Evolu¸ c˜ ao da arquitetura 4G

No documento Isabela Lopes Miranda Nathalia Medeiros Gomes da Silva (páginas 31-37)

Com a necessidade de maior flexibilidade e escalabilidade, foi introduzida pelo 3GPP, noRelease 14, a evolu¸c˜ao da rede n´ucleo EPC tradicional para EPC CUPS (Con-trol and User Plane Separation), com separa¸c˜ao dos planos controle e de usu´ario. Isso foi poss´ıvel porque alguns dos componentes requerem mais recursos de controle, como sinaliza¸c˜ao. Outros podem precisar de pouca sinaliza¸c˜ao, por´em com alta demanda de tr´afego de dados [25]. Com o surgimento do conceito de SDN (Software Defined Network) e NFV (Network Functions Virtualization), a separa¸c˜ao desses planos foi viabilizada. Tais conceitos citados s˜ao detalhados nas Se¸c˜oes 3.1 e 3.2.

EPC CUPS possibilita um uso mais eficiente da rede, uma vez que concentra o plano de controle centralizando suas fun¸c˜oes, e deixa o tr´afego de dados, que ´e o maior interesse do usu´ario, livre para desempenhar seu papel de entregar acesso aos servi¸cos e aplica¸c˜oes. Al´em disso, o uso do CUPS possibilita a expans˜ao independente de elementos de plano de usu´ario, sem necessidade de fazer o mesmo para elementos de plano de controle [24]. No EPC tradicional, os elementos que sofrem essa separa¸c˜ao, s˜ao S-GW e P-GW, com SGW-C e PGW-C para o plano de controle e SGW-U e PGW-U para o plano de usu´ario.

A partir do CUPS, pode-se colocar os planos de usu´arios mais pr´oximos da borda da rede, introduzindo o conceito deedge computing, pois permite que as aplica¸c˜oes tenham menor tempo de resposta. Desse modo, o CUPS torna-se um dos primeiros passos para o in´ıcio da implementa¸c˜ao da rede para o 5G. Na Figura 2.4, conseguimos analisar que a separa¸c˜ao dos planos ocorre nos elementos citados no par´agrafo anterior.

2.5.3 Arquitetura 5G

O 5G usa uma arquitetura de n´ucleo, conhecida como 5GCore (5GC), que enfatiza o NFV, computa¸c˜ao em nuvem nativa (Cloud Native) e SDN como conceitos fundamentais para compor a implementa¸c˜ao da infraestrutura MEC (Multi-Access Edge Computing), ou seja, computa¸c˜ao na borda de acesso m´ultiplo, sendo foco central para os princ´ıpios da arquitetura da quinta gera¸c˜ao [26].

Figura 2.4: EPC CUPS. Adaptado de [24].

Solu¸c˜oes de implementa¸c˜ao

Foram propostas duas solu¸c˜oes pelo 3GPP para a nova gera¸c˜ao. S˜ao elas:

• 5G Non Standalone (NSA) - utiliza o acesso ao r´adio LTE existente, como suporte para gerenciamento de mobilidade e cobertura, e o 5G NR, conhecido como dupla conectividade, com a infraestrutura do 4G. ´E uma solu¸c˜ao que permite

implementa-¸c˜ao mais r´apida, uma vez que usa uma infraestrutura j´a existente, e que custa mais barato para as operadoras.

• 5G Standalone (SA) - utiliza rede 5GC com acesso ao r´adio NR, ou seja, com infraestrutura independente do 4G, que ser´a capaz de desempenhar de fato as novas funcionalidades relacionadas ao fatiamento da rede com base nos servi¸cos.

Para aplicar essas solu¸c˜oes, foram estabelecidas algumas op¸c˜oes pelo 3GPP. Para o 5G NSA, pode-se visualizar as descri¸c˜oes abaixo e as figuras correspondentes, onde as linhas cheias representam o plano de usu´ario e as tracejadas o plano de controle:

Op¸c˜ao 3 - usa a rede EPC e a interface de r´adio LTE como principal e 5G NR como

13 secund´aria. ´E representada pela Figura 2.5a.

