Apa itu Senibina Rangkaian 5G?

Soalan pertama yang mungkin anda tanyakan ialah: Apakah sebenarnya 5G? Soalan kedua mungkin: Bagaimanakah ia direka bentuk secara berbeza untuk menyampaikan kelajuan, kependaman rendah, kapasiti, dan banyak faedah lain?

Dalam artikel ini, kami akan menangani soalan seni bina 5G. Kami akan melihat beberapa keupayaan yang dimungkinkan oleh seni bina rangkaian 5G dan cara aplikasi yang disambungkan boleh mendapat manfaat daripadanya. Anda boleh mendapatkan lebih banyak sumber dalam pautan sepanjang artikel ini dan dalam sumber yang berkaitan dalam pengaki. Untuk pengenalan asas 5G yang baik, lihat artikel, Apa Itu 5G, Bahagian 1. Gambaran keseluruhan 5G kami diteruskan dalam Bahagian 2, Siapa Yang Akan Menggunapakai 5G Teknologi, dan bila?

Satu perkara yang pasti: Dunia kita yang bersambung berubah. 5G, dengan seni bina rangkaian generasi akan datang, berpotensi untuk menyokong ribuan aplikasi baru di segmen pengguna dan industri. Kemungkinan untuk 5G nampaknya hampir tidak terbatas apabila kelajuan dan throughput lebih tinggi daripada rangkaian semasa.

Keupayaan canggih ini akan membolehkan aplikasi di seluruh pasaran menegak seperti pembuatan, penjagaan kesihatan, dan pengangkutan, di mana 5G akan memainkan peranan utama dalam segala hal, dari automasi pembuatan maju hingga kenderaan autonomi sepenuhnya. Untuk mengembangkan kes dan aplikasi penggunaan perniagaan yang menguntungkan untuk 5G, ada baiknya memiliki pemahaman umum mengenai seni bina rangkaian 5G yang terletak di tengah-tengah semua aplikasi baru ini.

5G telah mendapat banyak perhatian, dan lebih daripada sekadar gembar-gembur. Walaupun potensinya sangat besar, penting untuk mengetahui bahawa industri ini masih dalam tahap awal penggunaannya. Proses penggunaan rangkaian 5G bermula bertahun-tahun yang lalu dan melibatkan pembangunan infrastruktur baru, yang kebanyakannya dibiayai oleh syarikat penerbangan tanpa wayar utama.

Penyebaran 5G penuh akan memakan masa, dilancarkan di bandar-bandar besar lama sebelum dapat mencapai kawasan yang kurang penduduknya. Digi menyokong pelanggan kami dalam mempersiapkan 5G, dengan komunikasi mengenai perancangan migrasi dan produk generasi akan datang. Walaupun Digi tidak terlibat secara langsung dalam mengembangkan rangkaian radio baru 5G (NR) dan rangkaian akses radio 5G (RAN), peranti Digi akan menjadi bahagian tidak terpisahkan dari visi 5G dan penggunaannya dalam segudang aplikasi 5G.

Senibina Rangkaian 5G

Jadi - apa sebenarnya 5G dan bagaimana seni bina teknologi rangkaian 5G berbeza dengan "G" sebelumnya?

Piawaian 3GPP di sebalik seni bina rangkaian 5G diperkenalkan oleh Projek Perkongsian Generasi ke-3 (3GPP), organisasi yang mengembangkan standard antarabangsa untuk semua komunikasi mudah alih. Kesatuan Telekomunikasi Antarabangsa (ITU) dan rakannya menentukan keperluan dan garis masa untuk sistem komunikasi mudah alih, yang menentukan generasi baru kira-kira setiap dekad. 3GPP mengembangkan spesifikasi untuk keperluan tersebut dalam serangkaian siaran.

"G" dalam 5G bermaksud "generasi." Senibina teknologi 5G memberikan kemajuan yang ketara di luar teknologi 4G LTE (evolusi jangka panjang), yang hadir pada tahap 3G dan 2G. Seperti yang kita jelaskan dalam sumber berkaitan kita, The Journey to 5G, selalu ada jangka masa di mana beberapa generasi rangkaian wujud sekaligus. Seperti pendahulunya, 5G mesti wujud bersama dengan rangkaian sebelumnya kerana dua sebab penting:

1. Membangun dan menggunakan teknologi rangkaian baru memerlukan banyak masa, pelaburan dan kolaborasi entiti dan syarikat penerbangan utama.
2. Pengguna awal akan selalu ingin memanfaatkan teknologi baru secepat mungkin, sedangkan mereka yang telah melakukan pelaburan besar dalam penyebaran besar dengan teknologi rangkaian yang ada, seperti 2G, 3G dan 4G LTE, ingin memanfaatkan pelaburan tersebut sebagai selagi mungkin, dan pasti sehingga rangkaian baru dapat dilaksanakan sepenuhnya. (Perhatikan bahawa rangkaian 2G dan 3G sedang terbenam untuk memberi ruang untuk penyebaran 5G. Lihat catatan blog kami Kemas kini Penutupan Rangkaian 2G, 3G, 4G.)

Senibina rangkaian teknologi mudah alih 5g bertambah baik berbanding seni bina masa lalu. Rangkaian padat sel yang besar memungkinkan peningkatan prestasi. Di samping itu, seni bina rangkaian 5G menawarkan keselamatan yang lebih baik berbanding rangkaian 4G LTE hari ini.

Ringkasnya, teknologi 5G menawarkan tiga kelebihan asas:

• Kelajuan penghantaran data lebih cepat, hingga kelajuan multi-Gigabit / s.
• Kapasiti yang lebih besar, mendorong sejumlah besar peranti IoT per kilometer persegi.
• Latensi lebih rendah, hingga milisaat satu digit, yang sangat penting dalam aplikasi seperti kenderaan bersambung dalam aplikasi ITS dan kenderaan autonomi, di mana diperlukan tindak balas seketika.

Adakah ini bermaksud bahawa 5G siap sepenuhnya hari ini? Dan adakah ini bermaksud seni bina 5G sesuai untuk semua aplikasi? Baca terus untuk mengetahui bagaimana teknologi baru menyokong aplikasi utama, dan aplikasi mana yang lebih sesuai untuk 4G LTE.

Pertimbangan Reka Bentuk dan Perancangan 5G

Pertimbangan reka bentuk untuk seni bina rangkaian 5G yang menyokong aplikasi yang sangat menuntut adalah kompleks. Sebagai contoh, tidak ada pendekatan yang sesuai dengan semua ukuran; rangkaian aplikasi memerlukan data untuk jarak perjalanan, jumlah data yang besar, atau beberapa kombinasi. Oleh itu, seni bina 5G mesti menyokong spektrum jalur rendah, pertengahan dan tinggi - dari sumber berlesen, berkongsi dan swasta - untuk memberikan visi 5G sepenuhnya.

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

Terdapat tiga jalur frekuensi di teras rangkaian 5G:

• Jalur tinggi 5G (mmWave) memberikan frekuensi tertinggi 5G. Ini berkisar antara 24 GHz hingga sekitar 100 GHz. Kerana frekuensi tinggi tidak dapat bergerak dengan mudah melalui rintangan, 5G jalur tinggi adalah jarak dekat secara semula jadi. Lebih-lebih lagi, liputan mmWave adalah terhad dan memerlukan lebih banyak infrastruktur selular.
• Jalur pertengahan 5G beroperasi dalam julat 2-6 GHz dan menyediakan lapisan kapasiti untuk kawasan bandar dan pinggir bandar. Jalur frekuensi ini mempunyai kadar puncak dalam ratusan Mbps.
• Jalur rendah 5G beroperasi di bawah 2 GHz dan memberikan liputan yang luas. Jalur ini menggunakan spektrum yang tersedia dan digunakan hari ini untuk 4G LTE, yang pada asasnya menyediakan seni bina LTE 5g untuk peranti 5G yang sudah siap sekarang. Oleh itu, prestasi 5G jalur rendah serupa dengan 4G LTE, dan menyokong penggunaan untuk peranti 5G di pasaran sekarang.

Sebagai tambahan kepada ketersediaan spektrum dan keperluan aplikasi untuk pertimbangan jarak berbanding lebar jalur, pengendali mesti mempertimbangkan keperluan kuasa 5G, kerana reka bentuk stesen pangkalan 5G yang biasa menuntut kuasa dua kali ganda dari stesen pangkalan 4G.

Pertimbangan untuk Merancang dan Menggunakan Aplikasi 5G

Penyepadu sistem, dan mereka yang mengembangkan dan menggunakan aplikasi 5G untuk menegak yang telah kita bincangkan, akan mendapati bahawa penting untuk mempertimbangkan pertukaran. (Video kami, 5 Faktor untuk Membimbing Persediaan Anda untuk 5G, adalah sumber yang baik.)

Sebagai contoh, berikut adalah beberapa contoh pertimbangan utama:

• Di manakah aplikasi anda akan digunakan? Aplikasi yang dioptimumkan untuk mmWave tidak akan beroperasi seperti yang diharapkan di dalam bangunan dan apabila jarak yang diperlukan diperlukan. Kes penggunaan yang optimum termasuk telekomunikasi selular 5G pada pita 24 hingga 39-GHz, radar polis di pita Ka (33.4 hingga 36.0-GHz), pengimbas dalam keselamatan lapangan terbang, radar jarak pendek dalam kenderaan tentera dan senjata automatik di angkatan laut kapal untuk mengesan dan menurunkan peluru berpandu.
• Apakah jenis throughput yang diperlukan? Untuk kenderaan autonomi dan aplikasi sistem pengangkutan pintar (ITS), peranti dan sambungan mesti dioptimumkan untuk kepantasan. Komunikasi masa nyata hampir - diukur dalam seperseratus saat - sangat penting bagi kenderaan dan peranti untuk "membuat keputusan" mengenai putaran, percepatan dan pengereman, dan latensi serendah mungkin adalah misi penting untuk aplikasi ini.
• Aplikasi video dan VR, sebaliknya, mesti dioptimumkan untuk throughput. Aplikasi video seperti pengimejan perubatan akhirnya dapat memanfaatkan sepenuhnya sejumlah besar data yang dapat disokong oleh rangkaian 5G.

Agar 5G memberikan visi penuhnya, infrastruktur rangkaian juga perlu berkembang. Gambar rajah berikut menggambarkan penghijrahan dari masa ke masa, serta rancangan produk Digi 5G.

Penggunaan teknologi 5G paling awal tidak akan secara eksklusif 5G tetapi akan muncul dalam aplikasi di mana kesambungan dikongsi dengan 4G LTE yang ada dalam apa yang dipanggil mod tidak berdiri sendiri (NSA). Semasa beroperasi dalam mod ini, peranti akan pertama kali menyambung ke rangkaian 4G LTE, dan jika 5G tersedia, peranti akan dapat menggunakannya untuk lebar jalur tambahan. Sebagai contoh, peranti yang menyambung dalam mod NSA 5G dapat memperoleh kelajuan pautan turun 200 Mbps lebih dari 4G LTE dan 600 Mbps lebih dari 5G pada masa yang sama, untuk kelajuan agregat 800 Mbps.

Oleh kerana semakin banyak infrastruktur rangkaian 5G dalam talian dalam beberapa tahun akan datang, ia akan berkembang untuk membolehkan mod berdiri sendiri (SA) 5G sahaja. Ini akan membawa latensi rendah dan kemampuan untuk berhubung dengan sejumlah besar peranti IoT yang merupakan antara kelebihan utama 5G.

Rangkaian Teras

Dalam bahagian ini kami akan memberikan gambaran keseluruhan seni bina teras 5G dan menerangkan komponen teras 5G. Kami juga akan menunjukkan bagaimana seni bina 5G dibandingkan dengan seni bina 4G semasa.

