Descripción del dispositivo y funcionamiento de la red de quinta generación implementada sobre la base de la cuarta generación.

Las redes celulares de cuarta generación se pueden construir sobre la base de dos tecnologías: LTE (evolución a largo plazo) y WiMAX (interoperabilidad mundial para acceso de microondas). Ambas tecnologías son similares, pero tienen diferentes desarrolladores y tiempos de aparición. WiMAX, basado en el estándar IEEE 802.16 (desarrollado por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) utiliza la tecnología OFDM para transmitir datos en ambas direcciones (para cargar y descargar), lo que conduce a factores de pico alto, es decir, coeficientes grandes carga en las fuentes de alimentación del equipo final (en otras palabras, la batería del teléfono se gastará y se descargará más rápido cuando use OFDM para la velocidad de salida). A diferencia de WiMAX, la tecnología Long Term Evolution utiliza la tecnología SC-FDMA para la velocidad de salida, lo que evita los factores de pico alto, ya que esta tecnología es de un solo operador.

La tecnología LTE fue desarrollada por el foro 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project), que está diseñado para resolver los problemas del uso de las tecnologías GSM y CDMA2000 (UMTS), que son respectivamente las tecnologías de la segunda y tercera generación de comunicaciones celulares. En Kazajstán, para el funcionamiento de las redes celulares, primero utilizaron tecnología GSM (EDGE), luego CDMA2000, por lo que fue aconsejable la introducción de comunicaciones celulares basadas en tecnología LTE Advanced (LTE Realize 12). En consecuencia, las redes de quinta generación en Kazajstán deberían implementarse en base a las redes LTE Advanced.

La quinta generación (quinta generación) de comunicaciones celulares debería resolver problemas relacionados no con la mejora de la calidad de la transmisión de voz, sino con el problema del acceso a Internet y el aumento de la velocidad de transferencia de datos. Actualmente (febrero de 2019), los estándares 5G no están desarrollados, pero para diciembre de 2019, la Unión Internacional de Telecomunicaciones introducirá el estándar IMT-2020, que describe las tecnologías para construir y acceder a la red. Dado que las tecnologías de todas las generaciones anteriores de comunicación se basaban en las anteriores, es decir, para usar los servicios de la red 3G, no era necesario comprar un nuevo dispositivo, y para usar LTE Advanced solo era necesario reemplazar la tarjeta SIM en un teléfono obsoleto, el autor supone que la primera versión del estándar IMT 2020 se basará en la tecnología LTE Advanced con canales de diversidad de frecuencia no ortogonales, no OFDM.

A pesar de la arquitectura similar a LTE Advanced, las redes 5G deberían usar un espectro de frecuencia más amplio para aumentar la velocidad, y dado que las redes de cuarta generación ocupan un rango de frecuencia de decímetros o centímetros (LTE Advanced opera en el rango de 2500 a 2690 MHz cuando está cargado, por ejemplo, el operador doméstico " Altel "utiliza una banda de frecuencia de 1800 MHz.). Luego, para las redes de quinta generación, lo más probable es que se asignen frecuencias en el rango milimétrico (60 - 100 GHz). En consecuencia, para usar el rango milimétrico, será necesario no solo aumentar el número de estaciones base en nuestro país, sino también aumentar la potencia de las unidades de suministro de energía de estas estaciones base.

Otro sello distintivo de las redes 5G será la introducción de la tecnología en la nube. El uso de "nubes" es necesario para aliviar la carga en las estaciones base, se supone que solo transmitirán la señal sin procesamiento, como sucede en las redes 4G (en redes LTE, el procesamiento de la señal ocurre en el lado del dispositivo final y la estación base, unidad de gestión de movilidad, MME , transmite solo información de servicio, no tráfico de usuarios, es la estación base la que se dedica a su transmisión, por lo tanto, con un aumento en el número de dispositivos conectados, no podrán hacer frente a la carga).

Dado que las redes de quinta generación operarán sobre la base de la cuarta generación, primero debemos explicar cómo funciona la red LTE Advanced, luego derivar suposiciones sobre las diferencias arquitectónicas de las redes de quinta generación.

Una red LTE consta de dos sistemas: una red central, System Architecture Evolution o Evolved Packet Core, que consta de bloques de entidad de gestión de movilidad, bloques de entidad de plano de usuario, puertas de enlace de servicio y paquetes, y una red de acceso por radio (UMTS Terrestre evolucionado red de acceso de radio, E-UTRAN), que consta solo de estaciones base. En la generación anterior de comunicaciones, la arquitectura de la red de acceso de radio incluía un controlador de red de radio, Controlador de red de radio, cuyas funciones incluían el proceso de establecer e interrumpir las conexiones del suscriptor, el proceso de transferencia (transferir un suscriptor de una estación base a otra), encriptar los datos del usuario, determinar el nivel de control de calidad. En las redes LTE, todas estas funciones se asignan a estaciones base.

