教育部補助「行動寬頻尖端技術跨校教學聯盟計畫-行動寬頻網路與應用-小細胞基站聯盟中心計畫」 Small Cell創新應用與服務專題 課程單元： LTE/SAE網路架構與元件 計畫主持人：許蒼嶺 授課教師：李宗南、簡銘伸、李名峰 教材編撰：李名峰 國立中山大學 資訊工程系

大綱 課程目標 LTE之簡介與演進 LTE/SAE網路架構 RRC Connection Procedures LTE/SAE元件

大綱 課程目標 LTE之簡介與演進 LTE/SAE網路架構 RRC Connection Procedures LTE/SAE元件

課程目標 讓學生了解Long Term Evolution (LTE)的Air Interface與Core Network之演進 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network Access Network (E-UTRAN)與 System Architecture Evolution (SAE)的網路架構 LTE/SAE網路協定之RRC Connection Procedures之簡介 Evolved Packet Core元件的相關知識

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LTE之演進與簡介 Long Term Evolution (LTE) 指3GPP (The 3rd Generation Partnership Project ) Release 8 以後的版本，主要為R8、R9 版本，亦被稱為3.9G 雖然3GPP R8/R9常被電信營運商誇稱為4G LTE，但嚴格來說，直到3GPP R10才真正符合國際電信聯 (International Telecommunication Union；ITU)的4G標準

LTE之演進與簡介 (Cont.) 3GPP Release 10稱為 LTE-Advanced，與WiMAX 2.0同為4G的標準 3GPP Release 12 版本則被為Beyond 4G (B4G) 此簡報所提及之技術，因無涉及到版本差異，故在之後的投影片中將3GPP Release 8 之後的版本(LTE/LTE-A/B4G)均統稱為LTE，以便於解說

(Study on All IP Network) 3GPP與LTE之演進 (Study on All IP Network) (MTC) Rel. 7 3GPP Rel.8 3GPP Rel.9 3GPP Rel.10 3GPP Rel.11 Rel. 12 Rel. 13 (LTE; 3.9G) (LTE-A; 4G) (B4G) 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

LTE之主要技術 All IP之扁平化網路架構 主要技術架構 下載為正交分頻多重存取(OFDMA；Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 上載為單載波分頻多重存取(SC-FDMA；Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access) 多輸入多輸出(MIMO；Multiple Input Multiple Output) 利用上述技術提高頻譜利用效率及無線網路容量

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LTE/SAE網路架構－演進 相對於3GPP Universal Mobile Telecommunications System (UMTS，為最廣泛應用之3G技術)，LTE包含以下的演進 Radio Access Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) Non-Radio Aspect System Architecture Evolution (SAE) 以High Level的角度觀之，LTE網路包含 核心網路Evolved Packet Core (EPC) in SAE 接取網路E-UTRAN

LTE/SAE網路架構－演進(cont.) UMTS為4層網路層

LTE/SAE網路架構－演進(cont.)

LTE/SAE網路架構－UTRAN演進(Cont.) UMTS 3G UTRAN LTE Gateway GPRS Support Node GGSN EPC in SAE Serving GPRS Support Node SGSN S1 E-UTRAN Radio Network Controller eNodeB eNodeB RNC RNC X2 eNodeB eNodeB NodeB NodeB NodeB NodeB

LTE/SAE之架構 3GPP Access EPC in SAE E-UTRAN eNodeB MME HSS PCRF ANDSF UE Abbreviation List UE: User Equipment MME: Mobility Management Entity S-GW: Serving Gateway P-GW: Packet Data Network Gateway ePDG: Evolved Packet Data Gateway HSS: Home Subscriber Server AP: Access Point PCRF: Policy and Charging Rules Function ANDSF: Access network discovery and selection function EPC in SAE E-UTRAN eNodeB MME HSS PCRF ANDSF UE S-GW P-GW ePDG Internet WiFi AP Non-3GPP Access

LTE/SAE之訊息傳輸 區分為Control Plane與User Plane以便管理 Control Plane User Plane UE eNB MME UE eNB S-GW P-GW

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network E-UTRAN為LTE無線部份之架構 E-UTRAN包含UE (User Equipment)及Evolved NodeB (簡稱eNodeB或eNB) UE與eNB透過LTE-Uu無線通訊界面互相通訊，LTE-Uu可分為三層

LTE-Uu－Layer 3 Layer 3 Non-Access Stratum (NAS) 移動管理 Bearers設定 用戶認證 Radio Resource Control (RRC) 無線資源管理 RRC之下各層的設定

LTE-Uu－Layer 2 Layer 2 Packet Data Convergence Protocol (PDCP ) 處理標頭壓縮 加密運算 Radio Link Control (RLC) ARQ與HARQ等重傳 封包分割與重組 Medium Access Control (MAC) QoS (Quality of Service) 排程

LTE-Uu－Layer 1 Layer 1 Physical (PHY) 將資料轉為實體訊號發送 包含OFDMA與MIMO技術

LTE-Uu之協定架構－ User Plane Protocol Stack UE eNB Layer 3 RRC RRC PDCP PDCP Layer 2 RLC RLC MAC MAC Layer 1 PHY PHY

