CC BY
61
широкое распространение сетей с наилучшей точностью, относительно низкой стоимостью и большой дальностью действия, которые подойдут для решения поставленных задач.
Литература
1. Вахрушева А.А. Технологии позиционирования в режиме реального времени // Вестник СГУГиТ, 2017. - Т. 22. - № 1. - С. 170-177.
2. Кокорева Е.В., Костюкович А.Е., Дощинский И.В. Оценка погрешности измерений местонахождения абонента в сети Wi-Fi // Программные системы и вычислительные методы, 2019. - № 4. - С. 30-38.
3. URL: https://wikichi.ru/wiki/Positioning_system (дата обращения - Сентябрь 2021
г.)
4. Bensky A., Wireless Positioning Technologies and Applications. 2nd Ed. Boston. London: Artech House, 2016. - 305 с.
5. URL: https://www.atol.ru/blog/chto-takoe-rfid-metki-tekhnologiya-radiochastotnoy-identifikatsii/ (дата обращения - Октябрь 2021 г.).
6. Nunzio G., Kevin P. Locata - Technology Brief v8.0. Las - Vegas. Nevada, 2014. - 7 с.
7. Boris D., O'Driscoll C., Fortuny J. Scoping Study on Pseodolites. Italy, 2011. - 31 с.
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЯДРА
СЕТЕЙ 5G
И.А. Михайлова, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, bella300598@mail.ru.
УДК 004.428.4
Аннотация. Развитие сетей 5G в настоящее время является актуальной темой не только для специалистов в области телекоммуникаций, но и для большинства людей-потребителей продуктов телекоммуникаций. В работе рассмотрены следующие технологии: сервисный интерфейс, сетевая архитектура, поддержка NSA и SA NR, архитектура аутентификации.
Ключевые слова: Evolved Packet System; NSA; SA; NR; LTE; 5GC; CP; UP.
FEATURES OF CONSTRUCTION AND FUNCTIONING OF THE CORE OF
5G NETWORKS
I.A. Mikhailova, The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications.
Annotation. The development of 5G networks is currently a hot topic not only for telecommunications specialists, but also for most people who are consumers of
78
telecommunications products. The paper presents the service interface, network architecture, support for NSA and SA NR, and authentication architecture.
Keywords: Evolved Packet System; NSA; SA; NR; LTE; 5GC; CP; UP.
Сети 5-го поколения (5G, New Radio) - это новое поколение мобильной связи, развивающейся на основе стандартов технологии LTE. Начало стандартизации сетей 5 G начал партнерский проект для стандартизации систем -3GPP (3-rd Generation Partnership Project), где были определены планы по подготовке спецификации [1].
Рисунок 1
3GPP (рекомендация TR 38.801 F14.0.0) определяет восемь возможных опций разделения функций между CU (Central Unit) и DU (Distributed Unit). При этом опция 8 соответствует схеме построения распределенной базовой станции. Например: Option 8/8a - может использоваться как промежуточный этап к архитектуре 5G/LTE от Option 3/3a к 4/4a (рис. 1) [1].
Технология 5 G является развитием телекоммуникационных сетей, и запуск и поддержка сети NSA (Non-Standalone) дает операторам возможности для тестирования рынка и разработки новых предложений для потребителей. Запуск NSA это лишь промежуточная версия, приходящая в преддверии автономного 5G.
При построении NSA используется ядро сети предыдущего поколения, но базовая станция должна поддерживать оба поколения: и 4G, и 5G. NSA-сети выступают в роли временного решения, которое не позволяет в полной мере реализовать потенциал, заложенный в 5G.
При использовании NSA абонентские устройства 5 G подключаются к EPC, а также поддерживают option 3 («NSA NR»), а доступ и сигнализация EPC-NAS проходят через LTE. NR используется только для пользовательского трафика UP.
При этом формат SA целиком принадлежит 5G.
При использовании SA абонентские устройства 5G подключаются к 5GC, а также поддерживают option 2-4-5-7 (рис. 2), а доступ и сигнализация 5G-NAS через NR или LTE в 5GC. NR используется как для трафика сигнализации CP, так и для пользовательского трафика UP [2].
