당신이 물어볼 수 있는 첫 번째 질문은 다음과 같습니다. 정확히 무엇입니까? 5G? 두 번째 질문은 다음과 같습니다. 속도, 낮은 대기 시간, 용량 및 기타 수많은 이점을 제공하기 위해 어떻게 다르게 설계되었습니까?
이 기사에서는 5G 아키텍처 문제를 다룰 것입니다. 5G 네트워크 아키텍처로 가능해진 일부 기능과 연결된 애플리케이션이 이를 통해 어떤 이점을 얻을 수 있는지 살펴보겠습니다. 이 문서 전체의 링크와 바닥글의 관련 리소스에서 더 많은 리소스를 찾을 수 있습니다. 5G에 대한 기본적인 소개는 5G란 무엇일까요? 1부 기사를 참조하세요. 5G 개요는 2부, 누가 5G를 채택할지에서 계속됩니다. Technology, 그리고 언제?
한 가지는 확실합니다. 연결된 세상이 변화하고 있습니다. 차세대 네트워크 아키텍처를 갖춘 5G는 소비자 및 산업 부문에서 수천 개의 새로운 애플리케이션을 지원할 수있는 잠재력을 가지고 있습니다. 속도와 처리량이 현재 네트워크보다 기하 급수적으로 높을 때 5G의 가능성은 거의 무한 해 보입니다.
이러한 고급 기능을 통해 제조, 의료 및 운송과 같은 수직 시장에서 애플리케이션을 사용할 수 있으며, 5G는 고급 제조 자동화에서 완전 자율 주행 차량에 이르기까지 모든 분야에서 중요한 역할을합니다. 수익성있는 5G 용 비즈니스 사용 사례 및 애플리케이션을 개발하려면 이러한 모든 새로운 애플리케이션의 중심에있는 5G 네트워크 아키텍처에 대해 최소한 일반적인 이해가 필요합니다.
5G는 엄청난 관심과 약간의 과대 광고를 받았습니다. 잠재력은 엄청나지만 업계가 아직 채택 초기 단계에 있음을 아는 것이 중요합니다. 5G 네트워크 배포 프로세스는 수년 전에 시작되어 새로운 인프라 구축이 포함되었으며, 대부분은 주요 무선 통신 사업자가 자금을 지원합니다.
전체 5G 배포에는 시간이 걸리며 인구가 적은 지역에 도달하기 훨씬 전에 주요 도시에서 배포됩니다. Digi는 마이그레이션 계획 및 차세대 제품에 대한 커뮤니케이션을 통해 고객이 5G를 준비 할 수 있도록 지원합니다. Digi는 5G 새로운 무선 (NR) 코어 및 5G 무선 액세스 네트워크 (RAN) 개발에 직접 관여하지 않지만, Digi 장치는 5G 비전과 무수한 5G 애플리케이션에서의 사용에 필수적인 부분이 될 것입니다.
5G 네트워크 아키텍처
그렇다면 5G는 정확히 무엇이며 5G 네트워크 기술 아키텍처는 이전 "G"와 어떻게 다릅니 까?
3G 네트워크 아키텍처의 5GPP 표준은 모든 이동 통신에 대한 국제 표준을 개발하는 조직인 3GPP (3rd Generation Partnership Project)에서 도입되었습니다. ITU (International Telecommunications Union)와 그 파트너는 약 3 년마다 새로운 세대를 정의하는 모바일 통신 시스템에 대한 요구 사항과 일정을 정의합니다. XNUMXGPP는 일련의 릴리스에서 이러한 요구 사항에 대한 사양을 개발합니다.
5G의 "G"는 "세대"를 의미합니다. 5G 기술 아키텍처는 4G 및 3G의 뒤를 잇는 2G LTE (장기 진화) 기술을 넘어서는 중요한 발전을 제시합니다. 관련 리소스 인 The Journey to 5G에서 설명했듯이 한 번에 여러 네트워크 세대가 존재하는 기간이 항상 있습니다. 이전 제품과 마찬가지로 5G는 두 가지 중요한 이유로 이전 네트워크와 공존해야합니다.
