Apa itu Arsitektur Jaringan 5G?

Pertanyaan pertama yang mungkin Anda tanyakan adalah: Apa sebenarnya itu 5G? Pertanyaan kedua mungkin: Bagaimana cara merancangnya secara berbeda untuk memberikan kecepatan, latensi rendah, kapasitas, dan banyak manfaat lainnya?

Pada artikel ini, kita akan menjawab pertanyaan arsitektur 5G. Kita akan melihat beberapa kemampuan yang dimungkinkan oleh arsitektur jaringan 5G dan bagaimana aplikasi yang terhubung dapat memperoleh manfaat darinya. Anda dapat menemukan lebih banyak sumber daya di tautan di seluruh artikel ini dan di sumber daya terkait di footer. Untuk pengenalan dasar 5G yang baik, lihat artikel Apa Itu 5G, Bagian 1. Ikhtisar 5G kami berlanjut di Bagian 2, Siapa yang Akan Mengadopsi 5G Teknologi, dan kapan?

Satu hal yang pasti: Dunia terhubung kita sedang berubah. 5G, dengan arsitektur jaringan generasi berikutnya, berpotensi mendukung ribuan aplikasi baru baik di segmen konsumen maupun industri. Kemungkinan untuk 5G tampak hampir tidak terbatas ketika kecepatan dan throughput secara eksponensial lebih tinggi daripada jaringan saat ini.

Kemampuan canggih ini akan memungkinkan aplikasi di seluruh pasar vertikal seperti manufaktur, perawatan kesehatan, dan transportasi, di mana 5G akan memainkan peran utama dalam segala hal mulai dari otomatisasi manufaktur lanjutan hingga kendaraan otonom sepenuhnya. Untuk mengembangkan kasus penggunaan bisnis dan aplikasi yang menguntungkan untuk 5G, ada baiknya untuk memiliki setidaknya pemahaman umum tentang arsitektur jaringan 5G yang menjadi inti dari semua aplikasi baru ini.

5G telah menerima banyak perhatian, dan lebih dari sekadar sensasi. Meskipun potensinya sangat besar, penting untuk diketahui bahwa industri ini masih dalam tahap awal adopsi. Proses penerapan jaringan 5G dimulai bertahun-tahun yang lalu dan melibatkan pembangunan infrastruktur baru, yang sebagian besar didanai oleh operator nirkabel utama.

Penerapan 5G penuh akan memakan waktu, diluncurkan di kota-kota besar jauh sebelum dapat menjangkau daerah-daerah yang kurang berpenduduk. Digi mendukung pelanggan kami dalam mempersiapkan 5G, dengan komunikasi tentang perencanaan migrasi dan produk generasi selanjutnya. Sementara Digi tidak terlibat langsung dalam mengembangkan inti radio (NR) baru 5G dan jaringan akses radio (RAN) 5G, perangkat Digi akan menjadi bagian integral dari visi 5G dan penggunaannya dalam berbagai aplikasi 5G.

Arsitektur Jaringan 5G

Jadi - apa sebenarnya 5G itu dan apa perbedaan arsitektur teknologi jaringan 5G dari "G" sebelumnya?

Standar 3GPP di balik arsitektur jaringan 5G diperkenalkan oleh Proyek Kemitraan Generasi ke-3 (3GPP), organisasi yang mengembangkan standar internasional untuk semua komunikasi seluler. International Telecommunications Union (ITU) dan mitranya menetapkan persyaratan dan garis waktu untuk sistem komunikasi seluler, mendefinisikan generasi baru kira-kira setiap dekade. 3GPP mengembangkan spesifikasi untuk persyaratan tersebut dalam serangkaian rilis.

