Conceptos Clave y Funcionamiento de Redes Móviles 4G y 5G

Elementos y Protocolos de la Red LTE (4G)

• Interfaz S1-AP: Se encuentra en los eNBs (Evolved Node B) y los MMEs (Mobility Management Entity).
• Serving Gateway (SGW): Encamina y reenvía paquetes de usuario.
• Packet Data Network Gateway (PGW): Se encarga de conectar la red LTE a Internet.
• Non-Access Stratum (NAS): Es el protocolo superior del plano de usuario entre el usuario y el NodeB.
• Radio Access Bearer (RAB): Establece canales de comunicaciones con distintas QoS (Quality of Service).
• Túneles GTP: Ya se usaban en GPRS (General Packet Radio Service).
• MME (Mobility Management Entity): Constituye el elemento principal del plano de control de la red LTE. Se encarga de la gestión de movilidad y selecciona la pasarela a utilizar.
• Mensaje ENBStatusTransfer: Es un mensaje que se intercambia entre el eNB y MME.
• Mensaje UEContexReleaseCommand: Lo envía el MME para liberar recursos en el equipo de usuario.
• Mensaje Create Bearer Request: Sirve para solicitar un nuevo túnel GTP.
• Protocolo S1AP: (S1 Application Part), protocolo de señalización de la capa de aplicación para la interfaz S1. La capa de red de radio consiste en este protocolo.
• NAS-EPS: Protocolo que se utiliza entre el equipo del usuario y el MME para facilitar los procedimientos de gestión de movilidad y de sesiones. El NAS se utiliza para transmitir señales que no son de radio entre el UE y MME.

Elementos que se comunican con los protocolos S1AP y NAS-EPS

Con el protocolo S1AP y NAS-EPS se comunican los UE (User Equipment) con los MME a través de los eNode-B.

Protocolo GTP

¿A qué hace referencia el protocolo GTP?: Manejo de datos y gestión de sesiones en redes móviles. Funciona tanto para transporte como para control de conexiones.

APN (Access Point Name)

Nombre del punto de acceso asociado al suscriptor para la conexión a servicios de datos.

Protocolo NGAP

Utilizado en redes móviles 5G, que conecta la RAN (Radio Access Network) con el núcleo 5G.

LTE (Long Term Evolution)

Estándar 4G de 3GPP. Utiliza técnicas MIMO (Multiple Input Multiple Output). Ancho de banda escalable (1.4 a 20 MHz). Se utiliza todo IP y conmutación de paquetes pura.

Elementos de la Red LTE

• eNode B (Estaciones Base): Soporta las distintas portadoras, controla la asignación dinámica de los enlaces y la movilidad.
• Mobility Management Entity (MME): Soporta la movilidad y selecciona la pasarela a utilizar.
• Serving Gateway (SGW): Soporta la movilidad, selecciona la pasarela a utilizar y aspectos de seguridad.
• Packet Data Network Gateway (PDN GW): Se encarga de encaminar los paquetes hacia/desde las redes externas.
• Policy and Charging Rules Function (PCRF): Asignación de distintas políticas a cada usuario (QoS).
• Home Subscriber Server (HSS): Autorización y autentificación de usuarios.

Otros Conceptos

• IMSI: Identificador del móvil que está siendo registrado.
• UE: Envía una solicitud de desregistro al núcleo de la red.
• RAN: Interfaz de acceso radio.
• 5GC: Núcleo de Red 5G de un sistema 5G.
• VoNR: Parte de voz de 5G (Voice over New Radio).
• SDR: Software Defined Radio.

Estructura de la Red 5G

• UPF (User Plane Function): Pasarela con Internet, encamina, filtra y reenvía paquetes.
• NEF (Network Exposure Function): Recibe y ofrece información segura desde/a otras redes.
• NRF (Network Repository Function): Avisos de red.
• PCF (Policy Control Function): Política de reglas.
• UDM (Unified Data Management): Credenciales de autenticación y acceso.
• AF (Application Function): Encaminamiento, acceso y políticas de control.
• AUSF (Authentication Server Function): Autenticación.
• AMF (Access and Mobility Management Function): Señalización de control entre la red y el dispositivo.
• SMF (Session Management Function): Asignación de direcciones IP.
• NSSF (Network Slice Selection Function): Virtualización, cada usuario tiene necesidades y canales distintos.

Canales Lógicos 5G

• Tráfico:
  • DTCH (Dedicated Traffic Channel): Tráfico de usuario unicast bidireccional.
• Control:
  • BCCH (Broadcast Control Channel): Información del sistema para todos los usuarios.
  • PCCH (Paging Control Channel): Canal de búsqueda de dispositivos.
  • CCCH (Common Control Channel): Transmisión de información de control (bidireccional).
  • DCCH (Dedicated Control Channel): Transmisión de información a/desde un dispositivo.

Comandos Docker para Simulación de Redes

• Preparar los Docker para simular:

  docker compose -f sa-vonr-deploy.yaml up

• Crear el gnb nr simulado:

  docker compose -f nr-gnb.yaml up -d && docker container attach nr_gnb

• Crear el núcleo de red:

  docker compose -f sa-vonr-deploy-config.yaml up

• Crear el equipo de usuario simulado:

  docker compose -f nr-ue.yaml up -d && docker container attach nr_ue

• Ver todos los equipos e interfaces:

  docker compose -f edgeshark.yaml up

• Acceder a la página para usar Wireshark en distintos interfaces:

  http://localhost:5001/w

• Ver todos los nodos dados de alta:

  nr-cli -d

• Comprobar la conectividad con Internet:

  traceroute -i uesimtun0 www.ujaen.es

Docker

Plataforma de software que permite desarrollar y ejecutar aplicaciones dentro de contenedores. Una máquina virtual es mejor cuando se requiere aislamiento o aplicaciones con infraestructura completa.

Sistemas no implementados en el Docker de 5G

La parte de voz de 5G (VoNR).

Diferencias entre 5G y 4G

• Mayor alcance: Se prevén más de un millón de nodos por km². Alcanzará a más usuarios.
• Más velocidad: El 5G consigue velocidades de hasta 20 Gbps (una película en 10 s).
• Menos consumo: Reducción del 90% de energía.
• Baja latencia: Tiempo que tarda en transmitirse un paquete en la red (1 ms).
• Más usuarios conectados: Con 5G pueden conectarse hasta 100 veces más usuarios.

RAB (Radio Access Bearer)

Transmitir algo de un punto a otro (canal que conecta diferentes nodos). Ocurre en el plano del usuario. Los portadores de radio transmiten mensajes RRC y NAS.

RRC (Radio Resource Control)

Se utiliza en UMTS (móvil 3G), LTE y 5G en la interfaz aérea. Protocolo de capa 3 que se utiliza entre la UE y la estación base. Utiliza funciones de señalización para configurar los planos de usuario y el control.

Simulador NS3

Capaz de evaluar la interfaz radio y algunos de los protocolos más importantes que residen en los equipos UE, eNB, MME, SGW y PGW.

Referencias

Trabajo de Fin de Grado de Juan Luis Herreros Bódalo titulado “Herramienta docente para la enseñanza de redes de última generación”.