1/42
Wprowadzenie – nowa era łączności

Architektura 5G: Co się zmienia?

5G (Fifth Generation) to nie tylko szybszy internet w telefonie. To kompletna zmiana architektury sieciowej, która ma połączyć miliardy urządzeń o skrajnie różnych wymaganiach. O ile 4G LTE było "all-IP network", to 5G jest "cloud-native network".

Najważniejsze filary 5G zdefiniowane przez ITU (IMT-2020):

  • eMBB (enhanced Mobile Broadband) – gigabitowe prędkości.
  • uRLLC (ultra-Reliable Low Latency Communications) – opóźnienia poniżej 1 ms.
  • mMTC (massive Machine Type Communications) – miliony czujników IoT.

Na tym wykładzie nauczymy się, jak zbudowana jest sieć, która potrafi to wszystko jednocześnie.

Trzy filary 5G: eMBB, uRLLC, mMTC
2/42
Standaryzacja: 3GPP i Release 15-17

Kto tworzy 5G?

Głównym organem standaryzacyjnym jest 3GPP (3rd Generation Partnership Project). 5G pojawia się w konkretnych "paczka" specyfikacji zwanych Releases:

  • Release 15 (2018): Pierwszy standard 5G. Tryb NSA (Non-Standalone) i podstawowe eMBB.
  • Release 16 (2020): "5G Phase 2". Skupienie na uRLLC, V2X (pojazdy), prywatnych sieciach i energooszczędności.
  • Release 17 (2022): RedCap (IoT o średniej prędkości), NTN (sieci satelitarne), poprawa precyzji lokalizacji.
  • Release 18+ : 5G-Advanced (kolejny krok przed 6G).

Standardy te zapewniają, że sprzęt różnych producentów (Ericsson, Nokia, Huawei, Samsung) współpracuje ze sobą.

Oś czasu 3GPP Release 15, 16, 17
3/42
Główne komponenty systemu 5G (5GS)

Z czego składa się 5GS?

Zgodnie ze specyfikacją TS 23.501, system 5G składa się z trzech głównych części:

  1. UE (User Equipment) – urządzenie końcowe (telefon, router, czujnik).
  2. NG-RAN (Next-Gen Radio Access Network) – sieć radiowa nowej generacji. Głos i dane przesyłane są przez stacje bazowe zwaną gNB (next-generation NodeB).
  3. 5GC (5G Core) – nowa sieć rdzeniowa oparta na usługach (mikroserwisach).

W odróżnieniu od 4G, 5G wprowadza całkowite oddzielenie płaszczyzny sterowania (CP - Control Plane) od płaszczyzny danych (UP - User Plane), co pozwala na ogromną skalowalność.

Schemat UE, NG-RAN, 5GC
4/42
SBA – Rdzeń sieci oparty na usługach

Service-Based Architecture (SBA)

To najważniejsza zmiana w 5G Core. W 4G mieliśmy węzły (MME, SGW) połączone dedykowanymi kablami/interfejsami. W 5G mamy producentów usług i konsumentów usług.

  • Każda funkcja sieciowa (NF) to wirtualny mikroserwis w kontenerze.
  • Komunikacja odbywa się przez wspólną szynę (Service Bus) z użyciem REST API (HTTP/2 + JSON).
  • Pozwala to na łatwe dodawanie nowych funkcji bez przebudowy całej sieci.
  • Sieć staje się programowalna – to tzw. Softwarization of Telecoms.
Schemat SBA: producent/konsument usług, szyna HTTP/REST
5/42
NF – Network Functions zamiast węzłów

Kluczowe funkcje 5G Core (5GC)

Zamiast fizycznych routerów, w 5GC spotykamy logiczne funkcje NF:

  • AMF (Access and Mobility Management Function) – "recepcja" sieci.
  • SMF (Session Management Function) – zarządca sesjami danych (PDU).
  • UPF (User Plane Function) – ruter przesyłający pakiety użytkownika.
  • PCF (Policy Control Function) – decyduje o QoS i taryfach.
  • UDM (Unified Data Management) – baza danych abonentów (następca HSS/HLR).
  • NRF (Network Repository Function) – "książka telefoniczna" dla mikroserwisów.
Lista i ikony głównych NF w 5G
6/42
AMF – Serce płaszczyzny sterowania

Access and Mobility Management Function

AMF jest pierwszym punktem kontaktu dla UE po stronie rdzenia. Jego zadania to:

  • Rejestracja i uwierzytelnianie użytkownika (we współpracy z AUSF/UDM).
  • Zarządzanie mobilnością (śledzenie, gdzie jest telefon, handover).
  • Zarządzanie bezpieczeństwem (klucze kryptograficzne).
  • Przekazywanie wiadomości do innych funkcji (np. do SMF w celu zestawienia sesji danych).