Rangkaian teras 5G, yang membolehkan fungsi canggih rangkaian 5G, adalah salah satu daripada tiga komponen utama Sistem 5G, juga dikenali sebagai 5GS (sumber). Dua komponen lain adalah rangkaian Akses 5G (5G-AN) dan Peralatan Pengguna (UE). Inti 5G menggunakan seni bina berasaskan perkhidmatan selaras awan (SBA) untuk menyokong pengesahan, keselamatan, pengurusan sesi dan penggabungan lalu lintas dari peranti yang disambungkan, yang semuanya memerlukan interkoneksi fungsi rangkaian yang kompleks, seperti yang ditunjukkan dalam rajah teras 5G.

Komponen seni bina teras 5G merangkumi:

• Fungsi pesawat pengguna (UPF)
• Rangkaian data (DN), misalnya perkhidmatan pengendali, akses Internet atau perkhidmatan pihak ketiga
• Fungsi Teras Akses dan Pengurusan Mobiliti (AMF)
• Fungsi Pelayan Pengesahan (AUSF)
• Fungsi Pengurusan Sesi (SMF)
• Fungsi Pemilihan Potongan Rangkaian (NSSF)
• Fungsi Pendedahan Rangkaian (NEF)
• Fungsi Repositori NF (NRF)
• Fungsi Kawalan Dasar (PCF)
• Pengurusan Data Bersatu (UDM)
• Fungsi Aplikasi (AF)

Gambarajah seni bina rangkaian 5G di bawah menggambarkan bagaimana komponen ini dikaitkan.

Rajah Senibina 4G

Ketika 4G berevolusi dari pendahulunya 3G, hanya sedikit perubahan tambahan yang dibuat pada seni bina rangkaian. Gambar rajah seni bina rangkaian 4G berikut menunjukkan komponen utama rangkaian teras 4G:

Sumber: 3GPP

Dalam seni bina rangkaian 4G, Peralatan Pengguna (UE) seperti telefon pintar atau peranti selular, menghubungkan melalui Rangkaian Akses Radio LTE (E-UTRAN) ke Teras Paket Berkembang (EPC) dan seterusnya ke Rangkaian Luaran, seperti Internet. The Evolved NodeB (eNodeB) memisahkan lalu lintas data pengguna (pesawat pengguna) dari lalu lintas data pengurusan rangkaian (bidang kawalan) dan memasukkan keduanya secara berasingan ke dalam EPC.

Rajah Senibina 5G

5G dirancang dari bawah ke atas, dan fungsi rangkaian dipisahkan berdasarkan perkhidmatan. Itulah sebabnya seni bina ini juga dipanggil 5G core Service-Based Architecture (SBA). Gambar rajah topologi rangkaian 5G berikut menunjukkan komponen utama rangkaian teras 5G:

Sumber: Techplayon

Berikut adalah bagaimana ia berfungsi:

• Peralatan Pengguna (UE) seperti telefon pintar 5G atau peranti selular 5G bersambung melalui Rangkaian Akses Radio Baru 5G ke teras 5G dan seterusnya ke Rangkaian Data (DN), seperti Internet.
• Fungsi Pengurusan Akses dan Mobiliti (AMF) bertindak sebagai titik masuk tunggal untuk sambungan UE.
• Berdasarkan perkhidmatan yang diminta oleh UE, AMF memilih Fungsi Pengurusan Sesi (SMF) masing-masing untuk menguruskan sesi pengguna.
• Fungsi Pesawat Pengguna (UPF) mengangkut lalu lintas data IP (pesawat pengguna) antara Peralatan Pengguna (UE) dan rangkaian luaran.
• Fungsi Pelayan Pengesahan (AUSF) membolehkan AMF mengesahkan UE dan mengakses perkhidmatan teras 5G.
• Fungsi lain seperti Fungsi Pengurusan Sesi (SMF), Fungsi Kawalan Polisi (PCF), Fungsi Aplikasi (AF) dan Fungsi Pengurusan Data Bersatu (UDM) menyediakan kerangka kawalan dasar, menerapkan keputusan dasar dan mengakses maklumat langganan, untuk mengatur tingkah laku rangkaian.

Seperti yang anda lihat, seni bina rangkaian 5G lebih kompleks di belakang tabir, tetapi kerumitan ini diperlukan untuk memberikan perkhidmatan yang lebih baik yang dapat disesuaikan dengan pelbagai kes penggunaan 5G.

Perbezaan antara Senibina Rangkaian 4G dan 5G

Dalam bahagian ini, kita akan membincangkan bagaimana seni bina 4G dan 5G berbeza. Dalam seni bina rangkaian 4G LTE, LTE RAN dan eNodeB biasanya berdekatan, selalunya di pangkalan atau berhampiran menara sel yang menggunakan perkakasan khusus. EPC monolitik sebaliknya sering berpusat dan jauh dari eNodeB. Senibina ini menjadikan komunikasi berkelajuan tinggi, latensi rendah hujung-ke-hujung menjadi tidak mungkin.

Sebagai badan standard seperti 3GPP dan vendor infrastruktur seperti Nokia dan Ericsson melengkapkan teras Radio Baru 5G (5G-NR), mereka memecahkan EPC monolitik dan melaksanakan setiap fungsi sehingga dapat berjalan secara bebas antara satu sama lain secara umum, di luar perkakasan pelayan rak. Ini membolehkan teras 5G menjadi nod 5G yang terdesentralisasi dan sangat fleksibel. Sebagai contoh, fungsi teras 5G kini dapat disatukan dengan aplikasi di pusat data tepi, menjadikan jalan komunikasi menjadi pendek dan dengan demikian meningkatkan kelajuan dan kependaman akhir-ke-hujung.

Sumber: Techmania

Manfaat lain dari komponen teras 5G yang lebih kecil dan lebih khusus yang dijalankan pada perkakasan biasa ialah rangkaian sekarang dapat disesuaikan melalui pemotongan rangkaian. Pemotongan rangkaian membolehkan anda mempunyai banyak fungsi kepingan logik yang dioptimumkan untuk kes penggunaan tertentu, semuanya beroperasi pada satu teras fizikal dalam infrastruktur rangkaian 5G.

Pengendali rangkaian 5G mungkin menawarkan satu potongan yang dioptimumkan untuk aplikasi lebar jalur tinggi, slice lain yang lebih dioptimumkan untuk latensi rendah, dan ketiga yang dioptimumkan untuk sejumlah besar peranti IoT. Bergantung pada pengoptimuman ini, beberapa fungsi teras 5G mungkin tidak tersedia sama sekali. Sebagai contoh, jika anda hanya melakukan servis IoT, anda tidak memerlukan fungsi suara yang diperlukan untuk telefon bimbit. Dan kerana tidak setiap slice mesti mempunyai kemampuan yang sama, daya pengkomputeran yang ada digunakan dengan lebih efisien.

Sumber: SDX Central

Evolusi 5G

Setiap generasi atau "G" komunikasi tanpa wayar memerlukan masa lebih kurang satu dekad untuk matang. Peralihan dari satu generasi ke generasi seterusnya didorong terutamanya oleh keperluan pengendali untuk menggunakan semula atau menggunakan semula jumlah spektrum yang ada. Setiap generasi baru mempunyai kecekapan spektrum yang lebih banyak, yang memungkinkan untuk menghantar data lebih cepat dan lebih berkesan melalui rangkaian.

Generasi pertama komunikasi tanpa wayar, atau 1G, bermula pada tahun 1980-an dengan teknologi analog. Ini diikuti dengan cepat oleh 2G, generasi rangkaian pertama yang menggunakan teknologi digital. Pertumbuhan 1G dan 2G pada awalnya didorong oleh pasaran telefon bimbit telefon bimbit. 2G juga menawarkan komunikasi data, tetapi pada kelajuan yang sangat rendah.

Generasi seterusnya, 3G, mulai meningkat pada awal tahun 2000-an. Pertumbuhan 3G didorong oleh telefon bimbit sekali lagi, tetapi merupakan teknologi pertama yang menawarkan kelajuan data dalam julat 1 Megabit sesaat (Mbps), sesuai untuk pelbagai aplikasi baru baik pada telefon pintar dan untuk Internet of Things (IoT) yang baru muncul ekosistem. Generasi terkini teknologi tanpa wayar 4G LTE kami, mulai meningkat pada tahun 2010.

