5G網路的技術架構與協定 — Part 1
本文將概述關於5G網路的基本概念與知識．
5G的標準與演化
在提到5G之前，有一個組織是我們先要知道的．哪就是ITU-R(國際電信聯盟無線電通信)，這個一個制定5G標準的組織．我們在下圖中可以看到ITU-R從3G到5G的制定標準的時間．
5G的主要“技術標準”制定來自3GPP(3rd Generation Partnership Project)．而5G的演進進化史可以從下圖(從2.5G — 5G)從看到.
我們可以從上圖中看到，在2.5G時代消費者的頻寬只有 50K，一路演進到5G後．消費者可以有幾百MB以上的頻寬．
哪麼根據ITU-R的最小要求，要達到5G需要具備哪些條件呢？我們根據下圖就可以知道哪些最小的條件要求
上圖中較小的區域部分(IMT-Adv)是屬於4G LTE的最小要求，而在較大的綠側區域部分(IMT-2020)則是5G的最小要求．我們從Peak Data Rate(Gbps)就可以看到5G最小的需求要達到20Gbps(理論值)，而4G LTE只有1Gbps．哪什麼是Peak Data Rate? 這是指我們的終端裝置(例如我們的5G手機)與基地台之間的頻寬．但這只是理論值．實際的頻寬是在不同的地理環境的狀況下有不同的頻寬狀況．所以右手邊的User Experienced Data Rate(100M — 1G)才是實際我們的終端設備會有的頻寬狀況．
Area Traffic Capacity則是指每一平方米能夠有10 MBps的量能，而4G LTE只有 0.1．而Network Energy Efficiency 與4G LET效能相比則差了100倍．而Connection Density則是指每一平方公里5G的基地台能夠服務多少的終端設備，在這裏我們看到5G是10的6次方(一百萬台)設備．這一個功能對IoT設備相當重要，意味著5G網路很適合用在IoT的連接網路．
Latency則是指終端設備與5G基地台之間的網路延遲，在上圖我們看到5G的最低要求是不能高過1ms，而4G則是10ms．再來是Mobility，5G網路理論上可以支援設備以每小時500公里的移動速度還可以有網路連結的．但是，移動速度越快代表頻寬就會越差．最後是Spectrum Efficiency，5G的頻譜使用效能會是4G的3倍．
三種5G網路的使用場景
根據三種不同的使用場景，我們前面介紹各項5G的功能也有不同的要求．第一種是eMBB(Enhanced Mobile Broadband)．這是為了大的資料量傳輸，例如高畫質的4K影音串流，在上圖是屬於藍色的部分．第二種是mMTC(Massive Machine type Communications)，顧名思義這是為了同時間讓大量的裝置連線，例如IoT或智慧家庭/城市，在上圖是屬於粉紅色的部分．第三種是uRLLC(Ultra-reliable and Low Latency Communications)，這是要求網路到超低延遲性，例如自駕車或遠端手術這種攸關人命的要求，在上圖是屬於黃色的部分．
5G的架構介紹
5G的組成基本上分為三個(如上圖所示)，分別為UE(User Equipment), NG-RAN(Next Generation-Radio Access Network)，這是一個使用5G Radio與基於gNB(Next Generation NodeB)的基地台技術．最後是5GC(5G core Network)．而這些都是基於IP網路的架構．
上圖中可以看到，如果5G設備要連接到其他的外部網路 (如看串流影音)，哪就會經過NG-RAN與 5G Core Network．但如果是兩台5G設備要互相通訊，都需要連接到NG-RAN之後再到Core Network最後回給另一台5G設備．也就是說5G設備之間的連接都要經過5G Core Network．
5G的部署模式
5G的部署模式有兩種(如下圖所示)，分別為 NSA與SA．這兩種的差別在於NSA有部分只用到了4G的功能與網路．
上圖的左邊的第一種只有Secondary gNB是屬於5G的部分，其他的都是4G的網路與功能．重點在於當5G設備與Master eNB連結之後， eNB會知道這是一台5G設備，然後eNB會決定哪些服務讓這台5G設備去連接 gNB(5G)哪些還是走4G基地台．有就是說在這個架構下只有設備與基地台之間是5G的協定．
第二種則是更進階，只剩Master eNB在使用4G協定．但是一樣是就 Master eNB在控制什麼服務要走4G or 5G基地台．最後一個就是完全的5G協定了．
5G Radio的主要技術
5G的主要技術是圍繞著NG-RAN，如上圖所示的六點．我們將一一介紹其技術功能．
Dual Connectivity
再上圖中我們看到5G手機同時連接兩個基地台Master NodeB與Secondary NodeB， Master決定手機要走什麼樣的資料型態與哪一種的QoS(quality of service)．由於手機同時連結兩個基地台所以能夠有很快的網路傳輸．
在上圖中我們可以看到Master與Secondary都連接著5G Core network．而控制訊號或資料本身都可以在 Master與Secondary中自由轉換達到最大的彈性．
Small Cell
小型基地台的連接與Dual Connectivity有著相關聯．小型基地台一樣提供5G訊號但其傳輸能力範圍介於10公尺到2公里．上圖範例我們可以看到5G手機同時連著大型基地台與右邊第一個小型基地台，手機從右邊移動到左邊．在移動過程中小型基地台會不斷變換．
Increased Spectrum
5G的頻率落在以下兩個範圍
但這些頻段各有他們的優缺點(如下圖)
我們可以看到頻率越高頻寬越高，但可以覆蓋的範圍越小，反之亦然．
Cloud RAN
Cloud RAN由兩個部分組成：
- Centralized Unit (CU)— 處理來自DU的作業，例如：Scheduling/Security/Power Management等．
- Distributed Unit(DU) — 無線電訊號的傳送/接收
Beam-forming and Beam Steering
5G的主要技術是使用了Massive MIMO(Multiple Input Multiple Output)，也稱為Beam-forming．是使用了大量的天線數量(也稱天線陣列)並將它們結合再一起以達到訊號能覆蓋的範圍與加大其傳輸頻寬．
Single user MIMO與Multi User MIMO
我們提到了MIMO技術，就需要介紹SU-MIMO與MU-MIMO(如下圖所示)．
上圖中我們可以很清楚的看到其差異性．假設我們有四根天線做作發送端，在SU-MIMO(一組發送一組接收端)模式下，對向的四根天線都會接收到對面四根天線同時發送的訊號．例如， 第一根天線(藍色訊號)發送10M的頻寬，對面四根天線都會接受到其10M的頻寬訊號，哪麼接收端就是40Mb的資料頻寬．但在MU-MIOM(一組發送端，兩組接收端)模式中，接收端被分為兩組，所以若發送端一樣傳送10Mb，哪在接收端只會有20Mb的頻寬．
哪麼MIMO與Beam-forming的關係是什麼呢？我們可以看到下表
我們可以看到表中，若頻率小於6Ghz，哪麼天線數可以達到8x8．若高於6Ghz則只能有 2x2，也就是說低於6Ghz的頻率是適合 MIMO技術的．但高於6Ghz的頻率又適合做 beam forming．也就是說 MIMO與Beam-forming是不互斥的．
5G的網路架構
gNB在NG-RAN中的功能
- 無線電訊號的傳輸/接收
- 數位訊號的處理(加密，資料壓縮)
- 處理連接層級訊號
- 轉發非連結層級訊號(資料)到核心網路
- 無線電資源管理 — 主要是管理一個基地台會同時連接很多5G終端設備，它可能需要滿足某些設備的需求．例如傳輸速度，傳輸的訊號強度，管理干擾訊號等．
- 與5G核心網路的通訊與其他附近基地台的協調作業，例如5G設備在基地台之間的移動
PUD(Protocol Data Unit) Sessions
- 5G是一個全 IP網路系統
- 5G提供每一個5G終端設備有一個PDU session
- 每一個PDU session也許會包含一個以上的QoS flow
- QoS的特徵包含 — 資料傳輸量(保證/不保證)，網路延遲，優先順序等．例如語音通話(flow 2)就需要保證的資料傳輸與低的網路延遲性．其優先性要高於一般資料傳輸(flow 1)
Control Plane 與User Plane
這兩者的分別在於 User plane只單純做資料傳送作業，其他連接作業，驗證作業，連線管理，QoS管理等都由Control plane來處理．不論終端設備如何在基地台間移動，PUU session始終都是連在同一個UPF設備上．
所以從上圖中可以看到，當我們把control plane與user plane(UPF)分離的好處在於，當我們需要越大的資料傳送時只要加多基地台與UPF即可有其擴充性．
5G的網路架構 — Core Network(核心網路)
AMF(Access and Mobility Management Function)
它等同於LET中的MME或GSM中的VLR．主要的作業在於
- 管理終端設備的連線時的登記註冊
- 初始化驗證
- 終端設備的移動管理．例如終端設備在待機狀態時要從一個區域移動到另一個區域．
上圖中，紅色圈起來的部分就是5G的核心網路．
AUSF(Authentication Server Function)
這是針對終端設備的驗證服務，過程如下：
- AMF會將終端設備身份驗證傳送到AUSF
- AUSF會從UDM取出 Authentication vector，然後傳送給AMF
- AMF會使用一個亂數來詢問終端設備
- 終端設備會根據這個亂數號碼驗證回覆驗證，AMF會確認是否這個回覆是有效的
SMF(Session Management Function)
主要功能如下：
- 建立與管理PDU Session
- 而QoS的部分會與PCF協同作業根據一些Policy來決定．例如根據當時網路狀況應該要有怎麼樣的Policy
- 選擇UPF
- IP網址的配發
UDM(Unified Data Management)
功能與LTE的HSS或GSM的HLR．主要功能如下：
- Access Authorization(Hold security keys)
- 追蹤AMF上的終端設備
- 終端設備的資訊 — 例如: Data Network QoS profile / Access Restrictions / Mobility Permissions / Roaming Restrictions
Policy Charging Function(PCF)
主要是根據一些當下的網路狀況會有不同的網路行為政策．例如網路的壅擠程度，或是地理位置有不同的限制．像是不能撥打影像電話或頻寬有限制．
