A computação de borda trata de deixar os serviços mais próximos do local onde serão entregues. Os serviços aqui incluem potência de computação e memória necessária para, por exemplo, rodar uma requisição de um aplicativo. A computação de borda, portanto, visa trazer os aplicativos, dados e poder de computação (serviços) que se encontram longe em pontos centralizados (central de dados) para locais mais próximos do usuário (como centrais de dados distribuídas). O objetivo é atingir uma latência mais baixa e reduzir os custos de transmissão e tráfego no Core da rede. Aplicativos que usam grandes volumes de dados e/ou requerem tempos de resposta curtos, por exemplo, jogos de realidade virtual em tempo real, inspeção de qualidade por vídeo na indústria 4.0, carros autônomos, cidades inteligentes etc., são alguns dos candidatos que podem se beneficiar da computação de borda [1].

A 3GPP não especifica nenhuma solução ou arquitetura especial para computação de borda, em vez disso, a 3GPP define várias ferramentas gerais que podem ser usadas para fornecer um eficiente caminho para o usuário. Essas ferramentas não são específicas para computação de borda, mas podem ser usadas como facilitadores na sua implantação [2].

1 Seleção da UPF pela SMF

A SMF é responsável pela seleção da UPF. Os detalhes de como isso é feito não são padronizados e dependem de vários aspectos, por exemplo, aspectos de implantação relacionados à topologia de rede das UPFs implantadas, bem como, os requisitos do serviço que será entregue.

Quando a SMF faz a seleção de uma UPF, um pré-requisito é que a própria SMF esteja ciente de quais UPFs estão disponíveis em suas respectivas configurações, como recursos da UPF, sequência de carregamento no caso de mais de uma UPF, etc. Uma das formas é que a SMF pode ser configurada com as UPFs disponíveis. Essa configuração pode incluir informações relacionadas à topologia para que a SMF esteja ciente sobre a localização da UPF e de que forma as UPFs estão conectados. Isso permite que a SMF selecione UPFs adequadas, por exemplo, dependendo da localização do UE.

Uma vez que a SMF sabe sobre a(s) UPF(s) disponíveis e há uma necessidade da SMF selecionar uma ou mais UPFs para uma sessão de PDU, como exemplo, no estabelecimento de sessão de PDU ou em algum evento de mobilidade, a SMF pode levar diferentes informações em consideração para selecionar uma UPF. Os detalhes não são padronizados, mas deixados para implementação e configuração do operador [1]. Algumas dessas informações são recebidas da UPF, outras são recebidas da AMF, enquanto que algumas podem ser pré-configuradas na SMF, como as informações relacionadas à topologia do plano do usuário e terminações do plano do usuário.

2 Formas de classificação de tráfego para a DN

Uma sessão de PDU tem no caso mais simples uma única sessão PDU âncora (PSA PDU Session Anchor) denominada de PSA UPF e, portanto, uma única interface N6 para a DN [1]. Mas uma sessão de PDU também pode ter mais do que uma PSA UPF e, portanto, várias interfaces N6 para uma DN conforme a Figura 1.

1. 1. 1. 1. PSA UPF: Esta é a UPF que faz a conexão com a DN através da interface N6.

         2. UPF intermediária (I-UPF): Esta é a UPF que é inserida no caminho do plano do usuário entre a AN e a PSA UPF. Ela encaminha o tráfego entre a AN e o PSA UPF.

         3. UPF com classificador de Up-Link (UL-CL) ou ponto de ramificação (BP): Esta é uma UPF que está “bifurcando” o tráfego para uma sessão de PDU na conexão ascendente e “mesclando” caminhos Up-Link descendente, fazendo funções relacionadas a QoS.

Figura 1 – Configurações de UPF. A: PSA único. B: PSA + I-UPF. C: UL-CL + 2 PSAs [1].

Essa última opção apresentada na Figura 1 pode ser usada para rotear seletivamente o tráfego do plano do usuário para diferentes interfaces N6, por exemplo, rotear de uma PSA UPF com interface N6 para um site periférico local e outra PSA UPF com interface N6 para um data center Remoto [1]. Essa funcionalidade é de suma importância para este trabalho, pois pode ser usada em aplicações da computação de borda 5G.

3 Classificação de Up-Link

Classificação de Up-Link é uma funcionalidade que é suportada por uma UPF onde a UPF desvia parte do tráfego para uma PSA UPF diferente (local) conforme é apresentado na Figura 2. O UL CL fornece encaminhamento de tráfego de ligação ascendente para diferentes Âncoras de Sessão PDU e desvia o tráfego de ligação descendente para o UE, isto é, o desvio do tráfego de diferentes Âncoras de Sessão PDU na ligação para o UE. O UL CL desvia o tráfego com base nas regras de detecção e encaminhamento de tráfego, fazendo uso de filtros de tráfego fornecidos pela SMF. Assim, o UL CL aplica as regras de filtragem, por exemplo, para examinar o endereço IP de destino dos pacotes IP da conexão ascendente enviados pelo UE e determina como o pacote deve ser encaminhado. A UPF que suporta um UL CL também pode ser controlada pela SMF para oferecer suporte à medição de tráfego e aplicar cobranças. O uso do UL CL se aplica a Sessões de PDU do tipo IPv4 ou IPv6 ou IPv4v6 ou Ethernet, de modo que a SMF possa fornecer filtros de tráfego [1].

Figura 2 – Acesso local a DN usando o UL CL [1].

Quando a SMF decide desviar o tráfego, ela insere um UL CL no caminho de dados e uma PSA adicional. Isso pode ser feito a qualquer momento durante a vida útil de uma sessão de PDU. A PSA adicional pode ser colocada na mesma UPF que o UL CL ou pode ser uma UPF autônoma. Quando a SMF determina que o UL CL não é mais necessário, ele pode ser removido do caminho de dados pela SMF [1].

