Beschreibung des Geräts und der Funktionsweise des Netzwerks der fünften Generation, das auf der Grundlage der vierten Generation bereitgestellt wird

Die Mobilfunknetze der vierten Generation können auf der Grundlage von zwei Technologien aufgebaut werden - LTE (Long Term Evolution) und WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Beide Technologien sind ähnlich, haben jedoch unterschiedliche Entwickler und Erscheinungszeiten. WiMAX, basierend auf dem IEEE 802.16-Standard (entwickelt vom Institut für Elektro- und Elektronikingenieure, Institut für Elektro- und Elektronikingenieure), verwendet die OFDM-Technologie, um Daten in beide Richtungen (zum Hochladen und Herunterladen) zu übertragen, was zu hohen Spitzenfaktoren führt, d. H. Zu großen Koeffizienten belastet die Stromversorgungen der Endausrüstung (mit anderen Worten, der Akku des Telefons nutzt sich ab und entlädt sich schneller, wenn OFDM für die Ausgangsgeschwindigkeit verwendet wird). Im Gegensatz zu WiMAX verwendet die Long Term Evolution-Technologie die SC-FDMA-Technologie für die Ausgangsgeschwindigkeit, wodurch hohe Spitzenfaktoren vermieden werden, da diese Technologie nur aus einem Träger besteht.

Die LTE-Technologie wurde vom 3GPP-Forum (The 3rd Generation Partnership Project) entwickelt, mit dem die Probleme bei der Verwendung von GSM- und CDMA2000-Technologien (UMTS) gelöst werden sollen, die jeweils die Technologien der zweiten und dritten Generation der Mobilfunkkommunikation sind. In Kasachstan wurde für den Betrieb von Mobilfunknetzen zunächst die GSM-Technologie (EDGE) und dann CDMA2000 verwendet. Daher war die Einführung einer Mobilfunkkommunikation auf der Basis der LTE Advanced-Technologie (LTE Realize 12) ratsam. Dementsprechend sollten Netze der fünften Generation in Kasachstan auf der Grundlage von LTE Advanced-Netzen bereitgestellt werden.

Die fünfte Generation (5. Generation) der Mobilfunkkommunikation sollte Probleme lösen, die nicht mit der Verbesserung der Qualität der Sprachübertragung, sondern mit dem Problem des Internetzugangs und der Erhöhung der Geschwindigkeit der Datenübertragung zusammenhängen. Derzeit (Februar 2019) werden keine 5G-Standards entwickelt, aber bis Dezember 2019 wird die Internationale Fernmeldeunion den IMT-2020-Standard einführen, der die Technologien für den Aufbau und den Zugriff auf das Netzwerk beschreibt. Da die Technologien aller früheren Kommunikationsgenerationen auf früheren basierten, dh um die Dienste des 3G-Netzwerks zu nutzen, war es nicht erforderlich, ein neues Gerät zu kaufen, und um LTE Advanced zu verwenden, musste lediglich die SIM-Karte in einem veralteten Telefon ersetzt werden. Der Autor geht davon aus, dass die erste Version des IMT-Standards veröffentlicht wurde 2020 wird auf der LTE Advanced-Technologie mit nicht-orthogonalen Frequenzdiversitätskanälen (Non-OFDM) basieren.

Trotz der Architektur, die LTE Advanced ähnelt, sollten 5G-Netze ein breiteres Frequenzspektrum verwenden, um die Geschwindigkeit zu erhöhen. Da Netze der vierten Generation einen Frequenzbereich von Dezimetern oder Zentimetern einnehmen, arbeitet LTE Advanced im beladenen Bereich im Bereich von 2500 bis 2690 MHz, z. Altel ”verwendet ein Frequenzband von 1800 MHz.) Dann werden für die Netze der fünften Generation höchstwahrscheinlich Frequenzen im Millimeterbereich (60 - 100 GHz) zugewiesen. Um den Millimeterbereich nutzen zu können, muss daher nicht nur die Anzahl der Basisstationen in unserem Land erhöht werden, sondern auch die Leistung der Stromversorgungseinheiten dieser Basisstationen.

Ein weiteres Kennzeichen von 5G-Netzen wird die Einführung der Cloud-Technologie sein. Die Verwendung von "Clouds" ist erforderlich, um die Basisstationen zu entlasten. Es wird angenommen, dass sie das Signal nur ohne Verarbeitung übertragen, wie dies in 4G-Netzen der Fall ist (in LTE-Netzen erfolgt die Signalverarbeitung auf der Seite des Endgeräts und der Basisstation, der Mobilitätsverwaltungseinheit, der MME , überträgt nur Dienstinformationen, nicht den Benutzerverkehr. Es ist die Basisstation, die an der Übertragung beteiligt ist. Wenn also die Anzahl der angeschlossenen Geräte zunimmt, können sie die Last nicht bewältigen.

