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 RAN 傳送給終端 UE,
S-GW 提供的功能類似於 3G 網路中的 GGSN
P-GW 為通往 internet 的大門,  一個 UE 可以透過多個 P-GW 對外通信
同時, P-GW 負責管理 UE 的 IP, 並實現封包的過濾與計費功能.
PCRF 則記載了封包的過濾與計費的規則.

在 4G 網路中, 由於沒有和 circuit-switch 界接的介面, 
原有的語音通訊由 IMS (IP Multimedia Subsystem) 負責,
此服務在 P-GW 之外, 可以視為一種特殊的 IP 網路應用 (而非 circuit-switch),
事實上, 在 4G 開台初期, 語音通訊仍由 3G 負責, 直到 VoLTE 普及.


來自: https://medium.com/@sarpkoksal/core-network-evolution-3g-vs-4g-vs-5g-7738267503c7

在 4G core network 中, 除了將 circuit-switch 移除之外,
另一個重大進展則是把 GGSN 的功能切分成獨立的模塊, 
針對不同模塊, 以及中介的介面, 進行標準化的定義.
在 5G core network 中, 更進一步的把 user plane 和 control plane 切割開來,
在上圖中, UE-RAN-UPF-DN 這條路徑即為 user plane 的功能.
為此, 一部分 P-GW 的功能和 S-GW 的功能合併到 UPF 中,
剩餘的 P-GW 功能 (主要是 IP 的管理) 則和 MME 中的 seesion 管理, 形成 SMF.
MME 剩餘的 Access 和 Mobility 管理則獨立形成 AMF,
PCF 對應到 PCRF, HSS 則分拆成 AUSF (認證伺服器) 和 UDM (使用者資料庫),
下圖表列了 4G core network 和 5G core network 的功能對應.


其中, 在表內 NEF, NRF, NSSF 為 3 個 5G core network 中的新功能, 分別對應於: 
Network Exposure Function, NF Repository Function, 以及 Network Slice Selection Function,
這些功能並沒有出現在架構圖中, 主要對應於 Service-Based Architecture (SBA).
這一部分的特色, 我們將會獨立一篇文章說明.

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