وصف الجهاز وعمل شبكة الجيل الخامس المنتشرة على أساس الجيل الرابع

يمكن بناء الشبكات الخلوية من الجيل الرابع على أساس تقنيتين: LTE (التطور طويل الأجل) و WiMAX (قابلية التشغيل البيني العالمية للوصول إلى الموجات الصغرية). كل من هذه التقنيات متشابهة ، ولكن لديها مطورين مختلفين وأوقات ظهور. يستخدم WiMAX ، استنادًا إلى معيار IEEE 802.16 (الذي طوره معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات ومعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات) تقنية OFDM لنقل البيانات في كلا الاتجاهين (للتحميل والتنزيل) ، مما يؤدي إلى عوامل ذروة عالية ، أي المعاملات الكبيرة يتم تحميله على مزودات الطاقة للمعدات النهائية (بمعنى آخر ، سوف تنفد بطارية الهاتف وتفريغها بشكل أسرع عند استخدام OFDM للسرعة الصادرة). على عكس WiMAX ، تستخدم تقنية Long Term Evolution تقنية SC-FDMA للسرعة الخارجة ، والتي تتجنب عوامل الذروة العالية ، حيث أن هذه التقنية عبارة عن ناقل فردي.

تم تطوير تقنية LTE بواسطة منتدى 3GPP (مشروع شراكة الجيل الثالث) ، والذي تم تصميمه لحل مشاكل استخدام تقنيات GSM و CDMA2000 (UMTS) ، والتي تمثل تقنيات الجيلين الثاني والثالث من الاتصالات الخلوية. في كازاخستان ، لتشغيل الشبكات الخلوية ، استخدموا لأول مرة تقنية GSM (EDGE) ، ثم CDMA2000 ، لذلك كان من المستحسن إدخال الاتصالات الخلوية القائمة على تقنية LTE Advanced (LTE Realize 12). وفقًا لذلك ، يجب نشر شبكات الجيل الخامس في كازاخستان استنادًا إلى شبكات LTE Advanced.

يجب أن يحل الجيل الخامس (الجيل الخامس) من الاتصالات الخلوية المشكلات المتعلقة ليس بتحسين جودة الإرسال الصوتي ، بل بمشكلة الوصول إلى الإنترنت وزيادة سرعة نقل البيانات. حاليًا (فبراير 2019) ، لم يتم تطوير معايير الجيل الخامس ، ولكن بحلول ديسمبر 2019 ، سيقدم الاتحاد الدولي للاتصالات معيار IMT-2020 ، الذي يصف تقنيات إنشاء الشبكة والوصول إليها. نظرًا لأن تقنيات جميع الأجيال السابقة من الاتصالات كانت تستند إلى الأجيال السابقة ، أي لاستخدام خدمات شبكة الجيل الثالث 3G ، فلم يكن من الضروري شراء جهاز جديد ، واستخدام LTE Advanced كان من الضروري فقط استبدال بطاقة SIM في هاتف قديم ، يفترض المؤلف أن الإصدار الأول من معيار IMT سوف يعتمد 2020 على تقنية LTE Advanced مع قنوات تنوع التردد غير المتعامدة ، غير OFDM.

على الرغم من البنية المماثلة لـ LTE Advanced ، يجب أن تستخدم شبكات 5G طيف تردد أوسع لزيادة السرعة ، وبما أن شبكات الجيل الرابع تشغل نطاق تردد عشري أو سنتيمتر (LTE Advanced تعمل في النطاق من 2500 إلى 2690 ميجاهرتز عند التحميل ، على سبيل المثال ، المشغل المحلي " يستخدم Altel "نطاق تردد قدره 1800 ميجاهرتز.) ، ثم لشبكات الجيل الخامس ، على الأرجح ، سيتم تخصيص ترددات في نطاق ملليمتر (60 - 100 جيجاهرتز). وفقًا لذلك ، لاستخدام نطاق ملليمتر ، سيكون من الضروري ليس فقط زيادة عدد المحطات الأساسية في بلدنا ، ولكن أيضًا لزيادة طاقة وحدات تزويد الطاقة في هذه المحطات الأساسية.

