Cos’è l’architettura di rete 5G?

La prima domanda che potresti farti è: cos’è esattamente 5G? La seconda domanda potrebbe essere: come è strutturato in modo diverso per offrire velocità, bassa latenza, capacità e numerosi altri vantaggi?

In questo articolo affronteremo la questione dell’architettura 5G. Esamineremo alcune delle funzionalità rese possibili dall’architettura di rete 5G e in che modo le applicazioni connesse possono trarne vantaggio. Puoi trovare ulteriori risorse nei collegamenti presenti in questo articolo e nelle risorse correlate nel piè di pagina. Per una buona introduzione di base al 5G, vedere l'articolo Cos'è il 5G, Parte 1. La nostra panoramica sul 5G continua nella Parte 2, Chi adotterà il 5G Tecnologia, e quando?

Una cosa è certa: il nostro mondo connesso sta cambiando. Il 5G, con la sua architettura di rete di nuova generazione, ha il potenziale per supportare migliaia di nuove applicazioni sia nel segmento consumer che in quello industriale. Le possibilità per il 5G sembrano quasi illimitate quando la velocità e il throughput sono esponenzialmente superiori alle reti attuali.

Queste funzionalità avanzate consentiranno applicazioni in mercati verticali come produzione, sanità e trasporti, dove il 5G giocherà un ruolo importante in tutto, dall'automazione della produzione avanzata ai veicoli completamente autonomi. Al fine di sviluppare casi d'uso e applicazioni aziendali redditizi per il 5G, è utile avere almeno una comprensione generale dell'architettura di rete 5G che si trova al centro di tutte queste nuove applicazioni.

Il 5G ha ricevuto un'enorme quantità di attenzione e più di un piccolo clamore. Sebbene il potenziale sia enorme, è importante sapere che il settore è ancora nelle prime fasi di adozione. Il processo di implementazione della rete 5G è iniziato molti anni fa e ha coinvolto la costruzione della nuova infrastruttura, la maggior parte della quale è finanziata dai principali operatori wireless.

L'implementazione completa del 5G richiederà tempo e verrà implementata nelle principali città molto prima che possa raggiungere aree meno popolate. Digi supporta i nostri clienti nella preparazione per il 5G, con comunicazioni sulla pianificazione della migrazione e sui prodotti di prossima generazione. Sebbene Digi non sia direttamente coinvolto nello sviluppo del nuovo nucleo radio (NR) 5G e della rete di accesso radio (RAN) 5G, i dispositivi Digi saranno parte integrante della visione 5G e del loro utilizzo in una miriade di applicazioni 5G.

Architettura di rete 5G

Allora, cos'è esattamente il 5G e in che modo l'architettura della tecnologia di rete 5G differisce dalle precedenti "G"?

Gli standard 3GPP alla base dell'architettura di rete 5G sono stati introdotti dal 3rd Generation Partnership Project (3GPP), l'organizzazione che sviluppa standard internazionali per tutte le comunicazioni mobili. L'International Telecommunications Union (ITU) ei suoi partner definiscono i requisiti e la tempistica per i sistemi di comunicazione mobile, definendo una nuova generazione ogni dieci anni circa. Il 3GPP sviluppa le specifiche per tali requisiti in una serie di versioni.

La "G" in 5G sta per "generazione". L'architettura della tecnologia 5G presenta progressi significativi oltre la tecnologia 4G LTE (evoluzione a lungo termine), che arriva sulla scia di 3G e 2G. Come descriviamo nella nostra risorsa correlata, The Journey to 5G, c'è sempre un periodo di tempo durante il quale esistono più generazioni di reti contemporaneamente. Come i suoi predecessori, il 5G deve coesistere con le reti precedenti per due importanti motivi:

Lo sviluppo e l'implementazione di nuove tecnologie di rete richiede un'enorme quantità di tempo, investimenti e collaborazione delle principali entità e vettori.
I primi utenti vorranno sempre mettere le mani su nuove tecnologie il più rapidamente possibile, mentre coloro che hanno fatto importanti investimenti in grandi implementazioni con tecnologie di rete esistenti, come 2G, 3G e 4G LTE, vogliono utilizzare tali investimenti per il più a lungo possibile, e sicuramente fino a quando la nuova rete non sarà pienamente praticabile. (Tieni presente che le reti 2G e 3G stanno per essere abbandonate per fare spazio all'implementazione del 5G. Consulta il nostro post sul blog Aggiornamenti per l'arresto della rete 2G, 3G, 4G.)

