Qu’est-ce que l’architecture du réseau 5G ?

La première question que vous vous posez peut-être est la suivante : qu'est-ce que c'est exactement 5G? La deuxième question peut être la suivante : comment est-il architecturé différemment pour offrir vitesse, faible latence, capacité et de nombreux autres avantages ?

Dans cet article, nous aborderons la question de l’architecture 5G. Nous examinerons certaines des capacités rendues possibles par l’architecture réseau 5G et comment les applications connectées peuvent en bénéficier. Vous pouvez trouver plus de ressources dans les liens tout au long de cet article et dans les ressources associées dans le pied de page. Pour une bonne introduction de base à la 5G, consultez l'article Qu'est-ce que la 5G, partie 1. Notre aperçu de la 5G se poursuit dans la partie 2, Qui adoptera la 5G. Technologie, et quand?

Une chose est sûre: notre monde connecté est en train de changer. La 5G, avec son architecture de réseau de nouvelle génération, a le potentiel de prendre en charge des milliers de nouvelles applications dans les segments grand public et industriel. Les possibilités de la 5G semblent presque illimitées lorsque la vitesse et le débit sont exponentiellement plus élevés que les réseaux actuels.

Ces capacités avancées permettront des applications sur des marchés verticaux tels que la fabrication, la santé et le transport, où la 5G jouera un rôle majeur dans tout, de l'automatisation de la fabrication avancée aux véhicules entièrement autonomes. Afin de développer des cas d'utilisation et des applications commerciales rentables pour la 5G, il est utile d'avoir au moins une compréhension générale de l'architecture du réseau 5G qui se trouve au cœur de toutes ces nouvelles applications.

La 5G a reçu énormément d'attention et plus qu'un peu de battage médiatique. Bien que le potentiel soit énorme, il est important de savoir que l'industrie en est encore à ses débuts d'adoption. Le processus de déploiement du réseau 5G a commencé il y a de nombreuses années et impliquait la construction de la nouvelle infrastructure, dont la plupart est financée par les principaux opérateurs sans fil.

Le déploiement complet de la 5G prendra du temps, se déroulant dans les grandes villes bien avant de pouvoir atteindre les zones moins peuplées. Digi aide nos clients à se préparer à la 5G, avec des communications sur la planification de la migration et les produits de nouvelle génération. Bien que Digi ne soit pas directement impliqué dans le développement du nouveau cœur radio (NR) 5G et du réseau d'accès radio (RAN) 5G, les appareils Digi feront partie intégrante de la vision 5G et de leur utilisation dans une myriade d'applications 5G.

Architecture de réseau 5G

Alors, qu'est-ce que la 5G exactement et en quoi l'architecture de la technologie de réseau 5G diffère-t-elle des «G» précédents?

Les normes 3GPP derrière l'architecture de réseau 5G ont été introduites par le 3rd Generation Partnership Project (3GPP), l'organisation qui développe des normes internationales pour toutes les communications mobiles. L'Union internationale des télécommunications (UIT) et ses partenaires définissent les exigences et le calendrier des systèmes de communication mobile, définissant une nouvelle génération environ chaque décennie. Le 3GPP développe des spécifications pour ces exigences dans une série de versions.

Le « G » de la 5G signifie « génération ». L'architecture de la technologie 5G présente des avancées significatives au-delà de la technologie 4G LTE (évolution à long terme), qui succède à la 3G et à la 2G. Comme nous le décrivons dans notre ressource connexe, The Journey to 5G, il y a toujours une période pendant laquelle plusieurs générations de réseau existent à la fois. Comme ses prédécesseurs, la 5G doit coexister avec les réseaux précédents pour deux raisons importantes :

Le développement et le déploiement de nouvelles technologies de réseau prennent énormément de temps, d'investissement et de collaboration de la part des principales entités et opérateurs.
Les premiers utilisateurs voudront toujours mettre la main sur les nouvelles technologies le plus rapidement possible, tandis que ceux qui ont effectué des investissements majeurs dans de grands déploiements avec les technologies de réseau existantes, telles que 2G, 3G et 4G LTE, souhaitent utiliser ces investissements pour un aussi longtemps que possible, et certainement jusqu'à ce que le nouveau réseau soit pleinement viable. (Notez que les réseaux 2G et 3G sont en train de disparaître pour faire de la place pour le déploiement de la 5G. Consultez notre article de blog Mises à jour sur l'arrêt du réseau 2G, 3G, 4G.)

