IMT und 5G-Netzlifecycle: Architektur, Design, Deployment und Betrieb Schulung

Tag 1

1. Einführung und Ökosystem-Überblick

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

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

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

2. IMT-2020-Vision

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

• Einschränkungen von 4G/LTE, mangelnde Flexibilität des EPC und Herausforderungen im Transportnetz.

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

• Allgemeine Systemanforderungen zur Definition des 5G-Netzes.

• 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: Cell, Band, Channel Width.

• Grundlagen des UE-Netzwerkzugangs: Radio-Protokollstapel, MIB/SIB, Zellselektionsmechanismus 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 Implikationen.

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

• Trennung von Control Plane und User Plane.

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

5. NG-RAN-Mechanismen und Verfahren

• PDCP und Radio Bearers.

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

• RRC Reconfiguration als Schlüsselverfahren für alle NG-RAN-Operationen.

• Carrier Aggregation und Band Combination.

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

• Handover-Verfahren.

Tag 2

1. Grundlagen des Transportnetzes

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

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

• Zuordnung von 5QI aus dem 5GS-Bereich zur IP-Router-QoS.

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

2. Einblick in die SBA-Architektur als Fundament des 5GC

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

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

• Wichtige NFs aus Sicht der Zugriffsbearbeitung und Traffic-Terminierung aus NG-RAN: NRF, AMF, SMF, UPF.

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

• (Konzeptioneller Überblick) Stateless-Architektur und Speichern von Zuständen für jede NF mittels UDSF.

• (Konzeptioneller Überblick) Lastverteilung und Proxy-Mechanismen über SCP.

3. Datenpfad und Trennung der User Plane

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

• AMF als Eingangsgateway für die Control Plane (Terminierung und Demultiplexing von NAS- und NGAP-Signaling).

• UPF als User-Plane-Kern: Implementierung des Routing von Nutzerdaten und GTP-U-Tunnel-Kapselung.

• Aufrufablauf der PDU Session Establishment: End-to-End-Aufrufablauf inkl. Zuweisung von QoS Flows.

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

4. Abonnementsverwaltung, Identität und Service-Policies

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

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

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

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

5. Network Slicing

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

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

• Einführung in MEC, Uplink Classifier (UL CL) / Branching Point in der UPF.

6. Externe 5GC-Exposure und APIs

• SEPP zur Absicherung von Roaming-Traffic.

• Non-3GPP-Zugriff: Abonnenten-Traffic ausserhalb von NG-RAN über N3IWF.

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

7. Analyse ausgewählter End-to-End-Szenarien

• Initiale Registrierung und PDU Session Establishment: Abfrage der NRF, AUSF-Credentials, Abruf der Abonnements von der UDM und der Policies von der PCF.

• Path Switch Request und UPF-Relokationsverfahren für aktive Sessions während eines Inter-gNB-Handovers.

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

• Paging und network-gesprungenes Service Request, um das UE auf UPF-Initiative als Antwort auf Downlink-Traffic zu wecken.

Tag 3

1. Übergangsarchitektur

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

• 5G-Deployment-Optionen (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.

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

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

3. Telemetrie, Zähler und Datenkorrelation

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

• Vorgehensweisen zur Bewertung der Verfahrenskorrektheit: Success Ratio, Failure Ratio, absolute vs. prozentuale Werte.

• Ereigniskorrelation: Nachverfolgung komplexer Verfahren ohne dedizierte Zähler.

• Datennormierung und breitere Perspektive auf Grössenordnungen.

4. Anomaliediagnose 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 Identifikation der Ursachen von Fehlern.

5. Chaos Engineering und Troubleshooting

• Grundlagen der Verwaltung einer Open-Source-5GC-Implementierung in einer Dev/Cloud-Umgebung.

• Testen des Cloud-Native-Paradigmas: Ersetzen von Core-Microservice-Elementen ohne Unterbrechung des Betriebs.

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

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