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LTE 筆記: SGi interface 和 SGi LAN 在 4G 網路中的應用

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在 LTE 的核網中, 資料透過 PDN (Package Data Network) gateway 連結外部網路,在過往我的理解中, 資料只要出了 PDN GW, 就是和網際網路 (Internet) 相連, 因此, 不論是封包的轉傳, 或是應用的提供, 應該都要回歸 IP 層的設定. 然而, 事實上, 在 PDN GW 和 Internet 之間, 3GPP 還定義一個通訊界面, 稱為 SGi, 在此介面上, 或者說是在這中間的網路 (SGi LAN), 可以建立不同的應用,  用以提供各式加值服務, 以下是對 SGi 介面的定義:
Interface between the PDN-GW and a packet data network. It may be an operator external public or private packet data network or an intra operator packet data network, e.g. for provision of IMS services
在定義中的 IMS (IP Multimedia Subsystem) services, 為電信商所提供的多媒體服務, 像是: VoLTE, 影像電話等, 和一般網際網路的應用不同, IMS 服務可以存取核網資訊 (例如: HSS 資料庫), 並透過其在核心網路出口的優勢, 提供較佳反應時間與頻寬.
另一方面, SGi LAN 也可以用以實作防火牆, DPI (Deep Packet Inspection), 等安全控制功能, 並可透過服務疊加的方式 (service chaining), 提供不同服務組合, 如下圖所示:
來自: https://blog.advantech.com/tech-blogs/ntg/2017/11/sgi-lan-service-chaining/
我們可以看到可以利用 SGi LAN 實現的服務可以分成兩類: 電信商的應用服務:
對於此類服務, 一開始的 IP 位址就必須為電信商服務的 IP,
當服務進入 SGi LAN 之後, 可藉由 NAT 實現負載平衡,
並利用資料中心內的資源, 提供服務網路安全管理:
此類應用可以利用防火牆的設定, 提供 黑名單/白名單 的功能,
也可以使用 DPI 的功能, 透過即時的封包監控,
提供應用層…

LTE 筆記: Service-Based Architeture (SBA) in in 5G Core Network ~2

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在上一篇文章中, 我們介紹了 SBA 的架構, 然而, 考慮到 SBA 架構中, 出現不少 5G 專有的元件, 因此, 我們參考了 TS 23.502 4.3.6.3 中的一個和 routing 相關範例  (An example for interactions between AF and NEF), 說明如何在 SBA 架構下進行資料的交換.
此範例中,  AF (Application Function) 提供控管 User Plane 資料流的功能 
(Application Function influence on traffic routing), AF 透過 SBA 架構, 對 SMF (Session Management Function) 下達指令, 更改在 Core Network 中的資料轉傳路徑, 完成 SDN (Software-Define Network) 的功能,  至於, NEF (Network Exposure Function) 則扮演不安全網路的代理角色, 整體流程如下所示:
來自: https://www.tech-invite.com/3m23/toc/ tinv-3gpp-23-502_t.html#e-4-3-6
此範例中,  訊息主要在 SMF 和 AF 之間交換, 又分成兩種情況: AF 在安全的網域內 (例如: 在 Core Network 之中), 以及 AF 在不安全的網域 (例如: Core Network 外部的應用程式), 可以用以下 4 個步驟解說: 因應預先 AF 設定的條件, 或是, session anchor 的建立, SMF 會向 AF 發出通知 (notification)若 AF 非信任節點, 此通知以及回覆透過 NEF 送出 (2a, 2b, 2d, 2e, 4a, 4b, 4d, 4e)若 AF 為信任節點, 此通知以及回覆可以直接在 SMF 和 AF 之間交換 (2c, 2f, 4c, 4f)SMF 根據 AF 的回覆, 修改 UPF (User Plane Function) 的 routing 規則 在此範例中, 我們可以了解 AF 以及 NEF 的功能與設計, 同時, 透過 SDN 概念的引入, 5G 網路將可以提供更多客製化的功能, 一方面, 可以對應於 5G 網路中多樣裝置的不同通訊規格 (手機…

LTE 筆記: Service-Based Architeture (SBA) in in 5G Core Network ~1

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在 4G Core Network 中, 不同的單元之間, 透過不同的介面溝通,此架構又稱為點對點 (Point-to-Point, P2P) 架構, 其優點在於可以針對每一個介面, 設計最佳的通訊協定, 然而, 這樣的架構也造成網路的僵化, 難以擴展新功能. 考量至此, 3GPP 在定義 5G Core Network 時, 引入了 Service-Oriented 的想法, 命名為: Service-Based Architeture (SBA),  定義於 TS 23.501, 並以 RESTful API 作為溝通的介面, JSON 作為溝通的格式, 在 SBA 架構下, 5G Core Network 拆解成許多獨立的功能模組, 如下圖所示:

