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核心網路的演進

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Ian Chen edited this page Jul 15, 2022 · 8 revisions

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
    • 頻譜的重複使用。
    • 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）
  • 細胞網路
    • 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。
    • 客戶識別（使用 SIM 卡）
    • TDMA 與 CDMA
    • GSM Security

2.5G

  • 使用 GPRS 進行封包交換，速率可以達到 168Kpbs。
  • 使用 EDGE （Enhanced Data Rates for Global Evolution），速度可達 384Kpbs。
  • GPRS 提供多樣的加值服務，如：FTP、Email、Telnet、Web、Chat。

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。
  • WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access)
  • CDMA2000
  • E-GPRS
  • TD-SCDMA

4G

  • 主要可以分為：
    • LTE (Radio) + EPC = EPS (Only have packet switched)
    • WiMax（已消失）
  • Packet Switching services 最佳化
  • 調變技術的改進，如：MIMO、16/64 QAM
  • OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）
  • VoLTE（Voice Over LTE）
    • 利用 4G 網路傳送傳統的語音服務
    • VoLTE 預設情況下應該是關閉的，開啟方式會因不同廠牌的手機而有不同的設定步驟
  • 支援 Multimedia Broadcast Multicast Services（MBMS）

5G

  • 可以分為：
    • NSA (5G RAN + EPC)
    • SA (5G RAN + 5GC)
  • 三大訴求：
    • eMBB（增強型移動寬頻）
    • mMTC（巨量多機器型態通訊）
    • uRLLC（超可靠低延遲通信）
  • SBA（Service Based Architecture）
  • MEC（Multi-access Edge Computing）
  • Network Slicing

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

總結

本章節介紹了核心網路的概念，並且探討從 1G 到現今 5G 核心網路的發展、介紹每一個世代核心網路的特色與訴求。 在之後的章節將以 5G 核心網路為重點，探討整個核心網路的組成（Network Function）、常見的核心網路內部流程、核心網路的原始碼解說、核心網路的操作與開發。 如果筆者對 1G 到 5G 的接入技術感興趣（如：FDMA、CDMA、TDMA 等技術），可以參考：

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