Op¸c˜ao 4 - usa a rede 5GC e a interface de r´adio 5G NR como principal e a LTE como secund´aria. ´E representada pela Figura 2.5b.

Op¸c˜ao 7 - usa a rede 5GC e a interface de r´adio LTE como principal e 5G NR como secund´aria. ´E representada pela Figura 2.5c.

(a) Op¸c˜ao 3 (b) Op¸c˜ao 4 (c) Op¸c˜ao 7

Figura 2.5: Op¸c˜oes do NSA. Adaptado de [24].

Para o 5G SA, pode-se visualizar as descri¸c˜oes abaixo e as figuras correspondentes, onde as linhas cheias representam o plano de usu´ario e as tracejadas o plano de controle:

Op¸c˜ao 2 - usa a rede 5GC e a interface de r´adio 5G NR exclusivamente. ´E representada pela Figura 2.6a.

Op¸c˜ao 5 - usa a rede 5GC e a interface de r´adio LTE exclusivamente. ´E representada pela Figura 2.6b.

(a) Op¸c˜ao 2 (b) Op¸c˜ao 5

Figura 2.6: Op¸c˜oes de SA. Adaptado de [24].

5G Core

Como evolu¸c˜ao da arquitetura de n´ucleo EPC, os seguintes elementos principais da arquitetura baseada em servi¸cos da rede de n´ucleo 5GC [24] [3] podem ser verificados pela Figura 2.7:

• AMF (Access and Mobility Management Function): respons´avel pelas tarefas de conectividade, gerenciamento de mobilidade, autentica¸c˜ao e autoriza¸c˜ao do usu´ario.

Possui parte das funcionalidades do MME, SGW-C e PGW-C no EPC CUPS.

• SMF (Session Management Function): desempenha a funcionalidade de gerencia-mento da sess˜ao de acordo com as pol´ıticas de controle com a fun¸c˜ao de plano do usu´ario. Possui parte das funcionalidades do MME, SGW e PGW no EPC.

• UPF (User Plane Function): realiza opera¸c˜oes de roteamento e encaminhamento de pacotes para a rede externa de dados e aloca¸c˜ao de endere¸cos IP. Possui parte das funcionalidades do PGW-U do EPC CUPS.

• NSSF (Network Slice Selection Function): provˆe a aloca¸c˜ao de recursos das fatias

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Figura 2.7: Arquitetura baseada em servi¸cos da rede de n´ucleo 5GC. Adaptado de [24].

de rede, determinando o conjunto de AMF para o equipamento de usu´ario.

• NRF (Network Repository Function): suporta a descoberta das fun¸c˜oes de rede e seus servi¸cos.

• NEF (Network Exposure Function): fornece um meio para expor de forma segura os servi¸cos suportados pelas fun¸c˜oes de energia, promovendo comunica¸c˜ao segura.

• PCF (Policy Control Function): unifica as pol´ıticas de rede e promove regras para as fun¸c˜oes do plano de controle. Possui parte das funcionalidades do PCRF no EPC.

• UDM (Unified Data Management): lida com as subscri¸c˜oes do usu´ario e servi¸cos de identifica¸c˜ao, possuindo parte das funcionalidades do HSS no EPC.

• UDR (Unified Data Repository): banco de dados que possui as informa¸c˜oes dos usu´arios.

• UDC (User Data Convergence): composto pelos elementos UDR, UDM, AUSF e PCF.

• AUSF (Authentication Server Function): ´e um servidor que realiza procedimentos de autentica¸c˜ao. Possui parte das funcionalidades do HSS no EPC.

• AF (Application Function): ´e respons´avel por verificar as aplica¸c˜oes classificadas como confi´aveis para a operadora.

Essa abordagem do 5GC permite que o volume de tr´afego de dados seja roteado na borda da rede, atrav´es de UPFs distribu´ıdos geograficamente para que estejam pr´oximos dos usu´arios, possibilitando que o plano de controle possa estar centralizado com seus servi¸cos espec´ıficos, ancorando esses UPFs. Atrav´es do conceito de distribui¸c˜ao dos planos de usu´arios, ´e poss´ıvel prover aplica¸c˜oes MEC.

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