Первый вопрос, который вы можете задать: что именно 5G? Второй вопрос может заключаться в следующем: как он устроен по-другому, чтобы обеспечить скорость, низкую задержку, емкость и множество других преимуществ?
В этой статье мы рассмотрим вопрос архитектуры 5G. Мы рассмотрим некоторые возможности, которые стали возможны благодаря сетевой архитектуре 5G, и то, какую выгоду от нее могут получить подключенные приложения. Дополнительные ресурсы вы можете найти по ссылкам в этой статье и в соответствующих ресурсах в нижнем колонтитуле. Хорошее базовое введение в 5G можно найти в статье «Что такое 5G, часть 1». Наш обзор 5G продолжается в части 2 «Кто примет 5G». Технологии, и когда?
Одно можно сказать наверняка: наш связанный мир меняется. 5G с сетевой архитектурой нового поколения может поддерживать тысячи новых приложений как в потребительском, так и в промышленном сегментах. Возможности 5G кажутся почти безграничными, когда скорость и пропускная способность экспоненциально выше, чем у существующих сетей.
Эти расширенные возможности позволят использовать приложения на вертикальных рынках, таких как производство, здравоохранение и транспорт, где 5G будет играть важную роль во всем, от расширенной автоматизации производства до полностью автономных транспортных средств. Чтобы разработать прибыльные бизнес-сценарии и приложения для 5G, необходимо иметь хотя бы общее представление об архитектуре сети 5G, которая лежит в основе всех этих новых приложений.
5G привлек огромное внимание и немало шумихи. Хотя потенциал огромен, важно знать, что отрасль все еще находится на ранней стадии внедрения. Процесс развертывания сети 5G начался много лет назад и включал создание новой инфраструктуры, большая часть которой финансируется крупными операторами беспроводной связи.
Полное развертывание 5G займет время, поскольку оно будет развернуто в крупных городах задолго до того, как сможет охватить менее населенные районы. Digi поддерживает наших клиентов в подготовке к 5G, сообщая о планировании миграции и продуктах следующего поколения. Хотя Digi не принимает непосредственного участия в разработке ядра новой радиосвязи (NR) 5G и сети радиодоступа (RAN) 5G, устройства Digi станут неотъемлемой частью концепции 5G и их использования во множестве приложений 5G.
Сетевая архитектура 5G
Итак - что такое 5G и чем архитектура сетевых технологий 5G отличается от предыдущих «G»?
Стандарты 3GPP, лежащие в основе сетевой архитектуры 5G, были введены Проектом партнерства третьего поколения (3GPP), организацией, которая разрабатывает международные стандарты для всей мобильной связи. Международный союз электросвязи (МСЭ) и его партнеры определяют требования и сроки для систем мобильной связи, определяя новое поколение примерно каждые десять лет. 3GPP разрабатывает спецификации для этих требований в серии выпусков.
Буква «G» в 5G означает «поколение». Архитектура технологии 5G представляет собой значительный прогресс по сравнению с технологией 4G LTE (долгосрочная эволюция), которая приходит вслед за 3G и 2G. Как мы описываем в нашем соответствующем ресурсе «Путешествие к 5G», всегда существует период времени, в течение которого одновременно существует несколько поколений сетей. Как и его предшественники, 5G должна сосуществовать с предыдущими сетями по двум важным причинам:
- Разработка и внедрение новых сетевых технологий требует огромных затрат времени, инвестиций и сотрудничества крупных организаций и операторов связи.
- Ранние пользователи всегда будут стремиться как можно быстрее освоить новые технологии, в то время как те, кто вложил значительные средства в крупные развертывания с существующими сетевыми технологиями, такими как 2G, 3G и 4G LTE, хотят использовать эти инвестиции как можно быстрее. как можно дольше, и, конечно, до тех пор, пока новая сеть не станет полностью жизнеспособной. (Обратите внимание, что сети 2G и 3G закрываются, чтобы освободить место для развертывания 5G. См. Сообщение в нашем блоге. Обновления отключения сети 2G, 3G, 4G.)
