Что такое 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 платформ множественного доступа и многоуровневых сетей. 

По сути, 5G представляет собой динамический, согласующийся и гибкий набор передовых технологий для обеспечения поддержки самых разных 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 сети RAN, где новые интерфейсы создают дополнительные точки доступа к данным.

Запросите копию плаката об архитектуре 5G

Телекоммуникационными технологиями, включая RAN, базовые транспортные сети и возможности служб, занимается организация «Проект партнёрства третьего поколения» (3rd Generation Partnership Project – 3GPP). Организация 3GPP подготовила 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 этих сетевых функций.  

Спектр и частота 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 мало используемые UHF-частоты от 300 МГц до 3 ГГц и частоты C-диапазона  между 3,7 и 3,98 ГГц также были выделены для 5G.

• Разнообразие используемых частот может быть адаптировано к уникальному применению. Более высокие частоты характеризуются более широкой полосой пропускания и более коротким диапазоном.  

  Частоты миллиметровых волн идеально подходят для густонаселенных зон, но не подходят для дальней связи.

• В пределах различных частотных диапазонов, выделенных 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, которые переносят приложения из централизованных ЦОД к периферии сети, ближе к конечным пользователям и их устройствам. По сути, это создает кратчайший путь доставки контента между пользователем и хостом в обход дальнего сетевого пути, который когда-то их разделял. Технология используется не только в 5G, но, несомненно, повышает эффективность этого стандарта.

• Характеристики МЕС  включают в себя низкую задержку передачи данных, высокую пропускную способность и  доступ в реальном времени к информации RAN, что отличает архитектуру 5G от ее предшественников.
• Сети 5G, основанные на спецификациях 3GPP для 5G, являются идеальной средой развертывания МЕС. Эти спецификации определяют движущие факторы периферийных вычислений, позволяя МЕС и 5G маршрутизировать трафик совместно.
• В дополнение к преимуществам, связанным с задержкой передачи данных и пропускной способностью, распределение вычислительной мощности поможет эффективнее работать с большим количеством подключенных устройств, необходимых для развертывания 5G и активного внедрения  Интернета вещей (IoT).
• Конвергенция RAN и базовых сетей потребует от операторов новых подходов к тестированию и валидации сети. 

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 инвестиций в различное дорогостоящее оборудование, а также может сократить время установки и монтажа, тем самым быстрее оказывать клиентам услуги, генерирующие доход.  

NFV поддерживает экосистему 5G за счет виртуализации устройств в 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 посредством дезагрегации сети, продвигаемой такими альянсами, как O-RAN. Открытая архитектура RAN упрощает развертывание новых функций и технологий RAN для масштабирования, поощряя открытые интерфейсы и методы разработки с открытым исходным кодом. Эта эволюция повышает гибкость и создает новые возможности для конкуренции. 

Цель альянса O-RAN заключается в том, чтобы обеспечить развертывание сетей силами различных поставщиков на базе стандартного оборудования для улучшения операционного взаимодействия. Дезагрегирование сети также позволяет увеличивать число виртуализируемых компонентов, предоставляя средства для быстрого масштабирования и повышения удобства пользователей по мере роста пропускной способности сети. Виртуализированная RAN необходима для контроля затрат на оборудование и программное обеспечение в быстрорастущей экосистеме приложений Интернета Вещей IoT.  

eCPRI
Дезагрегирование сети с функциональным делением дает и другие преимущества, связанные с рентабельностью, особенно при появлении новых интерфейсов, таких как eCPRI. Радиочастотные интерфейсы являются слишком дорогими для тестирования большого количества 5G-несущих, так как плата за использование радиочастотного спектра стремительно растет. Первоначальный интерфейс CPRI, разработанный для 4G, во многих случаях зависел от поставщика, что создавало проблемы для операторов. Интерфейсы eCPRI обеспечивают более эффективное решение, поскольку для тестирования нескольких операторов 5G можно использовать меньше интерфейсов. eCPRI был назначен в качестве стандартного интерфейса для элементов Fronthaul 5G O-RAN, таких как DU. 

Сегментирование сети
Ключевым компонентом для реализации полного потенциала архитектуры 5G является сегментирование сети.

Эта технология добавляет дополнительное измерение к домену NFV, позволяя одновременно функционировать нескольким логическим сетям поверх общей инфраструктуры физической сети. Эта возможность становится неотъемлемой частью архитектуры 5G, так как создаются сквозные виртуальные сети, включающие как функции сети, так и функции хранилища.  

• Таким образом, операторы могут эффективно управлять разными сценариями использования 5G, удовлетворяя различные требования к пропускной способности, задержке передачи данных и доступности сети, сегментируя сетевые ресурсы для их предоставления различным пользователям или «арендаторам».
• Сегментация сети особенно полезна в таких сценариях, как Интернет вещей IoT, когда устройств может быть невероятно много, но общая потребность в пропускной способности невелика.
• В каждой вертикали 5G будут свои требования, поэтому сегментация сети является важным конструктивным решением для архитектуры сетей 5G.  
• Эксплуатационные расходы, управление ресурсами и гибкость сетевых конфигураций можно оптимизировать с помощью уровня настройки, обеспечиваемого сегментированием сети.
• 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 эти сигналы. За счет использования множественного ввода MIMO-массивов с многоканальным входом/многоканальным выходом (MIMO), состоящих из десятков маленьких антенн, объединенных в единое целое, используются алгоритмы обработки сигнала, определяющие наиболее эффективный путь передачи каждому пользователю. Отдельные пакеты можно посылать в разных направлениях и затем организовывать их так, чтобы они доходили до конечного пользователя в заранее определенной последовательности.   

