Autonomous Operation of Mission Critical Base Stations in 5G

Abstract

Norske nød- og beredskapetater kommuniserer i dag med Nødnett, et dedikert nettverk som tilbyr rask og pålitelig kommunikasjon i talegrupper. Nødnett er bygget med flere lag redundans og feiltoleranse for å sikre at tjenestene er tilgjengelige der de trengs, når de trengs. Økt redundans oppnås i Nødnett blant annet gjennom autonome basestasjoner. En autonom basestasjon tilbyr tjenester til brukerne som er tilkoblet selv når kjernenettet ikke er tilgjengelig. Nødnett eies av Direktoratet for samfunnssikkerhet og beredskap (DSB), men driftes av Motorola Solutions på en kontrakt som løper til slutten av 2026. Etter 2026 kommer Nødnett til å bli erstattet av en løsning med høyere datakapasitet, som bruker kommersielle radionett i 4G og etterhvert 5G. Vi kaller denne løsningen Neste Generasjons Nødnett (NGN).

Målet med denne oppgaven er å legge frem en overordnet anbefaling for tekniske og operasjonelle løsninger for autonom operasjon av basestasjoner i NGN i 5G. Vi utforsker også ulike alternativer til midlertidig gjenopprettelse av dekning. Informasjonsgrunnlaget til oppgaven er kvalitativ forskning med dybdeintervjuer og et litteraturstudie. Blant intervjuobjektene er brukerorganisasjonene til Nødnett, kommersielle nettverksoperatører, samt statlige aktører som DSB og Nasjonal kommunikasjonsmyndighet (Nkom).

Vi kan oppnå autonom operasjon av basestasjoner i 5G ved å kjøre et duplisert kjernenett i nettverkskanten. Det betyr at brukerinformasjon, tjenester og funksjoner for brukerhåndtering ikke bare kjører sentralt, men også på en basestasjon eller i nærheten av en basestasjon. Gjennom intervjuene kommer det frem at det følger en betydelig sikkerhetsrisiko med å distribuere brukerinformasjon fra kjernenettet. Det kan også være utfordrende å holde et større antall kjernenett synkronisert. En mulig løsning er å velge et subsett av brukere som skal ha tilgang til hvert autonome område, og på den måten begrense mengden informasjon som må distribueres. En annen viktig utfordring er å formidle til sluttbrukerne hva som er status på kommunikasjonstjenestene, slik at de vet hvem de kan snakke med til enhver tid. Videre kommer det frem at mens Nødnett i hovedsak tilbyr taletjenester, bør NGN også tilby video- og datatjenester, selv i lokale, autonome områder.

Norwegian public safety (PS) users communicate using Nødnett, a narrowband network offering fast and reliable push-to-talk (PTT) communication in talk groups. Nødnett is built with multiple levels of redundancy and fault tolerance to ensure that communication services are available when it counts, where it counts. One measure for increased redundancy is what we call autonomous base stations (BSs). Autonomous BSs can continue to offer services to the end-users in their range, even if the connection to the core network is lost. Nødnett is owned by the Norwegian Directory of Civil Protection (DSB), and its operations are outsourced on a contract that expires in the end of 2026. After 2026, Nødnett will be replaced by a broadband network that utilizes commercial radio access networks (RAN) in 4G, and eventually in 5G. We call this broadband network Next Generation Nødnett (NGN).

This project aims to propose a high-level recommendation for technical and operational solutions for the autonomous operation of a BS or a cluster of BSs in NGN running on 5G. As an alternative to autonomous BSs, we also explore different approaches to temporary coverage restoration, such as transportable BSs. In the project, we use qualitative research, where the primary source of information is unstructured interviews with different stakeholders in NGN. We address the Nødnett user organizations, commercial network operators, and state actors including DSB, the Norwegian Communications Authority (Nkom), and the Norwegian Armed Forces.

Autonomous operation of BSs is achieved in 5G by running a duplicated 5G cores (5GCs) at the network edge. From the interviews, we learn that distributing the 5GC entails a security risk from distributing access and subscription information, and it may be challenging to synchronize a high number of 5GCs. One possible solution is to choose a subset of NGN users to have access to each autonomous area, thus limiting the amount of distributed information. We learn that for the end-users, voice communications are the most critical service, but that video services may become critical in the near future. It is essential that the autonomous areas are designed in a way that makes it clear to the end-users with whom they can communicate, also in degraded operational modes of the 5G network.