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Arquitectura 5G RAN: nodos y componentes

Uno de los componentes clave de 5G es la arquitectura Radio Access Network (RAN), que se encarga de gestionar las conexiones inalámbricas entre los dispositivos y la red.

Este artículo proporcionará una descripción técnica de la arquitectura 5G RAN, incluidos sus diversos nodos y componentes.

Explicará la funcionalidad de cada nodo y componente, sus funciones en la red y cómo trabajan juntos para brindarle una conectividad perfecta a usted como usuario.

Al comprender el funcionamiento técnico de la arquitectura RAN 5G, podrá obtener una visión más profunda de la tecnología que impulsa los dispositivos móviles y la infraestructura que permite la transferencia de datos de alta velocidad, baja latencia y una eficiencia de red mejorada.

Arquitectura RAN 5G

La arquitectura 5G RAN está compuesta por múltiples nodos y componentes que trabajan juntos para brindar una conectividad perfecta a los usuarios. Estos nodos incluyen el Equipo de Usuario (UE), la Estación Base (BS), la Unidad Central (CU) y la Unidad Distribuida (DU).

La arquitectura 5G RAN también incluye varios componentes clave, incluido el front-end de radiofrecuencia (RF), el procesador de señal digital (DSP) y el sistema de antena.

El RF Front End es responsable de transmitir y recibir señales entre el UE y la BS, mientras que el DSP procesa las señales para extraer información útil. El Sistema de Antena es responsable de dirigir las señales hacia y desde el UE y la BS.

El DSP (Procesador de Señal Digital) se encarga de procesar las señales recibidas desde el Front End de RF para extraer información útil.

Incluye varios algoritmos y técnicas como formación de haces, cancelación de interferencias y esquemas de modulación que mejoran la calidad de la señal y reducen la latencia.

El DSP es un componente esencial de la arquitectura 5G RAN, ya que permite funciones avanzadas como MIMO masivo, intercambio dinámico de espectro y división de red.

El UE es el dispositivo del usuario final que se comunica con la red a través de la BS, que actúa como punto de acceso para la conexión inalámbrica.

La CU es responsable de gestionar múltiples BS y controlar los recursos de la red, mientras que el DU es responsable de procesar y reenviar datos entre el UE y la CU.

Componentes de RAN 5G

Los componentes de la red de acceso por radio (RAN) 5G son elementos clave que permiten la comunicación inalámbrica de alta velocidad y baja latencia. Estos componentes incluyen la interfaz de radiofrecuencia (RF), el procesador de señal digital (DSP) y el sistema de antena.

Listas de componentes de 5G RAN:

  • Estación base (BS)
  • Unidad Central (CU)
  • Unidad Distribuida (DU)
  • Equipo de usuario (UE)

1. Unidad Distribuida (DU)

La Unidad Distribuida (DU) está a cargo de gestionar ciertos protocolos que se relacionan con los niveles inferiores del modelo OSI, que es un marco para comprender cómo operan las redes.

Estos protocolos incluyen control de enlace de radio (RLC), control de acceso al medio (MAC) y el protocolo PHY.

El protocolo PHY lleva el nombre de su interacción con la capa física de la red, normalmente trabajando con la unidad de radio del nodo.

Respecto al equipo de radio, está compuesto por una antena y un software específico. Las antenas envían y reciben radiofrecuencias a través del aire.

El software adjunto toma los datos de estas frecuencias y los convierte a un formato que las otras partes de la RAN puedan entender.

En las RAN 5G, las antenas se están actualizando a un tipo más avanzado llamado antenas de entrada múltiple y salida múltiple (MIMO), que se conocen específicamente como MIMO masiva en las redes 5G.

Massive MIMO implica varias antenas dentro de una unidad, y el tamaño de la unidad corresponde a la frecuencia que admite. Además, la tecnología MIMO incluye una mayor cantidad de puertos de transmisión, lo que aumenta la capacidad de la red y la velocidad de transferencia de datos.

El Sistema de Antena es responsable de dirigir las señales hacia y desde el UE y la BS. Incluye varias antenas que se pueden organizar en diferentes configuraciones, como formación de haces, MIMO y matriz en fase.

2. Unidad de control (CU)

La Unidad Central (CU) organiza de manera eficiente los recursos de la red y administra las estaciones base, desempeñando un papel fundamental en la mejora del rendimiento y la adaptabilidad de 5G RAN.

Una de las funciones clave de la CU es establecer y liberar conexiones entre el equipo del usuario y la red.

También es responsable de manejar la transferencia de datos, ejecutar funciones de calidad de servicio y comprimir y descomprimir flujos de datos IP, entre otras tareas.

Al garantizar una conectividad perfecta y una asignación eficiente de recursos, la CU contribuye en gran medida a mejorar la experiencia del usuario y la eficiencia general de la red.