AMF nie dotyka danych użytkownika (np. filmów z YouTube). Zajmuje się tylko sygnalizacją.

Schemat AMF i interfejsy N1, N2
7/42
SMF – Zarządca sesji

Session Management Function

SMF odpowiada za wszystko, co dotyczy sesji danych (PDU Session). Jego zadania:

  • Przydzielanie adresów IP do urządzeń (UE).
  • Wybór odpowiedniego routera danych (UPF).
  • Konfigurowanie reguł przesyłania pakietów w UPF (za pomocą protokołu N4/PFCP).
  • Kontrola jakości usług (QoS) dla danej sesji.
  • Naliczanie opłat (interfejs do systemów billingowych).

Jeśli AMF to recepja, to SMF jest logistykiem przygotowującym drogę dla Twoich danych przez sieć.

Schemat SMF, UPF i PDU Session
8/42
UPF – Jedyny element płaszczyzny użytkownika

User Plane Function

UPF to wyspecjalizowany "super-ruter" w sieci 5G. To przez niego faktycznie płyną Twoje dane do Internetu. Cechy UPF:

  • Ekstremalna wydajność: musi przetwarzać terabity danych na sekundę.
  • Możliwość rozproszenia: UPF może znajdować się w centralnym punkcie kraju, albo tuż przy nadajniku (Edge Computing).
  • Gateway do Data Network: łączy sieć operatora z Internetem (N6 interface).
  • Zasady (Rules): wykonuje polecenia SMF – np. "pakiety z Netflixa mają priorytet 5".

Wszystkie inne funkcje NF o których mówiliśmy zajmują się tylko sterowaniem (Control Plane).

Schemat UPF, tunel GTP-U, Data Network
9/42
UDM i AUSF – Rejestry i Bezpieczeństwo

Gdzie są dane abonentów?

  • UDM (Unified Data Management) – Przechowuje profile użytkowników (jakie masz usługi, prędkość, limity). Tak jak HLR/HSS, ale nowocześniejszy. Korzysta z zewnętrznej bazy danych UDR.
  • AUSF (Authentication Server Function) – Sędzia uwierzytelniania. Decyduje, czy Twoja karta SIM jest legalna i czy może wejść do sieci.

Dzięki UDM i AUSF, 5G wprowadza silniejsze szyfrowanie identyfikatora użytkownika (SUPI/SUCI) – Twój numer IMSI nie lata już "otwartym tekstem" w powietrzu jak w starszych sieciach.

Schemat UDM, AUSF, baza danych UDR
10/42
NRF – Książka adresowa usług

Network Repository Function

W architekturze SBA funkcje pojawiają się i znikają (np. w chmurze). Skąd AMF wie, gdzie wysłać zapytanie do SMF?

  • Service Discovery: NRF przechowuje aktualną listę zarejestrowanych funkcji NF i ich adresów IP/portów.
  • Rejestracja: Gdy nowa instancja SMF się uruchamia, melduje się w NRF.
  • Odpytywanie: Inne funkcje pytają NRF: "Daj mi adres sprawnego AMF obsługującego tę lokalizację".

Bez NRF sieć 5G oparta na mikroserwisach nie wiedziałaby jak się ze sobą komunikować.

Diagram sekwencji: rejestracja i discovery w NRF
11/42
CUPS – Rozdzielenie Control i User Plane

Control and User Plane Separation

W 4G LTE funkcje SGW i PGW łączyły w sobie sterowanie i przesył danych. W 5G mamy czysty podział:

  • Góra (Control Plane): Logicza, procesory, HTTP/JSON. Decyduje "kto, gdzie i jak".
  • Dół (User Plane): Czysta wydajność, przesył bitów. Tylko UPF.

Dlaczego to ważne? Możesz postawić setki małych, inteligentnych jednostek sterujących w chmurze (AMF/SMF) i zaledwie kilka potężnych routerów danych (UPF) tam, gdzie są naprawdę potrzebne. To podstawa Edge Computingu.

