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title: 5G 核心網路：從 3GPP 標準到服務化架構 (SBA) 的演進

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## 5G 核心網路：從 3GPP 標準到服務化架構 (SBA) 的演進

### 電信網路簡介：1G-4G 核心網路的演進
在深入 5G 之前，必須先理解行動通訊網路的基礎交換技術以及從 1G 到 4G 的演進歷程。此歷程的核心是從以語音為中心的 Circuit Switching 網路，逐步過渡到以數據為核心、全 IP 化的 Packet Switching 網路。

#### 核心交換技術：Circuit Switching vs. Packet Switching
行動通訊網路的基礎是資料交換技術，主要分為以下兩種截然不同的模式。

- **Circuit Switching (線路交換)**
    - **核心概念**：在通訊雙方之間建立一條專用、實體的通訊路徑（dedicated communication path）。此路徑在整個通訊期間會被獨佔，直到通話結束才釋放。
    - **技術流程**：
        1.  **建立連線**：從發話端到受話端，透過一系列的交換機（switch）建立一條完整的實體電路。例如，從希臘小島打電話回台灣，線路需經過本地、國家、甚至跨國交換中心層層串接。
        2.  **資料傳輸**：沿著已建立的專屬線路傳輸語音或資料。
        3.  **中斷連線**：通訊結束後，釋放整條線路資源。
    - **設計動機**：確保穩定的通訊品質與即時性，特別適用於對延遲極度敏感的語音通話。
    - **應用場景**：傳統的公共交換電話網路（PSTN）與 1G/2G 的語音服務。
- **Packet Switching (封包交換)**
    - **核心概念**：將較長的訊息（message）切割成數個獨立的、大小固定的資料區塊，稱為封包（packet）。每個封包各自在網路中獨立傳輸，到達目的地後再重新組裝。
    - **技術流程**：
        1.  **封包化**：在來源端，應用層資料被切割成多個封包。每個封包包含兩部分：
            - header (標頭)：包含控制資訊，如來源/目的地位址、封包序號等。
            - payload (酬載)：實際要傳輸的資料。
        2.  **路由與轉發**：封包在網路中的交換節點（通常稱為路由器 router）以「儲存後轉發」（store-and-forward）的方式傳遞。每個路由器會根據封包的 header 資訊決定下一個節點的路徑。不同封包可能走不同路徑。
        3.  **重組**：所有封包抵達目的端後，依據 header 中的序號等資訊重新組合成原始訊息。
    - **設計動機**：提高網路資源的利用效率。線路不被單一通訊獨佔，多個使用者的封包可以共享同一網路路徑，適合突發性（bursty）的數據傳輸。
    - **應用場景**：網際網路（Internet）以及 3G/4G/5G 的數據服務。

#### 各世代行動網路技術演進 (1G-4G)
行動網路的每一世代（generation）大約歷時十年，其技術核心的演進與上述兩種交換技術密不可分。

- **1G (第一代)**
    - **技術特點**：類比（Analog）通訊、Circuit Switching。
    - **核心服務**：僅提供語音通話（voice）。
    - **限制**：無自動漫遊（roaming）能力、安全性差、容量有限。
- **2G (第二代)**
    - **技術特點**：數位（Digital）通訊、仍以 Circuit Switching 為主。採用 TDMA/FDMA 技術。
    - **核心服務**：高品質語音通話，並開始支援低速數據服務（如 SMS）。
    - **設計動機與改進**：數位化帶來了更高的容量、更低的功耗、更好的通話品質、更強的安全性，並實現了國際漫遊。
- **3G (第三代)**
    - **技術特點**：數位通訊，首次同時採用 Circuit Switching 和 Packet Switching。
    - **核心服務**：同時支援語音與數據（data）。語音通話走 Circuit Switching，而上網等數據服務則走 Packet Switching（基於 GPRS 網路）。
    - **設計動機與改進**：引入 IP core，大幅提升數據傳輸速率，開啟了行動上網時代。
- **4G (第四代) - LTE (Long Term Evolution)**
    - **技術特點**：全 IP 化（All-IP），完全採用 Packet Switching only。
    - **核心服務**：高速數據，特別是影音串流（video）。語音通話也透過封包交換（VoLTE - Voice over LTE）實現。
    - **設計動機與改進**：
        1.  **簡化架構**：完全淘汰 Circuit Switching，使核心網路架構更扁平化（Flat architecture）。
        2.  **高頻寬**：採用 OFDMA 技術，提供更高的頻寬與傳輸效率。
        3.  **控制與使用者平面分離 (Separation of control plane and user plane)**：為網路帶來更大的設計彈性，此概念在 5G 中被進一步發揚光大。