Además, la CU puede tener sus funciones desagregadas utilizando principios de redes definidas por software (SDN). Este enfoque permite que el plano de control de la CU (CU-CP) y el plano de usuario (CU-UP) manejen diferentes conjuntos de protocolos que ejecutan diversas funciones.

Por ejemplo, el CU-CP aloja el protocolo de control de recursos de radio (RRC), así como la parte del plano de control del protocolo de convergencia de datos en paquetes (PDCP). Por el contrario, el CU-UP aloja el protocolo de adaptación de datos de servicio (SDAP) y la parte del plano de usuario del PDCP.

3. Equipo de usuario (UE)

Equipo de usuario (UE) se refiere a los dispositivos del usuario final, como smartphonestabletas o dispositivos IoT que se conectan a la red de acceso de radio (RAN) 5G para comunicación inalámbrica.

El UE se comunica con la infraestructura de red a través de la estación base, que sirve como punto de acceso para conexiones inalámbricas.

En el contexto de 5G RAN, los dispositivos UE se benefician de velocidades de transferencia de datos mejoradas, baja latencia y eficiencia de red mejorada.

Estas mejoras permiten mejores experiencias de usuario, admiten aplicaciones avanzadas como realidad aumentada, juegos móviles y vehículos autónomos, además de ampliar las posibilidades de implementación de IoT.

4. Estación base

La estación base (BS) es un componente clave de la arquitectura de la red de acceso por radio (RAN) 5G que sirve como punto de acceso para conexiones inalámbricas entre el equipo del usuario (UE) y la red.

Consta de una unidad de radio y un sistema de antena que transmite y recibe señales hacia y desde el UE.

La BS es responsable de establecer, mantener y liberar conexiones inalámbricas a la red, lo que permite una conectividad perfecta para el UE.

En 5G RAN, los nodos BS también pueden admitir antenas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO), lo que aumenta la capacidad de la red y el rendimiento de datos para mejorar el rendimiento.

Nodos/componentes de arquitectura 5G RAN

El hardware básico de un nodo RAN incluye antenas, unidades de radio y unidades de banda base.

1. Antenas RAN

Las antenas RAN desempeñan un papel crucial en la captura de señales emitidas por los dispositivos del usuario y el envío de la información a la unidad de radio. En las generaciones RAN avanzadas, ciertos nodos están equipados con antenas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO), que mejoran las capacidades generales de la red.

Este innovador diseño de antena permite la transmisión y recepción simultánea de varios flujos de datos, optimizando el rendimiento de la red.

2. Unidades de radio

Para garantizar la recepción eficiente de los datos de la señal de las antenas, las unidades de radio se pueden colocar estratégicamente en la base de la torre RAN o en las proximidades de las antenas.

Esta ubicación ayuda a mitigar la pérdida de señal causada por un cableado extenso, manteniendo así una intensidad de señal y una funcionalidad de red óptimas.

3. Unidad de banda base (BBU)

La unidad de banda base (BBU) desempeña un papel vital en la transmisión de datos desde el nodo RAN a la red central y en la transmisión de datos recibidos desde la red central a la unidad de radio para su posterior transmisión.

Las conexiones de BBU a la red central se establecen a través de cables de fibra óptica, que también facilitan la ejecución de funciones de gestión.

Una BBU puede estar situada en la torre o alojada en una ubicación centralizada. La última configuración se encuentra a menudo en arquitecturas RAN en la nube (C-RAN) o RAN centralizada.

Esta configuración ejemplifica cómo la virtualización está transformando las RAN. En las arquitecturas C-RAN, los recursos BBU se consolidan en un centro de datos y se pueden implementar dentro de máquinas virtuales (VM).

Estas BBU centralizadas mantienen conexiones con las torres que soportan a través de fibras ópticas.

Virtualización de RAN

La evolución de las redes de acceso radioeléctrico (RAN) ha experimentado un cambio significativo hacia la virtualización. Las RAN virtuales (vRAN), que incluyen 5G RAN, Cloud RAN (C-RAN) y Open RAN (O-RAN), se caracterizan por la separación de las funciones de red del hardware subyacente.

Esta separación permite la desagregación de funciones, lo que facilita una mayor flexibilidad y eficiencia de la red.

Puntos clave de virtualización RAN

A continuación se detallan los puntos clave de la virtualización de RAN:

Desagregación de funciones en vRAN

La desagregación de funciones se ejemplifica mediante la división de una unidad de banda base (BBU) basada en hardware en una unidad central (CU) y una unidad distribuida (DU). Ambas unidades son responsables de diferentes funciones de BBU y pueden desplegarse de forma independiente o conjunta. Esta disposición recuerda a las arquitecturas C-RAN.

