5G Ağ Mimarisi Nedir?

Sorabileceğiniz ilk soru şudur: Tam olarak nedir? 5G? İkinci soru şu olabilir: Hız, düşük gecikme süresi, kapasite ve diğer birçok faydayı sağlayacak şekilde nasıl farklı şekilde tasarlandı?

Bu yazımızda 5G mimarisi sorusunu ele alacağız. 5G ağ mimarisinin mümkün kıldığı bazı yeteneklere ve bağlantılı uygulamaların bundan nasıl yararlanabileceğine bakacağız. Bu makaledeki bağlantılarda ve alt bilgideki ilgili kaynaklarda daha fazla kaynak bulabilirsiniz. 5G'ye iyi bir temel giriş için 5G Nedir, Bölüm 1 makalesine bakın. 5G'ye genel bakışımız 2G'yi Kimler Benimseyecek Bölüm 5'de devam ediyor Teknoloji, ve ne zaman?

Kesin olan bir şey var: Bağlantılı dünyamız değişiyor. 5G, yeni nesil ağ mimarisiyle hem tüketici hem de endüstriyel segmentte binlerce yeni uygulamayı destekleme potansiyeline sahip. Hız ve verim mevcut ağlardan katlanarak yüksek olduğunda 5G'nin olanakları neredeyse sınırsız görünüyor.

Bu gelişmiş yetenekler, 5G'nin gelişmiş üretim otomasyonundan tam otonom araçlara kadar her konuda önemli bir rol oynayacağı üretim, sağlık hizmetleri ve ulaşım gibi dikey pazarlarda uygulamalara olanak sağlayacak. 5G'ye yönelik kârlı iş kullanım durumları ve uygulamaları geliştirmek için, tüm bu yeni uygulamaların kalbinde yer alan 5G ağ mimarisine ilişkin en azından genel bir anlayışa sahip olmak yardımcı olur.

5G çok büyük bir ilgi gördü ve biraz da abartılı bir heyecan yarattı. Potansiyel çok büyük olsa da sektörün henüz benimsenme aşamasında olduğunu bilmek önemlidir. 5G ağını yerleştirme süreci yıllar önce başladı ve çoğu büyük kablosuz operatörler tarafından finanse edilen yeni altyapının oluşturulmasını içeriyordu.

Tam 5G dağıtımı zaman alacak ve daha az nüfuslu bölgelere ulaşmadan çok önce büyük şehirlerde kullanıma sunulacak. Digi, geçiş planlaması ve yeni nesil ürünlerle ilgili iletişimlerle müşterilerimize 5G'ye hazırlık konusunda destek oluyor. Digi, 5G yeni radyo (NR) çekirdeğinin ve 5G radyo erişim ağının (RAN) geliştirilmesinde doğrudan yer almasa da Digi cihazları, 5G vizyonunun ve bunların sayısız 5G uygulamasında kullanımının ayrılmaz bir parçası olacak.

5G Ağ Mimarisi

Peki 5G tam olarak nedir ve 5G ağ teknolojisi mimarisinin önceki “G'lerden” farkı nedir?

3G ağ mimarisinin arkasındaki 5GPP standartları, tüm mobil iletişim için uluslararası standartlar geliştiren kuruluş olan 3. Nesil Ortaklık Projesi (3GPP) tarafından tanıtıldı. Uluslararası Telekomünikasyon Birliği (ITU) ve ortakları, yaklaşık her on yılda bir yeni nesli tanımlayarak mobil iletişim sistemlerine yönelik gereksinimleri ve zaman çizelgesini tanımlar. 3GPP, bir dizi sürümde bu gereksinimlere yönelik spesifikasyonlar geliştirir.