O UE desconhece o desvio de tráfego por parte do UL CL e não participa na inserção e na remoção do UL CL. A solução com o UL CL, portanto, não requer nenhuma funcionalidade específica do UE.

Atenção: O texto acima foi extraído do TCC de Dener Kraus, intitulado Computação de borda para indústria utilizando a rede 5G, disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/228613.

Referências:

[1] ROMMER, S. et al. 5G Core Networks: Powering Digitalization. [S.l.]: Academic Press, 2019.

[2] 3GPP. Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); LTE; General UMTS Architecture (3GPP TS 23.101 version 8.0.0 Release 8). Acesso em: 26/08/2021. Disponível em:<https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/123100_ 123199/123101/08.00.00_60/ts_123101v080000p.pdf>.

Na Tabela 1 é apresentado as principais empresas no depósito de patentes, declaração de patentes essenciais a padrões (SEP – Standard-Essential Patent) e desenvolvimento de padrões relacionados com computação de borda 5G. Essas empresas são do ramo de computação em nuvem ou de setores de dados e software.

	Cessionário atual/ Desenvolvedor de padrões	Pedidos de patente	Declaração SEP	Contribuições de padrões
1	Huawei (CN)	821	138	862
2	Intel (US)	686	42	488
3	Nokia (FN)	576	87	439
4	SAS Institute (US)	426	0	0
5	Apple (US)	386	72	41
6	Samsung Electronics (KR)	287	16	536
7	Verizon (US)	196	0	50
8	Microsoft (US)	188	0	0
9	Cisco (US)	168	0	39
10	Ericsson (SE)	163	6	374
11	LG Electronics (KR)	160	33	144
12	NEC (JP)	158	3	55
13	Pure Storage (US)	155	0	0
14	IBM (US)	125	0	0
15	Siemens (DE)	120	0	30
16	Sony (JP)	119	0	66
17	AT&T (US)	99	0	130
18	TE (CN)	96	4	193
19	Qualcomm (US)	68	6	256
20	Tencent (CN)	64	0	117
21	Convida Wireless (US)	60	0	88
22	CATT Datang Mobile (CN)	55	2	0
23	China Mobile (CN)	54	0	206
24	Deutsche Telekom (DE)	47	0	64
25	InterDigital (US)	46	2	77
26	SoftBank (JP)	46	0	4
27	Orange (FR)	41	0	60
28	Hewlett Packard Enterprise (US)	39	0	19
29	ETRI (KR)	37	1	29
30	Fraunhofer (DE)	35	11	17
31	Robert Bosch (DE)	34	0	10
32	Sharp (JP)	30	2	0

Tabela 1 – Relação empresas/desenvolvedores e número de patentes que descrevem tecnologias de computação de borda [1].

Fabricantes de chips, celulares e redes como Huawei (China), Intel (EUA), Nokia (Finlândia), Apple (EUA), Samsung Electronics (Coréia) e Ericsson (Suécia) contribuem fortemente para o desenvolvimento de padrões e, ao mesmo tempo, possuem grandes carteiras de patentes, algumas das quais são declaradas essenciais como padrão, isto é, uma patente que se torna um padrão que outros desenvolvedores ou empresas devem seguir. Além disso, muitas das operadoras de telecomunicações podem ser encontradas na lista dos principais proprietários de patentes e desenvolvedores de padrões, como Verizon (EUA), AT&T (EUA), China Mobile (China), Deutsche Telekom (Alemanha) e Orange (França).

Os líderes de tecnologia listados na Tabela 1 são de extrema importância para o sucesso da computação de borda, pois têm desenvolvido dispositivos, chips, redes, aplicativos, serviços, sensores e padrões de conectividade para realizar os primeiros casos de uso da computação de borda. Prevê-se que o mercado global da computação de borda em nuvem crescerá para US$12 bilhões ainda em 2021 [1]. Supõe-se que, até 2023, cerca de 70% das empresas estarão realizando parte de seus processamentos de dados usando a computação de borda 5G [1]. Assim, o interesse por uma parcela desse mercado é propagado entre várias empresas do ramo de desenvolvimento de tecnologia.

Uma dessas empressas interessada na computação de borda 5G é a WEG que tem criado parcerias com empresas da Tabela 1, como: Nokia e Qualcomm, além da já existente cooperação com a Agência Brasileira de Desenvolvimento Industrial (ABDI), a Agência Nacional de Telecomunicações (Anatel) e a Claro. O Open Lab 5G – V2COM da WEG em uma das fábricas, localizada na cidade de Jaraguá do Sul no estado de Santa Catarina (BR) completou testes práticos de conectividade à rede 5G. Foram realizados testes para avaliação de desempenho e a convivência de dispositivos e antenas com a tecnologia 5G em ambiente real para reunir informações sobre faixas de frequência, latência, potência e outras características necessárias às aplicações industriais [2].

De acordo com o relatório de resultados preliminares do Open Lab 5G – V2COM [3], foram obtidos dados experimentais utilizando a ferramenta iPerf [4], com transmissão de dados tanto TCP como em UDP ativando tráfego em cinco premissas de equipamentos de usuário (CPEs – Customer-premises equipment) parados e a uma distância de aproximadamente cinco metros de uma Small Cell: rede privada independente da Nokia na banda n78 (3,5 GHz), faixa de 3,7 GHz a 3,8 GHz, operando com largura de canal de 100 MHz, no modo SA (Stand Alone) e TDD (Time-Division Duplex) com distribuição 3:7 e saída de potência (Effective Isotropic Radiated Power – E.I.R.P.) de 23 dBm.

Um dos testes do relatório de resultados preliminares do Open Lab 5G – V2COM [3] é o de Throughput, latência e perda de pacotes versus a distância entre a Small Cell e um dos CPEs. Tais testes foram realizados posicionando fisicamente os CPEs a diferentes distâncias da Small Cell 4 da rede privativa independente – SA representada na Figura3, ou seja, apenas uma Small Cell ligada e as outras três desligadas.

Figura 1 – Topologia do teste da rede privativa independente – SA [3].

Foramrealizados testes utilizando-se a ferramenta iPerf com transmissão de dados em TCP para esta topologia em específico. As verificações foram feitas com o CPE parado às distâncias de 5, 20, 40 e 60 metros da Small Cell. Os valores de Throughput máximo, médio e mínimo obtidos durante o tempo de um minuto de medição são apresentados na Figura 2 e Figura 3. Também são apresentados nas mesmas figuras, os valores de latência médios obtidos durante quinze segundos antes do início do envio dos pacotes de dados, durante o um minuto em que são enviados os pacotes de dados e durante quinze segundos depois do envio dos pacotes de dados. Todas essas medições são apresentadas para cada uma das quatro distâncias em um mesmo gráfico para melhor visualização e comparação. São apresentados também, para as diferentes distâncias, os percentuais de redução de Throughput obtidos com relação ao Throughput a 5 metros.

Figura 2 – Uplink – Latência vs Throughput máximo (TCP) [3].

Figura 3 – Downlink – Latência vs Throughput máximo (TCP) [3].

Atenção: O texto acima foi extraído do TCC de Dener Kraus, intitulado Computação de borda para indústria utilizando a rede 5G, disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/228613.

Referências:

[1] Pohlmann, T. Who is leading the 5G patent race for edge computing? Acesso em: 26/08/2021. Disponível em:<https://www.managingip.com/article/ b1rznbcc4dsk23/who-is-leading-the-5g-patent-race-for-edge-computing>.

[2] WEG. WEG completa testes práticos de conectividade à rede 5G. Acesso em: 26/08/2021. Disponível em:<https://www.weg.net/institutional/BR/pt/news/ produtos-e-solucoes/weg-completa-testes-praticos-de-conectividade-a-rede-5g>.

[3] WEG-V2COM OPEN LAB. RESULTADOS PRELIMINARES WEG-V2COM OPEN LAB 5G. Acesso em: 04/09/2021. Disponível em:<https://sei.anatel.gov.br/sei/modulos/pesquisa/md_pesq_documento_consulta_externa. php?eEP-wqk1skrd8hSlk5Z3rN4EVg9uLJqrLYJw_9INcO6fX6o9bVPoiTHX_ HKDp8z4jNp1Hsw31wuTQX8J-fqjddyWo1pe5dZRrEvwZXjQvETUCBSxxyrrpuXwu\ EBod27a>.

[4] iPerf. iPerf – The ultimate speed test tool for TCP, UDP and SCTP. Acesso em: 07/09/2021. Disponível em:<https://iperf.fr/>.

O presente minicurso foi ministrado durante a XIX Escola Regional de Redes de Computadores (ERRC 2021) pelo Professor Adão Boava e os acadêmicos de pós-graduação Christian Mailer e Dener Kraus.

Ao longo da apresentação são abordados os seguintes temas: evolução das redes móveis, vantagens do 5G, sistema de rádio do 5G, Core do 5G, computação de borda em 5G e demonstração prática de uma arquitetura de rede 5G com computação de borda.

Fatiamento de rede ou network slicing é um dos recursos mais importantes e inovadores do 5G, sendo essencial para modelos de negócio Network as a Service (NaaS). Ele consiste em dividir a rede física em partes (slices) lógicas e fornecer acesso diferenciado para cada tipo de dispositivo, ou seja, usuários que necessitarem de comunicação em tempo real, como carros autônomos, poderão ocupar uma fatia/slice que possui maior prioridade e QoS enquanto que usuários que não dependem de latência para suas aplicações poderão ocupar outra fatia/slice de menor prioridade e, consequentemente, de menor custo. Além de prover serviços com prioridades otimizadas para os usuários, o fatiamento pode ser utilizado também para aumentar a segurança da comunicação, uma vez que pode manter as diferentes redes lógicas isoladas uma da outra. A Figura 1 demonstra o fatiamento sendo empregado para três conexões distintas: smartphone, carros autônomos e Internet of Things (IoT). Ressalta-se que para realizar os fatiamentos, tecnologias tais como Software Defined Networking (SDN) e virtualização são de grande utilidade.

Figura 1 – Diferentes tipos de dispositivos utilizando o fatiamento de rede [1].

Para identificar cada fatia, atribui-se a elas um valor chamado de S-NSSAI que, por sua vez, é dividido em SST (Slice/Service Type), que indica o tipo do serviço ou fatia, e SD (Slice Differentiator), parâmetro opcional que indica as diferentes fatias de um mesmo tipo (mesmo SST). A figura 2 mostra a regra de atribuição do S-NSSAI às fatias.

Figura 2 – Formato do S-NSSAI [2].

Um dispositivo pode requisitar múltipla fatias e utilizá-las simultaneamente. Para isso, com base no S-NSSAI, a rede irá selecionar um AMF que poderá servir determinado dispositivo inicialmente. A função de rede NSSF poderá ser utilizada para a escolha definitiva do AMF ou, caso não se utilize NSSF, o próprio AMF poderá fazer tal escolha.

Atenção: O texto acima foi extraído do TCC de Christian Mailer, intitulado Plataforma de CORE 5G em nuvem para disponibilização de funções de rede como serviço, disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/209624.

Referências:

[1] MAILER, Christian. Plataforma de CORE 5G em nuvem para disponibilização de funções de rede como serviço. 2020. 54 f. TCC (Graduação) – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Departamento de Engenharia de Controle, Automação e Computação, Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau, Blumenau, 2020. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/209624. Acesso em: 15 abr. 2021.

[2] ROMMER, S. et al. 5G Core Networks: Powering Digitalization. [S.l.]: Academic Press, 2019.

O Core é a estrutura responsável por gerenciar os recursos de rede e as conexões dos usuários, como autenticação, QoS, segurança, roteamento, encaminhamento de pacotes, mobilidade, interceptação legal e outros. Juntamente com a interface de acesso via rádio, Radio Access Network (RAN), compõe a rede móvel de telecomunicações.