Da die Netze der fünften Generation auf der Basis der vierten Generation arbeiten, müssen wir zunächst die Funktionsweise des LTE Advanced-Netzes erläutern und dann Annahmen über die architektonischen Unterschiede der Netze der fünften Generation ableiten.

Ein LTE-Netzwerk besteht aus zwei Systemen - einem Kernnetzwerk, System Architecture Evolution oder Evolved Packet Core, bestehend aus Mobility Management Entity-Blöcken, User Plane Entity-Blöcken, Service- und Paket-Gateways und einem Funkzugangsnetzwerk (weiterentwickeltes UMTS Terrestrial) Funkzugangsnetz (E-UTRAN), das nur aus Basisstationen besteht. In der vorherigen Generation der Kommunikation umfasste die Funkzugangsnetzwerkarchitektur einen Funknetzwerkcontroller, den Funknetzwerkcontroller, dessen Funktionen das Herstellen und Unterbrechen von Teilnehmerverbindungen, das Übergeben (Übertragen eines Teilnehmers von einer Basisstation zu einer anderen), das Verschlüsseln von Benutzerdaten und das Bestimmen des Niveaus der Qualitätskontrolle umfassten. In LTE-Netzen sind alle diese Funktionen Basisstationen zugeordnet.

Alle Elemente von LTE-Netzen sind über Schnittstellen miteinander verbunden (eine Schnittstelle besteht aus einer Reihe standardisierter Verbindungen, die verschiedene Geräte verbinden. Die Schnittstelle wird beispielsweise als Verbindungskabel des Computer-Motherboards und der Peripheriegeräte RS-232, USB, HDMI bezeichnet). Die Schnittstelle, die die Basisstationen verbindet, heißt X2 und ist dafür verantwortlich, dass der Teilnehmer während des Übergangs von einer Basisstation zu einer anderen im Netzwerk bleibt. Basisstationen werden über die S1-Schnittstelle mit der Mobilitätsmanagementeinheit verbunden. Die Schnittstelle selbst ist in zwei Typen unterteilt: S1-C, die Dienstinformationen für die Basisstation über das Serving GW-Gateway überträgt; S1-U, Übertragung von Benutzerinformationen über das Paketdaten-Netzwerk-GW-Paket-Gateway. Zusätzlich zu S1 gibt es noch andere Schnittstellen, wie z. B.: S2 (für die Verbindung mit Netzwerken, in denen das 3GPP-Forum kein Entwickler war), S3 (verbindet einen Paketnetzwerkknoten für Teilnehmer von Netzwerken der zweiten und dritten Generation und MME) ist für die Übertragung von Dienstdaten verantwortlich zwischen LTE-Netzen und früheren Generationen), S4 (zum Verbinden des SAE-Kernnetzwerks und des Paketnetzwerkknotens SGSN der vorherigen Generation, Serving GPRS Support Node), S5 (Verbinden des Kernnetzwerks und des GW-Paketgateways des Paketdatennetzwerks), S6 (Verbinden der Mobilitätsverwaltungseinheit und Teilnehmerdatenserver, der für die Authentifizierung im LTE-Netzwerk verantwortlich ist ) Die Gesamtheit der Netzwerkausrüstung des Kernnetzwerks, des Funkzugangsnetzwerks und der Verbindungsschnittstellen ist die physische Struktur von LTE- und LTE Advanced-Netzwerken.

Logischerweise ist die LTE-Netzwerkstruktur in zwei Teile unterteilt: eine Funkzugriffsschicht, Access Stratum, und eine Nichtzugriffsschicht, Non-Access Stratum. Die Funkzugangsschicht umfasst alle Geräte des Funkzugangsnetzwerks und des Basispaketnetzwerks, die Schicht ohne Zugang umfasst Verfahren zum Steuern (oder Verwalten) von Mobilität, EMM und EPC-Mobilitätsmanagement.

Auf LTE Advanced basierende Netzwerke bieten Zugriff auf hochwertige Netzwerkdienste - Anrufe, hohe Geschwindigkeit beim Herunterladen von Multimediadaten, kostenlose Nutzung (ohne Datenverkehr) einiger Anwendungen (hauptsächlich Messenger). Leider werden LTE-Netze aufgrund der großen Anzahl von Geräten und der Verbesserung der Qualität (und damit der Größe) von Multimedia-Informationen bald nicht mehr in der Lage sein, die hohe Last zu bewältigen. Insbesondere kann das von LTE verwendete Dezimeterfrequenzspektrum keinen Zugriff auf Ressourcen mit der erforderlichen Qualitätsstufe (Qos) bieten, und dann kann das Gerät einfach die Verbindung zum Netzwerk trennen (die Basisstation weigert sich, ein Mobiltelefon zu bedienen).

Um eine Bandbreitensättigung zu verhindern und in Zukunft das Dezimeterspektrum für Geräte freizugeben, die wenig Ressourcen verbrauchen, planen sie bis 2025 in Europa die Einführung von Netzwerken der fünften Generation (5G). Jede Generation der zellularen Kommunikation sollte sich von der anderen unterscheiden: die erste von der zweiten - der Übergang vom analogen zum digitalen Modulationsmodus; der zweite vom dritten - das Aufkommen zusätzlicher Dienste wie Hochgeschwindigkeits-Internetzugang; Die vierte von der dritten ist der Übergang von der Kanalvermittlung (Verteilung eingehender Daten) zum Paket und die Implementierung der IP-Adressierung wie in drahtgebundenen Netzwerken. Die fünfte Generation von der vierten sollte sich in zwei Parametern unterscheiden: der verwendeten Frequenz des Spektrums, dh dem Übergang zu ultrakurzen Wellen, sowie dem Entfernen der Last von den Basisstationen durch Übertragung ihrer Funktionen auf virtuelle Maschinen. Die Einbeziehung von Virtualisierungs- und Cloud-Technologien in die 5G-Architektur bedeutet eine flexiblere und schnellere Konfiguration sowie eine kostengünstigere Bereitstellung, da sich auf einer physischen Maschine viele virtuelle Maschinen befinden können. Unter flexiblen Einstellungen versteht der Autor die Schaffung individueller Bedingungen für die Nutzung von Kommunikationsdiensten: persönliche Tarifpläne, die auf die Bedürfnisse jedes Teilnehmers zugeschnitten sind; Steuern Sie die Datenmenge, die von allen Anwendungen verbraucht wird.

Also gemäß der Spezifikation 3GPP TS 38.300 Version 15.3. 1 Release 15, das allgemeine Gerät der Netze der fünften Generation, basiert auf der New Radio-Technologie und wird wie die vorherige Generation in zwei Teile unterteilt: 5GC (Core Network), d. H. Das Core Network und NG-RAN (Next Generation Radio Access Network). Es gibt ein Funkzugangsnetz der nächsten Generation. Das Kernnetzwerk sollte aus zwei Hauptgeräten bestehen, die Dienstprogramm- und Benutzerfunktionen trennen. Diese Geräte werden als „Funktionen“ bezeichnet: AMF (Access and Mobility Management Function), eine Funktion, die für die Bereitstellung des Zugriffs und die Steuerung der Aufrechterhaltung eines Netzwerksignals beim Bewegen eines Teilnehmers verantwortlich ist; UPF (User Plane Function), verantwortlich für die Übertragung des Benutzerverkehrs.

Darüber hinaus sind weitere "Funktionen" in der Netzwerkarchitektur enthalten: SMF (Session Management Function), eine Sitzungsverwaltungsfunktion, verteilt IP-Adressen für Benutzergeräte, verwaltet und überwacht den Verkehr, der durch die Benutzerebenenfunktion geleitet wird, wählt UPF aus, um den Verkehr an sein Ziel zu verschieben; AUSF (Authentication Server Function), Benutzergerät-Authentifizierungsserverfunktion; UDM (Unified Data Function) ist ein Repository für Registrierungsdaten, Sicherheitsinformationen und verschiedene Abonnements des Abonnenten. PCF (Policy Control Function), eine Richtlinienverwaltungsfunktion, die eine einzelne Netzwerkverhaltensrichtlinie und die Verhaltensrichtlinie jeder Netzwerkebene (Benutzer und Dienst) steuert. AF (Application Function), eine Anwendungsfunktion, die Anforderungen für die Sitzungsverwaltungsfunktion ausführt, hat auch Zugriff auf die Batterieverwaltung des Geräts.

Das Funkzugangsnetz besteht aus zwei Arten von Basisstationen: gNBs, die im Netzwerk der fünften Generation arbeiten, und ng-eNBs, die im Netzwerk der vierten Generation (E-UTRAN) oder der vorherigen Generation arbeiten. Beide Arten von Basisstationen müssen über die Xn-Schnittstelle und die Verbindung von Basisstationen mit Funktionsblöcken über die NG-Schnittstelle verbunden werden. Wie bei LTE-Netzen unterscheidet sich die NG-Schnittstelle für Geräte, die miteinander kommunizieren. Insgesamt definiert die im Dezember 2016 veröffentlichte Spezifikation von 3GPP TR 23.799 15 Arten von NG-Schnittstellen mit Nummern von 1 bis 15. Es ist nicht möglich, alle 15 Arten von Kommunikationssystemen im Artikel zu beschreiben, daher gibt der Autor nur fünf davon an. NG1 ist also ein „Referenzpunkt“ zwischen dem Benutzergerät und AMF. NG2 - verbindet die Basisstation mit AMF. Die Basisstation ist auch über die NG3-Schnittstelle mit der Benutzerebenenfunktion verbunden, die wiederum über die NG4-Schnittstelle mit der Sitzungsverwaltungsfunktion verbunden ist, und der Internetzugang und die Bedienerdienste werden über die NG6-Schnittstelle bereitgestellt. Die AF-Anwendungsfunktion ist über die NG5-Schnittstelle mit der Sitzungsverwaltungsfunktion verbunden.

Konzepte wie Benutzer- und Steuerebenen wurden von LTE-Netzwerken in einem 5G-Netzwerk übertragen, daher bezeichnen NG-Schnittstellen, die einem Benutzer wie LTE zugeordnet sind, NG-U und dementsprechend NG-C für eine Steuerebene, daher Protokollebenen (Stapel) von Schnittstellen werden ebenfalls nur in Benutzer und Dienst unterteilt. Benutzerebenenschnittstellen verbinden die Basisstation mit dem UPF, und Steuerebenenschnittstellen (NG-C) verbinden sich mit dem AMF. Hierbei ist zu beachten, dass NG-U eine nicht garantierte Zustellung bietet (wenn das Benutzergerät ein Protokolldatenelement (PDU) sendet und nicht auf einen Zustellungsbericht als Antwort wartet; garantierte Zustellung ist eine Bestätigung in Form eines Berichts, dass das Datenelement empfangen wird), was erheblich Zeit spart Datenübertragung.

Die Xn- und NG-Schnittstellen müssen über offene Spezifikationen verfügen, damit alle Hersteller mit verschiedenen Basisstationen interagieren können. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass einige Gruppen von Wissenschaftlern, die an der Entwicklung von 5G-Anforderungen und -Standards arbeiten, insbesondere das NGMN-Forum (Next Generation Mobile Networks), in ihren Berichten der Meinung sind, dass alle Technologien vollständig offen sind, dh das gesamte Netzwerkgerät, beginnend mit dem physischen Das Beenden mit der Anwendungsebene sollte für alle Benutzer zugänglich sein. NGMN ist auch der Ansicht, dass der Entwurf und der Bau eines 5G-Netzes nicht von jedem Betreiber separat, sondern von allen regionalen Betreibern gemeinsam durchgeführt werden sollten.

Der Arbeitsprozess im Netzwerk der fünften Generation ist ungefähr der folgende: Das Benutzergerät erkennt das Netzwerk mithilfe der eingebauten Antenne (diese Phase ist seit der zweiten Generation und der GSM-Technologie unverändert geblieben). Das Netzwerk, dh die AMF, fordert über die Basisstation Telefondienstdaten an.

Das Benutzergerät sendet seine Registrierungsdaten über die Basisstation an die Zugriffs- und Mobilitätsverwaltungsfunktion (AMF). Diese Funktion vergleicht die Registrierungsdaten des Geräts mit einem Server, auf dem die Daten aller Teilnehmer gespeichert sind, und wenn die bereitgestellten Daten übereinstimmen, ist der Zugriff auf das Netzwerk zulässig. Nach der Registrierung erhält das Benutzergerät Zugriff auf das UPF und über dieses auf die Dienste des Netzwerks.
Ein weiterer Unterschied des Netzwerks der fünften Generation - Dienstvirtualisierung und Datenverarbeitung in Cloud-Betriebssystemen - fügte der Definition der Architektur ein weiteres Konzept hinzu: Zusätzlich zu "Ebene" - "Ebene" bedeutet das Konzept "Slicing" - "Slice" unterschiedliche Einstellungen (oder Merkmale). Netzwerk) für einzelne Benutzer und Gruppen sowie für Geräte. Es wird davon ausgegangen, dass der 5G-Netzwerkanbieter spezielle Vorlagen erstellt - virtuelle Maschinen (NST, Network Slice Template), und Benutzer können diese Vorlagen für sich selbst optimieren, dh die erforderlichen Dienste verbinden und Software mieten. Die Architektur der Slices sollte nicht geöffnet sein, da virtuelle Maschinen, die remote arbeiten (in der "Cloud", dh im Datenspeichercenter des 5G-Anbieters), von verschiedenen Herstellern stammen können. Beispielsweise verwendet Kazakhtelecom JSC, der größte Anbieter von Festnetztelefonie in Kasachstan, Microsoft Cloud-Dienste (Hosted Lync, Hosted SharePoint, Hosted Exchange) sowie virtuelles Hosting mit Windows-Betriebssystemen (IIS-Webserver) und Linux (Webserver) Apache).

