IMT a životní cyklus sítí 5G: Architektura, návrh, nasazení a operace Počítačový Kurz

Den 1

1. Úvod a přehled ekosystému

• Mnohoúhelníkové pohledy na standard 5G: obchodní, standardizace, implementace, transport, RAN, Core, DevOps.

• Zjednodušení souvisejících pojmů: 5G, IMT-2020, NG-RAN, NR, 5GC, 5GS.

• Generační kontinuita mobilních sítí: plynulý vývoj z 4.5G do 5G v rámci vydání 3GPP Releases 15–17.

2. Vize IMT-2020

• UE jako hnací síla změn a zdroj nových požadavků: rozšíření definice UE o IoT/mMTC (senzory), zařízení RedCap (kamery) a UAV (drony).

• Omezení 4G/LTE, nedostatečná flexibilita EPC a výzvy transportních sítí.

• Pozoruhodné požadavky eMBB, URLLC a mMTC: scénáře použití a jejich dopad na RAN a Core.

• Obecné systémové požadavky definující síť 5G.

• Příční schopnosti: Network Slicing, 5QI, CUPS, Multi-access Edge Computing (MEC) a Privacy by Design.

3. Fyzikální základy komunikace UE s NG-RAN

• Základní rádiové koncepty: Buňka (Cell), Pásmo (Band), Šířka kanálu (Channel Width).

• Základy připojení UE k síti: rádiový protokolový protokol, MIB/SIB, mechanismus výběru buňky a fyzická vrstva.

• Inicializace spojení: RACH (Msg 1-4), Paging, RRC.

4. Architektura NG-RAN

• Logické rozdělení gNB na CU a DU.

• Možnosti funkčního rozdělení (Functional Split) a jejich důsledky.

• O-RAN jako alternativní/referenční rámec a standard pro interoperabilitu RAN.

• Oddělení řídicí roviny (Control Plane) a uživatelské roviny (User Plane).

• Protokol RRC a jeho role při koordinaci operací UE v NG-RAN a tunelování NAS.

5. Mechanismy a postupy NG-RAN

• PDCP a rádiové néšače (Radio Bearers).

• Měření: konfigurace, reportování a využití v jiných postupech.

• RRC Reconfiguration jako klíčový postup pro všechny operace NG-RAN.

• Agregace nosičů (Carrier Aggregation) a kombinace pásma (Band Combination).

• Role AMF při koordinaci NG-RAN, protokol NGAP.

• Postupy handoveru.

Den 2

1. Základy transportní sítě

• Komplexita transportního inženýrství a demystifikace mytu „jen kabely“: IP/MPLS jako jádrová technologie.

• Rozdělení do Fronthaul, Midhaul a Backhaul: požadavky, očekávání a aplikace (včetně eCPRI).

• Mapování 5QI z domény 5GS na QoS IP routerů.

• Distribuce a synchronizace času a fáze pro rádiové vysílání pomocí PTP (IEEE 1588).

2. Vnitřnosti architektury SBA jako základu 5GC

• Klasický IT stack: HTTP/2, JSON, OAuth2.

• Mechanismy komunikace funkcí jádra sítě: Request-Response vs. Subscribe-Notify.

• Klíčové NFs z perspektivy zpracování přístupu a terminace provozu z NG-RAN: NRF, AMF, SMF, UPF.

• NRF jako klíčový koordinátor: Registrace služby, Objev služby.

• (Konceptuální přehled) Bezstavový stav architektury a ukládání stavu pro libovolnou NF pomocí UDSF.

• (Konceptuální přehled) Vyvážení zátěže a mechanismy proxy prostřednictvím SCP.

3. Cesta dat a oddělení uživatelské roviny

• Proudění dat od UE do 5GC: korelace rozhraní NG-RAN (N2, N3) s NFs (AMF, SMF, UPF).

• AMF jako vstupní brána pro řídicí rovinu (terminace a demultiplexování signalizace NAS a NGAP).

• UPF jako jádro uživatelské roviny: implementace routingu uživatelských dat a enkapsulace tunelu GTP-U.

• Postup založení PDU Session: Koncový průběh volání včetně alokace QoS Flow.

• Rozhraní N4 (protokol PFCP), alokace TEID a pravidla (PDR, FAR) propojující rádiový provoz s externími datovými sítěmi (DN).

4. Správa předplatného, identita a strategie služeb

• Databáze: UDR pro strukturovaná data a UDM pro logiku zpracování předplatného.

• Proces autentizace 5G-AKA zahrnující AUSF, výměnu klíčů NAS a mechanismus SUCI.

• PCF jako správce a distributér strategií: strategie seance, mobility a SLA.

• Navázání PDU session na instance PCF prostřednictvím BSF — klíčová funkce pro IMS/VoNR.

5. Rozdělení sítě (Network Slicing)

• Úvod do Network Slicing, nastavení identifikátoru parametru S-NSSAI.

• Mechanismy výběru instancí AMF a SMF na základě profilu služby prostřednictvím NSSF.

• Úvod do MEC, Uplink Classifier (UL CL) / Bod větvení v UPF.

6. Externí expozice 5GC a API

• SEPP pro zabezpečení roamingového provozu.

• Přístup mimo 3GPP: provoz předplatného pocházející mimo NG-RAN prostřednictvím N3IWF.

• Expozice a integrace s externími aplikačními funkcemi (AF) prostřednictvím NEF.

7. Analýza vybraných koncovo-koncových scénářů

• Počáteční registrace a založení PDU Session: dotazování NRF, identifikace AUSF, načítání předplatného z UDM a strategií z PCF.

• Požadavek na přepnutí cesty a postup přesunu UPF pro aktivní seance při handoveru mezi gNB.

• Mechanismus Uplink Classifier (UL CL) na úrovni UPF a SMF pro scénáře MEC a routování Local Breakout (LBO).

• Paging a síťová spuštěná služební požadavka probuzující UE z iniciativy UPF v reakci na sestupný provoz.

Den 3

1. Přechodová architektura

• Přehled architektur EPC a E-UTRAN.

• Možnosti nasazení 5G (Standalone SA a Non-Standalone EN-DC).

2. Soužití 5GS a EPS

• Mechanismy EPS Fallback a Redirect.

• Hybridní implementace (PGW-C+SMF a PGW-U+UPF).

• Rozhraní N26 pro postupy Inter-System Handoveru mezi MME a AMF.

• Analýza EN-DC jako dominující varianty MR-DC (Multi-RAT Dual Connectivity).

• DSS (Dynamic Spectrum Sharing) jako mechanismus sdílení spektra.

3. Telemetrie, počítadla a korelace dat

• Monitorování jevů pomocí počítačů (Counters) a jejich agregace do KPI.

• Přístupy k hodnocení správnosti postupů: Poměr úspěšnosti, Poměr selhání, absolutní vs. procentuální hodnoty.

• Korelace událostí: sledování komplexních postupů bez dedikovaných počítadel.

• Normalizace dat a širší perspektiva řádů veličin.

4. Diagnostika anomalií a analýza logů

• Identifikace problémů naznačujících chyby softwaru nebo konfigurace (např., "Sleeping Cell").

• Statistická odchylka a mapování Cause Values z protokolů 3GPP pro identifikaci kořenových příčin selhání.

5. Chaos Engineering a řešení potíží

• Základy správy open-source implementace 5GC v dev/cloud prostředí.

• Testování cloud-native paradigmatu: nahrazení klíčových mikroslužebních prvků bez přerušení provozu.

• Záměrná injecte selhání a pozorování chování při přechodu na záložní systém (failover).

• Simulace degradace NG-RAN a korelace logů na straně AMF.