5G: Arquitectura Basada en Servicios

Cuando nos preguntamos ¿qué es 5G? Es posible encontrar respuestas muy diversas, pero algo en lo que todo el mundo está prácticamente de acuerdo es que es una tecnología, para algunos, revolucionaria y para otros muy difícil de aplicar en casos reales. Pero tal vez esta contradicción surge de analizar 5G desde un punto de vista incompleto o tal vez solo considerando que es el siguiente paso en la evolución de las redes móviles, después de 4G.

5G incluye un sin número de novedades, un nuevo sistema de radio, definiciones de servicio sumamente exigentes y una concepción totalmente nueva que da lugar a una flexibilidad nunca antes vista. Pero ya desde la promesa de servicios se ve que tiene que tener un motor muy potente para poder cumplirlas, como se ve en el gráfico de ITU sobre IMT-2020, que fue la inspiración para crear 5G:

Para conseguir esto se necesitan muchas cosas, pero una de las más importantes y que no solo afecta a las redes inalámbricas es su arquitectura enfocada en servicios. La llamada SBA o Service Based Architecture, que si bien comparte algunos conceptos con SOA, o la arquitectura orientada a servicios de los 90, en 5G se reinterpreta juntando sus conceptos base con las tecnologías de microservicios y el concepto de nativa para la “nube” omnipresente.

De esta manera se obtiene una arquitectura increíblemente escalable, mucho más abierta, extensible, modular y con una granularidad mucho más fina y bajo acoplamiento, lo que permite reducir costos operativos y mejorar el time to market de los nuevos servicios. Convirtiéndose así, en una candidata muy buena para, finalmente, hacer converger las tecnologías de las redes cableadas con las inalámbricas (WWC por sus siglas en inglés).

Nota: No confundir con la convergencia fijo/móvil, que prometía hace años IMS. Los usuarios consumen servicios fijos y móviles, pero las redes siempre están fijas y la diferencia principal es si son o no cableadas. Por ejemplo el FWA o acceso fijo inalámbrico ofrece un servicio a un hogar (consumo principalmente estacionario) por medio de una red no cableada, que normalmente se utiliza para servicios móviles. En este caso el concepto de WWC permitirá a medios de acceso cableados actuales, como la fibra óptica (xPON) y el cable (DOCSIS) converger en un core unificado 5G.

5G se basa en el concepto de funciones de red (NF), ortogonales y autocontenidas, que exponen y consumen servicios para otras NF. Las funciones de red principales se asignan a una sola entidad NF. La arquitectura define un marco de conectividad flexible entre las NF que no se basa en interconexiones predefinidas, permitiendo que los nuevos escenarios de uso se introduzcan siguiendo el concepto de plug and play. Las NF a su vez son programables y automatizables (ver los artículos anteriores de esta serie) simplificando mucho la operación.

Para que todo lo anterior sirva y permita cumplir con lo que ofrece 5G tiene que acompañarse de algunos otros principios de diseño, como son: separación de la capa de usuario de la capa de control, separación entre las unidades de cómputo y de almacenamiento de datos, permitiendo una implementación stateless de estas funciones y separar claramente las capas de acceso, core y datos de la red, entre otros.

El entorno en el que estas funciones de red y sus servicios interactúan es lo que 3GPP (3GPP TS 23.501) llama SBA o arquitectura basada en servicios.

Gráfico basado en [1]

Para cumplir con estos requisitos, el paradigma básico es que cada función de red proporcione sus servicios a través de interfaces de programación (API). Cada instancia de la NF debe registrarse como proveedor de estos servicios en una función de repositorio central y para todas las NF, para que sea posible utilizar estos servicios solo consultando el repositorio central sobre las instancias que brindan los servicios necesarios.

Para que la red sea programable, es aquella en la que los servicios de sus NF y los datos que almacenan se puedan adaptar según las necesidades de las aplicaciones, Para conseguir esto es necesario coordinar como cada caso de uso utiliza los recursos disponibles en la red, así como sus parámetros, independientemente de otros casos de uso. Esta funcionalidad se llama Slicing y es clave para los sistemas 5G en los que utilizando la misma red física es posible definir casos de uso diferentes según diferentes segmentos de clientes, por ejemplo clientes residenciales y clientes corporativos.

En el gráfico anterior debemos agregar la base de datos en donde las NF depositan sus datos y una entidad (función) que permite autenticar y autorizar el uso externo de los servicios expuestos por el sistema.

Gráfico basado en [1]

En el diagrama de las funciones principales del 5GC, es decir de las funciones core del sistema 5G, las funciones anteriores se llaman:

Gráfico tomado de [2]

Algunas NF importantes para el funcionamiento del sistema son:

Estas definiciones son de muy alto nivel y solo con el objeto de ir conociendo la terminología, pero se recomienda estudiarlas más profundamente para entender el funcionamiento del ecosistema 5G.

Se utilizan protocolos ampliamente conocidos, como HTTP/2, TCP, JSON, REST para las interfaces entre las funciones, como muestra el siguiente ejemplo:

Gráfico tomado de [2]

Como comentábamos antes, el poder de esta forma “abierta”, flexible, escalable y elástica de trabajar permite incorporar funciones para soportar controlar redes de acceso cableadas, como GPON o DOCSIS por medio de otras funciones de red como la AGF (Access Gateway Function), que será objeto de un próximo artículo.

Finalmente algunos habrán notado similitudes con el service mesh de la infraestructura de microservicios, lo que da pistas sobre cómo pueden implementarse estas funciones y sus interacciones, nativamente con tecnologías de nube.

Autor: Ing. Gabriel Carro (gcarro@stechs.io)

Acrónimos:

3GPP: 3rd Generation Partnership Project. Es un término genérico para una serie de organizaciones de estándares que desarrollan protocolos para telecomunicaciones móviles.

API: Application Program Interface, es un conjunto de funciones y procedimientos que permite la creación de aplicaciones que pueden acceder a otras aplicaciones o servicios

CSP: Communication Service Provider. Proveedor de Servicios de Comunicaciones. Es la evolución de las empresas telefónicas y los cable operadores.

DOCSIS: Data Over Cable Service Interface Specification, Es el estándar sobre el que operan los servicios IP sobre redes de cable HFC

eMBB: enhanced Mobile Broadband. Atributo de las redes móviles 5G que permite conexiones de banda ancha de muy alta velocidad.

FWA: Fixed Wireless Access. Sistemas que ofrecen conectividad a clientes fijos utilizando redes de acceso inalámbricas.

FTTH: Fiber to the Home. Red de acceso basada en redes de fibra óptica tipo PON.

HFC: Hybrid Fiber Coaxial. Son las redes de acceso de los cableoperadores, basado en fibra óptica y cable coaxial.

HTTP: Hypertext Transfer Protocol, es un protocolo de comunicaciones que permite la transferencia de información, principalmente utilizado en la comunicación con servidores Web.

IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers. El Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrónica, es la organización técnica profesional más grande y prestigiosa del mundo, fundada en New York, el 13 de mayo de 1884, por un grupo de profesionales, como Thomas Alva Edison, Alexander Graham Bell y Franklin Leonard Pope. (Fuente IEEE).

IMS: Internet Multimedia Subsystem, fue un intento por integrar todos la telefonía y los servicios multimedia sobre redes IP, llamadas redes de nueva generación. En la actualidad tiene principalmente aplicación en redes de voz.

IMT-2020: International Mobile Telecommunications-2020. Son los requisitos emitidos por el Sector de Radiocomunicaciones de la ITU en 2015 para redes, dispositivos y servicios 5G.

ITU: International Telecommunication Union. Es un organismo especializado de las Naciones Unidas responsable de todos los asuntos relacionados con las tecnologías de la información y las comunicaciones.