LTE-Uu之協定架構－ Control Plane Protocol Stack UE eNB MME NAS NAS Layer 3 RRC RRC PDCP PDCP Layer 2 RLC RLC MAC MAC PHY Layer 1 PHY

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RRC Connection Procedures LTE UE的RRC狀態

RRC Connection Procedures RRC的狀態分為 RRC_IDLE 與 RRC_CONNECTED IDLE狀態下UE不會被分配到無線資源 需要傳輸資料時， UE 轉入 RRC_CONNECTED程序以 取得無線資源 以下介紹四種RRC控制程序 RRC Connection Establishment RRC Initial Security Activation RRC Connection Reconfiguration RRC Connection Release

RRC Connection Procedures－ RRC Connection Establishment UE E-UTRAN RRCConnectionRequest RRCConnectionSetup RRCConnectionSetupComplete RRC連線成功

RRC Connection Procedures－ RRC Connection Establishment (Cont.) UE E-UTRAN RRCConnectionRequest RRCConnectionReject RRC連線失敗 RRC 狀態維持在RRC_IDLE

RRC Connection Procedures－ RRC Initial Security Activation UE E-UTRAN SecurityModeCommand SecurityModeComplete 完成UE與eNB之驗證 後可做保密性及資料完整性等安全防護

RRC Connection Procedures－ RRC Connection Reconfiguration UE E-UTRAN RRCConnectionReconfiguration RRCConnection- ReconfigurationComplete 可設定Handover等各種無線相關控制

RRC Connection Procedures－ RRC Connection Release UE E-UTRAN RRCConnectionRelease RRC 狀態： RRC_CONNECTED變成RRC_IDLE

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LTE/SAE元件－ System Architecture Evolution 基於GPRS核心網路(General Packet Radio Service Core Network)的演進 演進理念 加強 Packet Switched Technology 以處理快速成長的 IP Traffic Higher Data Rates Lower Latency Packet Optimized System 更高Throughput Fully IP Based Network Simplified Network Architecture Distributed Control

LTE/SAE元件－ System Architecture Evolution (Cont.) 與GPRS核心網路之不同點 架構更簡化 All IP網絡 支援更高的吞吐量之無線接入網路 支援更低的延遲之無線接入網路 支援多重異質性網路的互通 LTE/LTE-A Air Interface UMTS Air Interface Non-3GPP (WiFi, WiMAX等)

LTE/SAE元件－ Evolved Packet Core SAE的主要組成部份為EPC (Evolved Packet Core ) EPC又被稱為SAE核心 (SAE Core) EPC之作用與GPRS網路相似 通過Mobility Management Entity (MME)、Serving Gateway (S-GW)和Packet Data Network Gateway (PDN-GW或P-GW)等子元件實現

LTE/SAE元件－ Evolved Packet Core (Cont.) Main Logical Nodes Mobility Management Entity (MME) Serving Gateway (S-GW) Packet Data Network Gateway (PDN Gateway或P-GW) Other Nodes and Functions Home Subscriber Server (HSS) Access Network Discovery and Selection Function (ANDSF) Evolved Packet Data Gateway (ePDG) Policy and Charging Rules Function (PCRF)

LTE/SAE元件－ Mobility Management Entity (MME) 管理核心網路 負責Idle Mode下UE的Paging與Tagging  處理Control Plane訊息 負責UE的註冊與註銷 幫助UE選擇不同的S-GW，完成Core Network節點之切換 移動性管理 決定UE是否能接受當地服務提供商的服務並完成UE的漫遊限制 負責安全金鑰之管理，可支援用戶驗證與安全性管理

LTE/SAE元件－ Serving Gateway (S-GW) 管理User Plane訊息 負責用戶數據包的路由和轉發 LTE與其他3GPP技術之間移動時的用戶數據交換 處理 eNB之間的換手(Handover) 在合法監聽的情況下，可完成用戶傳輸訊息的複製

LTE/SAE元件－ Packet Data Network Gateway (P-GW) 處理User Plane的外部連線，如Internet等 實現指令控制 用戶的數據封包過濾 合法攔截與數據包篩選 計費支援 作為數據交換的核心組件，處理LTE 與非3GPP系統(如WiFi、WiMAX等)的相容切換

LTE/SAE元件－ Home Subscriber Server (HSS) 包含與用戶相關信息和訂閱相關信息的中央資料庫 支援呼叫和會話建立(Call and Session Establishment) 用戶認證和訪問授權 HSS 植基於 pre-Rel-4 Home Location Register (pre-Rel-HLR) and Authentication Center (AuC)

LTE/SAE元件－ Access Network Discovery and Selection Function (ANDSF) 為3GPP和非3GPP(例如Wi-Fi)的UE提供有關連接的接入信息 協助UE發現在其附近的接入網絡 提供接入的優先次序和管理這些網絡的連接規則

