5G NR New Radio Ing. Bruno Benedetti - Instituto de Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería - Universidad de la ...
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5G NR New Radio Ing. Bruno Benedetti – bbenedetti@fing.edu.uy Instituto de Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería – Universidad de la República Septiembre 2021 – Montevideo, Uruguay
Contenido Introducción Interfaz de Radio mMIMO & beamforming Cloud RAN Arquitectura de Red
Contenido Introducción Interfaz de Radio mMIMO & beamforming Cloud RAN Arquitectura de Red
Introducción
EMBB
eMBB: enhanced Mobile Broadband
URLLC: Ultra Reliable Low Latency
5G Communications
mMTC URLLC
mMTC: massive Machine Type
Communications
Introducción
Introducción
5G viene creciendo aún más rápido de lo que fue LTE (4G) en su momento.
5G Market Snapshot – Abr 2021 (GSA)
https://gsacom.com/paper/5g-market-snapshot-april-2021-member-report/
Ericsson Mobility Report – Jun 2021 (Ericsson)
https://www.ericsson.com/4a03c2/assets/local/mobility-
report/documents/2021/june-2021-ericsson-mobility-report.pdf
Aspectos claves
Modulación
cmWaves & mMIMO +
OFDM en DL y
mmWaves beamforming
UL
Multiple sub- Network
Cloud RAN
carrier spacing Slicing
Contenido Introducción Interfaz de Radio mMIMO & beamforming Cloud RAN Arquitectura de Red
Interfaz de Radio
Flexibilidad para operación en bandas bajas y bandas altas.
• Desde 600 MHz a decenas de GHz.
TDD o FDD
• Bandas TDD en frecuencias altas. → primeros reléase en TDD.
• Variantes TDD / FDD en bandas más bajas.
Canales de gran ancho de banda. Mejor eficiencia de espectro.
• Si tengo 40 MHz puedo usar una carrier de 40 MHz y no 2 de 20 MHz con sus correspondientes guardas.
• Las guardas se comprimen. Por ej celda de 20 MHz en LTE ocupa 100 PRBs. Mismo bw en NR ocupa 106 PRBs. Menos
guardas en NR.
Multiple CA: primeras implementaciones con hasta 8x100MHz.
CP-OFDM en DL y UL. SC-FDM opcional en UL.
Massive MIMO y beamforming.
Flexibilidad de bandas
Banda baja Banda media-baja Banda media-alta Banda alta
[cmWave] [mmWave]
• 600 MHz – 900 MHz • 1.7 GHz – 2.6 GHz • 2.3 GHz – 6 GHz. • 20 GHz – 60 GHz.
• Enfoque en cobertura • Cobertura media. • Cobertura media. • Cobertura reducida.
• Poco bw. • Más bw disponible. • Buen bw disponible. • Mucho bw disponible.
• FDD. • Mayormente FDD. • Mayormente TDD. • TDD.
• Sin beamforming. • Beamforming • Beamforming • Beamforming tiene
limitado. favorecido. rol fundamental.
• Ejemplos: • Ejemplos: • Ejemplos: • Ejemplos:
n5 – 850 MHz n1 – 2.1 GHz n41 – 2.5 GHz n258 – 25 GHz
n28 – 700 MHz n3 – 1.8 GHz n78 – 3.5 GHz n257 – 28 GHz
n71 – 600 MHz n7 – 2.6 GHz n79 – 4.7 GHz n260 – 39 GHz
¿Vale la pena usarlas para 5G hoy en día?Numerología
Flexibilidad en espaciamiento entre sub-portadoras y duración de símbolos.
μ: sub-carrier spacing confguration
Δf = 2μ15kHz. Ts = 1/Δf.
12 sub-portadoras por PRB al igual que en LTE.
1 frame = 10 subframes. 1 subframe = 1ms. 1 slot = 14 símbolos OFDM.
Slot más chicos → TTI más chicos → Menor latencia. TTIs por slot o por mini-slot (2, 4 o 7 symb).
μ Δf PRB Sym Duration # slots/sf Slot dur.