5G'deki "G", "nesil" anlamına gelir. 5G teknoloji mimarisi, 4G ve 3G'nin ardından gelen 2G LTE (uzun vadeli evrim) teknolojisinin ötesinde önemli ilerlemeler sunuyor. İlgili kaynağımız 5G'ye Yolculuk'ta anlattığımız gibi, her zaman birden fazla ağ neslinin aynı anda var olduğu bir zaman dilimi vardır. Öncekiler gibi 5G'nin de iki önemli nedenden dolayı önceki ağlarla birlikte var olması gerekiyor:

1. Yeni ağ teknolojilerinin geliştirilmesi ve dağıtılması, büyük miktarda zaman, yatırım ve büyük kuruluşların ve taşıyıcıların işbirliğini gerektirir.
2. İlk benimseyenler her zaman yeni teknolojileri olabildiğince çabuk ele geçirmek isterken, 2G, 3G ve 4G LTE gibi mevcut ağ teknolojileriyle büyük dağıtımlara büyük yatırımlar yapmış olanlar bu yatırımlardan mümkün olduğunca yararlanmak isteyecektir. mümkün olduğu kadar uzun süre ve kesinlikle yeni ağ tamamen uygulanabilir hale gelene kadar. (2G dağıtımına yer açmak için 3G ve 5G ağlarının kullanımdan kaldırıldığını unutmayın. 2G, 3G, 4G Ağ Kapatma Güncellemeleri blog yayınımıza bakın.)

5g mobil teknolojisinin ağ mimarisi, geçmiş mimarilere göre büyük ölçüde gelişmiştir. Büyük hücre yoğunluklu ağlar, performansta büyük sıçramalara olanak tanır. Ayrıca 5G ağlarının mimarisi, günümüzün 4G LTE ağlarına kıyasla daha iyi güvenlik sunuyor.

Özetle 5G teknolojisi üç temel avantaj sunuyor:

• Çoklu Gigabit/s hızlarına kadar daha hızlı veri iletim hızı.
• Daha yüksek kapasite, kilometrekare başına çok büyük miktarda IoT cihazının kullanılmasını sağlıyor.
• ITS uygulamalarındaki bağlantılı araçlar ve neredeyse anlık yanıtın gerekli olduğu otonom araçlar gibi uygulamalarda kritik önem taşıyan tek haneli milisaniyelere kadar daha düşük gecikme süresi.

Bu, bugün 5G'nin tamamen hazır olduğu anlamına mı geliyor? Peki bu, 5G mimarisinin tüm uygulamalar için doğru olduğu anlamına mı geliyor? Yeni teknolojinin önemli uygulamaları nasıl desteklediğini ve hangi uygulamaların 4G LTE'ye daha uygun olduğunu görmek için okumaya devam edin.

5G Tasarım ve Planlama Konuları

Oldukça zorlu uygulamaları destekleyen bir 5G ağ mimarisine yönelik tasarım hususları karmaşıktır. Örneğin herkese uyacak tek bir yaklaşım yoktur; Uygulama yelpazesi, mesafeleri kat etmek için veriye, büyük veri hacimlerine veya bazı kombinasyonlara ihtiyaç duyar. Dolayısıyla 5G mimarisinin, tam 5G vizyonunu sunabilmesi için lisanslı, paylaşılan ve özel kaynaklardan gelen düşük, orta ve yüksek bant spektrumunu desteklemesi gerekiyor.

Bu nedenle 5G, 1 GHz'in altından "milimetre dalga" (veya mmWave) adı verilen son derece yüksek frekanslara kadar değişen radyo frekanslarında çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Frekans ne kadar düşük olursa sinyal o kadar uzağa gidebilir. Frekans ne kadar yüksek olursa, taşıyabileceği veri de o kadar fazla olur.

5G ağlarının merkezinde üç frekans bandı bulunmaktadır:

• 5G yüksek bant (mmWave), 5G'nin en yüksek frekanslarını sunar. Bunlar 24 GHz ile yaklaşık 100 GHz arasında değişir. Yüksek frekanslar engellerin üzerinden kolaylıkla geçemediğinden, yüksek bant 5G doğası gereği kısa menzillidir. Üstelik mmWave kapsama alanı sınırlıdır ve daha fazla hücresel altyapı gerektirir.
• 5G orta bant, 2-6 GHz aralığında çalışır ve kentsel ve banliyö alanlar için bir kapasite katmanı sağlar. Bu frekans bandı yüzlerce Mbps'lik tepe hızlarına sahiptir.
• 5G düşük bant, 2 GHz'in altında çalışır ve geniş bir kapsama alanı sağlar. Bu bant, bugün 4G LTE için mevcut olan ve kullanımda olan spektrumu kullanıyor ve esas olarak şu anda hazır olan 5G cihazları için bir LTE 5g mimarisi sağlıyor. Düşük bant 5G'nin performansı bu nedenle 4G LTE'ye benzer ve bugün piyasada bulunan 5G cihazlarının kullanımını desteklemektedir.

Spektrum kullanılabilirliği ve mesafe ve bant genişliği hususlarına yönelik uygulama gereksinimlerine ek olarak, tipik 5G baz istasyonu tasarımı, bir 5G baz istasyonunun iki katından fazla güç gerektirdiğinden, operatörlerin 4G'nin güç gereksinimlerini de dikkate alması gerekir.

5G Uygulamalarının Planlanması ve Dağıtılmasına İlişkin Hususlar

Sistem entegratörleri ve tartıştığımız sektörler için 5G uygulamalarını geliştiren ve dağıtanlar, ödün vermenin dikkate alınmasının önemli olduğunu göreceklerdir. (5G'ye Hazırlığınızı Yönlendirecek 5 Faktör adlı videomuz harika bir kaynaktır.)

Örneğin, burada dikkate alınması gereken bazı temel hususlara ilişkin örnekler verilmiştir:

• Uygulamanız nerede konuşlandırılacak? MmWave için optimize edilmiş uygulamalar, binalarda ve genişletilmiş menzil gerektiğinde beklendiği gibi çalışmayacaktır. En uygun kullanım örnekleri arasında 5 ila 24 GHz bantlarında 39G hücresel telekomünikasyon, Ka bandında (33.4 ila 36.0 GHz) polis radarı, havaalanı güvenliğindeki tarayıcılar, askeri araçlarda kısa menzilli radar ve denizde otomatik silahlar yer alıyor. füzeleri tespit etmek ve düşürmek için gemiler.
• Ne tür bir verim gerekli olacak? Otonom araçlar ve akıllı ulaşım sistemleri (ITS) uygulamaları için cihazların ve bağlantıların hız açısından optimize edilmesi gerekiyor. Saniyenin milyonda biri cinsinden ölçülen neredeyse gerçek zamanlı iletişim, araçların ve cihazların dönme, hızlanma ve frenleme konusunda "karar vermesi" açısından kritik öneme sahiptir ve mümkün olan en düşük gecikme süresi bu uygulamalar için kritik öneme sahiptir.
• Buna karşılık, video ve VR uygulamalarının verim açısından optimize edilmesi gerekir. Tıbbi görüntüleme gibi video uygulamaları, sonuçta 5G ağlarının destekleyebileceği devasa miktardaki veriden tam anlamıyla yararlanabilir.

5G'nin tam vizyonunu sunabilmesi için ağ altyapısının da gelişmesi gerekiyor. Aşağıdaki şemada zaman içindeki geçişin yanı sıra Digi'nin 5G ürün planları da gösterilmektedir.

5G teknolojisinin ilk kullanımları yalnızca 5G olmayacak, ancak bağlantının bağımsız olmayan (NSA) mod olarak adlandırılan mevcut 4G LTE ile paylaşıldığı uygulamalarda ortaya çıkacak. Bu modda çalışırken bir cihaz öncelikle 4G LTE ağına bağlanacak ve eğer 5G mevcutsa cihaz bunu ek bant genişliği olarak kullanabilecek. Örneğin, 5G NSA modunda bağlanan bir cihaz, toplam 200 Mbps'lik bir hız için aynı anda 4G LTE üzerinden 600 Mbps ve 5G üzerinden 800 Mbps aşağı bağlantı hızı elde edebilir.

Önümüzdeki birkaç yıl içinde giderek daha fazla 5G ağ altyapısı çevrimiçi hale geldikçe, yalnızca 5G'ye yönelik bağımsız modu (SA) etkinleştirecek şekilde gelişecektir. Bu, 5G'nin başlıca avantajları arasında yer alan düşük gecikme süresini ve çok sayıda IoT cihazıyla bağlantı kurma yeteneğini beraberinde getirecek.

Çekirdek ağ

Bu bölümde 5G çekirdek mimarisine genel bir bakış sunacağız ve 5G çekirdek bileşenlerini açıklayacağız. Ayrıca 5G mimarisinin mevcut 4G mimarisiyle nasıl karşılaştırıldığını da göstereceğiz.

