La primera pregunta que quizás te hagas es: ¿Qué es exactamente? 5G? La segunda pregunta puede ser: ¿Cómo se diseña de manera diferente para ofrecer velocidad, baja latencia, capacidad y muchos otros beneficios?
En este artículo, abordaremos la cuestión de la arquitectura 5G. Analizaremos algunas de las capacidades que hace posible la arquitectura de red 5G y cómo las aplicaciones conectadas pueden beneficiarse de ella. Puede encontrar más recursos en los enlaces a lo largo de este artículo y en los recursos relacionados en el pie de página. Para obtener una buena introducción básica a 5G, consulte el artículo Qué es 5G, Parte 1. Nuestra descripción general de 5G continúa en la Parte 2, ¿Quién adoptará 5G? Tecnología, ¿y cuando?
Una cosa es segura: nuestro mundo conectado está cambiando. 5G, con su arquitectura de red de próxima generación, tiene el potencial de admitir miles de nuevas aplicaciones tanto en el segmento industrial como en el consumidor. Las posibilidades para 5G parecen casi ilimitadas cuando la velocidad y el rendimiento son exponencialmente más altos que las redes actuales.
Estas capacidades avanzadas permitirán aplicaciones en mercados verticales como la fabricación, la atención médica y el transporte, donde 5G desempeñará un papel importante en todo, desde la automatización de la fabricación avanzada hasta los vehículos totalmente autónomos. Para desarrollar aplicaciones y casos de uso empresarial rentables para 5G, es útil tener al menos un conocimiento general de la arquitectura de red 5G que se encuentra en el corazón de todas estas nuevas aplicaciones.
5G ha recibido una enorme cantidad de atención y más que un poco de publicidad. Si bien el potencial es enorme, es importante saber que la industria aún se encuentra en sus primeras etapas de adopción. El proceso de implementación de la red 5G comenzó hace muchos años e involucró la construcción de la nueva infraestructura, la mayor parte de la cual está financiada por los principales operadores inalámbricos.
La implementación completa de 5G llevará tiempo, y se implementará en las principales ciudades mucho antes de que pueda llegar a áreas menos pobladas. Digi apoya a nuestros clientes en la preparación para 5G, con comunicaciones sobre planificación de migración y productos de próxima generación. Si bien Digi no participa directamente en el desarrollo del nuevo núcleo de radio 5G (NR) y la red de acceso de radio 5G (RAN), los dispositivos Digi serán una parte integral de la visión 5G y su uso en una gran variedad de aplicaciones 5G.
Arquitectura de red 5G
Entonces, ¿qué es exactamente 5G y en qué se diferencia la arquitectura de la tecnología de red 5G de las "G" anteriores?
Los estándares 3GPP detrás de la arquitectura de red 5G fueron introducidos por el Proyecto de Asociación de Tercera Generación (3GPP), la organización que desarrolla estándares internacionales para todas las comunicaciones móviles. La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) y sus socios definen los requisitos y el cronograma para los sistemas de comunicaciones móviles, definiendo una nueva generación aproximadamente cada década. El 3GPP desarrolla especificaciones para esos requisitos en una serie de versiones.
La "G" en 5G significa "generación". La arquitectura de la tecnología 5G presenta avances significativos más allá de la tecnología 4G LTE (evolución a largo plazo), que viene inmediatamente después de 3G y 2G. Como describimos en nuestro recurso relacionado, The Journey to 5G, siempre hay un período de tiempo durante el cual existen múltiples generaciones de redes a la vez. Al igual que sus predecesores, 5G debe coexistir con redes anteriores por dos razones importantes:
- Desarrollar e implementar nuevas tecnologías de red requiere una enorme cantidad de tiempo, inversión y colaboración de las principales entidades y operadores.
- Los primeros en adoptar siempre querrán tener en sus manos nuevas tecnologías lo más rápido posible, mientras que aquellos que han realizado grandes inversiones en grandes implementaciones con tecnologías de red existentes, como 2G, 3G y 4G LTE, quieren hacer uso de esas inversiones para tan tanto como sea posible, y ciertamente hasta que la nueva red sea completamente viable. (Tenga en cuenta que las redes 2G y 3G están desapareciendo para dejar espacio para la implementación de 5G. Consulte la publicación de nuestro blog Actualizaciones de cierre de redes 2G, 3G, 4G).
