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tags: 5G
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# 網路架構

基本上我們可以把行動通訊的網路切分成如下幾個部份：

* UE (User Equipment): 使用者終端，一般來說就是我們的手機
* 無線接入網 (Radio Access Network, RAN): 使用者手機接上網路的連接點
* 核心網 (Core Network, CN): 處理從 RAN 來的呼叫、資料請求，另外還有計費、移動管理的功能
* 承載網 (Bearer Network): RAN 內部、 RAN 和 CN 之間、CN 和外網之間的網路通道，類似我們城市與城市之間的交通要道

圖片來源： https://www.zhihu.com/question/325934238

# RAN (無線接入網)

## CU, DU, AAU

在以往基站部份，一般會分成 BBU、RRU 和天線

* 天線： 用來接收無線訊號
* RRU： 從 RRU 接收天線傳來的無線電訊號，然後轉換成數位訊號
* BBU： 負責和核網或其他基地台連接

在 5G 的時代，天線和 RRU 被合併為 AAU，而 BBU 則近一步被拆分為 CU 和 DU

圖片來源： https://tel3c.tw/blog/post/28669

那 CU 和 DU 的功能是什麼呢？我們以下圖來看，他們其實分別代表不同 OSI protocol layer 的功能

* AAU： 主要是 physical layer
* DU 則是包含部份 physical layer 和 data link layer (MAC/RLC)
* CU 則是負責 IP layer 以上

會把 CU 和 DU 分開除了分工外，也是增加部署的彈性，我們可以把 CU 和 DU 放一起，也可以分開，更可以一個 CU 對到多個 DU，形成樹狀架構。

圖片來源： https://blog.csdn.net/bandaoyu/article/details/95552803

## 5G 架構界面

在 5G 中，CU、DU、AAU 等通訊的界面都有相對應的規範

* Ng: 核網和 CU 的界面
* Xn: CU 和 CU 的界面
* F1: CU 和 DU 的界面
* eCPRI: DU 和 DU 的界面

圖片來源： https://www.techplayon.com/5g-nr-interfaces-x2-xn-s1-ng-f1-and-e1-functions/

## SA vs NSA

SA 代表獨立組網技術，NSA 則是非獨立組網技術。會有這兩個的原因是為了要讓 4G 到 5G 可以無痛轉移，電信商不用一次就要花大錢把所有設備都升級 5G，所以讓 5G 的 UE 也可以透過 4G 已有的基礎設備來連網。

圖片來源： https://zhuanlan.zhihu.com/p/441225660

# CN (核心網)

CN 在行動網路的角色特別重要，如果說 RAN 是讓使用者連上的入口，那 CN 就是管理者的角色，包括連接網際網路、安全認證、計算費用與流量等等，幾乎所有跟管理有關的功能都是在 CN 完成。

## NF

在 5G 中，特別的是把這些功能打散成一個個網路功能(Network Function, NF)，藉此增加彈性。可以看到下方紅色虛線框起來的部份，就是 5G 的核心網，裡面每個紅色的長方形都是一個個各自功能(如 AMF, SMF...)，下方的字就是用來代表他們與其他功能溝通的界面(如 Namf, Nsmf...)

圖片來源： https://kknews.cc/zh-tw/tech/ppz9x58.html

| 網路功能 | 中文名稱 | 控制/用戶面 | 功能 |
| - | - | - | - |
| UPF | 用戶面管理功能 | 用戶 | 轉發並處理用戶封包 |
| AMF | 訪問和移動性管理功能 | 控制 | 負責 UE 的註冊、連接、訪問驗證授權、移動性和可達性管理 |
| SMF | 會話管理功能 | 控制 | 會話管理、分配 IP 給 UE、控制 UPF |
| UDM | 統一數據管理 | 控制 | 管理並儲存用戶資料 |
| PCF | 策略控制功能 | 控制 | 提供策略規則，並讓 SMF 控制 UPF |
| AUSF | 認證服務器功能 | 控制 | 對與連接該網路的 UE 進行認證 |
| NEF | 網路開放功能 | 控制 | 外部應用接入 CN 的標準化界面 |
| NSSF | 網路切片選擇功能 | 控制 | 管理網路切片，例如如何幫終端選擇切片 |
| NRF | 網路註冊功能 | 控制 | 類似 DNS 的功能，協助找到其他 NF |