"G" dalam 5G adalah singkatan dari "generasi". Arsitektur teknologi 5G menghadirkan kemajuan signifikan di luar teknologi 4G LTE (evolusi jangka panjang), yang mengikuti 3G dan 2G. Seperti yang kami jelaskan dalam sumber daya terkait kami, The Journey to 5G, selalu ada periode waktu di mana beberapa generasi jaringan ada sekaligus. Seperti pendahulunya, 5G harus hidup berdampingan dengan jaringan sebelumnya karena dua alasan penting:

1. Mengembangkan dan menerapkan teknologi jaringan baru membutuhkan banyak waktu, investasi, dan kolaborasi entitas dan operator besar.
2. Pengadopsi awal akan selalu ingin mendapatkan teknologi baru secepat mungkin, sedangkan mereka yang telah melakukan investasi besar dalam penyebaran besar dengan teknologi jaringan yang ada, seperti 2G, 3G dan 4G LTE, ingin memanfaatkan investasi tersebut untuk sebagai selama mungkin, dan tentunya sampai jaringan baru sepenuhnya layak. (Perhatikan bahwa jaringan 2G dan 3G sedang dihentikan penggunaannya untuk memberi ruang bagi penerapan 5G. Lihat entri blog kami, Pembaruan Pematian Jaringan 2G, 3G, 4G.)

Arsitektur jaringan dari teknologi mobile 5G meningkat pesat pada arsitektur masa lalu. Jaringan besar yang padat memungkinkan lompatan besar dalam kinerja. Dan selain itu, arsitektur jaringan 5G menawarkan keamanan yang lebih baik dibandingkan jaringan 4G LTE saat ini.

Singkatnya, teknologi 5G menawarkan tiga keunggulan prinsip:

• Kecepatan transmisi data lebih cepat, hingga kecepatan multi-Gigabit / s.
• Kapasitas lebih besar, mengisi sejumlah besar perangkat IoT per kilometer persegi.
• Latensi yang lebih rendah, hingga milidetik satu digit, yang sangat penting dalam aplikasi seperti kendaraan yang terhubung dalam aplikasi ITS dan kendaraan otonom, yang memerlukan respons seketika yang dekat.

Apakah ini berarti 5G sudah siap sepenuhnya hari ini? Dan apakah itu berarti arsitektur 5G tepat untuk semua aplikasi? Baca terus untuk mengetahui bagaimana teknologi baru mendukung aplikasi utama, dan aplikasi mana yang lebih cocok untuk 4G LTE.

Pertimbangan Desain dan Perencanaan 5G

Pertimbangan desain untuk arsitektur jaringan 5G yang mendukung aplikasi yang sangat menuntut adalah kompleks. Misalnya, tidak ada pendekatan satu ukuran untuk semua; berbagai aplikasi membutuhkan data untuk menempuh jarak, volume data yang besar, atau beberapa kombinasi. Jadi arsitektur 5G harus mendukung spektrum pita rendah, menengah, dan tinggi - dari sumber berlisensi, bersama, dan pribadi - untuk memberikan visi 5G penuh.

Untuk alasan ini, 5G dirancang untuk berjalan pada frekuensi radio mulai dari sub 1 GHz hingga frekuensi yang sangat tinggi, yang disebut "gelombang milimeter" (atau mmWave). Semakin rendah frekuensinya, semakin jauh sinyal dapat bergerak. Semakin tinggi frekuensinya, semakin banyak data yang dapat dibawa.

Ada tiga pita frekuensi di inti jaringan 5G:

• Pita tinggi 5G (mmWave) menghadirkan frekuensi 5G tertinggi. Rentangnya dari 24 GHz hingga sekitar 100 GHz. Karena frekuensi tinggi tidak dapat dengan mudah bergerak melalui rintangan, 5G pita tinggi pada dasarnya adalah jangkauan pendek. Selain itu, cakupan mmWave terbatas dan membutuhkan lebih banyak infrastruktur seluler.
• 5G mid-band beroperasi pada rentang 2-6 GHz dan menyediakan lapisan kapasitas untuk daerah perkotaan dan pinggiran kota. Pita frekuensi ini memiliki kecepatan puncak ratusan Mbps.
• Pita rendah 5G beroperasi di bawah 2 GHz dan menyediakan cakupan yang luas. Pita ini menggunakan spektrum yang tersedia dan digunakan saat ini untuk 4G LTE, yang pada dasarnya menyediakan arsitektur LTE 5g untuk perangkat 5G yang siap sekarang. Oleh karena itu, kinerja 5G pita rendah mirip dengan 4G LTE, dan mendukung penggunaan untuk perangkat 5G di pasaran saat ini.

