5G Core čili nové jádro sítě

Patrick Zandl · 28. červen 2024 Opravit 📃

Jak vypadá samotné jádro mobilní sítě, v němž se dějí veškerá ta kouzla, jako je autorizace uživatele, přenosy a účtování jeho hovorů a dat a všechny další služby do okamžiku, než je převezme základnová stanice a pošle na mobilní telefon uživatele?

Laskavý čtenář článku asi již má nějakou představu o tom, jak fungují předchozí generace mobilních sítí. Bude možná nejlepší, v rychlosti si prosvištět, jak jednotlivé generace fungují a jak rozvíjejí dědictví předchozích generací. Každá generace totiž přinesla významné změny, které odrážely rostoucí požadavky na mobilní komunikace. Pojďme se na tento vývoj podívat a poté se zaměříme na revoluční architekturu 5G Core.

Evoluce síťové architektury: Od 3G přes 4G ke 5G

3G Core (UMTS):

  • Kombinace okruhově a paketově spínaných domén
  • Klíčové prvky: - MSC (Mobile Switching Center) pro okruhově spínané služby - SGSN (Serving GPRS Support Node) pro správu mobility a směrování paketů - GGSN (Gateway GPRS Support Node) pro připojení k externím paketovým sítím - Zavedení IMS (IP Multimedia Subsystem) pro poskytování multimediálních služeb přes IP

4G/LTE Core (EPC - Evolved Packet Core):

  • Plně paketově spínaná architektura
  • Klíčové prvky a jejich evoluce: - MME (Mobility Management Entity) - převzalo funkce řízení mobility z SGSN - S-GW (Serving Gateway) - částečně nahradilo SGSN, zpracovává uživatelská data - P-GW (PDN Gateway) - evoluce GGSN, poskytuje připojení k externím sítím - HSS (Home Subscriber Server) - evoluce HLR (Home Location Register) z 3G - IMS plně integrován pro poskytování hlasových služeb přes LTE (VoLTE)
  • Zjednodušená architektura oproti 3G, ale stále s pevně definovanými funkcemi

5G Core:

  • Service-Based Architecture (SBA) - radikální změna v designu architektury umožňující přímé přiřazení elementů sítě podle toho, jakou službu uživatel vyžaduje.
  • Klíčové prvky a jejich evoluce:
    • AMF (Access and Mobility Management Function) - evoluce MME, řízení přístupu a mobility
    • SMF (Session Management Function) - přebírá část funkcí P-GW týkajících se správy relací
    • UPF (User Plane Function) - kombinuje funkce S-GW a P-GW pro zpracování uživatelských dat
    • PCF (Policy Control Function) - evoluce PCRF ze sítě 4G, řízení politiky přístupu
    • UDM (Unified Data Management) - evoluce HSS, centralizované úložiště uživatelských dat
    • AUSF (Authentication Server Function) - oddělená funkce autentizace z HSS a nového UDM
    • NSSF (Network Slice Selection Function) - nová funkce pro podporu network slicingu
  • IMS zůstává klíčovou komponentou pro multimediální služby, nyní plně integrován v cloud-native architektuře a také zajišťuje zpětnou kompatibilitu s 3G/4G.

Hlavní změny mezi generacemi:

EPC versus 5G Core

  • 3G na 4G: Přechod od oddělených okruhově a paketově spínaných domén k plně paketové architektuře. Zjednodušení architektury a lepší integrace datových služeb.

  • 4G na 5G: Přechod od pevně definovaných síťových prvků k modulární, service-based architektuře. Zavedení network slicingu, lepší podpora pro edge computing a ultra-reliable low latency communication (URLLC). Plná realizace oddělení control a user plane (CUPS).

Tato evoluce představuje postupný přechod od monolitického systému (3G) přes modulárnější, ale stále relativně rigidní strukturu (4G) k plně flexibilnímu, mikroslužbami inspirovanému ekosystému (5G). Každá generace přinesla významné zlepšení v efektivitě, flexibilitě a schopnosti podporovat nové služby, přičemž 5G představuje nejvýraznější skok v architektonickém přístupu. Je také ale nutno poznamenat, že nic takového by nebylo možné díky plynulému nárůstu výkonu hardware i uživatelských stanic.

