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

Tag 1

1. Einführung und Überblick über das Ökosystem

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

• Aufklärung über verwandte Konzepte: 5G, IMT-2020, NG-RAN, NR, 5GC, 5GS.

• Generationenübergreifende Kontinuität der Mobilfunknetze: Sanfte Evolution von 4.5G zu 5G innerhalb der 3GPP-Releases 15–17.

2. IMT-2020-Vision

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

• Begrenzungen von 4G/LTE, fehlende Flexibilität des 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 UE-Kommunikation mit NG-RAN

• Grundlegende Funkkonzepte: Zelle, Band, Kanalbreite.

• Grundlagen des UE-Netzzugangs: Funkprotokollstapel, MIB/SIB, Zellenselektionsmechanismus und Physikalische Schicht.

• Verbindungsinitierung: RACH (Msg 1-4), Paging, RRC.

4. NG-RAN-Architektur

• Logische Aufteilung der gNB in CU und DU.

• Funktionsaufteilungsoptionen und deren Auswirkungen.

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

• Trennung von Kontroll- und Benutzerebene.

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

5. NG-RAN-Mechanismen und Verfahren

• PDCP und Funkträger (Radio Bearers).

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

• RRC Rekonfiguration als zentrales Verfahren für alle NG-RAN-Betriebstätigkeiten.

• Trägeraggregation und Bandkombination.

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

• Handover-Verfahren.

Tag 2

1. Grundlagen des Transportnetzes

• Komplexität der Transporttechnik und Entzauberung des Myths „nur Kabel“: IP/MPLS als Kerntechnologie.

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

• Übertragung von 5QI aus dem 5GS-Bereich in die IP-Router-QoS.

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

2. Innenansicht der SBA-Architektur als Grundlage des 5GC

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

• Kommunikationsmechanismen zwischen Kernnetzfunktionen: Request-Response vs. Subscribe-Notify.

• Zentrale NFs aus Sicht der Zugangsbearbeitung und Verkehrsbeendigung von NG-RAN: NRF, AMF, SMF, UPF.

• NRF als zentraler Koordinator: Service Registration, Service Discovery.

• (Konzeptueller Überblick) Stateless-Architektur und Speicherung von Zuständen für beliebige NFs unter Verwendung von UDSF.

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

3. Datenpfad und Trennung der Benutzerebene

• Datenfluss vom UE zum 5GC: Korrelation der NG-RAN-Schnittstellen (N2, N3) mit NFs (AMF, SMF, UPF).

• AMF als Eingangstor für die Kontrollebene (Terminierung und Demultiplexing von NAS- und NGAP-Signalisierung).

• UPF als Kern der Benutzerebene: Implementierung des Routing von Nutzdaten und Kapselung von GTP-U-Tunnels.

• Ablauf der PDU-Sitzungsaufrichtung: End-to-End-Ablauf einschließlich Zuweisung von QoS-Flows.

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

4. Abonnementverwaltung, Identität und Dienstestrategien

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

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

• PCF als Strategie-Manager und -Verteiler: Sitzungs-, Mobilitäts- und SLA-Strategien.

• Verknüpfung von PDU-Sitzungen mit PCF-Instanzen über BSF – ein Kernmerkmal für IMS/VoNR.

5. Network Slicing

• Einführung in Network Slicing, Einrichtung des S-NSSAI-Parameteridentifikators.

• Auswahlmechanismen für AMF- und SMF-Instanzen basierend auf dem Diensteprofil über NSSF.

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

6. Externe 5GC-Exposure und APIs

• SEPP zur Sicherung des Roaming-Verkehrs.

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

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

7. Analyse ausgewählter End-to-End-Szenarien

• Initiale Registrierung und PDU-Sitzungsaufrichtung: Abfrage der NRF, Authentifizierungsdaten von AUSF, Abruf von Abonnementen aus UDM und Strategien aus PCF.

• Path Switch Request und UPF-Umzugsverfahren für aktive Sitzungen während des Inter-gNB-Handovers.

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

• Paging und netzseitig ausgelöste Service-Request, die das UE auf Initiative der UPF aufgrund von Downlink-Verkehr aufweckt.

Tag 3

1. Übergangsarchitektur

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

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

• Analyse von EN-DC als dominierende Variante von MR-DC (Multi-RAT Dual Connectivity).

• DSS (Dynamic Spectrum Sharing) als Mechanismus zur Frequenznutzungsteilung.

3. Telemetrie, Zähler und Datenkorrelation

• Überwachung von Phänomenen über Zähler und Aggregation zu KPIs.

• Ansätze zur Bewertung der Richtigkeit von Verfahren: Erfolgsquote, Fehlerrate, absolute vs. prozentuale Werte.

• Ereigniskorrelation: Nachverfolgung komplexer Verfahren, denen keine dedizierten Zähler zugewiesen sind.

• Datennormalisierung und breitere Perspektive zu Größenordnungen.

4. Anomaliendiagnose und Log-Analyse

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

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

5. Chaos Engineering und Troubleshooting

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

• Test des Cloud-Native-Paradigmas: Ersetzen von zentralen Microservice-Elementen, ohne den Betrieb zu unterbrechen.

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

• Simulation einer NG-RAN-Verschlechterung und Korrelieren der Logs auf der AMF-Seite.