Selain ketersediaan spektrum dan persyaratan aplikasi untuk pertimbangan jarak vs. bandwidth, operator harus mempertimbangkan persyaratan daya 5G, karena desain stasiun pangkalan 5G yang khas menuntut lebih dari dua kali jumlah daya pemancar 4G.

Pertimbangan untuk Merencanakan dan Menerapkan Aplikasi 5G

Integrator sistem, dan mereka yang mengembangkan dan menerapkan aplikasi 5G untuk vertikal yang telah kita diskusikan, akan menemukan bahwa penting untuk mempertimbangkan trade-off. (Video kami, 5 Faktor untuk Memandu Persiapan Anda untuk 5G, adalah sumber yang bagus.)

Misalnya, berikut adalah contoh beberapa pertimbangan utama:

• Di mana aplikasi Anda akan diterapkan? Aplikasi yang dioptimalkan untuk mmWave tidak akan beroperasi seperti yang diharapkan di dalam gedung dan bila diperlukan jangkauan yang diperpanjang. Kasus penggunaan optimal termasuk telekomunikasi seluler 5G di pita 24 hingga 39 GHz, radar polisi di Ka-band (33.4- hingga 36.0-GHz), pemindai di keamanan bandara, radar jarak pendek di kendaraan militer, dan senjata otomatis di angkatan laut. kapal untuk mendeteksi dan menjatuhkan rudal.
• Jenis keluaran apa yang akan dibutuhkan? Untuk aplikasi kendaraan otonom dan sistem transportasi cerdas (ITS), perangkat dan konektivitas harus dioptimalkan untuk kecepatan. Komunikasi hampir real-time - diukur dalam sepersejuta detik - sangat penting bagi kendaraan dan perangkat untuk "membuat keputusan" tentang belokan, akselerasi, dan pengereman, dan latensi serendah mungkin adalah misi penting untuk aplikasi ini.
• Aplikasi video dan VR, sebaliknya, harus dioptimalkan untuk throughput. Aplikasi video seperti pencitraan medis pada akhirnya dapat memanfaatkan sepenuhnya data dalam jumlah besar yang dapat didukung oleh jaringan 5G.

Agar 5G dapat mewujudkan visi penuhnya, infrastruktur jaringan juga perlu berkembang. Diagram berikut menggambarkan migrasi dari waktu ke waktu, serta rencana produk 5G Digi.

Penggunaan paling awal dari teknologi 5G tidak hanya 5G, tetapi akan muncul dalam aplikasi yang konektivitasnya dibagikan dengan 4G LTE yang ada dalam apa yang disebut mode non-standalone (NSA). Saat beroperasi dalam mode ini, perangkat pertama-tama akan terhubung ke jaringan 4G LTE, dan jika 5G tersedia, perangkat akan dapat menggunakannya untuk bandwidth tambahan. Misalnya, perangkat yang terhubung dalam mode 5G NSA bisa mendapatkan kecepatan downlink 200 Mbps melalui 4G LTE dan 600 Mbps lainnya melalui 5G secara bersamaan, dengan kecepatan agregat 800 Mbps.

Karena semakin banyak infrastruktur jaringan 5G online selama beberapa tahun ke depan, itu akan berkembang untuk mengaktifkan mode stand-alone (SA) khusus 5G. Ini akan membawa latensi rendah dan kemampuan untuk terhubung dengan sejumlah besar perangkat IoT yang merupakan salah satu keunggulan utama 5G.

Jaringan inti

Pada bagian ini kami akan memberikan gambaran arsitektur inti 5G dan menjelaskan komponen inti 5G. Kami juga akan menunjukkan bagaimana arsitektur 5G dibandingkan dengan arsitektur 4G saat ini.