在上圖中, 我們可以看到 SBA 架構下, 可以分成兩部分, 其中, 和 RAN 直接相關的部分 (UPF, AMF, SMF), 仍舊維持 P2P 的架構, 但是, 對 AMF 以及 SMF 的管理單元, 都在同一個匯流排上, 以 RESTful API 的方式串聯, 而在匯流排上的功能單元, UDM, AUSF, PCF 是屬於標準的 Control Plane 功能, 其中, 和 4G Core Network 的功能對應可以表示於下圖: 其中, 由於 Control Plane 和 User Plane 分離的緣故, SGW-U, PGW-U 分別代表了 Serving Gateway (SGW) 和 PDN Gateway (PGW) 的 User Plane, 相對的, SGW-C 和 PGW-C 則代表了 Control Plane 的功能, AMF 用以管理 UE 的 Access 和 Mobility, 而 SMF 管理 UE 的 Session,  此兩個功能元件, 直接和 UPF (User Plane Function, 主要就是資料的路由) 以及 RAN (Radio Access Network, 主要就是基地台) 溝通, 並直接給予指令, 因此, AMF 和 SMF 仍是走標準的 P2P 介面. 其他在匯流排上的 SBA 單元, 則可以視為提供 AMF 和 SMF 的計算單元, 若以 SDN 作為框架, AMF 和 SMF 角色類似於 OpenFlow, 而其他元件則類似於 NFV (Network Function Virt…

LTE筆記: 5G 核心網路 (core network) 的演進

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在通訊系統的演進中, 我們通常著重於 RAN (Radio Access Network) 的進展,畢竟, RAN 的進步 (如: 傳送速率, 新的裝置, 等) 都比較和使用者相關, 但是, 相對於 RAN, 核心網路 (core network) 的改變也非常巨大, 從 3G 到 4G, 基本上完成了從 circuit switch 到 packet switch 的轉換, 讓行動網路, 不只有語音通訊的功能, 也引領手機裝置, 從功能手機演進為智慧型裝置, 接著, 從 4G 到 5G 網路, 面對多樣的終端裝置 (智慧手錶, 物聯網裝置, 等) 5G 核心網路引入兩個重要概念: 網路功能虛擬化 (Network Function Virtualization, NFV) 與雲端. 在本文中, 會著重在架構和功能的比較, 5G core network 的特色之後有機會再說明.
來自: https://medium.com/@sarpkoksal/core-network-evolution-3g-vs-4g-vs-5g-7738267503c7
在 3G 的 core network 中, packet-switch 和 circuit-switch 是分開的, 其中, 負責 packet-switch 的是 GPRS (General Packet Radio Service), 藉由分時多工的方式, 分享通訊資源. 其中, SGSN 負責管理 UE 的 session, 移動性, 計費的功能, 可以想像是 control plane, GGSN 則負責將 IP-based 的在通訊系統傳送, 可以想像是 user plane.
來自: https://medium.com/@sarpkoksal/core-network-evolution-3g-vs-4g-vs-5g-7738267503c7
到了 4G 網路, 就正式把 circuit-switch 從 core network 中移除, 相對於 3G 把所有功能都放在 SGSN 內, 4G core network 針對功能做了較佳的切分, 其中, MME 負責 session 和 mobility 的管理, HSS 為使用者認證資料庫, S-GW 將來自 internet 的資料, 轉換成 LTE 網路中的 bearer, 透過 …

[BLE] BLE 5.1 室內定位

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在 BLE 5.1 中加入了對角度估測的支援,此功能可以廣泛利用於室內定位的範疇, 提供公尺以下之定位精確度, 此定位功能利用多天線之技術, 估計目標裝置相對之角度, 又可以分成以下兩種估計之架構: AoA (Angle of Arrival) 和 AoD (Angle of Departure).

來自: https://www.rohde-schwarz.com/ae/solutions/test-and-measurement/wireless-communication/
wireless-connectivity/bluetooth/bluetooth-direction-finding/bluetooth-direction-finding_251246.html

在 AoA 的架構下, 移動裝置需要單一天線, 並發送一特殊訊號 (DF-enabled packet), 固定裝置 (BLE Gateway, BLE GW) 擁有多根天線, 進行角度之估測, 在 DoA 的架構下, 移動裝置依然透過單一天線傳輸, 但是此時, 特殊的 DF-enabled packet 由 BLE GW 發出, 角度之估測則在移動裝置進行,
在 BLE 5.1 的架構下, 裝置必須發送一特殊訊號,  也就是上述的 DF-enabled packet, 其中 DF 為 Direction Finding  的縮寫, 此訊號的特色為包含一串 Constant Tone Extension (CTE) 訊號, 用以提供固定的波型 (waveform) 和頻率 (frequency) 的訊號, 以供接收端進行 IQ 的分解 (顯示收到訊號的的強度和相位改變), 進行之後之角度估測.
https://www.bluetooth.com/wp-content/uploads/2019/05/BTAsia/1145-NORDIC-Bluetooth-Asia-2019Bluetooth-5.1-Direction-Finding-Theory-and-Practice-v0.pdf
在角度估測部分, 以 AoA 為例, 移動裝置發出 DF-enabled packet, 而 BLE GW 依序從不同天線接收,  因此, 每根天線可以解出目標訊號的不同相位數值, 假設天線距離夠小 (小於半波長), 兩兩天線之間的相位差即可換…