La arquitectura de red de la tecnología móvil 5g mejora enormemente las arquitecturas anteriores. Las redes de gran densidad de células permiten grandes avances en el rendimiento. Además, la arquitectura de las redes 5G ofrece una mayor seguridad en comparación con las redes 4G LTE actuales.
En resumen, la tecnología 5G ofrece tres ventajas principales:
- Velocidad de transmisión de datos más rápida, hasta velocidades de varios Gigabit / s.
- Mayor capacidad, alimentando una gran cantidad de dispositivos IoT por kilómetro cuadrado.
- Menor latencia, hasta milisegundos de un solo dígito, que es de vital importancia en aplicaciones como vehículos conectados en aplicaciones ITS y vehículos autónomos, donde es necesaria una respuesta casi instantánea.
¿Significa esto que 5G está completamente listo hoy? ¿Y significa que la arquitectura 5G es adecuada para todas las aplicaciones? Siga leyendo para ver cómo la nueva tecnología admite aplicaciones clave y qué aplicaciones son más adecuadas para 4G LTE.
Consideraciones de diseño y planificación de 5G
Las consideraciones de diseño para una arquitectura de red 5G que admita aplicaciones altamente exigentes son complejas. Por ejemplo, no existe un enfoque único para todos; la gama de aplicaciones requiere datos para viajar distancias, grandes volúmenes de datos o alguna combinación. Por lo tanto, la arquitectura 5G debe admitir el espectro de banda baja, media y alta, de fuentes con licencia, compartidas y privadas, para brindar la visión 5G completa.
Por esta razón, 5G está diseñado para funcionar en frecuencias de radio que van desde menos de 1 GHz hasta frecuencias extremadamente altas, llamadas "ondas milimétricas" (o mmWave). Cuanto menor sea la frecuencia, más lejos podrá viajar la señal. Cuanto mayor sea la frecuencia, más datos puede transportar.
Hay tres bandas de frecuencia en el núcleo de las redes 5G:
- La banda alta 5G (mmWave) ofrece las frecuencias más altas de 5G. Estos van desde 24 GHz hasta aproximadamente 100 GHz. Debido a que las altas frecuencias no pueden atravesar obstáculos fácilmente, el 5G de banda alta es de corto alcance por naturaleza. Además, la cobertura de mmWave es limitada y requiere más infraestructura celular.
- La banda media 5G opera en el rango de 2-6 GHz y proporciona una capa de capacidad para áreas urbanas y suburbanas. Esta banda de frecuencia tiene tasas máximas de cientos de Mbps.
- La banda baja 5G funciona por debajo de 2 GHz y proporciona una amplia cobertura. Esta banda usa el espectro que está disponible y en uso hoy para 4G LTE, esencialmente proporcionando una arquitectura LTE 5g para dispositivos 5G que ya están listos. Por lo tanto, el rendimiento de 5G de banda baja es similar al 4G LTE y admite el uso de dispositivos 5G en el mercado actual.
Además de la disponibilidad de espectro y los requisitos de aplicación para consideraciones de distancia frente a ancho de banda, los operadores deben considerar los requisitos de energía de 5G, ya que el diseño típico de estación base 5G exige más del doble de la cantidad de energía que una estación base 4G.
Consideraciones para planificar e implementar aplicaciones 5G
Los integradores de sistemas y aquellos que desarrollan e implementan aplicaciones 5G para las verticales que hemos discutido, encontrarán que es importante considerar las compensaciones. (Nuestro video, 5 factores para guiar su preparación para 5G, es un gran recurso).
Por ejemplo, aquí hay ejemplos de algunas de las consideraciones clave:
- ¿Dónde se implementará su aplicación? Las aplicaciones optimizadas para mmWave no funcionarán como se espera dentro de los edificios y cuando se requiera un rango extendido. Los casos de uso óptimos incluyen telecomunicaciones celulares 5G en las bandas de 24 a 39 GHz, radar policial en la banda Ka (33.4 a 36.0 GHz), escáneres en seguridad aeroportuaria, radar de corto alcance en vehículos militares y armas automatizadas en vehículos navales. barcos para detectar y derribar misiles.
