Estudo experimental de redes 5G NR com OpenAirInterface (OAI)

Abstract

Este trabalho consiste no estudo experimental de uma rede 5G NR Standalone, implementada na plataforma OAIBOX™ (desenvolvida pela empresa Allbesmart, Lda.), utilizando a implementação de código aberto OpenAirInterface. Após a análise teórica da arquitetura do sistema, do núcleo de rede e dos mecanismos de segurança definidos pelo 3GPP, realizou-se um conjunto de ensaios laboratoriais que avaliaram o impacto de diferentes configurações da interface rádio (largura de banda, banda de frequência, TDD, FDD, modulação e MIMO) no desempenho da ligação, através da análise de KPIs (CQI, RSRP, RSRQ, SINR, BLER, RI e MCS) e da respetiva comparação com os modelos teóricos. Recorreu-se ainda à Inspeção Profunda de Pacotes para analisar o registo do UE e os mecanismos de segurança, explorou-se o network slicing através da criação de slices dedicadas, e testou-se a alteração do PLMN de uma rede privada, incluindo a reprogramação do cartão SIM. Os resultados validam experimentalmente os principais procedimentos do 5G NR e confirmam o potencial da OAIBOX™ como plataforma de ensino e investigação. A realização deste projeto constituiu o primeiro contacto prático da equipa com redes 5G, nomeadamente com o ambiente Linux e com comandos AT, o que tornou o processo inicialmente exigente. Não obstante, a existência de normas bem estabelecidas e o apoio do material disponibilizado contribuíram para uma abordagem mais estruturada ao longo do trabalho. Este contacto direto permitiu ainda consolidar diversos conceitos de telecomunicações até então abordados apenas ao nível teórico durante o percurso académico, evidenciando se, em particular, a utilidade do Wireshark na análise do tráfego e dos mecanismos de segurança. Os valores obtidos em ambiente laboratorial confirmaram, dentro das margens expectáveis para o ambiente de propagação considerado, os modelos teóricos estudados. A implementação de uma rede 5G completa com recurso a código aberto reduz significativamente os custos habitualmente associados ao equipamento de fabricantes comerciais, de arquitetura proprietária e fechada, inserindo este trabalho num conjunto mais alargado de iniciativas que promovem a utilização de código aberto em redes móveis. Esta redução de custos permite a estudantes e investigadores experimentar, em ambiente laboratorial, procedimentos de uma rede móvel de nova geração, neste caso o 5G, que de outro modo permaneceriam confinados à teoria.

Abstract: This work presents an experimental study of a 5G NR Standalone network, implemented on the OAIBOX™ platform (developed by Allbesmart, Lda.), using the OpenAirInterface open-source implementation. Following a theoretical characterisation of the system architecture, core network, and 3GPP security mechanisms, a set of laboratory tests assessed the impact of different radio interface configurations (bandwidth, frequency band, TDD, FDD, modulation, and MIMO) on link performance, through the analysis of KPIs (CQI, RSRP, RSRQ, SINR, BLER, RI, and MCS) and their comparison against theoretical models. Deep Packet Inspection was used to analyse UE registration and security mechanisms, network slicing was explored through dedicated slice configuration, and PLMN reconfiguration of a private network was tested, including SIM card reprogramming. The results validate the main 5G NR procedures and confirm the OAIBOX™'s potential as a teaching and research platform. Carrying out this project constituted the team's first practical contact with 5G networks, namely with the Linux environment and AT commands, which initially made the process demanding. Nonetheless, the existence of well-established standards and the support of the available material contributed to a more structured approach throughout the work. This hands-on contact also allowed several telecommunications concepts, previously addressed only at a theoretical level during the academic path, to be consolidated, with particular emphasis on the usefulness of Wireshark in traffic and security mechanism analysis. The values obtained in the laboratory confirmed, within the margins expected for the propagation environment considered, the theoretical models studied. Implementing a complete 5G network using open-source code significantly reduces the costs usually associated with equipment from commercial manufacturers, based on proprietary and closed architectures, placing this work within a broader set of initiatives that promote the use of open-source solutions in mobile networks. This cost reduction allows students and researchers to experiment, in a laboratory environment, with procedures of a next-generation mobile network, in this case 5G, which would otherwise remain confined to theory.