- 새로운 네트워크 기술을 개발하고 배포하는 데는 엄청난 시간, 투자 및 주요 기관과 통신 사업자의 협력이 필요합니다.
- 얼리 어답터는 항상 가능한 한 빨리 신기술을 손에 넣고 싶어하는 반면, 2G, 3G 및 4G LTE와 같은 기존 네트워크 기술을 사용하여 대규모 배포에 많은 투자를 한 사람들은 이러한 투자를 다음과 같은 용도로 활용하기를 원합니다. 가능한 한 오래, 그리고 확실히 새로운 네트워크가 완전히 실행될 때까지. (2G 및 3G 네트워크는 5G 배포를위한 공간을 확보하기 위해 중단됩니다. 블로그 게시물 2G, 3G, 4G 네트워크 종료 업데이트를 참조하십시오.)
5g 모바일 기술의 네트워크 아키텍처는 과거 아키텍처보다 크게 향상되었습니다. 대규모 셀 밀도 네트워크를 통해 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한 5G 네트워크의 아키텍처는 오늘날의 4G LTE 네트워크에 비해 더 나은 보안을 제공합니다.
요약하면 5G 기술은 세 가지 주요 이점을 제공합니다.
- 더 빠른 데이터 전송 속도, 최대 멀티 기가비트 / 초 속도.
- 더 큰 용량으로 평방 킬로미터 당 엄청난 양의 IoT 장치에 연료를 공급합니다.
- 지연 시간을 한 자릿수 밀리 초까지 낮추며, 이는 거의 즉각적인 응답이 필요한 ITS 애플리케이션 및 자율 주행 차량과 같은 애플리케이션에서 매우 중요합니다.
이것은 5G가 오늘날 완전히 준비되었음을 의미합니까? 5G 아키텍처가 모든 애플리케이션에 적합하다는 의미입니까? 새로운 기술이 주요 애플리케이션을 지원하는 방법과 4G LTE에 더 적합한 애플리케이션을 확인하려면 계속 읽으십시오.
5G 설계 및 계획 고려 사항
매우 까다로운 애플리케이션을 지원하는 5G 네트워크 아키텍처에 대한 설계 고려 사항은 복잡합니다. 예를 들어, 모든 것에 적용되는 한 가지 방법은 없습니다. 애플리케이션의 범위에는 이동 거리, 대용량 데이터 또는 일부 조합에 대한 데이터가 필요합니다. 따라서 5G 아키텍처는 전체 5G 비전을 제공하기 위해 라이선스, 공유 및 개인 소스에서 저 대역, 중대 역 및 고 대역 스펙트럼을 지원해야합니다.
이러한 이유로 5G는 "밀리미터 파"(또는 mmWave)라고하는 1GHz 미만에서 매우 높은 주파수 범위의 무선 주파수에서 실행되도록 설계되었습니다. 주파수가 낮을수록 신호가 더 멀리 이동할 수 있습니다. 주파수가 높을수록 더 많은 데이터를 전송할 수 있습니다.
5G 네트워크의 핵심에는 세 가지 주파수 대역이 있습니다.
- 5G 고 대역 (mmWave)은 5G의 최고 주파수를 제공합니다. 이러한 범위는 24GHz에서 약 100GHz입니다. 고주파는 장애물을 쉽게 통과 할 수 없기 때문에 고 대역 5G는 본질적으로 근거리입니다. 또한 mmWave 범위는 제한되어 있으며 더 많은 셀룰러 인프라가 필요합니다.
- 5G 미드 밴드는 2 ~ 6GHz 범위에서 작동하며 도시 및 교외 지역에 용량 계층을 제공합니다. 이 주파수 대역의 최고 속도는 수백 Mbps입니다.
- 5G 저 대역은 2GHz 미만에서 작동하며 넓은 범위를 제공합니다. 이 대역은 현재 4G LTE에 사용 가능하고 사용중인 스펙트럼을 사용하여 기본적으로 현재 준비된 5G 장치에 LTE 5g 아키텍처를 제공합니다. 따라서 저 대역 5G의 성능은 4G LTE와 유사하며 오늘날 시장에 나와있는 5G 장치에 대한 사용을 지원합니다.
거리 대 대역폭 고려 사항에 대한 스펙트럼 가용성 및 애플리케이션 요구 사항 외에도, 운영자는 일반적인 5G 기지국 설계가 5G 기지국 전력량의 두 배 이상을 요구하므로 4G의 전력 요구 사항을 고려해야합니다.
5G 애플리케이션 계획 및 배포에 대한 고려 사항
시스템 통합 자 및 우리가 논의한 업종을위한 5G 애플리케이션을 개발 및 배포하는 사람들은 트레이드 오프를 고려하는 것이 중요하다는 것을 알게 될 것입니다. (5G 준비를 안내하는 5 가지 요소 동영상은 훌륭한 리소스입니다.)
예를 들어 다음은 몇 가지 주요 고려 사항의 예입니다.
- 애플리케이션은 어디에 배포됩니까? mmWave에 최적화 된 애플리케이션은 건물 내에서 그리고 확장 된 범위가 필요할 때 예상대로 작동하지 않습니다. 최적의 사용 사례에는 5 ~ 24GHz 대역의 39G 셀룰러 통신, Ka 대역의 경찰 레이더 (33.4- ~ 36.0GHz), 공항 보안 스캐너, 군용 차량의 단거리 레이더 및 해군 용 자동화 무기가 포함됩니다. 미사일을 탐지하고 격추하는 배.
- 어떤 종류의 처리량이 필요합니까? 자율 주행 차량 및 지능형 교통 시스템 (ITS) 애플리케이션의 경우 장치와 연결이 속도에 최적화되어야합니다. 백만 분의 XNUMX 초 단위로 측정되는 거의 실시간 통신은 차량과 장치가 회전, 가속 및 제동에 대한 "결정"을 내리는 데 중요하며, 가능한 가장 낮은 대기 시간은 이러한 애플리케이션에 중요합니다.
- 대조적으로 비디오 및 VR 애플리케이션은 처리량에 최적화되어야합니다. 의료 영상과 같은 비디오 애플리케이션은 궁극적으로 5G 네트워크가 지원할 수있는 방대한 양의 데이터를 최대한 활용할 수 있습니다.
5G가 완전한 비전을 제공하려면 네트워크 인프라도 진화해야합니다. 다음 다이어그램은 시간 경과에 따른 마이그레이션과 Digi의 5G 제품 계획을 보여줍니다.
5G 기술의 초기 사용은 5G만이 아니라 비 독립형 (NSA) 모드에서 기존 4G LTE와 연결이 공유되는 애플리케이션에 나타날 것입니다. 이 모드에서 작동 할 때 장치는 먼저 4G LTE 네트워크에 연결되고 5G를 사용할 수있는 경우 장치는 추가 대역폭에 사용할 수 있습니다. 예를 들어 5G NSA 모드로 연결하는 장치는 총 200Mbps의 속도로 4G LTE에서 600Mbps의 다운 링크 속도와 5G에서 또 다른 800Mbps를 동시에 얻을 수 있습니다.
향후 몇 년 동안 점점 더 많은 5G 네트워크 인프라가 온라인 화됨에 따라 5G 전용 독립 실행 형 모드 (SA)를 사용하도록 진화 할 것입니다. 이를 통해 5G의 주요 이점 중 하나 인 수많은 IoT 장치와 연결할 수있는 낮은 지연 시간과 기능을 제공합니다.
핵심 네트워크
이 섹션에서는 5G 핵심 아키텍처 개요를 제공하고 5G 핵심 구성 요소를 설명합니다. 또한 5G 아키텍처가 현재 4G 아키텍처와 어떻게 비교되는지 보여줄 것입니다.
5G 네트워크의 고급 기능을 가능하게하는 5G 코어 네트워크는 5GS (소스)라고도하는 5G 시스템의 세 가지 주요 구성 요소 중 하나입니다. 다른 두 구성 요소는 5G 액세스 네트워크 (5G-AN)와 사용자 장비 (UE)입니다. 5G 코어는 클라우드 정렬 서비스 기반 아키텍처 (SBA)를 사용하여 연결된 장치의 인증, 보안, 세션 관리 및 트래픽 집계를 지원하며,이 모든 작업에는 5G 코어 다이어그램에 표시된 것처럼 네트워크 기능의 복잡한 상호 연결이 필요합니다.
5G 코어 아키텍처의 구성 요소는 다음과 같습니다.
- 사용자 평면 기능 (UPF)
- 데이터 네트워크 (DN) (예 : 운영자 서비스, 인터넷 액세스 또는 타사 서비스)
- 핵심 액세스 및 이동성 관리 기능 (AMF)
- 인증 서버 기능 (AUSF)
- 세션 관리 기능 (SMF)
- NSSF (Network Slice Selection Function)
- 네트워크 노출 기능 (NEF)
- NF 저장소 기능 (NRF)
- 정책 제어 기능 (PCF)
- 통합 데이터 관리 (UDM)
- 응용 기능 (AF)
아래의 5G 네트워크 아키텍처 다이어그램은 이러한 구성 요소가 연결되는 방식을 보여줍니다.
4G 아키텍처 다이어그램
4G가 이전 3G에서 진화했을 때 네트워크 아키텍처에 약간의 점진적 변경 만 이루어졌습니다. 다음 4G 네트워크 아키텍처 다이어그램은 4G 코어 네트워크의 주요 구성 요소를 보여줍니다.
출처 : 3GPP
4G 네트워크 아키텍처에서 스마트 폰 또는 셀룰러 장치와 같은 사용자 장비 (UE)는 LTE 무선 액세스 네트워크 (E-UTRAN)를 통해 EPC (Evolved Packet Core)에 연결 한 다음 인터넷과 같은 외부 네트워크에 연결합니다. Evolved NodeB (eNodeB)는 사용자 데이터 트래픽 (사용자 평면)을 네트워크의 관리 데이터 트래픽 (제어 평면)에서 분리하고 둘 다 EPC에 개별적으로 공급합니다.
5G 아키텍처 다이어그램
5G는 처음부터 설계되었으며 네트워크 기능은 서비스별로 분리됩니다. 그렇기 때문에이 아키텍처를 5G 코어 SBA (서비스 기반 아키텍처)라고도합니다. 다음 5G 네트워크 토폴로지 다이어그램은 5G 코어 네트워크의 주요 구성 요소를 보여줍니다.
출처 : Techplayon
사용하는 방법은 다음과 같습니다
- 5G 스마트 폰 또는 5G 셀룰러 장치와 같은 사용자 장비 (UE)는 5G 새로운 무선 액세스 네트워크를 통해 5G 코어에 연결되고 인터넷과 같은 데이터 네트워크 (DN)에 연결됩니다.
- AMF (Access and Mobility Management Function)는 UE 연결을위한 단일 진입 점 역할을합니다.
- UE가 요청한 서비스를 기반으로 AMF는 사용자 세션을 관리하기 위해 각각의 SMF (Session Management Function)를 선택합니다.
- UPF (User Plane Function)는 사용자 장비 (UE)와 외부 네트워크간에 IP 데이터 트래픽 (사용자 플레인)을 전송합니다.
- 인증 서버 기능 (AUSF)을 통해 AMF는 UE를 인증하고 5G 코어의 서비스에 액세스 할 수 있습니다.
- SMF (Session Management Function), PCF (Policy Control Function), AF (Application Function) 및 UDM (Unified Data Management) 기능과 같은 기타 기능은 정책 결정을 적용하고 구독 정보에 액세스하여 정책 제어 프레임 워크를 제공합니다. 네트워크 행동.
보시다시피 5G 네트워크 아키텍처는 배후에서 더 복잡하지만 광범위한 5G 사용 사례에 맞출 수있는 더 나은 서비스를 제공하려면 이러한 복잡성이 필요합니다.
4G와 5G 네트워크 아키텍처의 차이점
이 섹션에서는 4G 및 5G 아키텍처의 차이점에 대해 설명합니다. 4G LTE 네트워크 아키텍처에서 LTE RAN과 eNodeB는 일반적으로 특수 하드웨어에서 실행되는 기지국 또는 셀 타워 근처에서 서로 가깝습니다. 반면에 모 놀리 식 EPC는 종종 중앙 집중화되고 eNodeB에서 멀리 떨어져 있습니다. 이 아키텍처는 지연 시간이 짧은 고속 종단 간 통신을 불가능하게 만듭니다.
3GPP와 같은 표준 기관과 Nokia 및 Ericsson과 같은 인프라 공급 업체가 5G-NR (5G New Radio) 코어를 설계함에 따라 그들은 모 놀리 식 EPC를 분리하고 각 기능을 구현하여 공통의 외부에서 서로 독립적으로 실행할 수 있습니다. 선반 서버 하드웨어. 이를 통해 5G 코어가 분산 된 5G 노드가되고 매우 유연 해집니다. 예를 들어, 5G 핵심 기능은 이제 에지 데이터 센터의 애플리케이션과 함께 배치 될 수 있으므로 통신 경로가 짧아 져 종단 간 속도와 대기 시간이 향상됩니다.
일반 하드웨어에서 실행되는 이러한 작고 더 전문화 된 5G 핵심 구성 요소의 또 다른 이점은 이제 네트워크 슬라이싱을 통해 네트워크를 사용자 지정할 수 있다는 것입니다. 네트워크 슬라이싱을 사용하면 특정 사용 사례에 최적화 된 여러 논리적 기능 "슬라이스"를 가질 수 있으며, 모두 5G 네트워크 인프라 내의 단일 물리적 코어에서 작동합니다.
5G 네트워크 사업자는 고 대역폭 애플리케이션에 최적화 된 하나의 슬라이스, 낮은 지연 시간에 더 최적화 된 또 다른 슬라이스, 그리고 수많은 IoT 장치에 최적화 된 세 번째 슬라이스를 제공 할 수 있습니다. 이 최적화에 따라 일부 5G 핵심 기능을 전혀 사용하지 못할 수 있습니다. 예를 들어 IoT 장치 만 서비스하는 경우 휴대폰에 필요한 음성 기능이 필요하지 않습니다. 모든 슬라이스가 정확히 동일한 기능을 가져야하는 것은 아니기 때문에 사용 가능한 컴퓨팅 성능이 더 효율적으로 사용됩니다.
출처 : SDX Central
5G의 진화
무선 통신의 모든 세대 또는 "G"는 성숙하는 데 약 XNUMX 년이 걸립니다. 한 세대에서 다음 세대로의 전환은 주로 제한된 양의 사용 가능한 스펙트럼을 재사용하거나 용도 변경해야하는 운영자의 요구에 의해 주도됩니다. 새로운 세대마다 스펙트럼 효율성이 높아 네트워크를 통해 데이터를 더 빠르고 효과적으로 전송할 수 있습니다.
1 세대 무선 통신 또는 1980G는 2 년대 아날로그 기술로 시작되었습니다. 그 뒤를 이어 디지털 기술을 사용한 최초의 네트워크 세대 인 1G가 빠르게 뒤따 랐습니다. 2G와 2G의 성장은 처음에는 휴대폰 핸드셋 시장이 주도했습니다. XNUMXG는 데이터 통신도 제공했지만 속도는 매우 낮습니다.
차세대 3G는 2000 년대 초에 시작되었습니다. 3G의 성장은 핸드셋에 의해 다시 주도되었지만, 스마트 폰과 새롭게 떠오르는 사물 인터넷 (IoT)의 다양한 새로운 애플리케이션에 적합한 1Mbps 범위의 데이터 속도를 제공하는 최초의 기술이었습니다. 생태계. 현재 세대의 무선 기술 4G LTE는 2010 년에 시작되었습니다.