LTE 筆記: C-RAN (Cloud-RAN) ~5

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考慮到實作上的困難, 3GPP 最終並沒有制定底層的功能切分,此部分的功能切分, 就變成一個開放議題, 而回到各設備廠商的實作, 其中, 值得一提的是 O-RAN 此組織在 C-RAN 協定上的努力.
首先, 先談談 O-RAN 這一個組織, O-RAN 全名為 ORAN Alliance, 組成包括全世界重要的電信商以及設備商, 其目標是提供開放架構的電信網路,  將原有的特製化設備, 使用標準的軟硬體取代,  並透過開放的系統與定義完善的接口, 讓更多硬體商加入設備提供, 完成電信網路的白牌化.
先撇開最終成敗不談*, O-RAN 的目標的確是一有趣的想法. 有興趣的同學, 可以查看: https://www.o-ran.org/ 其中, 關於 C-RAN 的討論在於 WG6: The Cloudification and Orchestration Workgroup, 在此工作項的說明中, 就強調了要引入商用硬體, 加入 C-RAN 的競爭, 在該份文件的撰寫時, 也的確花了很大的篇幅討論商用軟硬體的腳色, 不過, 商用硬體的腳色並不是本文的重點, 因此先存而不論,  回到功能的切分, 在 O-RAN 的討論中, 決定了底層切分的方式為 Option 7-2, 並且透過一個名為 Open fronthual 的介面通訊, 因此, 在 O-RAN 的架構下, C-RAN 的架構變成了: CU-DU-RU (Radio Uint), 其中, RU 為天線的單元, 透過 fronthaul 傳送至 DU.
此時, 就將引出了延遲的問題,  對此, O-RAN 的想法是根據不同的應用的延遲需求來佈建 DU, 如下圖所示: 來自: Cloud Architecture and Deployment Scenarios for O-RAN Virtualized RAN (v2.0)
在上圖中, 我們可以看到 DU 基本上是安放於 edge 上, 考慮到其負擔了部分 PHY 層的功能, 必須在低延遲下, 和 RU 進行溝通, 其中, 延遲的限制約為 0.1 ms, 也限制了 fronthual 網路的範圍小於 20 km. 至於 CU 的位置則隨應用而改變,  對於 URLLC (超低延遲通訊, 用於車聯網), CU 必須在 edge 上實現, 對於一般的通訊  (eMMB) 與務聯網應用 (mMTC), CU 則可…

LTE 筆記: C-RAN (Cloud-RAN) ~4

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上一篇文章中, 提到了 3GPP 組織於 TR 38.801 中決定了 higher layer 的分層設定, 對於 lower layer 的分層設定則留待之後討論, 所衍伸的討論文件為: TR 38.816 Study on CU-DU lower layer split for NR
在 TR 38.816 中討論了以下四個不同的選擇: Inter-PHY split: Option 7-1, Option 7-2, Option 7-3 MAC-PHY: Option 6, 其中, 不同的選項表示如下圖:
來自: TR 38.816 Study on CU-DU lower layer split for NR
在圖中, 我們可以看到 Option 7-1 的斷點在 FFT/IFFT 的部分, FFT/IFFT 通常都是由專屬電路負責, 因此, 移入 CU 並沒有太大的意義, Option 7-2 則把和使用者即時通到資訊相關的 pre-coding 部分也放在 DU, 這樣的架構可以減少 DU 向 CU 回傳的資訊量, 最後則是 Option 7-3 的架構, 只把 coding 的部分移入 CU.
在 TR 38.816 的討論中, 由於以下兩個原因, 最後並沒有做出選用的結論, 第一, 在系統實作上, 許多基地台有其特有的功能 (如: beamforming), 這部分的功能並不在 3GPP 的規範之中, 可實作於實體層的不同部分, 如果強硬規定其切分方式, 可能會影響各廠商的實作. 第二, 在原有的 Radio Access Network 規範中, 對於上行 (uplink) 接收部分, 並沒有詳細的功能切分(functionality)定義,  同時, 對於未來不同的通訊需求 (IoT, ultra-low latency), 也可能改變實體層所需的功能, 這也造成了此處切分的困難,
不論如何, 雖然 TR 38.816 無法取得一致的同意,  但是這份文件也指出了切分時的重要依據, 也就是 fronthual 所需的頻寬, 並討論了幾種不同切分下的應用情境, 作為廠商實作之參考.