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Interfaces 5G: comprensión de las interfaces X2/Xn, S1/NG, F1 y E1

Las redes 5G se basan en una variedad de interfaces para garantizar una comunicación perfecta entre los diferentes elementos de la red.

Cada una de estas interfaces tiene una función específica que contribuye al funcionamiento general de una red 5G. Comprender estas interfaces es crucial para aprovechar al máximo una red 5G y desbloquear todo su potencial.

En este artículo, exploraremos las interfaces 5G clave X2/Xn, S1/NG, F1, E1 y sus funciones, incluidas las interfaces N1, N2, N3 y N4.

Interfaces 5G: X2/Xn, S1/NG, F1 y E1

Interfaces 5G N1, N2, N3 y N4

La interfaz N1 es la interfaz para mensajes de señalización NAS entre el UE y el AMF. La interfaz N2 es la interfaz del plano de control entre 5G RAN y 5GC.

La interfaz N3 es la interfaz que admite la conectividad del plano de usuario entre 5G RAN y 5GC. La interfaz N4 es la interfaz entre el SMF y la UPF.

Interfaz 5G N1

La interfaz N1 es responsable de la comunicación de mensajes de señalización NAS entre el equipo de usuario (UE) y la función de gestión de acceso y movilidad (AMF).

Esta interfaz también facilita el transporte de mensajes del protocolo NAS al UE en relación con funciones de red distintas de la AMF, tales como mensajes NAS de gestión de sesión desde la función de gestión de sesión (SMF).

El UE puede conectarse a una red de acceso 5G o no 3GPP a través de la interfaz N1.

Las funciones de la interfaz 5G N1 son:

  • Gestión de Registro: gestionar el proceso de registro de un UE en la red
  • Gestión de conexión: gestionar la conexión entre el UE y la red
  • Gestión de sesiones: manejar mensajes de UE y procedimientos relacionados con la gestión de sesiones, tales como establecer y terminar sesiones.

Interfaz 5G N2

La interfaz N2 es la interfaz que se utiliza para la comunicación entre la Red de Acceso de Radio (RAN) 5G y la Red Central 5G (5GC).

En concreto, se utiliza para el plano de control, que se encarga de configurar y gestionar las conexiones entre los dispositivos y la red.

La interfaz N2 transporta mensajes NGAP (Protocolo de acceso de próxima generación) entre la RAN y la AMF (Función de gestión de acceso y movilidad), que es uno de los componentes clave del 5GC.

Un aspecto importante de la interfaz N2 es que tiene un punto de terminación único en el AMF para cada dispositivo de usuario (UE) individual.

Esto permite separar las preocupaciones entre la AMF y otras funciones de red que necesitan controlar los servicios compatibles con RAN.

En otras palabras, la AMF actúa como un relé para la información de gestión de sesiones entre la RAN y otras funciones de red, como la SMF (Función de gestión de sesiones), sin necesidad de participar directamente en la gestión de esas sesiones.

Las funciones de la interfaz 5G N2 son:

  • Interfaz del plano de control entre 5G RAN y 5GC
  • Transporte de mensajes NGAP (N2 Application Protocol) entre RAN y AMF
  • Punto de terminación único en AMF para cada UE, independientemente del número de sesiones de PDU
  • Desacoplamiento de AMF de otras funciones de red del plano de control que necesitan controlar los servicios compatibles con RAN
  • Transmisión de información de gestión de sesiones entre RAN y SMF por parte de la AMF de forma transparente.

Interfaz 5G N3

La interfaz N3 es responsable de proporcionar conectividad en el plano de usuario entre 5G RAN y 5GC.

Esta interfaz está asociada con cada sesión de PDU y se utiliza para transportar datos de usuario entre la RAN y el 5GC.

La interfaz N3 utiliza el protocolo GTP-U, como se especifica en TS 29.281, para canalizar los datos del usuario.

Una de las características clave de la interfaz N3 es la compatibilidad con un nuevo contenedor de sesión PDU, que se utiliza para la encapsulación del plano de usuario 5G.

Además, si la misma sesión de PDU está conectada a varias redes de datos, habrá una instancia N3 separada para cada conexión.

Las funciones de la interfaz 5G N3 son:

  • Proporciona conectividad en el plano de usuario entre 5G RAN y 5GC
  • Asociado a cada sesión de PDU
  • Utiliza el protocolo GTP-U para tunelizar los datos del usuario
  • Admite el nuevo contenedor de sesiones de PDU para la encapsulación del plano de usuario 5G
  • Instancia N3 separada para cada conexión si la misma sesión de PDU está conectada a múltiples redes de datos.