ستكون السمة المميزة لشبكات الجيل الخامس هي إدخال تقنية السحاب. يعد استخدام "السحب" ضروريًا لتخفيف الحمل على المحطات الأساسية ، ويُفترض أنها ستنقل الإشارة فقط دون معالجة ، كما يحدث في شبكات 4G (في شبكات LTE ، تحدث معالجة الإشارة على جانب الجهاز النهائي والمحطة الأساسية ووحدة إدارة التنقل ووحدة MME ، تنقل معلومات الخدمة فقط ، وليس حركة مرور المستخدم ، إنها المحطة الأساسية التي تشارك في إرسالها ، وبالتالي ، مع زيادة عدد الأجهزة المتصلة ، فلن تكون قادرة على مواجهة الحمل).

نظرًا لأن شبكات الجيل الخامس ستعمل على أساس الجيل الرابع ، نحتاج أولاً إلى شرح كيفية عمل شبكة LTE المتقدمة ، ثم استنباط افتراضات حول الاختلافات المعمارية لشبكات الجيل الخامس.

تتكون شبكة LTE من نظامين - شبكة أساسية ، أو بنية تطوير النظام أو Evolved Packet Core ، وتتألف من كتل إدارة التنقل ، وكتل طائرة مستوى المستخدم ، وبوابات الخدمة والحزم ، وشبكة وصول راديوي (UMTS Terrestrial المطورة شبكة الوصول اللاسلكي ، E-UTRAN) ، التي تتألف فقط من المحطات الأساسية. في الجيل السابق من الاتصالات ، شملت بنية شبكة الوصول إلى الراديو وحدة تحكم في شبكة الراديو ، و Radio Network Controller ، التي تضمنت وظائفها عملية إنشاء ومقاطعة اتصالات المشترك ، وعملية التسليم (نقل مشترك من محطة أساسية إلى أخرى) ، وتشفير بيانات المستخدم ، وتحديد مستوى مراقبة الجودة. في شبكات LTE ، يتم تخصيص كل هذه الوظائف للمحطات الأساسية.

جميع عناصر شبكات LTE متصلة ببعضها البعض باستخدام واجهات (الواجهة هي مجموعة من الاتصالات الموحدة التي تربط مختلف المعدات ، على سبيل المثال ، تسمى واجهات توصيل كبلات اللوحة الأم للكمبيوتر والأجهزة الطرفية - RS-232 ، USB ، HDMI). تسمى الواجهة التي تربط المحطات الأساسية X2 وهي مسؤولة عن الحفاظ على المشترك في الشبكة أثناء الانتقال من محطة أساسية إلى أخرى. يتم توصيل المحطات الأساسية بوحدة إدارة التنقل باستخدام واجهة S1 ؛ تنقسم الواجهة نفسها إلى نوعين: S1-C ، يحيل معلومات الخدمة للمحطة الأساسية من خلال بوابة التقديم GW ؛ S1-U ، ينقل معلومات المستخدم من خلال بوابة حزم حزم بيانات شبكة GW. بالإضافة إلى S1 ، هناك واجهات أخرى ، مثل: S2 (للاتصال بالشبكات التي لم يكن فيها منتدى 3GPP مطورًا) ، و S3 (يربط عقدة شبكة الحزمة لمشتركي شبكات الجيل الثاني والثالث و MME ، هي المسؤولة عن نقل بيانات الخدمة بين شبكات LTE والأجيال السابقة) ، S4 (لتوصيل الشبكة الأساسية SAE وعقدة شبكة حزم الجيل السابق SGSN ، خدمة دعم GPRS العقدة) ، S5 (توصيل الشبكة الأساسية وبوابة حزم GW لشبكة بيانات الحزم) ، S6 (توصيل وحدة إدارة التنقل و خادم بيانات المشترك ، المسؤول عن المصادقة في شبكة LTE ). إن إجمالي معدات الشبكة الخاصة بالشبكة الأساسية وشبكة الوصول إلى الراديو وواجهات التوصيل هي البنية المادية لشبكات LTE و LTE Advanced.