L'architettura di rete della tecnologia mobile 5g migliora notevolmente rispetto alle architetture del passato. Le reti ad alta densità di celle consentono enormi balzi in termini di prestazioni. Inoltre, l'architettura delle reti 5G offre una maggiore sicurezza rispetto alle odierne reti 4G LTE.

In sintesi, la tecnologia 5G offre tre vantaggi principali:

Velocità di trasmissione dati più veloce, fino a velocità multi-Gigabit / s.
Maggiore capacità, alimentando un'enorme quantità di dispositivi IoT per chilometro quadrato.
Latenza inferiore, fino a millisecondi a una cifra, che è di fondamentale importanza in applicazioni come i veicoli connessi nelle applicazioni ITS e nei veicoli autonomi, dove è necessaria una risposta quasi istantanea.

Questo significa che il 5G è completamente pronto oggi? E significa che l'architettura 5G è adatta a tutte le applicazioni? Continua a leggere per vedere come la nuova tecnologia supporta le applicazioni chiave e quali sono le applicazioni più adatte al 4G LTE.

Considerazioni sulla progettazione e la pianificazione del 5G

Le considerazioni di progettazione per un'architettura di rete 5G che supporta applicazioni altamente impegnative sono complesse. Ad esempio, non esiste un approccio valido per tutti; la gamma di applicazioni richiede dati per percorrere distanze, grandi volumi di dati o qualche combinazione. Quindi l'architettura 5G deve supportare lo spettro di banda bassa, media e alta - da fonti autorizzate, condivise e private - per fornire la visione 5G completa.

Per questo motivo, il 5G è progettato per funzionare su frequenze radio che vanno da meno di 1 GHz a frequenze estremamente alte, chiamate "onde millimetriche" (o mmWave). Più bassa è la frequenza, più lontano può viaggiare il segnale. Maggiore è la frequenza, più dati può trasportare.

Ci sono tre bande di frequenza al centro delle reti 5G:

La banda alta 5G (mmWave) offre le frequenze più alte del 5G. Questi vanno da 24 GHz a circa 100 GHz. Poiché le alte frequenze non possono attraversare facilmente gli ostacoli, il 5G in banda alta è per sua natura a corto raggio. Inoltre, la copertura mmWave è limitata e richiede più infrastrutture cellulari.
La banda media 5G opera nella gamma 2-6 GHz e fornisce un livello di capacità per le aree urbane e suburbane. Questa banda di frequenza ha velocità di picco dell'ordine di centinaia di Mbps.
La banda bassa 5G opera al di sotto dei 2 GHz e fornisce un'ampia copertura. Questa banda utilizza lo spettro che è disponibile e in uso oggi per 4G LTE, fornendo essenzialmente un'architettura LTE 5g per dispositivi 5G che sono già pronti. Le prestazioni del 5G a banda bassa sono quindi simili al 4G LTE e supportano l'uso per i dispositivi 5G oggi sul mercato.

Oltre alla disponibilità dello spettro e ai requisiti applicativi per le considerazioni sulla distanza rispetto alla larghezza di banda, gli operatori devono considerare i requisiti di alimentazione del 5G, poiché il tipico design della stazione base 5G richiede oltre il doppio della potenza di una stazione base 4G.

Considerazioni per la pianificazione e la distribuzione di applicazioni 5G

Gli integratori di sistemi e coloro che sviluppano e distribuiscono applicazioni 5G per i verticali di cui abbiamo discusso scopriranno che è importante considerare i compromessi. (Il nostro video, 5 fattori per guidare la tua preparazione per il 5G, è una grande risorsa.)