Im Jahr 2016 veröffentlichte das NGMN-Forum das Dokument „Description of Network Slicing Concept“, in dem die logische Struktur von Slices in drei Teilen (von unten nach oben) beschrieben wird: Ressourcenebene, Netzwerksegmentinstanzebene und Dienstinstanzebene.
Die Ressourcenebene umfasst alle physischen und logischen Ressourcen. Physische Ressourcen sind alle Komponenten, aus denen ein Netzwerk besteht: Basisstationen, Speichersysteme, Server, Router, Switches und sogar Querverbindungen (Verbindungsgeräte wie Kupfer- oder Glasfaserkabel sind eine physische Ressource). Logische Ressourcen sind physische Ressourcen, die nach einem bestimmten Attribut oder für einen beliebigen Zweck gruppiert sind, z. B. logische Ressourcen für das virtuelle Hosting (ein Dienst, der einen Speicherplatz für Daten auf einem ständig funktionierenden Server in einem Netzwerk oder einem Servercomputer bietet). : in der Tat ein Computerserver mit einem Betriebssystem, ein Datenspeichersystem - ein Komplex bestehend aus mehreren miteinander verbundenen Festplatten, Switches, Routern und Verbindungskabeln sowie ogrammnoe Software auf Anfrage. Netzwerkfunktionen beziehen sich nicht auf Ressourcen, sondern sind Teil eines Teils eines Netzwerksegments. Gleichzeitig verweist der Netzwerksegmentplan, der die Struktur und die erforderlichen Netzwerkfunktionen beschreibt, auf logische Ressourcen.
Eine Instanz eines Netzwerksegments - dies ist „Slice“ - ein Slice, bei dem es sich um eine Reihe von Merkmalen, Einstellungen und zugewiesenen Ressourcen für die Bereitstellung von Diensten und Diensten handelt, die vom Netzwerkbetreiber bereitgestellt werden. Beispielsweise erfordert ein Slice, das für den Datenaustausch zwischen Maschinen (Sensoren, Zähler) vorgesehen ist, kein Datenspeichersystem, nur einen Server, einen Switch und einen Router sowie Verbindungskabel, da manchmal ein einziges Datenbit ausreicht, um ein Signal von Gerät zu Gerät zu übertragen - 0 oder 1. Wenn wir uns an die Übergabeprozedur erinnern (den Übergang eines Benutzergeräts von einer Basisstation zu einer anderen), zeigt dies sofort, dass die Basisstationen und das Benutzergerät Textnachrichten miteinander austauschen. yaschimi 1 bis 2 Worte (zum Beispiel: HO REQUEST, HO RESPONSE und so weiter). 2 ( ) , , , , . – - , , , , , , .

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Eine Dienstinstanzstufe ist der Enddienst oder das Endprogramm, das dem Benutzer bereitgestellt wird. Dienstinstanzen sind seit langem Teil des globalen Netzwerks. Ein klassisches Beispiel für einen solchen Dienst sind E-Mail-Dienste, z. B. Google Mail, die über einen Browser geladen werden und von keiner anderen Site zu unterscheiden sind. Sie verwenden jedoch dieselben Netzwerkprotokolle wie Microsoft Outlook oder ein anderes eigenständiges Programm, das auf dem Computer installiert ist und beim Start mit dem E-Mail-Dienst kommuniziert eine Box durch Mail-Protokolle.

Netze der fünften Generation sollten physikalisch dieselbe einfache Struktur wie LTE-Netze haben, dh nur aus einem Kernnetz und einem Funkzugangsnetz bestehen. Logischerweise ist 5G jedoch viel komplexer aufgebaut: Die horizontale Trennung in Benutzer- und Serviceebenen wurde beibehalten, die vertikale Trennung in Slices wurde hinzugefügt, die Rolle der Computersteuerung wurde erweitert, neue logische Elemente wie die Sitzungssteuerungsfunktion oder die Anwendungsfunktion wurden hinzugefügt.

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

, LTE , , , .

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