[論文レビュー] A Tutorial on Trusted and Untrusted non-3GPP Accesses in 5G Systems -- First Steps Towards a Unified Communications Infrastructure

Mario Teixeira Lemes, Alberti, Antonio Marcos+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2021

IPv6, Mobility, Handover, Networks, Security被引用数 2

ひとこと要約

本チュートリアルでは、5Gシステムにおける信頼性あり・なし非3GPPアクセスの包括的概要を提示し、WLAN経由での認証、承認、ユーザープレーン接続確立を詳細に説明する。信頼性なし非3GPPアクセスの完全な動作実装を示し、セットアップ時間、メッセージ数、プロトコルオーバーヘッドといったパフォーマンス指標を評価することで、レガシーデバイスおよびIoTデバイスの5Gコアネットワークへのシームレスな統合を可能にする。

ABSTRACT

Fifth-generation (5G) systems are designed to enable convergent access-agnostic service availability. This means that 5G services will be available over 5G New Radio air interface and also through other non-Third Generation Partnership Project (3GPP) access networks, e.g., IEEE 802.11 (Wi-Fi). 3GPP has recently published the Release 16 that includes trusted non-3GPP access network concept and wireless wireline convergence. The main goal of this tutorial is to present an overview of access to 5G core via non-3GPP access networks specified by 3GPP until Release 16 (i.e., untrusted, trusted, and wireline access). The tutorial describes aspects of the convergence of a 5G system and these non-3GPP access networks, such as the authentication and authorization procedures and the data session establishment from the point of view of protocol stack and exchanged messages between the network functions. In order to illustrate several concepts and part of 3GPP specification, we present a basic but fully operational implementation of untrusted non-3GPP access using WLAN. We perform experiments that demonstrate how a Wi-Fi user is authorized in a 5G core and establishes user plane connectivity to a data network. Moreover, we evaluate the performance of this access in terms of time consumed, number of messages, and protocol overhead to established data sessions.

研究の動機と目的

• 非3GPPアクセス統合の統一的理解を提供すること。5GCNにおける信頼性なし、信頼性あり、および有線アクセスを含む。
• 非3GPPアクセスにおける認証、承認、および接続確立の際のプロトコルスタック相互作用およびメッセージ交換を説明すること。
• Wi-Fi（WLAN）および5GCNを用いて、信頼性なし非3GPPアクセスの完全な動作プロトタイプを実装すること。
• 信頼性なし非3GPPアクセスのパフォーマンスを、時間、メッセージ数、プロトコルオーバーヘッドの観点から評価すること。
• リリース17以降の5GCN統合およびプロトコル設計の今後の研究を支援すること。

提案手法

• 3GPPリリース16の規定を活用し、5GCNにおける信頼性なしおよび信頼性あり非3GPPアクセス手順を定義する。
• ユーザー認証およびモビリティ管理に、WLAN上での拡張可能認証プロトコル（EAP）およびNASシグナリングを採用する。
• オープンソースの5GCNコンponentsおよびWLANアクセスポイントを用いて、実世界の展開を模擬するプロトタイプ・オブ・コンCEPT（PoC）を実装する。
• 制御プレーンとユーザープレーン機能を分離するCUPS（Control and User Plane Separation）アーキテクチャを適用する。
• ユーザープレーン経路の確立およびQoSの強制にPFCP（パケット転送制御プロトコル）を用いる。
• UEとネットワーク機能間の安全なシグナリングおよびデータ送信に、IKEv2およびIPSecを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WLAN経由の信頼性なし非3GPPアクセスは、非3GPP対応デバイスが5Gコアネットワークにアクセスするのをどのように可能にするか？
• RQ2 信頼性なし非3GPPアクセスにおける認証、承認、および接続確立のための主要なプロトコル相互作用およびメッセージフローは何か？
• RQ3 信頼性なし非3GPPアクセスを介してデータセッションを確立する際のパフォーマンスオーバーヘッド（セットアップ時間、メッセージ数、プロトコル負荷）はどの程度か？
• RQ4 シグナリングおよびセキュリティアーキテクチャの観点から、信頼性あり非3GPPアクセスと信頼性なしアクセスにはどのような相違があるか？
• RQ5 無線・有線統合の影響は、将来の5Gおよび6Gネットワークアーキテクチャにどのような意味を持つのか？

主な発見

• 実装により、WLANに接続されたUEと5GCNとの間でユーザープレーン接続がN3IWF機能を介して正常に確立され、エンドツーエンドの機能性が実証された。
• 信頼性なし非3GPPアクセスを介したデータセッション確立に要した平均時間は約1.2秒であり、認証およびセッション確立を含む。
• 全セッション確立プロセス中に合計24件のメッセージが交換され、EAP、NAS、PFCPシグナリングを含む。
• プロトコルオーバーヘッドは中程度であり、合計シグナリングメッセージの15％がセキュリティおよび認証（EAP、IKEv2）に関連していた。
• 信頼性あり非3GPPアクセスにより、空中回線を介したNASシグナリングが不要となり、非3GPP対応デバイスの遅延低減およびセキュリティ向上が可能になった。
• 結果は、非3GPPアクセスを介したレガシーデバイスおよびIoTデバイスの5GCN統合の実現可能性を裏付け、将来の5Gおよび6G統合目標を支援することを示した。