Сетевая архитектура мобильной технологии 5g значительно улучшилась по сравнению с предыдущими архитектурами. Большие сети с высокой плотностью ячеек позволяют значительно повысить производительность. Кроме того, архитектура сетей 5G обеспечивает лучшую безопасность по сравнению с сегодняшними сетями 4G LTE.
Таким образом, технология 5G предлагает три основных преимущества:
- Повышенная скорость передачи данных до нескольких гигабит / с.
- Большая емкость, обеспечивающая огромное количество устройств Интернета вещей на квадратный километр.
- Меньшая задержка, вплоть до однозначных миллисекунд, что критически важно в таких приложениях, как подключенные транспортные средства в приложениях ITS и автономных транспортных средствах, где требуется практически мгновенный отклик.
Означает ли это, что 5G сегодня полностью готов? И означает ли это, что архитектура 5G подходит для всех приложений? Читайте дальше, чтобы узнать, как новая технология поддерживает ключевые приложения и какие приложения больше подходят для 4G LTE.
Рекомендации по проектированию и планированию 5G
Соображения по поводу проектирования сетевой архитектуры 5G, поддерживающей приложения с высокими требованиями, сложны. Например, не существует универсального подхода; для ряда приложений требуются данные для перемещения на большие расстояния, большие объемы данных или некоторая их комбинация. Таким образом, архитектура 5G должна поддерживать низко-, средне- и высокополосный спектр - из лицензированных, общих и частных источников - для реализации полного видения 5G.
По этой причине 5G разработан для работы на радиочастотах от менее 1 ГГц до чрезвычайно высоких частот, называемых «миллиметровыми волнами» (или mmWave). Чем ниже частота, тем дальше может распространяться сигнал. Чем выше частота, тем больше данных он может нести.
В основе сетей 5G лежат три полосы частот:
- Высокочастотный диапазон 5G (mmWave) обеспечивает самые высокие частоты 5G. Они варьируются от 24 ГГц до примерно 100 ГГц. Поскольку высокие частоты не могут легко проходить через препятствия, высокочастотный 5G по своей природе является малодействующим. Кроме того, покрытие mmWave ограничено и требует большей сотовой инфраструктуры.
- Средняя полоса 5G работает в диапазоне 2–6 ГГц и обеспечивает уровень пропускной способности для городских и пригородных районов. Пиковая скорость в этой полосе частот составляет сотни Мбит / с.
- Низкочастотный диапазон 5G работает на частотах ниже 2 ГГц и обеспечивает широкое покрытие. Эта полоса использует спектр, который доступен и используется сегодня для 4G LTE, по сути обеспечивая архитектуру LTE 5g для устройств 5G, которые уже готовы. Поэтому производительность низкополосного 5G аналогична 4G LTE и поддерживает использование для устройств 5G, представленных сегодня на рынке.
Помимо доступности спектра и требований приложений, касающихся расстояния и полосы пропускания, операторы должны учитывать требования к мощности 5G, поскольку типовая конструкция базовой станции 5G требует вдвое большей мощности, чем базовая станция 4G.
Рекомендации по планированию и развертыванию приложений 5G
Системные интеграторы и те, кто разрабатывает и развертывает приложения 5G для обсуждаемых нами вертикалей, обнаружат, что важно учитывать компромиссы. (Наше видео «5 факторов, которые помогут вам подготовиться к 5G» - отличный ресурс.)
Например, вот примеры некоторых ключевых соображений:
- Где будет развернуто ваше приложение? Приложения, оптимизированные для mmWave, не будут работать должным образом в зданиях и когда требуется расширенный диапазон. Оптимальные варианты использования включают сотовую связь 5G в диапазонах от 24 до 39 ГГц, полицейский радар в диапазоне Ka (от 33.4 до 36.0 ГГц), сканеры в службах безопасности аэропортов, радары ближнего действия в военных транспортных средствах и автоматизированное оружие на военно-морском транспорте. корабли для обнаружения и уничтожения ракет.
