馬堤的剪報筆記

2012/1  江信毅/林鈺翔

隨著行動通訊邁入長程演進計畫(LTE)時代，如何讓用戶端設備(UE)更為省電，已成為產品設計的重要課題。所幸，LTE可藉由進入閒置模式，降低待機時的用電；不過，設計上仍要留意傳遞延遲與後端網路支援等問題，以確保傳輸服務品質。

無線通訊系統由固接式進展到移動式，首當其衝的重要議題即為如何讓用戶端裝置(UE)在無線環境下省電。尤其現已步入4G時代，用戶端裝置大多使用電池來 維持運作，並在移動同時進行傳輸資料工作，勢必快速消耗電池電量；再加上透過電波鏈結的用戶端與基地台(eNodeB)兩端裝置，電源須保持在開啟狀態以 維持通訊正常，故即便在沒有傳輸資料時，用戶裝置仍持續消耗電量，在在為電池續航力帶來挑戰。

欲克耗電難題　先懂LTE基本架構 

事實上，用戶端為維持在大區域移動時的訊號品質，或需求較高的傳輸服務品質，必須發起換手(Handover)模式，但通常執行換手會伴隨著大量的控制訊息傳送與等待時間，不但耗電也降低頻寬利用率。  

有鑑於此，本文將介紹長程演進計畫(LTE)中的閒置模式(Idle Mode)相關執行流程，並透過實際的流程訊息描繪整個LTE基本架構(圖1)。其中，LTE架構在閒置模式下會使用到的溝通介面包括基地台、地面無線接 取網路(E-UTRAN)、移動管理實體(Mobility Management Entity, MME)、服務閘道(Serving Gateway, S-GW)、S1-MME及S1-U，以下將個別詳細介紹。  

圖1 LTE基本架構示意圖 資料來源：3GPP

首先是基地台，其與兩個控制介面(Control Plane)相連，分別為MME及S1-MME控制介面。主要運作模式係將MME的下行非存取層(Non Access Stratum, NAS)訊息從S1應用訊令(AP)取出，再打包成無線電資源控制(RRC)訊息提供給用戶端裝置；反之，則將用戶端裝置的上行NAS訊息從RRC訊息取 出，再打包成S1AP訊息提供給MME。  

至於E-UTRAN係由基地台組成，可供使用者通道和S-GW以S1-U相連，並和用戶端裝置以LTE-Uu接口協議相連。此外，其提供控制介面S1-MME與MME相連，亦可讓RRC與用戶端裝置相連。  

值得注意的是，演進數據封包核心網(Evolved Packet Core, EPC)則由MME、S-GW及封包資料網路閘道(P-GW)組成，其與E-UTRAN亦有功能劃分，各自負責一部分的資訊傳輸工作(圖2)。  

圖2　E-UTRAN與EPC功能劃分示意圖 資料來源：3GPP

由於MME在基地台與E-UTRAN中扮演關鍵的通道角色，故須深入了解其運作架構。其透過S1-MME做為基地台管理介面之一，用以儲存用戶端裝置的安 全和承載(Bearer)等相關資訊；而S1-MME則是MME和基地台傳送控制訊息所使用的介面，使用S1AP通訊協定。  

另一方面，S-GW做為3GPP的錨定(Anchor)，當用戶端裝置處於閒置模式，且沒有下行使用者隧道終點辨識符號(Tunnel Endpoint Identifier, TEID)時，執行通知MME呼叫(Paging)用戶端裝置的流程。其中S1-U係S-GW和基地台傳送資料所使用的介面，使用GTP-U通訊協定；此 外，P-GW則做為非3GPP的錨定，和外部網路相連(圖3)。  

圖3　3GPP存取協定的非漫遊架構 資料來源：3GPP

為基地台/用戶端搭橋　ECM/EMM狀態各有專職　  

值得注意的是，演進封包系統移動管理(EPS Mobility Management, EMM)及演進封包系統連線管理(EPS Connection Management, ECM)狀態，亦是LTE閒置模式中關鍵的一環，其中，EMM與ECM也細分為幾種狀態。  

事實上，ECM可分為兩種狀態，首先是ECM-IDLE，在沒有NAS連線的狀況下，用戶端裝置和基地台沒有RRC連線，基地台和MME之間亦沒有S1連 線，而用戶端裝置在此狀態下，或要移動至另一個狀態時，則須執行定期追蹤區域更新(Tracking Area Update, TAU)流程。此外，當用戶端裝置於此狀態收到呼叫時，必須執行服務要求(Service Request)流程。  

值得一提的是，一個用戶端裝置可註冊於多個追蹤區域上，但都要屬於同一個MME管轄(圖4)，基地台則視有幾個蜂巢(Cell)就可存在於多個追蹤區域。 一般來說，用戶端裝置在移動後更換追蹤區域時，就須作追蹤區域更新流程，而每個追蹤區域須以追蹤區域辨識(Tracking Area Identity)用以識別。  

圖4　追蹤區域示意圖 資料來源：資策會

至於ECM-CONNECTED模式則是已建立NAS連線的狀況下，用戶端裝置和MME分別擁有RRC連線和S1連線，而用戶端裝置於此狀態的移動，必須做換手流程。  

另一方面，EMM狀態也可分為EMM-DEREGISTERED、EMM-REGISTERED及EMM計時器(Timer)等。首先EMM- DEREGISTERED處於MME不知用戶端裝置的位置資訊時，用戶端裝置和MME於此狀態下須暫存安全資訊，以防止重複執行密鑰協定(AKA)流程。  

而EMM-REGISTERED則是用戶端裝置執行完Attach流程時，MME擁有用戶端裝置的完整資訊如國際移動用戶識別碼(IMSI)、全球唯一臨時標識(GUTI)、追蹤區域清單、IP位址、默認承載(Default Bearer)資訊。  

此外，EMM Timer--T3412(The Periodic TA update Timer)，必須小於Mobile Reachable Timer，且於Attach流程時，由行動管理實體訊息Attach Accept指派給用戶端裝置。其開始於進入EMM-IDLE狀態；結束於進入EMM-CONNECTION狀態，到期時用戶端裝置則執行定期性的追蹤區 域更新流程。  

相反的，Mobile Reachable Timer的預設值必須大於T3412，一般為4分鐘，其開始於進入EMM-IDLE狀態；結束於進入EMM-CONNECTION狀態，到期時MME則停止呼叫。  

瀏覽整個LTE基本架構後，將可較全面性的了解LTE閒置模式進入流程。實際上，該模式的相關流程包括S1 Release、追蹤區域更新、呼叫，以及服務要求等流程。