- ¿Qué tipo de rendimiento se requerirá? Para vehículos autónomos y aplicaciones de sistemas de transporte inteligente (ITS), los dispositivos y la conectividad deben optimizarse para la velocidad. Las comunicaciones casi en tiempo real, medidas en millonésimas de segundo, son críticas para que los vehículos y dispositivos "tomen decisiones" al girar, acelerar y frenar, y la latencia más baja posible es fundamental para estas aplicaciones.
- Las aplicaciones de video y realidad virtual, por el contrario, deben optimizarse para el rendimiento. Las aplicaciones de video, como las imágenes médicas, pueden aprovechar al máximo las enormes cantidades de datos que pueden admitir las redes 5G.
Para que 5G brinde su visión completa, la infraestructura de red también debe evolucionar. El siguiente diagrama ilustra la migración a lo largo del tiempo, así como los planes de productos 5G de Digi.
Los primeros usos de la tecnología 5G no serán exclusivamente 5G, sino que aparecerán en aplicaciones donde la conectividad se comparte con 4G LTE existente en lo que se denomina modo no autónomo (NSA). Al operar en este modo, un dispositivo se conectará primero a la red 4G LTE, y si 5G está disponible, el dispositivo podrá usarlo para ancho de banda adicional. Por ejemplo, un dispositivo que se conecta en modo 5G NSA podría obtener 200 Mbps de velocidad de enlace descendente sobre 4G LTE y otros 600 Mbps sobre 5G al mismo tiempo, para una velocidad agregada de 800 Mbps.
A medida que más y más infraestructura de red 5G se conecte en los próximos años, evolucionará para habilitar el modo autónomo (SA) solo para 5G. Esto traerá la baja latencia y la capacidad de conectarse con una gran cantidad de dispositivos IoT que se encuentran entre las principales ventajas de 5G.
Red de núcleo
En esta sección, proporcionaremos una descripción general de la arquitectura central de 5G y describiremos los componentes centrales de 5G. También mostraremos cómo se compara la arquitectura 5G con la arquitectura 4G actual.
La red central 5G, que permite la funcionalidad avanzada de las redes 5G, es uno de los tres componentes principales del Sistema 5G, también conocido como 5GS (fuente). Los otros dos componentes son la red de acceso 5G (5G-AN) y el equipo de usuario (UE). El núcleo 5G utiliza una arquitectura basada en servicios (SBA) alineada con la nube para admitir la autenticación, la seguridad, la gestión de sesiones y la agregación del tráfico de los dispositivos conectados, todo lo cual requiere la interconexión compleja de funciones de red, como se muestra en el diagrama del núcleo 5G.
Los componentes de la arquitectura central 5G incluyen:
- Función de plano de usuario (UPF)
- Red de datos (DN), por ejemplo, servicios de operador, acceso a Internet o servicios de terceros
- Función básica de gestión de acceso y movilidad (AMF)
- Función de servidor de autenticación (AUSF)
- Función de gestión de sesiones (SMF)
- Función de selección de segmento de red (NSSF)
- Función de exposición de red (NEF)
- Función de repositorio NF (NRF)
- Función de control de políticas (PCF)
- Gestión de datos unificada (UDM)
- Función de aplicación (AF)
El siguiente diagrama de arquitectura de red 5G ilustra cómo se asocian estos componentes.
Diagrama de arquitectura 4G
Cuando 4G evolucionó a partir de su predecesor 3G, solo se realizaron pequeños cambios incrementales en la arquitectura de la red. El siguiente diagrama de arquitectura de red 4G muestra los componentes clave de una red central 4G:
Fuente: 3GPP
En la arquitectura de red 4G, el equipo de usuario (UE), como los teléfonos inteligentes o los dispositivos móviles, se conecta a través de la red de acceso de radio LTE (E-UTRAN) al núcleo de paquetes evolucionado (EPC) y luego a las redes externas, como Internet. Evolved NodeB (eNodeB) separa el tráfico de datos de usuario (plano de usuario) del tráfico de datos de gestión de la red (plano de control) y alimenta ambos por separado al EPC.
