長程演進計畫(LTE)是由第三代合作夥伴計畫(3GPP)所推出的下一代無線通訊技術，目的在於提供使用者更為高速、便利的無線服務。和過去的電信技術如全球行動通訊系統(GSM)、通用行動電信系統(UMTS)比較起來主要有兩個差異。首先，LTE採用正交分頻多重存取(OFDMA)作為在實體(PHY)層的調變技術，而不是之前的分碼多重存取(Code Division Multiple Access, CDMA)。OFDMA可以提供無線傳輸更大的吞吐量，同時也比CDMA擁有更強大的多路徑效應對抗能力，配合上多重輸入多重輸出(Multi-input Multi-output, MIMO)的天線技術，可以大幅提升無線技術的傳輸效能。
第二個改變是核心網路的架構改變。過去的架構為了同時支援線路交換服務如電話、簡訊等，以及數據分封交換服務如上網瀏覽、資料下載等，所以後端網路存在兩套獨立的線路系統。為了簡化整體的架構，並且因應未來的網路使用情境，LTE的網路只保留了數據分封交換網路的架構，並在這種架構下實作必要的功能。本文的重點就是介紹LTE的後端核心網路--演進數據封包核心網(Evolved Packet Core Networks, EPC)。
首先針對過去電信技術的核心網路技術作基本的介紹，接著介紹4G核心網路的需求。有了上述的背景知識後，再深度剖析LTE的演進數據封包核心網。最後，提出LTE的核心網路在技術上和營運模式上所遭遇到的挑戰及相關的解決方案。
GSM/UMTS即將功成身退
在了解演進數據封包核心網之前，先介紹過去的3GPP網路架構。透過這些架構的介紹，較容易理解隨後介紹的LTE演進數據封包核心網的設計理念。
先從GSM系統(圖1)看起，GSM的網路架構由三個部分所組成。第一部分是基地台子系統(Base Station Subsystem, BSS)，由基地台接收站(Base Transceiver Station, BTS)以及基地台控制器(Base Station Controller, BSC)所組成，負責無線傳輸的排程以及MAC的控制訊息；第二部分是網路子系統(Network SubSystem, NSS)，主要元件為無線交換機中心(Mobile Switching Center, MSC)，負責接入公共交換電話網路(PSTN)的部分。上述兩部分構成了完整的無線電話系統，也就是俗稱2G的架構。
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資料來源：Wikipedia
圖1 GSM的網路架構 |
之後，因應使用者數據封包網路的需求，3GPP在GSM的架構上加了第三部分--整合封包無線服務(GPRS)核心網路。這部分主要由SGSN(Serving GPRS Support Node)和GGSN(Gateway GPRS Support Node)所組成，主要負責處理IP網路的資料傳遞，而BSC會根據收到的資料決定要傳送到NSS或是GPRS核心網路，如果是電話語音資料或簡訊，則會被傳送到NSS，其餘的IP資料封包，則被傳送至GPRS核心網路。這樣的架構就是2.5G的系統。
接下來介紹UMTS的網路架構(圖2)，為3G系統的一種架構，整體的架構由UMTS陸地無線存取網路(UMTS Terrestrial Radio Access Network, UTRAN)和核心網路所組成。從概念上來說，UTRAN相當於是2.5G系統的BSS，雖然UTRAN內功能實體的負責功能有所差異，但是仍具備將資料區分類「線路交換網路資料」和「數據封包交換網路資料」的功能，後端在核心網路也是具有兩個相對應的接口。
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| 圖2 UMTS的網路架構 |
由上述的介紹不難看出，後端網路同時存在兩種截然不同的分封交換網路，會這樣設計有兩個主要的理由。第一是使用者對無線數據網路的需求大大增加，第二是傳統的電信電話網路不可能在短時間汰換，而且電話費用、簡訊費用是電信業者最主要的收入來源，所以3GPP才會設計出這樣的一套架構。
上述是以GSM和UMTS來作說明，事實上同時間還有其他的電信技術。但以網路架構來說都大同小異，所以就不一一介紹。
4G後端核心網路去蕪存菁
大略說明過GSM和UMTS的後端網路架構後，先說明整個核心網路的設計精神，如此之後介紹核心網路的架構時，才能夠輕易了解整體的設計由來。 當3GPP在設計演進數據封包核心網時，包含了只支援數據封包交換網路、支援其他無線上網技術兩個主要的設計精神：