Todos los elementos de las redes LTE están interconectados mediante interfaces (una interfaz es un conjunto de conexiones estandarizadas que conectan varios equipos, por ejemplo, la interfaz se llama los cables de conexión de la placa base de la computadora y los dispositivos periféricos: RS-232, USB, HDMI). La interfaz que conecta las estaciones base se llama X2 y es responsable de mantener al suscriptor en la red durante la transición de una estación base a otra. Las estaciones base están conectadas a la unidad de gestión de movilidad utilizando la interfaz S1; la interfaz en sí se divide en dos tipos: S1-C, que transmite información de servicio para la estación base a través de la pasarela Serving GW; S1-U, que transmite información del usuario a través de la puerta de enlace de paquetes GW de Packet Data Network. Además, además de S1, hay otras interfaces, como: S2 (para conectarse a redes en las que el foro 3GPP no era desarrollador), S3 (conecta un nodo de red de paquetes para suscriptores de redes de segunda y tercera generación y MME, es responsable de transferir los datos del servicio entre redes LTE y generaciones anteriores), S4 (para conectar la red central SAE y el nodo de red de paquetes de la generación anterior SGSN, Servir GPRS Support Node), S5 (conectar la red central y la pasarela de paquetes GW de la red de paquetes de datos), S6 (conectar la unidad de gestión de movilidad y servidor de datos de suscriptor, responsable de la autenticación en la red LTE ) La totalidad del equipo de red de la red central, la red de acceso de radio y las interfaces de conexión es la estructura física de las redes LTE, LTE Advanced.

Lógicamente, la estructura de la red LTE se divide en dos partes: una capa de acceso de radio, Estrato de acceso y una capa de no acceso, Estrato de no acceso. La capa de acceso de radio incluye todo el equipo de la red de acceso de radio y la red básica de paquetes; la capa sin acceso incluye métodos para controlar (o gestionar) la movilidad, EMM, EPC Mobility Management.

Las redes basadas en LTE Advanced brindan acceso a servicios de red de alta calidad: llamadas, alta velocidad de descarga de datos multimedia, uso gratuito (excluido el tráfico) de algunas aplicaciones (principalmente mensajeros). Desafortunadamente, debido a la gran cantidad de dispositivos y la mejora en la calidad (y, por lo tanto, el tamaño) de la información multimedia, las redes LTE pronto serán incapaces de hacer frente a la gran carga. En particular, el espectro de frecuencia de decímetros utilizado por LTE no podrá proporcionar acceso a los recursos con el nivel de calidad (Qos) necesario, y luego el dispositivo puede simplemente desconectarse de la red (la estación base se niega a servir un teléfono celular).

Con el fin de evitar la saturación del ancho de banda y en el futuro liberar el espectro de decímetros para dispositivos que consumen pocos recursos, para 2025 en Europa planean cambiar a la introducción de redes de quinta generación (5G). Cada generación de comunicaciones celulares debe ser diferente de la otra: la primera de la segunda: la transición de los modos de modulación analógica a digital; el segundo del tercero: la llegada de servicios adicionales, como el acceso a Internet de alta velocidad; la cuarta de la tercera es la transición de la conmutación de canales (distribución de datos entrantes) a paquetes y la implementación del direccionamiento IP, como en las redes cableadas. La quinta generación a partir de la cuarta debe diferir en dos parámetros: la frecuencia utilizada del espectro, es decir, la transición a ondas ultracortas, así como la eliminación de la carga de las estaciones base mediante la transferencia de sus funciones a máquinas virtuales. La inclusión de las tecnologías de virtualización y nube en la arquitectura 5G significa una configuración más flexible y más rápida, así como una implementación más barata, ya que puede haber muchas máquinas virtuales en una máquina física. Mediante configuraciones flexibles, el autor comprende la creación de condiciones individuales para utilizar los servicios de comunicación: planes de tarifas personales que se adaptan a las necesidades de cada suscriptor; controla la cantidad de datos consumidos por todas las aplicaciones.

