Arquitectura y principios de la red 5G
Tres escenarios de aplicación 5G:
eMBB (gran ancho de banda), uRLLC (alta confiabilidad, baja latencia), mMTC (conexión ultra grande), se pueden usar para descargas de alta velocidad, conducción no tripulada, Internet de las cosas, etc., en un futuro cercano, estas tecnologías será cambiar completamente nuestras vidas.
1. Arquitectura de red 5G
El diagrama de la arquitectura de red 5G es el siguiente: La arquitectura de red 5G es una arquitectura de red orientada a servicios, que se diferencia de 4G en que:
- 5G es una arquitectura de servicio de estilo bus, mientras que 4G es una arquitectura basada en puntos de referencia.
- El método de interacción de los elementos de la red ha cambiado, en lugar de la conexión manual como en el 4G anterior, se conecta mediante una interfaz orientada a servicios
- La arquitectura de red de 5G está más fragmentada y se han desempaquetado algunas funciones de red 4G, como la gestión de sesiones MME, la gestión de movilidad, etc., y se han agregado algunas funciones de red (como la selección de segmentos NSSF y el descubrimiento de funciones de red MRF)
En términos generales, la diferencia entre la arquitectura de red central 5G y la arquitectura de red central 4G es que la arquitectura está orientada a servicios, separación de CU y división de red.
P: ¿A qué se refieren UE, AN, AF y DN en la figura excepto los elementos clave de la red?
UE: (User Equipment User Equipment) varios terminales de Internet o de voz, incluidos teléfonos móviles y ordenadores
AN: (red de acceso AccessNetwork) se refiere a la red de transmisión desde la interfaz del nodo de servicio a la interfaz de red del usuario
AF: (función de aplicación de función de aplicación) se refiere a varios servicios en la capa de aplicación
DN: (red de datos de red de datos) como negocio del operador, Internet o negocio de terceros, etc.
2. Funciones de la red de red central 5G (importante)
Introducción a los elementos de la red 5G (consulte la figura anterior para la conexión de cada elemento de la red y el diagrama de arquitectura de la topología basada en puntos de referencia)
1. AMF (función de gestión de acceso y movilidad función de gestión de acceso y movilidad): AMF es la unidad funcional principal de 5GC, que completa la gestión de acceso y movilidad de los usuarios finales, que es equivalente a la función de gestión de sesión de MME.
La función principal:
(1) Gestión de registro: gestión de conexión, gestión de accesibilidad, gestión de movilidad, autenticación de acceso, autorización de acceso
(2) Interceptación legal, una función establecida por instituciones como la Oficina de Seguridad Pública
(3) Reenviar mensajes SM entre UE y SMF
(4) Reenvío de mensajes SMS de UE y SMSF
2. SMF (función de gestión de sesión): responsable de procesar los servicios de usuario, se puede considerar como una combinación de la parte de gestión de portadores MME y las funciones del plano de control de SGW y PGW.
(1) Gestión de sesiones: asignación y gestión de direcciones IP de UE, ahora y control de UPF, configuración de orientación de tráfico de UPF y reenvío a la red de destino adecuada
(2) Control de política de facturación y QoS
(3) Interceptación legal
(4) Recopilación de datos de facturación
(5) Notificación de datos de enlace descendente
3.UPF (función de plano de usuario): UPF es equivalente a una colección de funciones de plano de usuario de SGW y PGW. (1) Punto de anclaje del plano de datos
(2) Punto de sesión de PDU conectado a la red de datos
(3) Enrutamiento y reenvío de paquetes: análisis de paquetes y aplicación de políticas
(4) Informe de uso de datos
(5) Interceptación legal (recolección del avión del usuario)
4. UDM (función de gestión de datos unificados de gestión unificada de datos) proporciona los datos del contrato del usuario, que es equivalente al elemento de red de la base de datos HSS
(1) Gestión de datos de contrato de usuario
(2) Gestión de registro de servicio de usuario NF
(3) Generar parámetros de autenticación 3GPP AKA
(4) Autorización de acceso basada en datos de suscripción (restricción de roaming)
(5) Asegurar la continuidad del negocio/sesión (garantizar el cambio de 5G a 4G, los elementos de la red permanecen sin cambios)
5. AUSF (Función de servidor de autenticación) proporciona funciones de autenticación y contabilidad
Admite la función de servicio de autenticación unificada, incluida la autenticación de acceso 3GPP y la autenticación de acceso no 3GPP
6.PCF (Función de control de políticas) La función de control de políticas PCF es equivalente a 4G PCRF
(1) Admite el comportamiento de la red de administración de políticas unificadas
(2) Proporcionar estrategias basadas en segmentos
(3) Proporcionar reglas de política relacionadas con la movilidad a AMF
(4) Proporcionar políticas relacionadas con la sesión a SMF
7.NEF (Network Exposure Function) es responsable de administrar los datos abiertos de la red.Todas las aplicaciones externas que quieran acceder a los datos internos de la red central 5G deben pasar por NEF, que es equivalente a 4G SCEF
(1) Proporcionar una forma segura de exponer los servicios y capacidades de las funciones de red 3GPP a AF
(2) Proporcionar una forma segura para que AF proporcione información a las funciones de red 3GPP
8.NSSF (Función de selección de segmento de red Función de selección de segmento de red) proporciona colas NSSAI o S-NSSAI de acuerdo con el UE conectado a la red, qué servicio de segmento de red debe proporcionarse para el UE y luego decide qué AMF proporcionará el servicio de acceso para el UE. UE
(1) Seleccione un grupo de instancias de segmentos de red que sirvan a UE
(2) Determinar el NSSAI permitido y asignarlo al S-NSSAI contratado si es necesario
(3) Determinar el conjunto de AMF para servir al UE, o posiblemente determinar la lista de AMF candidatos consultando el NRF en función de la configuración.
