השאלה הראשונה שאולי אתה שואל היא: מה זה בדיוק 5G? השאלה השנייה עשויה להיות: כיצד הוא מתוכנן בצורה שונה לספק מהירות, חביון נמוך, קיבולת ויתרונות רבים אחרים?
במאמר זה נתמודד עם שאלת ארכיטקטורת ה-5G. נבחן כמה מהיכולות המתאפשרות על ידי ארכיטקטורת רשת 5G וכיצד יישומים מחוברים יכולים להפיק תועלת מכך. אתה יכול למצוא משאבים נוספים בקישורים לאורך מאמר זה ובמשאבים הקשורים בכותרת התחתונה. למבוא בסיסי טוב של 5G, עיין במאמר, מה זה 5G, חלק 1. סקירת ה-5G שלנו ממשיכה בחלק 2, מי יאמץ 5G טכנולוגיה, ומתי?
דבר אחד בטוח: העולם המחובר שלנו משתנה. ל- 5G, עם ארכיטקטורת הרשת הדור הבא שלה, יש פוטנציאל לתמוך באלפי יישומים חדשים בתחום הצרכני ובתעשייה. האפשרויות של 5G נראות כמעט בלתי מוגבלות כאשר המהירות והתפוקה גבוהות באופן אקספוננציאלי מהרשתות הנוכחיות.
יכולות מתקדמות אלה יאפשרו יישומים בשווקים אנכיים כגון ייצור, שירותי בריאות ותחבורה, כאשר 5G תשחק תפקיד מרכזי בכל דבר, החל ממכונות ייצור מתקדמות וכלה ברכבים אוטונומיים לחלוטין. על מנת לפתח מקרים שימושיים ויישומים עסקיים רווחיים עבור 5G, זה עוזר לקבל לפחות הבנה כללית של ארכיטקטורת הרשת 5G הטמונה בליבה של כל היישומים החדשים הללו.
5G קיבלה כמות עצומה של תשומת לב, ויותר ממעט הייפ. למרות שהפוטנציאל הוא עצום, חשוב לדעת שהתעשייה עדיין בשלבי האימוץ הראשונים שלה. תהליך פריסת רשת 5G החל לפני שנים רבות וכלל בניית התשתית החדשה, שרובה ממומנת על ידי הספקים האלחוטיים הגדולים.
פריסה מלאה של 5G תימשך זמן, ותתגלגל בערים הגדולות הרבה לפני שהיא תוכל להגיע לאזורים פחות מיושבים. Digi תומכת בלקוחותינו בהכנות לקראת 5G, עם תקשורת בנושא תכנון הגירה ומוצרי הדור הבא. Digi אמנם לא מעורב ישירות בפיתוח ליבת הרדיו החדשה 5G (NR) ורשת הגישה לרדיו 5G (RAN), אך מכשירי Digi יהיו חלק בלתי נפרד מחזון 5G והשימוש בהם במספר עצום של יישומי 5G.
אדריכלות רשת 5G
אז - מה זה בעצם 5G וכיצד שונה ארכיטקטורת טכנולוגיית רשת 5G מ- G's הקודמות?
תקני 3GPP מאחורי ארכיטקטורת רשת 5G הוצגו על ידי פרויקט השותפות דור 3 (3GPP), הארגון המפתח תקנים בינלאומיים לכל התקשורת הסלולרית. איגוד הטלקומוניקציה הבינלאומי (ITU) ושותפיו מגדירים את הדרישות וציר הזמן עבור מערכות תקשורת סלולריות, ומגדירים דור חדש בערך כל עשור. 3GPP מפתחת מפרט לדרישות אלה בסדרת מהדורות.
ה- "G" ב- 5G מייצג "דור". ארכיטקטורת הטכנולוגיה 5G מציגה התקדמות משמעותית מעבר לטכנולוגיית 4G LTE (אבולוציה ארוכת טווח), שמגיעה על העקבים של 3G ו- 2G. כפי שתיארנו במשאב הקשור שלנו, המסע ל- 5G, תמיד יש פרק זמן שבמהלכו קיימים מספר דורות רשת. כמו קודמותיה, 5G חייבת להתקיים יחד עם רשתות קודמות משתי סיבות חשובות:
- פיתוח ופריסה של טכנולוגיות רשת חדשות לוקח זמן עצום, השקעה ושיתוף פעולה של גורמים וספקים גדולים.
