Архитектура 5G

Основной целью предыдущих поколений мобильных сетей было просто предлагать своим пользователям быстрые и надежные услуги передачи мобильных данных. В случае с 5G ситуация меняется, так как комплекс беспроводных услуг предлагается конечному пользователю на базе разнообразных платформ доступа и многоуровневых сетей.

По сути, 5G представляет собой динамический, согласующийся и гибкий набор разнообразных современных технологий, поддерживающих множество приложений. Более интеллектуальная архитектура 5G снимает с сетей радиодоступа (RAN) ограничения по близости расположения базовых станций и позволяет отказаться от сложной архитектуры. 5G — это шаг в сторону распределенной, гибкой и виртуальной RAN, где новые интерфейсы создают дополнительные точки доступа к данным.

4G & 5G Network Architecture
 

Архитектура 5G 3GPP 

Телекоммуникационными технологиями, включая RAN, базовые транспортные сети и возможности служб, занимается организация 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Ею подготовлены полные системные спецификации для архитектуры сети 5G, которая в значительно большей степени ориентирована на оказание услуг, чем предыдущие поколения.
3GPP

Так, услуги предоставляются на базе общего механизма тем сетевым функциям, которым разрешено ими пользоваться. Дополнительными качествами сетевой архитектуры 5G, которые описаны в спецификациях 3GPP, являются модульность, повторное использование и автономность сетевых функций.

Спектр и частоты 5G
Для сети радиодоступа нового поколения (5G NR) выделяются различные диапазоны частот. Часть спектра с частотами от 30 до 300 ГГц известна как миллиметровые волны, так как длины волн в нем варьируются от 1 до 10 мм. Частоты от 24 до 100 ГГц теперь выделяются для 5G в самых разных регионах мира. 

В дополнение к миллиметровым волнам под 5G выделяются мало используемые UHF-частоты от 300 МГц до 3 ГГц. Многообразие задействованных частот можно адаптировать к уникальным приложениям, так как более высокие частоты обеспечивают и более высокую пропускную способность, хоть и на более коротких расстояниях. Миллиметровые частоты идеально подходят для густонаселенных зон, но не подходят для дальней связи. После того как низко- и высокочастотные диапазоны были выделены под 5G, каждый оператор начал освоение своей обособленной части спектра 5G.

MEC
Важным элементом архитектуры 5G являются периферийные вычисления мультисервисного доступа (Multi-Access Edge Computing, MEC). МЕС представляет собой эволюцию облачных вычислений, перенося приложения из централизованных ЦОД к периферии сети, а следовательно, к конечным пользователям и их устройствам. Это позволяет быстрее предоставлять контент от устройства пользователю в обход долгого пути, который ранее их разделял. 

Технология используется не только в 5G, но, несомненно, повышает эффективность этого стандарта. МЕС отличается низкой задержкой, высокой пропускной способностью и доступом в реальном времени к информации RAN, что отличает архитектуру 5G от предшественников. Эта конвергенция RAN и базовых сетей потребует от операторов новых подходов к проверке и тестированию сети.

Сети 5G, основанные на спецификациях 3GPP для 5G, являются идеальной средой развертывания МЕС. Спецификации 5G определяют движущие факторы периферийных вычислений, позволяя МЕС и 5G маршрутизировать трафик совместно. В дополнение к преимуществам МЕС, связанным с задержкой и полосой пропускания, распределение вычислительной мощности поможет эффективнее работать с большим количеством подключенных устройств, что необходимо для развертывания 5G и активного внедрения Интернета вещей (IoT).  

NFV и 5G
Виртуализация сетевых функций (NFV) помогает отделить программное обеспечение от оборудования, заменяя различные сетевые функции, такие как брандмауэры, балансировщики нагрузки и маршрутизаторы, виртуализированными экземплярами, которые выполняются как ПО. Это устраняет необходимость вложений в различное дорогостоящее оборудование, а также может сократить время установки и монтажа. Таким образом, клиент быстрее получает услуги, генерирующие доход. 

NFV поддерживает инфраструктуру 5G за счет виртуализации устройств в рамках сети 5G. Одним из элементов поддержки является технология сегментации сети, которая позволяет нескольким виртуальным сетям функционировать одновременно. NFV позволяет решать и другие задачи 5G с помощью виртуализированных ресурсов вычисления, хранения и сети, адаптированных к приложениям и сегментам клиентов. 

