5G-Clients im Zusammenspiel mit 5G-Campusnetzen: Eine Bestandsaufnahme

Um die Kompatibilität von aktuellen 5G-Clients und privaten 5G-Campusnetzen bewerten zu können, wurden im Rahmen des ODEA.5G-Projekts Kompatibilitätstests mit verschiedenen Endgeräten und zwei 5G-Campusnetzen durchgeführt. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die notwendigen Konfigurationen sowie den Kompatibilitätsumfang bestimmter Endgeräte. Insbesondere die im vorherigen Blogbeitrag beschriebene PLMN-ID (Public Land Mobile Network) nimmt hierbei eine zentrale Rolle ein.

Vorstellung unserer Hardware und Methodik

5G-Campusnetze

Für die Untersuchungen wurden die 5G-Campusnetze der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg (H-BRS) und der Universität zu Köln (UzK) genutzt. Die beiden Netze unterscheiden sich vor allem durch die verwendete RAN-Architektur. Der 5G-Kern beider Campusnetze basiert auf der Open-Source-Software Open5GS. Es werden jedoch zwei verschiedene Versionen verwendet. Das Campusnetz der H-BRS stammt von der Cocus AG und das Campusnetz der UzK stammt von der CampusGenius GmbH (albis-elcon).

Das 5G-Campusnetz der H-BRS verwendet eine durch den 5G-Dienstleister angepasste Version von Open5GS basierend auf dem Commit fb95f1ff (pre-release von v2.4.9). Als Radio Access Network (RAN) kommt das OPENRANGE 5G SW System von Airspan in Kombination mit den Radio Units AV2700 zum Einsatz.

Das 5G-Campusnetz der UzK verwendet Open5GS in der Version v2.4.9. Als All-in-One RAN werden Node-H T&W 5G Enterprise Small Cells verwendet.

5G-Endgeräte

Unter den untersuchten 5G-Engeräten befinden sich zahlreiche Smartphones, sowie zwei 5G-Router (CPE). Im folgenden werden die untersuchten Endgeräte mit den notwendigen gerätespezifischen Konfigurationen (sichtbar nach Klick auf den Gerätenamen) aufgelistet.

5G-Router (CPE)

5G-Smartphones

Die Smartphones wurden jeweils mit folgender APN-Konfiguration getestet:

• Name: frei wählbar
• APN: internet
• APN-Typ: default
• APN-Protokoll: IPv4
• APN-Roaming-Protokoll: IPv4
• APN aktiveren/deaktivieren: aktiviert

Es wurden insgesamt acht verschiedene 5G-fähige Smartphones getestet und es konnten folgende Konfigurationen erarbeitet werden, die eine Verbindung mit unseren Campusnetzen ermöglicht haben:

SIM-Karten

Um eine Verbindung zu den Netzen herstellen zu können, wurden die H-BRS und die UzK mit SIM-Karten der jeweiligen Dienstanbieter ausgestattet. Diese SIM-Karten werden mit speziellen Geräten beschrieben und können, einmal beschrieben, nur gelesen, aber nicht verändert werden. Da unsere SIM-Karten nur im Forschungskontext verwendet werden, haben sie einen geringeren Funktionsumfang als die SIM-Karten, die von den Mobilfunkbetreibern an Kunden ausgegeben werden. Außer der IMSI (International Mobile Subscriber Identity) und dem Betreiber- und Teilnehmerschlüssel stellen unsere SIMs keine weiteren Funktionen bereit. Insbesonderre enthalten sie zum Beispiel keine PIN (Personal Identification Number) oder PUK (Personal Unblocking Key). Eine weitere Besonderheit unserer SIMs ist, dass diese über spezifische PLMN-IDs verfügen. Die PLMN-ID setzt sich aus dem länderspezifischen MCC (Mobile Country Code) und dem anbieterspezifischen MNC (Mobile Network Code) zusammen. Die SIM-Karten der H-BRS verfügen über die PLMN-ID 00101 (MCC = 001, MNC = 01), wohingegen die SIM-Karten der UzK mit der PLMN-ID 99910 (MCC = 999, MNC = 10) ausgestattet sind. Das Besondere ist hierbei, dass die MCCs 001 und 999 nicht für den normalen Verbrauchermarkt, sondern für Testnetze (MCC: 001) und private Netze/Campusnetze (MCC: 999) vorgesehen sind. Eine genaue Ausführung zu diesem Thema findet sich im vorherigen Blogbeitrag wieder.

Tests und Testergebnisse

Um möglichst viele verschiedene Konstellationen testen zu können, wurden die SIM-Karten der H-BRS und UzK auch im jeweils anderen Netz registriert. Für diesen Zweck wurde jedes Campusnetzwerk mit der entsprechenden PLMN-ID des anderen Netzwerks konfiguriert, indem MCC und MNC im RAN und 5G-Core eingerichtet wurden. Anschließend konnten die SIM-Karten über das Web-basierte Management-Interface des Open5GS-Core mit der IMSI und den beiden Schlüsseln (Operator- und Subscriber-Key) hinzugefügt werden.