Entonces, de acuerdo con la especificación 3GPP TS 38.300 versión 15.3. 1 Release 15, el dispositivo general de las redes de quinta generación se basa en la tecnología New Radio y se dividirá en dos partes, como la generación anterior: 5GC (Core Network), es decir, la red central y NG-RAN (Next Generation Radio Access Network), Hay una red de acceso de radio de próxima generación. La red central debe constar de dos dispositivos principales que separan las funciones de utilidad y de usuario. Estos dispositivos se denominan "funciones": AMF (función de gestión de acceso y movilidad), una función responsable de proporcionar acceso y controlar el mantenimiento de una señal de red cuando se mueve un suscriptor; UPF (User Plane Function), responsable de la transmisión del tráfico de usuarios.

Además, se incluyen otras "funciones" en la arquitectura de red: SMF (función de administración de sesión), una función de administración de sesión, distribuye direcciones IP para dispositivos de usuario, administra y monitorea el tráfico que pasa a través de la función de plano de usuario, selecciona UPF para mover el tráfico a su destino; AUSF (Función del servidor de autenticación), función del servidor de autenticación del dispositivo del usuario; UDM (Unified Data Function), es un repositorio de datos de registro, información de seguridad y varias suscripciones del suscriptor; PCF (función de control de políticas), una función de gestión de políticas que controla una política de comportamiento de red única y la política de comportamiento de cada plano de red (usuario y servicio); AF (Función de aplicación), una función de aplicación que realiza solicitudes para la función de administración de sesión, también tiene acceso a la administración de la batería del dispositivo.

La red de acceso de radio consta de dos tipos de estaciones base: gNB que operan en la red de quinta generación y ng-eNB que operan en la cuarta (E-UTRAN) o red de generación anterior. Ambos tipos de estaciones base deben conectarse mediante la interfaz Xn, y la conexión de estaciones base con bloques de funciones mediante la interfaz NG. Al igual que con las redes LTE, la interfaz NG es diferente para los dispositivos que se comunican entre sí. En total, la especificación de 3GPP TR 23.799, lanzada en diciembre de 2016, define 15 tipos de interfaces NG, con números del 1 al 15. No es posible describir los 15 tipos de sistemas de comunicación en el artículo, por lo que el autor solo dará cinco de ellos. Entonces, NG1 es un "punto de referencia" entre el dispositivo de usuario y AMF, NG2 - conecta la estación base con AMF; la estación base también está conectada a través de la interfaz NG3 a la función del plano de usuario, que, a su vez, está conectada a través de la interfaz NG4 a la función de gestión de sesión, y el acceso a Internet y los servicios del operador se proporcionan a través de la interfaz NG6. La función de aplicación AF está conectada a la función de gestión de sesión a través de la interfaz NG5.

Conceptos como el usuario y los planos de control se han transferido desde redes LTE en la red 5G, por lo tanto, las interfaces NG asociadas con el usuario, como LTE, denotan NG-U y, en consecuencia, NG-C para el plano de control, por lo tanto, los niveles de protocolo Las (pilas) de interfaces también se dividen solo en usuario y servicio. Las interfaces del plano de usuario conectan la estación base al UPF, y las interfaces del plano de control (NG-C) se conectan al AMF. Cabe señalar aquí que NG-U proporciona una entrega no garantizada (cuando el dispositivo del usuario envía un elemento de datos de protocolo (PDU) y no espera un informe de entrega en respuesta; la entrega garantizada es una confirmación en forma de un informe de que se recibe el elemento de datos), lo que ahorra significativamente tiempo transferencia de datos

Las interfaces Xn y NG deben tener especificaciones abiertas disponibles para que todos los fabricantes interactúen con varias estaciones base. Cabe señalar aquí que algunos grupos de científicos que trabajan en el desarrollo de requisitos y estándares 5G, en particular, el foro NGMN (Redes móviles de próxima generación), en sus informes se adhieren a la opinión de que todas las tecnologías están completamente abiertas, es decir, todo el dispositivo de red, comenzando con el físico y finalizar con el nivel de aplicación debe ser accesible para todos los usuarios. NGMN también cree que el diseño y construcción de una red 5G no debe llevarse a cabo por separado por cada operador, sino en conjunto por todos los operadores regionales.

El proceso de trabajo en la red de quinta generación es aproximadamente el siguiente: el dispositivo del usuario detecta la red utilizando la antena incorporada (esta etapa se ha mantenido sin cambios desde la segunda generación y la tecnología GSM), la red, es decir, el AMF, a través de la estación base, solicita datos del servicio telefónico.