Ad esempio, ecco alcuni esempi di alcune delle considerazioni chiave:

Dove verrà distribuita la tua applicazione? Le applicazioni ottimizzate per mmWave non funzioneranno come previsto all'interno degli edifici e quando è richiesta una portata estesa. I casi d'uso ottimali includono le telecomunicazioni cellulari 5G nelle bande da 24 a 39 GHz, radar della polizia in banda Ka (da 33.4 a 36.0 GHz), scanner per la sicurezza aeroportuale, radar a corto raggio nei veicoli militari e armi automatizzate su navi navali navi per rilevare e abbattere i missili.
Che tipo di throughput sarà richiesto? Per i veicoli autonomi e le applicazioni dei sistemi di trasporto intelligenti (ITS), i dispositivi e la connettività devono essere ottimizzati per la velocità. Le comunicazioni in tempo quasi reale, misurate in milionesimi di secondo, sono fondamentali per i veicoli e i dispositivi per "prendere decisioni" su svolte, accelerazioni e frenate e la latenza più bassa possibile è fondamentale per queste applicazioni.
Le applicazioni video e VR, al contrario, devono essere ottimizzate per il throughput. Le applicazioni video come l'imaging medico possono in definitiva sfruttare appieno le enormi quantità di dati che le reti 5G possono supportare.

Affinché il 5G offra la sua visione completa, anche l'infrastruttura di rete deve evolversi. Il diagramma seguente illustra la migrazione nel tempo, nonché i piani di prodotto 5G di Digi.

I primi utilizzi della tecnologia 5G non saranno esclusivamente 5G, ma appariranno in applicazioni in cui la connettività è condivisa con l'attuale 4G LTE in quella che viene chiamata modalità non standalone (NSA). Quando si opera in questa modalità, un dispositivo si connetterà prima alla rete 4G LTE e, se il 5G è disponibile, il dispositivo sarà in grado di utilizzarlo per una larghezza di banda aggiuntiva. Ad esempio, un dispositivo che si connette in modalità 5G NSA potrebbe ottenere 200 Mbps di velocità di downlink su 4G LTE e altri 600 Mbps su 5G allo stesso tempo, per una velocità complessiva di 800 Mbps.

Man mano che sempre più infrastrutture di rete 5G saranno online nei prossimi anni, si evolverà per abilitare la modalità stand-alone (SA) solo 5G. Ciò porterà la bassa latenza e la capacità di connettersi con un numero enorme di dispositivi IoT che sono tra i principali vantaggi del 5G.

Rete principale

In questa sezione forniremo una panoramica dell'architettura core 5G e descriveremo i componenti core 5G. Mostreremo anche come l'architettura 5G si confronta con l'attuale architettura 4G.

La rete principale 5G, che abilita le funzionalità avanzate delle reti 5G, è uno dei tre componenti principali del Sistema 5G, noto anche come 5GS (fonte). Gli altri due componenti sono 5G Access Network (5G-AN) e User Equipment (UE). Il core 5G utilizza un'architettura basata sui servizi (SBA) allineata al cloud per supportare l'autenticazione, la sicurezza, la gestione delle sessioni e l'aggregazione del traffico dai dispositivi connessi, il che richiede la complessa interconnessione delle funzioni di rete, come mostrato nel diagramma del core 5G.

I componenti dell'architettura core 5G includono:

Funzione piano utente (UPF)
Rete dati (DN), ad es. Servizi dell'operatore, accesso a Internet o servizi di terze parti
Funzione principale di accesso e gestione della mobilità (AMF)
Funzione server di autenticazione (AUSF)
Funzione di gestione della sessione (SMF)
Funzione di selezione della porzione di rete (NSSF)
Funzione di esposizione di rete (NEF)
Funzione di repository NF (NRF)
Funzione di controllo della politica (PCF)
Gestione unificata dei dati (UDM)
Funzione applicativa (AF)

Il diagramma dell'architettura di rete 5G di seguito illustra come questi componenti sono associati.

Diagramma di architettura 4G

Quando il 4G si è evoluto dal suo predecessore 3G, sono state apportate solo piccole modifiche incrementali all'architettura di rete. Il seguente diagramma dell'architettura di rete 4G mostra i componenti chiave di una rete principale 4G:

Fonte: 3GPP

Nell'architettura di rete 4G, le apparecchiature utente (UE) come smartphone o dispositivi cellulari, si connettono tramite la rete di accesso radio LTE (E-UTRAN) a Evolved Packet Core (EPC) e successivamente a reti esterne, come Internet. L'Evolved NodeB (eNodeB) separa il traffico dati dell'utente (piano utente) dal traffico dati di gestione della rete (piano di controllo) e alimenta entrambi separatamente nell'EPC.