0 15 kHz 180 kHz 66.67 μs 1 1 ms
1 30 kHz 360 kHz 33.33 μs 2 500 μs
2 60 kHz 720 kHz 16.67 μs 4 250 μs
3 120 kHz 1.44 MHz 8.33 μs 8 125 μs
4 240 kHz 2.88 MHz 4.17 μs 16 62.5 μsFrame Structure
15 kHz 1 frame (10 ms) =10 subframes = 10 slots 60 kHz 1 frame (10 ms) =10 subframes = 40 slots
1 subframe (1 ms) = 1 slot =14
OFDM symbols 1 subframe (1 ms) = 4 slots =56
OFDM symbols
30 kHz 120 kHz
1 frame (10 ms) =10 subframes = 20 slots 1 frame (10 ms) =10 subframes = 80 slots
1 subframe (1 ms) = 2 slots = 1 subframe (1 ms) = 8 slots
28 OFDM symbols =112 OFDM symbolsDiagrama en tiempo y frecuencia Mantiene estructura de 12 sub- portadoras por PRB de LTE. Cambia duración de símbolo y espaciamiento entre sub-portadoras. Misma cantidad de RE por PRB para las distintas variantes.
Ancho de banda
Flexibilidad en ancho de banda de celda.
Distintas variantes dependiendo de μ.
Δf mayor > tiempo de símbolo más corto, más vulnerable a ISI, dependiendo de delay-spread.
Δf menor > tiempo de símbolo más largo, canal selectivo en el tiempo.
μ Δf # PRB min # PRB máx BW min BW máx
0 15 kHz 24 275 4.32 MHz 49.5 MHz
1 30 kHz 24 275 8.64 MHz 99 MHz
2 60 kHz 24 275 17.28 MHz 198 MHz
3 120 kHz 24 138 69.12 MHz 397.44 MHz
4 240 kHz 24 69 138.24 MHz 397.44 MHzTDD Slot Patterns
Diferentes configuraciones de slots para transmisión DL y UL.
Symbol number in a slot
Format
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
0 D D D D D D D D D D D D D D
1 U U U U U U U U U U U U U U
2 X X X X X X X X X X X X X X
…
26 D D X X X X X X X X X U U U
27 D D D X X X X X X X X U U U
28 D D D D D D D D D D D D X U
29 D D D D D D D D D D D X X U
30 D D D D D D D D D D X X X U
31 D D D D D D D D D D D X U U
32 D D D D D D D D D D X X U U
33 D D D D D D D D D X X X U U
34 D X U U U U U U U U U U U U
35 D D X U U U U U U U U U U U
36 D D D X U U U U U U U U U U
…
53 D D X X X X U D D X X X X U
54 X X X X X X X D D D D D D D
55 D D X X X U U U D D D D D D
56 – 255 ReservedTDD Slot Patterns
SlotPatternLength = 40slots Ejemplo
Slot number u = 30 kHz
9:1 ratio
8:2 ratio
7:3 ratio
5:5 ratio
1 frame (10ms) 1 frame (10ms)
Ejemplo
SlotPatternLength = 320slots
u = 120 kHz
9:1 ratio
8:2 ratio
7:3 ratio
5:5 ratio
1 frame (10ms)PDSCH & PUSCH
DMRS: DeModulation Reference Signal.
Al comienzo de cada slot > front-loaded.
Busca reducir latencia. No tengo que
esperar a todo el RB para ecualizar.
PTRS: Phase Tracking Reference signal.
Phase noise compensation.
PDSCH DMRS ports 1000, 1001
Asignación de recursos a través de PDCCH, PDSCH DMRS ports 1002, 1003
al igual que en LTE. PDSCH data
PDSCH PTRSChannel Coding Se introducen códigos QC-LDPC (Quasi Cyclic LDPC) en lugar de códigos turbo para PDSCH. Mejor desempeño que códigos turbo hacia límite de Shannon. Decoding más eficiente y escalable con tamaño de bloque. Canales de control con códigos polares. Mejores propiedades en floor error rate, mejor desempeño para tasas de errores muy bajas.
DSS: Dynamic Spectrum Sharing
Problema
Quiero lanzar mi red 5G!! Pero no tengo espectro para 5G…
¿Y si uso el que ya tengo de LTE FDD e irradio NR en bandas bajas o medias-bajas?
Contra 1: Las bandas bajas y medias-bajas no son muy distintas entre LTE y NR.
Contra 2: Pierdo capacidad tráfico en LTE.
Entonces para qué hacerlo? Mostrar el logo 5G… (y motivar usuarios a comprar móviles 5G?)
“Solución” (hasta ahí nomás)
Ya que voy a usar 5G en bandas de LTE FDD al menos la portadora en lugar de pasarla completamente a NR, la comparto.
DSS: Dynamic Spectrum Sharing.
La idea es compartir el espectro entre ambas tecnologías.
Algunos TTIs van sin tráfico en LTE y envío NR en su lugar.
Contras:
1. Uso ineficiente del espectro. Mucho más overhead.
2. Le saco menos recursos a LTE pero igual se los estoy sacando. Privilegio de unos pocos en detrimento de muchos.
3. Interferencia inter-celda. Falta de cancelación de LTE CRS vecino sobre NR payload. Ayuda reparto static+sync.DSS: Dynamic Spectrum Sharing Se reparten los subframes en forma dinámica o estática entre NR y LTE. Aquellos subframes con NR tienen overhead adicional por LTE PDCCH y LTE CRS (+- 21% OH). NR Broadcast: no puedo hacer puncturing para CRS. Solución: MBSFN. Discutible: los sf se reparten según carga, pero ¿bajo qué criterio? ¿volumen? ¿usuarios? ¿thput?
Contenido Introducción Interfaz de Radio mMIMO & beamforming Cloud RAN Arquitectura de Red
Antenas a muy alta frecuencia
Problema:
El área efectiva de la antena es
proporcional a la longitud de onda. 2
Pr = Gr Gt Pt
Friis: pathloss aumenta con la
frecuencia. (4r )2
→ Al trabajar en frecuencias más
altas el radio de cobertura decrece.
Solución:
Aumentar # de antenna elements 1GHz: N=1 2GHz: N=4 4GHz: N=16 32GHz: N=1024
que irradian por polarización. 0.5=15cm 1=15cm 2=15cm 16=15cm
0.5 1 2 16
G5dBi G11dBi G17dBi G35dBiAntenas a muy alta frecuencia
Nueva coyuntura: 1GHz: N=1 2GHz: N=4 4GHz: N=16 32GHz: N=1024
0.5=15cm 1=15cm 2=15cm 16=15cm
Al aumentar la cantidad de
antenna elements, más ganancia
con menor beamwidth. 0.5 1 2 16
El beam ya no cubre la totalidad del “pencil
~120 ~60 ~30 beams:“ ~4
sector!
azimuth and elevation beam-width
Beamforming:
Varios antenna elements,
cambiando pesos en cada uno e
introduciendo desfasaje en la señal
puedo hacer un steering del beam.Beamforming
time
El envío de datos a
cada UE se realiza a
través de narrow
beams.
En lugar de servir a todos los usuarios con un mismo beam ancho se da ser vicio con beams que
direccionan la potencia hacia el usuario destino.
MU-MIMO:
Al mismo tiempo uso beams distintos para usuarios distintos. Más capacidad de interfaz de radio!Beamforming
Beaforming funcionando utilizando
Plane Wave wavefront
muchos transmisores (TRX) y Antenna Phase Progress
tangential to wavelets
Elements (AE) trabajando en conjunto para
formar una onda.
Phase shifter
Phase shifter
Enviando la señal a distintas fases y con
Antenna Array
Phase shifter
distintos pesos puedo ajustar la dirección
Phase shifter
del frente de ondas.
Phase shifter
Phase shifter
Phase shifter
Signal to be
transmitted Phase shifter
PS
Phase controller
Reference
planeBeamforming Beaforming funcionando utilizando muchos transmisores (TRX) y Antenna Elements (AE) trabajando en conjunto para formar una onda. Enviando la señal a distintas fases y con distintos pesos puedo ajustar la dirección del frente de ondas.
Beamforming
Tapering: ajustar también la amplitud para evitar side lobes.
before
tapering
after
tapering
Antenna Array
gain
differenceBeamforming – Tipos de Bf
Analog beamforming
Los cambios de amplitude y de fase se implementan en hardware.
Set de ganancias y desfasajes fijo de antemano. Set de beams fijo de antemano.
Menos demandante en lo que es fronthaul; tengo que enviar menos info al radio.
No tengo que procesar la señal con precoding de bf.
Digital beamforming
La señal a irradiar se divide en los distintos TRX necesarios. Cada uno tiene su señal que se multiplica por un número
complejo el cual determina cambio de amplitud y de fase.
Los beams no son predefinidos, puedo sintetizarlos a mi gusto, siempre y cuando tenga capacidad de cómputo y
feedback del canal necesario.