El dispositivo del usuario envía sus datos de registro a través de la estación base a la función de gestión de acceso y movilidad (AMF), esta función compara los datos de registro del dispositivo con un servidor en el que se almacenan los datos de todos los suscriptores y si los datos proporcionados coinciden, se permite el acceso a la red. Después del registro, el dispositivo del usuario obtiene acceso a la UPF y, a través de él, a los servicios de la red.
Otra diferencia de la red de quinta generación (virtualización de servicios y procesamiento de datos en sistemas operativos en la nube) agregó otro concepto a la definición de arquitectura: además de "Plano" - "plano", el concepto de "Corte" - "corte", que significa diferentes configuraciones (o características) red) para usuarios individuales y grupos, así como para equipos. Se supone que el proveedor de red 5G creará plantillas especiales: máquinas virtuales (NST, plantilla de red), y los usuarios podrán optimizar estas plantillas por sí mismos, es decir, conectar los servicios requeridos, alquilar software. La arquitectura de los sectores no debe estar abierta, ya que las máquinas virtuales que funcionan de forma remota (en la "nube", es decir, en el Centro de almacenamiento de datos del proveedor de 5G) pueden ser de diferentes fabricantes. Por ejemplo, Kazakhtelecom JSC, el mayor proveedor de telefonía fija en Kazajstán, utiliza servicios en la nube de Microsoft (Hosted Lync, Hosted SharePoint, Hosted Exchange), así como alojamiento virtual con sistemas operativos Windows (servidor web IIS) y Linux (servidor web Apache).

En 2016, el foro NGMN lanzó el documento "Descripción del concepto de división de red", "Descripción del concepto de división de red", en el que la estructura lógica de los segmentos consta de tres partes (de abajo hacia arriba): nivel de recurso, nivel de instancia de segmento de red y nivel de instancia de servicio.
El nivel de recursos incluye todos los recursos físicos y lógicos. Los recursos físicos son todos los componentes que conforman una red: estaciones base, sistemas de almacenamiento, servidores, enrutadores, conmutadores, incluso la conexión cruzada (la conexión de equipos como el cable de cobre o fibra óptica es un recurso físico). Los recursos lógicos son recursos físicos agrupados por un determinado atributo o para cualquier propósito, por ejemplo, recursos lógicos destinados al alojamiento virtual (un servicio que proporciona un lugar para almacenar datos en un equipo que funciona constantemente, que se encuentra en una red, computadora servidor) : de hecho, una computadora servidor con un sistema operativo, un sistema de almacenamiento de datos, un complejo que consta de varios discos duros conectados entre sí, conmutadores, enrutadores y cables de conexión, así como ogrammnoe de software bajo demanda. Las funciones de red no están relacionadas con los recursos; son parte de un segmento de un segmento de red. Al mismo tiempo, el plan de segmento de red, que es una descripción de la estructura y las funciones de red requeridas, se refiere a recursos lógicos.
Una instancia de un segmento de red, esto es "Slice", un segmento, que es un conjunto de características, configuraciones, recursos asignados para el despliegue de servicios y servicios proporcionados por el operador de red. Por ejemplo, un segmento diseñado para el intercambio de datos entre máquinas (sensores, contadores) no requiere un sistema de almacenamiento de datos, solo un servidor, un conmutador y un enrutador, así como cables de conexión, porque a veces un solo bit de datos es suficiente para transferir una señal de dispositivo a dispositivo - 0 o 1. Si recordamos el procedimiento de traspaso (la transición de un dispositivo de usuario de una estación base a otra), entonces inmediatamente muestra que las estaciones base y el dispositivo de usuario intercambian mensajes de texto entre sí, yaschimi de uno - dos palabras (por ejemplo: HO REQUEST, HO respuesta y así sucesivamente). Al mismo tiempo, el segmento para las conexiones M2M (máquina y máquina) debe ser extremadamente confiable, es decir, el mensaje debe entregarse y el retraso ultra bajo, es decir, el mensaje debe entregarse muy rápidamente, por ejemplo, si el programa de control remoto del automóvil envía un mensaje al sensor del automóvil. Otro modelo de corte: para proporcionar un servicio de TV por Internet, por el contrario, requiere un sistema de almacenamiento de datos, varios servidores, enrutadores y equipos de conexión para proporcionar acceso constante a un servicio multimedia, que también requiere una latencia ultrabaja, pero no necesariamente requiere ultra confiabilidad, ya que la pérdida Múltiples paquetes de datos pueden no ser notados por el usuario.

Un segmento de red puede usar varios recursos, que consisten en varias subredes completadas lógicamente, mientras que las redes pueden usar recursos no solo de su propio segmento, sino también de otro. , , ( , - ) , (, – ) .

– , . . – , Gmail, , , Microsoft Outlook , .

, LTE, . 5G : , , , , , .

, , (, ) , , . , 3GPP Non-OFDM, LTE Advanced.

, LTE , , , .

, , , «», 100% «Altel», LTE 75% «Kcell». , - . 5G (IMT-2020) 2019 , «» 2025 .