Laboratório de Comunicações Sem Fio

O modelo da (QoS) do 5G é baseado em fluxos de QoS, que possuem identificadores únicos. Existem dois tipos de fluxos: com GBR (Taxa de Bits Garantida) e sem GBR. Esses fluxos são utilizados para diferenciar o tratamento de tráfego de usuário. No nível do usuário, os pacotes são filtrados e mapeados para os fluxos de QoS. No nível de acesso, os fluxos de QoS são mapeados para as Portadoras de Rádio de Dados (DRBs). Cada fluxo de QoS possui um perfil com parâmetros e características que podem ser padronizadas ou configuradas dinamicamente [1].

Parâmetros da QoS

Cada fluxo de QoS possui um identificador único chamado Identificador de Fluxo de QoS (QFI). Existem dois tipos de fluxos: Fluxos de QoS com Taxa de Bits Garantida (GBR) e Fluxos de QoS não GBR. O Fluxo de QoS é a menor granularidade de diferenciação de QoS na Sessão PDU. O tráfego da Plataforma do Usuário (UP) com o mesmo QFI recebe o mesmo tratamento de encaminhamento. Cada fluxo de QoS possui um perfil de QoS que inclui parâmetros de QoS e características deles. Os parâmetros aplicáveis dependem do tipo de fluxo GBR ou não GBR. As características de QoS são padronizadas ou configuradas dinamicamente [1,2]. Os parâmetros da QoS para o 5G (5QI) estão listados nos Quadros 1, 2 e 3.

Quadro 1 – Mapeamento padronizado de 5QI para características de QoS com recurso GBR [6].

Quadro 2 – Mapeamento padronizado de 5QI para características de QoS com recurso Non-GBR [6].

Quadro 3 – Mapeamento padronizado de 5QI para características de QoS com recurso Delay Critical GBR [6].

Alguns Detalhes importantes para ressaltar:

• Identificador de QoS 5G (5QI): Um identificador para características de QoS que influenciam pesos de agendamento, limites de admissão, limites de gerenciamento de fila, configuração do protocolo de camada de enlace, etc.
• Prioridade de Alocação e Retenção (ARP): Informações sobre nível de prioridade, capacidade de substituição (pode substituir recursos atribuídos a outros fluxos de QoS) e vulnerabilidade à substituição (pode ser substituído por outros fluxos de QoS).
• Taxa de Fluxo Garantida (GFBR): Medida ao longo da Janela de Tempo Médio. Recomendado como a taxa de bits mais baixa na qual o serviço sobreviverá.
• Taxa de Fluxo Máxima (MFBR): Limita a taxa de bits ao máximo esperado por este fluxo de QoS.
• Taxa Máxima de Bits Agregada (AMBR): Session-AMBR é por sessão PDU em todos os seus fluxos de QoS. UE-AMBR é para cada UE.
• Controle de Notificação de QoS (QNC): Configura a NG-RAN para notificar o se o GFBR não puder ser atendido. Útil se a aplicação puder se adaptar às condições em mudança. Se perfis de QoS alternativos forem configurados, a NG-RAN indica se um deles corresponde às métricas de desempenho atualmente atendidas.
• Taxa Máxima de Perda de Pacotes: No [3], isso é limitado à mídia de voz.
• Packet Error Loss Rate (PELR): A Taxa de Perda de Erros de Pacote (PELR) é uma métrica que estabelece um limite superior para a taxa de perda de pacotes que ocorrem devido a erros no nível da camada de enlace de uma rede. Ele representa a proporção de Unidades de Dados de Serviço (SDUs) processadas pelo remetente de um protocolo de camada de enlace, mas que não são entregues com sucesso pelo receptor correspondente à camada superior [4]
• Packet Delay and Budget (PDB): Define um limite superior para o tempo que um pacote pode ser atrasado entre o UE (Equipamento do Usuário) e o ponto de terminação N6 na UPF. O PDB se aplica ao pacote DL recebido pela UPF na interface N6 e ao pacote UL enviado pelo UE. Para um determinado 5QI, o valor do PDB é o mesmo no UL e DL [5].

Saiba mais sobre slicing, uma das tecnologias importantes para QoS em 5G, no seguinte artigo: Fatiamento de Rede (slicing) no 5G

Atenção: O texto acima foi extraído do TCC de Douglas Liao, intitulado Implementação de QoS em rede 5G através do Network Slicing, disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/248721.

Referências:

[1] LIAO, Douglas. Implementação de QoS em rede 5G através do Network Slicing.  2023. 75 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/123456789/248721. Acesso em: 13 jul. 2023.

[2] DEVOPEDIA. 5G Quality of Service. 2021. Disponível em: https://devopedia.org/5g-quality-of-service. Acesso em: 6 jun. 2023.

[3] 3GPP. Release 16. 2020. Disponível em: https://www.3gpp.org/specifications-technologies/releases/release-16. Acesso em: 6 jun. 2023.