Schemat CUPS: CP vs UP
12/42
gNB – Nowa stacja bazowa 5G

Next-Generation NodeB

gNB to "antena" 5G. Jej główne cechy:

  • Obsługa nowych pasm (np. 3.5 GHz oraz mmWave 26 GHz).
  • Obsługa New Radio (NR) – nowej warstwy fizycznej (szczegóły na następnym wykładzie).
  • Łączy się z rdzeniem 5GC przez interfejsy NG (N2 dla sterowania, N3 dla danych).
  • Może być podzielona na jednostkę centralną (CU) i jednostki rozproszone (DU) – to tzw. gNB Split.

W trybie NSA (Non-Standalone), stacja 4G (eNodeB) pełni rolę nadrzędną, a gNB pomaga jej przesyłać dane.

Zdjęcie i schemat stacji gNB
13/42
Architektura NG-RAN – CP i UP

Stos protokołów w radiu

Podobnie jak w rdzeniu, W gNB mamy podział na sterowanie i dane:

  • Control Plane (CP): Protokół RRC (Radio Resource Control). Odpowiada za nawiązywanie połączenia radia z telefonem, konfigurację pomiarów i handover.
  • User Plane (UP): Protokoły SDAP, PDCP, RLC, MAC. One pakują Twoje dane, szyfrują je i wysyłają w eter jako fale radiowe.

Nowością w 5G jest warstwa SDAP (Service Data Adaptation Protocol), która zajmuje się mapowaniem jakości usług (QoS) bezpośrednio na zasoby radiowe.

Stos protokołów 5G NR (RRC, SDAP, PDCP...)
14/42
Tryby pracy: NSA vs SA (Część 1)

Jak wdrażać 5G?

Operatorzy nie chcą wyrzucać starych sieci 4G, dlatego 3GPP wymyśliło dwa podejścia:

  • NSA (Non-Standalone): Wykorzystuje stary rdzeń EPC (4G Core). gNB jest "doklejone" do stacji LTE. Telefon musi widzieć obie sieci naraz. To tzw. Option 3x.
  • SA (Standalone): "Czyste 5G". gNB podłączone bezpośrednio do nowego rdzenia 5GC. Brak zależności od 4G. To Option 2.

NSA pozwala na szybki start, ale tylko SA oferuje pełne możliwości jak Network Slicing czy ultraniskie opóźnienia uRLLC.

Porównanie NSA vs SA: EPC vs 5GC
15/42
Dual Connectivity (EN-DC)

E-UTRAN New Radio Dual Connectivity

To technologia napędzająca tryb NSA. Telefon (UE) jest połączony jednocześnie z dwiema stacjami bazowymi:

  • Master Node (MN): eNodeB (LTE). Obsługuje sygnalizację i część danych.
  • Secondary Node (SN): gNB (5G). Obsługuje głównie potężny strumień danych użytkownika.

Dane są dzielone na poziomie warstwy PDCP. Dzięki temu połączeniu użytkownik widzi na ekranie ikonkę "5G" i cieszy się większą prędkością, mimo że "sercem" sieci nadal steruje stara centrala 4G.

Schemat EN-DC: eNodeB i gNB współpracujące
16/42
PCF – Strażnik zasad

Policy Control Function

PCF to funkcja decyzyjna w rdzeniu 5G. Jej zadaniem jest nakładanie reguł na to, jak sieć ma traktować konkretnych użytkowników i ich aplikacje.

  • Zasady QoS: PCF decyduje, jakie opóźnienie i przepustowość otrzyma dana sesja.
  • Zasady naliczania opłat: Informuje SMF, jak generować dane bilingowe.
  • Zasady dostępu: Może ograniczyć dostęp do niektórych slice'ów sieci.

To odpowiednik PCRF z 4G, ale działający jako elastyczny mikroserwis SBA.

Schemat PCF, reguły QoS i taryfy
17/42
UDR i UDSF – Gdzie 5G trzyma dane?

Separacja danych od logiki

W 5G funkcje sieciowe (AMF, SMF) starają się być "bezstanowe" (stateless). Ich dane są przechowywane w dedykowanych repozytoriach:

  • UDR (Unified Data Repository): Przechowuje ustrukturyzowane dane (profile subskrypcji, polisy PCF, dane o slice'ach). Służy głównie UDM i PCF.
  • UDSF (Unstructured Data Storage Function): Przechowuje dane nieustrukturyzowane (np. aktualny stan sesji). Pozwala to na szybki restart funkcji NF bez utraty połączeń użytkowników.