Рисунок 2
В концепции безопасности сетей 5G включены такие процедуры как: аутентификация пользователя со стороны сети; аутентификация сети со стороны пользователя, согласование криптографических ключей между сетью и пользовательским терминалом; шифрование и контроль целостности сигнального трафика на уровне RRC (между UE и gNb); шифрование и контроль целостности сигнального трафика на уровне NAS (между UE и AMF); шифрование и контроль целостности пользовательского трафика (между UE и gNb); защита идентификатора пользователя; защита интерфейсов между различными элементами сети в соответствии с концепцией сетевого домена безопасности, описанного в рекомендации 3GPP TS 33.310, в т.ч. защита интерфейсов N2, N3 и Xn; изоляция различных слоев архитектуры Network slicing и определение для каждого слоя собственных уровней безопасности; защита сигнального и пользовательского трафика между eNb сети 4G-LTE и gNb сети 5G в рамках «Option 3» сценария миграции 4G к 5G, включая согласование криптографических ключей, шифрование и контроль целостности; аутентификация пользователя и защита трафика на уровне конечных сервисов (IMS, V2X - Vehicle to Everything, IoT) (рис. 3) [3].
В 5GC/5GS общая архитектура доступа обеспечивает единую структуру аутентификации на основе EAP (Extensible Authentication Protocol), что сильно отличается от разделенной архитектуры доступа с разными методами AKA (Authentication and Key Agreement) в сети 4G. В 5G становится возможным провести аутентификацию UE без SIM-карты (например, EAP-TLS) (Transport Layer Security), что было невозможным в сети 4G. Но, в любом случае AUSF (Authentication Server Function) контролирует выполнение аутентификации. Также для сетей LTE EPS-
80
AKA делегировано VPLMN, а HSS/AuC генерирует AKA AV. Для сетей 5-го поколения HPLMN (то есть AUSF) контролирует выполнение аутентификации, у
ШУМ та же роль, что и Ж? (ЕРС) [3].
Рисунок 3
Слайсинг сети (Network Slicing) - это технология, которая позволяет разделить физическую сеть на множество виртуальных сквозных - E2E (end-to-end) сетей, слоев, каждый из которых логически изолирован, включая устройство, доступ, транспорт и базовую сеть и предназначена для разных видов услуг с разными характеристиками и требованиями. Каждый сетевой слой содержит функции уровня управления, функции уровня пользовательского трафика и сеть радиодоступа. Для каждого сегмента сети гарантированы выделенные ресурсы (например, ресурсы для виртуализированных серверов, QoS и т. д.). Поскольку слайсы изолированы друг от друга, ошибка или сбой, произошедшие в одном слайсе, не влияют на обмен данными в других слайсах [4].
3GPP определяет три стандартных сетевых слоя: eMBB, URLLC, IoT. Для каждого слоя определены свои требования, также приоритет ее использования. Так для Enhanced Mobile Broadband (сверх-широкополосный доступ) предусмотрен такой трафик как: Видео 4K/8K UHD, голограмма, AR/VR, пользователи глобальной сети интернет. А к требованиям такой сети относится высокая емкость канала связи. Для сетевого слоя Ultra Reliable Low Latency Communication использование трафика предоставляется для: управления движением, автономного вождения транспортных средств, автоматизированной фабрики, интеллектуальной сети, телемедицины. К такой сети предъявляют требования ультра-надежности и низких задержек. Сетевой слой Internet of Things (интернет вещей) - это использование миллионов устройств, передающих малые объемы данных. Примером такой сети являются сенсорные сети (телеметрия, сельское хозяйство, строительство, логистика, умный город, умный дом и т.д.) [5].
На рис. 4 представлены Network Slicing сети 5G, иллюстрированные в NGMN
Рисунок 4
Каждая телекоммуникационная компания может определять дополнительные для себя сетевые слои, например, выделенный сетевой слой для критических коммуникаций, для внутрикорпоративной связи и т.д.
Для реализации сетевых сегментов обязательным условием является виртуализация сетевых функций (Network Functions Virtualization - NFV). Главная идея NFV заключается в установке программного обеспечения на виртуальных машинах (Virtual Machine - VM), развернутых на виртуализированном коммерческом сервере (COTS; commercial off-shelf). Программное обеспечение должно отвечать за работу с сетью (то есть MME, S/P-GW и PCRF в Packet Core и DU в RAN). Таким образом, RAN работает как edge cloud (пограничное облако), а Core - как core cloud (основное облако). Связь между виртуальными машинами, расположенными в пограничном и базовом облаках, обеспечивается с помощью SDN.
Операторы могут настраивать сегменты сети по своему усмотрению. Объем ресурсов RAN, выделяемых на каждый слайс сети зависит от требований QoS, объема трафика, качества радиоканала и т.д. Пользовательский терминал (UE) может обслуживаться одновременно одним или несколькими сетевыми слоями. При этом модуль AMF является общим для всех слоев, а вот остальные элементы (в т.ч. SMF, UPF) могут различаться. Кроме того, при наличии нескольких технологий радиодоступа (Radio access technology - RAT), также можно выделить ресурсы RAN для слайса сети из одной или нескольких RAT. Для повышения гибкости в зависимости от сетевого трафика, например, возможно динамическое
включение/выключение конкретной RAT в слайсе, что снижает энергопотребление слайса [7].
Рисунок 5
UE может одновременно получать обслуживание от множества сетевых сегментов. Благодаря специфике мобильной системы всегда есть один AMF и одно сигнальное соединение для всех секторов UE. Например, срезы № 1 и № 2 сети предназначены для различных применений IoT с одним и тем же пользовательским оборудованием, использующим общие NF (рис. 5). А сетевой сегмент № 3 может быть - для смартфонов.
NG-RAN выбирает RAN-часть сетевого сегмента на основе вспомогательной информации, предоставляемой UE или базовой сетью 5G. При регистрации в сети пользовательского терминала в рамках процедуры установления RRC соединения UE передает список запрашиваемых сетевых слоев S-NSSAI. На первом шаге, на основании полученных от UE данных списка сетевых слоев, содержащихся в UDM профиле пользователя и местоположения абонента осуществляется выбор элемента AMF, который может обеспечить необходимый набор услуг. Выбор AMF осуществляется с привлечением модуля выбора сетевого слоя (NSSF) и репозитория сетевых функций (NRF).
NG-RAN обеспечивает дифференцированную обработку трафика для сетевых сегментов за счет дифференцированного планирования радиоресурсов и применения определенных конфигураций LHL2.
NG-RAN применяет политики управления радиоресурсами, специфичные для каждого слайса. Узел NG-RAN может поддерживать несколько сегментов сети. Ресурсы могут быть зарезервированы исключительно для определенных сегментов с учетом выполнения SLA, например, для предотвращения ухудшения качества обслуживания в одном слайсе из-за нехватки ресурсов в другом слайсе.
Некоторые сегменты могут быть развернуты только в части зоны покрытия сети, в зависимости от потребностей в обслуживании. Независимо от количества одновременно используемых слайсов существует одно сигнальное соединение с сетью, и сеть направляет UE к ресурсам, связанным с слайсами [8].
В ReHl 3GPP предусматривает возможность развития стандарта 5G с интеграцией систем спутниковой связи.
Возможности спутниковых технологий:
• Скорость на БС 200 Мбит/с и более.
• Встроенное ускорение TCP/GTP поддерживает скорости LTE для
обеспечения качества близкого к наземным каналам.
• Реализованы уникальные алгоритмы обеспечения стабильности каналов.
• Применение TDMA сокращает используемый спутниковый сегмент.
В концепции использования спутниковых технологий рассматривается возможность интеграции со всеми стандартами сетей мобильной и фиксированной связи, что дает возможность для предоставления надежных и бесперебойных услуг связи 5G по доступной цене. Спутниковый сегмент 5G позволяет расширить возможность услуг, таких как рост мультимедийного трафика, межмашинные связи, повсеместное покрытие.
У спутниковой технологии есть и свои минусы, связанные с увеличением скорости передачи пакетов данных, этому способствует большое расстояние от абонентского терминала до базовой станции gNB (next-generation base transceiver station или gNodeBB).
Способы использования спутниковых технологий в сетях мобильной сотовой связи стандарта 5G.
Способ 1: Абонентское устройство использует спутниковую сеть 5G при отсутствии радиопокрытия наземных сетей. Оператор сотовой связи заключает договор о роуминге с оператором спутниковой сети 5G.
Способ 2: Операторы мобильной сотовой связи используют спутниковую сеть 5 G для увеличения радиоресурса с целью обеспечения глобальности доступа к контенту.
Способ 3: Радиовидимость для абонентских устройств с низким энергопотреблением посредством использования низкоорбитальных спутников.
Способ 4: Использование спутниковой сети, когда полностью или в большей степени повреждены наземные сети 5G. Услуги предоставляются ограниченным набором.
Способ 5: На территории объединенного радиопокрытия (спутникового и наземного) применяется оптимальная маршрутизация трафика. Это позволяет организовать маршрут от требований QI (показателя качества 5G) и уровня текущей загрузки сетей.
Способ 6: Применение спутниковой сети связи стандарта 5G может использоваться как самостоятельная на нейтральной территории при использовании сети доступа в различных странах.
Способ 7: Глобальная низкоорбитальная сеть спутниковой связи является наложенной сетью наземной сети передачи данных. Топология каналов определяется исходя из минимизации времени доставки пакетов данных.
