Architektura Systemu 5G
Architektura oparta na usługach i funkcje sieciowe natywne dla chmury.
1. Zmiana Paradygmatu: Od Fizycznych Pudełek do Wirtualnych Usług
Architektura sieci komórkowej to jej fundamentalny plan. Definiuje ona, jak wszystkie różne elementy sprzętowe i programowe współpracują, aby dostarczać łączność. Przez pokolenia architektura ta opierała się na zbiorze dużych, wyspecjalizowanych i drogich urządzeń sprzętowych, z których każde pełniło określoną funkcję. Rdzeń sieci 4G, Evolved Packet Core (EPC), był szczytem tej filozofii projektowej, z odrębnymi, fizycznymi węzłami, takimi jak MME, SGW i PGW, połączonymi stałymi, punkt-punktowymi interfejsami.
Architektura 5G stanowi całkowite zerwanie z tym dziedzictwem. To nie jest tylko ewolucja rdzenia 4G; to rewolucja oparta na zasadach nowoczesnego cloud computingu i rozwoju oprogramowania. Główną ideą stojącą za siecią 5G jest odejście od monolitycznych urządzeń sprzętowych na rzecz elastycznego, programowalnego i wysoce wydajnego systemu, w którym funkcje sieciowe są zwirtualizowanymi komponentami oprogramowania.
Nowy projekt nosi nazwę Architektury Opartej na Usługach (SBA). W SBA sieć rdzeniowa nie jest już sztywną hierarchią połączonych urządzeń. Zamiast tego jest to płynny zbiór aplikacji oprogramowania zwanych Funkcjami Sieciowymi (NF), które mogą działać na standardowych, komercyjnych serwerach, zarówno w dużym centrum danych, jak i na skraju sieci. Te funkcje NF komunikują się ze sobą jak nowoczesne usługi internetowe, odkrywając się nawzajem i wchodząc w interakcje za pośrednictwem standardowych Interfejsów Programowania Aplikacji (API). To podejście natywne dla chmury (cloud-native) daje 5G bezprecedensową elastyczność i moc, umożliwiając dostarczanie nie tylko szybszego internetu, ale także szerokiej gamy nowych usług, od masowego Internetu Rzeczy po krytyczną dla misji automatykę przemysłową.
2. Główne Zasady Architektury 5G
Moc i elastyczność architektury 5G wynikają z kilku fundamentalnych zasad projektowych wywodzących się ze świata IT i chmury obliczeniowej.
Architektura Oparta na Usługach (SBA)
To najważniejsza zmiana filozoficzna w stosunku do 4G. Zamiast definiować sieć przez jej fizyczne węzły i interfejsy między nimi (jak interfejsy S1, S11, SGi w 4G), architektura 5G definiuje sieć przez jej funkcje programowe i usługi, które świadczą.
W tym modelu:
- Funkcja Sieciowa (NF) to modułowy komponent oprogramowania odpowiedzialny za określone zadanie (np. zarządzanie sesjami użytkownika, uwierzytelnianie użytkowników).
- Każda NF może działać jako dostawca usługi, oferując swoje możliwości innym NF poprzez dobrze zdefiniowane API.
- Każda NF może również działać jako konsument usługi, odkrywając i wykorzystując usługi oferowane przez inne NF do realizacji własnych zadań.
Ta komunikacja odbywa się przez wspólną magistralę usług lub magistralę komunikatów. Odseparowuje to NF od siebie, umożliwiając operatorowi łatwe dodawanie nowych funkcji, aktualizowanie istniejących lub skalowanie ich niezależnie, bez potrzeby przeprojektowywania całej sieci. Jest to analogiczne do sposobu, w jaki nowoczesne aplikacje internetowe są budowane przy użyciu mikroserwisów komunikujących się przez API.
Separacja Płaszczyzny Sterowania i Użytkownika (CUPS)
Chociaż CUPS zostało wprowadzone jako ulepszenie dla 4G, w architekturze 5G jest to natywna i centralna zasada. Nakazuje ona, aby funkcje odpowiedzialne za przetwarzanie ruchu danych użytkownika (Płaszczyzna Użytkownika) były oddzielone od funkcji obsługujących sygnalizację i sterowanie siecią (Płaszczyzna Sterowania).
- Niezależne Skalowanie: Operator może skalować pojemność obsługi danych (np. dodając więcej Funkcji Płaszczyzny Użytkownika) bez konieczności skalowania funkcji sterujących, i odwrotnie.
- Elastyczne Umiejscowienie: Funkcja Płaszczyzny Użytkownika (UPF), która jest koniem pociągowym przekazywania danych, może być umieszczona w dowolnym miejscu sieci. Może być scentralizowana w centrum danych lub rozproszona na skraju sieci, bliżej użytkowników. Jest to kluczowy element umożliwiający , co jest krytyczne dla aplikacji o niskich opóźnieniach.
Natywność dla Chmury i Wirtualizacja (NFV)
Architektura 5G jest zaprojektowana jako natywna dla chmury. Oznacza to, że jej Funkcje Sieciowe nie są związane z konkretnym sprzętem. Są one zaimplementowane jako oprogramowanie, które może działać na dowolnym ogólnodostępnym, komercyjnym sprzęcie serwerowym (COTS). Ta koncepcja nosi nazwę Wirtualizacji Funkcji Sieciowych (NFV). Przenosi ona kilka zalet chmury obliczeniowej do świata telekomunikacji:
- Redukcja Kosztów: Operatorzy nie są już uzależnieni od zakupu drogiego, autorskiego sprzętu od jednego dostawcy. Mogą używać standardowych serwerów IT, które są tańsze i bardziej elastyczne.
- Szybkie Wdrażanie: Nowe funkcje i usługi sieciowe można wdrażać jako aktualizacje oprogramowania w ciągu minut lub godzin, zamiast miesięcy czy lat wymaganych przy fizycznym wprowadzaniu sprzętu.
- Skalowalność na Żądanie: Jeśli w określonym obszarze nastąpi gwałtowny wzrost ruchu, operator może automatycznie uruchomić nowe wirtualne instancje Funkcji Sieciowej, aby obsłużyć obciążenie, a następnie zamknąć je, gdy nie będą już potrzebne, optymalizując wykorzystanie zasobów.
Bezstanowe Funkcje Sieciowe
Kluczową zasadą natywną dla chmury przyjętą w 5G jest to, że większość Funkcji Sieciowych powinna być bezstanowa. Oznacza to, że NF przetwarzająca transakcję nie przechowuje lokalnie żadnych długoterminowych informacji o sesji lub stanie użytkownika. Zamiast tego dane te są przechowywane w scentralizowanej, dedykowanej bazie danych (UDR - Unified Data Repository).
Takie podejście zapewnia ogromne korzyści pod względem niezawodności i skalowalności. Jeśli instancja oprogramowania danej NF ulegnie awarii, inna instancja może zostać natychmiast uruchomiona i kontynuować przetwarzanie transakcji dla użytkownika, ponieważ wszystkie niezbędne informacje można pobrać z centralnego UDR. Nie ma utraty usługi. Ułatwia to również skalowanie funkcji poprzez proste dodawanie kolejnych identycznych, bezstanowych instancji.
3. Komponenty Systemu 5G: Przegląd
Kompletny system 5G składa się z urządzenia użytkownika, nowej sieci radiowej oraz nowej sieci rdzeniowej.
Przegląd Architektury Systemu 5G
Kompletny system 5G z UE, NG-RAN i Rdzeniem 5G (3GPP TS 23.501)
Kliknij na komponent, aby poznać szczegóły
Kluczowe Interfejsy
- UE (User Equipment): To Twoje urządzenie obsługujące 5G, takie jak smartfon, tablet lub czujnik IoT.
- NG-RAN (Next-Generation Radio Access Network): To sieć radiowa 5G. Jej głównym komponentem jest gNodeB (gNB), który jest odpowiednikiem eNodeB w LTE dla 5G. gNB obsługuje połączenie 5G New Radio (NR) z UE. Architektura NG-RAN jest również zaprojektowana z myślą o dużej elastyczności, wspierając opcje takie jak podział na Jednostkę Scentralizowaną (CU) i Jednostkę Rozproszoną (DU), co pozwala na bardziej wydajne zarządzanie zasobami radiowymi.
- 5GC (5G Core Network): To nowa, oparta na usługach sieć rdzeniowa, która działa jako mózg systemu. Łączy sieć radiową z zewnętrznymi sieciami danych i zapewnia wszystkie zaawansowane funkcje 5G.
4. Kluczowe Funkcje Sieci Rdzeniowej 5G (5GC)
Rdzeń 5G nie składa się z monolitycznych bloków, jak EPC w 4G. Zamiast tego jego funkcjonalność jest rozproszona na zestaw wyspecjalizowanych, interoperacyjnych Funkcji Sieciowych (NF). Oto najważniejsze z nich:
Architektura Rdzenia 5G Oparta na Usługach
Funkcje Sieciowe komunikują się przez RESTful API przez magistralę usług (3GPP TS 23.501)
Kliknij na Funkcję Sieciową, aby poznać szczegóły
NF komunikują się przez RESTful HTTP/2 API używając JSON. Każda NF rejestruje się w NRF i odkrywa inne NF dynamicznie.
Funkcje Płaszczyzny Sterowania Rdzenia
- : Ta funkcja jest jedynym punktem wejścia dla całej sygnalizacji związanej z połączeniem i mobilnością od UE. Obsługuje rejestrację urządzenia w sieci, uzgadnianie uwierzytelnienia oraz śledzenie lokalizacji urządzenia, gdy jest bezczynne lub w ruchu. Jest to w zasadzie ewolucja części kontrolnej MME z 4G.
- : SMF odpowiada za wszystko, co związane z sesją danych użytkownika. Gdy chcesz połączyć się z internetem, SMF jest odpowiedzialna za ustanowienie sesji, przypisanie Twojemu urządzeniu adresu IP (z UPF), wybranie UPF, który będzie obsługiwał Twój ruch danych, oraz zastosowanie niezbędnych reguł QoS do Twoich nośników danych.
- : Ta funkcja działa jako serwer uwierzytelniający. Zarządza procedurami bezpieczeństwa w celu weryfikacji tożsamości użytkownika podczas łączenia się z siecią.
- : PCF to ewolucja PCRF z 4G. Jest to mózg stojący za polityką sieciową, dostarczający reguły do innych NF, aby zapewnić, że odpowiednia Jakość Usługi (QoS) jest stosowana do różnych przepływów danych, a taryfikacja jest obsługiwana poprawnie.
Funkcja Płaszczyzny Użytkownika Rdzenia
- : W UPF dochodzi do prawdziwej pracy z Twoimi danymi. Łączy ona funkcje płaszczyzny danych SGW i PGW z 4G w jedną, uproszczoną jednostkę. Jej zadaniem jest szybkie trasowanie Twoich pakietów IP. Działa również jako punkt połączenia z zewnętrznymi sieciami danych (jak internet), kontroluje pakiety w celu egzekwowania polityk QoS otrzymanych od SMF i zbiera statystyki użycia do rozliczeń. Elastyczność w umieszczaniu UPF na skraju sieci jest kluczowa dla obietnicy niskich opóźnień w 5G.
Funkcje Danych i Odkrywania Usług Rdzenia
- : UDM to główna baza danych informacji o abonentach w 5G, ewoluująca rolę HSS z 4G. Przechowuje profil użytkownika, jego dane uwierzytelniające oraz szczegóły subskrypcji.
- : Jest to fizyczna baza danych, w której UDM i PCF przechowują swoje dane. Oddzielenie logiki danych (UDM) od fizycznego przechowywania (UDR) jest kluczową zasadą natywną dla chmury, która zwiększa skalowalność i odporność.
- : NRF jest kluczowym elementem Architektury Opartej na Usługach. Działa jako dynamiczny silnik odkrywania usług. Każda NF, gdy jest uruchamiana, rejestruje swoje usługi w NRF. Gdy inna NF potrzebuje użyć określonej usługi (np. AMF musi znaleźć AUSF), po prostu odpytuje NRF, który zwraca listę dostępnych i odpowiednich instancji NF.