCDMA)的訊號，所以 RN只需要扮演 UMTS中 NB的角色，即可讓 UMTS的 UE

在 LTE網路中透過 RN連接到網際網路。我們希望能在不改變 EPC和 UMTS核心網路的前

提下，讓 RN能夠支援多重無線存取技術，首先需要解決問題則是：

� 在 EPC或 E-UTRAN有哪些方式可以連回 UTRAN 中的 RNC而不需要改變原本的架

構？(圖 19)

� RN除了實體層的無線訊號支援外，還需要運作哪些 protocol才能夠支援 UMTS的使

用者？

為了解決這些問題，則需要知道 LTE網路和 UMTS網路存在哪些現有介面可以連接，以便

讓 RN能連接到 RNC，同時也需要對 UMTS的 protocol stack有進一步了解。

3.4 UMTS 與與與與 LTE 之介面連接之介面連接之介面連接之介面連接

在 UMTS當中，RNC要負責無線資源的管理、透過 Iub介面的連接控制底下的多個 NB，

還要把 UMTS核心網路的控制訊息或使用者資料透過 Iub介面送到 NB 去轉送給使用者，

使用者則是透過 Uu介面連接到 NB。在本篇論文當中 RN的角色就像是 RNC底下的一台

NB 而已，負責的只有無線訊號的傳送與接收，用來服務 UMTS的使用者，RN到 RNC這

條路徑彷彿穿過兩個核心網路的 Iub介面，除此之外 RN還是能服務 LTE的使用者。為了要

讓 E-UTRAN中的 RN和 UTRAN中的 RNC能夠連接起來以便互相交換訊息，需要對 LTE

網路和 UMTS網路之間的界面有所了解，圖 3.1-2為現有 EPC和 UMTS網路的介面連接圖。

由於我們將 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，在現有介面如圖 3.1-2可知共會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。


75

� 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。

上述之三種方式在本論文統稱為 Architecture A(如圖 20)，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(如圖 20)。第一種方式在本論文稱之為

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(如圖

20 Alt 1)；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(如圖 20 Alt 1(b))，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(如圖 20 Alt 2)。在 RN和 RNC能夠順利連接之後，我們將在下一個章節

進一步探討 RN來達成多重無線存取技術整合的效能探討。

圖圖圖圖 18使用使用使用使用 RN改善無線訊號品質以及增加基地台的無線訊號範圍改善無線訊號品質以及增加基地台的無線訊號範圍改善無線訊號品質以及增加基地台的無線訊號範圍改善無線訊號品質以及增加基地台的無線訊號範圍


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圖圖圖圖 19 EPC或或或或 E-UTRAN 該如何連回該如何連回該如何連回該如何連回 UTRAN 中的中的中的中的 RNC

4. 效能評估效能評估效能評估效能評估

4.1 定性分析定性分析定性分析定性分析

在我們所提出的兩個 Alternative中的三種作法 Alt 1, Alt 1(b)與 Alt 2的設計方式各有其

優缺點，我們初步針對幾項參數進行探討，分析效能探討結果如表 1，表中為兩種架構三種

作法之詳細比較資料。

表表表表 1定性分析比較表定性分析比較表定性分析比較表定性分析比較表

Metric Architecture A

Alt 1 Alt 1(b) Alt 2

UMTS RNC

Complexity Serving UMTS-UE via EPC tunneling

RN Complexity + UMTS-Uu

DeNB Complexity Bearer management

LTE/UMTS CN

Complexity

Bearer management/S12

btw S-GW and SGSN

Bearer management

/S4 btw S-GW and

RNC

Bearer

management

Standardization Effort

and Complexity Low impact Low impact Low impact

UMTS-UE

Transmission

Efficiency

Low Low Low

Security Concern Low Low High

5. 結論結論結論結論

在現有 3GPP LTE及 LTE-Advanced標準具有與現有行動通訊網路相容的特性，因此未

來前景極被看好。LTE 架構規範了 UE與 eNB間之無線連線程序及後端核心網路架構，而

進階的 LTE-Advanced更加入中繼設備 Relay Node (RN)，使得服務覆蓋範圍及彈性更大。本

文除了簡介 LTE基本架構外，亦探討 LTE-Advanced下，因為加入 RN所衍生架構的改變。

本文針對 LTE-Advanced環境，支援多重無線存取技術 RN在同時支援 LTE 及 UMTS訊號

前題下，嘗試設計一個可行的整合網路架構，讓 UMTS能透過 RN經由 LTE核心網路連接

UMTS核心，達到相容運作之目的，並作了初步的效能評估與探討。


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圖圖圖圖 20 Alternatives in Architecture A

致謝致謝致謝致謝

本文部份研究內容承 100年台灣大哥大股份有限公司產學合作實務研究計畫(計畫編號

100-09-048)補助經費，特此致謝。

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