Diagrama de arquitectura 5G
5G se diseñó desde cero y las funciones de red se dividen por servicio. Es por eso que esta arquitectura también se denomina Arquitectura basada en servicios (SBA) de núcleo 5G. El siguiente diagrama de topología de red 5G muestra los componentes clave de una red central 5G:
Fuente: Techplayon
Así es como funciona:
- Los equipos de usuario (UE), como los teléfonos inteligentes 5G o los dispositivos celulares 5G, se conectan a través de la nueva red de acceso de radio 5G al núcleo 5G y luego a las redes de datos (DN), como Internet.
- La función de gestión de acceso y movilidad (AMF) actúa como un punto de entrada único para la conexión UE.
- Basándose en el servicio solicitado por el UE, la AMF selecciona la función de gestión de sesión (SMF) respectiva para gestionar la sesión del usuario.
- La función de plano de usuario (UPF) transporta el tráfico de datos IP (plano de usuario) entre el equipo de usuario (UE) y las redes externas.
- La función de servidor de autenticación (AUSF) permite a la AMF autenticar el UE y acceder a los servicios del núcleo 5G.
- Otras funciones como la función de gestión de sesiones (SMF), la función de control de políticas (PCF), la función de aplicación (AF) y la función de gestión de datos unificados (UDM) proporcionan el marco de control de políticas, aplicando decisiones de política y accediendo a la información de suscripción, para gobernar el comportamiento de la red.
Como puede ver, la arquitectura de la red 5G es más compleja entre bastidores, pero esta complejidad es necesaria para brindar un mejor servicio que se pueda adaptar a la amplia gama de casos de uso de 5G.
Diferencia entre arquitectura de red 4G y 5G
En esta sección, discutiremos en qué se diferencian las arquitecturas 4G y 5G. En una arquitectura de red 4G LTE, LTE RAN y eNodeB suelen estar muy juntos, a menudo en la base o cerca de la torre celular que se ejecuta en hardware especializado. El EPC monolítico, por otro lado, a menudo está centralizado y más lejos del eNodeB. Esta arquitectura hace que la comunicación de un extremo a otro de alta velocidad y baja latencia sea un desafío o imposible.
A medida que los organismos de normalización como 3GPP y los proveedores de infraestructura como Nokia y Ericsson diseñaron el núcleo de 5G New Radio (5G-NR), rompieron el EPC monolítico e implementaron cada función para que pueda ejecutarse de forma independiente entre sí en común, fuera de la red. hardware de servidor de estantería. Esto permite que el núcleo 5G se convierta en nodos 5G descentralizados y muy flexible. Por ejemplo, las funciones principales de 5G ahora se pueden ubicar junto con las aplicaciones en un centro de datos de borde, lo que hace que las rutas de comunicación sean más cortas y, por lo tanto, mejore la velocidad y la latencia de un extremo a otro.
Otro beneficio de estos componentes centrales 5G más pequeños y especializados que se ejecutan en hardware común es que las redes ahora se pueden personalizar mediante la división de redes. La división de redes le permite tener múltiples “secciones” lógicas de funcionalidad optimizadas para casos de uso específicos, todas operando en un solo núcleo físico dentro de la infraestructura de red 5G.
Un operador de red 5G puede ofrecer un segmento optimizado para aplicaciones de gran ancho de banda, otro segmento más optimizado para baja latencia y un tercero optimizado para una gran cantidad de dispositivos IoT. Dependiendo de esta optimización, es posible que algunas de las funciones principales de 5G no estén disponibles en absoluto. Por ejemplo, si solo está dando servicio a dispositivos de IoT, no necesitaría la función de voz que es necesaria para los teléfonos móviles. Y debido a que no todos los segmentos deben tener exactamente las mismas capacidades, la potencia informática disponible se utiliza de manera más eficiente.
Fuente: SDX Central
La evolución de 5G
Cada generación o "G" de comunicación inalámbrica tarda aproximadamente una década en madurar. El cambio de una generación a la siguiente se debe principalmente a la necesidad de los operadores de reutilizar o reutilizar la cantidad limitada de espectro disponible. Cada nueva generación tiene más eficiencia espectral, lo que hace posible transmitir datos de forma más rápida y eficaz a través de la red.