Jaringan inti 5G, yang memungkinkan fungsionalitas lanjutan jaringan 5G, adalah salah satu dari tiga komponen utama Sistem 5G, yang juga dikenal sebagai 5GS (sumber). Dua komponen lainnya adalah jaringan Akses 5G (5G-AN) dan Peralatan Pengguna (UE). Inti 5G menggunakan arsitektur berbasis layanan yang selaras dengan cloud (SBA) untuk mendukung otentikasi, keamanan, manajemen sesi, dan agregasi lalu lintas dari perangkat yang terhubung, yang semuanya memerlukan interkoneksi fungsi jaringan yang kompleks, seperti yang ditunjukkan dalam diagram inti 5G.

Komponen arsitektur inti 5G meliputi:

• Fungsi bidang pengguna (UPF)
• Jaringan data (DN), misalnya layanan operator, akses Internet, atau layanan pihak ke-3
• Akses Inti dan Fungsi Manajemen Mobilitas (AMF)
• Fungsi Server Otentikasi (AUSF)
• Fungsi Manajemen Sesi (SMF)
• Fungsi Pemilihan Irisan Jaringan (NSSF)
• Fungsi Paparan Jaringan (NEF)
• Fungsi Repositori NF (NRF)
• Fungsi Kontrol Kebijakan (PCF)
• Manajemen Data Terpadu (UDM)
• Fungsi Aplikasi (AF)

Diagram arsitektur jaringan 5G di bawah ini menggambarkan bagaimana komponen-komponen ini dikaitkan.

Diagram Arsitektur 4G

Ketika 4G berevolusi dari pendahulunya 3G, hanya sedikit perubahan bertahap yang dilakukan pada arsitektur jaringan. Diagram arsitektur jaringan 4G berikut menunjukkan komponen utama jaringan inti 4G:

Sumber: 3GPP

Dalam arsitektur jaringan 4G, Peralatan Pengguna (UE) seperti smartphone atau perangkat seluler, terhubung melalui Jaringan Akses Radio LTE (E-UTRAN) ke Evolved Packet Core (EPC) dan kemudian ke Jaringan Eksternal, seperti Internet. Evolved NodeB (eNodeB) memisahkan lalu lintas data pengguna (bidang pengguna) dari lalu lintas data manajemen jaringan (bidang kontrol) dan memasukkan keduanya secara terpisah ke dalam EPC.

Diagram Arsitektur 5G

5G dirancang dari awal, dan fungsi jaringan dibagi berdasarkan layanan. Itulah mengapa arsitektur ini juga disebut 5G core Service-Based Architecture (SBA). Diagram topologi jaringan 5G berikut menunjukkan komponen utama jaringan inti 5G:

Sumber: Techplayon

Berikut adalah cara kerjanya:

• Peralatan Pengguna (UE) seperti smartphone 5G atau perangkat seluler 5G terhubung melalui Jaringan Akses Radio Baru 5G ke inti 5G dan selanjutnya ke Jaringan Data (DN), seperti Internet.
• Access and Mobility Management Function (AMF) bertindak sebagai titik masuk tunggal untuk koneksi UE.
• Berdasarkan layanan yang diminta oleh UE, AMF memilih Fungsi Manajemen Sesi (SMF) masing-masing untuk mengelola sesi pengguna.
• Fungsi Pesawat Pengguna (UPF) mengangkut lalu lintas data IP (bidang pengguna) antara Peralatan Pengguna (UE) dan jaringan eksternal.
• Fungsi Server Otentikasi (AUSF) memungkinkan AMF untuk mengotentikasi UE dan mengakses layanan inti 5G.
• Fungsi lain seperti Fungsi Manajemen Sesi (SMF), Fungsi Kontrol Kebijakan (PCF), Fungsi Aplikasi (AF) dan fungsi Manajemen Data Terpadu (UDM) menyediakan kerangka kerja kontrol kebijakan, menerapkan keputusan kebijakan dan mengakses informasi langganan, untuk mengatur perilaku jaringan.

