Por Jessy Cavazos, Marketing de Soluciones de la Industria 5G
La tecnología 5G está revolucionando la red núcleo con nuevos conceptos, como el rebanado de red (slicing) y la computación de borde de acceso múltiple (multi-access edge computingo MEC). Si bien este no es un concepto nuevo en el mundo del 5G, la computación MEC es uno de los principales motores de la adopción de esta tecnología. Permite liberar el tráfico de la red en el borde perimetral, un aspecto clave para lograr la economía del 5G en la prestación de servicios. También ayuda a ahorrar ancho de banda de la red y cumplir con requisitos de baja latencia, entre otros beneficios. Además de utilizar la computación MEC, la red núcleo 5G (5GC) avanza cada vez más hacia el uso de arquitecturas basadas en servicios (SBA) y de la separación del plano del usuario y del plano de control (CUPS) para incrementar la flexibilidad de la implementación. Estos cambios plantean desafíos significativos para los ingenieros. Los operadores de redes móviles (MNO) necesitan una nueva metodología de pruebas para validar la red 5GC.
Descripción de los mecanismos del 3GPP para la implementación de MEC
Antes, los operadores MNO y los fabricantes de equipos de red (NEM) utilizaban cajas, hosts y orquestadores que no seguían las especificaciones del Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP) para implementar la computación MEC. Hoy, el 3GPP ofrece múltiples mecanismos para implementarla, que incluyen el enrutamiento local y dirección de la función de plano del usuario (UPF), la implementación de MEC como una función de aplicación (AF), la continuidad del servicio de sesión (SSC) y la red de datos del área local (LADN).
- La UPF puede tener una función crítica en el enrutamiento local y la dirección del tráfico de red. Una unidad de datos de protocolo (PDU) de sesión puede tener múltiples interfaces N6 para distintas redes de datos. Los clasificadores uplink (UL CL) se encargan de direccionar el tráfico a través de una serie de filtros de tráfico que coinciden con el tráfico dirigido.
- Cuando se implementa MEC como una AF, incide en la (re)selección de la UPF y en el enrutamiento del tráfico en forma directa, utilizando la función de control de políticas (PCF), o en forma indirecta, utilizando la función de exposición de red (NEF). Esta implementación ayuda a monitorear y optimizar la latencia de transmisión y el consumo del ancho de banda de las funciones y los servicios de localización.
- La transferencia del contexto de los usuarios puede ser un problema cuando la activación de los servicios se basa en la localización. Para resolver esto, la SSC habilita la instancia de la aplicación que sirve a un usuario para que cambie a una nueva ubicación. El mecanismo de SSC de 3GPP es de suma importancia para aplicaciones con estado que exigen la transferencia del contexto de los usuarios.
- El mecanismo de LADN de 3GPP para la implementación de MEC en 5G permite que los operadores MNO limiten la disponibilidad de una aplicación a un área geográfica específica. Esta función se necesita, por ejemplo, en aplicaciones de juegos o en servicios de geolocalización. También se puede utilizar para limitar ciertas aplicaciones únicamente a zonas donde se cumplan los requisitos para su ejecución. Por ejemplo, las aplicaciones de realidad aumentada y de realidad virtual tienen requisitos de latencia estrictos.
La adopción de una SBA y de CUPS
La arquitectura SBA es uno de los aspectos revolucionarios de la red 5GC, y tiene 2 representaciones posibles: la representación de punto de referencia y la representación basada en servicios. La representación de punto de referencia describe la interacción de punto a punto entre dos funciones de red (NF). En cambio, en la representación basada en servicios, las NF en el plano de control se habilitan entre sí para interactuar y acceder a sus servicios.
La red 5GC también utiliza el concepto de CUPS que se incorporó a las redes 4G. La metodología CUPS permite que la industria cumpla su objetivo de escalar los planos del usuario y de control por separado. De esta forma, se pueden implementar múltiples entidades de planos de usuarios, independientemente del plano de control. Los componentes del plano del usuario se encuentran más cerca del borde de la red y del usuario. Esto ayudará a cumplir con los estrictos requisitos de latencia de los estándares IMT-2020 y de 3GPP. Además, el método CUPS también permite implementar configuraciones diferentes en diferentes slicesde red. Este es un paso importante en la red 5GC, ya que el mismo punto de referencia se reutiliza en la interfaz N4 entre la función de gestión de sesiones (SMF) y la interfaz de la UPF.