Interfaz 5G N4

La interfaz N4 es la interfaz entre SMF y UPF; SMF utiliza esta interfaz para controlar la UPF y manejar el reenvío, almacenamiento en búfer, duplicación y eliminación de paquetes en el plano de usuario.

La SMF hace esto creando, actualizando y eliminando el contexto de la sesión N4 en la UPF y proporcionando reglas de acción de reenvío con instrucciones a la UPF.

Además, la interfaz N4 también permite al SMF:

  • Controlar la activación, modificación y desactivación de flujos de QoS
  • Monitorear el estado de la sesión N4, incluido el estado del plano de usuario y los flujos de QoS
  • Enviar y recibir información relacionada con la función UP, como estadísticas y estado de congestión
  • Manejar problemas relacionados con la seguridad y realizar autenticación y autorización para la función UP.
  • Proporcionar a la UPF la información necesaria para que la función UP realice las acciones requeridas para el tráfico del plano de usuario, como la asignación de direcciones IP y la información de enrutamiento.

Interfaz entre RAN y Core Network (S1/NG)

La interfaz S1 en LTE se reutiliza en operación no independiente entre el eNB y el MME, mientras que la interfaz NG se especifica recientemente en operación independiente entre ng-eNB/gNB y AMF.

Interfaces 5G: X2/Xn, S1/NG, F1 y E1

La interfaz S1 admite funciones como gestión de portadores, gestión de movilidad y seguridad. La interfaz NG, por otro lado, admite funciones como gestión de sesiones, gestión de movilidad y seguridad para el funcionamiento autónomo.

(X2/Xn) Interfaz: entre nodos RAN

La interfaz X2 se utiliza para la comunicación entre nodos RAN en operación no independiente, como entre eNB en LTE y entre en-gNB y eNB en 5G.

La interfaz Xn es una nueva interfaz especificada para la comunicación entre nodos RAN en funcionamiento independiente, como entre ng-eNB y gNB.

Las extensiones de X2 incluyen funciones para EN-DC (NodoB evolucionado – Conectividad dual) y control de flujo para portadores divididos en operación no independiente.

La función de control de flujo se utiliza para dividir datos de enlace descendente cuando se utilizan recursos de radio de múltiples nodos RAN. En el funcionamiento no autónomo, la información intercambiada entre nodos RAN se mejora para optimizar el control de flujo.

La interfaz Xn, que se basa en la función X2, ha mejorado la gestión del contexto UE para el nuevo marco de flujo de QoS y segmento de red.

Además, la interfaz X2 y la interfaz Xn también desempeñan un papel crucial a la hora de facilitar el proceso de transferencia entre nodos RAN. Esto garantiza que la conexión se mantenga sin problemas durante la transferencia y que haya una interrupción mínima en la experiencia del usuario.

La interfaz X2 y la interfaz Xn también admiten el intercambio de mediciones y la configuración de mediciones entre nodos RAN, lo cual es necesario para la gestión de recursos de radio y la gestión de interferencias.

Funcionalidades de la interfaz X2 y Xn:

  • La interfaz X2 se utiliza entre eNB en LTE y entre nodos RAN en operación no independiente (entre eNB y en‒gNB)
  • La interfaz Xn se especifica recientemente entre los nodos RAN en operación independiente (entre ng‒eNB y ng‒eNB/gNB y gNB/ng‒eNB y gNB)
  • Las extensiones de X2 incluyen funciones que adoptan EN-DC y control de flujo para portadores divididos para operación no independiente
  • Función de control de flujo, que se definió para portadores divididos LTE-DC en la versión 12se utiliza para dividir datos de enlace descendente cuando se utilizan recursos de radio de múltiples nodos RAN
  • Xn se basa en la función X2 pero con una función de gestión de contexto UE mejorada para adoptar un nuevo marco de flujo de QoS y segmento de red.

Interfaces de nodos RAN: interfaces funcionales divididas y abiertas (F1, E1)

La interfaz F1 es responsable de manejar el plano de usuario y el plano de control dividido entre el gNB y la DU, mientras que la interfaz E1 maneja el plano de control dividido entre la DU y la CU.

La interfaz F1 se usa para dividir funciones entre gNB y DU en operación no independiente, mientras que la interfaz E1 se usa para dividir funciones entre DU y CU en operación independiente.

La división funcional dentro de un nodo RAN separa parte de las funciones en nodos lógicos separados, y se utiliza una interfaz abierta entre estos nodos lógicos.

La nueva división funcional entre la Unidad Central (gNB-CU) y la Unidad Distribuida (gNB-DU) dentro de gNB se define para abordar el mayor ancho de banda requerido para el transporte entre CU y DU.