Penting untuk diperhatikan bahawa 4G LTE (Long Term Evolution) mempunyai jangka masa panjang; ini adalah teknologi yang sangat berjaya dan matang dan diharapkan dapat digunakan secara meluas sekurang-kurangnya satu dekad lagi.

Senibina 5G dan Awan dan Tepi

Mari kita bincangkan mengenai pengkomputeran tepi dalam seni bina rangkaian 5G.

Satu lagi konsep yang membezakan seni bina rangkaian 5G dari pendahulunya 4G adalah konsep pengkomputeran tepi atau kelebihan tepi mudah alih. Dalam senario ini, anda boleh meletakkan pusat data kecil di tepi rangkaian, berdekatan dengan tempat menara sel. Itu sangat penting untuk latensi yang sangat rendah dan untuk aplikasi lebar jalur tinggi yang membawa kandungan yang sama.

Untuk contoh lebar jalur yang tinggi, fikirkan perkhidmatan streaming video. Kandungannya berasal dari pelayan yang berada di suatu tempat di awan. Sekiranya orang tersambung ke menara sel dan katakanlah, 100 orang melakukan streaming program TV yang popular, lebih efisien jika kandungan itu sedekat mungkin dengan pengguna, tepat di pinggir sana, sesuai di menara sel.

Pengguna mengalirkan kandungan ini dari media penyimpanan yang berada di pinggir dan bukannya perlu mengalirkan dan memindahkan maklumat ini dan membawanya semula untuk 100 orang dari lokasi pusat di awan. Sebagai gantinya, dengan menggunakan struktur 5G, anda boleh membawa kandungan ke menara sekali sahaja dan kemudian menyebarkannya kepada 100 pelanggan anda.

Prinsip yang sama berlaku dalam aplikasi yang memerlukan komunikasi dua arah di mana latensi rendah diperlukan. Sekiranya pengguna mempunyai aplikasi yang berjalan di tepi, maka waktu pemulihan lebih cepat kerana data tidak perlu melintasi rangkaian.

Dalam struktur rangkaian 5G, rangkaian tepi ini juga dapat digunakan untuk perkhidmatan yang disediakan di pinggir. Oleh kerana mungkin untuk memvisualisasikan fungsi teras 5G ini, anda dapat menjadikannya berjalan pada perkakasan pelayan standard atau pusat data dan menjalankan serat ke radio yang menghantar isyarat. Jadi radio adalah khusus, tetapi semua yang lain cukup standard.

Hari ini, 4G LTE masih berkembang. Ia memberikan kelajuan dan lebar jalur yang mencukupi untuk menyokong kebanyakan aplikasi IoT hari ini. Rangkaian 4G LTE dan 5G akan wujud bersama dalam dekad yang akan datang, kerana aplikasi mula berpindah dan kemudian rangkaian dan aplikasi 5G akhirnya menggantikan 4G LTE.

Peranti Menggunakan 5G

5G akan berkembang dari semasa ke semasa, dan peranti 5G akan mengikutinya. Produk awal akan "sedia 5G", yang bermaksud bahawa produk ini mempunyai kuasa pemprosesan dan port Gigabit Ethernet yang diperlukan untuk menyokong modem 5G lebar jalur yang lebih tinggi dan pemanjang 5G kini berada di kaki langit.

Produk 5G kemudiannya akan mempunyai modem 5G yang disepadukan secara langsung dan mempunyai pemproses berbilang teras yang lebih pantas, antara muka 2.5 atau bahkan 10 Gigabit Ethernet dan Wi-Fi radio 6/6E. Perubahan produk ini akan meningkatkan kos produk 5G tetapi diperlukan untuk mengendalikan kelajuan tambahan dan kependaman yang lebih rendah yang akan ditawarkan oleh rangkaian 5G.