Технологическая составляющая 5G — что скрывается за хайпом

Хотя о технологиях 5G написано немало, зачастую в статьях упускают важный аспект: как эволюция сетей влияет на архитектуру решений и требования к телеком‑инфраструктуре. Компания Nexign активно адаптирует свои продукты под новые вызовы. В этой статье Илья Новоселов, руководитель бизнес‑направления по телеком‑решениям, подробно разберёт архитектуру сети 5G. Начнем с верхнеуровневого знакомства с принципами, интерфейсами и моделями обмена информацией.

Путь к пятому поколению

Пятое поколение мобильной телефонии, или 5G, или 5GS, — это система, определенная организацией 3GPP, начиная с релиза 15, функционал которой был окончательно утвержден в июне 2018 года и полностью специфицирован к сентябрю 2019 года.

3GPP в соответствующей спецификации определяет не только радиоинтерфейс, но и все протоколы и сетевые интерфейсы, обеспечивающие работу всей мобильной системы: управление вызовами и сессиями, управление мобильностью, предоставление услуг и т.д. Благодаря такому подходу сети 3GPP могут работать в контексте взаимодействия между любыми производителями и операторами связи.

Все предыдущие поколения мобильной связи были разработаны для использования все более широкой аудиторией пользователей, а 5G выводит эту концепцию на новый уровень. Этот стандарт готов к применению во всех отраслях промышленности, а также может использоваться в чувствительных к задержкам и надежности связи приложениях, таких как автономное управление транспортом. В связи с этим к 5G предъявляются более серьезные требования:

• гибкость сетей как в аспекте масштабирования, так и в мобильности абонента, обнаружении возможностей сети (network capability exposure), безопасности.

• повышенные скорости по сравнению с предыдущим поколением (от 50 Mbps до гигабитных сетей);

• высокая отказоустойчивость, выраженная в ощущаемой пользователем скорости соединения (до 100 Mbps), и низкая задержка (50 ms);

• готовность к широкомасштабному внедрению IoT;

• гибкость сетей как в аспекте масштабирования, так и в мобильности абонента, обнаружении возможностей сети (network capability exposure), безопасности.

Соответствие этим требованиям открывает для сетей 5G новые рынки (verticals в 3GPP документации и презентациях): автоматические, ж/д и морские коммуникации, транспорт и логистика, распределение электричества, общественная безопасность, умные города, медиа и развлечения.

Технологическая концепция 5G

Для обеспечения вышеперечисленных возможностей, а также для улучшения пользовательского опыта 5G использует набор специализированных технологий:

1. Технологии множественного доступа.

2. Микросервисная или модульная архитектура.

3. Виртуализация/контейнеризация и программно-определяемая сеть (SDN) — переход от аппаратных решений к софтовым, централизованное управление сетью через SDN-контроллеры.

4. Сетевая сегментация (Network Slicing) — создание множества виртуальных сетей на одной физической инфраструктуре. Каждый срез (slice) оптимизируется под требования конкретного клиента и поддерживает лишь необходимые сервисы.
    Например, slice для потокового видео 4K/8K, онлайн-игр, IoT-устройств крупного клиента, системы управления роботизированными манипуляторами на заводе, банковских операций с повышенной безопасностью.

5. Граничные вычисления (Edge Computing) — для поддержки приложений с жесткими требованиями к времени отклика, снижения задержки и повышения производительности распределяем ресурсы ближе к конечным пользователям.
    Например, локальная фильтрация и маршрутизация данных телекоммуникационных сервисов за счет SCP.

6. Использование неназемных сетей (NTN), спутниковой связи для повсеместного покрытия.

 Далее — подробнее о ключевых технологиях из стека 5G.

Технологии множественного доступа

Системы 5G должны поддерживать как 3GPP, так и не-3GPP (Wi-Fi, NTN) технологии доступа к сети. Ради оптимизации и эффективного использования доступных ресурсов 5G-система должна уметь выбирать наиболее подходящую технологию доступа для услуги, при этом допуская одновременное использование нескольких технологий для одной и более услуг. Доступы в несколько сетей позволяют обеспечить резервирование соединения в случае инцидентов, усилить сигнал или разделить его между разными услугами. Эта функциональность становится особенно важной в связи с распространением неназемных сетей.

На примере демонстрируется, как пользовательское оборудование (UE, User Equipment) одновременно имеет множественный доступ в сеть оператора: устройство связывается с NF AMF в сети 5G и по Wi-Fi. Сигнальные сообщения и запросы далее идут на шлюз доступа в интернет (UPF, User Plane Function) с глобальным интернетом. При этом взаимодействие абонента с управляющими 5G сетевыми функциями оператора может происходит как по 5G-интерфейсу N1, так и по специальному NWu, выступающему мостом, защищенным каналом между UE и сетью 5G поверх не-3GPP сетей. У некоторых российских сотовых операторов организована похожая функциональность для мобильной связи: вместо звонка по слабому сигналу вышки сигнал идет через доступный Wi-Fi.