4G LTE (Long Term Evolution)의 수명이 길다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이는 매우 성공적이고 성숙한 기술이며 적어도 앞으로 XNUMX 년 동안 널리 사용될 것으로 예상됩니다.
5G 아키텍처와 클라우드 및 에지
5G 네트워크 아키텍처 내의 에지 컴퓨팅에 대해 이야기 해 보겠습니다.
5G 네트워크 아키텍처와 이전 4G 아키텍처를 구별하는 또 하나의 개념은 에지 컴퓨팅 또는 모바일 에지 컴퓨팅입니다. 이 시나리오에서는 소규모 데이터 센터를 네트워크의 가장자리, 셀 타워가있는 위치에 가깝게 배치 할 수 있습니다. 이는 매우 짧은 지연 시간과 동일한 콘텐츠를 전송하는 고 대역폭 애플리케이션에 매우 중요합니다.
고 대역폭의 예를 들어 비디오 스트리밍 서비스를 생각해보십시오. 콘텐츠는 클라우드 어딘가에있는 서버에서 시작됩니다. 사람들이 셀 타워에 연결되어 있고 100 명이 인기있는 TV 프로그램을 스트리밍하고 있다면 해당 콘텐츠를 가능한 한 소비자와 가까운 가장자리, 이상적으로는 셀 타워에 두는 것이 더 효율적입니다.
사용자는이 정보를 스트리밍 및 전송하고 클라우드의 중앙 위치에서 100 명을 위해 백홀 할 필요없이 에지에있는 스토리지 미디어에서이 콘텐츠를 스트리밍합니다. 대신 5G 구조를 사용하면 콘텐츠를 타워로 한 번만 가져온 다음 100 명의 구독자에게 배포 할 수 있습니다.
낮은 대기 시간이 필요한 양방향 통신이 필요한 애플리케이션에도 동일한 원칙이 적용됩니다. 사용자가 에지에서 애플리케이션을 실행하는 경우 데이터가 네트워크를 통과 할 필요가 없기 때문에 처리 시간이 훨씬 빨라집니다.
5G 네트워크 구조에서 이러한 에지 네트워크는 에지에서 제공되는 서비스에도 사용할 수 있습니다. 이러한 5G 핵심 기능을 가상화 할 수 있기 때문에 표준 서버 또는 데이터 센터 하드웨어에서 실행하고 신호를 전송하는 무선으로 광섬유를 실행할 수 있습니다. 그래서 라디오는 전문화되어 있지만 다른 모든 것은 꽤 표준입니다.
오늘날 4G LTE는 여전히 성장하고 있습니다. 오늘날 대부분의 IoT 애플리케이션을 지원하기에 탁월한 속도와 충분한 대역폭을 제공합니다. 4G LTE와 5G 네트워크는 애플리케이션이 마이그레이션되기 시작하고 5G 네트워크와 애플리케이션이 결국 4G LTE를 대체함에 따라 향후 XNUMX 년 동안 공존 할 것입니다.
5G를 사용하는 장치
5G는 시간이 지남에 따라 발전할 것이며 5G 장치도 이를 따라갈 것입니다. 초기 제품은 "5G 지원"이 될 것입니다. 이는 이러한 제품이 현재 곧 출시될 더 높은 대역폭의 5G 모뎀과 5G 확장기를 지원하는 데 필요한 처리 능력과 기가비트 이더넷 포트를 갖추고 있음을 의미합니다.
이후 5G 제품에는 5G 모뎀이 직접 통합되고 더 빠른 멀티 코어 프로세서, 2.5 또는 10기가비트 이더넷 인터페이스 및 Wi-Fi 인터넷 6/6E 라디오. 이러한 제품 변경으로 인해 5G 제품 가격이 상승하지만 5G 네트워크가 제공할 추가 속도와 낮은 대기 시간을 처리하려면 필요합니다.