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從上述的說明，可以明顯看出在2G/3G的系統架構中，同時存在著電路交換網路與數據封包交換網路，目的在於同時支援傳統的電信服務及網路應用服務。然而這個架構過於複雜而且龐大，因此演進數據封包核心網的標準制定上就以簡化為原則。
考慮到使用者對數據網路的需求越來越高，演進數據封包核心網決定採用數據封包IP網路作為後端核心網路的唯一機制，讓使用者在網路使用上毋須改變原有的習慣。
此外，不同使用者都能夠一起動態分享網路頻寬，不會有使用者占住固定頻寬卻閒置的情況發生。當然，這種架構下也帶來了新的挑戰，亦即如何在數據封包交換網路上運行電路交換網路的服務。 |
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自2000年以來，無線技術開始影響人們的生活習慣，也有各式各樣的無線技術被發展出來。除了本篇文章所著重的電信技術外，在傳統數據網路陣營也發展出相關的無線技術，最著名的就是無線區域網路--IEEE802.11，也就是無線區域網路(Wi-Fi)以及無線廣域網路--IEEE802.16，俗稱全球微波存取互通介面(WiMAX)。這兩種技術都具備高速的傳輸速率，也越來越普及。因此，3GPP在設計演進數據封包核心網時，並不單單考慮到自家的標準，也將IEEE陣營的無線技術一併考慮，盼望演進數據封包核心網能同時支援兩個陣營技術，甚至進一步解決漫遊的技術議題。
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汲取經驗再改進 EPC於焉誕生
LTE系統架構分別由核心網路的演進封包核心(Evolved Packet Core, EPC)與新型無線存取網路的演進統一陸地無線存取網路(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network, E-UTRAN)所構成。EPC網路(圖3)設計成一種基於IP網路協定的多重存取核心網路，營運商可以在單一共同封包核心網路進行建置與運作各種不同的存取網路，如3GPP無線存取網路(LTE、3G、2G)、non-3GPP無線存取網路(HRPD、WLAN、WiMAX)以及固接存取網路(Ethernet、DSL、Cable、Fiber)，期望增加系統相容性和覆蓋率，降低營運成本，同時又得以增加使用者傳輸速率，減少延遲。
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資料來源：資策會
圖3 EPS的網路架構 |
相較於傳統3G網路系統，EPC網路架構相對地扁平化，網路主要的組成元件包含行動管理裝置(Mobility Management Entity, MME)、服務閘道器(Serving Gateway, S-GW)、數據封包網路閘道器(Packet Data Network Gateway, PDN GW)及家庭用戶伺服器(Home Subscriber Server, HSS)，元件間緊密地合作達成用戶端行動性、政策管理和安全性等功能，為用戶端提供一個穩定的IP連結通道，連結網際網路。
核心網路部分包括控制面(Control Plane)和用戶封包面(User Plane)。MME擔負起核心網路控制的指揮者，協調閘道器以及HSS，進行的管理功能包括管理手機用戶的登入附著(Attach)、分離中斷(Detach)；為用戶端進行安全性相關的認證、授權，計費等功能；適時地建立、修改或拆除用來傳送用戶數據封包的承載(EPS Bearer)(圖4)；以及管控手機用戶端的行動漫遊，包含基地台eNode-B之間換手服務(Handover)，或者處於閒置模式(Idle Mode)時，用戶位置的追蹤、呼叫。
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資料來源：3GPP
圖4 EPS Bearer服務架構 |
EPC系統中定義了數據封包網路連接(PDN Connection)的概念，PDN Connection是指EPS網路在使用者設備(UE)，與一個公用陸地行動網路(Public Land Mobile Network, PLMN)的外部PDN之間提供的IP連接，而關於IP的配置，則是當用戶進行登入附著時，由PDN GW負責配合配置一個IP位址給用戶端手機。
用戶封包面由服務閘道器(Serving Gateway, S-GW)和數據封包閘道器(Packet Data Network Gateway, PDN GW)兩個節點所組成，主要是負 責配合行動管理實體進行用戶數據封包承載的操作管理。承載其實是一個網路兩端點之間服務品質(Quality of Service, QoS)的概念，一個EPS承載將會對應到一組QoS參數，確保用戶封包資料在PDN GW經由S-GW、eNode-B到用戶手機之間的傳遞，能符合相對應地應用服務需求。