La primera generación de comunicación inalámbrica, o 1G, comenzó en la década de 1980 con tecnología analógica. A esto le siguió rápidamente 2G, la primera generación de redes en utilizar tecnología digital. El crecimiento de 1G y 2G fue impulsado inicialmente por el mercado de teléfonos móviles. 2G también ofrecía comunicación de datos, pero a velocidades muy bajas.
La próxima generación, 3G, comenzó a crecer a principios de la década de 2000. El crecimiento de 3G fue impulsado nuevamente por los teléfonos móviles, pero fue la primera tecnología en ofrecer velocidades de datos en el rango de 1 Megabit por segundo (Mbps), adecuado para una variedad de nuevas aplicaciones tanto en teléfonos inteligentes como para la emergente Internet de las cosas (IoT). ecosistema. Nuestra generación actual de tecnología inalámbrica 4G LTE comenzó a aumentar en 2010.
Es importante señalar que 4G LTE (Long Term Evolution) tiene una larga vida por delante; es una tecnología muy exitosa y madura y se espera que se utilice ampliamente durante al menos otra década.
Arquitectura 5G y la nube y el perímetro
Hablemos de la informática de punta dentro de la arquitectura de red 5G.
Un concepto más que distingue la arquitectura de red 5G de su predecesor 4G es el de la informática de borde o la informática de borde móvil. En este escenario, puede tener pequeños centros de datos ubicados en el borde de la red, cerca de donde están las torres de telefonía celular. Eso es muy importante para una latencia muy baja y para aplicaciones de gran ancho de banda que transportan el mismo contenido.
Para un ejemplo de gran ancho de banda, piense en los servicios de transmisión de video. El contenido se origina en un servidor que se encuentra en algún lugar de la nube. Si las personas están conectadas a una torre celular y digamos que 100 personas están transmitiendo un programa de televisión popular, es más eficiente tener ese contenido lo más cerca posible del consumidor, justo en el borde, idealmente en la torre celular.
El usuario transmite este contenido desde un medio de almacenamiento que está en el borde en lugar de tener que transmitir y transferir esta información y enviarla de regreso para 100 personas desde la ubicación central en la nube. En cambio, utilizando la estructura 5G, puede traer contenido a la torre solo una vez y luego distribuirlo a sus 100 suscriptores.
El mismo principio se aplica en aplicaciones que requieren comunicación bidireccional donde se necesita baja latencia. Si un usuario tiene una aplicación ejecutándose en el borde, el tiempo de respuesta es mucho más rápido porque los datos no tienen que atravesar la red.
En la estructura de la red 5G, estas redes de borde también se pueden usar para servicios que se brindan en el borde. Dado que es posible virtualizar estas funciones centrales de 5G, puede hacer que se ejecuten en un servidor estándar o hardware de centro de datos y que la fibra llegue a la radio que envía la señal. Entonces, la radio es especializada, pero todo lo demás es bastante estándar.
Hoy en día, 4G LTE sigue creciendo. Proporciona una velocidad excelente y suficiente ancho de banda para admitir la mayoría de las aplicaciones de IoT en la actualidad. Las redes 4G LTE y 5G coexistirán durante la próxima década, a medida que las aplicaciones comiencen a migrar y luego las redes y aplicaciones 5G eventualmente reemplacen a 4G LTE.
Dispositivos que utilizan 5G
5G evolucionará con el tiempo y los dispositivos 5G seguirán su ejemplo. Los primeros productos estarán “preparados para 5G”, lo que significa que estos productos tendrán la potencia de procesamiento y los puertos Gigabit Ethernet necesarios para soportar los módems 5G y extensores 5G de mayor ancho de banda que ahora están en el horizonte.
Los productos 5G posteriores tendrán módems 5G directamente integrados y tendrán un procesador multinúcleo más rápido, interfaces Ethernet de 2.5 o incluso 10 Gigabit y Wi-Fi Radios 6/6E. Estos cambios de producto aumentarán el costo de los productos 5G, pero son necesarios para manejar la velocidad adicional y la menor latencia que ofrecerán las redes 5G.