Validación de la nueva red núcleo: 3 áreas cruciales
En la era del 5G, los operadores están desarrollando la red núcleo de una forma diferente. Ya no se desarrolla a partir de pasos incrementales, donde pueden pasar meses entre la incorporación de nodos e interfaces. Desde el lanzamiento de la versión 15 de 3GPP en diciembre de 2017, la industria debe implementar todo el núcleo de una sola vez. Por lo tanto, para validar la red 5GC, se requiere un enfoque holístico.
Al aislar los nodos, los ingenieros pueden poner a prueba interfaces individuales, nodos específicos, grupos de nodos y hasta funcionalidades completas de toda la red 5GC como parte de un enfoque integral. Además, simular equipos de usuarios (UE) entre múltiples nodos es una tarea crítica a la hora de validar funcionalidades y servicios. Entre las áreas de enfoque clave, se incluye poner a prueba la UPF y la función de gestión de la movilidad y el acceso (AMF), así como los nodos de la SBA en diversos escenarios a nivel de los nodos y para evaluación del desempeño.
Al poner a prueba la UPF bajo el modelo de aislamiento de nodos, los nodos operan tanto en el plano del usuario como en el plano de control. La herramienta de pruebas simula la estación base de 5G (gNB), la SMF y la red de datos. Es crítico evaluar el desempeño de la UPF en diversos escenarios. Por eso, los ingenieros deben validar los indicadores clave de desempeño (KPI) tanto en cada nodo individual como en grupos de múltiples nodos. La validación de la calidad de servicio es particularmente importante para la UPF.
En el caso de la función AMF, el equipo del usuario envía información sobre la conexión y la sesión a través de las interfaces N1 y N2. La AMF es responsable de manejar las tareas de gestión de la movilidad y de conexión. Todos los mensajes relacionados con la gestión de sesión se envían por la interfaz de referencia N11 a través de la función SMF. Al evaluar la función AMF, el proceso debe enfocarse en pruebas de capacidad y pruebas funcionales del plano de control. Para probar la AMF de forma aislada, es necesario poner a prueba la coordinación de las interfaces N1/N2 desde la gNB y la simulación de los nodos de la SBA. La AMF se debe probar en distintos escenarios de desempeño y a nivel de los nodos.
Al igual que con las pruebas para las funciones UPF y AMF, para probar los nodos de una SBA, también se deben implementar varios escenarios de prueba de desempeño y a nivel de los nodos. A nivel de los nodos, es importante poner a prueba el registro para la función de repositorio de la red (NRF), la conmutación en caso de fallas de los nodos y el escalamiento elástico. En cuanto al desempeño, es importante validar la tasa de diversos procedimientos para la autenticación de EU y la gestión del contexto, así como para la gestión de datos de suscriptores. Los nodos de la SBA tienen un doble rol, ya que están dedicados a la producción y al consumo. Por lo tanto, para tener un verdadero enfoque holístico, es esencial validar ambos roles.
Cómo superar los desafíos de la red 5GC
Con la aprobación de las opciones no independientes (NSA) en diciembre de 2017, el 3GPP aceleró la implementación del 5G. Sin embargo, estas opciones de implementación utilizan la estación base de evolución a largo plazo (LTE) para conectarse al núcleo de paquete evolucionado (EPC), lo que aumenta la carga sobre la infraestructura 4G existente.
Existen múltiples opciones de implementaciones NSA para elegir. Los operadores también pueden seleccionar directamente opciones SA e implementar la red 5G en paralelo a la tecnología 4G. Si bien las diferentes opciones ofrecen flexibilidad, también implican mayor complejidad. Además, se espera que la red 5GC pueda acompañar la explosión de los dispositivos celulares de la Internet de las Cosas (IoT), el crecimiento masivo del tráfico de la red y las aplicaciones en tiempo real. De esta forma, la tecnología 5G representa un crecimiento exponencial en la complejidad técnica.
Sin embargo, la implementación de redes móviles 5G está creciendo cada vez más rápido. En la carrera por el 5G, los operadores necesitan tener la capacidad de emular entornos del mundo real para probar las redes 5GC y descubrir defectos en las etapas tempranas. Deben facilitar la integración y el desarrollo continuos (CD/CI) mediante la automatización. Más importante aún, la red 5GC debe ser probada en todas las etapas del flujo de trabajo. Las pruebas deben abarcar el diseño, el desarrollo, la implementación y el mantenimiento. Esta tendencia plantea la necesidad de herramientas de pruebas que cubran todo el ciclo de vida del producto y que generen resultados trazables y repetibles en cada fase.
