Wat is 5G-netwerkarchitectuur?

De eerste vraag die u zich wellicht stelt is: wat is dat precies 5G? De tweede vraag zou kunnen zijn: hoe is het anders ontworpen om snelheid, lage latentie, capaciteit en talloze andere voordelen te bieden?

In dit artikel gaan we in op de 5G-architectuurvraag. We zullen kijken naar enkele mogelijkheden die mogelijk worden gemaakt door de 5G-netwerkarchitectuur en hoe verbonden applicaties hiervan kunnen profiteren. U kunt meer bronnen vinden via de links in dit artikel en in de gerelateerde bronnen in de voettekst. Voor een goede basisintroductie van 5G, zie het artikel Wat is 5G, deel 1. Ons 5G-overzicht gaat verder in deel 2, Wie zal 5G adopteren Technologie, en wanneer?

Eén ding is zeker: onze verbonden wereld verandert. 5G heeft met zijn netwerkarchitectuur van de volgende generatie het potentieel om duizenden nieuwe toepassingen te ondersteunen in zowel het consumenten- als het industriële segment. De mogelijkheden voor 5G lijken bijna onbegrensd wanneer snelheid en doorvoer exponentieel hoger zijn dan de huidige netwerken.

Deze geavanceerde mogelijkheden zullen toepassingen mogelijk maken in verticale markten zoals productie, gezondheidszorg en transport, waar 5G een belangrijke rol zal spelen in alles, van geavanceerde productieautomatisering tot volledig autonome voertuigen. Om winstgevende zakelijke gebruiksscenario's en applicaties voor 5G te ontwikkelen, helpt het om op zijn minst een algemeen begrip te hebben van de 5G-netwerkarchitectuur die de kern vormt van al deze nieuwe applicaties.

5G heeft enorm veel aandacht gekregen, en meer dan een kleine hype. Hoewel het potentieel enorm is, is het belangrijk om te weten dat de branche zich nog in de beginfase van acceptatie bevindt. Het proces van implementatie van het 5G-netwerk begon vele jaren geleden en omvatte de bouw van de nieuwe infrastructuur, waarvan het grootste deel wordt gefinancierd door de grote draadloze providers.

Volledige uitrol van 5G zal tijd kosten en in grote steden worden uitgerold lang voordat het minder bevolkte gebieden kan bereiken. Digi ondersteunt onze klanten bij de voorbereiding op 5G, met communicatie over migratieplanning en producten van de volgende generatie. Hoewel Digi niet direct betrokken is bij de ontwikkeling van de nieuwe 5G-radio (NR) -kern en het 5G-radiotoegangsnetwerk (RAN), zullen Digi-apparaten een integraal onderdeel zijn van de 5G-visie en hun gebruik in een groot aantal 5G-toepassingen.

5G-netwerkarchitectuur

Dus - wat is 5G precies en hoe verschilt de architectuur van de 5G-netwerktechnologie van eerdere "G's"?

De 3GPP-standaarden achter de 5G-netwerkarchitectuur zijn geïntroduceerd door het 3rd Generation Partnership Project (3GPP), de organisatie die internationale standaarden ontwikkelt voor alle mobiele communicatie. De International Telecommunications Union (ITU) en haar partners bepalen de vereisten en tijdlijn voor mobiele communicatiesystemen en definiëren ongeveer elk decennium een ​​nieuwe generatie. De 3GPP ontwikkelt specificaties voor die vereisten in een reeks releases.

De 'G' in 5G staat voor 'generatie'. De architectuur van 5G-technologie biedt aanzienlijke vooruitgang die verder gaat dan de 4G LTE-technologie (langetermijnevolutie), die op de hielen komt van 3G en 2G. Zoals we beschrijven in onze gerelateerde bron, The Journey to 5G, is er altijd een tijdsperiode waarin meerdere netwerkgeneraties tegelijk bestaan. Net als zijn voorgangers moet 5G naast eerdere netwerken bestaan ​​om twee belangrijke redenen:

1. Het ontwikkelen en implementeren van nieuwe netwerktechnologieën kost enorm veel tijd, investeringen en samenwerking van grote entiteiten en vervoerders.
2. Early adopters zullen altijd zo snel mogelijk nieuwe technologieën willen bemachtigen, terwijl degenen die grote investeringen hebben gedaan in grote implementaties met bestaande netwerktechnologieën, zoals 2G, 3G en 4G LTE, van die investeringen gebruik willen maken voor zo lang mogelijk, en zeker totdat het nieuwe netwerk volledig levensvatbaar is. (Houd er rekening mee dat 2G- en 3G-netwerken verdwijnen om ruimte te maken voor 5G-implementatie. Zie onze blogpost 2G-, 3G-, 4G Network Shutdown Updates.)