5G ağlarının gelişmiş işlevselliğini sağlayan 5G çekirdek ağı, 5GS (kaynak) olarak da bilinen 5G Sisteminin üç ana bileşeninden biridir. Diğer iki bileşen ise 5G Erişim ağı (5G-AN) ve Kullanıcı Ekipmanıdır (UE). 5G çekirdeği, kimlik doğrulamayı, güvenliği, oturum yönetimini ve bağlı cihazlardan gelen trafiğin toplanmasını desteklemek için bulutla uyumlu hizmet tabanlı bir mimari (SBA) kullanıyor; bunların tümü, 5G çekirdek şemasında gösterildiği gibi ağ işlevlerinin karmaşık ara bağlantısını gerektiriyor.

5G çekirdek mimarisinin bileşenleri şunları içerir:

• Kullanıcı Düzlemi İşlevi (UPF)
• Veri ağı (DN), örneğin operatör hizmetleri, İnternet erişimi veya 3. taraf hizmetleri
• Temel Erişim ve Mobilite Yönetimi İşlevi (AMF)
• Kimlik Doğrulama Sunucusu İşlevi (AUSF)
• Oturum Yönetimi İşlevi (SMF)
• Ağ Dilim Seçimi İşlevi (NSSF)
• Ağa Maruz Kalma İşlevi (NEF)
• NF Deposu İşlevi (NRF)
• Politika Kontrol işlevi (PCF)
• Birleşik Veri Yönetimi (UDM)
• Uygulama Fonksiyonu (AF)

Aşağıdaki 5G ağ mimarisi şeması, bu bileşenlerin nasıl ilişkilendirildiğini göstermektedir.

4G Mimari Şeması

4G, önceki 3G'den evrimleştiğinde, ağ mimarisinde yalnızca küçük artımlı değişiklikler yapıldı. Aşağıdaki 4G ağ mimarisi şeması, 4G çekirdek ağının temel bileşenlerini göstermektedir:

Kaynak: 3GPP

4G ağ mimarisinde, akıllı telefonlar veya hücresel cihazlar gibi Kullanıcı Ekipmanı (UE), LTE Radyo Erişim Ağı (E-UTRAN) üzerinden Gelişmiş Paket Çekirdeğine (EPC) ve ardından İnternet gibi Harici Ağlara bağlanır. Geliştirilmiş NodeB (eNodeB), kullanıcı veri trafiğini (kullanıcı düzlemi) ağın yönetim veri trafiğinden (kontrol düzlemi) ayırır ve her ikisini de ayrı ayrı EPC'ye besler.

5G Mimari Şeması

5G sıfırdan tasarlandı ve ağ işlevleri hizmete göre bölünmüş durumda. Bu mimariye 5G çekirdek Hizmet Tabanlı Mimari (SBA) adı verilmesinin nedeni budur. Aşağıdaki 5G ağ topolojisi şeması, 5G çekirdek ağının temel bileşenlerini göstermektedir:

Kaynak: Techplayon

İşte nasıl çalışır:

• 5G akıllı telefonlar veya 5G hücresel cihazlar gibi Kullanıcı Ekipmanları (UE), 5G Yeni Radyo Erişim Ağı üzerinden 5G çekirdeğine ve ayrıca İnternet gibi Veri Ağlarına (DN) bağlanır.
• Erişim ve Mobilite Yönetimi İşlevi (AMF), UE bağlantısı için tek giriş noktası görevi görür.
• UE tarafından talep edilen hizmete bağlı olarak AMF, kullanıcı oturumunu yönetmek için ilgili Oturum Yönetim Fonksiyonunu (SMF) seçer.
• Kullanıcı Düzlemi İşlevi (UPF), Kullanıcı Ekipmanı (UE) ile harici ağlar arasındaki IP veri trafiğini (kullanıcı düzlemi) taşır.
• Kimlik Doğrulama Sunucusu İşlevi (AUSF), AMF'nin UE'nin kimliğini doğrulamasına ve 5G çekirdeğinin hizmetlerine erişmesine olanak tanır.
• Oturum Yönetimi İşlevi (SMF), Politika Kontrol İşlevi (PCF), Uygulama İşlevi (AF) ve Birleşik Veri Yönetimi (UDM) işlevi gibi diğer işlevler, politika kararlarını uygulayan ve abonelik bilgilerine erişerek politika kontrol çerçevesini sağlar. ağ davranışı.

Gördüğünüz gibi 5G ağ mimarisi perde arkasında daha karmaşıktır ancak bu karmaşıklık, geniş 5G kullanım senaryolarına göre uyarlanabilecek daha iyi hizmet sağlamak için gereklidir.

4G ve 5G Ağ Mimarisi Arasındaki Fark

Bu bölümde 4G ve 5G mimarilerinin nasıl farklılaştığını tartışacağız. 4G LTE ağ mimarisinde, LTE RAN ve eNodeB genellikle birbirine yakındır, genellikle tabanda veya özel donanım üzerinde çalışan baz istasyonunun yakınında bulunur. Öte yandan monolitik EPC genellikle merkezileştirilmiştir ve eNodeB'den uzaktadır. Bu mimari, yüksek hızlı, düşük gecikmeli, uçtan uca iletişimi zorlaştırır hatta imkansız hale getirir.

3GPP gibi standart kuruluşları ve Nokia ve Ericsson gibi altyapı sağlayıcıları 5G Yeni Radyo (5G-NR) çekirdeğini tasarlarken, yekpare EPC'yi parçalara ayırdılar ve her işlevi ortak, çevrimdışı çalışabilecek şekilde uyguladılar. raf sunucusu donanımı. Bu, 5G çekirdeğinin merkezi olmayan 5G düğümleri haline gelmesine ve çok esnek olmasına olanak tanır. Örneğin, 5G temel işlevleri artık bir uç veri merkezindeki uygulamalarla aynı yerde konumlandırılabiliyor, bu da iletişim yollarını kısaltıyor ve böylece uçtan uca hız ve gecikmeyi artırıyor.

Kaynak: Techmania

Ortak donanım üzerinde çalışan bu daha küçük, daha uzmanlaşmış 5G çekirdek bileşenlerinin bir diğer avantajı da ağların artık ağ dilimleme yoluyla özelleştirilebilmesidir. Ağ dilimleme, tümü 5G ağ altyapısında tek bir fiziksel çekirdek üzerinde çalışan, belirli kullanım durumları için optimize edilmiş birden fazla mantıksal işlevsellik "dilimine" sahip olmanızı sağlar.

Bir 5G ağ operatörü, yüksek bant genişliği uygulamaları için optimize edilmiş bir dilim, düşük gecikme için daha optimize edilmiş başka bir dilim ve çok sayıda IoT cihazı için optimize edilmiş bir üçüncü dilim sunabilir. Bu optimizasyona bağlı olarak 5G temel fonksiyonlarından bazıları hiç kullanılamayabilir. Örneğin yalnızca IoT cihazlarına bakım yapıyorsanız cep telefonları için gerekli olan ses fonksiyonuna ihtiyacınız olmaz. Ve her dilimin tam olarak aynı yeteneklere sahip olması gerekmediğinden, mevcut bilgi işlem gücü daha verimli bir şekilde kullanılır.

Kaynak: SDX Merkezi

5G'nin Evrimi

Kablosuz iletişimin her neslinin veya “G”sinin olgunlaşması yaklaşık on yıl alır. Bir nesilden diğerine geçiş, temel olarak operatörlerin sınırlı miktardaki mevcut spektrumu yeniden kullanma veya yeniden kullanma ihtiyacından kaynaklanmaktadır. Her yeni nesil daha fazla spektral verimliliğe sahiptir ve bu da verilerin ağ üzerinden daha hızlı ve daha etkili bir şekilde iletilmesini mümkün kılar.

İlk nesil kablosuz iletişim veya 1G, 1980'lerde analog teknolojiyle başladı. Bunu hızla dijital teknolojiyi kullanan ilk ağ nesli olan 2G izledi. 1G ve 2G'nin büyümesi başlangıçta cep telefonu pazarından kaynaklandı. 2G ayrıca veri iletişimi de sunuyordu, ancak çok düşük hızlarda.

