📘 AI時代系列(4)：AI 驅動的電信網路規劃與設計 🌐
30/100 第三週：📌 核心網與數據承載
30.小結與實作：模擬核心網信令流程 —— 用實例理解控制面與用戶面的互動。
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📌 第 3 章：核心網與數據承載
📖 導讀
21～29 單元帶領讀者完整認識 5G 核心網的全貌。從 EPC → 5GC 的架構演進 與 控制/用戶面分離，到 IMS 語音服務、信令流程與協定，再到 網路切片、移動性管理、QoS 策略，最後以 核心網安全與隱私保護 作收。這條知識鏈條展現了 5G 的價值：更靈活的架構、更精細的服務保障，以及更強的安全性。
📦 21. EPC 與 5GC 架構 —— 4G 與 5G 的對照與演進
• EPC (Evolved Packet Core, 4G)：控制面與用戶面緊密耦合，彈性有限。
• 5GC (5G Core)：模組化、服務化（SBA 架構），支援 C/U 分離，方便彈性部署。
👉 從「單一核心」走向「服務導向＋雲原生」，是最大差異。
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⚙️ 22. 用戶面（UPF）與控制面（AMF/SMF）分離
• UPF：專責數據轉送，可下沉至邊緣，降低延遲。
• AMF/SMF：集中管理接入、會話與策略。
👉 好處：靈活佈署、降低瓶頸，適合多種應用場景（URLLC/eMBB/mMTC）。
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📞 23. IMS 與語音服務架構 —— VoLTE / VoNR
• IMS：IP 多媒體子系統，是 VoLTE/VoNR 的核心平台。
• VoLTE (4G) 與 VoNR (5G)：語音服務透過 SIP/IMS 控制，實現高清語音與低延遲通話。
👉 語音仍是營運商基礎業務，IMS 是「跨世代的語音中樞」。
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🔄 24. 會話管理與信令流程
• 會話建立：UE → AMF/SMF → UPF → 網際網路。
• 信令流程：確保 QoS、切換不中斷、策略一致。
👉 沒有穩定的信令，任何業務服務都無法長時間持續。
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🔌 25. Diameter、SIP、GTP 協定解析
• Diameter：認證與計費（AAA）。
• SIP：語音/多媒體會話控制（VoLTE/VoNR）。
• GTP (U)：用戶面數據隧道封裝與傳輸。
👉 三大協定分工：認證、會話、數據，缺一不可。
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✂️ 26. 網路切片 Network Slicing
• 一張物理網路 → 多個虛擬切片。
• eMBB：高速下載/影音串流。
• URLLC：低延遲（自駕車/遠距醫療）。
• mMTC：大規模 IoT。
👉 切片是 5G 面向多樣化應用的關鍵技術。
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🚗 27. 移動性管理與切換流程
• Handover：UE 移動時不中斷服務。
• 透過測量回報、AMF 決策、UPF 資源轉送，實現無縫切換。
👉 保證「高速移動場景下」網路不中斷，例如高鐵、自駕車。
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⚖️ 28. QoS 策略與資源分配
• 5QI（5G QoS Identifier） 定義不同流量需求。
• 核心網與 RAN 協調分配，保障 URLLC、eMBB、mMTC 各自需求。
👉 精細化 QoS，確保用戶體驗一致，不再像 4G 一刀切。
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🔐 29. 核心網安全與加密機制
• SUCI：隱藏 IMSI，避免用戶身分外洩。
• TLS/IPSec：信令與數據傳輸加密。
• 零信任 / SEPP：跨網營運商間安全互通。
👉 5GC 更加強調「隱私保護」與「零信任」概念，避免 4G 時代的弱點。
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📝 測驗題（單選＋簡答）
模擬考題使用。
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📘 單選題
1️⃣
在 5GC 架構中，哪個功能實體負責「移動性管理」？
A. SMF
B. AMF
C. UPF
D. PCF
👉 答案：B. AMF
解析：AMF (Access and Mobility Management Function) 負責 UE 接入與移動性管理、認證，屬於控制面。
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2️⃣
在 5G 網路中，數據封裝與轉送協定主要使用：
A. SIP
B. GTP-U
C. Diameter
D. HTTP/2
👉 答案：B. GTP-U
解析：GTP-U (GPRS Tunneling Protocol – User Plane) 用於用戶面數據轉送，確保隧道化傳輸。
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3️⃣
下列哪一項是 5G 網路切片 (Network Slicing) 的主要特徵？
A. 不需要 QoS 管理
B. 可針對不同應用打造專屬虛擬網路
C. 僅能用於 IoT
D. 完全取代傳統 VPN
👉 答案：B
解析：切片是將同一張實體網路切分成多個虛擬專網，依需求提供不同 QoS。
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4️⃣
5G 中的 URLLC 主要應用於：
A. 影音串流
B. 遠距手術、自駕車
C. 大規模 IoT 感測
D. 高速下載
👉 答案：B
解析：URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communication) 核心特點是毫秒級延遲與高可靠度。
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5️⃣
下列哪個協定是 VoNR 語音控制面 的基礎？
A. SIP
B. RTP
C. HTTP/2
D. SCTP
👉 答案：A
解析：VoNR（Voice over New Radio）語音服務仍依賴 IMS 核心架構，以 SIP 作為控制協定。
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📘 判斷題
6️⃣
「在 5G 網路中，UPF 一定要集中部署於核心資料中心，無法下沉到邊緣。」
👉 答案：錯 ❌
解析：UPF 可根據應用需求靈活部署於邊緣（MEC），以降低延遲。
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7️⃣
「QoS Flow 是 5G 中的最小 QoS 單位，類似於 4G 的 Bearer。」
👉 答案：對 ✔️
解析：5G 以 QoS Flow 為最小單位，取代 4G 的 Bearer 概念，但管理更細緻。
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📘 簡答題
8️⃣
請解釋 QoS Flow 與 Bearer 的差異。
參考答案：
• 4G 的 Bearer 為流量傳輸單位，綁定一組 QoS 參數。
• 5G 的 QoS Flow 更靈活，每個 Flow 可有獨立的 QoS Profile，並透過 5QI 來定義服務需求。
👉 簡單來說，5G 的 QoS Flow = 4G Bearer 的升級版，粒度更細，支援動態調整。
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9️⃣
為什麼 5G 需要網路切片？請舉例至少兩個場景。
參考答案：
• 5G 服務需求多樣，無法用單一網路同時滿足。
• 場景 1：遠距醫療（URLLC 切片，需超低延遲）。
• 場景 2：4K/8K 影音串流（eMBB 切片，需高頻寬）。
• 場景 3：智慧城市 IoT（mMTC 切片，需大量連線）。
👉 切片能確保關鍵服務不會被一般流量影響，提供差異化 SLA。
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💼 實務題
1. 設計題：
如果一家醫院要建構專屬 5G 網路，用於遠距手術（低延遲 URLLC）與病歷系統（高頻寬 eMBB），你會如何進行核心網切片與 QoS 規劃？
答案要點：
• 遠距手術（URLLC 切片）：UPF 下沉至邊緣，配置高優先級 QoS（5QI for URLLC），確保毫秒級延遲與高可靠性。
• 病歷系統（eMBB 切片）：集中式 UPF，分配高頻寬資源，允許較長延遲但確保大數據傳輸。
👉 透過切片實現「低延遲」與「高頻寬」的差異化保障。
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2. 診斷題：
某企業抱怨「員工視訊會議常常延遲」，你會如何透過核心網 QoS 與 UPF 資源調度，找到問題並提出解法？
答案要點：
• 排查 QoS Flow：確認視訊流量是否被誤分類為低優先權。
• 檢查 UPF 資源：觀察是否因 CPU/記憶體負載或路由繞行造成瓶頸。
• 解法：將視訊會議流量綁定較高優先 QoS，必要時在邊緣部署 UPF，縮短傳輸路徑。
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3. 安全題：
在 5GC 中，SUCI 是什麼？它如何解決 4G IMSI 明文傳輸的隱憂？
答案要點：
• SUCI（Subscription Concealed Identifier）：透過公開金鑰加密技術，將真實的 SUPI（用戶永久身份，如 IMSI）隱藏。
• 改善方式：UE 在接入時傳送的是加密後的 SUCI，而不是 IMSI 明文，避免被攔截追蹤。
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🧪 實作：模擬核心網信令流程
🎯 目標
模擬一個 UE 從註冊 → 建立會話 → 傳輸數據 → 釋放連線的過程，觀察 控制面 (AMF/SMF) 與 用戶面 (UPF) 如何互動。
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🔁 信令流程示意 (簡化 ASCII)
[UE] ── Registration Request ──► [AMF]
◄─ Authentication / Security ──► [AUSF/UDM]
[AMF] ── Session Setup ──► [SMF]
[SMF] ── GTP Tunnel Config ──► [UPF]
[UPF] ⇄ [Data Network]
這個簡化的 ASCII 圖展示了 5G 核心網的信令流程：
UE 先向 AMF 發送 Registration Request，並透過 AMF 與 AUSF/UDM 完成認證與安全程序，確保使用者身分合法。隨後，AMF 會將連線請求交給 SMF，SMF 則負責建立會話並配置 GTP 隧道。最後，UPF 負責將用戶數據導向外部的資料網路（如網際網路或專網）。
👉 統整來說，這個流程代表 「UE 建立 → 控制面管理 → 用戶面承載 → 外部網路接入」 的核心步驟，確保了 5G 網路從註冊、認證到數據傳輸的完整鏈路。
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⚙️ 實作步驟建議
1. 工具選擇
o 使用 Open5GS（開源 5G 核心網模擬器）。
o 搭配 srsRAN 作為 gNB/UE 測試環境。
2. 步驟
1. 啟動 Open5GS，建立 AMF/SMF/UPF 模組。
2. 模擬 UE 發送 註冊請求，觀察 AMF 的日誌。
3. 驗證 Authentication / Security 是否正常。
4. 發起 PDU Session Establishment，查看 SMF 如何指派 QoS Flow。
5. 在 UPF 中監測 GTP Tunnel 的建立，確認數據能成功傳輸。
3. 觀察點
o AMF 與 UE 的 NAS 消息交換。
o SMF 與 UPF 的 N4 介面信令。
o 數據傳輸時是否通過 QoS Flow。
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✅ 預期收穫
• 實際理解 控制面與用戶面的分離。
• 熟悉 AMF/SMF/UPF 的互動。
• 能將書本中的概念（NAS、GTP、QoS Flow）轉化為實際操作經驗。