Taka architektura pozwala na ogromną odporność sieci – jeśli jeden mikroserwis AMF padnie, inny może natychmiast przejąć jego pracę, pobierając stan z UDSF.

Schemat NF komunikujących się z UDR i UDSF
18/42
NEF – Okno na świat zewnętrzny

Network Exposure Function

5G chce być platformą dla deweloperów. NEF to bezpieczna brama, która pozwala zewnętrznym aplikacjom (np. dla inteligentnych miast) "rozmawiać" z siecią operatora.

  • Ekspozycja możliwości: Aplikacja przez NEF może poprosić: "Zwiększ priorytet tej paczce dronów na 15 minut".
  • Monitorowanie: Firma transportowa może sprawdzać lokalizację swoich kontenerów bez wchodzenia głęboko w systemy operatora.
  • Bezpieczeństwo: NEF ukrywa wewnętrzną topologię sieci i chroni ją przed atakami z zewnątrz.

To klucz do monetyzacji 5G przez usługi B2B.

Schemat NEF jako bramy API między siecią a aplikacją
19/42
NSSF – Jak wybrać właściwy Slice?

Network Slice Selection Function

Ponieważ 5G może składać się z wielu "plastrów" (slice'ów), sieć musi wiedzieć, który przydzielić danemu telefonowi. NSSF decyduje właśnie o tym.

  • Analizuje S-NSSAI (identyfikator slice'a) przesłany przez telefon.
  • Sprawdza, które AMF obsługują dany slice.
  • Wybiera optymalną instancję sieci dla użytkownika (np. slice "Gaming" vs slice "IoT").
Schemat NSSF wybierającego instancje Network Slice
20/42
Network Slicing – Sieć krojona na miarę

Czym jest plasterkowanie sieci?

To możliwość stworzenia wielu logicznych sieci na jednej fizycznej infrastrukturze. Wyobraź sobie:

  • Slice 1: Dla karetek – priorytet, wysoka niezawodność, małe dane.
  • Slice 2: Dla graczy – ekstremalnie niskie opóźnienia, duże dane.
  • Slice 3: Dla liczników prądu – miliony urządzeń, wysyłanie danych raz na dobę, bez priorytetu.

Każdy slice jest odizolowany. Awaria w slice dla liczników nie wpłynie na działanie slice'a dla karetek. To kluczowa przewaga 5G nad 4G.

Wizualizacja warstw logicznych sieci 5G
21/42
S-NSSAI – Identyfikacja Plastra

Jak zidentyfikować slice?

Każdy Network Slice jest opisany przez S-NSSAI (Single Network Slice Selection Assistance Information). Składa się on z dwóch części:

  1. SST (Slice/Service Type): 8-bitowa wartość definiująca ogólny profil (np. eMBB, uRLLC).
  2. SD (Slice Differentiator): Opcjonalna 24-bitowa wartość pozwalająca odróżnić slice'y tego samego typu (np. "Gaming" vs "Streaming").

Jeden użytkownik może być podłączony do maksymalnie 8 slice'ów jednocześnie.

Struktura S-NSSAI: SST + SD
22/42
Standardowe typy SST

Typy usług zdefiniowane przez 3GPP

SST Value Service Type Opis
1 eMBB Szybki internet, video 4K/8K.
2 uRLLC Pojazdy autonomiczne, chirurgia, automatyka.
3 MIoT Massive IoT, czujniki miejskie.
4 V2X Vehicle-to-Everything (Release 16+).
5 HMTC High-Performance Machine-Type Comm.

Operator może też definiować własne SST powyżej wartości 127 dla specyficznych usług lokalnych.

Ikony eMBB, uRLLC, MIoT z opisem SST
23/42
PDU Session – Połączenie z danymi

PDU (Protocol Data Unit) Session

W 5G nie mówimy o "połączeniu internetowym", lecz o Sesji PDU. To logiczny kanał między telefonem a zewnętrzną siecią (np. Internetem).

