Im Zusammenhang mit drahtlosen 5G-Netzwerken (fünfte Generation) ist das NAS (Non-Access Stratum) eine entscheidende Schicht im Protokollstapel und bietet wesentliche Funktionen im Zusammenhang mit der Steuerung und Verwaltung des Mobilgeräts. NAS arbeitet auf der Signalisierungsebene und ist für die Abwicklung nicht funkzugangsnetzwerkbezogener Verfahren verantwortlich. Schauen wir uns die Details von NAS in 5G an:
- Definition und Zweck von NAS:
- Definition: Das Non-Access Stratum (NAS) ist eine Schicht im Protokollstapel eines Mobilfunknetzes, die über dem Funkzugangsnetz liegt und für nicht funkzugangsbezogene Verfahren zuständig ist. Bei 5G arbeitet das NAS im Kern des Netzwerks und erleichtert die Kommunikation zwischen dem mobilen Gerät (UE – User Equipment) und dem Kernnetzwerk.
- Zweck: Der Hauptzweck von NAS ist die Verwaltung von Kontrollebenenprozeduren, Signalisierung und Mobilitätsmanagement für das mobile Gerät. Es übernimmt Funktionen, die unabhängig von der zugrunde liegenden Funkzugangstechnologie sind, und ermöglicht so eine standardisierte Schnittstelle zwischen dem mobilen Gerät und dem Kernnetzwerk.
- Hauptfunktionen von NAS in 5G:
- Registrierung und Identitätsmanagement:
- Verbindungs- und Trennungsverfahren: NAS verwaltet die Verbindungs- und Trennungsverfahren und ermöglicht es einem mobilen Gerät, sich beim 5G-Netzwerk zu registrieren oder von diesem zu trennen. Dies ist wichtig für den Aufbau und Abbau von Verbindungen zwischen dem UE und dem Kernnetzwerk.
- Identitätsverwaltung: NAS übernimmt die Verwaltung der mit dem Mobilgerät verbundenen Identitäten, einschließlich Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI), International Mobile Subscriber Identity (IMSI) und anderen.
- Verbindungsaufbau und -abbau:
- Serviceanfrage und -freigabe: NAS verwaltet die Initiierung und Freigabe von Serviceanfragen und ermöglicht so den Aufbau und die Beendigung von Verbindungen für Dienste wie Sprachanrufe, Datensitzungen und Messaging.
- PDN-Konnektivität (Packet Data Network): NAS erleichtert den Aufbau und die Freigabe von Verbindungen zu PDNs und ermöglicht dem mobilen Gerät den Zugriff auf Datendienste und Anwendungen.
- Mobilitätsmanagement:
- Standortaktualisierung und Aktualisierung des Tracking-Bereichs: NAS übernimmt Verfahren im Zusammenhang mit der Aktualisierung des Standorts des Mobilgeräts und der Aktualisierung der Informationen zum Tracking-Bereich. Dies ist entscheidend für die Aufrechterhaltung einer genauen Netzwerkregistrierung und die Gewährleistung eines effizienten Mobilitätsmanagements.
- Handover-Unterstützung: NAS unterstützt Handover-Verfahren, sodass das mobile Gerät nahtlos zwischen verschiedenen Zellen oder Tracking-Bereichen wechseln und gleichzeitig eine laufende Kommunikationssitzung aufrechterhalten kann.
- Sicherheit und Authentifizierung:
- Sicherheitsmodussteuerung: NAS verwaltet die Einrichtung und Steuerung von Sicherheitsmodi und gewährleistet so die Vertraulichkeit und Integrität der Kommunikation zwischen dem mobilen Gerät und dem Kernnetzwerk.
- Authentifizierung und Schlüsselvereinbarung: NAS übernimmt Authentifizierungs- und Schlüsselvereinbarungsverfahren, um die Identität des Mobilgeräts zu überprüfen und sichere Kommunikationskanäle einzurichten.
- SMS (Short Message Service) Handhabung:
- SMS-Unterstützung: NAS bietet Unterstützung für die Verarbeitung von Kurznachrichten, einschließlich Verfahren zum Senden, Empfangen und Speichern von SMS-Nachrichten.
- Cell Broadcast: NAS unterstützt Cell Broadcast-Dienste und ermöglicht die Übertragung von Nachrichten an mehrere Mobilgeräte innerhalb einer bestimmten Zelle oder eines bestimmten geografischen Gebiets.
- EPS (Evolved Packet System) Trägerverwaltung:
- Bearer-Aktivierung und -Deaktivierung: NAS verwaltet die Aktivierung und Deaktivierung von EPS-Trägern, die Kommunikationskanäle für Datendienste darstellen. Dazu gehören Verfahren zum Einrichten, Ändern und Freigeben von Trägern basierend auf den Datenanforderungen des Mobilgeräts.
- Registrierung und Identitätsmanagement:
- Protokolle und Schnittstellen in NAS:
- Protokolle: NAS nutzt verschiedene Protokolle für die Kommunikation zwischen dem mobilen Gerät und dem Kernnetzwerk. Dazu gehören NAS-Signalisierungsprotokolle wie NAS Transport Layer Security (TLS) und NAS Application Protocol (NasP).
- Schnittstellen: Die mit NAS verbundene primäre Schnittstelle ist die S1-Schnittstelle, die das mobile Gerät mit dem entwickelten NodeB (eNB) im Funkzugangsnetzwerk verbindet. Darüber hinaus kann die X2-Schnittstelle an der NAS-Signalisierung für Verfahren im Zusammenhang mit der Kommunikation zwischen eNB beteiligt sein.
- S1-MME- und S1-U-Schnittstellen: Für Mobilitätsmanagement und Datenkonnektivität kommuniziert NAS mit der Mobility Management Entity (MME) und dem Serving Gateway (SGW) über die S1-MME- bzw. S1-U-Schnittstellen.
- Herausforderungen und Überlegungen:
- Sicherheit und Datenschutz: Der Schutz der Sicherheit und Privatsphäre von Benutzerdaten und Signalinformationen ist ein wichtiger Aspekt für NAS. Robuste Sicherheitsmaßnahmen, einschließlich Verschlüsselung und Authentifizierung, sind zum Schutz vor unbefugtem Zugriff und Angriffen unerlässlich.
- Latenzmanagement: Da 5G eine extrem niedrige Latenz anstrebt, ist eine effiziente Verwaltung der Signalisierungsverfahren durch NAS von entscheidender Bedeutung. Die Minimierung von Signalverzögerungen während Mobilitätsereignissen und Verbindungsaufbau trägt zu einer verbesserten Benutzererfahrung bei.
- Interoperabilität: Die Gewährleistung der Interoperabilität zwischen Netzwerkgeräten und Mobilgeräten verschiedener Anbieter ist für eine nahtlose Kommunikation von entscheidender Bedeutung. Standardisierungsbemühungen spielen eine Schlüsselrolle bei der Schaffung eines gemeinsamen Rahmens und der Förderung der Interoperabilität.
- Entwicklung mit Network Slicing: Da 5G Network Slicing-Funktionen einführt, muss sich NAS anpassen, um die Erstellung und Verwaltung benutzerdefinierter Netzwerk-Slices zu unterstützen, die auf spezifische Serviceanforderungen und Anwendungsfälle zugeschnitten sind.
- Evolution und zukünftige Überlegungen:
- Integration mit 6G: Mit Blick auf die Zukunft wird sich NAS wahrscheinlich weiterentwickeln, um sich in potenzielle 6G-Technologien und -Architekturen zu integrieren. Die Antizipation der Anforderungen künftiger Generationen gewährleistet die anhaltende Relevanz und Anpassungsfähigkeit von NAS in sich entwickelnden Netzwerken.
- Verbesserungen für das IoT: Mit zunehmender Verbreitung des Internets der Dinge (IoT) werden NAS möglicherweise Verbesserungen erfahren, um die vielfältigen Anforderungen von IoT-Geräten besser zu unterstützen, einschließlich geringer Leistungsaufnahme, geringer Latenz und massiver Gerätekonnektivität.
- Erweiterte Serviceunterstützung: Zukünftige Weiterentwicklungen bei NAS können zusätzliche Unterstützung für erweiterte Dienste wie Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR) und andere neue Anwendungen beinhalten, die spezifische Signalisierungs- und Konnektivitätsanforderungen erfordern.
- Effizienz und Skalierbarkeit: Die laufenden Bemühungen zur Standardisierung und Optimierung werden sich wahrscheinlich auf die Verbesserung der Effizienz und Skalierbarkeit von NAS konzentrieren, um sicherzustellen, dass es der wachsenden Anzahl angeschlossener Geräte und verschiedenen Serviceszenarien gerecht wird.
Zusammenfassend ist das Non-Access Stratum (NAS) in 5G eine kritische Schicht, die für die Verwaltung von Kontrollebenenverfahren, Signalisierung und Mobilitätsmanagement zwischen dem mobilen Gerät und dem Kernnetzwerk verantwortlich ist. Seine Funktionen umfassen Registrierung, Verbindungsaufbau und -abbau, Mobilitätsmanagement, Sicherheit, SMS-Verarbeitung und EPS-Trägerverwaltung. Während sich 5G weiterentwickelt, werden NAS weiterhin eine zentrale Rolle bei der Gewährleistung einer effizienten Kommunikation und Verwaltung mobiler Geräte innerhalb des Netzwerks spielen.