Архитектура 5G RAN
Концепция NFV распространяется на RAN на базе, например разукрупнения сети, чему способствуют такие альянсы, как O-RAN. Это обеспечивает гибкость и создает новые возможности для конкуренции, предоставляет открытые интерфейсы и разработку ПО с открытым исходным кодом, что, в конечном счете, упрощает масштабное развертывание новых возможностей и технологий. Цель альянса O-RAN — обеспечить внедрение силами различных поставщиков на базе стандартного оборудования, чтобы обеспечить более удобное и быстрое совместное взаимодействие. Разукрупнение сети также позволяет виртуализировать ее компоненты, что помогает в масштабировании и повышении удобства пользователей с ростом емкости.  Преимущества виртуализации компонентов RAN показывают наибольшую рентабельность с точки зрения компонентов оборудования и ПО особенно для IoT-приложений, где количество устройств исчисляется миллионами.

eCPRI
Разукрупнение сети с функциональным делением дает и другие преимущества, связанные с рентабельностью, особенно при появлении новых интерфейсов, таких как eCPRI. Радиочастотные интерфейсы слишком дорогие для тестирования большого количества 5G-несущих, так как их стоимость стремительно растет. Внедрение интерфейсов eCPRI является более экономичным решением, так как для тестирования множества 5G-несущих можно использовать меньше интерфейсов. Цель eCPRI в том, чтобы быть стандартизированным интерфейсом 5G, используемым, например, в магистральном интерфейсе O-RAN, таком как DU. CPRI, в отличие от eCPRI, разрабатывался для 4G, но во многих случаях был специфичен для конкретных поставщиков, поэтому усложнял работу операторов. 

Сегментирование сети
Возможно, ключевым ингредиентом, который раскрывает весь потенциал архитектуры 5G, является сегментирование сети. Эта технология добавляет новое измерение в NFV, позволяя одновременно функционировать нескольким логическим сетям поверх общей инфраструктуры физической сети. Эта возможность становится неотъемлемой частью архитектуры 5G, так как создаются комплексные виртуальные сети, включающие и функции сети, и функции хранилища. 

Таким образом, операторы могут эффективно управлять разными сценариями использования 5G, удовлетворяя различные требования к пропускной способности, задержке и доступности, сегментируя сетевые ресурсы, выделяя их различным пользователям или «арендаторам».

Сегментация сети особенно полезна в таких сценариях, как IoT, где устройств может быть невероятно много, но общая потребность в пропускной способности невелика. В каждой вертикали 5G будут свои требования, поэтому сегментация сети становится важным конструктивным решением в архитектуре 5G. Благодаря наличию такого уровня индивидуализации можно оптимизировать расходы, управление ресурсами и гибкость сетевых конфигураций. Кроме того, сегментирование сети позволяет быстрее тестировать потенциальные новые услуги 5G и быстрее выводить их на рынок. 

Формирование лучей
Еще одна революционная технология, незаменимая для успеха 5G, — это формирование лучей. Обычные базовые станции передавали сигналы в различных направлениях без учета расположения пользователей и устройств, которым предназначались сигналы. За счет использования MIMO-массивов,  состоящих из десятков небольших объединенных антенн, можно использовать алгоритмы обработки сигнала, определяющие наиболее эффективный путь передачи каждому пользователю, а отдельные пакеты можно посылать в разных направлениях и затем организовывать их так, чтобы они доходили до конечного пользователя в заранее определенной последовательности. 

5G Beamforming

Поскольку передача данных в 5G происходит в миллиметровом диапазоне, то выше и потери при распространении в открытом пространстве, пропорциональные малым размерам антенны, и дифракционные потери, присущие более высоким частотам и вызванные недостаточными возможностями проникновения через стены. С другой стороны, меньший размер антенн позволяет размещать более крупные массивы на той же физической площади. А поскольку каждая из небольших антенн потенциально способна перенаправлять луч несколько раз в миллисекунду, то возможным становится масштабное формирование луча, решающее проблемы пропускной способности 5G. При большей плотности антенн на той же физической площади можно направлять более узкие лучи за счет MIMO, повышая пропускную способность с более эффективным отслеживанием пользователей.

Архитектура ядра 5G

В основе новой спецификации 5G лежит архитектура ядра сети 5G, которая обеспечивает поддержку пропускной способности, требуемой от 5G. Новое ядро 5G, как определено 3GPP, использует облачную, сервисно-ориентированную архитектуру (SBA), которая охватывает все функции и взаимодействия 5G, включая проверку подлинности, безопасность, управление сеансами и агрегацию трафика с конечных устройств. Ядро 5G далее подчеркивает NFV как неотъемлемое конструктивное решение с виртуализированными программными функциями, которые могут развертываться с использованием инфраструктуры МЕС, незаменимой для принципов архитектуры 5G.

  5G_NR_Deploy_Architecture


Отличия от архитектуры 4G
Изменения на уровне ядра являются частью целого ряда архитектурных изменений, сопровождающих переход от 4G к 5G, включая миграцию на миллиметровый диапазон, функцию massive MIMO, сегментирование сети и, в целом, каждый отдельный элемент многообразной экосистемы 5G. Ядро 4G Evolved Packet Core (EPC) отличается от ядра 5G, так как в 5G на беспрецедентных уровнях используются виртуализация и облачное ПО

Среди других изменений, отличающих ядро 5G от его предшественника 4G, функция передачи данных пользователей (UPF) для разделения протоколов «плоскости пользования» и «плоскости управления», а также функция управления доступом и мобильностью (AMF), отделяющая функции управления сеансами от задач по установлению соединения и управления мобильностью.