منطقياً ، يتم تقسيم بنية شبكة LTE إلى قسمين: طبقة الوصول اللاسلكي ، طبقة الوصول وطبقة عدم الوصول ، طبقة عدم الوصول. تشتمل طبقة الوصول إلى الراديو على جميع معدات شبكة الوصول الراديوي وشبكة الرزم الأساسية ؛ وتشمل الطبقة بدون الوصول طرقًا للتحكم (أو إدارة) التنقل ، EMM ، EPC Mobility Management.

توفر الشبكات القائمة على تقنية LTE Advanced إمكانية الوصول إلى خدمات الشبكات عالية الجودة - المكالمات ، سرعة تنزيل بيانات الوسائط المتعددة ، والاستخدام المجاني (باستثناء حركة المرور) لبعض التطبيقات (وخاصة الرسائل). لسوء الحظ ، نظرًا للعدد الكبير من الأجهزة والتحسين في جودة (وبالتالي حجم) معلومات الوسائط المتعددة ، لن تتمكن شبكات LTE قريبًا من مواجهة الحمل الثقيل. على وجه الخصوص ، لن يتمكن طيف الترددات العشرية المستخدم من قبل LTE من توفير الوصول إلى الموارد بمستوى الجودة اللازم (Qos) ، ومن ثم قد ينقطع الجهاز ببساطة عن الشبكة (ترفض المحطة الأساسية خدمة الهاتف الخليوي).

من أجل منع تشبع النطاق الترددي وفي المستقبل إصدار طيف وحدات القياس العشري للأجهزة التي تستهلك القليل من الموارد ، بحلول عام 2025 في أوروبا يخططون للتبديل إلى إدخال شبكات الجيل الخامس (5G). يجب أن يكون كل جيل من الاتصالات الخلوية مختلفًا عن الآخر: الأول من الثاني - الانتقال من أوضاع التشكيل التناظري إلى الرقمي ؛ الثاني من الثالث - ظهور خدمات إضافية ، مثل الوصول إلى الإنترنت عالي السرعة ؛ الرابع من الثالث هو الانتقال من تبديل القناة (توزيع البيانات الواردة) إلى الرزم وتنفيذ عنونة IP ، كما هو الحال في الشبكات السلكية. يجب أن يختلف الجيل الخامس عن الرابع في معلمتين: التردد المستخدم للطيف ، أي الانتقال إلى الموجات الفائقة القصر ، وكذلك إزالة الحمل من المحطات الأساسية عن طريق نقل وظائفها إلى الأجهزة الافتراضية. يعني تضمين تقنيات المحاكاة الافتراضية والسحابية في بنية 5G تكوينًا أكثر مرونة وأسرع ، بالإضافة إلى نشر أرخص ، حيث يمكن أن يكون هناك العديد من الأجهزة الافتراضية على جهاز فعلي واحد. من خلال الإعدادات المرنة ، يفهم المؤلف خلق شروط فردية لاستخدام خدمات الاتصال: خطط التعريفة الشخصية المصممة خصيصًا لاحتياجات كل مشترك ؛ التحكم في كمية البيانات التي تستهلكها جميع التطبيقات.

لذلك ، وفقا لمواصفات 3GPP TS 38.300 الإصدار 15.3. 1 الإصدار 15 ، يعتمد الجهاز العام لشبكات الجيل الخامس على تقنية الراديو الجديد وسيتم تقسيمه إلى جزأين ، مثل الجيل السابق: 5GC (الشبكة الأساسية) ، أي الشبكة الأساسية وشبكة NG-RAN (شبكة الجيل التالي للوصول اللاسلكي) ، هناك شبكة وصول لاسلكية للجيل القادم. يجب أن تتكون الشبكة الأساسية من جهازين رئيسيين يفصلان بين وظائف الأداة المساعدة والمستخدم. تسمى هذه الأجهزة "وظائف": AMF (وظيفة الوصول وإدارة التنقل) ، وهي وظيفة مسؤولة عن توفير الوصول والتحكم في صيانة إشارة الشبكة عند نقل أحد المشتركين ؛ UPF (وظيفة طائرة المستخدم) ، المسؤولة عن نقل حركة مرور المستخدم.