- המאמצים המוקדמים תמיד ירצו לשים את ידם על טכנולוגיות חדשות במהירות האפשרית, ואילו אלו שהשקיעו השקעות גדולות בפריסות גדולות בטכנולוגיות רשת קיימות, כגון 2G, 3G ו- 4G LTE, רוצים להשתמש בהשקעות אלה עבור זמן רב ככל האפשר, ובוודאי עד שהרשת החדשה תהיה בת קיימא לחלוטין. (שים לב שרשתות 2G ו- 3G הולכות ושקיעה כדי לפנות מקום לפריסת 5G. ראה את הודעות הבלוג שלנו 2G, 3G, 4G עדכוני כיבוי רשת.)
ארכיטקטורת הרשת של טכנולוגיית סלולר 5 גרם משתפרת מאוד על אדריכלות העבר. רשתות גדולות צפופות לתאים מאפשרות קפיצות ענק בביצועים. ובנוסף, הארכיטקטורה של רשתות 5G מציעה אבטחה טובה יותר בהשוואה לרשתות 4G LTE של ימינו.
לסיכום, טכנולוגיית 5G מציעה שלושה יתרונות עיקריים:
- מהירות העברת נתונים מהירה יותר, עד למהירויות רב-ג'יגה-ביט / שניות.
- קיבולת גדולה יותר, מתדלקת כמות עצומה של מכשירי IoT לקילומטר מרובע.
- זמן אחזור נמוך יותר, עד אלפיות שניות חד ספרתיות, וזה חשוב ביותר ביישומים כמו רכבים מחוברים ביישומי ITS ורכבים אוטונומיים, שבהם יש צורך בתגובה מיידית כמעט.
האם זה אומר ש- 5G מוכנה לחלוטין היום? והאם זה אומר אדריכלות 5G מתאימה לכל היישומים? המשך לקרוא כדי לראות כיצד הטכנולוגיה החדשה תומכת ביישומי מפתח, ואילו יישומים מתאימים יותר ל- 4G LTE.
שיקולי תכנון ותכנון 5G
שיקולי העיצוב של ארכיטקטורת רשת 5G התומכת ביישומים תובעניים ביותר הם מורכבים. לדוגמא, אין גישה אחת שמתאימה לכל אחד; מגוון היישומים דורש נתונים למרחקים, נפחי נתונים גדולים או שילוב כלשהו. אז אדריכלות 5G חייבת לתמוך בספקטרום נמוך, אמצע ופס גבוה - ממקורות מורשים, משותפים ופרטיים - כדי לספק את החזון המלא של 5G.
מסיבה זו, 5G מיועד להפעלת תדרי רדיו הנעים מתחת ל -1 ג'יגה הרץ לתדרים גבוהים במיוחד, המכונים "גל מילימטר" (או mmWave). ככל שהתדר נמוך יותר, כך האות יכול לנוע רחוק יותר. ככל שהתדירות גבוהה יותר, כך היא יכולה לשאת יותר נתונים.
ישנן שלוש רצועות תדרים בליבה של רשתות 5G:
- 5G פס גבוה (mmWave) מספק את התדרים הגבוהים ביותר של 5G. אלה נעים בין 24 ג'יגה הרץ לכ- 100 ג'יגה הרץ. מכיוון שתדרים גבוהים אינם יכולים לנוע בקלות דרך מכשולים, 5G בעל פס גבוה הוא מטווח קצר מטבעו. יתר על כן, כיסוי mmWave מוגבל ודורש יותר תשתית סלולרית.
- 5G mid-band פועל בטווח של 2-6 ג'יגה הרץ ומספק שכבת קיבולת לאזורים עירוניים ופרברים. לרצועת התדרים יש שיעורי שיא במאות Mbps.
- פס נמוך 5G פועל מתחת ל -2 GHz ומספק כיסוי רחב. להקה זו משתמשת בספקטרום הזמין והנמצא בשימוש כיום עבור 4G LTE, ובעצם מספק ארכיטקטורת LTE 5g למכשירי 5G שמוכנים כעת. ביצועים של 5G עם פס נמוך דומים לפיכך ל- 4G LTE, ותומכים בשימוש במכשירי 5G הקיימים כיום בשוק.
בנוסף לזמינות הספקטרום ולדרישות היישום לשיקולי מרחק לעומת רוחב פס, על המפעילים לקחת בחשבון את דרישות ההספק של 5G, מכיוון שתכנון תחנת הבסיס 5G האופייני דורש כמות גדולה יותר מכפליים של תחנת בסיס 4G.
שיקולים לתכנון ולפריסת יישומי 5G
אינטגרטורים של מערכות, ואלו שמפתחים ופורסים יישומי 5G עבור האנכיים עליהם דנו, ימצאו שחשוב לבחון פשרות. (הסרטון שלנו, 5 גורמים להנחיית ההכנה שלך ל- 5G, הוא משאב נהדר.)
לדוגמה, הנה דוגמאות לכמה מהשיקולים המרכזיים:
- היכן תיפרס היישום שלך? יישומים המותאמים ל- mmWave לא יפעלו כמצופה בתוך בניינים וכאשר נדרש טווח מורחב. מקרי שימוש אופטימליים כוללים טלקומוניקציה סלולרית 5G ברצועות 24 עד 39 GHz, מכ"ם משטרה ברצועת ה- Ka (33.4 - 36.0 GHz), סורקים באבטחת שדה תעופה, מכ"ם לטווח קצר בכלי רכב צבאיים וכלי נשק אוטומטיים על חיל הים. ספינות לאיתור והורדת טילים.
- איזה סוג תפוקה יידרש? עבור כלי רכב אוטונומיים ויישומי מערכות תחבורה חכמות (ITS), יש להתאים את המכשירים והקישוריות למהירות. תקשורת בזמן אמת כמעט - נמדדת במיליוניות שנייה - היא קריטית עבור כלי רכב ומכשירים "לקבל החלטות" על סיבוב, האצה ובלימה, והחביון הנמוך ביותר האפשרי הוא קריטי למשימה עבור יישומים אלה.
- לעומת זאת, יישומי וידאו ו- VR חייבים להיות מותאמים לתפוקה. יישומי וידאו כגון הדמיה רפואית יכולים לנצל בסופו של דבר את כמויות הנתונים העצומות שרשתות 5G יכולות לתמוך בהן.
כדי ש- 5G תוכל לספק את החזון המלא שלה, תשתית הרשת צריכה להתפתח גם כן. התרשים הבא ממחיש את ההגירה לאורך זמן, כמו גם את תוכניות המוצרים 5G של Digi.
השימושים המוקדמים ביותר בטכנולוגיית 5G לא יהיו באופן בלעדי 5G אלא יופיעו ביישומים שבהם קישוריות משותפת עם 4G LTE הקיים במה שמכונה מצב שאינו עצמאי (NSA). כאשר הוא פועל במצב זה, מכשיר יתחבר תחילה לרשת 4G LTE, ואם 5G זמין, המכשיר יוכל להשתמש בו לרוחב פס נוסף. לדוגמה, מכשיר המתחבר במצב 5G NSA יכול לקבל 200 מגה לשנייה מהירות downlink מעל 4G LTE ועוד 600 מגה לשניות מעל 5G במקביל, במהירות מהירה של 800 מגה לשנייה.
ככל שיותר ויותר תשתית רשת 5G תיכנס לרשת במהלך השנים הבאות, היא תתפתח כדי לאפשר מצב עצמאי 5G בלבד (SA). זה יביא את ההשהיה הנמוכה ואת היכולת להתחבר למספרים עצומים של מכשירי IoT שהם בין היתרונות העיקריים של 5G.
רשת ליבה
בחלק זה נספק סקירה כללית של ארכיטקטורת הליבה של 5G ונתאר את רכיבי הליבה של 5G. אנו נראה גם כיצד אדריכלות 5G בהשוואה לארכיטקטורת 4G הנוכחית.
רשת הליבה 5G, המאפשרת פונקציונליות מתקדמת של רשתות 5G, היא אחד משלושת המרכיבים העיקריים של מערכת 5G, המכונה גם 5GS (מקור). שני המרכיבים האחרים הם רשת 5G Access (5G-AN) וציוד משתמש (UE). ליבת 5G משתמשת בארכיטקטורה מבוססת-שירות מבוססת ענן (SBA) כדי לתמוך באימות, אבטחה, ניהול הפעלות וצבירה של תנועה ממכשירים מחוברים, כל אלה מחייבים חיבור הדדי מורכב של פונקציות רשת, כפי שמוצג בתרשים הליבה 5G
המרכיבים של ארכיטקטורת הליבה 5G כוללים:
- פונקציית מישור משתמש (UPF)
- רשת נתונים (DN), למשל שירותי מפעילים, גישה לאינטרנט או שירותי צד שלישי
- פונקציית גישה ליבה וניהול ניידות (AMF)
- פונקציית שרת אימות (AUSF)
- פונקציית ניהול מושב (SMF)
- פונקציית בחירת פרוסות רשת (NSSF)
- פונקציית חשיפה לרשת (NEF)
- פונקציית מאגר NF (NRF)
- פונקציית בקרת מדיניות (PCF)
- ניהול נתונים מאוחד (UDM)
- פונקציית יישום (AF)
תרשים ארכיטקטורת הרשת של 5G להלן ממחיש כיצד קשורים רכיבים אלה.
דיאגרמת ארכיטקטורה 4G
כאשר 4G התפתחה מקודמתה 3G, נעשו רק שינויים מצטברים קטנים בארכיטקטורת הרשת. התרשים הבא של ארכיטקטורת הרשת 4G מציג את מרכיבי המפתח של רשת ליבה 4G:
מקור: 3GPP
בארכיטקטורת הרשת 4G, User User (UE) כמו סמארטפונים או מכשירים סלולריים, מתחבר דרך רשת ה- LTE Radio Access (E-UTRAN) לליבת המנות המפותחת (EPC) ואז הלאה לרשתות חיצוניות, כמו האינטרנט. ה- NodeB Evolved (eNodeB) מפריד את תעבורת נתוני המשתמשים (מטוס המשתמש) מתעבורת נתוני הניהול של הרשת (מטוס הבקרה) ומזין את שניהם בנפרד ל- EPC.
דיאגרמת ארכיטקטורה 5G
5G תוכנן מהיסוד, ופונקציות הרשת מתחלקות לפי שירות. לכן אדריכלות זו נקראת גם אדריכלות מבוססת שירות 5G ליבת (SBA). התרשים הבא של טופולוגיית רשת 5G מציג את מרכיבי המפתח של רשת ליבה 5G:
מקור: Techplayon
הנה איך זה עובד:
- ציוד משתמש (UE) כמו סמארטפונים 5G או מכשירי סלולר 5G מתחברים ברשת 5G Radio Access החדשה אל ליבת 5G ובהמשך לרשתות נתונים (DN), כמו האינטרנט.
- פונקציית ניהול הגישה והניידות (AMF) משמשת כנקודת כניסה יחידה לחיבור ה- UE.
- בהתבסס על השירות המבוקש על ידי UE, ה- AMF בוחר את פונקציית ניהול ההפעלה (SMF) בהתאמה לניהול הפעלת המשתמש.
- פונקציית מטוס המשתמש (UPF) מעבירה את תעבורת נתוני ה- IP (מישור המשתמש) בין ציוד המשתמש (UE) לרשתות החיצוניות.
- פונקציית שרת האימות (AUSF) מאפשרת ל- AMF לאמת את UE ושירותי הגישה של ליבת 5G.
- פונקציות אחרות כמו פונקציית ניהול מושב (SMF), פונקציית בקרת מדיניות (PCF), פונקציית היישום (AF) ופונקציית ניהול נתונים מאוחדים (UDM) מספקות את מסגרת בקרת המדיניות, החלת החלטות מדיניות וגישה למידע מנוי, כדי לשלוט התנהגות הרשת.
כפי שאתה יכול לראות, ארכיטקטורת הרשת 5G מורכבת יותר מאחורי הקלעים, אך נדרשת מורכבות זו בכדי לספק שירות טוב יותר שניתן להתאים למגוון הרחב של מקרי השימוש של 5G.
ההבדל בין ארכיטקטורת רשת 4G ו- 5G
בחלק זה נדון באיזה אדריכלות 4G ו- 5G נבדלים. בארכיטקטורת רשת 4G LTE, ה- LTE RAN ו- eNodeB בדרך כלל קרובים זה לזה, לעיתים קרובות בבסיס או ליד מגדל התא הפועל על חומרה מיוחדת. ה- EPC המונוליטי לעומת זאת מרוכז לעתים קרובות ומרוחק יותר מ- eNodeB. ארכיטקטורה זו הופכת את התקשורת מקצה לקצה במהירות גבוהה ובאיחור נמוך מאתגרת עד בלתי אפשרית.
מכיוון שגופי תקנים כמו 3GPP וספקי תשתית כמו נוקיה ואריקסון ארכיבו את ליבת הרדיו החדש 5G (5G-NR), הם פירקו את ה- EPC המונוליטי ויישמו כל פונקציה כדי שתוכל לפעול באופן עצמאי זו מזו במשותף, מחוץ לשטח. חומרת שרת מדף. זה מאפשר לליבת 5G להפוך לצמתים 5G מבוזרים וגמישים מאוד. לדוגמא, כעת ניתן למקם פונקציות ליבה 5G יחד עם יישומים במרכז נתונים קצה, מה שהופך את נתיבי התקשורת לקצרים ובכך לשפר את מהירות וחביון מקצה לקצה.
יתרון נוסף של רכיבי ליבה 5G קטנים יותר ומתמחים יותר הפועלים על חומרה נפוצה הוא שניתן להתאים אישית כעת רשתות באמצעות חיתוך רשת. חיתוך הרשת מאפשר לך לקבל "פרוסות" לוגיות מרובות של פונקציונליות המותאמות למקרי שימוש ספציפיים, שכולם פועלים על ליבה פיזית אחת בתוך תשתית הרשת 5G.
מפעיל רשת 5G עשוי להציע פרוסה אחת המותאמת ליישומי רוחב פס גבוה, פרוסה נוספת המותאמת יותר לחביון נמוך, ושלישית המותאמת למספר עצום של מכשירי IoT. בהתאם לאופטימיזציה זו, ייתכן שחלק מפונקציות הליבה של 5G אינן זמינות כלל. לדוגמא, אם אתה מטפל רק במכשירי IoT, אינך זקוק לפונקציה הקולית הדרושה לטלפונים ניידים. ומכיוון שלא לכל נתח חייבות להיות בדיוק אותן יכולות, נעשה שימוש יעיל יותר בכוח המחשוב הזמין.
מקור: SDX Central
האבולוציה של 5G
כל דור או "G" של תקשורת אלחוטית לוקח בערך עשור להתבגר. המעבר מדור לדור מונע בעיקר על ידי הצורך של המפעילים לעשות שימוש חוזר או להכניס מחדש את הכמות המוגבלת של הספקטרום הזמין. לכל דור חדש יש יעילות ספקטרלית רבה יותר, מה שמאפשר להעביר נתונים מהר יותר ויעיל יותר ברשת.
הדור הראשון של תקשורת אלחוטית, או 1G, החל בשנות השמונים עם טכנולוגיה אנלוגית. בעקבות זאת הגיע במהירות 1980G, דור הרשת הראשון שהשתמש בטכנולוגיה דיגיטלית. הצמיחה של 2G ו- 1G הונעה בתחילה על ידי שוק מכשירי הטלפון הנייד. 2G הציעה גם תקשורת נתונים, אך במהירות נמוכה מאוד.