## 三大關鍵技術

CN 可以歸納出三大關鍵技術

* SBA (Service Based Architecture)
* SBA = NF Service + SBI (Service Based Interface)
* 也就是我們上面提到的架構，每個 NF (如 AMF) 對上自己的 SBI (Namf)，就形成了 SBA
* CUPS (Control Plane User Plane Separation)
* 將控制面和用戶面分離
* SMF 從 PCF 得到對於資料封包的處理規則，然後透過 N4 界面傳給 UPF，UPF 會依照這些規則來進行處理
* 網路切片 (Network Slicing)
* 可以根據不同的應用需求，選擇不同的網路特性，例如大頻寬、大連接、低延遲等等
* 不同類型的切片就是根據各自服務的需求擁有獨立的 SMF, UPF, NRF, PCF，在 UE 與 AMF 連接註冊後就會導向不同的切片

圖片來源： https://vocus.cc/article/61c68837fd89780001cee23b

## 三大特徵

* Edge Computing (EC)
* 在 5G 中，為了減少延遲，並且減少連接 CN 的流量，會把一些計算放在靠近用戶的地方，也就是所謂的 Edge Computing
* MEC (Multi-access/Mobile Edge Computing) 是在 Edge 端可以接受外部各種應用的平台
* 通常 MEC 位置都是在 RAN 和 CN 之間，有可能會包含部份 CN 功能

圖片來源： https://devopedia.org/multi-access-edge-computing

* QoS
* 不同的應用如果需要有不同的特性，例如確保通訊可靠，就可以設定不同 QoS
* 和網路切片不同，每個網路切片內部都可以各自定義自己的 QoS
* PDU 是 UE 和 DN 要連接的資料通道，而每個 PDU 內部還可以切分多個不同的 QoS Flow

圖片來源： https://zhuanlan.zhihu.com/p/267745237

* VoNR
* 5G 中用來進行語音通話的方法，又稱為Vo5G
* 5G CN 會透過 Gm 的界面和 IMS 系統連接，建立通話
* 當 VoNR 無法通話時，會自動換成 VoLTE，甚至是 2G/3G 的通話

圖片來源： https://blog.csdn.net/baidu_40808339/article/details/115293111

# Bearer Network (承載網)

前面我們提到了 RAN, CN (含 AAU, DU, CU)，他們之間連接的線路稱為承載網，而這個線路在不同段會有不同的名字

* fronthaul: AAU 和 DU 之間
* midhaul: DU 和 CU 之間
* backhaul: CU 和核網之間

圖片來源： https://www.moneydj.com/focus/Article/5G%E9%9C%80%E6%B1%82%E5%B0%87%E7%8F%BE%20%E5%8F%B0%E5%85%89%E9%80%9A%E8%A8%8A%E6%A5%AD%E7%A9%8D%E6%A5%B5%E5%8D%A1%E4%BD%8D-637159853617957351

承載網在每個線路段都有各自連接的方法：

## fronthaul

AAU 到 DU 有四種連接方式：
下面圖片來源： https://zhuanlan.zhihu.com/p/132578626

* 光纖直連:
* 適合在光纖多的地方部署
* 無源 WDM
* 利用一條光纖提供多個 AAU 和 DU 的連接，然後利用彩光模組來讓不同波長的光訊號在光纖中不會互相干擾
* 可以減少光纖使用，但是也比較難管理、故障定位困難
* 有源 WDM/OTN
* AAU 到 DU 間部署 OTN (OpticalTransportNetwork, 光傳送網路)，形成星狀架構
* 靈活性強、好維護、使用較少的光纖，但是成本也相對較高
* 微波
* 偏遠地方不適合部署光纖，可以用微波來通訊，但是安全性差且容易被遮蔽

## midhaul & backhaul

midhaul & backhaul 主要有兩種連接方法
下面圖片來源： https://zhuanlan.zhihu.com/p/132578626

* OTN+IPRAN
* IPRAN 是指 RAN 的 IP 化，也就是在 RAN 中使用 IP 的技術
* 由於 LTE 的時候是使用 IPRAN，因此如果能利用現有 IPRAN 網路，可以有效減少成本
* 完全 OTN
* 如果 midhaul 和 backhaul 都使用 OTN，可以有效減少延遲，並且更容易統一維護