No 5G, o Core foi concebido tendo-se como foco uma arquitetura baseada em serviços, ou seja, uma estrutura flexível em que suas funcionalidades são divididas em nós ligados a um barramento comum que interagem entre si de forma independente. Essa abordagem permite a utilização de recursos em nuvem, de orquestração e de edge computing para escalonar a rede e adaptá-la continuamente a variações na carga de processamento, atingindo-se, assim, maior eficiência e estabilidade.

Para comunicação entre os nodos, chamados de Network Functions (NFs), a 3GPP definiu uma API (Application Programming Interface) que funciona sobre o protocolo HTTP (Hypertext Transfer Protocol) e que segue o modelo REST (Representational State Transfer). O modelo REST, proposto em 2000, conta com amplo suporte nas linguagens de programação e é muito empregado na Web, onde muitas empresas disponibilizam uma API em REST para interação com seus produtos.

As funções de rede essenciais do Core 5G (mostradas na Figura 1) são: AMF, UDM (Unified Data Management), AUSF (Authentication Server Function), UDR (Unified Data Repository), SMF (Session Management Function), NRF (Network Repository Function) e UPF. São elas que gerenciam a autenticação, estabelecimento de sessão, roteamento, interface com a rede de rádio, interface com o equipamento do usuário (UE), mobilidade, estabelecimento de túnel com a rede de dados ou Data Network (DN), entre outras funcionalidades. No entanto, há ainda funções de rede adicionais que estendem as capacidades do Core (mostradas na Figura 2), como a PCF (Policy Control Function), NSSF (Network Slice Selection Function), N3IWF (Non-3GPP Inter Working Function), AF (Application Function), NEF (Network Exposure Function), SMSF (Short Message Service Function), LMF (Location Management Function) e outras.

Figura 1 – Elementos essenciais de uma rede 5G [2].

Figura 2 – Funções de rede de um Core 5G [2].

O conjunto de protocolos NAS (Non Access Stratum), composto por 5GMM (5GS Mobility Management) e 5GSM (5GS Session Management), intermedia a conexão entre o UE e o Core. Para as mensagens de controle entre UE e AMF, destinadas ao gerenciamento do registro de dispositivos, mobilidade e segurança, o protocolo 5GMM é utilizado, enquanto que para as mensagens entre UE e SMF, como as destinadas ao gerenciamento das sessões PDUs (Protocol Data Unit), utiliza-se o protocolo 5GSM.

As próximas subseções descrevem as principais função de rede do Core 5G.

AMF

O AMF (Access and Mobility Management Function) é responsável por estabelecer a conexão com a RAN, através da interface N2, e com o UE, através da interface N1. O AMF gerencia o registro, autenticação e mobilidade do UE, além de gerenciar a encriptação e integridade das mensagens NAS. Também, retransmite as mensagens de gerenciamento de sessão, Session Management (SM), entre UE e SMF, as mensagens SMS (Short Message Service) entre UE e SMSF, as mensagens dos serviços de localização entre UE e LMF e entre RAN e LMF e as mensagens de política entre UE e PCF. Por fim, conta ainda com suporte para entrega de mensagens de aviso públicas, Public Warning System (PWS), e interface para interceptação legal, Lawful Interceptation (LI). Ressalta-se que um determinado UE só poderá ser servido por um AMF em um instante de tempo. A Figura 3 ilustra as interfaces utilizadas pelo AMF para interação com as demais funções de rede.

Figura 3 – Interfaces de rede utilizadas pelo AMF [2].

SMF

O SMF (Session Management Function) estabelece e gerencia a conexão entre o UE e a rede de dados (DN). Para isso, ele seleciona o UPF de acordo com os requisitos da conexão e estabelece uma sessão PDU (Protocol Data Unit) entre o acesso e o UPF ou entre UPFs quando necessário. A interface de comunicação entre SMF e UPF é chamada de N4. O protocolo PFCP (Packet Forwarding Control Protocol), desenvolvido para o 4G e evoluído para o 5G, é utilizado na camada de aplicação da interface N4 e atua em cima do protocolo UDP. O estabelecimento da sessão PDU, bem como de suas características, depende dos requisitos do UE, das informações dos bancos de dados do UDM/UDR e das políticas de serviço e QoS configuradas no PCF. O SMF também pode alocar endereços IPs para as sessões PDUs e possui suporte para interface de interceptação legal (LI). A Figura 4 ilustra as interfaces utilizadas pelo SMF para interação com as demais funções de rede.

Figura 4 – Interfaces de rede utilizadas pelo SMF [3].

UPF

O UPF (User Plane Function) é a função de rede que gerencia o tráfego do usuário. Suas interfaces de rede estão expostas na Figura 5. Ele é escolhido e controlado pelo SMF, no que tange as políticas de serviço, e serve como ponte entre a rede de dados (DN) e o UE, roteando, processando e direcionando os pacotes de acordo com as regras do SMF. Desse modo, atua como ponto de ancoragem para a sessão PDU, abstraindo os eventos de mobilidade na rede e armazenando os pacotes que não podem ser entregues ao UE em um buffer para posterior encaminhamento. Pode ser disposto de forma geograficamente centralizada ou distribuída, não havendo restrições no número de UPFs servindo uma sessão PDU, conforme especificações da 3GPP. Além disso, podem ser implementados em série, encaminhando-se o tráfego com base em regras de roteamento.

O UPF é responsável, também, por coletar dados estatísticos de tráfego, gerar relatórios, aplicar QoS de acordo com a demanda da rede e replicar o tráfego para monitoramento legal.

Há uma funcionalidade no UPF chamada de Up Link Classifier (UL CL) que permite direcionar o tráfego para diferentes UPFs baseado em regras de encaminhamento fornecidas pelo SMF. O UL CL gerencia o envio dos pacotes do UE para as diferentes redes e das redes de volta para o UE, podendo ser adicionado ou removido a qualquer momento pelo SMF. A Figura 6 ilustra o funcionamento do UL CL.

Figura 5 – Interfaces de rede utilizadas pelo UPF [3].

Figura 6 – Direcionamento de tráfego através de UL CL [2].

NRF

O NRF (Network Repository Function) serve como repositório das funções de rede (NFs) disponíveis para o Core. Ele armazena as características que descrevem cada NF registrado e permite que outras NFs consultem seu banco de dados para obter o endereço, na rede, dos serviços desejados. A grande vantagem trazida pelo NRF é a não exigência de conhecimento prévio dos endereços e perfis dos elementos do Core que compõem a rede, podendo ser requisitados no momento em que uma determinada NF necessitar de um serviço de outra NF. Cada NF, ou entidade representando a NF, é responsável por registrar-se no NRF e atualizar seu status, porém, o NRF dispõe de um mecanismo keep alive que identifica elementos que não estão mais disponíveis. Mudanças na estrutura do Core ou de escalabilidade são simplesmente efetuadas através de atualizações do status da NF alterada no NRF, sem necessidade de alterar-se as configurações internas das outras NFs. Dentre as informações de perfis disponíveis no NRF, pode-se citar: tipo da NF, ID (identificação), endereço, capacidade, serviços suportados e informações de autorização.

UDM

O UDM (Unified Data Management) acessa e gerencia os dados de inscrições armazenados no UDR, envia dados relevantes para as NFs que servem o UE, como AMF e SMF, autoriza acessos e serviços, autentica usuários, gerencia identificação de usuários e oferece suporte a serviços SMS. De forma geral, o UDM fornece uma interface de acesso aos bancos de dados com informações da rede, permitindo que um usuário utilize múltiplos UDMs para transações diferentes.

UDR

O UDR (Unified Data Repository) armazena e fornece acesso de dados de inscrições para o UDM, dados de políticas para o PCF e dados estruturados para exposição para o NEF.

AUSF

O AUSF (Authentication Server Function) realiza a autenticação primária e o estabelecimento de chaves entre o UE e a rede, utilizando para isso informações do UDM. Suas interfaces com o AMF e o UDM podem ser visualizadas na Figura 7.

Figura 7 – Interfaces de rede utilizadas pelo AUSF [3].

PCF

O PCF (Policy Control Function) é responsável por armazenar e prover as políticas de serviço para as NFs. Para o SMF, as políticas fornecidas são os níveis de QoS e regras de tráfego e cobrança, as relacionadas ao estabelecimento da sessão PDU e as relacionadas ao tráfego local que podem influenciar a escolha do UPF por parte do SMF. Para o AMF, o PCF fornece as regras de acesso e mobilidade, como restrições de áreas de serviço e prioridades de acesso. Para o UE, o PCF fornece, através do AMF, políticas relacionadas ao acesso não 3GPP, políticas de escolha de fatias na rede (slicing), de escolha de redes de dados (DN), entre outras. As interfaces de rede do PCF estão expostas na Figura 8.

As políticas são determinadas considerando-se fatores como condição da rede, políticas da operadora local, requisitos de aplicativo e dados de assinatura do usuário.

Figura 8 – Interfaces de rede utilizadas pelo PCF [3].

NSSF

O NSSF (Network Slice Selection Function) é o elemento que seleciona as fatias de rede para serem utilizadas pelo UE. Tal procedimento é realizado com base no parâmetro de Single Network Slice Selection Assistance Information (S-NSSAI), que define a fatia desejada. Também, o NSSF lista os AMFs que podem servir o UE, podendo consultar o NRF para isso.

N3IWF

O N3IWF (Non-3GPP Inter Working Function) permite a integração de redes que não são parte do acesso definido pela 3GPP, como WiFi, ao Core 5G. Essa interconexão é feita através do estabelecimento de túneis IKEv2 (Internet Key Exchange) e IPsec (IP Security Protocol) entre N3IWF e UE. A Figura 9 ilustra a utilização do N3IWF para conectar uma rede não 3GPP ao Core 5G.

Figura 9 – N3IWF conectando uma rede não 3GPP ao Core 5G [2].

NWDAF

A função NWDAF (Network Data Analysis Function) é responsável por coletar dados de outras funções de rede por meio de serviços que expõem eventos dessas funções [4]. Ela também coleta dados de sistemas, operações e gerenciamento e do repositório unificado de dados (UDR). Qualquer outra função de rede ou até mesmo aplicativos externos podem teoricamente consumir os serviços oferecidos pela NWDAF [4,5]. Os principais consumidores da NWDAF são a NSSF e a PCF. Ao coletar dados, a NWDAF pode realizar análises, como resumos históricos ou estatísticos, ou previsões de valores futuros [4]. As análises realizadas pela NWDAF podem ser usadas por outras funções de rede para realizar ações específicas na rede, como modificar uma fatia específica ou modificar a qualidade de serviço (QoS) de um serviço [2,4].

Atenção: O texto acima foi extraído do TCC de Christian Mailer, intitulado Plataforma de CORE 5G em nuvem para disponibilização de funções de rede como serviço, disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/209624.

Referências:

[1] MAILER, Christian. Plataforma de CORE 5G em nuvem para disponibilização de funções de rede como serviço. 2020. 54 f. TCC (Graduação) – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Departamento de Engenharia de Controle, Automação e Computação, Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau, Blumenau, 2020. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/209624. Acesso em: 15 abr. 2021.

[2] ROMMER, S. et al. 5G Core Networks: Powering Digitalization. [S.l.]: Academic Press, 2019.

[3] PENTTINEN, J. 5G Explained: Security and Deployment of Advanced Mobile Communications. 1. ed. Hoboken, NJ, EUA: Wiley, 2019.