Más TRX implica más necesidad de fronthaul. Opciones:
• Procesamiento de pesos en bandabase. Mayor exigencia de bw en fronthaul.
• Procesamiento de pesos en el radio. Mayor inteligencia en el radio.Digital Beamforming
Cada señal la multiplico por un número
complejo distinto.
SC
Este vector complejo puede estar pre- (A·ejφ)1
definido para un set de beams posible, o (A·ejφ)2
puedo sintetizarlo a mi gusto dependiendo
Antenna Array
(A·ejφ)3
de el o los usuarios que voy a servir en (A·ejφ)4
cada TTI. (A·ejφ)5
(A·ejφ)6
(A·ejφ)7
Luego debo enviar las distintas señales en
Signal to be (A·ejφ)8
los distintos TRX. transmitted
PS
Phase/Ampl
controllerBeamforming – Tipos de Bf
Static beamforming
Se definen beams en forma estática que no se modifican en el tiempo.
Por ejemplo: dividir un sector en dos sub-sectores.
Es una configuración más sencilla y que no necesita de obtener en forma rápida y dinámica feedback de estado del canal.
Dynamic beamforming
El beamforming se adapta en forma dinámica a los requerimientos de cada usuario. Hay dos posibilidades para
adaptación:
1. Beam switching.
• Hay un set de beams pre-definido y se selecciona para cada usuario en cada momento el que se ajusta mejor a
sus condiciones de radio en cada momento.
2. Beam steering.
• Cada beam se sintetiza para cada usuario en cada momento.
• Técnicas como ZF-beamforming permiten un manejo aún mejor de MU-MIMO.Beamforming – Tipos de Bf 1. Beam switching. Hay un set de beams pre-definido y se selecciona para cada usuario en cada momento el que se ajusta mejor a sus condiciones de radio en cada momento. Puede no ser el mejor beam, pero es el que “apunta más directamente”. No tengo un control específico para un usuario particular o para evitar interferencia hacia otro usuario particular. Más sencillo de implementar. No tengo que calcular los coeficientes. Analog y digital bf.
Beamforming – Tipos de Bf 2. Beam steering. Cada beam lo sintetizo en forma particular. Le doy a cada usuario el mejor beam que pueda sintetizar, a costo de mayor necesidad de computo y de feedback del canal. Sólo aplica a digital bf. ZF-beamforming: En caso de MU-MIMO al usar beams distintos en usuarios distintos al mismo tiempo, puedo tener interferencia. Zero Forced Bf permite al sintetizar un beam, forzar ganancia baja o nula en dirección del otro usuario.
Beamforming – Broadcast & RACH
Broadcast
Hay información de la celda que debe llegar a todos los móviles que acampan en la misma.
Antes teníamos un solo beam que ya cubría toda la zona de interés.
Se debe pensar en procedimiento para que esta info pueda ser recibida por todos los móviles de la celda.
Random Access
Los móviles en su primer transmisión no tienen recursos dedicados.
La radiobase no tiene información de su ubicación como para saber qué beam asignar al móvil.
Se debe dar una posibilidad de Random Access a todos los móviles de la celda.Broadcast: hay información que debe llegar a todos los UEs.
Ya no puedo enviar la información de broadcast
de la celda una única vez que llegue a todos los
usuarios.
Solución: beam sweeping.
Envío informaciónde broadcast por todos los
beams, a beam a beam.
→ Ejemplo de faro con señalización a barcos.Broadcast: hay información que debe llegar a todos los UEs.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
PSS PBCH SSS
P P P P P P P P
P S B P B S B P B S B P B S B
B
Synchronization S
S
C
H
S
S
C
H
S
S
C
H
S
S
C
H
S
S
C
H
S
S
C
H
S
S
C
H
S
S
C
H
Signal Block (SSB)
SS/PBCH SS/PBCH SS/PBCH SS/PBCH
block 0 block 1 block 2 block 3
1 frame (10ms)
240 subc.
127 subc. (20 PRBs)
2 slots with 240kHz SCS (each containing 2 beams info.) can
fit into one 120kHz SCS slot, therefore 32 beams can be sent
within 8 120kHz slots (1ms)
48 subc.
(4 PRBs)
Se definen los SS Blocks con señales de sincronismo PSS
y SSS, y con información de broadcast (PBCH).
4 OFDM
symbols
SS burst: conjunto de SSB en modo sweeping.Broadcast: hay información que debe llegar a todos los UEs.