Diagramma di architettura 5G

Il 5G è stato progettato da zero e le funzioni di rete sono suddivise per servizio. Questo è il motivo per cui questa architettura è anche chiamata 5G core Service-Based Architecture (SBA). Il seguente diagramma della topologia di rete 5G mostra i componenti chiave di una rete centrale 5G:

Fonte: Techplayon

Ecco come funziona:

Le apparecchiature utente (UE) come smartphone 5G o dispositivi cellulari 5G si connettono tramite la nuova rete di accesso radio 5G al core 5G e successivamente alle reti dati (DN), come Internet.
La funzione Access and Mobility Management (AMF) funge da punto di ingresso unico per la connessione UE.
In base al servizio richiesto dalla UE, l'AMF seleziona la rispettiva Session Management Function (SMF) per la gestione della sessione utente.
La funzione User Plane (UPF) trasporta il traffico dati IP (piano utente) tra l'apparecchiatura utente (UE) e le reti esterne.
La funzione Authentication Server (AUSF) consente all'AMF di autenticare l'UE e accedere ai servizi del core 5G.
Altre funzioni come la Session Management Function (SMF), la Policy Control Function (PCF), la Application Function (AF) e la funzione Unified Data Management (UDM) forniscono il framework di controllo delle policy, applicando le decisioni delle policy e accedendo alle informazioni sull'abbonamento, per governare il comportamento della rete.

Come puoi vedere, l'architettura di rete 5G è più complessa dietro le quinte, ma questa complessità è necessaria per fornire un servizio migliore che può essere adattato alla vasta gamma di casi d'uso 5G.

Differenza tra architettura di rete 4G e 5G

In questa sezione, discuteremo delle differenze tra le architetture 4G e 5G. In un'architettura di rete 4G LTE, LTE RAN e eNodeB sono tipicamente vicini, spesso alla base o vicino alla torre cellulare in esecuzione su hardware specializzato. L'EPC monolitico d'altra parte è spesso centralizzato e più lontano dall'eNodoB. Questa architettura rende la comunicazione end-to-end ad alta velocità e bassa latenza difficile o impossibile.

Mentre organismi di standardizzazione come 3GPP e fornitori di infrastrutture come Nokia ed Ericsson hanno progettato il nucleo 5G New Radio (5G-NR), hanno rotto l'EPC monolitico e implementato ciascuna funzione in modo che possa essere eseguita indipendentemente l'una dall'altra su comuni, off-the- hardware per server da scaffale. Ciò consente al core 5G di diventare nodi 5G decentralizzati e molto flessibili. Ad esempio, le funzioni principali del 5G possono ora essere collocate insieme alle applicazioni in un data center edge, riducendo i percorsi di comunicazione e migliorando così la velocità e la latenza end-to-end.

Fonte: Techmania

Un altro vantaggio di questi componenti 5G più piccoli e specializzati in esecuzione su hardware comune è che le reti ora possono essere personalizzate tramite il network slicing. Il network slicing consente di avere più "slice" logiche di funzionalità ottimizzate per casi d'uso specifici, tutte operanti su un singolo core fisico all'interno dell'infrastruttura di rete 5G.

Un operatore di rete 5G può offrire una sezione ottimizzata per applicazioni a larghezza di banda elevata, un'altra sezione più ottimizzata per una bassa latenza e una terza ottimizzata per un numero enorme di dispositivi IoT. A seconda di questa ottimizzazione, alcune delle funzioni principali del 5G potrebbero non essere affatto disponibili. Ad esempio, se stai servendo solo dispositivi IoT, non avrai bisogno della funzione vocale necessaria per i telefoni cellulari. E poiché non tutte le sezioni devono avere esattamente le stesse capacità, la potenza di calcolo disponibile viene utilizzata in modo più efficiente.

Fonte: SDX Central

L'evoluzione del 5G

Ogni generazione o "G" di comunicazione wireless richiede circa un decennio per maturare. Il passaggio da una generazione all'altra è principalmente guidato dalla necessità degli operatori di riutilizzare o riutilizzare la quantità limitata di spettro disponibile. Ogni nuova generazione ha una maggiore efficienza spettrale, il che rende possibile trasmettere i dati in modo più veloce ed efficace sulla rete.