L'architecture réseau de la technologie mobile 5g s'améliore considérablement par rapport aux architectures antérieures. Les grands réseaux à forte densité de cellules permettent des sauts massifs de performances. De plus, l'architecture des réseaux 5G offre une meilleure sécurité par rapport aux réseaux 4G LTE actuels.

En résumé, la technologie 5G offre trois avantages principaux:

Vitesse de transmission de données plus rapide, jusqu'à des vitesses multi-Gigabit / s.
Une plus grande capacité, alimentant une quantité massive d'appareils IoT par kilomètre carré.
Une latence plus faible, jusqu'à des millisecondes à un chiffre, ce qui est d'une importance cruciale dans les applications telles que les véhicules connectés dans les applications ITS et les véhicules autonomes, où une réponse quasi instantanée est nécessaire.

Cela signifie-t-il que la 5G est pleinement prête aujourd'hui ? Et cela signifie-t-il que l'architecture 5G convient à toutes les applications ? Lisez la suite pour voir comment la nouvelle technologie prend en charge les applications clés et quelles applications sont les plus adaptées à la 4G LTE.

Considérations relatives à la conception et à la planification de la 5G

Les considérations de conception pour une architecture de réseau 5G prenant en charge des applications très exigeantes sont complexes. Par exemple, il n’existe pas d’approche universelle; la gamme d'applications nécessite des données pour parcourir des distances, de gros volumes de données ou une combinaison. L'architecture 5G doit donc prendre en charge le spectre des bandes basses, moyennes et élevées - provenant de sources sous licence, partagées et privées - pour offrir la vision 5G complète.

Pour cette raison, la 5G est conçue pour fonctionner sur des fréquences radio allant de moins de 1 GHz à des fréquences extrêmement élevées, appelées «ondes millimétriques» (ou mmWave). Plus la fréquence est basse, plus le signal peut voyager loin. Plus la fréquence est élevée, plus il peut transporter de données.

Il existe trois bandes de fréquences au cœur des réseaux 5G :

La bande haute 5G (mmWave) offre les fréquences les plus élevées de la 5G. Celles-ci vont de 24 GHz à environ 100 GHz. Parce que les hautes fréquences ne peuvent pas facilement traverser les obstacles, la 5G à bande haute est par nature à courte portée. De plus, la couverture mmWave est limitée et nécessite plus d'infrastructure cellulaire.
La bande moyenne 5G fonctionne dans la gamme 2-6 GHz et fournit une couche de capacité pour les zones urbaines et suburbaines. Cette bande de fréquence a des taux de pointe dans les centaines de Mbps.
La bande basse 5G fonctionne en dessous de 2 GHz et offre une large couverture. Cette bande utilise le spectre disponible et utilisé aujourd'hui pour la 4G LTE, fournissant essentiellement une architecture LTE 5g pour les appareils 5G qui sont maintenant prêts. Les performances de la 5G à bande basse sont donc similaires à celles de la 4G LTE et prennent en charge l'utilisation des appareils 5G sur le marché aujourd'hui.

En plus de la disponibilité du spectre et des exigences d'application pour les considérations de distance par rapport à la bande passante, les opérateurs doivent prendre en compte les besoins en puissance de la 5G, car la conception typique d'une station de base 5G exige plus de deux fois la quantité d'énergie d'une station de base 4G.

Considérations relatives à la planification et au déploiement des applications 5G

Les intégrateurs de systèmes, ainsi que ceux qui développent et déploient des applications 5G pour les secteurs verticaux dont nous avons discuté, constateront qu'il est important d'envisager des compromis. (Notre vidéo, 5 facteurs pour guider votre préparation à la 5G, est une excellente ressource.)

Par exemple, voici des exemples de certaines des considérations clés:

Où votre application sera-t-elle déployée ? Les applications optimisées pour mmWave ne fonctionneront pas comme prévu dans les bâtiments et lorsqu'une portée étendue est requise. Les cas d'utilisation optimaux incluent les télécommunications cellulaires 5G dans les bandes de 24 à 39 GHz, les radars de police dans la bande Ka (33.4 à 36.0 GHz), les scanners dans la sécurité des aéroports, les radars à courte portée dans les véhicules militaires et les armes automatisées sur la marine. navires pour détecter et abattre des missiles.
Quel type de débit sera nécessaire ? Pour les véhicules autonomes et les applications de systèmes de transport intelligents (STI), les appareils et la connectivité doivent être optimisés pour la vitesse. Les communications en temps quasi réel – mesurées en millionièmes de seconde – sont essentielles pour que les véhicules et les appareils « prennent des décisions » sur les virages, l'accélération et le freinage, et la latence la plus faible possible est essentielle pour ces applications.
Les applications vidéo et VR, en revanche, doivent être optimisées pour le débit. Les applications vidéo telles que l'imagerie médicale peuvent en fin de compte tirer pleinement parti des énormes quantités de données que les réseaux 5G peuvent prendre en charge.

Pour que la 5G offre sa vision complète, l'infrastructure réseau doit également évoluer. Le schéma suivant illustre la migration au fil du temps, ainsi que les plans de produits 5G de Digi.

Les premières utilisations de la technologie 5G ne seront pas exclusivement la 5G, mais apparaîtront dans des applications où la connectivité est partagée avec la 4G LTE existante dans ce qu'on appelle le mode non autonome (NSA). Lorsqu'il fonctionne dans ce mode, un appareil se connectera d'abord au réseau 4G LTE, et si la 5G est disponible, l'appareil pourra l'utiliser pour une bande passante supplémentaire. Par exemple, un appareil se connectant en mode 5G NSA pourrait obtenir 200 Mbps de vitesse de liaison descendante sur 4G LTE et 600 Mbps supplémentaires sur 5G en même temps, pour une vitesse globale de 800 Mbps.

Au fur et à mesure que de plus en plus d'infrastructures de réseau 5G seront mises en ligne au cours des prochaines années, elles évolueront pour activer le mode autonome (SA) 5G uniquement. Cela apportera la faible latence et la capacité de se connecter à un grand nombre d'appareils IoT qui font partie des principaux avantages de la 5G.

Réseau principal

Dans cette section, nous fournirons un aperçu de l'architecture de base 5G et décrirons les composants de base de la 5G. Nous montrerons également comment l'architecture 5G se compare à l'architecture 4G actuelle.

Le réseau central 5G, qui permet les fonctionnalités avancées des réseaux 5G, est l'un des trois principaux composants du système 5G, également connu sous le nom de 5GS (source). Les deux autres composants sont le réseau d'accès 5G (5G-AN) et l'équipement utilisateur (UE). Le noyau 5G utilise une architecture basée sur les services (SBA) alignée sur le cloud pour prendre en charge l'authentification, la sécurité, la gestion des sessions et l'agrégation du trafic provenant des appareils connectés, ce qui nécessite l'interconnexion complexe des fonctions réseau, comme indiqué dans le diagramme de base 5G.

Les composants de l'architecture de base 5G comprennent:

Fonction du plan utilisateur (UPF)
Réseau de données (DN), par exemple services d'opérateur, accès Internet ou services tiers
Fonction de base de gestion de l'accès et de la mobilité (AMF)
Fonction de serveur d'authentification (AUSF)
Fonction de gestion de session (SMF)
Fonction de sélection de tranche de réseau (NSSF)
Fonction d'exposition réseau (NEF)
Fonction de référentiel NF (NRF)
Fonction de contrôle des politiques (PCF)
Gestion unifiée des données (UDM)
Fonction d'application (AF)

Le diagramme d'architecture de réseau 5G ci-dessous illustre comment ces composants sont associés.

Schéma d'architecture 4G

Lorsque la 4G a évolué à partir de son prédécesseur 3G, seuls de petits changements incrémentiels ont été apportés à l'architecture du réseau. Le schéma d'architecture de réseau 4G suivant montre les composants clés d'un cœur de réseau 4G :

Source: 3GPP

Dans l'architecture de réseau 4G, l'équipement utilisateur (UE) comme les smartphones ou les appareils cellulaires, se connecte via le réseau d'accès radio LTE (E-UTRAN) à l'Evolved Packet Core (EPC), puis à des réseaux externes, comme Internet. L'Evolved NodeB (eNodeB) sépare le trafic de données utilisateur (plan utilisateur) du trafic de données de gestion du réseau (plan de contrôle) et alimente les deux séparément dans l'EPC.