  • Typy PDU: IPv4, IPv6, IPv4v6, Ethernet lub Unstructured (dla prostych czujników).
  • Sesja jest zawsze przypisana do konkretnego Network Slice.
  • Zestawianiem sesji zarządza SMF.
  • Dane płyną w tunelu GTP-U między stacją gNB a ruterem UPF.
Schemat sesji PDU, tunel GTP między gNB a UPF
24/42
SSC Mode – Ciągłość połączenia

Session and Service Continuity

5G oferuje różne tryby zachowania adresu IP podczas przemieszczania się:

  • SSC Mode 1: Klasyczny. Adres IP telefonu nigdy się nie zmienia. Dobre dla SSH/VoIP, ale gorsze dla optymalizacji sieci.
  • SSC Mode 2: "Break-before-make". Stary adres IP jest usuwany, a nowy przydzielany po zmianie lokalizacji. Sieć jest bardziej wydajna, ale połączenie na chwilę znika.
  • SSC Mode 3: "Make-before-break". Nowy adres IP jest tworzony, zanim stary zostanie usunięty. Aplikacja ma czas na przełączenie się.
Porównanie SSC Mode 1, 2, 3
25/42
QoS Flow – Nowy model jakości

Najmniejsza jednostka jakości

W 4G jednostką jakości był "Bearer" (nośnik). W 5G mamy QoS Flow – strumień jakości.

  • To pozwala na znacznie większą precyzję. Jedna sesja PDU może mieć wiele QoS Flow.
  • NP. w jednym połączeniu z YouTube, dźwięk może być w Flow o wyższym priorytecie, a obraz w innym.
  • Każdy Flow ma swój QFI (QoS Flow Identifier).
Hierarchia: PDU Session -> QoS Flow -> IP Packets
26/42
5QI – Parametry jakości 5G

5G QoS Identifier

To tabela wartości (od 1 do 85+), które definiują konkretne cechy łącza. Każdy numer 5QI oznacza określony zestaw parametrów:

  • Type: GBR (gwarantowane), Non-GBR (niegwarantowane), Delay Critical GBR.
  • Packet Delay Budget: Dopuszczalne opóźnienie (np. 10 ms dla uRLLC).
  • Packet Error Rate: Dopuszczalna strata pakietów.
  • Default Priority Level: Priorytet względem innych Flow.

Np. 5QI=1 to Głos VoNR (Voice over NR), a 5QI=80 to sterowanie dronem (bardzo niskie opóźnienia).

Przykładowa tabela 5QI z parametrami
27/42
ARP i RQA – Zarządzanie ruchem

Inne parametry QoS

  • ARP (Allocation and Retention Priority): Decyduje, czy w przypadku braku miejsca w sieci, to połączenie może "wyrzucić" inne, mniej ważne połączenie (np. połączenie alarmowe wypierające zwykły internet).
  • RQA (Reflective QoS Attribute): Pozwala gNB oszczędzać sygnalizację – telefon "odbija" QoS, który widzi w pakietach przychodzących, i stosuje go do pakietów wysyłanych.
  • Notifications Control: Sieć informuje aplikację, jeśli chwilowo nie może utrzymać gwarantowanej przepustowości (GBR).
Schemat działania ARP i Reflective QoS
28/42
Procedura Rejestracji (Registration)

Jak telefon wchodzi do sieci 5G?

Kluczowe kroki procedury Registration:

  1. Telefon wysyła Registration Request z zaszyfrowanym identyfikatorem SUCI.
  2. AMF kontaktuje się z AUSF/UDM w celu uwierzytelnienia użytkownika.
  3. Uruchamiane jest szyfrowanie radia (NAS Security).
  4. UDM przesyła profil użytkownika do AMF.
  5. AMF sprawdza, które Slice'y są dozwolone dla tego użytkownika.
  6. AMF zwraca Registration Accept z nowym tymczasowym numerem 5G-GUTI.
Diagram sekwencji procedury Registration w 5G
29/42
Stany zarządzania mobilnością i połączeniem

RM i CM – Gdzie i jak jestem połączony?

System 5G śledzi dwa rodzaje stanów dla każdego urządzenia:

  • Registration Management (RM):
    • RM-DEREGISTERED: Sieć nie zna urządzenia, telefon musi się zarejestrować.
    • RM-REGISTERED: Urządzenie jest znane sieci, może być w trybie uśpienia (idle).
  • Connection Management (CM):
    • CM-IDLE: Telefon śpi, oszczędza baterię. Sieć zna jego lokalizację na poziomie "obszaru śledzenia".
    • CM-CONNECTED: Aktywne radio, prowadzona transmisja danych.
Maszyna stanów RM/CM
30/42
Ustanawianie sesji PDU (PDU Session Establishment)

Jak faktycznie dostać Internet?

