あなたが最初に尋ねるかもしれない質問は次のとおりです。 5G? XNUMX 番目の質問は、速度、低遅延、容量、その他の多くの利点を提供するために、どのように異なる設計になっているのかということです。
この記事では、5G アーキテクチャの問題に取り組みます。 5G ネットワーク アーキテクチャによって可能になる機能のいくつかと、接続されたアプリケーションがそのメリットをどのように得ることができるかを見ていきます。 この記事全体のリンクとフッターの関連リソースでその他のリソースを見つけることができます。 5G の基本的な概要については、記事「5G とは、パート 1」を参照してください。5G の概要は、パート 2、「5G を採用するのは誰か」に続きます。 テクノロジー、そしていつ?
5つ確かなことは、私たちの接続された世界が変化しているということです。 次世代ネットワークアーキテクチャを備えた5Gは、消費者セグメントと産業セグメントの両方で数千の新しいアプリケーションをサポートする可能性があります。 速度とスループットが現在のネットワークよりも指数関数的に高い場合、XNUMXGの可能性はほぼ無限に見えます。
これらの高度な機能により、製造、ヘルスケア、輸送などの垂直市場全体でのアプリケーションが可能になります。5Gは、高度な製造自動化から完全自動運転車まで、あらゆる分野で主要な役割を果たします。 5Gの収益性の高いビジネスユースケースとアプリケーションを開発するには、これらすべての新しいアプリケーションの中心にある5Gネットワークアーキテクチャを少なくとも一般的に理解することが役立ちます。
5Gは非常に多くの注目を集めており、少し以上の誇大宣伝があります。 可能性は非常に大きいですが、業界はまだ採用の初期段階にあることを知っておくことが重要です。 5Gネットワークを展開するプロセスは何年も前に始まり、新しいインフラストラクチャの構築が含まれていました。そのほとんどは主要なワイヤレスキャリアによって資金提供されています。
5Gの完全な展開には時間がかかり、人口の少ない地域に到達するずっと前に主要都市で展開されます。 Digiは、移行計画と次世代製品に関するコミュニケーションを通じて、5Gの準備においてお客様をサポートします。 Digiは5G新しい無線（NR）コアと5G無線アクセスネットワーク（RAN）の開発に直接関与していませんが、Digiデバイスは5Gビジョンの不可欠な部分であり、無数の5Gアプリケーションで使用されます。
5Gネットワークアーキテクチャ
では、5Gとは正確には何であり、5Gネットワークテクノロジーアーキテクチャは以前の「G」とどのように異なりますか？
3Gネットワークアーキテクチャの背後にある5GPP標準は、すべてのモバイル通信の国際標準を開発する組織である第3世代パートナーシッププロジェクト（3GPP）によって導入されました。 国際電気通信連合（ITU）とそのパートナーは、モバイル通信システムの要件とタイムラインを定義し、約3年ごとに新世代を定義しています。 XNUMXGPPは、一連のリリースでこれらの要件の仕様を作成します。
5Gの「G」は「世代」を意味します。 5Gテクノロジーアーキテクチャは、4Gおよび3Gに続く2G LTE（ロングタームエボリューション）テクノロジーを超える大きな進歩をもたらします。 関連リソースであるTheJourney to 5Gで説明しているように、複数のネットワーク世代が同時に存在する期間は常にあります。 前任者と同様に、5GはXNUMXつの重要な理由で以前のネットワークと共存する必要があります。
- 新しいネットワークテクノロジーの開発と展開には、膨大な時間、投資、および主要なエンティティとキャリアのコラボレーションが必要です。
- アーリーアダプターは常にできるだけ早く新しいテクノロジーを手に入れたいと思うでしょうが、2G、3G、4G LTEなどの既存のネットワークテクノロジーを使って大規模な展開に大規模な投資を行った人は、それらの投資を次のように利用したいと考えています。可能な限り長く、そして確かに新しいネットワークが完全に実行可能になるまで。 （2Gおよび3Gネットワークは、5G展開の余地を作るために廃止されていることに注意してください。ブログ投稿、2G、3G、4Gネットワークシャットダウンの更新を参照してください。）
5gモバイルテクノロジーのネットワークアーキテクチャは、過去のアーキテクチャを大幅に改善しています。 大規模なセル密度の高いネットワークにより、パフォーマンスが大幅に向上します。 さらに、5Gネットワークのアーキテクチャは、今日の4GLTEネットワークと比較して優れたセキュリティを提供します。
要約すると、5GテクノロジーにはXNUMXつの主要な利点があります。
- 最大マルチギガビット/秒の速度まで、より高速なデータ転送速度。
- 大容量で、XNUMX平方キロメートルあたり大量のIoTデバイスに燃料を供給します。
- XNUMX桁のミリ秒までの低遅延。これは、ITSアプリケーションのコネクテッドカーや自動運転車など、ほぼ瞬時の応答が必要なアプリケーションで非常に重要です。
これは、5Gが今日完全に準備ができていることを意味しますか？ そして、それは5Gアーキテクチャがすべてのアプリケーションに適していることを意味しますか？ 新しいテクノロジーが主要なアプリケーションをどのようにサポートしているか、およびどのアプリケーションが4GLTEにより適しているかを確認するために読んでください。
5Gの設計と計画に関する考慮事項
非常に要求の厳しいアプリケーションをサポートする5Gネットワークアーキテクチャの設計上の考慮事項は複雑です。 たとえば、万能のアプローチはありません。 アプリケーションの範囲には、移動距離までのデータ、大量のデータ、またはいくつかの組み合わせが必要です。 したがって、5Gアーキテクチャは、完全な5Gビジョンを実現するために、ライセンス、共有、およびプライベートソースからの低、中、高帯域スペクトルをサポートする必要があります。
このため、5Gは、1 GHz未満から「ミリ波」（またはミリ波）と呼ばれる非常に高い周波数までの範囲の無線周波数で動作するように設計されています。 周波数が低いほど、信号は遠くまで伝わります。 頻度が高いほど、より多くのデータを運ぶことができます。
5GネットワークのコアにはXNUMXつの周波数帯域があります。
- 5Gハイバンド（mmWave）は、5Gの最高周波数を提供します。 これらの範囲は24GHzから約100GHzです。 高周波は障害物を簡単に通過できないため、高帯域5Gは本質的に短距離です。 さらに、ミリ波のカバレッジは制限されており、より多くのセルラーインフラストラクチャが必要です。
- 5Gミッドバンドは2〜6 GHzの範囲で動作し、都市部と郊外に容量層を提供します。 この周波数帯域のピークレートは数百Mbpsです。
- 5G低帯域は2GHz未満で動作し、広いカバレッジを提供します。 この帯域は、4G LTEで現在利用可能で使用されているスペクトルを使用し、基本的に、現在準備ができている5GデバイスにLTE5gアーキテクチャを提供します。 したがって、低帯域5Gのパフォーマンスは4G LTEと同様であり、現在市場に出回っている5Gデバイスの使用をサポートします。
一般的な5G基地局の設計では5G基地局の4倍以上の電力が必要になるため、スペクトルの可用性と距離と帯域幅の考慮事項に関するアプリケーション要件に加えて、事業者はXNUMXGの電力要件を考慮する必要があります。
5Gアプリケーションの計画と展開に関する考慮事項
システムインテグレーター、および私たちが議論した業種向けの5Gアプリケーションを開発および展開している人々は、トレードオフを考慮することが重要であることに気付くでしょう。 （私たちのビデオ、5Gの準備をガイドする5つの要素は素晴らしいリソースです。）
たとえば、重要な考慮事項の例を次に示します。
- アプリケーションはどこにデプロイされますか？ ミリ波用に最適化されたアプリケーションは、建物内や拡張範囲が必要な場合に期待どおりに動作しません。 最適な使用例には、5〜24 GHz帯域の39Gセルラー通信、Ka帯域（33.4〜36.0 GHz）の警察レーダー、空港警備のスキャナー、軍用車両の短距離レーダー、海軍の自動兵器などがあります。ミサイルを検出して撃墜するために出荷します。
- どのようなスループットが必要になりますか？ 自動運転車と高度道路交通システム（ITS）アプリケーションの場合、デバイスと接続を速度に合わせて最適化する必要があります。 車両とデバイスが方向転換、加速、ブレーキングを「決定」するためには、ほぼリアルタイムの通信（XNUMX万分のXNUMX秒単位で測定）が重要であり、これらのアプリケーションでは、可能な限り低い遅延がミッションクリティカルです。
- 対照的に、ビデオおよびVRアプリケーションは、スループットを最適化する必要があります。 医用画像などのビデオアプリケーションは、最終的に5Gネットワークがサポートできる大量のデータを最大限に活用できます。
5Gが完全なビジョンを実現するには、ネットワークインフラストラクチャも進化する必要があります。 次の図は、時間の経過に伴う移行と、Digiの5G製品計画を示しています。
5Gテクノロジーの初期の使用は5Gだけではありませんが、接続がいわゆる非スタンドアロン（NSA）モードで既存の4GLTEと共有されるアプリケーションに現れます。 このモードで動作している場合、デバイスは最初に4G LTEネットワークに接続し、5Gが利用可能な場合、デバイスはそれを追加の帯域幅に使用できます。 たとえば、5G NSAモードで接続しているデバイスは、200GLTEで4Mbpsのダウンリンク速度を取得し、同時に600Gでさらに5 Mbpsを取得して、合計速度を800Mbpsにすることができます。
今後数年間でますます多くの5Gネットワークインフラストラクチャがオンラインになるにつれて、5Gのみのスタンドアロンモード（SA）を有効にするように進化します。 これにより、5Gの主な利点のXNUMXつである、低遅延と多数のIoTデバイスとの接続機能が実現します。
コアネットワーク
このセクションでは、5Gコアアーキテクチャの概要を示し、5Gコアコンポーネントについて説明します。 また、5Gアーキテクチャと現在の4Gアーキテクチャとの比較についても説明します。
5Gネットワークの高度な機能を可能にする5Gコアネットワークは、5GS（ソース）とも呼ばれる5Gシステムの5つの主要コンポーネントの5つです。 他の5つのコンポーネントは、5Gアクセスネットワーク（XNUMXG-AN）とユーザー機器（UE）です。 XNUMXGコアは、クラウドに合わせたサービスベースアーキテクチャ（SBA）を使用して、認証、セキュリティ、セッション管理、接続されたデバイスからのトラフィックの集約をサポートします。これらはすべて、XNUMXGコア図に示すように、ネットワーク機能の複雑な相互接続を必要とします。
5Gコアアーキテクチャのコンポーネントは次のとおりです。
- ユーザープレーン機能（UPF）
- データネットワーク（DN）、例：オペレーターサービス、インターネットアクセスまたはサードパーティサービス
- コアアクセスおよびモビリティ管理機能（AMF）
- 認証サーバー機能（AUSF）
- セッション管理機能（SMF）
- ネットワークスライス選択機能（NSSF）
- ネットワーク露出機能（NEF）
- NFリポジトリ機能（NRF）
- ポリシー制御機能（PCF）
- 統合データ管理（UDM）
- アプリケーション機能（AF）
以下の5Gネットワークアーキテクチャ図は、これらのコンポーネントがどのように関連付けられているかを示しています。
4Gアーキテクチャ図
4Gがその3Gの前身から進化したとき、ネットワークアーキテクチャにわずかな増分変更のみが行われました。 次の4Gネットワークアーキテクチャ図は、4Gコアネットワークの主要コンポーネントを示しています。
出典：3GPP
4Gネットワークアーキテクチャでは、スマートフォンやセルラーデバイスなどのユーザー機器（UE）が、LTE無線アクセスネットワーク（E-UTRAN）を介してEvolved Packet Core（EPC）に接続し、さらにインターネットなどの外部ネットワークに接続します。 Evolved NodeB（eNodeB）は、ユーザーデータトラフィック（ユーザープレーン）をネットワークの管理データトラフィック（コントロールプレーン）から分離し、両方を別々にEPCにフィードします。
5Gアーキテクチャ図
5Gはゼロから設計されており、ネットワーク機能はサービスごとに分割されています。 そのため、このアーキテクチャは5Gコアサービスベースアーキテクチャ（SBA）とも呼ばれます。 次の5Gネットワークトポロジ図は、5Gコアネットワークの主要コンポーネントを示しています。
出典：Techplayon
しくみはこうです：
- 5Gスマートフォンや5Gセルラーデバイスなどのユーザー機器（UE）は、5G New Radio Access Networkを介して5Gコアに接続し、さらにインターネットなどのデータネットワーク（DN）に接続します。
- アクセスおよびモビリティ管理機能（AMF）は、UE接続の単一エントリポイントとして機能します。
- ＵＥによって要求されたサービスに基づいて、ＡＭＦは、ユーザセッションを管理するためにそれぞれのセッション管理機能（ＳＭＦ）を選択する。
- ユーザープレーン機能（UPF）は、ユーザー機器（UE）と外部ネットワークの間でIPデータトラフィック（ユーザープレーン）を転送します。
- 認証サーバー機能（AUSF）を使用すると、AMFはUEを認証し、5Gコアのサービスにアクセスできます。
- セッション管理機能（SMF）、ポリシー制御機能（PCF）、アプリケーション機能（AF）、統合データ管理（UDM）機能などの他の機能は、ポリシー制御フレームワークを提供し、ポリシー決定を適用し、サブスクリプション情報にアクセスして管理します。ネットワークの動作。
ご覧のとおり、5Gネットワークアーキテクチャは舞台裏ではより複雑ですが、この複雑さは、幅広い5Gユースケースに合わせて調整できるより優れたサービスを提供するために必要です。
4Gと5Gのネットワークアーキテクチャの違い
このセクションでは、4Gアーキテクチャと5Gアーキテクチャの違いについて説明します。 4G LTEネットワークアーキテクチャでは、LTE RANとeNodeBは通常、近接しており、多くの場合、専用ハードウェアで実行されているセルタワーのベースまたは近くにあります。 一方、モノリシックEPCは集中化されており、eNodeBからさらに離れていることがよくあります。 このアーキテクチャにより、高速で低遅延のエンドツーエンド通信が困難または不可能になります。
3GPPなどの標準化団体やNokiaやEricssonなどのインフラストラクチャベンダーが5GNew Radio（5G-NR）コアを設計したとき、彼らはモノリシックEPCを分解し、各機能を実装して、共通のオフザオフで互いに独立して実行できるようにしました。シェルフサーバーハードウェア。 これにより、5Gコアが分散型5Gノードになり、非常に柔軟になります。 たとえば、5Gコア機能をエッジデータセンター内のアプリケーションと同じ場所に配置できるようになり、通信パスが短くなり、エンドツーエンドの速度と遅延が改善されました。
一般的なハードウェアで実行されるこれらのより小さく、より特殊化された5Gコアコンポーネントのもう5つの利点は、ネットワークスライシングを通じてネットワークをカスタマイズできることです。 ネットワークスライシングを使用すると、特定のユースケース向けに最適化された機能の複数の論理的な「スライス」を作成できます。これらはすべて、XNUMXGネットワークインフラストラクチャ内の単一の物理コアで動作します。
5Gネットワーク事業者は、高帯域幅アプリケーション向けに最適化された5つのスライス、低遅延向けに最適化された別のスライス、および膨大な数のIoTデバイス向けに最適化されたXNUMX番目のスライスを提供する場合があります。 この最適化によっては、XNUMXGコア機能の一部がまったく利用できない場合があります。 たとえば、IoTデバイスのみをサービスしている場合、携帯電話に必要な音声機能は必要ありません。 また、すべてのスライスがまったく同じ機能を備えている必要はないため、利用可能な計算能力がより効率的に使用されます。
出典：SDXセントラル
5Gの進化
ワイヤレス通信のすべての世代または「G」は、成熟するまでに約XNUMX年かかります。 ある世代から次の世代への切り替えは、主に、限られた量の利用可能なスペクトルを再利用または再利用するオペレーターの必要性によって推進されます。 新しい世代ごとにスペクトル効率が向上するため、ネットワークを介してデータをより高速かつ効果的に送信できます。
