免授權行動存取(Unlicensed Mobile Access, UMA)是一種3G行動標準，消費者能夠透過家庭、辦公室或戶外的無線區域網路(WiFi)熱點與2.5G/3G服務交替使用，傳輸照片、簡訊或進行影像電話。
舉例來說，當使用UMA手機的消費者進入WiFi網路範圍以後，電話就會自動切換到網路語音通訊協定(VoIP)中，以協助用戶節省通話費。對用戶來說，由於單一設備即可完成，消費者在戶外或室內使用的電話號碼都不變，可簡化行動體驗，得到較高的網路覆蓋率。
再者，由於UMA具有良好的成本效益，系統業者得以擴展自己的業務範圍，並提供消費者具有吸引力的資費方案，因此UMA在近期的發展頗受重視。
然而，儘管從業務層面來看，UMA頗具好評，不過在模擬真實環境的測試上，廠商們卻常面臨強大的挑戰。尤其在執行實際的使用測試(Usage Testing)上，由於該項測試可讓工程師預測潛在客戶對手機效能的看法，並同時得知手機設計的品質優劣，因此使用測試一向是一項重要的過程。
UMA是網路整合上的一項里程碑，讓行動手機用戶享受固定式寬頻網路的優點。不過，在這裡須澄清的是一點是，UMA後來由3GPP改名為通用存取網路(Generic Access Network, GAN)，在本文中將兩者統稱為GAN。
GAN刺激各式通訊服務升溫
GAN系統的問世，允許手機在傳送語音、數據、語音與數據、或不傳送任何資料的情況下，皆可於GSM/EDGE等蜂巢式網路與無線區域網路IP存取網路間進行換手(Handover)。
GAN系統結構和協定記載於3GPP技術規格43.318和44.318中。實作GAN技術的手機，必須被驗證符合這些標準才能上市。在進行認證之前，手機開發商有一些機會可以按照這些標準來測試他們的GAN實作，及早驗證手機處理數據和語音的能力，可在執行符合性測試時大幅提高成功的機率。
即使像GAN這種技術，設計人員仍有機會透過效能來區隔他們的產品。手機中的WLAN技術已經廣泛應用於VoIP或作為數據機使用，而能否在IP與蜂巢式網路間進行完美的切換，是評判GAN好壞的關鍵因素，而網路元件、設定連接、安全閘道器、語音品質、測試考量等因素，也同樣影響GAN的優劣甚深。
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GAN系統在GERAN/UTRAN網路中加入一個新的結構元件--GAN控制器(GANC)。GANC的功能相當於典型的GERAN網路中的基地台控制器(BSC)，但不同於BSC的是，GANC的前端會連接到IP存取網路，並使用特殊的GAN協定，透過稱為Up介面與手機進行通訊。為使訊令(Signaling)和使用者資料能夠在手機與核心網路間進行傳輸，GANC必須負責將Up介面訊息轉換成現有的BSC/核心網路介面協定，以GSM來說，是指基地台子系統應用部(Base Station Subsystem Application Part, BSSAP)或基地台系統GPRS通訊協定(Base Station System GPRS Protocol, BSSGP)。
為接收GAN服務，手機必須採雙模態設計，並且必須能夠偵測使用者何時漫遊入或漫遊出藍牙(Bluetooth)或WiFi網路，以便在GAN與GERAN/UTRAN模式間切換。此外，手機必須設定一個可經由GAN安全閘道器(SEGW)，通往服務GANC的網際網路協定安全(Internet Protocol Security, IPSec)式VPN通道。行動服務所包含的數據、語音和訊令流量，都可在此通道中獲得適當的保護及順利進行傳輸。 |
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在GAN建置中，通常會使用幾個GANC來為GAN服務劃分責任及提供負載平衡。網路中的每個GANC都可為以下至少一個邏輯實體提供服務，包括預備GANC(P-GANC)、預設GANC(D-GANC)或服務GANC(S-GANC)。
使用GAN手機的行動用戶，只有在手機處於被許可連接的免授權無線網路範圍內才能使用GAN。當手機初次嘗試連線時，必須先確認D-GANC，接著手機會開始進行探索程序，以便接收在註冊程序中所須用到的有關D-GANC的資訊。
為了取得D-GANC及其相關的SEGW的位址，手機必須經由P-GANC相關的SEGW，找到手機的家庭公用陸地行動網路(Home Public Land Mobile Network, HPLMN)中的P-GANC。已預先準備完全合格的領域名稱(FQDN)或IP位址的手機，可能會提供P-GANC及其相關的SEGW位址；否則手機也可以依據SIM/USIM中的資訊來取得FQDN。定址需求(Addressing Requirements)記載於3GPP TS 23.003中。
接下來手機會建立一個安全的通道以通往D-GANC的SEGW，並嘗試在D-GANC註冊。D-GANC可能會接受註冊而變成該連接的S-GANC，或者將手機重新導向到不同的S-GANC。
手機可能不必設為GAN模式就能無限期地維持對S-GANC的註冊，而且可以同時使用GERAN/UTRAN服務，以便適時地將語音和數據越區切換到GAN。當手機被切換到GAN或自行決定改用GAN時，將會更新用戶儲存在核心網路中的目前位置資訊，而語音/數據和訊令流量則可經由GANC而非蜂巢式網路傳送到手機。 |
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安全閘道器是GAN系統的一個重要元件，它在手機與被用來連接的不安全IP存取網路另一端的業者網路之間提供一個安全的鏈路。
在典型的GAN建置中，SEGW必須負責在手機與GANC所在的核心行動網路之間設定及維護安全的連接，如透過IPSec/IKEv2加密就是一例。當建立好GAN連接後，手機必須利用公開金鑰憑證來認證安全閘道器，如此可確保用戶於公共IP存取網路上使用GAN時，不會在無意中進到其他惡意網路。
SEGW在手機與連接的計費、認證和授權(Accounting Authentication and Authorization, AAA)伺服器間充當通訊媒介，因而在認證用戶是否有權使用網路GAN服務上也扮演重要的角色。AAA伺服器會依據傳送到手機的要求/回應結果來做出認證決定，迫使手機和網路證明它們知道儲存在用戶SIM或USIM及AAA伺服器所連接的網路主位置暫存器(Home Location Register)中的共享或秘密k值。
除了認證手機和網路之外，認證演算法的結果也會被用來取得兩端所需要的金鑰材料，以便為手機與SEGW間的IPSec連接加密。
手機與AAA伺服器之間所使用的認證協定，就2G和3G網路來說是不同的。兩種網路所使用的協定都以現有的2G和3G認證技術為基礎，但強調為較脆弱的IP存取網路提供更完善的保護。2G網路使用用戶識別模組延伸式認證協定(Extensible Authentication Protocol for Subscriber Identity Module, EAP-SIM)來進行認證，而3G網路則使用UMTS認證金鑰協議延伸式認證協定法(Extensible Authentication Protocol Method for UMTS Authentication and Key Agreement, EAP-AKA)來認證。 在無法關閉手機GAN安全功能的測試環境下，有必要在測試系統中建置具備IPSec和EAP能力的SEGW和AAA伺服器元件，以便手機能夠連接及使用GAN服務。 |
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設計工程師在驗證GAN手機的設計參數之前，須要先回答幾個問題，例如必須測試哪些參數，以確保手機符合規格？可以測試哪些真實的使用環境，以判斷手機是否合乎其用途？在設計過程中有助於減少重做和非必要重測的最佳測試點為何？
如同在純蜂巢式網路中一樣，通話的設定、切斷和切換功能很可能是系統中的幾個弱點，容易造成服務問題並使客戶感到不滿意。為徹底模擬這些功能，設計工程師的工作台上最好有足夠的測試能力，且盡可能與設計團隊的其他成員聚在一起，以依據測試結果做出有效率的決策。 |
GAN系統採用新的訊令程序，許多現有的上層(Upper Layer)功能都使用此種存取層(Access Stratum)技術。3GPP指定了GAN手機必須遵守的一些符合性測試，詳細內容記載於3GPP TS 51.010-1中。這些測試規格強調測試新的GAN程序，但對於建置在GAN上的現有蜂巢式技術，其使用經驗卻少有著墨。因此設計工程師必須測試許多操作情境︰