[4] ROTA, Lucas Kienen. Avaliação e validação da interoperabilidade das Redes Non3GPP com as redes 5G fim a fim (UE a UE).  2023. 88 f. TCC (Graduação) – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Departamento de Engenharia de Controle, Automação e Computação, Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau, Blumenau, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/248729. Acesso em: 13 jul. 2023.

[5] SILVA, Gabriel Henrique Davanço. Classificação de tráfego por classes de serviço no núcleo 5G. 2022. 80 f. TCC (Graduação) – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Departamento de Engenharia de Controle, Automação e Computação, Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau, Blumenau, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/237577. Acesso em: 26 ago. 2022.

A 3GPP definiu que a tecnologia de rádio 5G será chamada de New Radio (NR) e que contará com diversas novidades comparadas às suas antecessoras, com suporte a recursos como massive Multiple Input Multiple Output (mMIMO), beamforming, novas bandas de frequência, novas técnicas de modulação de canal e Carrier Aggregation (CA).

Na geração anterior, o 4G ou LTE (Long Term Evolution), já havia se feito muito progresso em melhorar a eficiência da banda móvel e do espectro, em diminuir o tempo de latência, em possibilitar um custo mais baixo para os dispositivos e em aumentar a duração da bateria. Logo, tais evoluções possuem um papel fundamental para o rádio 5G.

A Tabela 1 mostra as diferenças entre as principais características do 4G e do 5G, enquanto que a Tabela 2 mostra a comparação entre as principais definições do quadro estrutural do 4G e do 5G.

Tabela 1 – Principais diferenças entre o rádio 4G e 5G [2]. Traduzida pelo autor.

Tabela 2 – Comparação das definições do quadro estrutural do 4G e do 5G [2]. Traduzida pelo autor.

No 5G, as bandas de frequência suportadas variam de 450 MHz até 6 GHz (classificada como Frequency Range 1, FR1, mid/low band ou sub 6 GHz bands) e de 24,250 GHz até 52,600 GHz (classificadas como Frequency Range 2, FR2, high band ou above 6 GHz bands). A grande inovação são as altas frequências, também chamadas de millimiter wave (mmWave), capazes de transferir uma grande quantidade de dados com uma latência muito baixa. No entanto, quanto maior a frequência de transmissão, menor é o alcance das ondas, ficando suscetíveis a perda de sinal causadas por objetos comuns, como portas e janelas, e até mesmo pela presença de indivíduos ou animais entre o emissor e o receptor. Com o intuito de se aumentar a eficácia da transmissão, tecnologias como beamforming e MIMO podem ser empregadas.

Beamforming

Beamforming é uma técnica que visa direcionar a transmissão diretamente para o receptor ou esperar a transmissão vinda da direção do emissor. Essa abordagem permite melhorar a razão sinal-interferência-mais-ruído, signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR), atingindo-se maior taxa de transmissão. Ainda dentro de beamforming, pode-se utilizar técnicas estendidas como multibeam, em que uma antena possui múltiplos feixes (beams) dinamicamente controlados que otimizam a conexão para um dispositivo específico. A Figura 1 ilustra a aplicação de single beam e multibeam.

Figura 1 – Single beam e multibeam, respectivamente [3].

Massive MIMO

MIMO (Multiple Input Multiple Output) é uma técnica que utiliza múltiplas antenas de emissão e recepção e, consequentemente, múltiplos caminhos ou canais, não correlacionados, para transmissão de fluxos de dados entre emissor e receptor. Isso permite que o receptor possa juntar os sinais recebidos para aumentar a taxa de transmissão de dados. O termo massive MIMO indica que uma quantidade muito maior do que 8 antenas de transmissão e recepção serão utilizadas na estação base.

Quando múltiplas cópias de um fluxo de dados são enviadas por caminhos diferentes e mesma frequência para o mesmo dispositivo, está sendo realizado Single User Multiple Input Multiple Output (SU-MIMO). No entanto, quando a comunicação é feita com múltiplos dispositivos de usuário ao mesmo tempo na mesma frequência, denomina-se Multi User Multiple Input Multiple Output (MU-MIMO). Nota-se que para ambas as situações se utiliza beamforming para atingir-se o objetivo desejado. A Figura 2 demonstra a diferença entre SU-MIMO e MU-MIMO.

Figura 2 – Single User MIMO e Multi User MIMO, respectivamente [3].

Arquitetura da rede de rádio

De acordo com a 3GPP, a arquitetura de rede de rádio da nova geração é composta por múltiplas estações base conectadas ao Core 5G e entre elas mesmas. A Figura 3 ilustra a arquitetura da rede de rádio 5G. O nome atribuído às estações rádio base 5G nativas é gNB. Quando a estação base for LTE, o termo utilizado é ng-eNB. No entanto, de forma genérica, pode-se referir a estação base 5G como NG-Radio Access Network (NG-RAN), independentemente de ser gNB ou ng-eNB.

Dentre as funcionalidades do NG-RAN, podem ser citadas: gerenciamento de recursos de rádio, gerenciamento de cabeçalho IP (Internet Protocol), gerenciamento do AMF (Access and Mobility Management Function), funcionalidade de roteamento, configuração e liberação de conexões, funcionalidade de agendamento, medições, marcações de pacotes, gerenciamento de sessões, fatiamento (slicing) de rede, funções de QoS, suporte de UEs em estado RRC_INACTIVE, função de distribuição para mensagens NAS, compartilhamento de rede de acesso de rádio, dual connectivity e interfuncionamento entre NR e E-UTRA (interface de ar da geração LTE).

O gerenciamento de recursos de rádio, Radio Resource Management (RRM), inclui o controle de admissão por rádio e suporte de rádio, gerenciamento de mobilidade e controle e alocação dinâmica de recursos para o UE.

Figura 3 – Arquitetura da rede de rádio 5G [3].

As estações base são interconectadas pelas interfaces Xn, divididas em Xn-C (interface de sinal) e Xn-U (interface para transferência de dados). As interfaces de comunicação com os elementos do Core AMF e UPF são, respectivamente, N2 e N3.

