CONSULTORÍA ESTRATÉGICA EN TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN Y COMUNICACIONES

CONSULTORIA EN REDES Y SERVICIOS DE TELECOMUNICACIONES




Tecnologías y funciones de la red troncal 5G

Autores: Ramón Jesús Millán Tejedor y Shirin Esfandiari

Publicado en Conectrónica nº 221, GM2 Publicaciones Técnicas, 2019

tecnologias y funciones de la red troncal 5G




Introducción

La fecha estimada para el inicio de los despliegues comerciales masivos de 5G es 2020 y, según datos de Ericsson, 5G alcanzará una cobertura del 40% de la población y contará con 1.500 millones de suscriptores, convirtiéndose en la generación de telefonía móvil con un despliegue más rápido a nivel global [1]. 5G complementará y coexistirá con 4G, no la reemplazará, del mismo modo en que 4G coexiste con 3G en muchas redes actuales.

Los operadores que adoptarán 5G en primer lugar son aquellos con más clientes empresariales, ya que 5G habilitará aplicaciones muy innovadoras. Mediante 5G no sólo se podrán satisfacer las necesidades de mayores anchos de banda, también se tienen menores latencias, mayor fiabilidad, mayor eficiencia espectral, menor consumo energético, una mayor densidad de dispositivos y una red completamente virtualizada más ágil y optimizada en costes [2]. Esto propiciará una nueva ola de servicios, como el vídeo en alta definición, la realidad virtual, la conducción automática de los coches, el transporte de mercancías mediante drones, casas y ciudades inteligentes, el control remoto de robots industriales y las operaciones quirúrgicas remotas mediante robots [3].

De acuerdo a los planes de la mayoría de las operadoras, 5G será introducido gradualmente, abordando inicialmente el acceso radio y reutilizando la red troncal de 4G existente [4]. La introducción gradual, permite disfrutar de varios de los beneficios que aporta en el acceso radio 5G, rentabilizando al máximo la inversión realizada en 4G. Además, es una aproximación también menos arriesgada, pues 5G tiene un gran impacto en el diseño, planificación, construcción y operación y mantenimiento de la red troncal. Después se irá introduciendo la red troncal de 5G, con interconexión e interoperabilidad con la red troncal de 4G. Finalmente, se tendrá una red 5G completa punto a punto, pudiendo beneficiarse de importantes innovaciones de 5G, como por ejemplo "network slicing".

Tecnologías básicas de 5GC

La especificación detallada de las tecnologías consideradas parte de la 5G, está siendo liderada por el 3GPP (3rd Generation Partnership Project). El 3GPP empezó a discutir las distintas tecnologías radio y arquitecturas de sistema y red que son necesarias para alcanzar los requerimientos IMT-2020 en distintos casos de uso con R14 (2014-2017), centrándose en la primera fase de especificaciones normativas en R15 (2016-2018), y culminará su trabajo con R16 (2018-2019) [5].

El sistema 5G o 5GS (5G System) tiene tres componentes principales, tal y como se ha definido en el 3GPP TS 23.501 "System Architecture for the 5G System (R15.2)": 5G-AN (5G Access Network), 5GC (5G Core Network) y UE (User Equipment).

Los niveles de rendimiento que se esperan alcanzar con las tecnologías 5G respecto a 4G son [6]: x1000 en volúmenes de tráfico, x10-100 veces mayor número de dispositivos conectados, x10-100 veces ancho de banda por usuario, x5 reducción de la latencia extremo a extremo, x10 mayor tiempo de vida de la batería en dispositivos de baja potencia, etc.

Las categorías de servicios sobre redes 5G han sido definidas como: eMBB (enhanced Mobile BroadBand), mTC (massive Machine Type Communications) o "massive-scale IoT", y UR-LLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications). De esta forma, la red troncal 5G debe ser lo suficiente flexible para adaptarse en tiempo real para los requerimientos de ancho de banda de usuarios de "smartphones", así como a la baja latencia de servicios críticos o la baja velocidad de dispositivos IoT. Se ha diseñado también para ser más abierta y modular que su predecesora, permitiendo a las diferentes entidades de la red troncal interactuar entre sí sin precondiciones y permitiendo definir los procedimientos para esta interacción.