بالإضافة إلى ذلك ، يتم تضمين "وظائف" أخرى في بنية الشبكة: SMF (وظيفة إدارة الجلسة) ، وهي وظيفة إدارة الجلسة ، وتوزع عناوين IP لأجهزة المستخدم ، وتدير وتراقب حركة المرور التي تمر عبر وظيفة طائرة المستخدم ، وتحدد UPF لنقل حركة المرور إلى وجهتها ؛ AUSF (وظيفة خادم المصادقة) ، وظيفة خادم مصادقة جهاز المستخدم ؛ UDM (وظيفة البيانات الموحدة) ، هي مستودع لبيانات التسجيل ومعلومات الأمان والاشتراكات المختلفة للمشترك ؛ PCF (وظيفة التحكم في السياسة) ، وظيفة إدارة السياسة التي تتحكم في سياسة سلوك شبكة واحدة وسياسة سلوك كل مستوى شبكة (مستخدم وخدمة) ؛ AF (وظيفة التطبيق) ، وهي وظيفة التطبيق التي تنفذ طلبات وظيفة إدارة الجلسة ، لها أيضًا حق الوصول إلى إدارة بطارية الجهاز.

تتكون شبكة الوصول اللاسلكي من نوعين من المحطات الأساسية: gNBs العاملة في شبكة الجيل الخامس و ng-eNBs العاملة في شبكة الجيل الرابع (E-UTRAN) أو شبكة الجيل السابق. يجب أن يكون كلا النوعين من المحطات الأساسية متصلاً بواسطة واجهة Xn ، واتصال المحطات الأساسية مع كتل الوظائف عن طريق واجهة NG. كما هو الحال مع شبكات LTE ، تختلف واجهة NG بالنسبة للأجهزة التي تتواصل مع بعضها البعض. بشكل إجمالي ، تحدد مواصفات 3GPP TR 23.799 ، التي تم إصدارها في ديسمبر 2016 ، 15 نوعًا من واجهات NG ، بأرقام من 1 إلى 15. لا يمكن وصف جميع أنواع أنظمة الاتصالات الخمسة عشر في المقالة ، وبالتالي فإن المؤلف سوف يعطي خمسة منها فقط. لذلك ، NG1 هي "نقطة مرجعية" بين جهاز المستخدم و AMF ، NG2 - يربط المحطة الأساسية مع AMF ؛ يتم توصيل المحطة الأساسية أيضًا عبر واجهة NG3 بوظيفة طائرة المستخدم ، والتي بدورها متصلة عبر واجهة NG4 بوظيفة إدارة الجلسة ، ويتم توفير خدمات الوصول إلى الإنترنت وخدمات المشغل من خلال واجهة NG6. وظيفة تطبيق AF متصلة بوظيفة إدارة الجلسة عبر واجهة NG5.

تم نقل مفاهيم مثل طائرات المستخدم والتحكم من شبكات LTE في شبكة 5G ، وبالتالي فإن واجهات NG المرتبطة بالمستخدم ، مثل LTE ، تشير إلى NG-U ، وبالتالي ، NG-C لمستوى التحكم ، وبالتالي مستويات البروتوكول (مكدسات) من واجهات أيضا تنقسم فقط إلى المستخدم والخدمة. تقوم واجهات طائرة المستخدم بتوصيل المحطة الأساسية بـ UPF ، وتتصل واجهات طائرة التحكم (NG-C) بـ AMF. تجدر الإشارة هنا إلى أن NG-U توفر تسليمًا غير مضمون (عندما يرسل جهاز المستخدم عنصر بيانات البروتوكول (PDU) ولا ينتظر تقرير التسليم استجابة ؛ التسليم المضمون هو تأكيد في شكل تقرير بأن عنصر البيانات قد تم استلامه) ، مما يوفر الوقت بشكل كبير نقل البيانات.