Os dados de usuários são transferidos pelas interfaces N3 e Xn-U utilizando-se a rede IP e a pilha de protocolos exposta na Figura 4.

Figura 4 – Pilha de protocolos utilizada para transferência de dados de usuário [3].

O protocolo GTP-U (GPRS tunneling protocol for the User Plane), que encapsula os dados de usuário, é um protocolo confiável amplamente utilizado nas gerações anteriores e é carregado pela pilha UDP (User Datagram Protocol)/IP.

Já os dados de sinal, são transportados pelo protocolo SCTP (Stream Control Transmission Protocol), que foi definido pela IETF e possui entrega garantida de pacotes e segurança melhor comparado ao TCP (Transmission Control Protocol). A pilha completa dos protocolos utilizados para os dados de sinal pode ser visualizada na Figura 5. Os protocolos de controle NGAP (NG Application Protocol) e XnAP (Xn Application Protocol) são empregados, respectivamente, na interface N2 (entre RAN e AMF) e na interface Xn.

Figura 5 – Pilhas de protocolos para a transferência de dados de sinal [3].

Atenção: O texto acima foi extraído do TCC de Christian Mailer, intitulado Plataforma de CORE 5G em nuvem para disponibilização de funções de rede como serviço, disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/209624.

Referências:

[1] MAILER, Christian. Plataforma de CORE 5G em nuvem para disponibilização de funções de rede como serviço. 2020. 54 f. TCC (Graduação) – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Departamento de Engenharia de Controle, Automação e Computação, Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau, Blumenau, 2020. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/209624. Acesso em: 15 abr. 2021.

[2] PENTTINEN, J. 5G Explained: Security and Deployment of Advanced Mobile Communications. 1. ed. Hoboken, NJ, EUA: Wiley, 2019.

[3] ROMMER, S. et al. 5G Core Networks: Powering Digitalization. [S.l.]: Academic Press, 2019.

Texto por: Dener Kraus

Curso gratuito, disponibilizado pela CISCO, de introdução ao software Packet Tracer. Basta se cadastrar no site e, após esse pré-requisito, acessar aqui para baixar o programa e dar início ao curso.

Após a conclusão do curso, o aluno será capaz de criar projetos de redes envolvendo roteadores, switches, servidores e uma variedade de componentes relacionados, sendo possível configurar rotas, firewalls e demais recursos.

Na lista abaixo são introduzidos os significados de algumas siglas e abreviaturas utilizadas na área de Redes Móveis e afins.

Atenção: O texto acima foi extraído do TCC de Christian Mailer, intitulado Plataforma de CORE 5G em nuvem para disponibilização de funções de rede como serviço, disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/209624.

Desde o surgimento da primeira geração de comunicação móvel, o 1G, na década de 1980, muito foi aperfeiçoado e adaptado tendo-se como base os requisitos por maior capacidade, velocidade e confiabilidade durante a troca de informações. O Quadro 1 mostra um panorama geral das características de cada geração enquanto que a Figura 1 mostra a evolução das taxas de transferência de dados [1].

Quadro 1 – Resumo da evolução das redes de comunicação móveis [2]. Traduzido pelo autor.

Figura 1 – Evolução das taxas de transmissão [2].

A jornada começa com a primeira geração 1G, implantada inicialmente no Japão em 1979 pela NTT (Nippon Telegraph and Telephone) e posteriormente disponibilizada comercialmente em outros países na década de 1980. Essa geração, baseada em sistemas analógicos, foi projetada para fornecer serviços de comunicação de voz. Uma inovação significativa foi o MTSO (Mobile Telephone Switching Office), que facilitava o roaming (a capacidade de um dispositivo manter a conectividade ao se mover entre áreas geográficas) e o handoff (o processo de transferência de uma chamada em andamento ou sessão de dados de uma célula de serviço para outra sem interrupção), tornando-se a espinha dorsal da infraestrutura 1G [3,4].

A década seguinte viu o nascimento da segunda geração 2G, marcada por uma mudança revolucionária para a transmissão de dados digitais. A introdução da internet móvel e das mensagens de texto, juntamente com o aprimoramento da qualidade do serviço e eficiência espectral, destacaram a 2G. Além disso, surgiram evoluções como o GPRS (General Packet Radio Service) e o EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), permitindo maior capacidade de transmissão de dados e estabelecendo a base para as gerações futuras [3,4].

Respondendo à crescente demanda por altas taxas de transmissão para serviços multimídia, a terceira geração 3G foi desenvolvida no final dos anos 1990, seguindo o conjunto de requisitos IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000) definido pela ITU (International Telecommunication Union). Entre as especificações apresentadas, o padrão UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) da 3GPP (Third Generation Partnership Project) destacou-se, levando a uma evolução natural do GSM e a introdução do HSPA+ (High Speed Packet Access Plus), que aprimorou drasticamente as taxas de transferência de dados em relação às suas predecessoras [3,5].

Finalmente, a quarta geração 4G foi lançada em 2010, elevando a capacidade de transmissão de dados a um novo patamar e introduzindo o conceito de Voz sobre IP, VoIP (Voice over IP). Esta geração foi padronizada através do LTE, da 3GPP, e do WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), do IEEE, ambos baseados em multiplexação ortogonal por divisão de frequência: OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing/Multiple Access) e SC-FDMA (Single-Carrier Frequency Division Multiple Access) [3,6].

Atenção: O texto acima foi extraído do TCC de:

Christian Mailer, intitulado Plataforma de CORE 5G em nuvem para disponibilização de funções de rede como serviço, disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/209624.

Lucas Kienen Rota, intitulado Avaliação e validação da interoperabilidade das Redes Non3GPP com as redes 5G fim a fim (UE a UE), disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/248729.

Referências:

[1] MAILER, Christian. Plataforma de CORE 5G em nuvem para disponibilização de funções de rede como serviço. 2020. 54 f. TCC (Graduação) – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Departamento de Engenharia de Controle, Automação e Computação, Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau, Blumenau, 2020. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/209624. Acesso em: 15 abr. 2021.