Неназемные сети (NTN)

Неназемные сети (NTN) — сети с использованием внеземных компонентов NT (Non-Terrestria): спутников, аэростатов, самолетов или беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Такие сети позволяют организовать связь в труднодоступных привычным сетям районах.

Сетевая сегментация

Сетевая сегментация (Network Slicing) — это инструмент, используемый в сетях 5G для создания виртуальных сегментов в рамках одной физической инфраструктуры оператора. Это важная технология 5G, позволяющая операторам предоставлять клиентам сети с возможностью кастомизации по следующим критериям:

• функциональность — разделение по приоритетам, тарификации, управлению политиками, мобильности;

• требования к производительности — показатели задержки, мобильности (стационарные устройства или подвижные), доступности, отказоустойчивости, скорости передачи данных;

• назначение — выделенные сети для группы пользователей. Например, общественная безопасность, корпоративные пользователи, роуминговые абоненты, абоненты MVNO-оператора.

Slice (срез) — это полноценная сеть, включающая радиооборудование, сетевые функции NF (возможно от разных вендоров) и IMS. Сеть оператора может поддерживать один или несколько срезов, каждый из которых выполняет только свои четко разграниченные задачи.

Сценарии развертывания сетей 5G

Ниже на рисунке — пример конвергентной архитектуры для нескольких стандартов и поколений мобильной связи, в том числе 5G.

Для 5G определены два варианта развертывания:

• Архитектура Non-Standalone (NSA), в которой сеть радиодоступа 5G (AN) и ее интерфейс New Radio (NR) используются совместно с существующей инфраструктурой LTE и EPC Core Network (соответственно, 4G Radio и 4G Core), что делает технологию NR доступной без замены сети. В этой конфигурации поддерживаются только услуги 4G, но они обладают возможностями, предлагаемыми 5G New Radio (более низкая задержка и т.д.). NSA также известна как E-UTRA-NR Dual Connectivity (EN-DC). 

• Архитектура Standalone (SA), в которой NR подключен к 5G CN. Только в этой конфигурации поддерживается полный набор услуг 5G.

Сразу поясним про Data (User) и Control Plane. Это плоскости данных реального пользовательского трафика и управляющего трафика, отвечающего за сетевые ресурсы и политики, а также весь служебный обмен между сетевыми функциями.

Архитектуру NSA можно рассматривать как временный шаг к «полноценному развертыванию 5G», где сеть доступа 5G подключена к базовой сети 4G. В архитектуре NSA базовая станция (5G) NR (логический узел en-gNB) подключается к базовой станции (4G) LTE (логический узел eNB) через интерфейс X2. Интерфейс X2 был введен до версии Release 15 для подключения двух eNB. В версии Release 15 он также поддерживает подключение eNB и en-gNB для обеспечения работы NSA.

NSA обеспечивает двойное подключение, используя как 4G AN (E-UTRA), так и 5G AN (NR). Поэтому его также называют EN-DC, что означает «двойное подключение E-UTRAN и NR».

Архитектуру SA можно рассматривать как «полноценное развертывание 5G», для работы которого не требуется ни одна часть сети 4G. Базовые станции NR (логический узел gNB) соединяются друг с другом через интерфейс Xn, а сеть доступа (называемая «архитектурой NG-RAN для SA») подключается к сети 5GC с помощью интерфейса NG.

Функциональная архитектура 5G

Сеть 5G состоит из следующих функциональных частей: Access Network (AN) и Core Network (CN).

Access Network

Схематически система 5G использует те же элементы, что и предыдущие поколения: пользовательское оборудование (UE, user equipment), состоящее из мобильной станции и USIM-карты, сеть радиодоступа (NG-RAN) и базовую сеть (5GC), как показано на рисунке ниже.

Центром сети NG-RAN является gNB, где «g» означает «5G», а «NB» — «Узел B», название которого унаследовано начиная с 3G. Компонент выполняет роль базовой станции, которая обеспечивает связь между сетями и пользовательскими устройствами. Это достигается за счет того, что даже gNB в 5G получает существенное преобразование на уровне архитектуры — переход к функциональному разделению:

Вместо традиционных удаленной радиосвязи (RRH) и BBU для eNB происходит переход на три новых звена: DU (Distributed Unit, Распределенный сектор), CU (Centralized Unit, Центральный сектор), Active Antenna Unit (AAU, Активная антенна). Главной целью разделения BBU на сектора DU и BU была потребность в разграничении функций физического и логического управления. В сущности, gNB полностью заменяет функции eNB (в сетях 4G) и может объединять несколько секторов в свой кластер. Например, на один DU может приходиться множество AAU и они могут быть значительно удалены друг от друга.

Access Network использует протоколы:

1. NGAP (Next Generation Application Protocol) — основной протокол управляющей плоскости между gNB и AMF. Ключевые функции протокола: управление мобильностью (handover signalling между gNB или между 5G и LTE), транспорт NAS-сообщений между UE и AMF (аутентификация, регистрация, PDU-сессии).