Klíčové principy 5G Core

1. Service-Based Architecture (SBA):

Service-Based Architecture (SBA) představuje revoluční přístup k návrhu 5G Core Network. V tomto modelu jsou síťové funkce implementovány jako samostatné služby, které spolu komunikují prostřednictvím standardizovaného rozhraní využívajícího RESTful API. Tento přístup umožňuje flexibilní a efektivní interakci mezi různými komponentami sítě.

Jádrem SBA je Network Repository Function (NRF), která funguje jako centrální adresář služeb. NRF umožňuje službám se registrovat a objevovat ostatní služby v síti. Když jedna služba potřebuje komunikovat s jinou, nejprve se dotáže NRF, aby zjistila umístění a detaily cílové služby. Komunikace mezi službami je pak zprostředkována pomocí Service Communication Proxy (SCP), která zajišťuje efektivní směrování požadavků a může poskytovat dodatečné funkce jako load balancing.

SBA využívá model producent-konzument, kde každá služba může nabízet své funkce ostatním službám v síti. Tato architektura významně zvyšuje flexibilitu a škálovatelnost sítě, umožňuje snadné přidávání nových služeb a modifikaci stávajících bez nutnosti rozsáhlých změn v celé architektuře. Díky standardizovanému rozhraní SBA také usnadňuje multi-vendor implementace a podporuje lepší interoperabilitu.

Využití klasických internetových protokolů jako HTTP/2 pro transport a JSON pro serializaci dat dále přispívá k efektivitě a flexibilitě SBA. Tato architektura tak poskytuje robustní základ pro budoucí vývoj 5G sítí, umožňující rychlou adaptaci na nové požadavky a use cases.

Schéma SBA

2. Network Slicing:

Network Slicing je další klíčovou technologií v 5G sítích. Umožňuje vytvoření virtuálních sítí (tzv. “slices” čili virtuálních řezů) na společné fyzické infrastruktuře. Každý slice je optimalizován pro specifické požadavky různých služeb nebo zákazníků, poskytující tak flexibilitu a efektivitu, kterou předchozí generace mobilních sítí nedokázaly nabídnout.

V praxi Network Slicing funguje tak, že rozděluje síťové zdroje napříč všemi doménami sítě - od rádiového přístupu přes transportní síť až po jádro sítě. Každý řez může mít vlastní síťové funkce, QoS parametry a bezpečnostní nastavení. Například, řez/slice pro IoT zařízení může být optimalizován pro nízkou spotřebu energie a velký počet připojení, zatímco slice pro streamování videa bude prioritizovat vysokou šířku pásma.

Proces začíná, když zařízení požádá o připojení k síti. Network Slice Selection Function (NSSF) v 5G Core pak rozhodne, který slice je pro dané zařízení a službu nejvhodnější. Následně jsou alokovány příslušné síťové zdroje a nastaveny parametry pro daný slice.

Důležitou vlastností Network Slicing je jeho dynamická povaha. Slices mohou být vytvářeny, modifikovány a rušeny podle potřeby, což umožňuje operátorům rychle reagovat na měnící se požadavky trhu. Tato flexibilita také otevírá nové obchodní možnosti, jako je poskytování dedikovaných virtuálních sítí pro specifické průmyslové aplikace nebo události.

Network Slicing tak představuje mocný nástroj pro optimalizaci využití síťových zdrojů a poskytování přizpůsobených služeb v éře 5G.

Network slicing

3. Control and User Plane Separation (CUPS):

Control and User Plane Separation (CUPS) byl poprvé zaveden v pozdějších fázích 4G/LTE a plně rozvinut v 5G sítích. Tento přístup odděluje řídicí (control) a uživatelskou (user) rovinu síťových funkcí, což umožňuje jejich nezávislé škálování a optimalizaci.

