Redes y telecomunicaion 5g

Arquitectura básica

3.1 Componentes principales

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Fig1. Las redes celulares constan de una red de acceso por radio (RAN) y un núcleo móvil.

 la red celular consta de dos subsistemas principales: la Red de Acceso de Radio (RAN) y el Núcleo Móvil . La RAN administra el espectro de radio, asegurándose de que se utilice de manera eficiente y cumpla con los requisitos de calidad de servicio de cada usuario. El componente principal en la RAN es la crypticly llamado eNodoB (o eNB ), que es la abreviatura de la igualmente críptica evolucionado Nodo B .

 El Mobile Core es un conjunto de funciones (a diferencia de un dispositivo) que sirve para varios propósitos.

• Proporciona conectividad a Internet (IP) para servicios de voz y datos.
• Garantiza que esta conectividad cumpla con los requisitos de QoS prometidos.
• Realiza un seguimiento de la movilidad del usuario para garantizar un servicio ininterrumpido.
• Realiza un seguimiento del uso del suscriptor para facturación y cobro.

Al observar más de cerca la Figura 1 , vemos que una Red Backhaul interconecta los eNB que implementan la RAN con el Mobile Core. Esta red suele estar cableada, puede tener o no la topología de anillo que se muestra en la figura y, a menudo, se construye a partir de componentes básicos que se encuentran en otros lugares de Internet. Por ejemplo, la red óptica pasiva (PON) que implementa fibra hasta el hogar es un candidato principal para implementar el backhaul RAN. La red backhaul es obviamente una parte necesaria de la RAN, pero es una opción de implementación y no está prescrita por el estándar 3GPP.

Antes de llegar a esos detalles, la Figura 2 vuelve a dibujar los componentes de la Figura 1 para resaltar dos distinciones importantes. La primera es que el eNB (al que nos referiremos como la Estación Base de aquí en adelante) tiene un componente analógico (representado por una antena) y un componente digital (representado por un par de procesadores). El segundo es que Mobile Core está dividido en un plano de control y un plano de usuario , que es similar a la división del plano de control / datos que reconocería alguien familiarizado con Internet. (3GPP también introdujo recientemente un acrónimo correspondiente , CUPS, Control y User Plane Separation, para denotar esta idea). La importancia de estas dos distinciones quedará clara en la siguiente discusión.

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Figura 2. Núcleo móvil dividido en un plan de control y un plano de usuario, una característica arquitectónica conocida como CUPS: separación del plano de control y de usuario

3.2 Red de acceso por radio

En primer lugar, cada estación base establece el canal inalámbrico para el UE de un abonado tras el encendido o tras el traspaso cuando el UE está activo. Este canal se libera cuando el UE permanece inactivo durante un período de tiempo predeterminado. Utilizando terminología 3GPP, se dice que este canal inalámbrico proporciona un servicio portador.

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Figura 3. La estación base detecta (y se conecta a) UE activos.

En segundo lugar, cada estación base establece la conectividad del "plano de control 3GPP" entre el UE y el componente del plano de control del núcleo móvil correspondiente, y reenvía el tráfico de señalización entre los dos. Este tráfico de señalización permite la autenticación, el registro y el seguimiento de la movilidad del UE.

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Figura 4. La estación base establece la conectividad del plano de control entre cada UE y Mobile Core.

En tercer lugar, para cada UE activo, la estación base establece uno o más túneles entre el componente del plano de usuario del núcleo móvil correspondiente.

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Figura 5. La estación base establece uno o más túneles entre cada UE y el plano de usuario del núcleo móvil.

En cuarto lugar, la estación base reenvía paquetes de plano de usuario y de control entre el Mobile Core y el UE. Estos paquetes están tunelizados sobre SCTP / IP y GTP / UDP / IP, respectivamente. SCTP (Stream Control Transport Protocol) es una alternativa a TCP definida por 3GPP, diseñada para transportar información de señalización (control) para servicios de telefonía. GTP (un acrónimo anidado correspondiente a (Servicio general de paquetes de radio) Protocolo de túnel) es un protocolo de túnel específico de 3GPP diseñado para ejecutarse en UDP.

Por otro lado, cabe destacar que la conectividad entre la RAN y el Mobile Core está basada en IP. Este se introdujo como uno de los principales cambios entre 3G y 4G. Antes de 4G, los componentes internos de la red celular estaban basados ​​en circuitos, lo que no es sorprendente dado su origen como una red de voz.

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Figura 6. Plano de control de estación base a núcleo móvil (y estación base a estación base) tunelizado sobre SCTP / IP y plano de usuario tunelizado sobre GTP / UDP / IP.

En quinto lugar, cada estación base coordina los traspasos de UE con estaciones base vecinas, utilizando enlaces directos de estación a estación. Exactamente como la conectividad de estación a núcleo que se muestra en la figura anterior, estos enlaces se utilizan para transferir paquetes del plano de control (SCTP sobre IP) y del plano de usuario (GTP sobre UDP / IP).

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Figura 7. Las estaciones base cooperan para implementar el traspaso de UE.

En sexto lugar, las estaciones base coordinan la transmisión multipunto inalámbrica a un UE desde múltiples estaciones base, que pueden o no ser parte de un traspaso de UE de una estación base a otra.

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Figura 8. Las estaciones base cooperan para implementar la transmisión multitrayecto (agregación de enlaces) a los UE.