Cada SS block envía
sync y MIB a
diferentes zonas del
área de cobertura de
la celda.
SS block N SS block N+1
Cuánto demoro en cubrir toda la celda?
2 SSB/slot → 2 beams por slot → # slots = # beams / 2
Puedo usar una numerología distinta para el envío de los SSB → más slots por tiempo.Random Access
El diseño del PRACH debe tener en cuenta el escenario
de beamforming. Así como la cobertura no es contínua
en el DL, tampoco lo es en el UL
DL SS burst
Specified
Periódicamente, el gNb activa distintas zonas de amount of
cobertura de la celda, donde escuchará el PRACH de los time
UEs de la zona.
Uplink RA
message
La activación del beam de Rx es periódica y está
asociada a la periodicidad del DL SSB.
→ El UE detecta el SSB e infiere cuando debe enviar el
RA en caso que sea necesario.Contenido Introducción Interfaz de Radio mMIMO & beamforming Cloud RAN Arquitectura de Red
RAN: ARQUITECTURA CLÁSICA
RADIO ACCESS NETWORK CORE NETWORK
EPC
SGW PGW
BBU BBU
EUTRAN
BBU
eNodeB
PDN
MME
RRH
HSS/HLR/
EIR/AUC
BBU BBU Fiber:
UTRAN CPRI / OBSAI
BBU
NodeB RNC
SGSN GGSN BBU
BBU BBU PLMN / PSTN backhaul
GERAN MSC/MGW GMSC/MGW
BBU GPRS CN
BTS BSCCLOUD RAN: ARQUITECTURA OBJETIVO (UTÓPICA)
vIMS
PDN
PLMN / PSTN
vEPC vGPRS
Core
RAN
vRNC vBSC
BBU
BBU BBU
BBU BBU
BBU BBU
BBU
BBU
BBU BBU
BBU BBU
BBU BBU
BBU
BBU Pool
gNb eNb Nb BTS
RRH RRH
RRH RRH
RRH RRH RRH
RRH RRH RRH
RRH RRH
RRH RRH
RRH
RRHCLOUD RAN: ARQUITECTURA OBJETIVO
Imagen tomada de
Checko, A., Berger, M. S., Kardaras, G., Dittmann, L., & Christiansen, H. L. (2016).
Cloud Radio Access Network architecture. Towards 5G mobile networks. Technical University of Denmark (DTU).LIMITANTES DEL FRONTHAUL: CRECIMIENTO DE LA INTERFAZ DE AIRE
LTE 3x20MHz 5G NR 3x100MHz
DL MIMO 2x2 16 layer mMIMO 64TRX
BBU ~6 Gbps CPRI BBU ~960 Gbps CPRI
La interfaz de aire de 5G puede trabajar en cmWaves o en mmWaves.
Grandes anchos de banda → del orden de cientos de MHz
Técnicas de beamforming + mMIMO → gran cantidad de TRX.
El ancho de banda en el fronthaul viene en aumento.
LTE-A (3+3)x20MHz
DL MIMO 4x4 ¿Cómo mejorar? Bajar ancho de banda:
BBU ~24 Gbps CPRI • I/Q Compression: menos bits por sample.
• Cuantización no lineal.
• Más eficiencia en señal en frecuencia (FFT en modulación OFDM).
Igual sigue siendo una limitante. → eCPRI: L1H-L1L Split. Requiere más
inteligencia y procesamiento en RRH.LIMITANTES DEL FRONTHAUL: DELAY Imagen tomada de
Checko, A., Berger, M. S., Kardaras, G., Dittmann, L., & Christiansen, H. L. (2016).
Cloud Radio Access Network architecture. Towards 5G mobile networks. Technical University of Denmark (DTU).
HARQ: Hybrid Automatic Repeat reQuest.
Antes el ACK/NACK debía venir desde el controlador en 3G (RNC).
Con introducción de HSPA (3.5G) se agrega HARQ a nivel de capa MAC.
LTE mantiene el proceso de HARQ a nivel de capa MAC.
RRH
UL data
HARQ
ACK/NACK
Limite de 8ms en recepción del HARQ lleva a una limitante
en el delay entre RRH y BBU.
→ Necesidad de más rápido procesamiento en UE y BBU, o
aumento de tiempo para HARQ timeout.Split en Protocol Stack
Vistos los problemas y limitantes que tienen los requerimientos del fronthaul, en 3GPP TS 38.401 V15.1.0 (2018-03) se define split
en las funciones del nodo, tomando el stack de protocolos de LTE como referencia.