הדור הבא, 3G, החל להתגבר בתחילת שנות האלפיים. הצמיחה של 2000G הונעה שוב על ידי מכשירים, אך הייתה הטכנולוגיה הראשונה שהציעה מהירויות נתונים בטווח של 3 מגה-ביט לשנייה (Mbps), המתאימה למגוון יישומים חדשים הן בסמארטפונים והן לאינטרנט של דברים (IoT) המתהווה. מערכת אקולוגית. הדור הנוכחי של טכנולוגיית ה- 1G LTE האלחוטית שלנו החל להתגבר בשנת 4.
חשוב לציין כי ל- 4G LTE (אבולוציה לטווח ארוך) יש חיים ארוכים; זוהי טכנולוגיה מצליחה ובוגרת מאוד והיא צפויה להיות בשימוש נרחב לפחות לעשור נוסף.
אדריכלות 5G והענן והקצה
בואו נדבר על מחשוב קצה בארכיטקטורת הרשת 5G.
רעיון אחד נוסף המבדיל בין ארכיטקטורת רשת 5G מקודמו 4G הוא זה של מחשוב קצה או מחשוב קצה נייד. בתרחיש זה, תוכלו להציב מרכזי נתונים קטנים בקצה הרשת, קרוב למקום בו מגדלי התאים נמצאים. זה חשוב מאוד עבור חביון נמוך מאוד ועבור יישומי רוחב פס גבוהים הנושאים את אותו התוכן.
לקבלת דוגמה לרוחב פס גבוה, חשוב על שירותי הזרמת וידאו. מקור התוכן בשרת היושב אי שם בענן. אם אנשים מחוברים למגדל סלולרי ונניח, 100 איש משדרים תוכנית טלוויזיה פופולרית, יעיל יותר שיהיה התוכן קרוב ככל האפשר לצרכן, ממש שם בקצה, באופן אידיאלי במגדל התא.
המשתמש מזרים תוכן זה ממדיה אחסון שנמצאת בקצה ולא צריך להזרים ולהעביר את המידע הזה ולשחזר אותו למאה אנשים מהמיקום המרכזי בענן. במקום זאת, באמצעות מבנה 100G, אתה יכול להביא לתוכן למגדל רק פעם אחת ואז להפיץ אותו למאה המנויים שלך.
אותו עיקרון חל ביישומים הדורשים תקשורת דו כיוונית כאשר יש צורך בהשהיה נמוכה. אם למשתמש יש יישום שפועל בקצה, זמן האיתור הוא הרבה יותר מהיר מכיוון שהנתונים אינם צריכים לחצות את הרשת.
במבנה רשת 5G, רשתות קצה אלה יכולות לשמש גם לשירותים הניתנים בקצה. מכיוון שניתן לבצע וירטואליזציה של פונקציות ליבה 5G אלה, אתה יכול להפעיל אותן בשרת רגיל או בחומרת מרכז נתונים ולהפעיל סיבים לרדיו השולח את האות. אז הרדיו מתמחה, אבל כל השאר די סטנדרטי.
כיום, 4G LTE עדיין צומח. הוא מספק מהירות מצוינת ורוחב פס מספיק כדי לתמוך ברוב יישומי ה- IoT כיום. רשתות 4G LTE ו- 5G יתקיימו יחד בעשור הבא, כאשר יישומים יתחילו לנדוד ואז רשתות ויישומי 5G יחליפו בסופו של דבר את 4G LTE.
מכשירים המשתמשים ב- 5G
5G יתפתח עם הזמן, ומכשירי 5G ילכו בעקבותיו. מוצרים מוקדמים יהיו "מוכנים ל-5G", מה שאומר שלמוצרים אלה יש את כוח העיבוד ויציאות Gigabit Ethernet הדרושות כדי לתמוך במודמים 5G ברוחב פס גבוה יותר ובמרחיבי 5G שנמצאים כעת באופק.
במוצרי 5G מאוחר יותר יהיו מודמי 5G משולבים ישירות ובעלי מעבד מרובה ליבות מהיר יותר, ממשקי 2.5 או אפילו 10 Gigabit Ethernet ו Wi-Fi מכשירי רדיו 6/6E. שינויים אלו במוצר יעלו את העלות של מוצרי 5G אך הם נדרשים להתמודד עם המהירות הנוספת וזמן ההשהיה הנמוך יותר שרשתות 5G יציעו.