LTE/SAE元件－ Evolved Packet Data Gateway (ePDG) 確保數據傳輸的UE通過不可信的非3GPP接入網連接到EPC ePDG與UE之間會建立一個Internet Protocol Security (IPSec)隧道

LTE/SAE元件－ Policy and Charging Rules Function (PCRF) 在多媒體網路(Multimedia Network)中即時(Real-Time)決定策略的軟體節點 提供可用的計費控制策略 引入PCRF後，可實施QoS保障技術 讓營運商能實現更精細化業務控制與計費方式 營運商也就可以依不同用戶提差異化的服務

EPC Protocol Stack－MME Protocols S1-MME stack 支援與eNB之間的S1-MME Interface The integrated S1 MME interface stack consists of  Internet Protocol (IP),  Stream Control Transmission Protocol (SCTP), S1 Application Part (S1AP) S11 stack 支援與S-GW之間的S11 Interface The integrated S11 interface stack consists of IP,  User Datagram Protocol (UDP) and Evolved GPRS Tunneling Protocol-Control (eGTP-C)

EPC Protocol Stack －S-GW Protocols 支援與MME之間S11 Interface 的S11 control plane stack 支援與P-GW之間S5/S8 Interface的S5/S8 Control Plane Stack 支援與P-GW之間S5/S8 Interface的S5/S8 Data Plane Stack 支援與eNB之間S1 User Plane Interface的S1 Data Plane Stack 支援與Serving GPRS support node (SGSN)之間S4 User Plane Interface的S4 Data Plane Stack

EPC Protocol Stack －P-GW Protocols 包含 S5/S8 Control Plane Stack 支援與S-GW之間S5/S8 Interface The integrated control plane stack for the S5/S8 interfaces consists of IP, UDP and Evolved GPRS Tunneling Protocol-Control (eGTP-C) S5/S8 Date Plane Stack 支援與S-GW之間S5/S8 interface The integrated data plane stack for the S5/S8 interface consists of IP, UDP and Evolved GPRS Tunneling Protocol-User Data Tunneling (eGTP-U)

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附錄：台灣的LTE現況 2013年底結束LTE執照的競標作業 2014年上半年發放LTE執照給得標的營運商 根據行政院之預估，在民國106年時，國內4G的人口涵蓋率將達到9成，用戶數可望達到1000萬 行政院於2014年規劃以三年的時間投入共150億元經費來扶植國內的4G產業

附錄：台灣的LTE現況(Cont.) 台灣目前釋出給營運商之4G頻段為700MHz、900MHz 與1800MHz 2100MHz頻段的3G頻譜將於2018年到期，NCC計畫提早至2016年釋出 1900MHz及800MHz頻段的頻譜預計在2018年之前釋出

台灣的LTE電信營運廠商與其得標頻段 (1/2) 得標者 得標頻段 中華電信 B2 (上下行各10MHz) 上行895~905MHz 下行940~950MHz C2 (上下行各10MHz) 上行1725~1735MHz 下行1820~1830MHz C5(上下行各15MHz) 上行1755~1770MHz 下行1850~1865MHz 台灣大哥大 A4 (上下行各15MHz) 上行733~748MHz 下行788~803MHz C1 (上下行各15MHz) 上行1710~1725MHz 下行1805~1820MHz 台灣之星 B1 (上下行各10MHz) 上行885~895MHz 下行930~940MHz ps. 此為2015年上半年的資料

台灣的LTE電信營運廠商與其得標頻段 (2/2) 得標者 得標頻段 亞太電信 A1 (上下行各10MHz) 上行703~713MHz 下行758~768MHz 國基電子 (現已併入亞太) A3 (上下行各10MHz) 上行723~733MHz 下行778~788MHz B3 (上下行各10MHz) 上行905~915MHz 下行950~960MHz 遠傳電信 A2 (上下行各10MHz) 上行713~723MHz 下行768~778MHz C3 (上下行各10MHz) 上行1735~1745MHz 下行1830~1840MHz C4 (上下行各10MHz) 上行1745~1755MHz 下行1840~1850MHz ps. 此為2015年上半年的資料

台灣的2600Mhz頻段與得標電信業者 ps. 此為2015年下半年的得標資料

參考資料 3GPP TS 23.002: Network architecture http://www.3gpp.org/dynareport/23002.htm 3GPP TS 36.300: Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) http://www.3gpp.org/dynareport/36300.htm 3GPP TS 36.331: Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC); Protocol specification http://www.3gpp.org/dynareport/36331.htm

參考資料(Cont.) Wikipedia: LTE https://en.wikipedia.org/wiki/LTE_(telecommunication) Wikipedia: SAE https://en.wikipedia.org/wiki/System_Architecture_Evolution 國家通訊傳播委員會 NCC http://www.ncc.gov.tw/chinese/index.aspx 郭昱賢、林盈達「LTE 架構、協定與效能」，2011。 Document Available at http://speed.cis.nctu.edu.tw/~ydlin/miscpub/YHGuo-LTE.pdf