El sistema 5G ha sido diseñado para ser "cloud native", soportando NFV (Network Function Virtualization) [7] y SDN (Software Defined Networking) [8]. La necesidad de adoptar estas nuevas tecnologías es debido a la diversidad de nuevos servicios que tienen que ser soportados sobre la red 5G. Con 5G habrá una explosión de dispositivos IoT y nuevos casos de uso con requerimientos muy dispares, los cuales deben ser soportados por el operador de la forma más ágil y eficiente en costes posible.

Para facilitar la virtualización, 3GPP ha definido una arquitectura donde las funciones del plano de control o CP (Control Plane) se han separado del plano de usuario o UP (User Plane), que pueden escalar independientemente. Esta separación, permite también un despliegue flexible del UP separado del CP; por ejemplo, el CP puede ser centralizado y el UP puede ser distribuido en distintos centros de datos.

Otra idea central en el diseño de 5G ha sido minimizar las dependencias entre la red de acceso o AN (Access Network) y la red troncal o CN (Core Network), con una red de acceso agnóstica convergente, con un interfaz AN-CN común, que integra diferentes tipos de acceso 3GPP y no 3GPP. En 5G se ha abstraído el dominio de transporte de las funciones 3GPP para permitir una evolución independiente y el uso de distintas tecnologías (por ejemplo, Ethernet, MPLS, transporte basado en SDN, etc.).

Entre los principales suministradores de 5GC, cabe destacar a: Cisco, Ericsson, Huawei, Nokia, Oracle y ZTE.

Funciones de red de 5GC

La red EPC de 4G consiste en las siguientes funciones de red o NFs (Network Functions): MME (Mobility Management Entity), PGW (PDN Gateway), SGW (Serving Gateway), UP (User Plane), PCRF (Policy & Charging Rules Functions) y HSS (Home Subscriber Server). Las funciones de red de 5GC han sido identificadas en el 3GPP TS 23.501 "System Architecture for the 5G System (R15.2)" y las repasaremos a continuación.

Algunas de las funciones de red de 5GC, son una nueva versión modificada, separada o consolidada, de algunas funciones de 4G EPC, tal y como el AMF, SMF, PCF, UDM, AF, UPF, o AUSF; pero a diferencia de las funciones EPC, tenemos que el AMF, SMF y UPD deben ser accedidas independientemente. Entre las funciones ya presentes en el EPC cabe destacar:

Por otro lado, otras funciones de red son nuevas, como las relacionadas con el concepto de segmentación de red (por ejemplo, NSSF), o a la propia arquitectura SBA (por ejemplo, NEF y NRF):

La estandarización de las NFs y sus interfaces, permitirán a las operadoras desplegar un 5GC multi-vendedor. Las NF de 5GC deberán ser desarrolladas siguiendo una arquitectura de microservicios, con interfaces que son expuestas a través de REST API, para ser utilizadas por otras NF u otros servicios y aplicaciones. Los microservicios facilitan la virtualización, escalabilidad, robustez y flexibilidad de las aplicaciones y su velocidad de desarrollo y facilidad de mantenimiento. Las NF de 5GC estarán virtualizadas como VMs (Virtual Machines) o, preferentemente, como contenedores. Los contenedores aún no están suficientemente maduros para el entorno "telco", pero serán claves a medio y largo plazo en los despliegues de 5GC, pues facilitan la portabilidad, la automatización y la orquestación.

Service Based Architecture, Network Slicing y Edge Computing en 5GC

La arquitectura 5GC se define en 3GPP TS 23.501 "System Architecture for the 5G System (R15.2)", como una arquitectura basada en servicio o SBA (Service Based Architecture). HTTP/2 sobre es el protocolo adoptado en la capa de aplicación para las interfaces basadas en servicios y JSON para serialización de datos. El protocolo de transporte es actualmente TCP/TLS y se está definiendo también QUIC (Quick UDP Internet Connections) para el futuro.

La interacción entre NFs es representada en dos modos, la basada en servicio y la de puntos de referencia. Las NFs dentro del plano de control de 5GC sólo utilizan interfaces basada en servicio para sus interacciones.

En la representación basada en servicio, mostrada en la Figura 1, una NF (por ejemplo, AMF) dentro del plano de control, permite a otras NFs, que han sido autorizadas, a acceder a sus servicios. Esta representación también incluye puntos de referencia punto a punto entre las NFs cuando es necesario.

Arquitectura SBA de 5GC

Figura 1: Arquitectura basada en servicios o SBA de 5G.

En cambio, en la representación de puntos de referencia, mostrada en la Figura 2, se representa la interacción que existe entre pares de NFs, definida por puntos de referencia punto a punto (por ejemplo, N7), entre dos NFs (por ejemplo, SMF y PCF). Esta clase de representación se utiliza cuando existe algún tipo de interacción entre dos NFs.

Arquitectura de referencia de 5GC

Figura 2: Arquitectura de referencia punto a punto de 5G (sin "roaming").

Una de las características de la tecnología 5G es la posibilidad de "segregar" la red en varias sub-redes que pueden ser administradas de forma independiente, lo cual es conocido como "network slicing" [9]. Es decir, teniendo como base la modularidad de las funciones de red y su virtualización, es posible dividir y aislar la red en distintas instancias lógicas, con distintas funcionalidades y rendimiento, compartiendo la misma infraestructura física. Esto permitirá adaptarse a los distintos requisitos de servicios de una forma muy rápida y eficiente, reduciendo riesgos y costes. Por ejemplo, para habilitar el coche conectado es necesaria una latencia muy baja y requiere alta redundancia; sin embargo, para ofrecer banda ancha de alta velocidad a ordenadores portátiles, el ancho de banda es un aspecto más importante. Aunque sin dudas es necesaria esta adaptabilidad, seguro que generará controversia por parte de los defensores de la "neutralidad de la red".

Gracias a "network slicing", 5GC permitirá ofrecer una gran variedad de aplicaciones IoT, tanto por parte del operador, como por sus socios industriales (empresas de seguridad, energéticas, logísticas, etc.). Los "partners" serán responsables de la aplicación, los dispositivos y la gestión de identidad, y la operadora será la responsable de la infraestructura física, incluyendo generalmente centros de datos, transporte y funciones de red. La gestión del segmento (slide) puede ser compartida entre los dos, permitiendo al socio (dentro de un acuerdo de SLA) manejar las capacidades de las funciones de red que soportan la aplicación, tal y como la gestión de la movilidad local.

Las nuevas funcionalidades técnicas inherentes a las redes 5G (enrutamiento y direccionamiento del tráfico a las aplicaciones en la red de datos local en el UPF; la posibilidad de un AF de influenciar en el enrutamiento del tráfico directamente mediante el PCF o indirectamente mediante el NEF dependiendo de las políticas del operador; etc.), facilitarán también el despliegue de MEC (Multi-access Edge Computing) [10]. Con "edge computing" hay una evolución del "cloud computing" desde grandes centros de datos centralizados remotos a centros de datos más pequeños distribuidos y más cercanos a los consumidores de las aplicaciones y de los datos generados por dichas aplicaciones. MEC es de hecho uno de los pilares para conseguir los exigentes KPIs (Key Performance Indicators) de 5G. Por ejemplo, MEC será necesario para servicios IoT de misión crítica que requieren de baja latencia. MEC es un componente crítico también de IoT masivo, donde una gran cantidad de datos son procesados y analizados cerca de su origen. Sin lugar a dudas, MEC será un aspecto diferenciador de los centros de datos de las operadoras, en comparación con los de Amazon, IBM, Microsoft, Oracle, etc.

Referencias

  1. "Ericsson Mobility Report. November 2018". Ericsson, Noviembre 2018.
  2. "5G: la red móvil que habilitará IoT". Ramón Jesús Millán Tejedor, Conectrónica nº 204, GM2 Publicaciones Técnicas, 2017.
  3. "El Impacto del 5G". Cuadernos de Tecnología Évoca, Évoca Comunicación e Imagen, 2018.
  4. "5G Core: How to Get There. A smart, stepwise approach for service providers to evolve from 4G to a full, 5G Next Generation Core Network". Oracle Communications, Septiembre 2018.
  5. "Wireless Technology Evolution Towards 5G: 3GPP Release 13 To Release 15 and Beyond". 5G Americas, Febrero 2017.
  6. "NGMN 5G White Paper v1.0". NGMN Alliance, Febrero 2015.
  7. "SDN: el futuro de las redes inteligentes". Ramón Jesús Millán Tejedor, Conectrónica nº 179, GM2 Publicaciones Técnicas, 2014.
  8. "NFV: la virtualización de las telcos". Ramón Jesús Millán Tejedor y Shirin Esfandiari, Conectrónica nº 173, GM2 Publicaciones Técnicas, 2014.
  9. "An introduction to network slicing". GSMA Association, 2017.
  10. "MEC in 5G networks". ETSI White Paper No. 28, 1a ed., Junio 2018.

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