2. XnAP (Xn Application Protocol) — протокол на интерфейсе Xn для взаимодействия двух gNB (или между gNB и en-gNB в режиме двойной связности). Обеспечивает координацию между сотами: обмен информацией, мобильность без участия ядра при процедурах handover между gNB, подключенными к одному AMF, а также согласование агрегации ресурсов 5G и LTE.

3. TwAMP (Two-Way Active Measurement Protocol) — протокол для измерения качества связи. Результаты TwAMP используются для адаптивной маршрутизации или перераспределения ресурсов между DU и CU.

Core Network

Является центральным элементом сети и управляет подключением, маршрутизацией и безопасностью.

Архитектура 5GC основана на концепции «сервисно-ориентированной архитектуры» (SBA), где элементы архитектуры определяются с помощью сетевых функций (NF, network functions), а не «традиционных» сетевых сущностей. Через интерфейсы общей структуры любая данная NF предоставляет свои услуги всем другим авторизованным NF и/или любым потребителям, которым разрешено использовать эти предоставляемые услуги. Такой подход SBA обеспечивает модульность и возможность повторного использования.

 Документы 3GPP «Системная архитектура для системы 5G (5GS)» демонстрируют основные NF:

На рисунке выше на нижнем уровне показана плоскость пользователя, то есть NF и элементы, участвующие в передаче пользовательских данных, тогда как в верхней части рисунка показаны все основные NF в плоскости сигнализации. В этом первом подходе показаны следующие NF:

• две уже упомянутые структуры: UE и NG-RAN (R)AN;

• AMF (Access and Mobility Management Function) — функция управления доступом и мобильностью, которая обеспечивает обеспечивает доступ к UE и (R)AN;

• DN (Data Network) — внешняя сеть передачи данных, преимущественно в плоскости пользователя;

• AF (Application Function) — функция, которая управляет приложением/приложениями (с возможным участием также в пользовательском интерфейсе);

• UPF (User Plane Function) — функция обработки пользовательского трафика;

• SMF (Session Management Function) — функция управления сессиями, которая обрабатывает звонки и сессии и связывается с UPF;

• UDM (Unified Data Management) — система унифицированного управления данными, которая функционально аналогична HSS в сетях 3G и 4G (и HLR в сети 2G);

• CHF (Charging Function) — функция тарификации сессий и управления балансами абонента;

• PCF (Policy Control Function) — функция управления политиками, которая контролирует, чтобы трафик пользовательских данных не превышал согласованные пропускные способности каналов связи;

• NRF (Network Repository Function) — функция сетевого репозитория, которая управляет другими сетевыми функциями, обеспечивая поддержку регистрации, отмены регистрации и обновления служб сетевых функций и их собственных служб.

Система тарификации перешла от офлайн- и онлайн-тарификации на основе Diameter к конвергентной тарификации с интерфейсом на основе сервисов (SBI, Service-Based Interface), как определено в TS 32.240, чтобы операторы могли монетизировать различные функции и услуги 5GS.

NF используют протоколы:

• HTTP/2 — для взаимодействия между сетевыми функциями;

• Diameter — для аутентификации и авторизации;

• GTP-U (GPRS Tunnelling Protocol for User Plane) — для передачи пользовательских данных;

• SBI (Service-Based Interface) — для взаимодействия между NF, построен на HTTP/2;

• N2/N3/N4/N6/N9/N11/N14 — различные интерфейсы между компонентами 5G CN, каждый из них — частный случай SBI.

Наименования интерфейсов типа N <имя сетевой функции>, например, Nchf, Npcf, являются синонимичными и более явно указывают на сетевую функцию, чей интерфейс используется при взаимодействии.

Базовый сценарий вызова в новых сетях

Типичный вызов в 5G-архитектуре будет выглядеть следующим образом:

Эта схема верхнеуровнево описывает call flow преимущественно в Access Network, процесс инициации вызова в Control Network проработан отдельно во внутренних спецификациях Nexign.

Первый шаг — абонент А инициирует сессию со своего устройства (UE — User Equipment). Запрос приходит на AMF/SMF — две функции, пришедшие на замену MME в 5G-сетях. Для подтверждения установления сессии эти NF выполняют запрос об абоненте А в хранилище пользовательских данных (UDM).

После полученного запроса они узнают у PCF профиль политики качества связи для этого абонента и инициализируют тарификационную сессию в CHF. Если на предыдущих шагах не возникло проблем или ограничений, то устанавливается соединение с принимающей стороной через шлюз для внешних сетей UPF + PGW-U.

Итак, мы познакомились с базовыми требованиями и технологической концепцией 5G, разобрали сценарии развертывания сетей и функциональную архитектуру, посмотрели на сценарии вызова. Надеемся, что эта статья поможет коллегам, которые начинают работу с данной технологией, глубже погрузиться в специфику сетей нового поколения.

Полезные ссылки

3GPP TS 22.261 — рекомендуем познакомиться с Overview и Basic Capabilities для более глубокого понимания целей, стоящих перед сетями 5G, и средств их достижения.

URLLC/TSN/NPN — статья о том как 5G обеспечивает низкую задержку для промышленности, где критичен SLA.