Seperti yang Anda lihat, arsitektur jaringan 5G lebih kompleks di belakang layar, tetapi kompleksitas ini diperlukan untuk memberikan layanan yang lebih baik yang dapat disesuaikan dengan berbagai kasus penggunaan 5G.

Perbedaan antara Arsitektur Jaringan 4G dan 5G

Di bagian ini, kita akan membahas bagaimana arsitektur 4G dan 5G berbeda. Dalam arsitektur jaringan 4G LTE, LTE RAN dan eNodeB biasanya berdekatan, sering kali di pangkalan atau di dekat menara seluler yang berjalan pada perangkat keras khusus. EPC monolitik di sisi lain seringkali terpusat dan jauh dari eNodeB. Arsitektur ini membuat komunikasi ujung-ke-ujung berkecepatan tinggi dan latensi rendah menjadi tidak mungkin.

Karena badan standar seperti 3GPP dan vendor infrastruktur seperti Nokia dan Ericsson merancang inti 5G New Radio (5G-NR), mereka memisahkan EPC monolitik dan menerapkan setiap fungsi sehingga dapat berjalan secara independen satu sama lain secara umum, di luar ruang perangkat keras server rak. Ini memungkinkan inti 5G menjadi node 5G yang terdesentralisasi dan sangat fleksibel. Misalnya, fungsi inti 5G sekarang dapat ditempatkan bersama dengan aplikasi di pusat data tepi, membuat jalur komunikasi menjadi pendek dan dengan demikian meningkatkan kecepatan dan latensi ujung-ke-ujung.

Sumber: Techmania

Manfaat lain dari komponen inti 5G yang lebih kecil dan lebih khusus ini yang berjalan pada perangkat keras umum adalah bahwa jaringan sekarang dapat disesuaikan melalui pemotongan jaringan. Pemotongan jaringan memungkinkan Anda memiliki beberapa "irisan" logis dari fungsionalitas yang dioptimalkan untuk kasus penggunaan tertentu, semuanya beroperasi pada satu inti fisik dalam infrastruktur jaringan 5G.

Operator jaringan 5G mungkin menawarkan satu bagian yang dioptimalkan untuk aplikasi bandwidth tinggi, bagian lain yang lebih dioptimalkan untuk latensi rendah, dan bagian ketiga yang dioptimalkan untuk sejumlah besar perangkat IoT. Bergantung pada pengoptimalan ini, beberapa fungsi inti 5G mungkin tidak tersedia sama sekali. Misalnya, jika Anda hanya melayani perangkat IoT, Anda tidak memerlukan fungsi suara yang diperlukan untuk ponsel. Dan karena tidak setiap bagian harus memiliki kemampuan yang persis sama, daya komputasi yang tersedia digunakan dengan lebih efisien.

Sumber: SDX Central

Evolusi 5G

Setiap generasi atau "G" komunikasi nirkabel membutuhkan waktu sekitar satu dekade untuk matang. Peralihan dari satu generasi ke generasi berikutnya terutama didorong oleh kebutuhan operator untuk menggunakan kembali atau menggunakan kembali spektrum yang tersedia dalam jumlah terbatas. Setiap generasi baru memiliki efisiensi spektral yang lebih tinggi, yang memungkinkan pengiriman data lebih cepat dan lebih efektif melalui jaringan.

Generasi pertama komunikasi nirkabel, atau 1G, dimulai pada 1980-an dengan teknologi analog. Ini diikuti dengan cepat oleh 2G, generasi jaringan pertama yang menggunakan teknologi digital. Pertumbuhan 1G dan 2G pada awalnya didorong oleh pasar handset telepon seluler. 2G juga menawarkan komunikasi data, tetapi dengan kecepatan yang sangat rendah.

