Architektura Systemu 5G

Architektura oparta na us艂ugach i funkcje sieciowe natywne dla chmury.

1. Zmiana Paradygmatu: Od Fizycznych Pude艂ek do Wirtualnych Us艂ug

Architektura sieci kom贸rkowej to jej fundamentalny plan. Definiuje ona, jak wszystkie r贸偶ne elementy sprz臋towe i programowe wsp贸艂pracuj膮, aby dostarcza膰 艂膮czno艣膰. Przez pokolenia architektura ta opiera艂a si臋 na zbiorze du偶ych, wyspecjalizowanych i drogich urz膮dze艅 sprz臋towych, z kt贸rych ka偶de pe艂ni艂o okre艣lon膮 funkcj臋. Rdze艅 sieci 4G, Evolved Packet Core (EPC), by艂 szczytem tej filozofii projektowej, z odr臋bnymi, fizycznymi w臋z艂ami, takimi jak MME, SGW i PGW, po艂膮czonymi sta艂ymi, punkt-punktowymi interfejsami.

Architektura 5G stanowi ca艂kowite zerwanie z tym dziedzictwem. To nie jest tylko ewolucja rdzenia 4G; to rewolucja oparta na zasadach nowoczesnego cloud computingu i rozwoju oprogramowania. G艂贸wn膮 ide膮 stoj膮c膮 za sieci膮 5G jest odej艣cie od monolitycznych urz膮dze艅 sprz臋towych na rzecz elastycznego, programowalnego i wysoce wydajnego systemu, w kt贸rym funkcje sieciowe s膮 zwirtualizowanymi komponentami oprogramowania.

Nowy projekt nosi nazw臋 Architektury Opartej na Us艂ugach (SBA). W SBA sie膰 rdzeniowa nie jest ju偶 sztywn膮 hierarchi膮 po艂膮czonych urz膮dze艅. Zamiast tego jest to p艂ynny zbi贸r aplikacji oprogramowania zwanych Funkcjami Sieciowymi (NF), kt贸re mog膮 dzia艂a膰 na standardowych, komercyjnych serwerach, zar贸wno w du偶ym centrum danych, jak i na skraju sieci. Te funkcje NF komunikuj膮 si臋 ze sob膮 jak nowoczesne us艂ugi internetowe, odkrywaj膮c si臋 nawzajem i wchodz膮c w interakcje za po艣rednictwem standardowych Interfejs贸w Programowania Aplikacji (API). To podej艣cie natywne dla chmury (cloud-native) daje 5G bezprecedensow膮 elastyczno艣膰 i moc, umo偶liwiaj膮c dostarczanie nie tylko szybszego internetu, ale tak偶e szerokiej gamy nowych us艂ug, od masowego Internetu Rzeczy po krytyczn膮 dla misji automatyk臋 przemys艂ow膮.

2. G艂贸wne Zasady Architektury 5G

Moc i elastyczno艣膰 architektury 5G wynikaj膮 z kilku fundamentalnych zasad projektowych wywodz膮cych si臋 ze 艣wiata IT i chmury obliczeniowej.

Architektura Oparta na Us艂ugach (SBA)

To najwa偶niejsza zmiana filozoficzna w stosunku do 4G. Zamiast definiowa膰 sie膰 przez jej fizyczne w臋z艂y i interfejsy mi臋dzy nimi (jak interfejsy S1, S11, SGi w 4G), architektura 5G definiuje sie膰 przez jej funkcje programowe i us艂ugi, kt贸re 艣wiadcz膮.

W tym modelu:

  • Funkcja Sieciowa (NF) to modu艂owy komponent oprogramowania odpowiedzialny za okre艣lone zadanie (np. zarz膮dzanie sesjami u偶ytkownika, uwierzytelnianie u偶ytkownik贸w).
  • Ka偶da NF mo偶e dzia艂a膰 jako dostawca us艂ugi, oferuj膮c swoje mo偶liwo艣ci innym NF poprzez dobrze zdefiniowane API.
  • Ka偶da NF mo偶e r贸wnie偶 dzia艂a膰 jako konsument us艂ugi, odkrywaj膮c i wykorzystuj膮c us艂ugi oferowane przez inne NF do realizacji w艂asnych zada艅.

Ta komunikacja odbywa si臋 przez wsp贸ln膮 magistral臋 us艂ug lub magistral臋 komunikat贸w. Odseparowuje to NF od siebie, umo偶liwiaj膮c operatorowi 艂atwe dodawanie nowych funkcji, aktualizowanie istniej膮cych lub skalowanie ich niezale偶nie, bez potrzeby przeprojektowywania ca艂ej sieci. Jest to analogiczne do sposobu, w jaki nowoczesne aplikacje internetowe s膮 budowane przy u偶yciu mikroserwis贸w komunikuj膮cych si臋 przez API.