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### 3GPP 標準演進與核心網路架構
3GPP (Third-Generation Partnership Project) 是制定全球行動通訊技術標準的核心組織。其發布的各版本（Release）定義了從 3G 到 5G 的技術規格與網路架構。

#### 3GPP 標準制定流程
- **Release**: 指一套完整的技術規範（Technical Specifications, TS）與技術報告（Technical Reports, TR）。
- **Freeze**: Release 的一個重要里程碑，表示該版本的功能性內容已確定，後續只能進行錯誤修正。

#### Release 歷史回顧 (R99-R14)
- **Release 99 (R99) - 3G**: (Freeze: 2000年3月)
    - 聚焦於基於 WCDMA 的新無線接取網路 (RAN)。
    - 強調與 GSM (2G) 的互通性與向後相容性。
- **Release 5 (R5)**:
    - 核心網路 (core network) 首次大規模引入 IP protocol。
    - 推出 IP Multimedia Subsystem (IMS) Phase 1，為提供多媒體服務奠定基礎。
- **Release 8 (R8) - 4G**: (Freeze: 2009年3月)
    - 正式引入 LTE 技術。
    - 核心網路演進為 System Architecture Evolution (SAE)，即 Evolved Packet Core (EPC)。
    - 實現全 IP 化核心網路。
- **Release 10-13**:
    - 針對機器類型通訊 (M2M, IoT) 進行網路優化。
    - 引入流量卸載 (Traffic offload) 機制，如 LIPA, SIPTO。
    - 提出專用核心網路 (Dedicated Core, DECOR) 概念。
- **Release 14 (R14)**:
    - 引入 Control and User Plane Separation of EPC nodes (CUPS)，將 EPC 網元的控制與使用者平面分離，是 5G 架構的重要前身。

#### 3G 核心網路架構 (Release 5)
3G 網路的特點是 Circuit Switched (CS) 域和 Packet Switched (PS) 域並存。
- **架構圖元件解析**
![image](https://hackmd.io/_uploads/Hk3FvmBvxl.png =70%x)
    ##### **Circuit Switched Domain**:
    - MSC (Mobile Switching Center): 負責 CS 域的交換與控制。
    - GMSC (Gateway MSC): 作為連接到外部網路（如 PSTN）的閘道。
    - VLR (Visitor Location Register): 儲存漫遊使用者的臨時資訊。
    ##### **Packet Switched Domain**:
    - SGSN (Serving GPRS Support Node): 負責 PS 域的移動性管理、session 管理和封包路由。
    - GGSN (Gateway GPRS Support Node): 作為連接到外部 IP 網路（如 Internet）的閘道。
    ##### **共享元件**:
    - HSS (Home Subscriber Server) / AuC (Authentication Center): 儲存使用者靜態資料、認證金鑰等資訊的中央資料庫。
    - **無線接取網路 (Radio Access Networks)**:
        - GSM RAN: 2G 的基地台子系統。
        - UTRAN: 3G 的無線接取網路。
- **Packet Routing 與 GTP Protocol**
    - **核心概念**: 在 PS 域中，使用者封包是透過 GPRS Tunneling Protocol (GTP) 建立的隧道（tunnel）來傳輸。
    - **運作原理**:
    ![image](https://hackmd.io/_uploads/rkJZqXHDex.png =70%x)
        1. GTP 是一種專為行動網路設計的 tunneling protocol，用於在 GPRS 骨幹網路上承載使用者封包，並處理路由與移動性管理。
        2. 當使用者設備（mobile）傳送封包時，會在 RNC 與 SGSN 之間、SGSN 與 GGSN 之間建立 GTP Tunnel。
        3. 封包被封裝在 GTP 標頭內，透過這些 tunnel 傳送至 GGSN，再由 GGSN 解開封裝後送往外部 IP 網路。
    - **PDP Context**: 為了路由封包，系統會為每個活躍的數據連線維護一個 PDP (Packet Data Protocol) context，其中包含該連線的路由資訊。