第一世代の無線通信（1G）は、1980年代にアナログ技術で始まりました。 その後すぐに、デジタルテクノロジーを使用した最初のネットワーク世代である2Gが登場しました。 1Gおよび2Gの成長は、当初、携帯電話の市場によって推進されました。 2Gもデータ通信を提供しましたが、非常に低速でした。
次世代の3Gは、2000年代初頭に増加し始めました。 3Gの成長は再び携帯電話によって推進されましたが、スマートフォンと新しいモノのインターネット（IoT）の両方のさまざまな新しいアプリケーションに適した、1メガビット/秒（Mbps）の範囲のデータ速度を提供する最初のテクノロジーでした。エコシステム。 現世代のワイヤレステクノロジー4GLTEは、2010年に増加し始めました。
4G LTE（Long Term Evolution）の寿命は長いことに注意することが重要です。 これは非常に成功した成熟したテクノロジーであり、少なくともさらにXNUMX年間は広く使用されることが期待されています。
5Gアーキテクチャとクラウドとエッジ
5Gネットワークアーキテクチャ内のエッジコンピューティングについて話しましょう。
5Gネットワークアーキテクチャをその4Gの前身と区別するもう一つの概念は、エッジコンピューティングまたはモバイルエッジコンピューティングの概念です。 このシナリオでは、セルタワーがある場所の近くに、ネットワークのエッジに小さなデータセンターを配置できます。 これは、待ち時間が非常に短く、同じコンテンツを伝送する高帯域幅のアプリケーションにとって非常に重要です。
高帯域幅の例として、ビデオストリーミングサービスについて考えてみましょう。 コンテンツは、クラウドのどこかにあるサーバーから発信されます。 人々がセルタワーに接続していて、たとえば100人が人気のあるテレビ番組をストリーミングしている場合、そのコンテンツをできるだけ消費者の近く、端、理想的にはセルタワーに配置する方が効率的です。
ユーザーは、この情報をストリーミングして転送し、クラウドの中央の場所から100人にバックホールするのではなく、エッジにあるストレージメディアからこのコンテンツをストリーミングします。 代わりに、5G構造を使用して、コンテンツを100回だけタワーに持ち込み、それをXNUMX人のサブスクライバーに配布できます。
同じ原則が、低遅延が必要な双方向通信を必要とするアプリケーションにも当てはまります。 ユーザーがエッジでアプリケーションを実行している場合、データがネットワークを通過する必要がないため、ターンアラウンドタイムははるかに速くなります。
5Gネットワーク構造では、これらのエッジネットワークは、エッジで提供されるサービスにも使用できます。 これらの5Gコア機能を仮想化することが可能であるため、標準のサーバーまたはデータセンターハードウェアで実行し、信号を送信する無線にファイバーを実行することができます。 したがって、ラジオは特殊ですが、他のすべてはかなり標準的です。
今日、4GLTEはまだ成長しています。 今日のほとんどのIoTアプリケーションをサポートするのに十分な速度と十分な帯域幅を提供します。 4G LTEと5Gネットワークは、アプリケーションの移行が始まり、最終的に5Gネットワークとアプリケーションが4G LTEに取って代わるため、今後XNUMX年間で共存します。
5Gを使用するデバイス
5G は時間の経過とともに進化し、5G デバイスもそれに追随します。 初期の製品は「5G 対応」になります。これは、これらの製品が、今後登場する高帯域幅の 5G モデムや 5G エクステンダーをサポートするために必要な処理能力とギガビット イーサネット ポートを備えていることを意味します。
今後の 5G 製品には、5G モデムが直接統合され、より高速なマルチコア プロセッサ、2.5 ギガビット イーサネット インターフェイス、さらには 10 ギガビット イーサネット インターフェイスが搭載される予定です。 Wi-Fi 6/6Eラジオ。これらの製品変更により 5G 製品のコストは上昇しますが、5G ネットワークが提供する追加の速度と低遅延に対応する必要があります。