يجب أن تحتوي واجهات Xn و NG على مواصفات مفتوحة متاحة لجميع الشركات المصنعة للتفاعل مع مختلف المحطات الأساسية. تجدر الإشارة هنا إلى أن بعض مجموعات العلماء التي تعمل على تطوير متطلبات ومعايير 5G ، ولا سيما منتدى شبكات الجيل التالي من شبكات الجيل التالي (NGMN) ، في تقاريرهم تلتزم بالرأي القائل بأن جميع التقنيات مفتوحة تمامًا ، أي جهاز الشبكة بالكامل ، بدءًا من الجهاز المادي ويجب أن يكون الوصول إلى مستوى التطبيق متاحًا لجميع المستخدمين. تعتقد NGMN أيضًا أن تصميم وبناء شبكة 5G يجب ألا يتم تنفيذهما بشكل منفصل من قبل كل مشغل ، ولكن بشكل مشترك من قبل جميع المشغلين الإقليميين.

عملية العمل في شبكة الجيل الخامس هي ما يلي تقريبًا: يكتشف جهاز المستخدم الشبكة باستخدام الهوائي المدمج (هذه المرحلة لم تتغير منذ الجيل الثاني وتكنولوجيا GSM) ، والشبكة ، أي AMF ، من خلال المحطة الأساسية ، تطلب بيانات خدمة الهاتف.

يرسل جهاز المستخدم بيانات التسجيل الخاصة به من خلال المحطة الأساسية إلى وظيفة إدارة الوصول والتنقل (AMF) ، وتقارن هذه الوظيفة بيانات تسجيل الجهاز مع خادم يتم تخزين بيانات جميع المشتركين فيه ، وإذا كانت البيانات المقدمة متطابقة ، يُسمح بالوصول إلى الشبكة. بعد التسجيل ، يتمكن جهاز المستخدم من الوصول إلى UPF ، ومن خلاله إلى خدمات الشبكة.
هناك اختلاف آخر في شبكة الجيل الخامس - المحاكاة الافتراضية للخدمة ومعالجة البيانات في أنظمة التشغيل السحابية - أضاف مفهومًا آخر لتعريف الهندسة المعمارية: بالإضافة إلى "الطائرة" - "الطائرة" ، مفهوم "التقسيم" - "الشريحة" ، بمعنى الإعدادات المختلفة (أو الخصائص) شبكة) للمستخدمين والمجموعات الفردية ، وكذلك بالنسبة للمعدات. من المفترض أن يقوم موفر شبكة 5G بإنشاء قوالب خاصة - الأجهزة الظاهرية (NST ، Network Slice Template) ، وسيكون المستخدمون قادرين على تحسين هذه القوالب لأنفسهم ، أي توصيل الخدمات المطلوبة واستئجار البرامج. لا ينبغي أن تكون بنية الشرائح مفتوحة ، نظرًا لأن الأجهزة الافتراضية التي تعمل عن بُعد (في "السحابة" ، أي في مركز تخزين البيانات لمزود 5G) يمكن أن تكون من جهات تصنيع مختلفة. على سبيل المثال ، تستخدم Kaztelecom JSC ، أكبر مزود لخدمات الاتصالات الهاتفية الأرضية في كازاخستان ، خدمات Microsoft السحابية (Hosted Lync و Hosted SharePoint و Hosted Exchange) ، فضلاً عن الاستضافة الافتراضية مع أنظمة تشغيل Windows (خادم الويب IIS) و Linux (خادم الويب أباتشي).

