Desarrollo de un prototipo de red 5G Standalone con servicios Voice Over New Radio (VoNR) mediante OpenAirInterface

Resumen

Las redes de comunicaciones móviles constituyen una gran parte de las redes de telecomunicación en nuestros días, no solo por el número de usuarios a los cuales se les presta servicio, sino también por las tecnologías que están en continuo desarrollo y que se sustentan sobre este tipo de redes. Actualmente, la tecnología 5G se ha establecido como la herramienta fundamental en el desarrollo tecnológico de la sociedad y de las comunicaciones móviles tal y como las conocemos.

Este desarrollo ha sido impulsado, en su mayor parte, por la necesidad de una población cada vez más conectada y exigente en cuanto a prestaciones de servicio. Así mismo, no debemos olvidar el continuo crecimiento del Internet of Things (IoT), cada día más presente en nuestro entorno y que, sin ninguna duda, es uno de los actores principales en el desarrollo de la tecnología 5G. Tampoco debemos pasar por alto la reciente situación provocada por el COVID-19, el cual ha dejado claras las ventajas de la investigación y el desarrollo en las tecnologías de comunicaciones móviles y la importancia de contar con una infraestructura sólida, escalable y descentralizada.

Una de las características clave de la tecnología 5G y motivo principal por el cual su despliegue es mucho menos costoso que el de redes de generaciones anteriores, es la virtualización de funciones de red o Network Function Virtualisation (NFV), que abre todo un abanico de posibilidades para la gestión e implementación de redes. Un claro ejemplo lo encontramos con los servicios virtualizados de voz conocidos como Voice Over New Radio (VoNR), que suponen un avance importante con respecto a su predecesor, Voice Over Long Term Evolution (VoLTE) en términos de escalabilidad, latencia, seguridad y calidad.

Por lo tanto, viendo la importancia que las redes móviles 5G tienen en nuestros días y que previsiblemente aumentará a lo largo de los años venideros, resulta imprescindible que todos los estudiantes que aspiren a ser titulados en el Grado de Ingeniería Telemática puedan y deban formarse en este tipo de tecnologías. En este contexto resulta muy interesante el desarrollo y despliegue de prototipos de red 5G en entornos virtualizados, con software completamente libre, de forma que los estudiantes puedan adquirir todos los conocimientos básicos y, sobre todo, experimentar con este tipo de tecnologías.

Durante la realización de este proyecto se han desplegado tres topologías diferentes de red 5G Standalone haciendo uso de máquinas virtuales mediante el software V irtualBox y contenedores a través del software Docker. Sobre los escenarios de red desarrollados, se deben desplegar servicios de voz virtualizados (VoNR) conforme a las especificaciones del Third Generation Partnership Project (3GPP) para su aplicación en entornos didácticos. Sin embargo, la madurez actual de las tecnologías y soluciones open source no han permitido integrar y desplegar este tipo de servicios.

Se han analizado varias soluciones de código abierto para 5G SA de las cuales, justificando su elección, se han seleccionado:

· OpenAirInterface (OAI) para el despliegue del núcleo de red 5G SA.
· UERANSIM y gnbsim para la implementación de los componentes gNB y UE de cada escenario.

Así mismo, se han analizado el resto de las tecnologías que han sido necesarias para el despliegue de los distintos desarrollos de este proyecto.

Para finalizar el proyecto, se ha elaborado un conjunto de pruebas que posibilitan el análisis de los prototipos de red desarrollados y así determinar si son válidos para su uso en entornos docentes. Tras la realización de dichas pruebas, se ha concluido que, a pesar de no ofrecer las capacidades necesarias para el despliegue de servicios VoNR, las soluciones analizadas presentan un gran potencial didáctico y cumplen con los objetivos básicos para establecerse como herramientas en entornos docentes. Así mismo se recomienda el seguimiento de estos desarrollos, ya que es posible que en un futuro próximo sí que ofrezcan la capacidad suficiente para implementar servicios de VoNR.

Abstract:

Mobile communication networks constitute a large part of today’s telecommunication networks, not only because of the number of users served, but also because of the continuously developing technologies that are based on this type of network. Today, 5G technology has established itself as the fundamental tool in the technological development of society and mobile communications as we know it.

This development has been driven, for the most part, by the needs of an increasingly connected and demanding population in terms of service provision. Likewise, we must not forget the continuous growth of IoT, which is increasingly present in our environment and is undoubtedly one of the main players in the development of 5G technology. Nor should we overlook the recent situation caused by COVID-19, which has made clear the advantages of research and development in mobile communications technologies and the importance of having a solid, scalable and decentralised infrastructure.

One of the key features of 5G technology and the main reason why it is much less costly to deploy than previous generation networks is the network functions virtualisation or NFV, which opens up a whole range of possibilities for network management and deployment. A clear example of this is the virtualised voice services known as VoNR, which represent a significant advance over its predecessor, VoLTE, in terms of scalability, latency, security and quality.

Therefore, given the importance that 5G mobile networks have nowadays and that is expected to increase over the coming years, it is essential that all students who aspire to be graduates in the Degree in Telematics Engineering can and should be trained in this type of technology. In this context, the development and deployment of 5G network prototypes in virtualised environments, with completely free software, is very interesting, so that students can acquire all the basic knowledge and, above all, experiment with this type of technology.

During this project, three different 5G SA network topologies have been deployed using virtual machines through the V irtualBox software and containers through the Docker software. On top of the developed network scenarios, virtualised voice services (VoNR) are to be deployed according to 3GPP specifications for application in educational environments. However, the current maturity of open source technologies and solutions has not allowed the integration and deployment of such services.

A number of open source solutions have been analysed for 5G SA of which, justifying their choice, the following have been selected:

· OAI for 5G SA network core deployment and,
· UERANSIM and gnbsim for the implementation of the radio access network.

Likewise, the rest of the technologies that have been necessary for the deployment of the different developments of this project have been analysed.

To conclude the project, a set of tests has been developed to analyse the network prototypes developed and thus determine whether they are valid for use in educational environments. After carrying out these tests, it has been concluded that, despite not offering the necessary capabilities for the deployment of VoNR services, the solutions analysed have a great didactic potential and meet the basic objectives to establish themselves as tools in teaching environments. It is also recommended that these developments be monitored, as it is possible that in the near future they may offer sufficient capacity to implement VoNR services.