La capa PDCP y superiores están ubicadas en el gNB-CU, y la capa RLC y inferiores están ubicadas en el gNB-DU.

Además, hay una división funcional del plano C y el plano U en gNB-CU, lo que permite colocar la función del plano C cerca de gNB-DU y las funciones del plano U cerca de la red central o viceversa.

Se especifica una interfaz abierta (E1) entre las partes de terminación del plano C y las partes de terminación del plano U de gNB-CU para permitir la separación funcional entre diferentes proveedores.

El nodo que termina el plano C de gNB-CU se llama gNB-CU-CP, y el nodo que termina el plano U de gNB-CU se llama gNB-CU-UP.

5G eCPRI: interfaz entre PHY y radio

La interfaz eCPRI se utiliza para transportar muestras de banda base digital entre la PHY y los componentes de radio en los nodos RAN. Esta interfaz es responsable de manejar la transmisión y recepción de la señal de radio.

La interfaz CPRI, desarrollada originalmente para 4G, tenía implementaciones específicas del proveedor que causaron problemas a los operadores. Las interfaces eCPRI ofrecen una solución más eficiente ya que se necesitan menos interfaces para probar múltiples operadores 5G.

eCPRI se ha establecido como una interfaz estándar para elementos de recorrido frontal 5G O-RAN, como el DU.

La desagregación de la red mediante división funcional ofrece beneficios de costos, particularmente con la implementación de nuevas interfaces como eCPRI.

Las interfaces de RF tradicionales no son rentables cuando se prueban grandes cantidades de operadores 5G, ya que los costos de RF aumentan rápidamente.

Interfaces 5G en representación basada en servicios

Las funciones de red en el 5GC muestran sus capacidades como servicios, que se proporcionan a las funciones de red del consumidor a través de SBI. Las interacciones entre las funciones de la red de productores y consumidores siguen dos mecanismos principales:

  • Solicitar respuesta: Un consumidor de función de red solicita un servicio de un productor de función de red. Este servicio puede realizar una acción, proporcionar información o ambas. En el mecanismo Solicitud-Respuesta, dos funciones de red, consumidor y productor, establecen un canal de comunicación y se espera una respuesta única dentro de un período de tiempo determinado.
  • Suscríbete-Notifica: Un productor de funciones de red muestra un servicio al que están suscritos uno o más consumidores. La solicitud de suscripción incluye el punto final de notificación del consumidor y, si hay actualizaciones periódicas, la solicitud de suscripción también incluye las condiciones que desencadenan la notificación.
Interfaces 5G OSEConsumidores de servicios
nombrePar AMF, SMF, SMSF, PCF, NEF, LMF, UDM, GMLC, CBCF, PWS-IWF
NsmfVSMF, HSMF, pares AMF, AMF, NEF, PCF
npcfAMF, VPCF, AF, NEF, SMF, NEF,
NnefFunción de aplicación, SMF
NnrfAMF, SMF, UDM, AUSF, NEF, PCF, SMSF, NSSF, UPF, BSF, NRF
NudmAMF, SMF, SMSF, NEF, GMLC, AUSF
NausfFMA
NnssfAMF, NSSF en una PLMN diferente
NsmsfFMA
NudrUDM, PCF, NEF
N5g-eirFMA
NnwdafPCF, NSSF
NlmfFMA
NbsfPCF, NEF, función de aplicación
nchfSMF, PCF

Interfuncionamiento 5GS y 4G EPC: Interfaces N26 y S10

Durante el interfuncionamiento de 5GS y 4G EPC, la interfaz N26 se utiliza para intercambiar el contexto UE entre un AMF en el 5GS y una MME en el EPS.

La interfaz S10 se utiliza para la transferencia de contexto UE entre MME; el interfuncionamiento requiere actualizaciones del software MME.

La AMF y la MME seleccionan un PGW-C y un SMF combinados para todas las conexiones PDN que se pueden mover. Como parte de los procedimientos de interfuncionamiento, los UE admiten tanto EPS NAS como 5GS NAS.

El SMF en el 5GS también tiene capacidad de interfuncionamiento; la funcionalidad PGW-C integrada en el SMF permite que el SMF interfuncione con un SGW-C en el EPS a través de la interfaz S5-C.

En resumen, las interfaces 5G NR como X2/Xn, S1/NG, F1 y E1 se utilizan para admitir diversas funciones y operaciones en la red 5G.

Las interfaces X2 y S1 se reutilizan de redes LTE con algunas extensiones, mientras que las interfaces Xn, NG, F1 y E1 se especifican recientemente para 5G.

Estas interfaces son responsables de tareas como la movilidad entre nodos RAN, la gestión de sesiones, la división de funciones y la transmisión y recepción de señales de radio.

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