Schéma d'architecture 5G

La 5G a été conçue dès le départ et les fonctions réseau sont réparties par service. C'est pourquoi cette architecture est également appelée architecture basée sur les services (SBA) 5G. Le schéma de topologie de réseau 5G suivant montre les composants clés d'un réseau central 5G :

Source: Techplayon

Voici comment cela fonctionne:

Les équipements utilisateur (UE) tels que les smartphones 5G ou les appareils cellulaires 5G se connectent via le nouveau réseau d'accès radio 5G au noyau 5G et aux réseaux de données (DN), comme Internet.
La fonction de gestion d'accès et de mobilité (AMF) agit comme un point d'entrée unique pour la connexion UE.
Sur la base du service demandé par l'UE, l'AMF sélectionne la fonction de gestion de session (SMF) respective pour gérer la session utilisateur.
La fonction de plan utilisateur (UPF) transporte le trafic de données IP (plan utilisateur) entre l'équipement utilisateur (UE) et les réseaux externes.
La fonction de serveur d'authentification (AUSF) permet à l'AMF d'authentifier l'UE et d'accéder aux services du cœur 5G.
D'autres fonctions comme la fonction de gestion de session (SMF), la fonction de contrôle de politique (PCF), la fonction d'application (AF) et la fonction de gestion unifiée des données (UDM) fournissent le cadre de contrôle de politique, appliquant les décisions de politique et accédant aux informations d'abonnement, pour gouverner le comportement du réseau.

Comme vous pouvez le voir, l'architecture du réseau 5G est plus complexe dans les coulisses, mais cette complexité est nécessaire pour fournir un meilleur service pouvant être adapté au large éventail de cas d'utilisation de la 5G.

Différence entre l'architecture de réseau 4G et 5G

Dans cette section, nous discuterons des différences entre les architectures 4G et 5G. Dans une architecture de réseau 4G LTE, le LTE RAN et l'eNodeB sont généralement proches les uns des autres, souvent à la base ou à proximité de la tour de téléphonie mobile fonctionnant sur du matériel spécialisé. L'EPC monolithique, quant à lui, est souvent centralisé et plus éloigné de l'eNodeB. Cette architecture rend la communication de bout en bout haut débit et faible latence difficile, voire impossible.

Alors que les organismes de normalisation tels que le 3GPP et les fournisseurs d'infrastructures tels que Nokia et Ericsson ont architecturé le cœur de la nouvelle radio 5G (5G-NR), ils ont séparé l'EPC monolithique et implémenté chaque fonction afin qu'elle puisse s'exécuter indépendamment les unes des autres sur des matériel de serveur d'étagère. Cela permet au noyau 5G de devenir des nœuds 5G décentralisés et très flexibles. Par exemple, les fonctions principales de la 5G peuvent désormais être colocalisées avec des applications dans un centre de données de périphérie, ce qui raccourcit les chemins de communication et améliore ainsi la vitesse et la latence de bout en bout.

Source : Techmania

Un autre avantage de ces composants de base 5G plus petits et plus spécialisés fonctionnant sur du matériel commun est que les réseaux peuvent désormais être personnalisés via le découpage du réseau. Le découpage du réseau vous permet d'avoir plusieurs «tranches» logiques de fonctionnalités optimisées pour des cas d'utilisation spécifiques, fonctionnant toutes sur un seul cœur physique au sein de l'infrastructure réseau 5G.

Un opérateur de réseau 5G peut proposer une tranche optimisée pour les applications à bande passante élevée, une autre tranche plus optimisée pour une faible latence et une troisième optimisée pour un grand nombre d'appareils IoT. En fonction de cette optimisation, certaines des fonctions de base de la 5G peuvent ne pas être disponibles du tout. Par exemple, si vous ne réparez que des appareils IoT, vous n'aurez pas besoin de la fonction vocale nécessaire pour les téléphones mobiles. Et comme toutes les tranches ne doivent pas avoir exactement les mêmes capacités, la puissance de calcul disponible est utilisée plus efficacement.

Source : SDX Central

L'évolution de la 5G

Chaque génération ou «G» de communication sans fil prend environ une décennie pour arriver à maturité. Le passage d'une génération à l'autre est principalement motivé par le besoin des opérateurs de réutiliser ou de réutiliser la quantité limitée de spectre disponible. Chaque nouvelle génération a plus d'efficacité spectrale, ce qui permet de transmettre des données plus rapidement et plus efficacement sur le réseau.