3GPP F1 ECPRI CPRI
F1
F1 gNB-CU
gNB-CU
gNB-DU gNB-CU
gNB-CU
gNB-CU: NodoB en 5G Centralized Unit.
gNB-DU: NodoB en 5G Distributed Unit. gNB-DU
F1
F1: Interfaz entre CU y DU definida en 3GPP TS 38.401. gNB-DUSplit en Protocol Stack
Ejemplo de requerimientos en los distintos splits.
CASO: 3x100MHz 64TRX Massive MIMO 16 Layers
CPRI eCPRI High layer split Classical distributed
Baseband hotel Low layer split
Layer 3 Layer 3 Layer 3
Layer 2 Layer 2 Layer 2 high
10 Gbps
Layer 1 high Layer 1 high >5 ms
10 Gbps
Layer 1 low 5 ms Layer 3
100 GbpsCloud RAN vs Classical deployment
Classical deployment
• Radiobases distribuidas.
• Todo el procesamiento relacionado a red de acceso se hace en la radiobase.
Cloud RAN
• Idea: llevar a la nube el procesamiento de la radiobase.
• Puntos radiantes distribuidos + procesamiento en bandabase centralizado.
• Datacenters centralizados con fibra hacia los radios.
• Desafíos de latencia y exigencias de ancho de banda.
• No es único a 5G; también aplica a LTE.
• En el marco de 5G se comienza a hablar más de arquitectura cloud y a estandarizar funcionalidades como interfaz F1.
F1
F1 gNB-CU
gNB-CU
gNB-DU gNB-CU
gNB-CU
gNB-DU
F1
gNB-DUContenido Introducción Interfaz de Radio mMIMO & beamforming Cloud RAN Arquitectura de Red
5G RAN 5GRAN
gNB Central Unit (gNB-CU):
• L3 UP: SDAP; L3 CP: RRC. gNB-CU gNB-CU
• L2 NRT: PDCP
• Control de uno o varios gNB-DU Xn
gNB Distributed Unit (gNB-DU):
• L2 RT: RLC MAC. F1 F1 F1 F1
• L1 PHY.
• Controlado por un único gNB-CU.
• Host para una o varias celdas. gNB-DU gNB-DU
F1 interface: gNB-DU
• High layer fronthaul.
• Functional Split entre L2 NRT y L2 RT.
• Estandarizada por 3GPP.
gNB-CU VMs
→ en teoría multi-vendor.UE/gNB gNB/UE
Transmitting Receiving
side side
Stack de protocolos Mapping of QoS flow to DRB Packet delivery to the
New AS corresponding PDU
sublayer tunnel/session according to
Marking of QoS flow ID QoS flow ID
L2 y L1 mantiene funcionalidades en stack de protocolos.
• Distinción entre L2 NRT y L2 RT separando funciones Sequence numbering
Header Decompression (u-
plane only)
entre DU y CU.
Reordering &
• Para disminuir latencia: RLC no se encarga de reordenar. Header Compression (u-plane
only)
Duplicate detection
PDCP
PDCP se encarga de ordering si in-sequence delivery es
Integrity Protection (c-plane Integrity Verification (c-plane
necesario para capas superiores. only) only)
L2-RT ↔ L2-NRT
Ciphering Deciphering
Packet routing or duplication Removal of duplicated packets
L3 CP con protocolo RRC Radio Resource Control.
A diferencia de LTE nuevo estado intermedio:
• RRC idle. Sequence numbering
• RRC inactive. → disminuir latencia de establecimiento. Segmentation &
Resegmentation
Reassembly of SDU
• RRC connected.
RLC
Retransmission (ARQ) Error correction through ARQ
Nuevo protocolo L3 UP: Service Data Application Part (SDAP)
QoS Flow por radio bearer. Scheduling/ Priority handling
Multiplexing Demultiplexing
MAC Retransmission (HARQ) Error correction through HARQ
Radio Interface (Uu)
For multi-connectivity and CAVarientes de despliegue
gNB-DU
Red de transporte
F1 gNB-CU
“5G capable”
VMs
F1 F1
IP/ETH Fronthaul network LTE / EPC
F1
gNB-DU
Red de transporte
más limitante F1
F1
IP/ETH Backhaul network LTE / EPC
F1
F1
gNB-CUNSA: Non Stand Alone SA: Stand Alone • A futuro nodo gNb independiente de red LTE. NSA: Non Stand Alone • En los primeros release de 5G se soporta sólo la versión NSA. • ENDC: Eutra-NewRadio Dual Connectivity. • Importante ver capabilities de los móviles!: qué combinaciones de LTE CA + NR se soportan. El móvil necesita tener dual-connectivity, con eNb y gNb. Permite un primer despliegue más rápido, sin esperar desarrollo completo. • Por ej. desarrollo de core 5G, movilidad en 5G, etc. 3GPP define varias opciones de despliegue NSA y SA.
ENDC – Ejemplo de capabilities
Las combinaciones de bandas importan!
(…) Por ejemplo, este móvil sólo soporta ENDC con b28
como celda primaria de LTE (es la única que tiene
UL).
Puedo tener un móvil que en LTE only soporta LTE
CA con 4 CCs pero en ENDC sólo soporta LTE CA con
2 CCs. ¿Qué rendimiento puedo esperar?Variantes de despliegue
SA NSA
EPC 5GC 5GC EPC EPC EPC
1 2 5 3 3A 3X
E-UTRA NR E-UTRA E-UTRA NR E-UTRA NR E-UTRA NR
NSA NSA
5GC 5GC 5GC 5GC 5GC
4 4A 7 7A 7X
E-UTRA NR E-UTRA NR E-UTRA NR E-UTRA NR E-UTRA NR
Primeros despliegues NSA y reutilizan EPC de LTE. C-plane
Más adelante se introducirá core 5G y versiones SA. U-planeOpción 3x: Non Stand Alone
EPC
P-GW
MCG Bearer SCG Bearer Split
SgNB
S5
MME S11 S-GW
NR NR PDCP NR PDCP
DC UE PDCP
RLC RLC NR RLC NR RLC
S1-C S1-U S1-U MA NR MAC NR MAC
C
S1-U
X2-C MeNB
X2 MeNB SgNB SgNB
X2-U
S1-U MeNB Uu
S1-C
EPC UE Información de control se
intercambia en red LTE.
Split bearer – Control Plane El móvil debe ser capaz de estar
conectando en LTE y 5G:
Split bearer – User Plane DC – Dual Connectivity.
MeNB: Master eNB.
SgNB: Secondary gNB.NSA vs SA
NSA: Non Stand Alone
• Adopción más rápida de 5G. Opción utilizada en despliegues de 2018/2019 y más popular a la fecha.
• No preciso core 5G para su implementación levantar 5G.
• No me preocupo demasiado de que la llamada no caiga; siempre mantengo la señalización por LTE.
SA: Stand Alone
• Independencia de LTE. Caso de ejemplo de TMO en US con banda en 600 MHz para 5G.
• Adopción de nuevas features: estado RRC inactive importante para reducir latencia.
• Necesito core 5G.
• Recién se está comenzando a utilizar en 2020/2021.5G Core CUPS: Control & User Plane Separationn SBA: Service Based Architecutre
5G Core
CUPS: Separación de Control Plane y User Plane.
• Permite flexibilidad en el despliegue del core.
• Por ejemplo, control plane centralizado pero salida a internet distribuida, con UPFs distribuidos.
Cloud native
• Las funciones especificadas, tanto aquellas análogas a LTE como las nuevas, están pensadas para un ambiente
cloud, con una estructura de SW sobre Hw COTS (Commercial Off The Shelf; de propósito general).
• Ya existen implementaciones de EPC sobre cloud, pero el core 5G predispone una arquitectura pensada para
ser incorporada a un ambiente cloud.
SBA: Service Based Architecture
• Facilidad de escalabilidad y definición de nuevos componentes.
• Integración de Network Functions (NF) como servicios que se pueden agregar al core.
• Por ejemplo, una NF para comunicación con core sobre wifi, o para gestionar embms, o para manejo de
notificaciones masivas.
• No hay una NF predefinida de antemano. El sistema predispone la flexibilidad de creación de NFs.5G Core: funcionalidades análogas a EPC
AMF: Access and Mobility Management Function
• Análogo al MME: NAS, autenticación, registro, encriptación, movilidad, paging
SMF: Session Management Function
• Funciones de CP de SGW+PGW Control Plane: asignación de IP, selección de UPF
UPF: User Plane Function
• Funciones de SGW+PGW User Plane: forwarding hacia red ip, natteo, firewall
UDM: Unified Data Management
• Análogo al HSS: base de datos de usuarios, tipos de servicios, QoS.
• Authentication a cargo de otro elemento, AUSF.
PCF: Policy Control Function
• LTE: PCRF5G Core: nuevos elementos
NRF: Network Repository Function
• Repositorio de NFs disponibles.
NEF: Network Exposure Function
• exposure de capabilities de la red hacia 3rd parties. Permitir desarrollo de Apps Over The Top (OTT). API
Gateway. En EPC ya había un SCEF.
NSSF: Network Slice Selection Function
• selección de slice (qos) en red 5G
AF: Application Function
• Application Server, por ej IMS. Comunicación con pcrf sobre utilización de aplicaciones. Por ejemplo P-CSCF en
caso de IMS.CUPS: Control & User Plane Separation
Control plane
User plane Red externa Red externa
(internet) (internet)
Centralizado Centralizado
+++
Mantengo el plano de control Local
hacia el servidor centralizado,
pero el tráfico se mantiene local. ---Edge Computing
El concepto de edge computing o cómputo sobre el borde de la red, es la idea de
permitir el procesamiento cerca de la red de acceso.
Es decir, no solamente la salida a internet la pongo más cerca de las radiobases, sino
también pongo el procesamiento final cerca.
Por ejemplo, una aplicación de control de drones que corre sobre un datacenter local,
en el mismo donde se encuentra la salida a internet de la red de acceso.
Plano de control
centralizado
User Plane y
servidor destino en
datacenter localNetwork Slicing
Hay un concepto que se incorpora con 5G y se destaca cuando se habla de la nueva
tecnología: Network Slicing.
El nombre deriva de la idea de particionar una red de telecomunicaciones en servicios
distintos. La idea de varias porciones (slices) de una red (network).
En el contexto de 5G se busca introducir un nuevo paradigma en el manejo de los
servicios de red. La idea es que estas slices se puedan definir a demanda.Network Slicing
Por ejemplo, soy un operador que da servicios de 5G y un cliente quiere poder tener
un servicio en las rutas del país que permita la comunicación entre vehículos
autónomos, con requerimientos de muy baja latencia.
Solución: creo un slice para ello!
¿Qué tiene este slice? El holy grail de esto es que automáticamente la red se amolda
a los requerimientos del cliente. Por ejemplo, se crean máquinas virtuales en
datacenters cercanos a las rutas de interés, que puedan servir de terminación del
user plane de este cliente y proveen así de servicio de baja latencia.
Se customiza la interfaz de radio para adaptarla a las demandas de baja latencia y se
le asigna una prioridad a los usuarios (vehículos) del cliente.
Y que la red lo haga por sí sola bajo unos pocos parámetros!
¿Skynet / HAL?Network Slicing
¿Qué tan cerca estamos de eso?
Hoy por hoy, falta bastante. Pero deja de parecer algo utópico.
Comienza a parecer factible pensar a futuro en una red que se adapta a demanda,
optimizada para cada servicio.
5G establece las bases para su desarrollo.
• Flexibilidad en la interfaz de radio. Una interfaz de radio moldeable a distintos tipos
de requerimientos: EMBB, URLLC, mMTC.
• Flexibilidad en la definición de radiobases. Cloud RAN y ORAN.
• Flexibilidad en el núcleo de red. Ambiente cloud y CUPS.Recapitulando… Tres objetivos claves de 5G: eMBB, URLLC, mMTC. eMBB: URLLC: mMTC: • Nuevo espectro en bandas • Flexibilidad en asignación de • No fue prioritario en los medias-altas y altas. recursos. Slots & mini-slots. primeros release. • Grandes anchos de banda. • Front-loaded DMRS. • MU-MIMO. • Beamforming. • Nuevo estado RRC inactive. • NOMA? • TDD. • 2019/2020 gNB SA. • QC-LDPC channel coding. • CUPS. • Cloud RAN.
Bibliografía o 3GPP Series 38 http://www.3gpp.org/DynaReport/38-series.htm o 5G Handbook sharetechnote.com o Understanding the 5G NR Physical Layer Keysight Technologies o 5G Technology: 3GPP New Radio Harri Holma, Takehiro Nakamura, Antti Toskala o 5G NR: The Next Generation Wireless Access Technology Erik Dahlman, Johan Skold, Stefan Parkvall
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