核心網路的演進

什麼是核心網路？

我們目前在生活中使用的通訊網路主要有三大裝置參與：

• 終端設備（手機加上 SIM 卡）
• 基地台
• 核心網路

其中，核心網路在整個通訊網路系統中扮演了非常重要的角色，包含但不限於：

• 終端用戶與終端用戶或是外部網路之間的通訊（IP Allocation）
• 管理終端裝置的 Mobility，舉例：當終端裝置以高速移動，核心網路需要處理基地台換手、裝置定位、User Plane Anchor 等問題。
• 漫遊
• 速率控制、流量計費、管理訂閱用戶資料
• 現有與舊有系統之間的相容性（4G 與 5G 系統之間的切換）

由上述資訊可見，核心網路乘載了極大的 CP（Control Plane）以及 DP（Data Plane，又或是 User Plane）的訊息，因此，整個核心網路的實作非常複雜。

什麼是 3GPP？

3GPP（3rd Generation Partnership Project）成立於 1998 年年底，初期致力於訂定全球性第三代行動電話系統規範（GSM 演進到 W-CDMA）。 3GPP 夥伴包含：

• 歐洲的 ETSI
• 日本的 ARIB 以及 TTC
• 中國的 CCSA
• 韓國的 TTA
• 北美的 ATIS
• 印度的電信標準開發協會

從 2G 到 5G 的核心網路演變史

本節進一步介紹每一個世代核心網路的特色（G 代表 Generation）。

1G

• 蜂巢式行動通訊系統
  • 蜂巢式的特色是能夠做到頻譜的重複使用，每個基地台的小區之間使用不同的頻譜進行資料的傳遞，這樣一來就能夠降低通訊被干擾的機率。
  • FM 調變技術：在相同頻譜下，把總頻帶寬度分成多個正交的通道，每一個用戶（也可以說是不同的通訊連線）佔用一個通道。
  • 正交：指內積空間兩向量的內積為 0（垂直）。
• 傳統語音通話，不支援數據通訊服務（網際網路）
• 無法漫遊（不同電信公司就無法互通）

2G (GSM)

• 有了標準的語音通話（支持漫遊）
• Difference between 1G and 2G protocols

2.5G

• 沒有明確的定義

3G

• 核心網路包含 packet switched 以及 circuit switched
• 3G 主要架構圖涵蓋: radio access network + packet switched + circuit switched。

4G

- LTE (Radio) + EPC = EPS (Only have packet switched)
-  WiMax -> 已消失

• 5G
  • NSA (5G RAN + EPC)
  • SA (5G RAN + 5GC)

Circuit Switching v.s. Packet Switching

1. Circuit Switching

• 在兩個端點之間建立一個專用的通訊路徑
  • 好處：由於專用通道不會受到干擾，因此傳輸延遲與錯誤率低。
  • 缺點：容易有資源佔用的問題，例如：兩個裝置建立了通訊但沒有傳輸任何資料。

Circuit Switching 的建立流程如下：

1. Circuit establishment
2. Information transfer
3. Circuit disconnect

2. Packet Switching

Packet Switching 相較於 Circuit Switching，有著以下特色：

• 訊息會被分解成封包，並且在節點間 routing（路由）
  • 不需要預先建立通訊路徑
• 現代化網路的基礎