La prima generazione di comunicazioni wireless, o 1G, è iniziata negli anni '1980 con la tecnologia analogica. Questo è stato seguito rapidamente da 2G, la prima generazione di reti a utilizzare la tecnologia digitale. La crescita di 1G e 2G è stata inizialmente guidata dal mercato dei telefoni cellulari. Anche 2G offriva la comunicazione dati, ma a velocità molto basse.

La generazione successiva, 3G, ha iniziato a crescere nei primi anni 2000. La crescita del 3G è stata trainata nuovamente dai telefoni, ma è stata la prima tecnologia a offrire velocità di trasmissione dati nella gamma di 1 Megabit al secondo (Mbps), adatte a una varietà di nuove applicazioni sia su smartphone che per l'emergente Internet of Things (IoT) ecosistema. La nostra attuale generazione di tecnologia wireless 4G LTE, ha iniziato a crescere nel 2010.

È importante notare che 4G LTE (Long Term Evolution) ha una lunga vita davanti; è una tecnologia matura e di successo e si prevede che sarà ampiamente utilizzata per almeno un altro decennio.

Architettura 5G, cloud e edge

Parliamo di edge computing all'interno dell'architettura di rete 5G.

Un altro concetto che distingue l'architettura di rete 5G dal suo predecessore 4G è quello dell'edge computing o del mobile edge computing. In questo scenario, puoi avere piccoli data center posizionati ai margini della rete, vicino a dove si trovano le torri cellulari. Questo è molto importante per una latenza molto bassa e per applicazioni con larghezza di banda elevata che trasportano lo stesso contenuto.

Per un esempio di larghezza di banda elevata, pensa ai servizi di streaming video. Il contenuto ha origine in un server che si trova da qualche parte nel cloud. Se le persone sono collegate a un ripetitore cellulare e diciamo, 100 persone stanno trasmettendo in streaming un popolare programma TV, è più efficiente avere quel contenuto il più vicino possibile al consumatore, proprio lì sul bordo, idealmente sul cellulare.

L'utente esegue lo streaming di questo contenuto da un supporto di archiviazione che si trova sull'edge invece di dover eseguire lo streaming e trasferire queste informazioni e eseguirne il backhaul per 100 persone dalla posizione centrale sul cloud. Invece, utilizzando la struttura 5G, puoi portare i contenuti sulla torre solo una volta e poi distribuirli ai tuoi 100 abbonati.

Lo stesso principio si applica nelle applicazioni che richiedono una comunicazione bidirezionale in cui è necessaria una bassa latenza. Se un utente ha un'applicazione in esecuzione sull'edge, il tempo di risposta è molto più veloce perché i dati non devono attraversare la rete.

Nella struttura della rete 5G, queste reti edge possono essere utilizzate anche per i servizi forniti sull'edge. Poiché è possibile virtualizzare queste funzioni principali del 5G, è possibile farle funzionare su un server standard o su un hardware del data center e avere la fibra in esecuzione alla radio che invia il segnale. Quindi la radio è specializzata, ma tutto il resto è piuttosto standard.

Oggi, 4G LTE è ancora in crescita. Offre un'eccellente velocità e una larghezza di banda sufficiente per supportare la maggior parte delle applicazioni IoT oggi. Le reti 4G LTE e 5G coesisteranno nel prossimo decennio, quando le applicazioni inizieranno a migrare e quindi le reti e le applicazioni 5G alla fine sostituiranno 4G LTE.

Dispositivi che utilizzano 5G

Il 5G si evolverà nel tempo e i dispositivi 5G seguiranno l’esempio. I primi prodotti saranno “5G-ready”, il che significa che questi prodotti avranno la potenza di elaborazione e le porte Gigabit Ethernet necessarie per supportare i modem 5G con larghezza di banda più elevata e gli extender 5G ora all’orizzonte.

I successivi prodotti 5G avranno modem 5G direttamente integrati e avranno un processore multi-core più veloce, interfacce Ethernet da 2.5 o addirittura 10 Gigabit e Wi-Fi Radio 6/6E. Queste modifiche ai prodotti aumenteranno il costo dei prodotti 5G, ma sono necessarie per gestire la velocità aggiuntiva e la minore latenza che le reti 5G offriranno.

Cos'è l'architettura di rete 5G?