Изображение

При передаче данных 5G, занимающей миллиметровую волну, потери при распространении в свободном пространстве, пропорциональные меньшему размеру антенны, и дифракционные потери, присущие более высоким частотам и отсутствию проникновения через стены, намного больше. С другой стороны, меньший размер антенн позволяет размещать более крупные массивы на той же физической площади. А поскольку каждая из небольших антенн потенциально способна корректировать или перенаправлять луч несколько раз в миллисекунду, то практически 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 использования массивов MIMO, обеспечивая высокую пропускную способность и повышая эффективность отслеживанием пользователей. 

Архитектура опорной сети 5G лежит в основе новой спецификации 5G и обеспечивает повышенную пропускную способность, которую должна поддерживать сеть 5G. В новой опорной сети 5G, как определено 3GPP, используется облачная, сервисно-ориентированная архитектура (SBA), которая охватывает все функции и взаимодействия 5G, включая проверку подлинности, безопасность, управление сеансами и агрегацию трафика с конечных устройств. В опорной сети 5G делается упор на NFV с виртуализированными программными функциями, развернутыми с использованием инфраструктуры MEC, которая занимает центральное место в принципах архитектуры 5G. 

Отличия от архитектуры 4G
Изменения на уровне опорной сети являются частью целого ряда архитектурных изменений, сопровождающих переход от 4G к 5G, включая миграцию на миллиметровый диапазон, функцию массивов с MIMO, сегментирование сети и по существу каждый отдельный элемент многообразной экосистемы 5G. Ядро пакетной сети 4G Evolved Packet Core (EPC) отличается от ядра 5G, так как в 5G на беспрецедентных уровнях используются виртуализация и облачное собственное 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. Символом этого перехода является постепенный переход от неавтономного режима к вариантам архитектуры автономного режима 5G. Стандарт неавтономной архитектуры (non-standalone)  5G был окончательно готов в конце 2017 года, и он подразумевал использование существующих LTE RAN и базовых сетей в основе с дополнением 5G компонентной несущей. Несмотря на зависимость от архитектуры 4G, неавтономный режим увеличивает пропускную способность за счет использования частот миллиметрового диапазона. 

Автономный режим 5G – это, по сути, развертывание 5G с нуля с новой базовой архитектурой и полным развертыванием всего оборудования, функций и функциональных возможностей 5G. Поскольку неавтономный режим постепенно уступает место всем новым развертываниям архитектуры мобильной сети 5G, тщательное планирование и реализация сделают этот переход плавным для пользовательской базы.  

Инфраструктура, присущая развертыванию сетей 5G с автономной архитектурой, потребует принятия глобальных пошаговых мер при интеграции 5G в самых разных географических регионах. Регионы, ведущие с точки зрения технологий, например Северная Америка, Азия и Европа, быстро наращивают развертывание, в то время как другие страны по всему миру следуют за ними. По всему миру уже эксплуатируется около 200 активных сетей 5G, а к 2025 году прогнозируется, что количество мобильных подключений 5G превысит 2 миллиарда. 

Близость соседних стран и большое количество операторов усложнили развертывание в Европе. Хотя внедрение отстало от других регионов, Европейская комиссия инициировала политику, известную как «Цифровой компас», которая предусматривает обеспечить доступ к 5G во всех населенных пунктах к 2030 году.  

Промышленные страны, такие как Китай, Япония и Индия, вкладывают значительные средства в практические и финансовые последствия перехода на 5G. Новые технологии антенн, инфраструктурного оборудования и программного обеспечения создают благоприятные условия для разработки и производства электроники и программного обеспечения по всему миру, при этом особое внимание уделяется быстрому развертыванию. Четыре крупнейших оператора связи в Индии внедряют услуги 5G после аукциона по продаже спектра в августе 2022 года, а в Китае к 2025 году планируется установить 3,64 миллиона базовых станций 5G. 

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 этими изменениями появляются новые риски безопасности и дополнительные «поверхности атаки», открытые в архитектуре безопасности 5G. 

• Методы обеспечения безопасности 5G основаны на предыдущих поколениях мобильных технологий, однако «модель доверия» расширилась за счет большего числа игроков, вовлеченных в процесс предоставления услуг.   
• Интернет вещей IoT и распространение пользователей создают экспоненциально растущее число конечных точек, причем многие из этих входов трафика больше не контролируются руками человека.  
• Улучшенные функции безопасности 5G, описанные в стандартах 3GPP, включают унифицированную аутентификацию  для отделения аутентификации от точек доступа и схемы шифрования на основе открытого ключа для снижения риска использования метаданных.
• Постоянный мониторинг и оценка эффективности безопасности необходимы, поскольку критически важные узлы производительности 5G становятся все более виртуализированными.  
• Передовые методы работы включают в себя сквозной мониторинг безопасности сети 5G, охватывающий архитектуру системы, устройства и приложения.