V 4G sítích byl CUPS představen jako volitelná funkce, primárně zaměřená na oddělení S/P-GW (Serving/PDN Gateway) funkcí. Toto oddělení umožnilo flexibilnější nasazení uživatelské roviny blíže k okraji sítě, čímž se snížila latence a optimalizovalo využití přenosové kapacity.

V 5G sítích je CUPS plně integrován do základní architektury. Uživatelská rovina, reprezentovaná User Plane Function (UPF), může být nasazena distribuovaně, blíže k uživatelům nebo aplikacím, zatímco řídicí rovina, zahrnující funkce jako Session Management Function (SMF), zůstává centralizovaná. Toto uspořádání umožňuje efektivnější zpracování dat a nižší latenci, což je klíčové pro podporu use cases jako edge computing nebo ultra-reliable low-latency communication (URLLC).

CUPS v 5G také umožňuje flexibilnější alokaci síťových zdrojů. Operátoři mohou nezávisle škálovat kapacitu řídicí a uživatelské roviny podle aktuálních potřeb, což vede k efektivnějšímu využití infrastruktury. Navíc, CUPS usnadňuje implementaci network slicingu, umožňující vytváření virtuálních sítí s různými charakteristikami uživatelské a řídicí roviny.

4. Cloud-Native Design:

Cloud-Native Design v 5G plně využívá principy cloud computingu a moderních softwarových technologií k vytvoření flexibilní a škálovatelné síťové infrastruktury.

V LTE/4G sítích byly síťové funkce typicky implementovány jako monolitické aplikace běžící na dedikovaném hardwaru. Ačkoli virtualizace začala být v pozdějších fázích 4G využívána, většina implementací stále následovala tradiční model nasazení.

Naproti tomu 5G s Cloud-Native Designem přináší radikální změnu. Síťové funkce jsou navrženy jako sada mikroslužeb, které jsou kontejnerizované a orchestrované pomocí technologií jako Kubernetes. Tento přístup umožňuje rychlé nasazení, aktualizace a škálování jednotlivých komponent sítě nezávisle na sobě.

Cloud-Native Design v 5G také podporuje automatizaci a DevOps praktiky, umožňující kontinuální integraci a nasazení (CI/CD) síťových funkcí. To významně zkracuje čas potřebný pro uvedení nových služeb na trh a usnadňuje rychlé reakce na měnící se požadavky sítě.

Další klíčovou charakteristikou je využití stateless designu, kde stav aplikace je oddělen od výpočetních zdrojů. To umožňuje lepší odolnost vůči chybám a efektivnější využití zdrojů.

Oproti LTE/4G, Cloud-Native Design v 5G také lépe podporuje edge computing, umožňující nasazení síťových funkcí blíže k uživatelům pro snížení latence a optimalizaci využití síťových zdrojů.

Klíčové síťové funkce 5G Core

  1. AMF (Access and Mobility Management Function):
    • Nástupce MME z 4G
    • Zodpovědná za řízení přístupu a mobility
    • Podporuje bezešvou mobilitu mezi různými typy přístupových sítí (5G, 4G, Wi-Fi)
  2. SMF (Session Management Function):
    • Spravuje uživatelské relace, včetně alokace IP adres a QoS
  3. UPF (User Plane Function):
    • Zpracovává uživatelský provoz
    • Umožňuje flexibilní umístění pro optimalizaci latence a výkonu
  4. PCF (Policy Control Function):
    • Definuje a vynucuje síťové politiky
    • Klíčová pro implementaci network slicingu
  5. UDM (Unified Data Management):
    • Centralizované úložiště uživatelských dat a profilů
    • Nástupce HSS z 4G, ale s rozšířenými schopnostmi
  6. AUSF (Authentication Server Function):
    • Zodpovědná za autentizaci uživatelů
    • Podporuje pokročilé autentizační mechanismy
  7. NSSF (Network Slice Selection Function):
    • Vybírá vhodné network slice pro UE Interoperabilita s LTE a staršími systémy

