核心網路的演進 - ianchen0119/Introduce-to-5GC GitHub Wiki

本文目標：

  • 認識核心網路與相關組織架構
  • 介紹核心網路從 2G 邁向 5G 的發展過程
  • 了解核心網路與 Cloud Native 的關聯

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，它的工作包含但不限於：

  • 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）的流量，要讓核心網路保有複雜的功能性與高乘載量是個相當困難的議題。

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

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圖片來源：TS 23.501

  • 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

Standalone 與 Non-standalone

架構可以分為：

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

補充： uRLLC 主要仰賴基地台技術的進步，使用 NSA（Non standalone）的方式部署通訊網路的話是能夠符合這個需求的。 但是對 eMBB 與 mMTC 這兩大需求來說，仍需要軟體的支援（使用 5G 核心網路）。

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

核心網路與 Cloud Native 的關聯？

通訊網路有兩個最重要的基礎建設：

  • 核心網路
  • 基地台

在 5G 之前，不管是核心網路還是基地台幾乎都只能運作在特定硬體上，這也意味著通訊服務的營運商（電信業者）在採購這些設備時必須要買斷這些特定硬體，這麼做會帶來幾個限制：

  • 擴充性受限
  • 當服務淘汰，這些設備只能報廢
  • 市場壟斷

近年來，NFV（網路功能虛擬化）與 SDN（軟體定義網路）的技術越來越成熟，我們可以看到許多 Network Function 不再受到特定硬體的束縛，只要採購通用硬體與軟體就可以部署基礎設施，這個風氣也帶來了一些微妙的影響：

  • 雲端服務商與硬體製造商投入該產業
  • 越來越多的開源專案出現在市場中
  • 商業化的 5G 專網從不可能變為可能（國家提供專網頻譜、基礎設施的成本降低都是幕後推手）

上面有提到雲端服務商也投入了該產業，主要原因是受到 NFV 技術的影響，核心網路也有部署在公有雲/私有雲的可能，並不會受限於特定硬體或是一般的個人工作站。 實際上，我們可以看到許多有趣的專案應證了這件事：

  • 最早由臉書開發，目前由 Linux Foundation 維護的 magma 專案
  • 同樣由 Linux Foundation 維護，用於加速基礎設施的 IO Visor
  • 世界第一套遵照 3GPP R15 開發的開源 5G 核心網路 free5GC 與相關專案

本系列文將會介紹 5G 核心網路的功能與架構，並且探討核心網路轉型為雲原生軟體的重點技術。系列文並不會專注在熟練某一項技術，而是提供一個大局觀，讓讀者可以在閱讀的過程有機會發想一些應用並且貢獻到開源專案上。

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（對於硬體的需求）。 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。 如果讀者對 1G 到 5G 的接入技術感興趣（如：FDMA、CDMA、TDMA 等技術），可以參考：