42ЛР_5G

Цель работы:

Изучить архитектуру и принципы работы автономной базовой сети 5G (5G Core), построенной на основе сервисно-ориентированной архитектуры. В рамках исследования планируется детально проанализировать ключевые компоненты системы, включая сетевые функции, протоколы их взаимодействия, а также механизмы управления подключением, мобильностью пользователей и поддержку различных стандартов сотовой связи и типов сетевого доступа.

Задачи:

1.Проанализировать концептуальные основы архитектуры 5GC. Раскрыть сущность сервисно-ориентированной архитектуры (Service-Based Architecture, SBA) как ключевого принципа построения 5GC, объяснить её преимущества и детализировать логическое разделение на функциональные плоскости: управления (Control Plane), пользовательских данных (User Plane) и предоставления сетевых возможностей (Network Exposure Function).

2. Идентифицировать и охарактеризовать базовые сетевые функции

5G. Определить назначение, ключевые задачи и роль в общей архитектуре основных программных сетевых функций (Network Functions, NFs), составляющих 5GC: AMF, SMF, UPF, UDM, AUSF и PCF.

3.Изучить модель взаимодействия компонентов в SBA. Исследовать два взаимодополняющих аспекта коммуникации в 5GC: систему сервисориентированных интерфейсов (Service-Based Interfaces, SBIs) между сетевыми функциями (на примере Namf, Nsmf, Nudm) и схему эталонных точек взаимодействия (Reference Points), таких как N1, N2, N3, N4, N6, N11, определяющих логические связи между функциональными блоками.

4.Детализировать функционал AMF как центрального элемента управления доступом. Всесторонне рассмотреть роль Access and Mobility Management Function (AMF) как единой точки обработки сигнализации, изучить реализуемые ею ключевые процедуры: регистрации устройства, аутентификации абонента и управления состоянием соединения (Connection Management), включая управление неактивными сессиями.

5.Исследовать механизмы межпоколенческой интеграции. Проанализировать, как

5GC обеспечивает взаимодействие и мобильность абонентов между сетями 5G и предыдущих поколений (LTE/UMTS). Рассмотреть роль функции выбора сетевого среза (NSSF) и опционального интерфейса N26 в поддержке бесшовного хэндовера.

6.Описать принципы конвергентного доступа в архитектуре 5G. Изучить, как 5GC

унифицированно обслуживает трафик с различных типов сетей доступа. Рассмотреть стандартное взаимодействие с 3GPP-сетями (5G-NR, LTE) и механизм интеграции non-3GPP-сетей (например, Wi-Fi) через специализированный шлюз

N3IWF (Non-3GPP InterWorking Function).

Теоретическая часть

1. Сервис-ориентированная архитектура (SBA) — облачная логика 5G

В отличие от жёсткой схемы сетевых элементов 4G, ядро 5G строится по принципу сервисориентированной архитектуры (SBA). Это значит, что ядро состоит не из аппаратных

блоков, а из набора программных модулей (сетевых функций), которые предоставляют друг другу свои сервисы через стандартные API.

Логическое разделение по плоскостям:

•Плоскость управления (Control Plane, CP): «Мозг» сети. Это набор функций (AMF, SMF и др.), которые принимают решения: как аутентифицировать пользователя, какой «срез» сети ему предоставить, как маршрутизировать его трафик. Они общаются друг с другом через программные интерфейсы.

•Плоскость пользовательских данных (User Plane, UP): «Силовой агрегат». Это функция UPF, которая занимается исключительно быстрой пересылкой пользовательского трафика (интернет, видео) по принятым решениям. Она отделена от логики для повышения скорости и гибкости.

•Функция предоставления возможностей сети (Network Exposure Function, NEF): «Безопасный шлюз для разработчиков». NEF контролируемо открывает API сети (качество связи, данные о местоположении) внешним приложениям и сервисам, позволяя им использовать возможности 5G (например, для сервисов с низкой задержкой).

Смысл SBA: Гибкость, лёгкость масштабирования и обновления. Можно независимо масштабировать или обновлять отдельные функции (например, добавить больше мощности для управления сессиями), не трогая всю сеть.

2. Ключевые «винтики» системы: основные сетевые функции (NF)

Ядро 5G — это набор взаимодействующих программных функций. Вот главные из них:

•AMF (Функция управления доступом и мобильностью): Первая точка контакта для устройства в сети. Отвечает за его регистрацию, аутентификацию, отслеживание местоположения и управление простоем (idle/connected). Не работает с пользовательским трафиком.

•SMF (Функция управления сессиями): «Дирижёр» пользовательских сессий. Выделяет IP-адрес устройству, управляет установлением, модификацией и завершением сессий передачи данных, контролирует UPF.

•UPF (Функция плоскости пользователя): «Маршрутизатор и шлюз» в 5G.