Unidad central (CU) de vRAN

La CU es responsable de una variedad de tareas, incluida la transmisión de información, el establecimiento y liberación de conexiones al equipo del usuario, la transferencia de datos, la ejecución de funciones de calidad de servicio y la compresión y descompresión de flujos de datos IP.

Utilizando los principios de redes definidas por software (SDN), las funciones de la CU se pueden desagregar aún más en el plano de control de la CU (CU-CP) y el plano de usuario de la CU (CU-UP). Cada avión maneja diferentes conjuntos de protocolos y funciones.

Por ejemplo, el CU-CP aloja el protocolo de control de recursos de radio (RRC) y la parte del plano de control del protocolo de convergencia de datos en paquetes (PDCP).

Por el contrario, el CU-UP aloja el protocolo de adaptación de datos de servicio (SDAP) y la parte del plano de usuario del PDCP.

Unidad distribuida (DU) de vRAN

El DU gestiona las capas de control de enlace de radio (RLC) y control de acceso al medio (MAC), además de algunos aspectos de la capa física en una estación base.

Al acercar los recursos informáticos al borde de la RAN, la DU desempeña un papel crucial en la mejora de la experiencia del usuario, la reducción de la latencia y la mejora de la eficiencia y la capacidad de la red.

Virtualización y RAN de próxima generación

La virtualización es vital para el desarrollo de RAN de próxima generación, en particular RAN 5G, ya que aumenta la flexibilidad de la red y reduce los costos.

La integración de la informática de punta en las RAN ofrece ventajas sustanciales para diversas aplicaciones, incluidos vehículos autónomos, juegos móviles e implementaciones de IoT.

División de red y multiinquilino

Uno de los beneficios clave de la virtualización RAN es la capacidad de implementar la división de red, que permite a los operadores dividir una única red física en múltiples redes virtuales.

Cada red virtual, o “porción”, se puede adaptar a los requisitos específicos de diferentes casos de uso o segmentos de clientes.

Esta flexibilidad permite el arrendamiento múltiple, donde múltiples operadores o proveedores de servicios pueden compartir la misma infraestructura RAN, lo que lleva a una utilización más eficiente de los recursos y a menores gastos operativos.

Orquestación y Gestión

La virtualización de RAN requiere sistemas de gestión y orquestación eficientes para garantizar un funcionamiento perfecto.

El marco de gestión y orquestación (MANO), definido por el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI), se puede aplicar a las RAN. Varias organizaciones están desarrollando herramientas MANO para su uso en entornos RAN.

Los orquestadores son responsables de aprovisionar funciones de red, configurarlas para que funcionen juntas, administrar sus ciclos de vida e implementar actualizaciones según sea necesario.

En una arquitectura O-RAN, las herramientas MANO existen dentro del marco de orquestación y gestión de servicios presente en Open Cloud (O-Cloud).

O-Cloud comprende nodos RAN físicos que albergan controladores de red, CU y DU; componentes de software como sistemas operativos y entornos de ejecución; y el sistema de gestión y orquestación de servicios (SMO).

Interoperabilidad y estándares abiertos

Otra ventaja de la virtualización RAN es la promoción de la interoperabilidad y los estándares abiertos. Las arquitecturas Open RAN (O-RAN) fomentan el uso de interfaces y protocolos estandarizados, que permiten la comunicación entre componentes de diferentes proveedores.

Esta apertura fomenta la innovación, la competencia y un ecosistema diverso de proveedores, lo que en última instancia reduce los costos y mejora el rendimiento general de la red.

La O-RAN Alliance, una organización global de operadores de redes móviles y proveedores de tecnología, encabeza el desarrollo y la adopción de arquitecturas RAN abiertas.

La Alianza se centra en definir interfaces abiertas, crear diseños de referencia y promover el uso de modelos de datos comunes para garantizar la interoperabilidad entre componentes.

Consideraciones de seguridad de vRAN

A medida que las RAN se vuelven más virtualizadas y abiertas, la seguridad se convierte en una preocupación cada vez más importante.

Garantizar la integridad, la confidencialidad y la disponibilidad de las funciones y los datos de la red es primordial tanto para los operadores como para los usuarios finales.

Para abordar estos desafíos, se deben implementar mecanismos de seguridad en varios niveles, incluida la infraestructura física, las funciones de red virtualizadas y los sistemas de gestión y orquestación.

Técnicas como el cifrado, la autenticación y el control de acceso pueden ayudar a proteger contra el acceso no autorizado, la manipulación de datos y otras amenazas a la seguridad.

Además, la supervisión continua y la detección de amenazas son esenciales para mantener un entorno de red seguro.

Los operadores de red deben implementar sistemas de gestión de eventos e información de seguridad (SIEM), que recopilan y analizan datos de seguridad de toda la red para identificar amenazas potenciales y responder a incidentes en tiempo real.