Zum Start der Tests wurden die Geräte jeweils immer auf den Werkszustand zurückgesetzt. Einzige Ausnahme ist hier das "OnePlus 9", welches zwischen den Tests nicht weiter konfiguriert wurde, außer das die SIM-Karte getauscht wurde.

Um die Ergebnisse besser einordnen zu können, haben wir diese in drei Kategorien eingeteilt. Ein Client wird der Kateogorie funktioniert nicht (✗) zugeordnet, wenn dieser nachweislich durch die Logs der AMF (Access and Mobility Management Function) vom 5G-Core im Campusnetz keine Verbindungsversuche unternommen hat. Eine eingeschränkte (O) Funktionalität liegt vor, wenn der Client eine temporäre Verbindung aufbauen kann, jedoch die Warnung DNN Not Supported OR Not Subscribed in the Slice in den AMF-Logs vermerkt ist. In der Kategorie funktioniert (✓) finden sich alle Clients wieder, die ordnungsgemäße Verbindungen gemäß der AMF-Logs herstellen können und in der Lage sind, eine persistente 5G-Verbindung ohne Abbrüche aufzubauen.

Diskussion der Ergebnisse

Eine erste Beobachtung bei unseren Tests ist, dass die 5G-Router in unseren Testsettings weniger fehleranfällig und weniger zuverlässiger im Zusammenspiel mit den beiden Campusnetzen und den beiden SIM-Kartenklassen waren. Unsere beiden getesteten Router wiesen in unseren Tests keine Einschränkungen auf. Bei Smartphones hat sich dies als sehr viel komplexer erwiesen, sowohl was die erforderlichen Konfigurationen in den Smartphones als auch die verwendete SIM-Karten betrifft.

Ein Vergleich der Testresultate hinsichtlich der eingesetzten SIM-Karten weist auf einen relevanten Einfluss der SIM-Karte für eine erfolgreiche Verbindung eines 5G-Endgerätes mit einem privaten 5G-Campusnetz hin. In unserem letzten Blogbeitrag haben wir bereits auf die Probleme bzgl. der Unterstützung nicht regulärer PLMN-ID's hingewiesen. In unseren Testergebnissen zeigt sich, dass die softwareseitige Unterstützung des MCC's 001 durch die Smartphonehersteller zum jetzigen Zeitpunkt besser unterstützt wird als der MCC 999. Dies wird dadurch begründet, dass bei vier Smartphones (UzK Netz) mit der SIM 1 die Kategorie funktioniert und ein Mal eingeschränkt erreicht wurde, wohingegen bei SIM 2 nur mit dem Huawei Mate 40 Pro die Kategorie eingeschränkt erreicht wurde. Die Rückrichtung, dass der MCC 999 funktioniert und 001 nicht, ist nicht aufgetreten. Überraschenderweise konnte das Netz der UzK mit den Smartphones Huawei Mate 40 Pro und dem Samsung Galaxy S21 Ultra 5G eine funktionierende Verbindung mit der H-BRS SIM herstellen, was beim Netz der H-BRS nicht möglich war. Hier sind Unterschiede in der jeweils genutzten Open5GS Version und der Konfiguration des RAN denkbar.

Tipps zum Verbinden mit einem 5G-Campusnetz

Wenn beim Verbinden mit einem Campusnetz Probleme auftreten, kann dies an unterschiedlichen Stellen liegen. Beginnen können Sie mit der Ursachenforschung im Open5GS-Core. Hier ist eine häufige Fehlerquelle, ob die SIM mit der richtigen IMSI und dem Subscriber- und Operator-Key im Web-Interface hinzugefügt wurde. Wenn dort alles richtig eingetragen ist, sollte im nächsten Schritt überprüft werden, ob der APN mit den richtigen Einstellungen (siehe oben) im Client gespeichert und aktiviert ist. Auch ist es hilfreich das Smartphone mit Hilfe von GSM-Codes auf den Network Type NR only umzustellen (siehe oben Google Pixel 5), da manche Smartphones nicht von alleine nach SA-Netzen suchen. Als letzte Instanz sollten die Logs im 5G-Core auf Fehlercodes analysiert und nachgeschlagen werden. Wenn in den Logs kein Verbindungsversuch registriert wird und das Gerät das jeweilige Frequenzband und 5G-SA unterstützt, liegt es sehr wahrscheinlich an einer nicht unterstützten MCC in der SIM-Karte. Jedoch haben wir mit Hilfe des Huawei Mate 40 Pro und Samsung Galaxy S21 Ultra 5G gezeigt, dass dies auch auf die jeweilige Konfiguration des Campusnetzes zurückführbar sein kann.