O Core 5G é o coração da arquitetura de redes móveis de quinta geração. Ele representa uma evolução significativa em relação ao núcleo das redes 4G (EPC) sendo totalmente baseado em software, Cloud-native e orientado por serviços (Service-Based Architecture – SBA).

Abaixo as características do Core 5G

• Cloud-native: Projetado para rodar em ambientes de nuvem com suporte a containers e microsserviços.
• Desacoplamento entre plano de controle e plano de usuário: Permite escalabilidade e flexibilidade.
• Suporte a Network Slicing: Criação de redes virtuais independentes para diferentes tipos de serviços (como IoT, veículos autônomos, etc.).
• Baixa latência e alta confiabilidade: Essencial para aplicações críticas como cirurgia remota e veículos autônomos.

Antes de abordarmos em detalhe o Core 5G, é fundamental compreender o Core 4G e a arquitetura CUPS (Control and User Plane Separation).

Arquitetura 4G

O Core 4G, também conhecido como Evolved Packet Core (EPC), é o núcleo da arquitetura das redes móveis 4G LTE. Ele é responsável por gerenciar a mobilidade, autenticação, controle de sessões e o tráfego de dados entre os dispositivos móveis e a internet ou outras redes externas.

Diferentemente das redes 2G e 3G definidas pelo 3GPP, o LTE/4G apresenta uma arquitetura simplificada, composta por uma rede totalmente baseada em IP e por uma infraestrutura que viabiliza a entrega dos serviços.

Essa arquitetura é dividida em duas partes principais: o E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network), responsável pelo acesso rádio, e o EPC (Evolved Packet Core), que forma o núcleo da rede.

No LTE/4G o suporte ao serviço de voz é possível através do CS-fallback para a rede 2G ou 3G ou por meio do VoLTE através da rede IMS (IP Multimedia Subsystem).

Principais elementos do Core EPC

MME (Mobility Management Entity)

• Autenticação onde faz interface com o HSS através da interface S6a obtendo as informações necessárias autorização do registro do usuário na rede móvel.
• Mobilidade inter MME quando há necessidade de Handover envolvendo mais de um MME. O MME onde os assinantes estão registrado ou MME Server tem a função de selecionar o novo MME ou MME Target.
• Seleção do S-GW e do P-GW, gerenciamento de bearer e estabelecimento do bearer dedicado
• Gerenciamento do perfil do assinante. O MME armazena temporariamente as informações que estão aprovisionadas no perfil do assinante no HSS. Essas informações são usadas para determinar quais os serviços serão alocados para o cliente, como por exemplo: serviço de dados, XCAP, IMS e etc.

HSS (Home Subscriber Server)

Banco de dados central que armazena informações de assinantes, como perfis, autenticação e políticas de acesso.

SGW (Serving Gateway)

O SGW (Serving Gateway) é responsável por transportar todos os pacotes IP de/para o terminal do usuário, além de atuar como âncora de mobilidade durante o handover inter-eNodeB ou inter 3GPP.

O SGW suporta o protocolo GTP (PGRS Tunneling Protocols) que oferece funções para gerenciamento de conexões e mobilidade. O GTP tem funções para o plano de controle para o plano de usuário, sendo o GTP-U (GPRS Tunneling Protocols, user plane) responsável pelo tunelamento dos pacotes entre S-GW e eNodeB e também por criar um túnel IP entre S-GW e P-GW e o GTPv2-C (GPRS Tunneling Protocols, version 2, control plane) permite o transporte de sinalização entre MME e o S-GW.

Ele também faz a marcação dos pacotes de acordo com o QCI (quality of service class indicator) associado ao EPS bearer atribuído ao usuário.

Resumo das suas funções:

• É ponto de ancoragem de mobilidade entre handover inter-eNodeB ou inter 3GPP
• Suporte ao protocolo GTP (PGRS Tunneling Protocols) que oferece funções para gerenciamento de conexões e mobilidade.
• Marcação dos pacotes de acordo com o QCI

PGW (Packet Data Network Gateway)

O PGW é o roteador de borda entre o EPS e as redes PDN.