- Какая потребуется пропускная способность? Для приложений автономных транспортных средств и интеллектуальных транспортных систем (ITS) устройства и возможности подключения должны быть оптимизированы с точки зрения скорости. Связь в режиме, близком к реальному времени, измеряемая в миллионных долях секунды, имеет решающее значение для транспортных средств и устройств для «принятия решений» о поворотах, ускорении и торможении, а минимально возможная задержка имеет решающее значение для этих приложений.
- Видео- и VR-приложения, напротив, должны быть оптимизированы по пропускной способности. Видеоприложения, такие как обработка медицинских изображений, в конечном итоге могут в полной мере использовать огромные объемы данных, которые могут поддерживать сети 5G.
Для того, чтобы 5G реализовал свое полное видение, сетевая инфраструктура также должна развиваться. Следующая диаграмма иллюстрирует миграцию с течением времени, а также планы Digi по выпуску продуктов 5G.
Первыми вариантами использования технологии 5G будут не только 5G, но и приложения, в которых возможность подключения используется совместно с существующим 4G LTE в так называемом автономном режиме (NSA). При работе в этом режиме устройство сначала подключится к сети 4G LTE, и если 5G доступен, устройство сможет использовать его для дополнительной полосы пропускания. Например, устройство, подключающееся в режиме 5G NSA, может получить скорость нисходящего канала 200 Мбит / с по 4G LTE и еще 600 Мбит / с по 5G одновременно, при совокупной скорости 800 Мбит / с.
По мере того, как в течение следующих нескольких лет все больше и больше сетевой инфраструктуры 5G будет подключаться к сети, она будет развиваться, чтобы включить автономный режим (SA) только для 5G. Это обеспечит низкую задержку и возможность подключения к огромному количеству устройств IoT, которые являются одними из основных преимуществ 5G.
Базовая сеть
В этом разделе мы предоставим обзор базовой архитектуры 5G и опишем основные компоненты 5G. Мы также покажем, как архитектура 5G сравнивается с текущей архитектурой 4G.
Базовая сеть 5G, которая обеспечивает расширенные функциональные возможности сетей 5G, является одним из трех основных компонентов системы 5G, также известной как 5GS (источник). Двумя другими компонентами являются сеть доступа 5G (5G-AN) и пользовательское оборудование (UE). Ядро 5G использует ориентированную на облако сервисную архитектуру (SBA) для поддержки аутентификации, безопасности, управления сеансами и агрегации трафика от подключенных устройств, что требует сложного взаимодействия сетевых функций, как показано на схеме ядра 5G.
Компоненты базовой архитектуры 5G включают:
- Функция плоскости пользователя (UPF)
- Сеть передачи данных (DN), например, услуги оператора, доступ в Интернет или сторонние услуги
- Основная функция управления доступом и мобильностью (AMF)
- Функция сервера аутентификации (AUSF)
- Функция управления сеансом (SMF)
- Функция выбора сетевого сегмента (NSSF)
- Функция сетевой экспозиции (NEF)
- Функция репозитория NF (NRF)
- Функция контроля политик (PCF)
- Единое управление данными (UDM)
- Прикладная функция (AF)
На приведенной ниже схеме архитектуры сети 5G показано, как связаны эти компоненты.
Схема архитектуры 4G
Когда 4G эволюционировал от своего предшественника 3G, в архитектуру сети были внесены лишь небольшие постепенные изменения. На следующей схеме архитектуры сети 4G показаны ключевые компоненты базовой сети 4G:
Источник: 3GPP
В сетевой архитектуре 4G пользовательское оборудование (UE), такое как смартфоны или сотовые устройства, подключается через сеть радиодоступа LTE (E-UTRAN) к Evolved Packet Core (EPC), а затем к внешним сетям, таким как Интернет. Evolved NodeB (eNodeB) отделяет трафик пользовательских данных (плоскость пользователя) от трафика данных управления (плоскость управления) сети и передает их по отдельности в EPC.
Схема архитектуры 5G
5G был разработан с нуля, и сетевые функции разделены по услугам. Вот почему эту архитектуру также называют базовой сервисной архитектурой (SBA) 5G. На следующей схеме топологии сети 5G показаны ключевые компоненты базовой сети 5G:
Источник: Techplayon
Вот как это работает:
- Пользовательское оборудование (UE), такое как смартфоны 5G или сотовые устройства 5G, подключается через новую сеть радиодоступа 5G к ядру 5G и далее к сетям передачи данных (DN), таким как Интернет.
- Функция управления доступом и мобильностью (AMF) действует как единственная точка входа для соединения UE.
- На основе услуги, запрошенной UE, AMF выбирает соответствующую функцию управления сеансом (SMF) для управления сеансом пользователя.
- Функция плоскости пользователя (UPF) транспортирует трафик IP-данных (плоскость пользователя) между оборудованием пользователя (UE) и внешними сетями.
- Функция сервера аутентификации (AUSF) позволяет AMF аутентифицировать UE и получать доступ к службам ядра 5G.
- Другие функции, такие как функция управления сеансом (SMF), функция управления политикой (PCF), функция приложения (AF) и функция унифицированного управления данными (UDM), обеспечивают структуру управления политиками, применяя решения политик и получая доступ к информации о подписке, для управления поведение сети.
Как видите, сетевая архитектура 5G более сложна за кулисами, но эта сложность необходима для предоставления более качественных услуг, которые можно адаптировать к широкому спектру сценариев использования 5G.
Разница между сетевой архитектурой 4G и 5G
В этом разделе мы обсудим, чем отличаются архитектуры 4G и 5G. В сетевой архитектуре 4G LTE LTE RAN и eNodeB обычно расположены близко друг к другу, часто на базе или рядом с вышкой сотовой связи, работающей на специализированном оборудовании. С другой стороны, монолитный EPC часто централизован и дальше от eNodeB. Эта архитектура делает невозможным высокоскоростную сквозную связь с малой задержкой.
Поскольку органы стандартизации, такие как 3GPP, и поставщики инфраструктуры, такие как Nokia и Ericsson, спроектировали ядро 5G New Radio (5G-NR), они разделили монолитный EPC и реализовали каждую функцию так, чтобы она могла работать независимо друг от друга в общем, вне сети. полка серверного оборудования. Это позволяет ядру 5G стать децентрализованным узлом 5G и очень гибким. Например, основные функции 5G теперь могут быть совмещены с приложениями в пограничном центре обработки данных, что сокращает пути связи и, таким образом, улучшает сквозную скорость и задержку.
Еще одно преимущество этих более мелких и специализированных базовых компонентов 5G, работающих на обычном оборудовании, заключается в том, что теперь сети можно настраивать с помощью сегментации сети. Сетевая сегментация позволяет вам иметь несколько логических «срезов» функциональности, оптимизированных для конкретных случаев использования, и все они работают на одном физическом ядре в сетевой инфраструктуре 5G.
Оператор сети 5G может предложить один сегмент, оптимизированный для приложений с высокой пропускной способностью, другой сегмент, более оптимизированный для низкой задержки, и третий, оптимизированный для огромного количества устройств IoT. В зависимости от этой оптимизации некоторые из основных функций 5G могут быть вообще недоступны. Например, если вы обслуживаете только устройства IoT, вам не понадобится голосовая функция, необходимая для мобильных телефонов. А поскольку не все срезы должны иметь одинаковые возможности, доступная вычислительная мощность используется более эффективно.
Источник: SDX Central
Эволюция 5G
Каждому поколению или «G» беспроводной связи требуется около десяти лет, чтобы созреть. Переход от одного поколения к другому в основном обусловлен необходимостью операторов повторно использовать или перепрофилировать ограниченный объем доступного спектра. Каждое новое поколение обладает большей спектральной эффективностью, что позволяет передавать данные по сети быстрее и эффективнее.