Варианты архитектуры 5G
Преодоление разрыва между 4G и 5G должно вестись пошагово и продуманно, в соответствии с планом. Этот переход отразится, прежде всего, при смене с объединенной (4G+5G) на выделенную архитектуру 5G. Стандарт объединенного (non-stadalone) 5G был готов в конце 2017 года, и он подразумевал использование существующих RAN LTE и базовых сетей в основе с дополнением 5G-несущих. Несмотря на использование существующей архитектуры, объединенный режим увеличит пропускную способность за счет задействования миллиметровых частот. 

Выделенный (standalone) режим 5G в целом представляет собой развертывание 5G «с нуля», с новой архитектурой ядра и полным развертыванием всего оборудования, ПО, возможностей и функциональности 5G. При переходе от объединенного режима к новым, «чистым», архитектурным решениям 5G требуется грамотное планирование и внедрение, которое сделает этот переход незаметным для пользователей.

5G Deployment Architecture Options

Внедрение географической архитектуры 5G

Инфраструктура, незаменимая для развертывания «выделенного» 5G, потребует принятия мер интеграции 5G в самых разных географических регионах. Регионы, ведущие с точки зрения технологий, например Северная Америка, Азия и Европа, уже начинают ограниченное развертывание, но и другие страны не отстают. Ожидается, что к концу 2019 года в эксплуатацию будет запущено 55 сетей. Близкое расположение соседних стран и большое количество операторов значительно усложнит развертывание в Европе. Для решения этой задачи Еврокомиссия создала план действий «5G для Европы», цель которого — переход к активным действиям и создание программы развертывания сетей во всех государствах ЕС к концу 2020 года.

The State of 5G Deployments

Промышленные государства, такие как Китай, Япония и Индия, уделяют особенное внимание практическим и финансовым аспектам перехода к 5G. Новые антенны, инфраструктура, оборудование и ПО — «золотая жила» для профильных отраслей во всем мире, поэтому на оперативности развертывания делается особенный упор. Один из крупнейших операторов связи в Индии уже обеспечил совместимость с 5G по всей своей сети; также ожидается, что China Mobile введет в строй 10 000 базовых станций 5G к 2020 году.

Безопасность в архитектуре 5G

5G Security

Благодаря активному использованию облачных ресурсов, виртуализации, сегментации сети и других новых технологий внедрение 5G обеспечит огромные преимущества с точки зрения производительности и многообразия приложений. С такими изменениями появляются новые угрозы в сфере безопасности, а в архитектуре системы безопасности 5G — новые уязвимые места.

Стандарт 5G построен на методиках обеспечения безопасности мобильных технологий прошлого, однако «модель доверия» существенно расширилась, так как в оказание услуг вовлечено больше действующих лиц. IoT и рост количества пользователей — это рост количества конечных точек по экспоненте, при этом за трафиком многих из них нет контроля человека. 

Среди улучшенных функций безопасности 5G, обозначенных в стандартах 3GPP, следует отметить унифицированную проверку подлинности для отделения проверки подлинности от точек доступа, расширяемые протоколы проверки подлинности для поддержки безопасных транзакций, гибкие политики безопасности, учитывающие большее количество сценариев, и постоянные идентификаторы подписки абонента (SUPI), обеспечивающие конфиденциальность сети. 

Поскольку развертывание 5G идет полным ходом, а ключевые узлы, обеспечивающие производительность, все чаще становятся виртуальными, операторам потребуется постоянно наблюдать за системами безопасности и оценивать их. Следование передовым методикам означает комплексный подход к безопасности сети, наблюдение по всей архитектуре, устройствам и приложениям.

Несомненно, 5G обеспечит экспоненциальный рост скорости, к которому привыкли пользователи при каждом переходе к новому поколению мобильных сетей, но скоростью дело не ограничивается. Ожидаемые изменения в отраслях, от личного транспорта до производства и сельского хозяйства, будут настолько значительными, что многие уже называют 5G следующей промышленной революцией. В основе этой смены парадигмы — многосоставная архитектура 5G с МЕС, NFV, massive MIMO и облачной, ориентированной на сервис, архитектурой ядра, которые работают согласованно, предоставляя новое поколение услуг. Важнейшими факторами, которые помогут перейти к 5G и претворить изменения в жизнь, станут решения для тестирования 5G. 
 

Узнайте больше о VIAVI 5G!

Вы готовы продолжить ознакомление с нашими продуктами или решениями для тестирования 5G?
Чтобы начать, заполните одну из следующих форм: