1. Nowe Wyobrażenie Mózgu Sieci: Od 4G EPC do Rdzenia 5G

Aby zrozumieć rewolucyjną naturę Sieci Rdzeniowej 5G (5GC), musimy najpierw spojrzeć na jej poprzednika, Evolved Packet Core (EPC) z 4G. Sieć 4G EPC była potężnym systemem, który z powodzeniem wprowadził szybki mobilny internet szerokopasmowy na całym świecie. Została jednak zaprojektowana w oparciu o tradycyjne zasady telekomunikacyjne. Składała się z serii dużych, wyspecjalizowanych i drogich urządzeń sprzętowych, znanych jako węzły sieciowe (takie jak MME, SGW, PGW), z których każdy pełnił określoną, monolityczną funkcję. Komunikacja między tymi węzłami odbywała się przez predefiniowane, punkt-punktowe interfejsy, tworząc stosunkowo sztywną, hierarchiczną strukturę.

Ta architektura była doskonała do swojego pierwotnego celu: dostarczania szybkiego internetu do smartfonów. Ale wizja 5G była znacznie szersza. Nie chodziło tylko o większą prędkość (eMBB), ale także o połączenie miliardów małych urządzeń (mMTC) i umożliwienie zastosowań o krytycznym znaczeniu, które wymagają niemal natychmiastowych czasów reakcji (URLLC). Sztywny, scentralizowany na sprzęcie model 4G EPC nie był wystarczająco elastyczny, skalowalny ani programowalny, aby obsługiwać tak zróżnicowane i wymagające usługi jednocześnie. Konieczna była całkowita zmiana myślenia architektonicznego.

Rdzeń 5G jest właśnie tą zmianą myślenia. To nie jest ewolucja; to rewolucja oparta od podstaw na zasadach nowoczesnej informatyki, wirtualizacji i chmury obliczeniowej. 5GC zastępuje fizyczne pudełka i sztywne interfejsy z przeszłości elastyczną, sterowaną programowo platformą znaną jako Architektura Oparta na Usługach (SBA). Ta fundamentalna zmiana jest najważniejszą innowacją w systemie 5G i kluczem, który uwalnia pełny potencjał i transformacyjną moc piątej generacji technologii mobilnej.

2. Architektura Oparta na Usługach (SBA): Serce Rdzenia 5G

Architektura Oparta na Usługach to główna koncepcja filozoficzna sieci 5G. Całkowicie zmienia ona strukturę sieci i sposób komunikacji jej poszczególnych części. Zamiast sieci definiowanej przez sprzęt fizyczny, 5GC to sieć definiowana przez usługi oprogramowania.

Od Węzłów i Interfejsów do Funkcji i Usług

W 4G EPC funkcje sieciowe były ściśle powiązane z ich węzłami sprzętowymi. Aby MME mogło rozmawiać z HSS, używało standardowego, punkt-punktowego interfejsu S6a. Tworzyło to złożoną sieć interfejsów, trudną do zarządzania i skalowania.

SBA zastępuje ten model modelem inspirowanym nowoczesnymi mikroserwisami internetowymi. Głównymi elementami składowymi Rdzenia 5G nie są pudełka sprzętowe, ale aplikacje oprogramowania zwane Funkcjami Sieciowymi (NF).

• Funkcje Sieciowe jako Usługi: Każda NF (np. funkcja do zarządzania sesją, funkcja do uwierzytelniania) jest zaprojektowana jako samodzielny moduł oprogramowania. Każda NF działa jako "dostawca usługi", reklamując swoje możliwości reszcie sieci za pośrednictwem standardowego API (Interfejsu Programowania Aplikacji).
• Konsumpcja Usług: Każda inna NF może działać jako "konsument usługi". Gdy potrzebuje określonej funkcjonalności, nie musi wiedzieć, gdzie ta funkcjonalność jest fizycznie zlokalizowana. Po prostu wysyła żądanie usługi przez wspólną magistralę komunikacyjną.

Magistrala Komunikacyjna i Odkrywanie Usług

Wszystkie NF są podłączone do wspólnej magistrali komunikatów lub magistrali usług. Eliminuje to sztywne połączenia punkt-punktowe z 4G EPC. Ale jeśli wszystkie funkcje to tylko oprogramowanie rozmawiające na wspólnej magistrali, jak się odnajdują?

Taką rolę pełni kluczowy nowy komponent: NRF (Network Repository Function). NRF działa jak rejestr usług sieciowych lub "książka telefoniczna" sieci.

1. Gdy Funkcja Sieciowa (na przykład instancja AUSF do uwierzytelniania) jest uruchamiana, rejestruje swój profil i usługi, które oferuje, w NRF.
2. Później, gdy inna NF (na przykład AMF) musi uwierzytelnić użytkownika, wysyła zapytanie do NRF: "Znajdź mi dostępną usługę AUSF".
3. NRF przeszukuje swój rejestr i zwraca adres sieciowy jednej lub więcej odpowiednich instancji AUSF do AMF.
4. AMF może następnie bezpośrednio komunikować się z odkrytą AUSF w celu przeprowadzenia uwierzytelnienia.

Ten dynamiczny mechanizm odkrywania usług sprawia, że sieć jest niezwykle zwinna. Operatorzy mogą dodawać nowe instancje NF w celu skalowania, przeprowadzać aktualizacje oprogramowania lub wprowadzać całkowicie nowe usługi bez rekonfiguracji złożonej sieci interfejsów. Komunikacja między NF zazwyczaj wykorzystuje nowoczesne, lekkie protokoły internetowe, takie jak HTTP/2 przez TCP i interfejsy API RESTful, dzięki czemu rdzeń 5G działa znacznie bardziej jak rozproszony system chmury obliczeniowej niż tradycyjna sieć telekomunikacyjna.

3. W stronę Chmury: Kluczowe Technologie Rdzenia 5G

Architektura Oparta na Usługach jest możliwa dzięki zestawowi podstawowych technologii i zasad projektowych zaczerpniętych ze świata chmury obliczeniowej.

4. Aktorzy na Scenie: Kluczowe Funkcje Sieci Rdzeniowej 5G

Chociaż w standardzie Rdzenia 5G zdefiniowano wiele Funkcji Sieciowych (NF), kilka z nich pełni najważniejsze role. Można je postrzegać jako zwirtualizowanych następców głównych węzłów 4G EPC.

• AMF (Access and Mobility Management Function): AMF jest głównym punktem kontrolnym dla dostępu urządzeń do sieci. Obsługuje wszystko, co związane z mobilnością i zarządzaniem połączeniem, takie jak początkowa rejestracja urządzenia, sygnalizacja uwierzytelniająca i śledzenie lokalizacji urządzenia. Jest to ewolucja aspektów zarządzania mobilnością MME z 4G.
• SMF (Session Management Function): SMF odpowiada za zarządzanie sesjami danych użytkownika, znanymi jako Sesje PDU (Packet Data Unit). Jego kluczowe zadania to przydzielanie adresów IP dla urządzeń, wybór Funkcji Płaszczyzny Użytkownika (UPF), która będzie obsługiwać ruch, oraz ustanawianie nośników danych z odpowiednią Jakością Usługi (QoS). Przejmuje role zarządzania sesją od MME z 4G oraz części SGW-C i PGW-C.
• UPF (User Plane Function): UPF to koń pociągowy płaszczyzny danych w 5GC. Odpowiada za inspekcję pakietów, trasowanie i przekazywanie ruchu między siecią radiową a zewnętrznymi sieciami danych (jak internet), egzekwowanie polityk QoS i zbieranie danych o użyciu do celów rozliczeniowych. Konsoliduje role płaszczyzny użytkownika SGW i PGW z 4G w jedną, bardziej wydajną i elastyczną funkcję.
• UDM (Unified Data Management): UDM to zunifikowana baza danych informacji o abonentach, przejmująca rolę HSS z 4G. Przechowuje profile abonentów, generuje dane uwierzytelniające i zarządza identyfikatorami użytkowników. Świadczy te usługi dla innych funkcji, takich jak AMF i SMF.
• AUSF (Authentication Server Function): Ta dedykowana funkcja zarządza procesem uwierzytelniania urządzenia w sieci, ściśle współpracując z UDM i AMF.
• PCF (Policy Control Function): PCF to "mózg" polityki w 5GC, ewoluujący z PCRF z 4G. Tworzy i dostarcza reguły polityki, które rządzą zachowaniem sieci, QoS i taryfikacją, do SMF i innych funkcji.
• NRF (Network Repository Function): Niezbędna funkcja odkrywania usług, która pozwala wszystkim innym NF na wzajemne odnajdywanie się i komunikację w Architekturze Opartej na Usługach.
• NSSF (Network Slice Selection Function): Nowa funkcja specyficzna dla 5G, która pomaga sieci wybrać odpowiedni plaster sieciowy dla użytkownika podczas jego pierwszego połączenia, w oparciu o jego subskrypcję i żądaną usługę.

5. Podsumowanie: Fundament na Przyszłość

Sieć Rdzeniowa 5G reprezentuje fundamentalną zmianę w sposobie projektowania, budowania i eksploatacji sieci telekomunikacyjnych. Przyjmując zasady ze świata chmury obliczeniowej, przekształca sieć rdzeniową ze zbioru sztywnych, wyspecjalizowanych urządzeń sprzętowych w zwinną, skalowalną i programowalną platformę oprogramowania.

Kluczowe innowacje architektoniczne to:

• Architektura Oparta na Usługach (SBA): Dekompozycja sieci na modułowe, wielokrotnego użytku usługi oprogramowania (Funkcje Sieciowe), które komunikują się za pośrednictwem standardowych interfejsów API.
• Projekt Natywny dla Chmury: Wykorzystanie Wirtualizacji Funkcji Sieciowych (NFV) i zasad projektowania bezstanowego do uruchamiania funkcji sieciowych jako oprogramowanie na powszechnym sprzęcie serwerowym, co zapewnia ogromną skalowalność i odporność.
• Separacja Płaszczyzny Sterowania i Użytkownika (CUPS): Oddzielenie przekazywania danych od sygnalizacji sterującej, co jest kluczowym elementem umożliwiającym elastyczne wdrożenia i przetwarzanie na brzegu sieci.
• Dynamiczne Odkrywanie Usług: Użycie Funkcji Repozytorium Sieciowego (NRF), aby umożliwić Funkcjom Sieciowym dynamiczne odnajdywanie się i łączenie ze sobą, co znacznie upraszcza zarządzanie i ewolucję sieci.

Ta zaawansowana i elastyczna architektura jest tym, co pozwala jednej sieci 5G na jednoczesne dostarczanie ulepszonego mobilnego internetu szerokopasmowego dla konsumentów, ultraniezawodnych połączeń dla przemysłu i pojazdów oraz masowej łączności dla Internetu Rzeczy. To nie tylko silnik dla 5G; to fundament, na którym będą budowane przyszłe dekady innowacji w komunikacji.