La première génération de communication sans fil, ou 1G, a commencé dans les années 1980 avec la technologie analogique. Cela a été rapidement suivi par la 2G, la première génération de réseau à utiliser la technologie numérique. La croissance de la 1G et de la 2G a d'abord été tirée par le marché des téléphones portables. La 2G offrait également la communication de données, mais à des vitesses très faibles.

La nouvelle génération, la 3G, a commencé à monter en puissance au début des années 2000. La croissance de la 3G a été à nouveau tirée par les combinés, mais a été la première technologie à offrir des vitesses de données de 1 mégabit par seconde (Mbps), adaptées à une variété de nouvelles applications à la fois sur les smartphones et pour le nouvel Internet des objets (IoT). l'écosystème. Notre génération actuelle de technologie sans fil 4G LTE, a commencé à monter en puissance en 2010.

Il est important de noter que la 4G LTE (évolution à long terme) a une longue durée de vie; c'est une technologie très réussie et mature qui devrait être largement utilisée pendant au moins une autre décennie.

Architecture 5G et Cloud et Edge

Parlons de l'edge computing au sein de l'architecture réseau 5G.

Un autre concept qui distingue l'architecture réseau 5G de son prédécesseur 4G est celui de l'informatique de périphérie ou du calcul de périphérie mobile. Dans ce scénario, vous pouvez avoir de petits centres de données positionnés à la périphérie du réseau, à proximité des tours de téléphonie cellulaire. C'est très important pour une latence très faible et pour les applications à bande passante élevée qui transportent le même contenu.

Pour un exemple de bande passante élevée, pensez aux services de streaming vidéo. Le contenu provient d'un serveur qui se trouve quelque part dans le cloud. Si les gens sont connectés à une tour de téléphonie cellulaire et disons que 100 personnes diffusent en continu un programme télévisé populaire, il est plus efficace d'avoir ce contenu aussi près que possible du consommateur, juste à la périphérie, idéalement sur la tour de téléphonie cellulaire.

L'utilisateur diffuse ce contenu à partir d'un support de stockage en périphérie plutôt que d'avoir à diffuser et à transférer ces informations et à les transporter pour 100 personnes à partir de l'emplacement central sur le cloud. Au lieu de cela, en utilisant la structure 5G, vous pouvez apporter du contenu à la tour une seule fois, puis le distribuer à vos 100 abonnés.

Le même principe s'applique dans les applications nécessitant une communication bidirectionnelle où une faible latence est nécessaire. Si un utilisateur a une application qui s'exécute à la périphérie, le délai d'exécution est beaucoup plus rapide car les données n'ont pas à traverser le réseau.

Dans la structure de réseau 5G, ces réseaux périphériques peuvent également être utilisés pour des services fournis en périphérie. Comme il est possible de virtualiser ces fonctions de base 5G, vous pouvez les faire fonctionner sur un serveur standard ou du matériel de centre de données et faire fonctionner la fibre vers la radio qui envoie le signal. La radio est donc spécialisée, mais tout le reste est assez standard.

Aujourd'hui, la 4G LTE est toujours en croissance. Il offre une excellente vitesse et une bande passante suffisante pour prendre en charge la plupart des applications IoT actuelles. Les réseaux 4G LTE et 5G coexisteront au cours de la prochaine décennie, à mesure que les applications commenceront à migrer, puis les réseaux et applications 5G remplaceront finalement la 4G LTE.

Appareils utilisant la 5G

La 5G évoluera avec le temps et les appareils 5G suivront. Les premiers produits seront « prêts pour la 5G », ce qui signifie qu’ils disposent de la puissance de traitement et des ports Gigabit Ethernet nécessaires pour prendre en charge les modems 5G à bande passante plus élevée et les prolongateurs 5G qui se profilent désormais à l’horizon.

Les produits 5G ultérieurs auront des modems 5G directement intégrés et disposeront d'un processeur multicœur plus rapide, d'interfaces Ethernet 2.5 voire 10 Gigabit et Wi-Fi Radios 6/6E. Ces changements de produits feront augmenter le coût des produits 5G, mais sont nécessaires pour gérer la vitesse supplémentaire et la latence plus faible qu'offriront les réseaux 5G.

Qu'est-ce que l'architecture réseau 5G?