#### 4G 核心網路架構 (EPS - Release 8)
4G 的 Evolved Packet System (EPS) 是一個全 IP 化的扁平架構，完全捨棄了 CS 域。
- **架構圖元件解析**
![image](https://hackmd.io/_uploads/HkkT9XBPeg.png =75%x)
    - UE (User Equipment): 終端設備，如手機。
    - eNodeB (evolved NodeB): 4G 的基地台。
    - S-GW (Serving Gateway):
        - 使用者平面的錨點，負責在 eNodeB 之間切換時的路由。
        - 轉發使用者封包。
    - P-GW (Packet Data Network Gateway):
        - 連接 UE 與外部封包數據網路的閘道。
        - 負責分配 IP 位址給 UE。
    - MME (Mobility Management Entity):
        - **控制平面的核心**。
        - 負責非接入層信令（NAS signaling）、UE 追蹤、認證、漫遊、bearer 管理等。
    - HSS (Home Subscriber Server):
        - 功能類似 3G 的 HSS，是儲存使用者資料與簽約服務資訊的中央資料庫。
    - PCRF (Policy and Charging Rules Function):
        - 負責制定策略控制（如 QoS）與計費規則。
- **關鍵介面 (Interface)**:
    - S1-MME: eNodeB 與 MME 之間的控制平面介面。
    - S1-U: eNodeB 與 S-GW 之間的使用者平面介面。
    - S11: MME 與 S-GW 之間的控制平面介面。
    - S5/S8: S-GW 與 P-GW 之間的介面（S5 用於非漫遊，S8 用於漫遊）。
    - SGi: P-GW 與外部 IP 網路之間的介面。

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### 5G 核心網路介紹
5G 的設計不僅是 4G 的線性演進，而是一次顛覆性的革命（disruptive evolution）。它的目標從服務「人」擴展到服務「萬物」（Internet of Everything），支援人對機器（human-to-machine）和機器對機器（machine-to-machine）的通訊。

#### 設計動機與應用場景
- **三大應用場景 (Three Key 5G Use Cases)**
    - eMBB (enhanced Mobile Broadband): 增強型行動寬頻。追求極致的傳輸速率與頻寬，是 4G 應用的延伸，如 4K/8K 影片、AR/VR。
    - URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications): 超可靠低延遲通訊。要求極高的可靠性（99.999%）與極低的延遲（約 1ms），適用於自駕車、遠端手術、工業自動化等關鍵任務。
    - mMTC (massive Machine Type Communications): 大規模機器類型通訊。目標是支援海量的低功耗、低成本設備連接，如智慧城市中的感測器網路、智慧農業等物聯網應用。
- **5G 性能指標 (NGMN Requirements)**
    NGMN (Next Generation Mobile Networks) Alliance 為 5G 設定了遠高於 4G 的性能目標，指導 3GPP 的標準制定。
    
    | 屬性 (Attribute) | LTE (R12) 能力 | 5G 需求 (Requirements) |
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    | **Data rate** | 平均: 100 Mb/s, 峰值: 600 Mb/s | 平均與峰值速率 > 10X，cell邊緣速率 > 100X |
    | **End-to-end latency** | 50 ms (e2e) | > 10X 改善 (更小) |
    | **Mobility** | 350 km/h | > 1.5X (支援更高移動速度) |
    | **Connection density** | ~2,000 active users/km² | > 100X (支援百萬級設備/km²) |

#### 核心網路架構：服務化架構 (SBA)
5G 核心網路最大的架構變革是引入了服務化架構（Service Based Architecture, SBA）。
- **設計動機與背景問題**：4G 的 point-to-point 架構中，網元間的介面都是客製化且緊密耦合的，新增或修改功能非常複雜且缺乏彈性。
- **運作原理**：
    1.  **網路功能模組化**：將傳統大型、單體的網路設備，拆分成一系列更小、更專注的「網路功能」（Network Function, NF），類似軟體工程中的微服務（microservices）。
    2.  **統一的服務化介面**：所有 NF（特別是控制平面的 NF）都提供標準化的服務。其他 NF 可以透過一個共享的通訊匯流排（bus）來「訂閱」或「請求」這些服務。
    3.  **基於 HTTP/2 的 RESTful API**：NF 之間的溝通採用類似 web 服務的 RESTful API，指令簡化為 GET, POST, PUT, DELETE 等，大大降低了整合的複雜性，提高了開發與部署的靈活性。