[4] 3GPP. Digital cellular telecommunications system. 2011. Disponível em: https://www.etsi.org/deliver/etsi%5C_ts/123200%5C_123299/123203/09.09.00%5C_60/ts%5C_123203v090900p.pdf. Acesso em: 6 jun. 2023.

[5] 3GPP. 5G QoS characteristics. 2022. Disponível em: https://www.tech-invite.com/3m23/toc/tinv-3gpp-23-501%5C_za.html. Acesso em: 6 jun. 2023.

[6] 3GPP. 5G; System architecture for the 5G System (5GS). TS 23.501, version 17.9.0, Release 17, July. 2023. Disponível em: https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/123500_123599/123501/17.09.00_60/ts_123501v170900p.pdf. Acesso em: 22 jul. 2022.

O termo NON3GPP se refere a redes de comunicação que não são padronizadas pelo 3GPP. Isso inclui uma ampla variedade de tecnologias e redes sem fio que não seguem os padrões e especificações estabelecidos, como redes de acesso sem fio não licenciadas como Wi-Fi, redes ad-hoc, redes satelitais, redes de sensores sem fio, entre outras.

Os UEs são capazes de se conectar à rede principal 5G por meio de redes de acesso NON3GPP, como o IEEE Wi-Fi 802.11, usado para redes locais sem fio WLANs. A versão 15 realizada pela 3GPP oferece suporte para acesso em redes sem fio não confiáveis, em que a rede principal 5G assume que a rede de acesso não é segura. Já a versão 16 estende esse suporte para redes sem fio confiáveis e para acesso com fio. Embora o acesso NON3GPP começou a ser especificado na versão 8 do padrão 3GPP durante a era do 4G, a arquitetura 5G está mais alinhada com o acesso. A Figura 1 apresenta as funções de rede mais importantes nessa arquitetura [1,2].

 
Figura 1 – Arquitetura de acesso para rede NON3GPP [1].

Nessa arquitetura, o termo 5G-AN (5G Access Network) abrange tanto as redes de acesso 3GPP NG-RAN quanto as redes de acesso NON3GPP, como Wi-Fi. Em ambos os casos, o servidor AMF (Access and Mobility Management Function) controla o dispositivo móvel e realiza a autenticação dele junto ao AUSF (Authentication Server Function). O AMF se comunica com o dispositivo móvel através do ponto de referência N1 e com a rede de acesso através do ponto de referência N2, utilizando os mesmos procedimentos de sinalização que utiliza para o acesso 3GPP [1,2].

N3IWF

No núcleo do 5G existe uma função de rede nova, conhecida como N3IWF (Non3GPP Interworking Function), que possibilita a incorporação de redes que não estão incluídas no acesso estabelecido pelo 3GPP, isto é, permite a conexão das redes NON3GPP ao núcleo da rede 5G.

O N3IWF cria novos pontos de referência N2 e N3. Essa função atua como uma interface entre a rede de acesso e o núcleo 5G, protegendo as comunicações do dispositivo móvel na rede de acesso. Para tanto, estabelece um túnel seguro para o dispositivo móvel utilizando mensagens de sinalização sobre um ponto de referência chamado NWu [1,2].

Essa função é geralmente implementada em gateways ou pontos de interconexão. Essa interconexão é feita através do estabelecimento de túneis IKEv2 (Internet Key Exchange version 2) e IPsec (IP Security Protocol) entre N3IWF e UE [1,3]. A Figura 1 ilustra a utilização do N3IWF para conectar uma rede não 3GPP ao núcleo 5G.

NWu

NWu é um componente chave na configuração de uma rede móvel que conecta dispositivos através de acessos NON3GPP, a uma rede móvel 3GPP, como uma rede 5G.

O NWu é um túnel seguro e criptografado IPsec que é estabelecido entre o UE e um elemento de rede chamado N3IWF. O propósito deste túnel NWu é permitir que o tráfego de sinalização e de dados seja encaminhado entre o dispositivo e a rede móvel.

O NWu é estabelecido sobre duas outras conexões, Y1 e Y2, que o UE utiliza para se conectar à rede NON3GPP e depois à Internet, respectivamente. A conexão Y1 é tipicamente uma interface aérea WiFi, e a Y2 pode ser a própria Internet pública. Essas conexões Y1 e Y2 não são controladas nem especificadas pela 3GPP.

Em outras palavras, o NWu é uma solução de tunelamento seguro que permite a um dispositivo usar acessos de redes NON3GPP para se conectar a uma rede móvel 3GPP. O tráfego de dados é roteado através deste túnel NWu, de modo que o dispositivo possa interagir com a rede móvel como se estivesse conectado diretamente a ela [1].

Atenção: O texto acima foi extraído do TCC de 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] 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.

[2] COX, C. An Introduction to 5G: The New Radio, 5G Network and Beyond. [S.l.]: Wiley, 2020. P. 19, 37. ISBN 9781119602682

[3] 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: 13 jul. 2023.

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.