Единственная функция, которая «трогает» пользовательский трафик. Отвечает за его маршрутизацию, фильтрацию, учёт трафика (счётчики) и подключение к внешнему интернету.

•UDM (Единая функция управления данными): «База данных абонентов». Хранит долгосрочные данные профилей пользователей (идентификаторы, ключи аутентификации, подписки). Управляет доступом на основе этой информации.

•AUSF (Функция сервера аутентификации): «Сторож». Выполняет процедуру аутентификации пользователя, проверяя его ключи с UDM.

•PCF (Функция контроля политик): «Отдел правил». Хранит и применяет бизнесполитики к каждому пользователю и сессии: правила QoS (качество обслуживания), лимиты трафика, приоритеты в «срезах» сети.

3.Язык общения функций: сервис-ориентированные интерфейсы

В архитектуре SBA функции не общаются по жёстким проводам, а вызывают сервисы друг

удруга через API.

•Сервис-ориентированные интерфейсы (SBI): Это стандартные HTTP/2 API (часто на основе RESTful или JSON). Каждая функция предоставляет свой сервис:

•Namf: Сервис, предоставляемый AMF (например, для уведомления о мобильности).

•Nsmf: Сервис, предоставляемый SMF (например, для создания сессии).

•Nudm: Сервис, предоставляемый UDM (например, для запроса данных абонента).

•Эталонные точки (Reference Points): Это логические точки взаимодействия между конкретными функциями или сетями. Их обозначают буквой «N» и числом:

•N1: Между устройством (UE) и AMF (для сигнализации).

•N2: Между радио-сетью доступа (RAN) и AMF (для управления доступом).

•N3: Между RAN и UPF (для пользовательского трафика).

•N4: Между SMF и UPF (для управления UPF — куда маршрутизировать трафик).

•N6: Между UPF и внешней сетью передачи данных (например, интернетом).

•N11: Между AMF и SMF (для управления сессиями).

Проще говоря: SBI — это как функции общаются (вызов API), а Reference Points — это между кем они общаются (логическая связь).

4. AMF — главный диспетчер доступа

AMF — это центральный координатор для любого устройства, подключающегося к сети.

•Единая точка входа: Все сигнальные сообщения от устройства сначала попадают в

AMF.

•Основные обязанности:

1.Регистрация: Приём устройства в сеть, обновление его местоположения.

2.Аутентификация: Организация процедуры проверки подлинности абонента (с привлечением AUSF и UDM).

3.Управление соединением (Connection Management): Контроль за переходами устройства между состояниями «простоя» (IDLE, когда не передаёт данные, но зарегистрировано) и «активности» (CONNECTED). AMF отвечает за процедуры «пробуждения» устройства (Service Request) и его нахождения в простое.

Важно: AMF не работает с данными пользователя, он занимается только сигнализацией и управлением.

5. Работа с «прошлым»: взаимодействие с 4G/3G

Для плавного перехода операторы должны обеспечить совместимость 5G с существующими сетями 4G (LTE) и 3G (UMTS).

•NSSF (Функция выбора сетевого среза): Помогает устройству или сети LTE

выбрать подходящий AMF и сетевой «срез» в 5GC.

•Интерфейс N26 (опциональный): Ключевой интерфейс для бесшовной передачи сессии (handover) между 4G и 5G без разрыва. Он соединяет MME (управляющий узел 4G) и AMF (управляющий узел 5G), позволяя передать контекст сессии (например, активный видеозвонок) при перемещении абонента между технологиями. Если N26 не реализован, связь возможна, но с переустановкой сессии (менее гладко).

6.Единая сеть для всего: поддержка 5G и Wi-Fi

5G задумана как единая конвергентная сеть, способная обслуживать не только «родной» радиодоступ 5G-NR, но и другие технологии.

•3GPP-доступ: Это стандартизированный доступ по технологиям альянса 3GPP: 5GNR (новая радио) и унаследованный LTE. Они подключаются к ядру напрямую через стандартные интерфейсы (N1, N2, N3).

•Non-3GPP-доступ: В первую очередь — Wi-Fi. Для его интеграции используется специальная функция N3IWF.

oN3IWF (Функция взаимодействия с Non-3GPP сетями доступа): Работает как безопасный шлюз и адаптер. Он устанавливает зашифрованный туннель (IPsec) с устройством, подключённым по Wi-Fi, и транслирует его сигнализацию в «родные» для 5GC интерфейсы (N1, N2, N3). Для ядра сети такое устройство выглядит так, будто оно подключено по обычному 5Gрадио.

Результаты моделирования

5G. NF и протоколы

Рисунок 1. Результаты теста

Рисунок 2.

Рисунок 3.

Рисунок 4.

Рисунок 5.

Рисунок 6.

Рисунок 7.

Рисунок 8.

Рисунок 9.

Рисунок 10.

Рисунок 11. Результаты моделирования 5G. NF и протоколы