9.NRF (Función de depósito de NF Función de almacenamiento de NF) se utiliza para el registro, la gestión, la detección de estado y la gestión automática de todas las NF.
(1) función de descubrimiento de servicio de soporte
(2) Mantener la información de NF, incluida la disponibilidad y sus servicios de soporte.
Nota: NF se refiere a un elemento de red en la red central 5G
En la arquitectura sin itinerancia 5G, NRF y NEF no están marcados, NRF se utiliza para el registro de elementos de red y NEF se encuentra entre el cuerpo de la aplicación de terceros y la red central.
P: En comparación con las funciones de los elementos de la red central 4G, ¿qué elementos de red se agregan a la red central 5G?
Respuesta: NRF, NSSF, AUSF, respectivamente, proporcionan funciones de almacenamiento en red, corte de red y servicio de autenticación unificada
3. Interfaz de servicio 5G
5G se basa en la experiencia exitosa de la arquitectura basada en servicios del sistema IP y realiza el desacoplamiento y la integración de las funciones de red a través de la modularización.Las funciones de red desacopladas se expanden, evolucionan de forma independiente y se implementan bajo demanda. La interacción entre todas las NF en el plano de control adopta una interfaz orientada al servicio. Múltiples NF pueden llamar al mismo servicio, lo que reduce el grado de acoplamiento de las definiciones de interfaz entre las NF y, finalmente, realiza la personalización bajo demanda de toda la función de red. apoyando de manera flexible diferentes escenarios y necesidades comerciales.
En términos sencillos, 5G se basa en una arquitectura orientada a servicios. Cada elemento de la red ha diseñado sus propios estándares de interfaz. Otros elementos de la red pueden interactuar siempre que cumplan con los estándares. Al igual que los bloques de construcción, son independientes pero pueden integrarse. haciendo que la red 5G sea más flexible y eficiente. Esta es la ventaja más destacada de 5G sobre 4G.
1. El proceso de establecimiento del servicio
Dividido en 4 pasos:
Hay cuatro procesos: registro de servicio, cancelación de registro de servicio, actualización de registro de servicio y descubrimiento de servicio. Como se muestra abajo:
Cuando se inicia cada NF (elemento de red central 5G), debe registrarse con NRF para proporcionar servicios. La información de registro incluye el tipo de NF, la dirección, la lista de servicios, etc.
Cuando un elemento de red se registra, informará a la NRF de sus capacidades admitidas. Este proceso se denomina proceso de registro. Posteriormente, los cambios en las funciones que admite y el equipo fuera de línea deben informarse a la NRF. Este proceso se denomina cancelación de registro. y actualizaciones de registro. Durante el proceso de servicio de la NF, la NF también informará a la NRF de los elementos de red que le interesan, y la NRF prestará atención y notificará a la NF. Este proceso se denomina descubrimiento.
En resumen, NRF es un intermediario que introduce objetos de servicio en cada elemento de red de la red, y todos los elementos de red dependen de NRF para obtener los servicios deseados.
2. Registro y actualización de NF
NF proporcionará una plantilla de NF (perfil de NF) al registrarse. Diferentes NF tienen diferentes plantillas, pero las plantillas de cada NF son aproximadamente las mismas, solo la diferencia de algunos servicios.
El contenido proporcionado por cada plantilla de NF incluye: tipo de NF, ID de instancia de NF, capacidad de NF, ID de PLMN de NF, dirección IP de NF o FQDN, información de segmento admitida por NF, etc.
Si el registro y la actualización es para el NF para guardar datos, como UDR también proporcionará el rango de SUPI y la identificación del grupo de datos (Data Set ID)
Nota: SUPI es el identificador permanente de usuario único global 5G del usuario, que consta de 15 números decimales y puede proporcionar el segmento numérico admitido por UDR
3. Suscripción al estado NF
Cuando NRF encuentra un nuevo registro de NF, actualización de registro de NF o cancelación de registro de NF, NRF enviará un mensaje de notificación a los suscriptores (NF suscrito) que se han suscrito a la notificación de estado de NF Este proceso se denomina notificación de estado de NF.