De netwerkarchitectuur van 5g mobiele technologie verbetert enorm ten opzichte van eerdere architecturen. Grote cel-dichte netwerken maken enorme prestatieverbeteringen mogelijk. En bovendien biedt de architectuur van 5G-netwerken betere beveiliging in vergelijking met de huidige 4G LTE-netwerken.

Samenvattend biedt 5G-technologie drie belangrijke voordelen:

• Hogere datatransmissiesnelheid, tot multi-Gigabit / s-snelheden.
• Grotere capaciteit, waardoor een enorme hoeveelheid IoT-apparaten per vierkante kilometer wordt aangewakkerd.
• Lagere latentie, tot enkele milliseconden van één cijfer, wat van cruciaal belang is in toepassingen zoals verbonden voertuigen in ITS-toepassingen en autonome voertuigen, waar vrijwel onmiddellijke reactie nodig is.

Betekent dit dat 5G vandaag volledig klaar is? En betekent dit dat 5G-architectuur geschikt is voor alle toepassingen? Lees verder om te zien hoe de nieuwe technologie belangrijke applicaties ondersteunt en welke applicaties meer geschikt zijn voor 4G LTE.

Overwegingen bij het ontwerp en de planning van 5G

De ontwerpoverwegingen voor een 5G-netwerkarchitectuur die zeer veeleisende toepassingen ondersteunt, zijn complex. Er is bijvoorbeeld geen one-size-fits-all benadering; het scala aan toepassingen vereist gegevens om afstanden af ​​te leggen, grote datavolumes of een combinatie daarvan. De 5G-architectuur moet dus het lage-, midden- en hoge-bandspectrum ondersteunen - van gelicentieerde, gedeelde en privébronnen - om de volledige 5G-visie te leveren.

Om deze reden is 5G ontworpen om te werken op radiofrequenties variërend van sub 1 GHz tot extreem hoge frequenties, de zogenaamde "millimetergolf" (of mmWave). Hoe lager de frequentie, hoe verder het signaal kan reizen. Hoe hoger de frequentie, hoe meer gegevens het kan vervoeren.

Er zijn drie frequentiebanden die de kern vormen van 5G-netwerken:

• 5G high-band (mmWave) levert de hoogste frequenties van 5G. Deze variëren van 24 GHz tot ongeveer 100 GHz. Omdat hoge frequenties zich niet gemakkelijk door obstakels kunnen verplaatsen, heeft hoogband 5G van nature een kort bereik. Bovendien is de mmWave-dekking beperkt en vereist meer mobiele infrastructuur.
• 5G-middenband werkt in het 2-6 GHz-bereik en biedt een capaciteitslaag voor stedelijke en voorstedelijke gebieden. Deze frequentieband heeft pieksnelheden in de honderden Mbps.
• 5G low-band werkt onder de 2 GHz en biedt een brede dekking. Deze band maakt gebruik van spectrum dat momenteel beschikbaar en in gebruik is voor 4G LTE, en biedt in wezen een LTE 5g-architectuur voor 5G-apparaten die nu klaar zijn. De prestaties van low-band 5G zijn daarom vergelijkbaar met 4G LTE en ondersteunen het gebruik voor 5G-apparaten die momenteel op de markt zijn.

Naast spectrumbeschikbaarheid en toepassingsvereisten voor overwegingen met betrekking tot afstand versus bandbreedte, moeten operators rekening houden met de stroomvereisten van 5G, aangezien het typische ontwerp van een 5G-basisstation meer dan twee keer zoveel stroom vereist als een 4G-basisstation.

Overwegingen bij het plannen en implementeren van 5G-applicaties

Systeemintegrators en degenen die 5G-applicaties ontwikkelen en implementeren voor de branches die we hebben besproken, zullen het belangrijk vinden om afwegingen te maken. (Onze video, 5 factoren om uw voorbereiding op 5G te begeleiden, is een geweldige hulpbron.)