Yeni nesil 3G, 2000'li yılların başında yükselişe geçti. 3G'nin büyümesi yine cep telefonları tarafından sağlandı, ancak hem akıllı telefonlardaki hem de yeni ortaya çıkan Nesnelerin İnterneti (IoT) için çeşitli yeni uygulamalara uygun, saniyede 1 Megabit (Mbps) aralığında veri hızları sunan ilk teknoloji oldu. ekosistem. Mevcut nesil kablosuz teknolojimiz 4G LTE, 2010 yılında yaygınlaşmaya başladı.

4G LTE'nin (Uzun Vadeli Evrim) önümüzde uzun bir ömre sahip olduğunu unutmamak önemlidir; oldukça başarılı ve olgun bir teknolojidir ve en az bir on yıl daha yaygın olarak kullanılması beklenmektedir.

5G Mimarisi, Bulut ve Uç

5G ağ mimarisi içerisinde uç bilişimden bahsedelim.

5G ağ mimarisini 4G öncülünden ayıran bir kavram da uç bilişim veya mobil uç bilişimdir. Bu senaryoda, ağın ucunda, baz istasyonlarının bulunduğu yere yakın konumlandırılmış küçük veri merkezlerine sahip olabilirsiniz. Bu, çok düşük gecikme süresi ve aynı içeriği taşıyan yüksek bant genişliğine sahip uygulamalar için çok önemlidir.

Yüksek bant genişliğine örnek olarak video akış hizmetlerini düşünün. İçerik, bulutta bir yerde bulunan bir sunucudan kaynaklanır. İnsanlar bir baz istasyonuna bağlıysa ve diyelim ki 100 kişi popüler bir TV programını izliyorsa, bu içeriği tüketiciye mümkün olduğunca yakın, tam kenarda, ideal olarak baz istasyonunun üzerinde bulundurmak daha verimli olur.

Kullanıcı, bu bilgiyi akışla aktarmak ve aktarmak ve bulut üzerindeki merkezi konumdan 100 kişi için geri taşımak zorunda kalmak yerine, bu içeriği uçtaki bir depolama ortamından aktarır. Bunun yerine 5G yapısını kullanarak içeriği yalnızca bir kez kuleye getirebilir ve ardından 100 abonenize dağıtabilirsiniz.

Aynı prensip, düşük gecikmenin gerekli olduğu, iki yönlü iletişim gerektiren uygulamalarda da geçerlidir. Bir kullanıcının uçta çalışan bir uygulaması varsa, verilerin ağ üzerinden geçmesi gerekmediği için geri dönüş süresi çok daha hızlı olur.

5G ağ yapısında bu uç ağlar, uçta sunulan hizmetler için de kullanılabilmektedir. Bu 5G temel işlevlerini sanallaştırmak mümkün olduğundan, bunları standart bir sunucuda veya veri merkezi donanımında çalıştırabilir ve sinyali gönderen radyoya fiber bağlantısı yaptırabilirsiniz. Yani radyo uzmanlaşmıştır, ancak diğer her şey oldukça standarttır.

Bugün 4G LTE hâlâ büyümeye devam ediyor. Günümüzün çoğu IoT uygulamasını desteklemek için mükemmel hız ve yeterli bant genişliği sağlar. Uygulamalar taşınmaya başladıkça ve ardından 4G ağları ve uygulamaları sonunda 5G LTE'nin yerini aldıkça, önümüzdeki on yılda 5G LTE ve 4G ağları bir arada var olacak.

5G Kullanan Cihazlar

5G zamanla gelişecek ve 5G cihazları da bunu takip edecek. İlk ürünler "5G'ye hazır" olacak, bu da bu ürünlerin daha yüksek bant genişliğine sahip 5G modemleri ve 5G genişleticileri desteklemek için gereken işlem gücüne ve Gigabit Ethernet bağlantı noktalarına sahip olduğu anlamına geliyor.

Daha sonraki 5G ürünleri, doğrudan entegre edilmiş 5G modemlere sahip olacak ve daha hızlı çok çekirdekli işlemciye, 2.5 ve hatta 10 Gigabit Ethernet arayüzlerine ve Wi-Fi 6/6E radyolar. Bu ürün değişiklikleri 5G ürünlerinin maliyetini artıracak ancak 5G ağlarının sunacağı ek hız ve daha düşük gecikme süresini karşılamak için gerekli.