Durante este período:
(1) Los parámetros de entrada de suscripción son: tipo de NF, servicio, ID de NF donde el tipo de NF y el servicio se toman del NF de destino
(2) El contenido de la notificación incluye: ID de NF, estado de NF, servicio de NF
(3) NRF envía la notificación a la información de punto final de notificación correspondiente en el perfil NF del suscriptor
(4) Los parámetros de entrada para darse de baja incluyen: tipo de NF, ID de NF
Todo el proceso anterior es el proceso de suscripción al estado NF.
4. Proceso de descubrimiento del servicio NF
Como se mencionó anteriormente, NF informará a NRF de los elementos de red que le interesan, y NRF prestará atención y notificará a NF. Este proceso se denomina descubrimiento. El proceso de notificación es en realidad el proceso de suscripción. Cuando hay un elemento de red adecuado en la red que puede coincidir, NRF notificará al elemento de red de suscripción correspondiente. Este proceso de descubrir nuevos elementos de red y actualizar la relación se denomina descubrimiento.
Durante este período:
- Los parámetros de entrada requeridos son: tipo de NF de destino, servicio de NF de destino, tipo de NF del solicitante (para que NRF autorice la solicitud)
- Los parámetros de entrada opcionales son: S-NSSAI, ID de PLMN de NF de destino, ID de PLMN de servicio, DNN, servicio de solicitud de ID de consumidor de servicio de NF, SUPI, etc.
- Los parámetros de salida requeridos son: FQDN, dirección IP o URL del servicio de destino, todos los servicios compatibles con NF
- Los parámetros de salida opcionales son: rango SUPI compatible con UDR, identificador de conjunto de datos
5. Modo de interacción de interfaz basada en servicios
Contiene tres tipos:
- solicitud y respuesta
- Suscríbete y Notifica
- Suscripción y notificación de asistencia mutua (el elemento de red A ayuda al elemento de red C a ir a B para suscripción y notificación)
4. Interfaz y protocolo 5G
1. Interfaz N1
La interfaz N1 es una interfaz NAS, que se utiliza para enviar mensajes NAS.
Los mensajes NAS enviados se dividen en dos categorías
- Gestión de la movilidad:
Mensajes para que el terminal interactúe con AMF
- Gestión de sesiones:
Mensajes entre terminal y SMF, SMSF, otra NF
Nota: Los mensajes NAS para la gestión de sesiones se llevan encima de los mensajes de gestión de movilidad, y otros mensajes de gestión de sesiones también deben reenviarse y transmitirse de forma transparente a través de AMF.
2. Interfaz N2
En 4G, la interfaz de N2 se usa para la conexión entre E-NodeB y MME. En 5G, se usa para conectar el AMF de la estación base 5G y la red central, usando el protocolo NG-AP. En esta figura, la interfaz N11 es una La interfaz orientada a servicios utiliza el protocolo HTTP/2.
3. Interfaz de servicio
La interfaz de servicio incluye las siguientes interfaces:
Namf Nsmf Nudm Nnrf Nnssf Nausf Nnef Nsmsf Nudr Npcf N5g-eir Nlmf
Todas las interfaces de servicio comienzan con N, adoptan el protocolo HTTP/2 y su capa de aplicación incluye protocolos de decodificación como JSON.
El protocolo de encapsulación adoptado por la interfaz de servicio es el siguiente:
4. Interfaz N4
La interfaz N4 se utiliza como punto de referencia entre la SMF y la UPF. Esta interfaz transmitirá algunos mensajes del plano de control y también transmitirá algunos mensajes del plano de usuario.
El protocolo del plano de control se reemplaza por GTP-C con PFCP, mientras que el protocolo del plano de usuario es el mismo que 4G, pero todavía usa el protocolo GTP-U.
5. Interfaz N3, N6, N9,
Estas tres interfaces son interfaces para la pila de protocolos del plano de usuario.
N3 se ubica entre la red de acceso 5G y la UPF, utilizando el protocolo GTP-U
N6 es el protocolo entre el lado de la red interna y el lado de la red externa, y también utiliza el protocolo GTP-U
N9 está ubicado entre dos UPF. Es una interfaz de plano de usuario encapsulada en 5G que admite acceso 3GPP y no 3GPP. Cuando usa 3GPP para conectarse, usa el protocolo GTP-U, y si es una conexión que no es 3GPP, utiliza otro protocolo de tunelización.
En resumen, hay interfaces N1, N2, N3, N4, N6 y N9 que no están orientadas a servicios en la red 5G, son interfaces basadas en configuraciones de puntos de referencia, mientras que el resto de interfaces son interfaces orientadas a servicios. .
El estudio de la red central 4G ha terminado por el momento, y también he comenzado a ponerme en contacto con la red 5G. Los puntos de conocimiento compartidos esta vez son el conocimiento introductorio de 5G, que es muy importante. Todos en la industria que estén interesados en aprender 5G o los jóvenes y niñas de esta especialización pueden recitarlo. Solo concéntrese en los puntos clave, memorice la topología y los elementos de la red, y tome notas sobre otras cosas misceláneas, para tener una impresión. Cuando lo usa en su trabajo, simplemente sabe dónde buscarlo.