使用專為執行無線通訊測試而設計的無線通訊測試儀，便可經由受到控制且可重複的方式來模擬用以測試GAN功能的各種環境。
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這類測試在GAN手機的開發周期中至為重要，包括從初期的設計到系統整合和驗證、現場測試的模擬、相互操作性測試及符合性測試等階段。圖1為功能測試的設定，其使用在PC上執行的應用程式來模擬GANC。
在此設定中，所有能夠連上手機並取得IP位址的裝置都可提供IP網路連接。圖2使用一般市售的WLAN網路橋接器。
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| 圖2 使用測試儀和市售的無線網路橋接器來進行GAN測試設定 |
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除了驗證手機是否符合GAN標準之外，設計工程師還應考慮測試標準未涵蓋但與日常使用有關的部分。以下三種測試環境是已被證明有助於預測手機真實效能的使用測試範例。
第一種稱為電流吸汲(Current Drain)分析。有別於蜂巢式通訊標準，WLAN標準並不太考慮使用者裝置的電池容量，但這些裝置很可能相當耗電。單模態GSM手機即使在連續待機下，其電池壽命仍可達WLAN手機的五倍。如果將通話時間算進來，其間的差異就更明顯了。由於GAN手機必須同時監測GERAN、UTRAN和GAN網路，因此電池壽命便成了設計時的重要考量。
執行完整的分析有助於評估在關鍵使用點，例如在封包資料傳輸時，電流吸汲所產生的影響，如圖3所示，圖中垂直軸顯示時間的變化，水平軸則顯示振幅的變化。
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| 圖3 對電池的電流吸汲執行CCDF量測與分析 |
第二種則是語音品質。Voice over GAN與VoIP很類似，因為它們都使用IP封包來傳送語音資料。在GAN中，IP封包包含了以GSM編碼的壓縮語音資訊。Voice over GAN與GERAN/UTRAN語音呼叫的主要差異在於選擇編解碼器(Codec)的決定，以GAN而言，其取決於遺失封包的百分比，而非功率位準或載波干擾比的相對水準。
在編解碼器的速率變化或與遺失封包數量有關的磁滯方面，至今尚未指定任何接收器靈敏度測試，但這些因素很可能會對感受到的手機效能產生明顯的影響，因為即使是AMR編解碼器最細微的變化，敏銳的使用者也能察覺得到。語音品質測試對於評估GAN手機設計能否克服這些挑戰有很大的助益(圖4)。
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| 圖4 語音品質與封包遺失率和磁滯 |
使用測試的第三個基本環節就是評估端對端資料傳輸速率，並發現可能帶給使用者負面經驗的任何等待時間(Latency)或延遲情形。模擬各種使用環境對設計工程師來說是絕對必要的，他們必須量測WLAN連線上的端對端IP資料速率，以及在呼叫越區切換時所發生的任何改變，例如切換到GERAN服務小區(Serving Cell)再切換回來時。
這一點特別重要，因為當使用典型的GAN存取如WLAN網路時，理論上可達到的資料速率會大幅提升，而使用GERAN/UTRAN通常可達到的資料速率則會慢很多，圖5有詳細的說明。
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| 圖5 從GAN到GERAN再到GAN的轉換速度分析 |
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正確模擬GAN有助系統設計
在進行符合性測試之前驗證設計實作時，必須考慮一些因素。雖然以上所列的測試環境仍嫌不足，但對於了解手機的效能甚為有用。在模擬GAN系統的設定中執行這些測試，可讓工程師評估不同決定所造成的影響，從而減少重複設計的次數。此方法將有助於節省時間、心力和成本。
同樣地，實際的使用測試可讓工程師預測潛在客戶對手機效能的看法及手機設計的品質。使用測試對設計工程師的工具箱來說是不可或缺的重要工具，其有助於提高產品成功上市的機率。
(本文作者任職於安捷倫)