Ele desempenha funções de gateway, filtragem de pacotes, alocação de endereço IP, tarifação e etc.

A comunicação entre PGW e SGW para tráfego de pacote IP pode ocorrer através da interface S5 caso ambos pertençam a mesma operadora ou através da interface S8 quando PGW e SGW pertencem a operadoras diferentes.

O PGW mapeia os fluxos de dados IP para os túneis GTP (bearers GTP) estabelecendo os bearers baseado no pedido através do PCRF ou do S-GW. 

Outra importante interação do PGW é com o PCRF que tem por objetivo receber as informações de políticas e regras de tarifação.

PCRF (Policy and Charging Rules Function)

O PCRF fornece serviço de controle e gerenciamento de serviços 4G fornecendo controle de QoS (Quality os Service), de tarifação, de quota e de admissão. O PCRF atua em tempo real para aplicação das políticas de controle estabelecida pela operadora.

Interfaces Importantes

Abaixo a relação das principais interfaces 5G.

• S1: Entre o eNodeB (estação rádio base) e o EPC.
• S5/S8: Entre SGW e PGW.
• S11: Entre MME e SGW.
• Gx: Entre PCRF e PGW para controle de políticas.

CUPS (Control and User Plane Separation)

CUPS é uma evolução introduzida pelo 3GPP na Release 14, voltada para redes móveis a partir do EPC (Evolved Packet Core) do 4G. Seu principal objetivo é separar logicamente o plano de controle (Control Plane) do plano de usuário (User Plane), permitindo maior flexibilidade, escalabilidade e eficiência na gestão da rede.

Essa separação facilita a implantação de funções de rede em diferentes locais, otimiza o uso de recursos e melhora o desempenho, especialmente em cenários que exigem baixa latência e alto volume de tráfego, como IoT, vídeo em tempo real e redes privadas.

Motivações para adotar o CUPS

Permite escalar o plano de controle e o plano de usuário separadamente, de acordo com a demanda de sinalização ou tráfego de dados.

Ideal para cenários com alto volume de dados (streaming, IoT) ou grande número de conexões simultâneas.

O plano de usuário pode ser implantado mais próximo do usuário (edge computing), reduzindo o tempo de resposta e melhorando a experiência em aplicações sensíveis à latência, como jogos online e realidade aumentada.

Com o plano de usuário separado é possível aplicar políticas de QoS mais granulares e dinâmicas, otimizando o desempenho por tipo de serviço ou perfil de usuário.

Serve como ponte tecnológica entre o EPC do 4G e o Core 5G, que já é nativamente baseado em separação de planos e arquitetura orientada a serviços.

Facilita a transição para redes 5G com menor impacto na infraestrutura existente.

Core 5G ou 5GC

O Core 5G é o coração da arquitetura de quinta geração. Ele representa uma considerável evolução em relação ao core 4G (EPC), sendo totalmente baseado em software, cloud-native e orientado por serviços (Service-Based Architecture – SBA).

Principais componentes do do core 5G

AMF (Access and Mobility Management Function)

Faz o gerenciamento das conexões dos dispositivos na rede 5G.

Gerenciamento de mobilidade (Handover entre células e manutenção da conexão durante deslocamento).

Responsável em conjunto com AUSF (Authentication Server Function) pela autenticação e autorização de acesso.

Estabelece e libera conexões de sinalização com os dispositivos.

Interage com o SMF para configurar sessões de dados.

Seleciona para cada sessão o SMF apropriado.

Interage com o NSSF para selecionar network slice adequado.

Responsável peço encaminhamento de Short Messages (SMS) entre terminal e SMSF.

Lawful Interception: Ponto para coleta de dados de interceptação.

SMF (Session Management Function)

Responsável pelo Gerenciamento de sessões de dados.

Aloca endereço IP para o terminal.