Po rejestracji telefon prosi o dane:

  1. UE wysyła PDU Session Establishment Request do AMF, podając numer slice'a (S-NSSAI).
  2. AMF przesyła prośbę do SMF.
  3. SMF pobiera polisy dla tej sesji z PCF.
  4. SMF wybiera UPF i konfiguruje w nim tunel dla danych.
  5. SMF informuje gNB o parametrach QoS dla radia.
  6. Zestawiany jest tunel GTP i użytkownik może przesyłać pakiety.
Diagram sekwencji PDU Session Establishment
31/42
Identyfikatory w sieci 5G – SUCI i SUPI

Koniec z jawnym przesyłaniem IMSI

W 4G identyfikator IMSI był często przesyłany "podstawowym" tekstem, co pozwalało urządzeniom typu IMSI Catcher śledzić użytkowników. 5G to zmienia:

  • SUPI (Subscription Permanent Identifier): Twój stały, tajny numer w sieci (odpowiednik IMSI). Nigdy nie pojawia się w powietrzu bez szyfrowania.
  • SUCI (Subscription Concealed Identifier): Jednorazowa, zaszyfrowana wersja SUPI. Telefon generuje ją za pomocą klucza publicznego operatora przed wysłaniem Registration Request.
  • 5G-GUTI: Tymczasowy identyfikator używany po zalogowaniu, regularnie zmieniany przez AMF.
Schemat szyfrowania SUPI do SUCI
32/42
Współpraca z 4G – Interworking

Jak 5G rozmawia z 4G?

Aby umożliwić płynny handover między 4G a 5G w trybie SA (Standalone), rdzenie EPC i 5GC muszą być połączone specjalnym interfejsem N26.

  • Interfejs N26 łączy MME (z 4G) i AMF (z 5G).
  • Pozwala na szybką wymianę kontekstu użytkownika (klucze, QoS, IP).
  • Jeśli telefon wyjdzie z zasięgu 5G, sieć 4G już "wie", że on nadchodzi i przygotowuje dla niego miejsce.

Bez N26 telefon po wyjściu z 5G musiałby na nowo rejestrować się w 4G, co powodowałoby kilkusekundową przerwę w transmisji.

Schemat N26 między MME a AMF
33/42
Edge Computing (MEC) w 5G

Przetwarzanie na krawędzi sieci

MEC (Multi-access Edge Computing) to umieszczenie serwerów aplikacji tuż obok stacji bazowej gNB, zamiast w dalekim Internecie.

  • Niskie opóźnienia: Pakiet nie musi lecieć przez pół kraju do centrali. Wraca do użytkownika po kilku milisekundach.
  • Oszczędność pasma: Lokalne dane (np. monitoring miejski) nie zapychają głównego rdzenia sieci.
  • UPF na krawędzi: 5G pozwala postawić UPF w lokalnym centrum danych (Local Site), skracając drogę pakietów.
Schemat MEC: gNB -> Local UPF -> Local App Server
34/42
Zalety Edge Computing dla uRLLC

Gdzie 5G MEC robi różnicę?

  • Gry online (Cloud Gaming): Brak "lagów", obraz renderowany na serwerze blisko gracza.
  • Przemysł 4.0: Roboty sterowane bezprzewodowo w czasie rzeczywistym.
  • Pojazdy autonomiczne: Szybkie ostrzeganie o przeszkodach (V2X).
  • VR/AR: Nakładanie grafiki na obraz kamery bez zawrotów głowy (płynność).

MEC to połączenie mocy chmury z mobilnością 5G.

Zastosowania uRLLC i MEC: roboty, drony, gry
35/42
C-RAN i vRAN – Wirtualizacja radia

Sieci radiowe w chmurze

W 5G nie tylko rdzeń jest wirtualny. Logika stacji bazowej gNB też przenosi się do serwerowni.