Separacja P艂aszczyzny Sterowania i U偶ytkownika (CUPS)

Chocia偶 CUPS zosta艂o wprowadzone jako ulepszenie dla 4G, w architekturze 5G jest to natywna i centralna zasada. Nakazuje ona, aby funkcje odpowiedzialne za przetwarzanie ruchu danych u偶ytkownika (P艂aszczyzna U偶ytkownika) by艂y oddzielone od funkcji obs艂uguj膮cych sygnalizacj臋 i sterowanie sieci膮 (P艂aszczyzna Sterowania).

  • Niezale偶ne Skalowanie: Operator mo偶e skalowa膰 pojemno艣膰 obs艂ugi danych (np. dodaj膮c wi臋cej Funkcji P艂aszczyzny U偶ytkownika) bez konieczno艣ci skalowania funkcji steruj膮cych, i odwrotnie.
  • Elastyczne Umiejscowienie: Funkcja P艂aszczyzny U偶ytkownika (UPF), kt贸ra jest koniem poci膮gowym przekazywania danych, mo偶e by膰 umieszczona w dowolnym miejscu sieci. Mo偶e by膰 scentralizowana w centrum danych lub rozproszona na skraju sieci, bli偶ej u偶ytkownik贸w. Jest to kluczowy element umo偶liwiaj膮cy , co jest krytyczne dla aplikacji o niskich op贸藕nieniach.

Natywno艣膰 dla Chmury i Wirtualizacja (NFV)

Architektura 5G jest zaprojektowana jako natywna dla chmury. Oznacza to, 偶e jej Funkcje Sieciowe nie s膮 zwi膮zane z konkretnym sprz臋tem. S膮 one zaimplementowane jako oprogramowanie, kt贸re mo偶e dzia艂a膰 na dowolnym og贸lnodost臋pnym, komercyjnym sprz臋cie serwerowym (COTS). Ta koncepcja nosi nazw臋 Wirtualizacji Funkcji Sieciowych (NFV). Przenosi ona kilka zalet chmury obliczeniowej do 艣wiata telekomunikacji:

  • Redukcja Koszt贸w: Operatorzy nie s膮 ju偶 uzale偶nieni od zakupu drogiego, autorskiego sprz臋tu od jednego dostawcy. Mog膮 u偶ywa膰 standardowych serwer贸w IT, kt贸re s膮 ta艅sze i bardziej elastyczne.
  • Szybkie Wdra偶anie: Nowe funkcje i us艂ugi sieciowe mo偶na wdra偶a膰 jako aktualizacje oprogramowania w ci膮gu minut lub godzin, zamiast miesi臋cy czy lat wymaganych przy fizycznym wprowadzaniu sprz臋tu.
  • Skalowalno艣膰 na 呕膮danie: Je艣li w okre艣lonym obszarze nast膮pi gwa艂towny wzrost ruchu, operator mo偶e automatycznie uruchomi膰 nowe wirtualne instancje Funkcji Sieciowej, aby obs艂u偶y膰 obci膮偶enie, a nast臋pnie zamkn膮膰 je, gdy nie b臋d膮 ju偶 potrzebne, optymalizuj膮c wykorzystanie zasob贸w.

Bezstanowe Funkcje Sieciowe

Kluczow膮 zasad膮 natywn膮 dla chmury przyj臋t膮 w 5G jest to, 偶e wi臋kszo艣膰 Funkcji Sieciowych powinna by膰 bezstanowa. Oznacza to, 偶e NF przetwarzaj膮ca transakcj臋 nie przechowuje lokalnie 偶adnych d艂ugoterminowych informacji o sesji lub stanie u偶ytkownika. Zamiast tego dane te s膮 przechowywane w scentralizowanej, dedykowanej bazie danych (UDR - Unified Data Repository).

Takie podej艣cie zapewnia ogromne korzy艣ci pod wzgl臋dem niezawodno艣ci i skalowalno艣ci. Je艣li instancja oprogramowania danej NF ulegnie awarii, inna instancja mo偶e zosta膰 natychmiast uruchomiona i kontynuowa膰 przetwarzanie transakcji dla u偶ytkownika, poniewa偶 wszystkie niezb臋dne informacje mo偶na pobra膰 z centralnego UDR. Nie ma utraty us艂ugi. U艂atwia to r贸wnie偶 skalowanie funkcji poprzez proste dodawanie kolejnych identycznych, bezstanowych instancji.

3. Komponenty Systemu 5G: Przegl膮d

Kompletny system 5G sk艂ada si臋 z urz膮dzenia u偶ytkownika, nowej sieci radiowej oraz nowej sieci rdzeniowej.

  • UE (User Equipment): To Twoje urz膮dzenie obs艂uguj膮ce 5G, takie jak smartfon, tablet lub czujnik IoT.
  • NG-RAN (Next-Generation Radio Access Network): To sie膰 radiowa 5G. Jej g艂贸wnym komponentem jest gNodeB (gNB), kt贸ry jest odpowiednikiem eNodeB w LTE dla 5G. gNB obs艂uguje po艂膮czenie 5G New Radio (NR) z UE. Architektura NG-RAN jest r贸wnie偶 zaprojektowana z my艣l膮 o du偶ej elastyczno艣ci, wspieraj膮c opcje takie jak podzia艂 na Jednostk臋 Scentralizowan膮 (CU) i Jednostk臋 Rozproszon膮 (DU), co pozwala na bardziej wydajne zarz膮dzanie zasobami radiowymi.
  • 5GC (5G Core Network): To nowa, oparta na us艂ugach sie膰 rdzeniowa, kt贸ra dzia艂a jako m贸zg systemu. 艁膮czy sie膰 radiow膮 z zewn臋trznymi sieciami danych i zapewnia wszystkie zaawansowane funkcje 5G.

4. Kluczowe Funkcje Sieci Rdzeniowej 5G (5GC)

Rdze艅 5G nie sk艂ada si臋 z monolitycznych blok贸w, jak EPC w 4G. Zamiast tego jego funkcjonalno艣膰 jest rozproszona na zestaw wyspecjalizowanych, interoperacyjnych Funkcji Sieciowych (NF). Oto najwa偶niejsze z nich:

Funkcje P艂aszczyzny Sterowania Rdzenia

  • : Ta funkcja jest jedynym punktem wej艣cia dla ca艂ej sygnalizacji zwi膮zanej z po艂膮czeniem i mobilno艣ci膮 od UE. Obs艂uguje rejestracj臋 urz膮dzenia w sieci, uzgadnianie uwierzytelnienia oraz 艣ledzenie lokalizacji urz膮dzenia, gdy jest bezczynne lub w ruchu. Jest to w zasadzie ewolucja cz臋艣ci kontrolnej MME z 4G.
  • : SMF odpowiada za wszystko, co zwi膮zane z sesj膮 danych u偶ytkownika. Gdy chcesz po艂膮czy膰 si臋 z internetem, SMF jest odpowiedzialna za ustanowienie sesji, przypisanie Twojemu urz膮dzeniu adresu IP (z UPF), wybranie UPF, kt贸ry b臋dzie obs艂ugiwa艂 Tw贸j ruch danych, oraz zastosowanie niezb臋dnych regu艂 QoS do Twoich no艣nik贸w danych.
  • : Ta funkcja dzia艂a jako serwer uwierzytelniaj膮cy. Zarz膮dza procedurami bezpiecze艅stwa w celu weryfikacji to偶samo艣ci u偶ytkownika podczas 艂膮czenia si臋 z sieci膮.
  • : PCF to ewolucja PCRF z 4G. Jest to m贸zg stoj膮cy za polityk膮 sieciow膮, dostarczaj膮cy regu艂y do innych NF, aby zapewni膰, 偶e odpowiednia Jako艣膰 Us艂ugi (QoS) jest stosowana do r贸偶nych przep艂yw贸w danych, a taryfikacja jest obs艂ugiwana poprawnie.

Funkcja P艂aszczyzny U偶ytkownika Rdzenia

  • : W UPF dochodzi do prawdziwej pracy z Twoimi danymi. 艁膮czy ona funkcje p艂aszczyzny danych SGW i PGW z 4G w jedn膮, uproszczon膮 jednostk臋. Jej zadaniem jest szybkie trasowanie Twoich pakiet贸w IP. Dzia艂a r贸wnie偶 jako punkt po艂膮czenia z zewn臋trznymi sieciami danych (jak internet), kontroluje pakiety w celu egzekwowania polityk QoS otrzymanych od SMF i zbiera statystyki u偶ycia do rozlicze艅. Elastyczno艣膰 w umieszczaniu UPF na skraju sieci jest kluczowa dla obietnicy niskich op贸藕nie艅 w 5G.

Funkcje Danych i Odkrywania Us艂ug Rdzenia

  • : UDM to g艂贸wna baza danych informacji o abonentach w 5G, ewoluuj膮ca rol臋 HSS z 4G. Przechowuje profil u偶ytkownika, jego dane uwierzytelniaj膮ce oraz szczeg贸艂y subskrypcji.
  • : Jest to fizyczna baza danych, w kt贸rej UDM i PCF przechowuj膮 swoje dane. Oddzielenie logiki danych (UDM) od fizycznego przechowywania (UDR) jest kluczow膮 zasad膮 natywn膮 dla chmury, kt贸ra zwi臋ksza skalowalno艣膰 i odporno艣膰.
  • : NRF jest kluczowym elementem Architektury Opartej na Us艂ugach. Dzia艂a jako dynamiczny silnik odkrywania us艂ug. Ka偶da NF, gdy jest uruchamiana, rejestruje swoje us艂ugi w NRF. Gdy inna NF potrzebuje u偶y膰 okre艣lonej us艂ugi (np. AMF musi znale藕膰 AUSF), po prostu odpytuje NRF, kt贸ry zwraca list臋 dost臋pnych i odpowiednich instancji NF.
    Architektura Systemu 5G | Teleinf Edu