Portable 5G Core

Transcript

1. Perancangan 5G Core dengan Klaster Perangkat Tertanam Riset Peningkatan Kompetensi (RPK) – ”Portable 5GC” Iwan Setiawan, Mulki Indana Zulfa, dan Norma Amalia Teknik Elektro, Universitas Jenderal Soedirman September 24, 2024 Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 1 / 22
2. Outline 1 Motivasi Riset 2 Desain Riset 3 Portable 5GC Testbed 4 Portable 5GC Setup 5 Portable 5GC Design Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 2 / 22
3. Jaringan Seluler1 1Peterson, Sunay, dan Davie (2023) Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 3 / 22
4. Control and User Plane Separation (CUPS)2 2Peterson, Sunay, dan Davie (2023) Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 4 / 22
5. 5G Service-based Architecture3 3Peterson, Sunay, dan Davie (2023) Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 5 / 22
6. Motivasi Riset Latar Belakang • 5G Core (5GC) merupakan salah satu komponen utama dalam infrastruktur 5G yang menghubungkan Radio Access Network (RAN) ke Data Networka. • Desain 5GC umumnya memakai perangkat berspesifikasi dan berunjuk kerja tinggi. • Kebutuhan 5GC skala mikro/portabel untuk Internet of Things (IoT)/tanggap bencana. aJaringan data, atau Internet. Tujuan • Membangun portable 5GC testbed dengan klaster perangkat tertanam (Raspberry Pi). • Merancang dan menguji portable 5GC dengan skenario statis. • Merancang dan menguji portable 5GC dengan skenario dinamis. Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 6 / 22
7. Desain Riset Kebutuhan Sistem • Berstandar 3GPP Release 15. • Menggunakan mode 5G Standalone (SA) atau ”5G full deployment”. • Desain 5G Control Plane/User Plane secara statis dan dinamis. • Statis: infrastruktur fisik dengan penempatan 5G network function (NF) secara statik. • Dinamis: infrastruktur virtual dengan CNFa dan dikelola dengan orkestrator. aCloud-native Network Function berbasis kontainer (Docker). Metode Riset • Pembangunan portable 5GC dengan klaster Raspberry Pi: perangkat keras dan lunak. • Perancangan skenario statis dan dinamis untuk portable 5GC. • Evaluasi portable 5GC dengan parameter jumlah koneksi dan kualitas layanana. aThroughput, latensi, packet loss. Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 7 / 22
8. Desain Riset Komponen Infrastruktur 5G • 5G Core: Portable 5GC berbasis free5gc • 5G RAN (gNBa): simulator UERANSIM • 5G UEb: simulator UERANSIM agNodeB: 5G New Radio (NR) base station. bUser Equipment: ponsel atau perangkat IoT. Perkakas Pengukuran • Pengujian throughput: iperf3 (TCP) • Pengujian latensi (round-trip time, RTT) dan packet loss: ping • Penelusuran rute/aliran paket yang melewati UPFa: tcpdump aUser Plane Function: fungsi pada 5G User Plane untuk melewatkan lalu lintas data dari RAN. Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 8 / 22
9. Portable 5GC Testbed Perangkat Komputasi • Single-board computer (SBC): Raspberry Pi 4 (Quad-core ARM64 1.5GHz, 8GB) x4 • Penyimpan: MicroSD SanDisk Ultra Class 10 64GB x4 • GNU/Linux distribution: Ubuntu 20.04 (arm64) • Linux kernel: 5.4.0 (arm64) • Utilitas penyediaan mesin: flash, cloud-init Perangkat Jaringan • Gigabit Ethernet switch: D-Link DGS-1100-08V2 8-port • Kabel jaringan: UTP Cat 6 dengan konektor RJ45 dan plug boot Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 9 / 22
10. Portable 5GC Testbed Manajemen Daya • Pemutus dan proteksi: MCB Schneider DOMAE 2A 1P x1 • Catu daya: SZMW MDR-60-5 5V 10A x2 • Blok terminal: UK3N DIN rail • Stop kontak: DIN rail • Lain-lain: kabel listrik 0.5/0.75 mm2, ferrule, jumper strip, stopper, dll. Rak dan Pendinginan • DIN rail bar 40 cm • DIN rail mount x2 (3D printed) • DIN rail mount bracket untuk Raspberry Pi x4 (3D printed) • Sirkulasi udara: kipas brushless 5V 8x8 cm2 x2 Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 10 / 22
11. Portable 5GC Testbed Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 11 / 22
12. Portable 5GC Setup: Control Plane Komponen Control Plane (5G CP) Access and Mobility Function (AMF), Session Management Function (SMF), Network Slice Selection Function (NSSF), Network Repository Function (NRF), Authentication Server Function (AUSF), Unified Data Management (UDM), Unified Data Repository (UDR), Policy Control Function (PCF). Kompilasi, Instalasi, dan Konfigurasi 5G CP • Kompilasi free5gc versi 3.4.3 untuk komponen 5G CP yang dibutuhkan. • Instalasi basis data MongoDB versi 3.6. • Konfigurasi komponen AMF, SMF, NSSF, NRF, dan AUSF. • Membuat skrip untuk menjalankan komponen/NF 5G CP. Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 12 / 22