Generasi berikutnya, 3G, mulai meningkat pada awal tahun 2000-an. Pertumbuhan 3G kembali didorong oleh handset, tetapi merupakan teknologi pertama yang menawarkan kecepatan data dalam kisaran 1 Megabit per detik (Mbps), cocok untuk berbagai aplikasi baru baik di smartphone maupun untuk Internet of Things (IoT) yang sedang berkembang. ekosistem. Generasi teknologi nirkabel 4G LTE kami saat ini, mulai meningkat pada tahun 2010.

Penting untuk dicatat bahwa 4G LTE (Long Term Evolution) memiliki masa depan yang panjang; ini adalah teknologi yang sangat sukses dan matang dan diharapkan dapat digunakan secara luas setidaknya selama satu dekade lagi.

Arsitektur 5G dan Cloud dan Edge

Mari kita bicara tentang komputasi tepi dalam arsitektur jaringan 5G.

Satu lagi konsep yang membedakan arsitektur jaringan 5G dari pendahulunya 4G adalah komputasi tepi atau komputasi tepi seluler. Dalam skenario ini, Anda dapat menempatkan pusat data kecil di tepi jaringan, dekat dengan lokasi menara seluler. Itu sangat penting untuk latensi sangat rendah dan untuk aplikasi bandwidth tinggi yang membawa konten yang sama.

Untuk contoh bandwidth tinggi, pikirkan layanan streaming video. Konten tersebut berasal dari server yang berada di suatu tempat di cloud. Jika orang-orang terhubung ke menara seluler dan katakanlah, 100 orang sedang streaming program TV populer, akan lebih efisien jika konten tersebut sedekat mungkin dengan konsumen, tepat di tepinya, idealnya di menara seluler.

Pengguna mengalirkan konten ini dari media penyimpanan yang ada di edge daripada harus mengalirkan dan mentransfer informasi ini dan melakukan backhaul untuk 100 orang dari lokasi pusat di cloud. Alih-alih, dengan menggunakan struktur 5G, Anda dapat membawa konten ke menara hanya sekali dan kemudian mendistribusikannya ke 100 pelanggan Anda.

Prinsip yang sama berlaku dalam aplikasi yang membutuhkan komunikasi dua arah yang membutuhkan latensi rendah. Jika pengguna memiliki aplikasi yang berjalan di edge, waktu penyelesaiannya jauh lebih cepat karena data tidak harus melintasi jaringan.

Dalam struktur jaringan 5G, jaringan edge ini juga dapat digunakan untuk layanan yang disediakan di edge. Karena dimungkinkan untuk memvirtualisasikan fungsi inti 5G ini, Anda dapat menjalankannya pada server standar atau perangkat keras pusat data dan memiliki serat yang berjalan ke radio yang mengirimkan sinyal. Jadi radio itu terspesialisasi, tetapi yang lainnya cukup standar.

Saat ini, 4G LTE masih terus berkembang. Ini memberikan kecepatan luar biasa dan bandwidth yang cukup untuk mendukung sebagian besar aplikasi IoT saat ini. Jaringan 4G LTE dan 5G akan hidup berdampingan selama dekade berikutnya, karena aplikasi mulai bermigrasi dan kemudian jaringan dan aplikasi 5G pada akhirnya menggantikan 4G LTE.

Perangkat yang Menggunakan 5G

5G akan berkembang seiring berjalannya waktu, dan perangkat 5G pun akan mengikutinya. Produk-produk awal akan bersifat “5G-ready”, yang berarti bahwa produk-produk ini memiliki kekuatan pemrosesan dan port Gigabit Ethernet yang diperlukan untuk mendukung modem 5G dengan bandwidth lebih tinggi dan ekstender 5G yang kini tersedia.

Nantinya produk 5G akan memiliki modem 5G yang terintegrasi langsung dan memiliki prosesor multi-core yang lebih cepat, antarmuka Ethernet 2.5 atau bahkan 10 Gigabit dan Wi-Fi radio 6/6E. Perubahan produk ini akan menaikkan biaya produk 5G tetapi diperlukan untuk menangani kecepatan tambahan dan latensi yang lebih rendah yang ditawarkan jaringan 5G.