[2] PENTTINEN, J. 5G Explained: Security and Deployment of Advanced Mobile Communications. 1. ed. Hoboken, NJ, EUA: Wiley, 2019.

[3] ROTA, Lucas Kienen. Avaliação e validação da interoperabilidade das Redes Non3GPP com as redes 5G fim a fim (UE a UE).  2023. 88 f. TCC (Graduação) – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Departamento de Engenharia de Controle, Automação e Computação, Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau, Blumenau, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/248729. Acesso em: 13 jul. 2023.

[4] BOTH, C. ET AL. Soft5G+: explorando a softwarização nas redes 5G. [S.l.]: XXXVIII Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos, 2020. P. 27, 28, 29, 30.

[5] SILVA, Gabriel Henrique Davanço. Classificação de tráfego por classes de serviço no núcleo 5G. 2022. 80 f. TCC (Graduação) – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Departamento de Engenharia de Controle, Automação e Computação, Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau, Blumenau, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/237577. Acesso em: 13 jul. 2023.

[6] KRAUS, Dener. Computação de borda para indústria utilizando a rede 5G. 2021. 95 f. TCC (Graduação) – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Departamento de Engenharia de Controle, Automação e Computação, Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau, Blumenau, 2021. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/228613. Acesso em: 13 jul. 2021.

Com o surgimento de conceitos e tecnologias como IoT (Internet of Things), Indústria 4.0, Blockchain, Big Data e outras que são voltadas ao acumulo de informações e comunicação, deparou-se com um empecilho: a falta de recursos das tecnologias sem fio existentes para lidar com grandes volumes de dados e prover o gerenciamento adequado desses dados na rede.

A solução que visa resolver esse problema é a nova geração de comunicação sem fio chamada de 5G, que aumenta consideravelmente a velocidade de troca de informações, apresenta baixa latência e maior eficiência espectral comparada às gerações anteriores. Além disso, essa nova geração conta com recursos que possibilitam gerenciar o tráfego de informações baseado na exigência de cada dispositivo, como fatiamento de rede (network slicing), permitindo que operadoras disponibilizem redes como serviço para seus clientes.

Ressalta-se a importância de tecnologias como Software Defined Networking (SDN) e Network Function Virtualization (NFV) para o 5G, termos que, respectivamente, nomeiam redes que são estabelecidas em ambiente virtual e funções de rede que, também, são criadas e executadas virtualmente.

A tecnologia 5G não melhora somente a velocidade de transmissão, mas também torna a comunicação mais estável, eficiente e disponibiliza novos serviços de Core. Altas frequências (aproximadamente 27 GHz) e MIMO (Multiple Input Multiple Output) são algumas das técnicas que possibilitam esses avanços, no entanto, as antenas de alta frequência possuem curto alcance (300 m).

O componente por trás da infraestrutura que fará o gerenciamento dos dispositivos de usuário e das virtualizações de rede é o Core Network, porém, até o 4G, essa tecnologia ficou restrita às operadoras de telecomunicações. O Core do 5G, chamado de 5G Core, foi concebido de forma a suprir as deficiências do Core do 4G (Evolved Packet Core) e baseia-se em conceitos como micro serviços, nuvem, container, virtualização e automação.

A arquitetura de uma rede 5G Standalone pode ser resumida em Acesso, Core e Rede de Dados. Tal arquitetura pode ser visualizada na Figura 1. O dispositivo que irá acessar a rede 5G é chamado de User Equipment (UE). Diferentemente das gerações anteriores, no 5G os UEs não serão representados apenas por smartphones, mas, sim, por uma ampla gama de dispositivos como sensores, carros e até mesmo robôs cirúrgicos.

Figura 1 – Elementos essenciais de uma rede 5G. Os retângulos representam as funções de rede do Core. Fonte: [2].

De forma genérica, são três as classes de uso que visam ser atendidas pelo 5G: enhanced mobile broadband (eMBB), massive machine-type communication (mMTC) e ultra-reliable and low-latency communication (URLLC). A Figura 2 ilustra as três classes citadas.

Figura 2 – Classes de uso do 5G. Fonte: [3]

Enhanced mobile broadband é a evolução da banda larga móvel existente para suportar maior capacidade de troca de informações. Visa atender áreas densamente povoadas, podendo atingir altas velocidades de envio e recebimento de dados.

Massive machine-type communication é a comunicação entre um grande número de dispositivos, como aplicações de Internet das Coisas. Uma característica comum desse tipo de comunicação é a troca de mensagens de pequeno tamanho, normalmente contendo dados como medições ou comandos para atuadores. Os dispositivos que usufruem desse serviço também necessitam de um baixo consumo de energia, uma vez que uma longa duração de bateria é essencial para a Internet das Coisas.

Ultra-reliable and low-latency communication é a comunicação voltada para serviços que exijam troca de dados em tempo real e com confiabilidade elevada, como carros autônomos, automação industrial e controle de tráfego. A latência, que deve ser menor do que 1 ms, é mais importante do que banda para essas aplicações.

Atenção: O texto acima foi extraído do TCC de Christian Mailer, intitulado Plataforma de CORE 5G em nuvem para disponibilização de funções de rede como serviço, disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/209624.

Referências:

[1] MAILER, Christian. Plataforma de CORE 5G em nuvem para disponibilização de funções de rede como serviço. 2020. 54 f. TCC (Graduação) – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Departamento de Engenharia de Controle, Automação e Computação, Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau, Blumenau, 2020. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/209624. Acesso em: 15 abr. 2021.

[2] ROMMER, S. et al. 5G Core Networks: Powering Digitalization. [S.l.]: Academic Press, 2019.

[3] CHANDRAMOULI, D.; LIEBHART, R.; PIRSKANEN, J. 5G for the Connected World. [S.l.]: Wiley, 2019.