13. Portable 5GC Setup: User Plane Komponen User Plane (5G UP) User Plane Function (UPF): berfungsi untuk meneruskan lalu lintas data dari 5G RAN ke jaringan data/Internet melalui antarmuka N3 sesuai standar 3GPP Release 15. Kompilasi UPF • Kompilasi free5gc versi 3.4.3 untuk komponen 5G UP yaitu UPF. • Kompilasi dan instalasi modul kernel gtp5g versi 0.8.10. • Konfigurasi komponen UPF. • Membuat skrip untuk menjalankan UPF. • Membuat skrip untuk konfigurasi penerusan paket (packet forwarding) dan network address translation (NAT). Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 13 / 22
14. Portable 5GC Setup: 5G Webconsole Instalasi dan Operasi Webconsole • Instalasi Node.js. • Kompilasi webconsole dari free5gc versi 3.4.3. • Menjalankan webconsole. • Mengunjungi alamat IP webconsole dengan porta 5000. Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 14 / 22
15. Portable 5GC Setup: 5G RAN/UE Simulator Kompilasi dan Konfigurasi UERANSIM • Instalasi dependensi: make, gcc, g++, dan libsctp-dev. • Instalasi cmake via snap. • Kompilasi UERANSIM. • Konfigurasi gNB dan UE. Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 15 / 22
16. 5G Service-based Architecture4 4Peterson, Sunay, dan Davie (2023) Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 16 / 22
17. Portable 5GC Design: Skenario Statis Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 17 / 22
18. Portable 5GC Design: Skenario Statis Menjalankan 5G CP dan Webconsole • Menjalankan semua komponen/NF melalui skrip. • Menjalankan webconsole dan akses via web porta 5000. • Menambahkan identitas UE untuk pengujian. Menjalankan 5G UP • Menjalankan UPF melalui skrip dan memuat modul gtp5g secara otomatis. • Menjalankan skrip fungsi forwarding dan NAT. Menjalankan 5G RAN/UE • Menjalankan satu gNB dengan simulator UERANSIM. • Menjalankan UE satu per satu sesuai skenario pengujian. Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 18 / 22
19. Portable 5GC Design: Skenario Statis Komponen Kondisi Catatan AMF Berjalan Terhubung ke gNB via antarmuka N3 SMF Berjalan Terhubung ke UPF yang sesuai NSSF Berjalan - NRF Berjalan - AUSF Berjalan - UDM Berjalan - UDR Berjalan - PCF Berjalan - UPF Berjalan Terhubung ke SMF yang sesuai, modul gtp5g dapat dimuat gNB Berjalan Terhubung ke AMF via antarmuka N3 UE Berjalan Jumlah sesuai dengan skenario pengujian Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 19 / 22
20. Portable 5GC Design: Skenario Statis Pengukuran Metrik Kualitas Layanan (Quality of Service, QoS) • Terdapat satu server untuk pengujian dan terhubung ke switch yang berbeda. • Throughput: iperf3 dijalankan untuk menguji rerata throughput (TCP) dari UE ke server. • Latensi (RTT): ping dijalankan dengan antarmuka jaringan ke arah UPF/server. • Packet loss: memakai nilai yang didapatkan dari perintah ping. Pengujian Jumlah Koneksi Jumlah koneksi direpresentasikan dengan jumlah UE yang terhubung. Pengujian dilakukan dengan menjalankan uji throughput, latensi, dan packet loss untuk tiap jumlah UE. Penelusuran Trafik Trafik yang dikirimkan oleh perkakas pengukuran akan dijalankan dan ditelusuri apakah dilewatkan oleh UPF. Penelusuran memakai program tcpdump. Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 20 / 22
21. Portable 5GC Design: Skenario Statis Lingkungan Pengujian • Semua program yang tidak diperlukan dimatikan. • Semua koneksi yang tidak diperlukan dimatikan. • Raspberry Pi di-restart pada setiap pengujian. Num. of Conn. QoS (average) via UPF Throughput (Mbps) Latency (ms) Packet Loss (%) 1 96.40 8.91 0 ✓ 2 50.08 9.99 0 ✓ 3 34.72 10.08 0 ✓ 4 27.60 11.66 0 ✓ 5 25.36 13.16 0 ✓ Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 21 / 22
22. Penutup Kesimpulan • Portable 5G testbed sudah terbangun dan berhasil dikonfigurasi. • Semua komponen 5G CP, UP, dan RAN/UE dapat dijalankan dengan baik. • Skenario statis telah dirancang dan diuji dengan parameter jumlah koneksi dan QoS. • Keterbatasan maksimum throughput melalui UPF (≈100 Mbps). • Skenario pengujian ”one slice fits all” 5 koneksi: tambahan latensi (RTT) maks. 1.5 ms. Selanjutnya • Meninjau kembali skenario statis: jumlah UE, tambahan UPF, dan skenario trafik. • Memeriksa kembali opsi simulator RAN/UE dan teknik untuk pengujian secara otomatis. • Merancang skenario dinamis yang melibatkan kontainer dan orkestrator. Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> Seminar Nasional LPPM 2024 – RPK: ”Portable 5GC” September 24, 2024 22 / 22