JSON: JavaScript Object Notation, es un formato de texto sencillo para el intercambio de datos. Se trata de un subconjunto de la notación literal de objetos de JavaScript, aunque, debido a su amplia adopción como alternativa a XML, se considera (año 2019) un formato independiente del lenguaje (Wikipedia)

NF: Network Function, en el contexto de este trabajo se refiere a las funciones de red que forman el SBA

M2M: Machine to Machine. ``Máquina a Máquina’’ es un concepto genérico que se refiere al intercambio de información o comunicación en formato de datos entre dos máquinas remotas.

mMTC: massive Machine Type Communications. Se refiere a la capacidad de las redes móviles 5G de soportar cantidades masivas (más de un millón por km²) de dispositivos con bajo volumen de datos intercambiados

NSA: Non Standalone. Se refiere a los primeros pasos de la evolución de las redes para servicios móviles en los que se utilizan las capacidades de la radio comunicación mientras que se sigue utilizando el control de las redes 4G.

PON: Passive Optical Network. Son redes de acceso basadas en fibra óptica que no contienen ningún elemento activo (alimentado eléctricamente) en la planta externa.

RAN: Radio Access Network. Es la red de acceso inalámbrico de las redes celulares. Estas redes han sido estandarizadas por ITU e IEEE.

REST: Representational State Transfer, Si bien el término REST se refería originalmente a un conjunto de principios de arquitectura, en la actualidad se usa en el sentido más amplio para describir cualquier interfaz entre sistemas que utilice directamente HTTP para obtener datos o indicar la ejecución de operaciones sobre los datos, en cualquier formato (XML, JSON, etc) sin las abstracciones adicionales de los protocolos basados en patrones de intercambio de mensajes (Wikipedia).

SA: Standalone. Es la evolución de las redes 5G en las que es posible establecer comunicaciones completas basadas en esta tecnología, sin necesidad de contar con el auxilio de 4G.

SBA: Service Based Architecture, Arquitectura basada en Servicios

SOA: Service Oriented Architecture, Arquitectura orientada a Servicios

uRLLC (Ultra-High Reliability & Low Latency). Son capacidades de las redes 5G para ofrecer servicios críticos basados en comunicaciones muy confiables (misión crítica) y una latencia extremadamente baja.

WWC: Wireless Wireline Convergence, Convergencia entre las redes alámbricas e inalámbricas

xPON: Passive Optical Network, Es un conjunto de tecnologías de red de acceso (la x representa cada una de ellas, GPON, XG-PON, NG-PON, etc) que permiten dar servicios IP, a clientes finales, sobre fibra óptica.

Referencias:

[1] 5G for the Connected World, Edited by Devaki Chandramouli (Nokia), Rainer Liebhart (Nokia), Juho Pirskanen (Wirepas), Published by Wiley, 2019

[2] 3GPP 5G Core Network Status, Webinar –3GPP 5G Core Network, TSG CT Chairman Georg Mayer (Huawei), 2017

[3] 5G Wireless: A Comprehensive Introduction, By Dr. William Stallings, Addison-Wesley Professional, June 2021

[4] 5G Explained, By By Jyrki T. J. Penttinen, Wiley, April 2019

[5] WWC Standards Will Change the Rules of the Road to Convergence, by Sally Bament, https://blogs.juniper.net/en-us/service-provider-transformation/wwc-standards-will-change-the-rules-of-the-road-to-convergence, Consultado 21/Oct/2021

[6] Service-Based Architecture in 5G, by NGMN Alliance, V1.0, 19-January-2018

[7] Introduction to 5G Core Service-Based Architecture (SBA) Components, By Marin Ivezic, Publicado en Linkedin 27 de septiembre de 2020

[8] 3GPP TS 23.501, V16.7.0 (2020–12), 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; System architecture for the 5G System (5GS); Stage 2 (Release 16)

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