Способ 8: Взаимодействие массовых абонентских устройств со спутниковой сетью связи предполагается через промежуточные (релейные) абонентские устройства (Relay UE), поддерживающие спутниковый интерфейс.
Способ 9: Спутниковая сеть используется для организации транспортных каналов Midhaul, Backhaul между подвижными либо стационарными базовыми станциями gNB и опорной сетью 5GC.
Оператор спутниковой сети предоставляет услуги передачи данных, широковещательной передачи видео и других видов контента, интернета вещей на глобальной территории, а также предоставление услуг передачи данных в кризисных ситуациях.
Заключение
• Ядро 5G является фундаментальной частью сети 5G для улучшения работы конечных пользователей, упрощения операций, повышения гибкости обслуживания и улучшения сетевых возможностей.
• 5G означает переход к программному обеспечению и облачным открытым платформам.
• Основная сеть 5G строится на разделении плоскости управления и пользователя, введенном в выпуске 14 3GPP.
• 5GC обеспечивает более общую архитектуру для всех доступов и меньшее использование ресурсов при всех доступах в одном AMF.
• Архитектура аутентификации 5GC позволяет использовать общую структуру аутентификации, которая позволяет произвести аутентификацию UE без SIM-карты.
• Сетевая архитектура 5GC обеспечивает гибкость и расширяемость, не влияя на стандарты, также обеспечивает простую интеграцию со сторонним программным обеспечением, поддерживаемым архитектурой на основе сервисов.
Литература
1. 3GPP TR 38.801 Study on New Radio Access Technology; Radio Access Architecture and Interfaces [Электронный ресурс]. https://www.3gpp.org/
2. 3GPP TS 33.310 NG-RAN; Architecture description [Электронный ресурс]. https://www.3gpp.org/
3. 5G Core Concepts Ericsson AB 2018 | LZT1382059 R2A
4. E2E Network Slicing - Key 5G technology. 27.11.15 [Электронный ресурс] // URL: https://www.netmanias.com/en/?m=view&id=blog&no=8325
5. 3GPP TS 28.801; Study on management and orchestration of network slicing for next generation network [Электронный ресурс]. https://www.3gpp.org/
6. Next generation mobile networks https://www.ngmn.org/ [Электронный ресурс].
7. Ksentini A., Nikaein N. Toward enforcing network slicing on RAN: Flexibility and resources abstraction // IEEE Communications Magazine, 2017. - Т. 55. - № 6. - С. 102108.
8. 3GPP Standards Progress on 5G Network Slicing
https://www.gsma.com/futurenetworks/wp content/uploads/2018/07/1_1_3GPP-Standard-Progress-on-5G-Network-Slicing_3GPP-SA2-Chair.pdf [Электронный ресурс].
АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К ПОСТРОЕНИЮ ЭКСПЕРТНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ПОДДЕРЖКИ ОПЕРАТИВНОГО ПЕРСОНАЛА АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Р.В. Левицкий, Московский технический университет связи и информатики, rlpostbox@yandex.ru.
УДК 004.891.2
Аннотация. Рассматриваются основные принципы экспертных систем; задачи, которые могут быть решены с их помощью; принципы сбора и формализации знаний; основные модели представления данных. Производится обзор современных инструментальных средств для практической разработки подобных систем. Определяется подход к разработке опытного прототипа экспертной системы для поддержки оперативного персонала АЭС.
Ключевые слова: искусственный интеллект; экспертная система; модель; логический вывод; продукционная модель; фрейм; семантические сети; база знаний; прототип.
ANALYSIS OF APPROACHES TO THE CONSTRUCTION OF EXPERT INFORMATION SYSTEMS TO SUPPORT THE OPERATIONAL STAFF OF
NUCLEAR POWER PLANTS
Roman Levitskiy, Moscow technical university of communications and informatics.
Annotation. The basic principles of expert systems are considered. Tasks that can be solved with their help. The principles of collecting and formalizing knowledge. Basic data presentation models. A review of modern tools for the practical development of such systems is made. An approach to the development of an experimental prototype of an expert system to support the operating personnel of a nuclear power plant is determined.
Keywords: artificial intelligence; expert system; model; inference; production model; frame; semantic networks; knowledge base; python; prototype.
Введение
Очень часто при промышленной эксплуатации стратегически важных объектов, таких как АЭС, оперативному персоналу необходимо, действуя в ограниченных временных рамках, анализировать большие объемы данных и следовать многочисленным служебным нормативным документам. На сегодняшний день для поддержки оперативного персонала возможно использовать вспомогательные экспертные системы (ЭС). Их история насчитывает более 80 лет,
86