في عام 2016 ، أصدر منتدى NGMN وثيقة "وصف مفهوم تشريح الشبكة" ، "وصف لمفهوم تقطيع الشبكة" ، حيث يتكون الهيكل المنطقي للشرائح من ثلاثة أجزاء (من الأسفل إلى الأعلى): مستوى الموارد ، ومستوى مثيل شريحة الشبكة ، ومستوى مثيل الخدمة.
يتضمن مستوى الموارد جميع الموارد المادية والمنطقية. الموارد المادية هي جميع المكونات التي تشكل شبكة: المحطات الأساسية ، وأنظمة التخزين ، والخوادم ، وأجهزة التوجيه ، والمفاتيح ، وحتى التوصيل المتبادل (معدات التوصيل مثل النحاس أو كابل الألياف الضوئية هي مورد مادي). الموارد المنطقية هي موارد مادية مجمعة حسب سمة معينة أو لأي غرض ، على سبيل المثال ، موارد منطقية مخصصة للاستضافة الافتراضية (خدمة توفر مكانًا لتخزين البيانات على عمل مستمر ، موجود على شبكة ، كمبيوتر خادم) : في الواقع ، كمبيوتر خادم مزود بنظام تشغيل ، نظام تخزين بيانات - مجمع يتكون من عدة محركات أقراص صلبة متصلة مع بعضها البعض ، والمفاتيح ، وأجهزة التوجيه وكابلات التوصيل ، وكذلك برنامج ogrammnoe على الطلب. لا ترتبط وظائف الشبكة بالموارد ؛ فهي جزء من شريحة من مقطع الشبكة. في الوقت نفسه ، تشير خطة قطعة الشبكة ، وهي عبارة عن وصف للهيكل ووظائف الشبكة المطلوبة ، إلى الموارد المنطقية.
مثال على مقطع الشبكة - هذا هو "الشريحة" - شريحة ، وهي عبارة عن مجموعة من الخصائص والإعدادات والموارد المخصصة لنشر الخدمات والخدمات التي يوفرها مشغل الشبكة. على سبيل المثال ، لا تتطلب الشريحة المخصصة لتبادل البيانات بين الأجهزة (المستشعرات ، العدادات) نظامًا لتخزين البيانات ، فقط خادم ومحول وموجه ، فضلاً عن توصيل الكابلات ، لأنه في بعض الأحيان تكفي بتة واحدة من البيانات لنقل إشارة من جهاز إلى جهاز - 0 أو 1. إذا استدعينا إجراء التسليم (انتقال جهاز مستخدم من محطة أساسية إلى أخرى) ، فسوف يظهر على الفور أن المحطات الأساسية وجهاز المستخدم يتبادلان الرسائل النصية ، yaschimi 1-2 الكلمات (على سبيل المثال: HO طلب، HO استجابة وهلم جرا). في الوقت نفسه ، يجب أن تكون شريحة توصيلات M2M (الماكينة والماكينة) موثوقة للغاية ، أي أنه يجب تسليم الرسالة والتأخير المنخفض للغاية ، أي أنه يجب تسليم الرسالة بسرعة كبيرة ، على سبيل المثال ، إذا كان برنامج التحكم عن بعد في السيارة يرسل رسالة إلى مستشعر السيارة. نموذج آخر للقطع - لتوفير خدمة تلفزيون الإنترنت ، على العكس من ذلك ، يتطلب نظام تخزين البيانات والعديد من الخوادم وأجهزة التوجيه وأجهزة التوصيل لتوفير وصول مستمر إلى خدمة الوسائط المتعددة ، والتي تتطلب أيضًا زمن انتقال منخفض للغاية ، ولكنها لا تتطلب بالضرورة موثوقية فائقة ، نظرًا لأن الخسارة قد لا يلاحظ المستخدم حزم بيانات متعددة.

يمكن لشريحة الشبكة استخدام موارد متنوعة ، وتتألف من عدة شبكات فرعية مكتملة منطقيا ، في حين أن الشبكات يمكن أن تستخدم الموارد ليس فقط لشرائحها الخاصة ، ولكن أيضا لشريحة أخرى. , , ( , - ) , (, – ) .

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

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

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

, LTE , , , .

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