#### 網路功能 (Network Function, NF) 
![image](https://hackmd.io/_uploads/SkvTTQHDxg.png =85%x)
- **AMF (Access and Mobility Management Function)**:
    UE 接入核心網路的第一個接觸點。負責處理所有與 UE 接入和移動性相關的功能，包括註冊、連線、可達性、以及移動性管理（如 Handover）。功能上部分繼承自 4G 的 MME。
- **SMF (Session Management Function)**:
    負責管理 UE 的 PDU session。職責包括建立、修改、釋放 PDU session，UE IP 位址的分配與管理，以及選擇和控制 UPF。
- **UPF (User Plane Function)**:
    **使用者平面的核心**。負責處理所有使用者數據封包，包括封包路由與轉發、策略執行、流量報告、與外部數據網路（DN）的互聯。它是 4G S-GW 和 P-GW 使用者平面功能的結合與演進，並實現了 CUPS。
- **UDM (Unified Data Management) / UDR (Unified Data Repository)**:
    UDM 處理使用者身份識別、認證憑證等數據，而 UDR 是儲存這些數據的統一資料庫。功能上類似 4G 的 HSS，但實現了數據與應用邏輯的分離。
- **AUSF (Authentication Server Function)**:
    作為認證伺服器，專門負責對 UE 進行認證。
- **PCF (Policy Control Function)**:
    提供統一的策略框架，以管理網路行為。它向 AMF 提供接入與移動性策略，向 SMF 提供 session 管理策略，並向 UPF 下發流量處理規則。
- **NSSF (Network Slice Selection Function)**:
    負責為 UE 選擇應服務於它的網路切片實例（Network Slice Instance），並決定該 UE 應使用的 AMF 集合。
- **NEF (Network Exposure Function)**:
    提供一個安全的方式，將核心網路的能力與事件暴露（expose）給外部的第三方應用或內部非 3GPP 標準的應用。
- **NRF (Network Repository Function)**:
    **SBA 的服務註冊與發現中心**。所有 NF 實例都必須向 NRF 註冊其提供的服務。當一個 NF 需要使用另一個 NF 的服務時，它會向 NRF 查詢以發現可用的 NF 實例。

#### 核心技術：SDN, NFV 與 Network Slicing
SBA 架構的實現，離不開 SDN、NFV 和 Cloud 技術的支撐。

- **Transformation to SDN/NFV/Cloud**
    - **傳統模式**: 軟硬體緊密耦合的專有設備（Proprietary Hardware/Software），成本高昂、缺乏彈性。
    - **新典範**:
        - SDN (Software-Defined Networking): 將網路設備的控制平面（control plane）與資料平面（data plane）分離。由中央的 SDN Controller 統一管理網路邏輯，使網路變得可程式化。
        - NFV (Network Function Virtualization): 將網路功能（如防火牆、路由器）從專用硬體中解耦，使其能以軟體（Virtual Network Function, VNF）的形式運行在通用的商用伺服器（Commodity Hardware）上。
        - Cloud: 提供彈性的、可擴展的基礎設施，來運行這些虛擬化的網路功能。
    ![image](https://hackmd.io/_uploads/rkfD84SDlg.png =90%x)
    - **價值**: 這種轉變使電信營運商能夠擺脫廠商鎖定，降低成本，並快速創新與部署新服務。
- **Network Slicing (網路切片)**
    - **核心概念**: 在一個共享的實體基礎設施之上，建立多個端到端的、邏輯上隔離的虛擬網路。每個網路切片（slice）可以根據特定的業務需求（如 eMBB, URLLC, mMTC）進行客製化的功能、性能與資源配置。
    - **應用實例**:
    ![image](https://hackmd.io/_uploads/HJyyL4Hvgg.png =75%x)
        - **Slice 1 (eMBB)**: 為智慧手機用戶提供高頻寬服務。
        - **Slice 2 (URLLC)**: 為自駕車提供低延遲、高可靠的通訊。
        - **Slice 3 (mMTC)**: 為大量的物聯網設備提供低功耗、廣覆蓋的連接。

    [詳細內容參考另一篇筆記](https://hackmd.io/iP_RLm0WSbaISdDCC--nrw#Network-Slicing)

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### 5G 標準與部署架構

#### 3GPP 5G 標準 (Release 15 ~)
- **Release 15 (R15)**: 5G 的第一個標準版本，奠定了 5G 系統的基礎，包括 NSA 和 SA 架構。
- **Release 16, 17, 18...**: 持續演進，逐步完善 5G 系統，並為 6G 的研究鋪路。

#### 5G 部署選項：NSA vs. SA
- **Non-Standalone (NSA)**:
![NSA-architecture](https://hackmd.io/_uploads/SJQd-4rPll.jpg =75%x)
    - **核心概念**: 早期快速部署 5G 服務的方案。它利用現有的 4G EPC 作為核心網路，僅在無線接取側新增 5G 基地台（gNB）。
    - **架構**: gNB 的控制信令錨定在 4G 的 eNB，數據可以透過 eNB 或直接連接到 4G EPC。目前全球大部分商用 5G 服務仍採用此模式。
- **Standalone (SA)**:
![SA-architecture](https://hackmd.io/_uploads/H1NK-NrPel.jpg =75%x)
    - **核心概念**: **「真」5G**，採用全新的 5G 核心網路（5GC）和 5G 無線接取網路（NG-RAN）。
    - **架構**: 完全獨立於 4G 網路，能夠完整發揮 5G 的所有能力，如 SBA、Network Slicing、URLLC 等。
    - **關鍵規範**:
        - TS 23.501: 系統架構。
        - TS 23.502: 程序流程。
        - TS 23.503: 策略與計費控制框架。