Klíčové funkce 5G Core

5G Core podporuje interoperabilitu s LTE, včetně procedur pro handover a reselekci buněk. Nicméně, přímá interoperabilita s 2G/3G systémy není v Release 15 podporována, což odráží postupný přechod k novějším technologiím. Existuje však celá řada postupů, jak soužití starých sítí GSM a 5G zajistit v případě, že je to nutné. Příkladem může být Multi-RAT (Multiple Radio Access Technology) podpora. Na nabízí více technologií rádiového přístupu současně, kdy zařízení může přepínat mezi 5G, 4G, 3G a GSM podle dostupnosti a kvality signálu.

Zde je tabulka porovnávající klíčové technologie a funkce v Core sítích 5G, 4G a 3G:

Funkce/Technologie 5G Core 4G Core (EPC) 3G Core
Architektura Service-Based Architecture (SBA) Částečně distribuovaná Centralizovaná
Základní přístup Plně paketový Plně paketový Kombinace okruhového a paketového
Network Slicing Plně podporováno Omezená podpora Nepodporováno
Control/User Plane Separation Plně implementováno (CUPS) Částečně (volitelné) Nepodporováno
Cloud-Native Design Ano Omezené Ne
Edge Computing podpora Nativní Omezená Ne
Hlavní řídicí entita AMF (Access and Mobility Management Function) MME (Mobility Management Entity) MSC (Mobile Switching Center)
Správa relací SMF (Session Management Function) Část MME a S-GW SGSN (Serving GPRS Support Node)
Uživatelská rovina UPF (User Plane Function) S-GW a P-GW GGSN (Gateway GPRS Support Node)
Správa politik PCF (Policy Control Function) PCRF (Policy and Charging Rules Function) Omezená
Správa uživatelských dat UDM (Unified Data Management) HSS (Home Subscriber Server) HLR (Home Location Register)
Autentizace AUSF (Authentication Server Function) Část HSS AuC (Authentication Center)
Network Slice Selection NSSF (Network Slice Selection Function) Nepodporováno Nepodporováno
QoS model Flow-based QoS Bearer-based QoS Class-based QoS
Podporované služby eMBB, URLLC, mMTC Hlavně broadband Hlas a základní data
Latence Ultra-nízká (1ms) Nízká (10ms) Střední (50ms)
Maximální rychlost 20 Gbps 1 Gbps 42 Mbps (HSPA+)
NFV/SDN podpora Plná Částečná Ne
API pro třetí strany Ano (Network Exposure Function) Omezené Ne

Tato tabulka ukazuje významný vývoj od 3G přes 4G až k 5G, s důrazem na flexibilitu, škálovatelnost a výkon v 5G Core. Je patrné, že 5G Core přináší mnoho nových funkcí a technologií, které nebyly v předchozích generacích k dispozici nebo byly implementovány jen částečně.

5G Core představuje paradigmatický posun v architektuře mobilních sítí. Od monolitických systémů 3G přes modulárnější, ale stále relativně rigidní 4G EPC, 5G Core přináší plně flexibilní, cloud-native architekturu schopnou podporovat široké spektrum současných i budoucích use cases.

Klíčové inovace jako Service-Based Architecture, network slicing a plná realizace CUPS umožňují 5G sítím dosáhnout bezprecedentní flexibility, škálovatelnosti a výkonu. Tyto změny nejsou jen evolucí, ale revolucí v přístupu k návrhu a implementaci mobilních sítí.

S pokračujícím vývojem v Release 16 a beyond můžeme očekávat další vylepšení a inovace, které budou stavět na tomto pevném základu. 5G Core není jen technologickým upgradem, ale fundamentální přestavbou mobilních sítí, která otevírá dveře novým možnostem a use cases, které byly dříve nepředstavitelné.

🗼 Pokračujte dále na Seriál Mobilní sítě

Chcete tyto články emailem?

Twitter, Facebook