  • vRAN: Hardware gNB to standardowe serwery x86 (jak w domowym PC), a nie dedykowane czarne skrzynki.
  • C-RAN: Jednostki centralne gNB (CU/DU) są zgrupowane w jednym bezpiecznym centrum danych (BBU Pool).
  • Korzyści: Łatwiejsze zarządzanie, mniejsze zużycie prądu na nadajnikach, lepsza koordynacja między antenami.
Schemat C-RAN: Anteny podłączone światłowodem do centrum danych
36/42
Bezpieczeństwo 5G – Szyfrowanie i Integralność

Najbezpieczniejsza generacja

5G wprowadza standardy bezpieczeństwa, które chronią prywatność lepiej niż kiedykolwiek:

  • Silna kryptografia: 128-bitowe (lub opcjonalnie 256-bitowe) algorytmy AES, SNOW 3G i ZUC.
  • Integralność płaszczyzny użytkownika: Możliwość wykrywania modyfikacji przesyłanych danych (opcja, której nie było w 4G).
  • Bezpieczny roaming: SEPP (Security Edge Protection Proxy) szyfruje całą komunikację między operatorami w różnych krajach.
Schemat SEPP i bezpiecznej magistrali między operatorami
37/42
Interfejsy N1 – N4 – Mapa połączeń

Najważniejsze punkty styku w 5G

Interfejs Punkty styku Funkcja
N1 UE ↔ AMF Rejestracja, Mobility Mgmt (NAS).
N2 gNB ↔ AMF Sterowanie radiem przez rdzeń.
N3 gNB ↔ UPF Przesył danych użytkownika (tunel GTP).
N4 SMF ↔ UPF Konfiguracja routera danych (PFCP).
N6 UPF ↔ Data Network Połączenie z Internetem.
Mapa interfejsów 5G N1-N6
38/42
Procedura Paging – Gdzie jest telefon?

Paging, czyli wybudzanie urządzenia

Gdy telefon jest w stanie CM-IDLE i przychodzi do niego wiadomość (np. WhatsApp), sieć musi go "zawołać":

  1. Pakiety danych docierają do UPF.
  2. UPF wysyła powiadomienie do SMF.
  3. SMF zleca AMF wysłanie sygnału Paging.
  4. AMF wysyła Paging do wszystkich gNB w obszarze TA (Tracking Area).
  5. gNB nadają sygnał w eter. Telefon go odbiera i budzi radio.
  6. Telefon nawiązuje połączenie i odbiera dane.
Schemat procedury Paging
39/42
5G i Przemysł (Prywatne sieci 5G)

Sieć tylko dla fabryki

5G pozwala firmom budować własne, małe sieci komórkowe (NPN - Non-Public Networks):

  • Całkowita izolacja: Dane nigdy nie opuszczają terenu firmy.
  • Gwarantowane pasmo: Brak zakłóceń od telefonów przechodniów.
  • Zastosowania: Automatyczne magazyny, drony inspekcyjne, łączność krytyczna.

Wiele krajów (w tym Polska) rezerwuje specjalne częstotliwości (np. w paśmie 3.8-4.2 GHz) właśnie dla sieci prywatnych.

Wizualizacja prywatnej sieci 5G w fabryce
40/42
Zarządzanie siecią – MANO i Orkiestracja

Kto panuje nad tysiącem mikroserwisów?

Przy tak złożonej architekturze, ręczne konfigurowanie wszystkiego jest niemożliwe. Służy do tego Orkiestracja (MANO - Management and Orchestration):

  • Automatycznie uruchamia nowe instancje AMF, gdy ruch rośnie.
  • Monitoruje stan zdrowia funkcji NF.
  • Automatyzuje proces tworzenia nowych Slice'ów na żądanie (np. dla nowego klienta biznesowego w 5 minut).
Schemat MANO: Orkiestrator zarządza vNF
41/42
Podsumowanie Architektury 5G

Co musisz wiedzieć po tym wykładzie?

  • 5G to sieć "cloud-native" oparta na mikroserwisach (SBA).
  • Główne funkcje to AMF (mobilność), SMF (sesje), UPF (dane) i UDM (baza użytkowników).
  • Network Slicing pozwala na izolację różnych typów ruchu (eMBB, uRLLC, IoT).
  • QoS Flow zastępuje bearer'y, oferując większą precyzję jakości.
  • Wdrażanie odbywa się w trybach NSA (z rdzeniem 4G) lub SA (czyste 5G).
  • Dzięki MEC i CUPS dane mogą być przetwarzane blisko użytkownika.
Infografika podsumowująca 5G Core i RAN
42/42
Pytania i Dyskusja

Dziękuję za uwagę!

Zrozumienie architektury 5G to pierwszy krok do bycia inżynierem sieci nowej generacji. Powodzenia w dalszej nauce!

Następny wykład: Parametry fizyczne i widmowe 5G (Numerologia, Massive MIMO, mmWave).

Q&A, kontakt