La conclusión principal es que la estación base puede verse como un transportista especializado. En la dirección de Internet a UE, fragmenta los paquetes IP salientes en segmentos de la capa física y los programa para su transmisión a través del espectro de radio disponible, y en la dirección de UE a Internet, ensambla los segmentos de la capa física en paquetes IP y los reenvía ( sobre un túnel GTP / UDP / IP) al plano de usuario ascendente del Mobile Core. Además, basándose en las observaciones de la calidad del canal inalámbrico y las políticas por abonado, decide si (a) reenviar paquetes salientes directamente al UE, (b) reenviar indirectamente paquetes al UE a través de una estación base vecina, o (c) utilizar múltiples rutas para llegar al UE.

Tenga en cuenta que, como se describe en el Capítulo 2, la programación es compleja y multifacética, incluso cuando se considera una decisión localizada en una sola estación base. Lo que ahora vemos es que también hay un elemento global, por el cual es posible reenviar el tráfico a una estación base diferente (o a múltiples estaciones base) en un esfuerzo por hacer un uso eficiente del espectro de radio en un área geográfica más grande.

3.3 Núcleo móvil

Núcleo móvil 5G

El 5G Mobile Core, que 3GPP llama NG-Core , adopta una arquitectura similar a un microservicio, donde decimos "similar a un microservicio" porque, si bien la especificación 3GPP detalla este nivel de desagregación, en realidad solo prescribe un conjunto de bloques funcionales y no una implementación. Si se tiene en cuenta que un conjunto de bloques funcionales es muy diferente de la colección de decisiones de ingeniería que se utilizan para diseñar un sistema basado en microservicios, ver la colección de componentes que se muestra en la Figura 9 como un conjunto de microservicios es un buen modelo de trabajo.

A continuación se organiza el conjunto de bloques funcionales en tres grupos. El primer grupo se ejecuta en el plano de control (CP) y tiene una contraparte en el EPC.

• AMF (Core Access and Mobility Management Function): gestiona los aspectos relacionados con la movilidad del MME del EPC. Responsable de la gestión de conexiones y accesibilidad, gestión de la movilidad, autenticación y autorización de acceso y servicios de ubicación.
• SMF (función de gestión de sesiones): gestiona cada sesión de UE, incluida la asignación de direcciones IP, la selección de la función UP asociada, los aspectos de control de QoS y los aspectos de control del enrutamiento UP. Corresponde aproximadamente a parte del MME del EPC y los aspectos relacionados con el control del PGW del EPC.
• PCF (función de control de políticas): gestiona las reglas de política que luego hacen cumplir otras funciones de CP. Corresponde aproximadamente a la PCRF del EPC.
• UDM (Unified Data Management): administra la identidad del usuario, incluida la generación de credenciales de autenticación. Incluye parte de la funcionalidad en el HSS del EPC.
• AUSF (función de servidor de autenticación): esencialmente un servidor de autenticación. Incluye parte de la funcionalidad en el HSS del EPC.

El segundo grupo también se ejecuta en el Plano de control (CP) pero no tiene una contraparte directa en el EPC:

• SDSF (función de red de almacenamiento de datos estructurados): un servicio "auxiliar" que se utiliza para almacenar datos estructurados. Podría implementarse mediante una "base de datos SQL" en un sistema basado en microservicios.
• UDSF (función de red de almacenamiento de datos no estructurados): un servicio "auxiliar" que se utiliza para almacenar datos no estructurados. Podría implementarse mediante un "almacén de clave / valor" en un sistema basado en microservicios.
• NEF (función de exposición de red): un medio para exponer capacidades seleccionadas a servicios de terceros, incluida la traducción entre representaciones internas y externas de datos. Podría ser implementado por un "servidor API" en un sistema basado en microservicios.
• NRF (función de repositorio de NF): un medio para descubrir los servicios disponibles. Podría implementarse mediante un "Servicio de descubrimiento" en un sistema basado en microservicios.
• NSSF (función de selector de corte de red): un medio para seleccionar un sector de red para servir a un UE determinado. Los segmentos de red son esencialmente una forma de diferenciar el servicio prestado a diferentes usuarios. Es una característica clave de 5G que discutiremos en profundidad más adelante en un capítulo posterior.

El tercer grupo incluye el único componente que se ejecuta en el plano de usuario (ARRIBA):

• UPF (función de plano de usuario): reenvía el tráfico entre RAN e Internet, correspondiente a la combinación S / PGW en EPC. Además del reenvío de paquetes, es responsable de la aplicación de políticas, la intercepción legal, los informes de uso del tráfico y la vigilancia de QoS.

De estos, el primer y tercer grupo se ven mejor como una refactorización sencilla del EPC de 4G, mientras que el segundo grupo, a pesar de la introducción gratuita de nueva terminología, es la forma de 3GPP de señalar una solución nativa de la nube como el estado final deseado para el Núcleo móvil. Cabe destacar que la introducción de distintos servicios de almacenamiento significa que todos los demás servicios pueden ser sin estado y, por lo tanto, más fácilmente escalables. También tenga en cuenta que la Figura 9 adopta una idea que es común en los sistemas basados ​​en microservicios, a saber, mostrar un bus de mensajes que interconecta todos los componentes en lugar de incluir un conjunto completo de conexiones por pares. Esto también sugiere una estrategia de implementación bien entendida.

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