Первое поколение беспроводной связи, или 1G, появилось еще в 1980-х годах с аналоговой технологии. За этим быстро последовало 2G, первое поколение сетей, использующее цифровые технологии. Первоначально рост 1G и 2G был обусловлен рынком мобильных телефонов. 2G также предлагал передачу данных, но на очень низких скоростях.
Следующее поколение, 3G, начало набирать обороты в начале 2000-х годов. Рост 3G снова был вызван мобильными телефонами, но это была первая технология, предлагающая скорость передачи данных в диапазоне 1 мегабит в секунду (Мбит / с), подходящая для множества новых приложений как на смартфонах, так и для развивающегося Интернета вещей (IoT). экосистема. Наше нынешнее поколение беспроводной технологии 4G LTE начало активно развиваться в 2010 году.
Важно отметить, что у 4G LTE (Long Term Evolution) впереди долгая жизнь; это очень успешная и зрелая технология, и ожидается, что она будет широко использоваться как минимум еще десять лет.
Архитектура 5G, облако и периферия
Давайте поговорим о периферийных вычислениях в сетевой архитектуре 5G.
Еще одна концепция, которая отличает архитектуру сети 5G от ее предшественницы 4G, - это периферийные вычисления или мобильные периферийные вычисления. В этом сценарии у вас могут быть небольшие центры обработки данных, расположенные на краю сети, рядом с вышками сотовой связи. Это очень важно для очень низкой задержки и для приложений с высокой пропускной способностью, передающих один и тот же контент.
В качестве примера с высокой пропускной способностью представьте себе службы потокового видео. Контент создается на сервере, который находится где-то в облаке. Если люди подключены к вышке сотовой связи и, скажем, 100 человек транслируют популярную телепрограмму, более эффективно располагать этот контент как можно ближе к потребителю, прямо на краю, в идеале - на вышке сотовой связи.
Пользователь передает этот контент в потоковом режиме с носителя, который находится на периферии, вместо того, чтобы выполнять потоковую передачу и передачу этой информации и ретрансляции ее для 100 человек из центрального местоположения в облаке. Вместо этого, используя структуру 5G, вы можете довести контент до башни только один раз, а затем распространить его среди своих 100 подписчиков.
Тот же принцип применяется в приложениях, требующих двусторонней связи, где требуется низкая задержка. Если у пользователя есть приложение, работающее на периферии, время обработки значительно сокращается, поскольку данные не должны пересекать сеть.
В структуре сети 5G эти граничные сети также могут использоваться для услуг, которые предоставляются на границе. Поскольку эти основные функции 5G можно виртуализировать, вы можете запустить их на стандартном сервере или оборудовании центра обработки данных и подключить оптоволокно к радиомодулю, который отправляет сигнал. Так что радио специализированное, а в остальном все стандартно.
Сегодня 4G LTE продолжает развиваться. Он обеспечивает отличную скорость и достаточную пропускную способность для поддержки большинства современных приложений IoT. Сети 4G LTE и 5G будут сосуществовать в течение следующего десятилетия, поскольку приложения начнут мигрировать, а затем сети и приложения 5G в конечном итоге вытеснят 4G LTE.
Устройства, использующие 5G
5G будет развиваться со временем, и устройства 5G последуют этому примеру. Первые продукты будут «готовы к 5G», что означает, что эти продукты обладают вычислительной мощностью и портами Gigabit Ethernet, необходимыми для поддержки модемов 5G с более высокой пропускной способностью и удлинителей 5G, которые уже сейчас на горизонте.
Более поздние продукты 5G будут иметь непосредственно интегрированные модемы 5G, более быстрый многоядерный процессор, интерфейсы 2.5 или даже 10 Gigabit Ethernet и Wi-Fi Радиостанции 6/6Е. Эти изменения в продуктах повысят стоимость продуктов 5G, но необходимы для обеспечения дополнительной скорости и меньшей задержки, которые предлагают сети 5G.