Selecionando e controlando os UPFs disponibilizando os recursos necessários para o tráfego de dados.

Aplica políticas de QoS com base nas regras definidas pelo PCF (Policy Control Function).

Ponto de coleta de CDR para tarifação.

Lawful Interception: Ponto para coleta de dados de interceptação.

UPF (User Plane Function)

Atua como ponto de ancoragem para sessões de dados (PDU Sessions).

Transmite pacotes IP entre o terminal e o Data Network (DN). A DN é a rede para onde é direcionado o tráfego de usuário (Ex.: Internet Pública, Redes privadas etc).

Responsável pelo roteamento e encaminhamento de pacotes.

Aplica políticas de QoS definidas pelo SMF e PCF.

Lawful Interception: Ponto para coleta de dados referente ao Plano de Usuário para interceptação legal.

UDM (Unified Data Management)

Gerenciamento do perfil dos usuários 5G, armazenando e fornecendo informações como IMSI, MSISDN, chaves de autenticação e perfis de serviço.

Em conjunto trabalha com o AUSF (Authentication Server Function) para autenticar dispositivos na rede.

Armazena dados de localização e status de registro do usuário.

Atua em conjunto com o UDR (User Data Repository) onde são armazenados os dados dos usuários.

UDR (User Data Repository

Armazena informações como MSISDN, IMSI, perfil de serviço, dados de autenticação e dados de QoS.

Permite que funções como o UDM se concentrem no processamento e tomada de decisão.

Pode ser o repositório de dados do PCF para armazenamento de polícias de serviço e do NEF para acesso as aplicações externas.

AUSF (Authentication Server Function)

O AUSF realiza a autenticação do terminal (UE – User Equipment) em conjunto com o UDM (Unified Data Management). Ele analisa se o usuário tem permissão para se conectar à rede 5G, utilizando credenciais armazenadas e protocolos de segurança.

PCF (Policy Control Function)

Define como o tráfego de dados será administrado, priorizando determinados tipos de serviço, como por exemplo, chamada de emergência ou garantindo banda de acordo com serviço, como por exemplo, streaming de vídeo.

NEF (Network Exposure Function)

Responsável por expor funcionalidades da rede 5G para aplicações externas de forma segura e controlada.

Ele atua como um elo entre o núcleo da rede (5G Core) e os serviços/aplicações de terceiros, como serviços OTT (Over-The-Top), como Netflix, YouTube, WhatsApp etc.

NRF (NF Repository Function)

Responsável por registrar, descobrir e gerenciar as funções de rede (Network Functions – NFs), como AMF, SMF, PCF, AUSF, etc, dentro do core 5G.

O NRF pode ser configurado para “descobrir” a função a NF a cada requisição ou manter uma memória “cache” com dados pesquisados anteiormente para evitar sobre carga de requisições na rede.

NSSF (Network Slice Selection Function

Responsável por selecionar e gerenciar os slices de rede que serão usados por cada usuário ou serviço permitindo que diferentes tipos de serviços compartilhem a mesma infraestrutura física, porém com recursos e políticas dedicadas.

Service-Based Architecture

Para finalizar essa primeira parte do core 5G é importante mencionar uma das principais inovações introduzidas na arquitetura da rede 5G, especialmente no 5G Core (5GC) que é o Service-Based Architecture (Arquitetura Baseada em Serviços).

A Service-Based Architecture é um modelo em que os componentes da rede central (NF – Network Function, por exemplo, AMF, SMF, UPF, NRF, etc) são implementados como serviços independentes que se comunicam entre si por meio de interfaces abertas e padronizadas, chamada SBI (Service-Based Interface), geralmente usando APIs RESTful sobre HTTP/2.

Podemos citar como benefícios para adoção do SBA é a redução do custo operacional, maior flexibilidade para as operadoras, pois facilita atualizações e implantação de novos serviços.

Abaixo a arquitetura 5G usando a infraestrutura SBA: