IMT und 5G-Netzlebenszyklus: Architektur, Design, Bereitstellung und Betrieb Schulung

Tag 1

1. Einführung und Überblick über das Ökosystem

• Vielschichtige Perspektiven auf den 5G-Standard: Geschäft, Standardisierung, Implementierung, Transport, RAN, Core, DevOps.

• Vereinfachung verwandter Konzepte: 5G, IMT-2020, NG-RAN, NR, 5GC, 5GS.

• Generationenkontinuität mobiler Netze: sanfte Evolution von 4.5G zu 5G innerhalb der 3GPP-Releases 15–17.

2. IMT-2020-Vision

• Das Endgerät (UE) als Treiber des Wandels und Quelle neuer Anforderungen: Erweiterung der Definition von UE auf IoT-/mMTC (Sensoren), RedCap-Geräte (Kameras) und UAVs (Drohnen).

• Begrenzungen von 4G/LTE, mangelnde Flexibilität der EPC und Herausforderungen im Transportnetz.

• Grenzüberschreitende Anforderungen von eMBB, URLLC und mMTC: Anwendungsfälle und deren Auswirkungen auf RAN und Core.

• Allgemeine Systemanforderungen, die das 5G-Netz definieren.

• Querschnittsfähigkeiten: Network Slicing, 5QI, CUPS, Multi-access Edge Computing (MEC) und Privacy by Design.

3. Physikalische Grundlagen der Kommunikation zwischen UE und NG-RAN

• Grundlegende Funkkonzepte: Zelle, Band, Kanalbreite.

• Grundlagen des Netzwerks des Endgeräts: Funkprotokollstapel, MIB/SIB, Zellenselektionsmechanismus und Physikalische Schicht.

• Initialisierung der Verbindung: RACH (Msg 1-4), Paging, RRC.

4. NG-RAN-Architektur

• Logische Aufteilung der gNB in CU und DU.

• Funktionalitätssplittings-Optionen und deren Auswirkungen.

• O-RAN als alternative/Referenzrahmen und Standard für die RAN-Interoperabilität.

• Trennung von Steuerungs- und Benutzerebene.

• Das RRC-Protokoll und seine Rolle bei der Koordination der UE-Betrieb in NG-RAN und NAS-Tunneling.

5. NG-RAN-Mechanismen und -Verfahren

• PDCP und Funkträger.

• Messungen: Konfiguration, Berichterstattung und Nutzung in anderen Verfahren.

• RRC-Rekonfiguration als Schlüsselvefahren für alle NG-RAN-Betrieb.

• Trägeraggregation und Bandkombination.

• Die Rolle der AMF bei der Koordination in NG-RAN, NGAP-Protokoll.

• Handover-Verfahren.

Tag 2

1. Grundlagen des Transportnetzes

• Komplexität des Transport-Engineering und Entzauberung des Mythos „nur Kabel“: IP/MPLS als Kerntechnologie.

• Aufteilung in Fronthaul, Midhaul und Backhaul: Anforderungen, Erwartungen und Anwendungen (einschließlich eCPRI).

• Abbilden von 5QI aus dem 5GS-Bereich auf die QoS von IP-Routern.

• Verteilung und Synchronisation von Zeit und Phase für die Funkübertragung unter Verwendung von PTP (IEEE 1588).

2. Die SBA-Architektur als Fundament des 5GC

• Klassischer IT-Stack: HTTP/2, JSON, OAuth2.

• Kommunikationsmechanismen der Kernnetz-Funktionen: Request-Response vs. Subscribe-Notify.

• Wichtige NFs aus der Perspektive der Zugangsbehandlung und der Verkehrsbeendigung aus NG-RAN: NRF, AMF, SMF, UPF.

• NRF als zentrale Koordinator: Dienstep Registrierung, Service Discovery.

• (Konzeptueller Überblick) Zustandlose Architektur und Speicherung von Zuständen für beliebige NFs mit UDSF.

• (Konzeptueller Überblick) Lastausgleich und Proxy-Mechanismen über SCP.

3. Datenpfad und Trennung der Benutzerebene

• Datenfluss von UE zu 5GC: Korrelation der NG-RAN-Interfaces (N2, N3) mit NFs (AMF, SMF, UPF).

• AMF als Eingangstor für die Steuerungsebene (Beendigung und Demultiplexing von NAS- und NGAP-Signaling).

• UPF als Kern der Benutzerebene: Implementierung der Routing-Benutzerdaten und GTP-U-Tunnelkapselung.

• Aufrufablauf der PDU-Session-Einrichtung: End-to-End-Aufrufablauf einschließlich QoS-Flow-Zuweisung.

• N4-Interface (PFCP-Protokoll), TEID-Zuweisung und Regeln (PDR, FAR), die den Funkverkehr mit externen Datennetzen (DN) verknüpfen.

4. Abonnementverwaltung, Identität und Dienstep Richtlinien

• Datenbanken: UDR für strukturierte Daten und UDM für die Abonnentenverarbeitungslogik.

• 5G-AKA-Authentifizierungsprozess unter Einbeziehung von AUSF, NAS-Schlüsseltausch und dem SUCI-Mechanismus.

• PCF als Richtlinien-Manager und -Verteiler: Session-, Mobilitäts- und SLA-Richtlinien.

• Bindung von PDU-Sessions an PCF-Instanzen über BSF – eine Schlüsselfunktion für IMS/VoNR.

5. Network Slicing

• Einführung in Network Slicing, Einstellung des S-NSSAI-Parameteridentifiers.

• Selektionsmechanismen für AMF- und SMF-Instanzen basierend auf dem Dienstprofil über NSSF.

• Einführung in MEC, Uplink-Klassifizierer (UL CL) / Verzweigungspunkt in UPF.

6. Externe 5GC-Exposure und APIs

• SEPP zur Absicherung von Roaming-Verkehr.

• Non-3GPP-Zugang: Abonnentenverkehr, der außerhalb von NG-RAN über N3IWF entsteht.

• Exposure und Integration mit externen Anwendungsfunktionen (AF) über NEF.

7. Analyse ausgewählter End-to-End-Szenarien

• Initiale Registrierung und PDU-Session-Einrichtung: Abfrage der NRF, AUSF-Zugangsdaten, Abruf von Abonnements aus UDM und Richtlinien aus PCF.

• Pfadwechselanfrage und UPF-Relokationsverfahren für aktive Sessions während eines Inter-gNB-Handovers.

• Uplink-Klassifizierer (UL CL)-Mechanismus auf UPF- und SMF-Ebene für MEC-Szenarien und Local Breakout (LBO)-Routing.

• Paging und netzwerkgelöste Service-Anfrage, die das UE auf Initiative der UPF im Antwortfall auf Downlink-Verkehr aufweckt.

Tag 3

1. Übergangsarchitektur

• Überblick über die Architekturen von EPC und E-UTRAN.

• 5G-Bereitstellungsoptionen (Standalone SA und Non-Standalone EN-DC).

2. Koexistenz von 5GS und EPS

• EPS-Fallback- und Redirect-Mechanismen.

• Hybride Implementierungen (PGW-C+SMF und PGW-U+UPF).

• N26-Interface für Inter-System-Handover-Verfahren zwischen MME und AMF.

• Analysierung von EN-DC als dominante Variante von MR-DC (Multi-RAT Dual Connectivity).

• DSS (Dynamic Spectrum Sharing) als Mechanismus für Frequenztrennung.

3. Telemetrie, Zähler und Datenkorrelation

• Überwachung von Phänomenen über Zähler und deren Aggregation zu KPIs.

• Ansätze zur Bewertung der Korrektheit von Verfahren: Erfolgsrate, Fehlerrate, absolute vs. prozentuale Werte.

• Ereigniskorrelation: Verfolgung komplexer Verfahren, die keine dedizierten Zähler aufweisen.

• Datennormierung und breitere Perspektive auf Größenordnungen.

4. Anomaliediagnose und Log-Analyse

• Identifizierung von Problemen, die auf Software- oder Konfigurationsfehler hindeuten (z. B. „Schlafende Zelle“).

• Statistische Abweichungen und Zuordnung von Cause Values aus 3GPP-Protokollen zur Identifizierung von Ursachen für Fehler.

5. Chaos Engineering und Fehlerbehebung

• Grundlagen des Managements einer Open-Source-5GC-Implementierung in einer Dev/Cloud-Umgebung.

• Testen des Cloud-Native-Paradigmas: Ersetzen von Kern-Mikroservice-Elementen ohne Unterbrechung des Betriebs.

• Bewusstes Einführen von Fehlern und Beobachtung des Failover-Verhaltens.

• Simulation von NG-RAN-Degradation und Korrelation der Logs auf der AMF-Seite.