Hier zijn bijvoorbeeld voorbeelden van enkele van de belangrijkste overwegingen:

• Waar wordt uw applicatie geïmplementeerd? Toepassingen die zijn geoptimaliseerd voor mmWave werken niet zoals verwacht binnen gebouwen en wanneer een groter bereik vereist is. Optimale use-cases zijn onder meer 5G-cellulaire telecommunicatie in de 24- tot 39-GHz-banden, politieradar in de Ka-band (33.4- tot 36.0-GHz), scanners voor luchthavenbeveiliging, korteafstandsradar in militaire voertuigen en geautomatiseerde wapens op zee. schepen om raketten op te sporen en neer te halen.
• Wat voor soort doorvoer is vereist? Voor autonome voertuigen en intelligente transportsystemen (ITS) -toepassingen moeten de apparaten en connectiviteit worden geoptimaliseerd voor snelheid. Bijna realtime communicatie - gemeten in miljoensten van een seconde - is van cruciaal belang voor voertuigen en apparaten om "beslissingen te nemen" over het afslaan, accelereren en remmen, en de laagst mogelijke latentie is cruciaal voor deze toepassingen.
• Video- en VR-toepassingen moeten daarentegen worden geoptimaliseerd voor doorvoer. Videotoepassingen zoals medische beeldvorming kunnen uiteindelijk ten volle profiteren van de enorme hoeveelheden gegevens die 5G-netwerken kunnen ondersteunen.

Om 5G zijn volledige visie te laten leveren, moet de netwerkinfrastructuur ook evolueren. Het volgende diagram illustreert de migratie in de loop van de tijd, evenals de 5G-productplannen van Digi.

De vroegste toepassingen van 5G-technologie zullen niet uitsluitend 5G zijn, maar zullen verschijnen in toepassingen waar connectiviteit wordt gedeeld met bestaande 4G LTE in de zogenaamde niet-stand-alone (NSA) -modus. Wanneer u in deze modus werkt, maakt een apparaat eerst verbinding met het 4G LTE-netwerk en als 5G beschikbaar is, kan het apparaat dit gebruiken voor extra bandbreedte. Een apparaat dat verbinding maakt in de 5G NSA-modus kan bijvoorbeeld 200 Mbps downlink-snelheid krijgen via 4G LTE en nog eens 600 Mbps via 5G tegelijkertijd, voor een totale snelheid van 800 Mbps.

Naarmate de komende jaren steeds meer 5G-netwerkinfrastructuur online gaat, zal deze evolueren om alleen 5G stand-alone modus (SA) mogelijk te maken. Dit zorgt voor een lage latentie en de mogelijkheid om verbinding te maken met een groot aantal IoT-apparaten die tot de belangrijkste voordelen van 5G behoren.

Kernnetwerk

In deze sectie geven we een overzicht van de 5G-kernarchitectuur en beschrijven we de 5G-kerncomponenten. We zullen ook laten zien hoe de 5G-architectuur zich verhoudt tot de huidige 4G-architectuur.

Het 5G-kernnetwerk, dat de geavanceerde functionaliteit van 5G-netwerken mogelijk maakt, is een van de drie hoofdcomponenten van het 5G-systeem, ook wel 5GS (broncode) genoemd. De andere twee componenten zijn 5G-toegangsnetwerk (5G-AN) en gebruikersapparatuur (UE). De 5G-kern maakt gebruik van een cloudgebaseerde servicegebaseerde architectuur (SBA) om authenticatie, beveiliging, sessiebeheer en aggregatie van verkeer van verbonden apparaten te ondersteunen, wat allemaal de complexe onderlinge verbinding van netwerkfuncties vereist, zoals weergegeven in het 5G-kerndiagram.

De componenten van de 5G-kernarchitectuur zijn onder meer:

• Gebruikersvlak Functie (UPF)
• Datanetwerk (DN), bijv. Operatorservices, internettoegang of services van derden
• Kernfunctie voor toegangs- en mobiliteitsbeheer (AMF)
• Authentication Server-functie (AUSF)
• Sessiebeheerfunctie (SMF)
• Network Slice-selectiefunctie (NSSF)
• Netwerkbelichtingsfunctie (NEF)
• NF Repository-functie (NRF)
• Policy Control-functie (PCF)
• Uniform gegevensbeheer (UDM)
• Toepassingsfunctie (AF)

Het onderstaande 5G-netwerkarchitectuurdiagram illustreert hoe deze componenten met elkaar zijn verbonden.

4G-architectuurdiagram

Toen 4G evolueerde van zijn 3G-voorganger, werden er slechts kleine incrementele wijzigingen aangebracht in de netwerkarchitectuur. Het volgende 4G-netwerkarchitectuurdiagram toont de belangrijkste componenten van een 4G-kernnetwerk:

Bron: 3GPP

In de 4G-netwerkarchitectuur maakt gebruikersapparatuur (UE), zoals smartphones of mobiele apparaten, via het LTE Radio Access Network (E-UTRAN) verbinding met de Evolved Packet Core (EPC) en vervolgens verder met externe netwerken, zoals internet. De Evolved NodeB (eNodeB) scheidt het gebruikersdataverkeer (user plane) van het netwerkbeheer dataverkeer (control plane) en voert beide afzonderlijk in de EPC in.