每一個承載除了對應到一組QoS參數外，同時也會對應到一個傳輸流模板(Traffic Flow Template, TFT)，傳輸流模板又包含數個數據封包過濾器(Packet Filter)，閘道器進行收送用戶封包時，該閘道器必須能經由正確地EPS承載進行隧道封裝，傳遞該用戶封包資料。圖5是S-GW和PDN GW之間溝通介面(S5/S8 Bearer)是基於GPRS隧道協議(GPRS Tunneling Protocol, GTP)用戶封包傳遞情形。下行的封包過濾由PDN GW負責，上行的封包過濾則由UE端控制。封包經由過濾後，得到進行隧道封裝的必要資訊：兩端點IP、隧道終點辨識符號(Tunnel Endpoint Identifier, TEID)，封裝後的資料則一路映射、隧道封裝傳遞到相對應的兩端點：UE端或PDN GW端。
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資料來源：3GPP
圖5 EPS GTP-U based數據封包傳遞示意圖 |
同時，核心網路也會執行限制流量來防止用戶超出其協議的資料封包流量。下行的流量控制由PDN GW或S-GW負責，上行的流量則由基地台控制。而計費的功能是由PDN GW或S-GW負責和核心網的策略與計費規則功能實體(Policy and Charging Rules Function, PCRF)統計回報。
EPC系統將用戶封包承載區分為專用承載(Dedicated Bearer)以及默認承載(Default Bearer)兩種，在初始附著的過程中，依照用戶簽約的預設QoS等級建立一個預設承載，即每一個手機用戶至少存在一個啟動的承載(Active Bearer)，從而保證用戶在開始收送應用服務時具有更短的時延，真正實現了用戶端的永遠連線(Always On Line)。
EPC如何支援傳統電信為當務之急
從上述的介紹中，就可以對演進數據封包核心網有概括性的了解。然而，這個新的架構也帶來的新的問題，其中最大的問題就是如何支援傳統的電信服務呢？簡單來說，就是使用者該如何在這個新的後端網路系統中打電話、傳簡訊呢？過去GSM/UMTS的架構底下仍保留了「電路交換網路」，所以能夠很容易地連接到PSTN電話網路，現在該怎麼辦呢？難道當初制定標準的專家們沒有想過嗎？
在討論這個問題之前，必須先有一個基本的認識。從制定標準的專家所規畫的技術發展藍圖可以看出，電路交換網路早就該被網路語音通訊協定(VoIP)所取代。早在GPRS標準制定的年代，為了在IP網路上提供傳統的電信服務，甚至更進一步支援更多元化的多媒體服務，這些制定標準的專家就提出一個非常宏大的系統--IP多媒體子系統(IP Multimedia Subsystem, IMS)(圖6)。以會談初始協定(Session Initiation Protocol, SIP)作為網路協定的基礎，配合上其他網際網路工程工作小組(Internet Engineering Task Force, IETF)所制定的協議標準，再加上電信業者所重視的計費、認證相關模型，構成一套完整的解決方案，不但支援電話服務、簡訊服務，甚至網路視訊會議也都能完整支援。
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資料來源：3GPP 23.228
圖6 IMS的網路架構 |
其實，IMS雖然標準已經制定了許久，但是到目前為止，還沒有電信業者真正推廣IMS服務的主要原因有兩個，第一是IMS的架構過於龐大，對電信業者的布建來說過於複雜；第二是傳統的電信交換網路所帶來的收益是電信業者最主要的收入，要業者一時間大量投入也是不太可能。所以在這種情況下必須找出新的解決方案，才能夠在演進數據封包核心網下提供完善的語音服務。
以目前3GPP的標準來說，LTE有向後支援電路交換網路服務(CS Fallback)的功能，也就是當使用者要撥打電話時，會從LTE的基地台換手到過去2G/3G的基地台，進而使用2G/3G的後端網路系統，等電話結束後再換回來。這種解決方案的好處是無需大規模的更動現有的網路架構，但換手所需要的時間則是一大缺點。
隨著LTE技術標準於2008年底定，再加上國際大廠的奧援，LTE無線通訊系統功能開發日趨成熟，而演進數據封包核心網系統設計上具備整合各種不同技術的能力，在功能、性能及安全性上，較GPRS系統提高與改進，同時保留了不少彈性迴旋的空間，這也正是LTE的核心競爭力所在。然而在演進數據封包核心網使用電話、簡訊等服務還必須克服部分技術上的議題，這樣在LTE的市場上才會更為一般人所接受。
(本文作者任職於資策會網路多媒體研究所)