5G-architectuurdiagram

5G is vanaf de basis ontworpen en netwerkfuncties zijn opgesplitst per service. Daarom wordt deze architectuur ook wel 5G core Service-Based Architecture (SBA) genoemd. Het volgende 5G-netwerktopologiediagram toont de belangrijkste componenten van een 5G-kernnetwerk:

Bron: Techplayon

Hier is hoe het werkt:

• Gebruikersapparatuur (UE) zoals 5G-smartphones of 5G-mobiele apparaten maken via het 5G New Radio Access Network verbinding met de 5G-kern en verder met datanetwerken (DN), zoals internet.
• De functie Toegangs- en mobiliteitsbeheer (AMF) fungeert als een enkel toegangspunt voor de UE-verbinding.
• Op basis van de door de UE gevraagde dienst, selecteert de AMF de respectieve Session Management Function (SMF) voor het beheren van de gebruikerssessie.
• De User Plane Function (UPF) transporteert het IP-dataverkeer (user plane) tussen de User Equipment (UE) en de externe netwerken.
• Met de Authentication Server-functie (AUSF) kan de AMF de UE verifiëren en toegang krijgen tot services van de 5G-kern.
• Andere functies, zoals de Session Management Function (SMF), de Policy Control Function (PCF), de Application Function (AF) en de Unified Data Management (UDM) -functie, bieden het beleidsbeheersingskader, passen beleidsbeslissingen toe en krijgen toegang tot abonnementsinformatie. het netwerkgedrag.

Zoals u kunt zien, is de 5G-netwerkarchitectuur achter de schermen complexer, maar deze complexiteit is nodig om betere service te bieden die kan worden afgestemd op het brede scala aan 5G-gebruiksscenario's.

Verschil tussen 4G- en 5G-netwerkarchitectuur

In deze sectie bespreken we hoe 4G- en 5G-architecturen verschillen. In een 4G LTE-netwerkarchitectuur bevinden de LTE RAN en eNodeB zich meestal dicht bij elkaar, vaak aan de basis of in de buurt van de zendmast die op gespecialiseerde hardware draait. De monolithische EPC daarentegen is vaak gecentraliseerd en verder weg van de eNodeB. Deze architectuur maakt end-to-end-communicatie met hoge snelheid en lage latentie uitdagend tot onmogelijk.

Terwijl normalisatie-instellingen zoals 3GPP en infrastructuurleveranciers zoals Nokia en Ericsson de 5G New Radio (5G-NR) -kern ontwierpen, braken ze de monolithische EPC uit en implementeerden ze elke functie zodat deze onafhankelijk van elkaar kon draaien op gemeenschappelijke, off-the- plank server hardware. Hierdoor kan de 5G-kern gedecentraliseerde 5G-knooppunten worden en zeer flexibel. 5G-kernfuncties kunnen nu bijvoorbeeld samen met applicaties in een edge-datacenter worden geplaatst, waardoor communicatiepaden korter worden en de end-to-end-snelheid en latentie worden verbeterd.

Bron: Techmania

Een ander voordeel van deze kleinere, meer gespecialiseerde 5G-kerncomponenten die op gewone hardware draaien, is dat netwerken nu kunnen worden aangepast via netwerkslicing. Met Network Slicing beschikt u over meerdere logische "segmenten" van functionaliteit die zijn geoptimaliseerd voor specifieke gebruiksscenario's, die allemaal werken op een enkele fysieke kern binnen de 5G-netwerkinfrastructuur.

Een 5G-netwerkoperator kan een segment aanbieden dat is geoptimaliseerd voor toepassingen met hoge bandbreedte, een ander segment dat meer is geoptimaliseerd voor lage latentie en een derde dat is geoptimaliseerd voor een groot aantal IoT-apparaten. Afhankelijk van deze optimalisatie zijn sommige van de 5G-kernfuncties mogelijk helemaal niet beschikbaar. Als u bijvoorbeeld alleen IoT-apparaten onderhoudt, heeft u de spraakfunctie die nodig is voor mobiele telefoons niet nodig. En omdat niet elke slice exact dezelfde capaciteiten moet hebben, wordt de beschikbare rekenkracht efficiënter gebruikt.

Bron: SDX Central

De evolutie van 5G

Elke generatie of "G" draadloze communicatie duurt ongeveer een decennium om volwassen te worden. De omschakeling van de ene generatie naar de volgende wordt voornamelijk gedreven door de behoefte van de operatoren om de beperkte hoeveelheid beschikbare spectrum te hergebruiken of opnieuw te gebruiken. Elke nieuwe generatie heeft meer spectrale efficiëntie, waardoor het mogelijk is om gegevens sneller en effectiever over het netwerk te verzenden.

De eerste generatie draadloze communicatie, of 1G, begon in de jaren 1980 met analoge technologie. Dit werd snel gevolgd door 2G, de eerste netwerkgeneratie die gebruik maakte van digitale technologie. De groei van 1G en 2G werd in eerste instantie gedreven door de markt voor gsm-toestellen. 2G bood ook datacommunicatie aan, maar tegen zeer lage snelheden.

De volgende generatie, 3G, begon in de vroege jaren 2000 op te voeren. De groei van 3G werd opnieuw aangedreven door handsets, maar was de eerste technologie die datasnelheden bood in het bereik van 1 megabit per seconde (Mbps), geschikt voor een verscheidenheid aan nieuwe toepassingen zowel op smartphones als voor het opkomende Internet of Things (IoT) ecosysteem. Onze huidige generatie draadloze technologie 4G LTE begon in 2010 op te voeren.

Het is belangrijk op te merken dat 4G LTE (Long Term Evolution) een lange levensduur heeft; het is een zeer succesvolle en volwassen technologie en zal naar verwachting nog minstens tien jaar op grote schaal worden gebruikt.

5G-architectuur en de cloud en de rand

Laten we het hebben over edge computing binnen de 5G-netwerkarchitectuur.

Nog een concept dat de 5G-netwerkarchitectuur onderscheidt van zijn 4G-voorganger, is dat van edge computing of mobile edge computing. In dit scenario kunt u kleine datacenters aan de rand van het netwerk plaatsen, dichtbij de zendmasten. Dat is erg belangrijk voor zeer lage latentie en voor toepassingen met hoge bandbreedte die dezelfde inhoud dragen.

Denk bij een hoge bandbreedte bijvoorbeeld aan videostreamingdiensten. De inhoud is afkomstig van een server die ergens in de cloud staat. Als mensen zijn aangesloten op een zendmast en laten we zeggen dat 100 mensen een populair tv-programma streamen, is het efficiënter om die inhoud zo dicht mogelijk bij de consument te hebben, precies daar aan de rand, idealiter op de zendmast.

De gebruiker streamt deze inhoud vanaf een opslagmedium dat zich aan de rand bevindt in plaats van deze informatie te moeten streamen en over te dragen en backhaul voor 100 mensen vanaf de centrale locatie in de cloud. In plaats daarvan kunt u met behulp van de 5G-structuur slechts één keer content naar de toren brengen en deze vervolgens distribueren naar uw 100 abonnees.

Hetzelfde principe is van toepassing op toepassingen die tweewegcommunicatie vereisen en waarbij een lage latentie vereist is. Als een gebruiker een applicatie aan de rand heeft, is de doorlooptijd veel sneller omdat de gegevens het netwerk niet hoeven te passeren.

In de 5G-netwerkstructuur kunnen deze edge-netwerken ook worden gebruikt voor diensten die aan de edge worden geleverd. Omdat het mogelijk is om deze 5G-kernfuncties te virtualiseren, kunt u ze laten draaien op een standaardserver of datacenterhardware en glasvezel laten lopen naar de radio die het signaal uitzendt. De radio is dus gespecialiseerd, maar al het andere is vrij standaard.

Vandaag de dag groeit 4G LTE nog steeds. Het biedt een uitstekende snelheid en voldoende bandbreedte om de meeste IoT-toepassingen van vandaag te ondersteunen. 4G LTE- en 5G-netwerken zullen het komende decennium naast elkaar bestaan, naarmate applicaties beginnen te migreren en vervolgens 5G-netwerken en -toepassingen uiteindelijk 4G LTE vervangen.

Apparaten die 5G gebruiken

5G zal in de loop van de tijd evolueren, en 5G-apparaten zullen dit voorbeeld volgen. Vroege producten zullen ‘5G-ready’ zijn, wat betekent dat deze producten over de verwerkingskracht en Gigabit Ethernet-poorten beschikken die nodig zijn om de 5G-modems en 5G-extenders met hogere bandbreedte te ondersteunen die nu in het verschiet liggen.

Latere 5G-producten zullen 5G-modems direct geïntegreerd hebben en een snellere multi-coreprocessor, 2.5 of zelfs 10 Gigabit Ethernet-interfaces en Wi-Fi 6/6E radio's. Deze productwijzigingen zullen de kosten van 5G-producten doen stijgen, maar zijn nodig om de extra snelheid en lagere latentie aan te kunnen die 5G-netwerken bieden.