Description du dispositif et du fonctionnement du réseau de cinquième génération déployé sur la base de la quatrième génération

Les réseaux cellulaires de quatrième génération peuvent être construits sur la base de deux technologies - LTE (Long Term Evolution) et WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Ces deux technologies sont similaires, mais ont des développeurs et des temps d'apparition différents. WiMAX, basé sur la norme IEEE 802.16 (développé par l'Institute of Electrical and Electronics Engineers, Institute of Electrical and Electronics Engineers) utilise la technologie OFDM pour transmettre des données dans les deux directions (pour le téléchargement et le téléchargement), ce qui conduit à des facteurs de crête élevés, c'est-à-dire de grands coefficients charges sur les alimentations de l'équipement final (en d'autres termes, la batterie du téléphone s'use et se décharge plus rapidement lors de l'utilisation de l'OFDM pour la vitesse de sortie). Contrairement à WiMAX, la technologie Long Term Evolution utilise la technologie SC-FDMA pour la vitesse sortante, ce qui évite les facteurs de pointe élevés, car cette technologie est à porteuse unique.

La technologie LTE a été développée par le forum 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project), conçu pour résoudre les problèmes d'utilisation des technologies GSM et CDMA2000 (UMTS), qui sont respectivement les technologies des deuxième et troisième générations de communications cellulaires. Au Kazakhstan, pour l'exploitation des réseaux cellulaires, ils ont d'abord utilisé la technologie GSM (EDGE), puis le CDMA2000, donc l'introduction de communications cellulaires basées sur la technologie LTE Advanced (LTE Realize 12) était recommandée. En conséquence, les réseaux de cinquième génération au Kazakhstan devraient être déployés sur la base des réseaux LTE Advanced.

La cinquième génération (5e génération) de communications cellulaires devrait résoudre les problèmes liés non pas à l'amélioration de la qualité de la transmission vocale, mais au problème de l'accès à Internet et à l'augmentation de la vitesse de transfert des données. Actuellement (février 2019), les normes 5G ne sont pas développées, mais d'ici décembre 2019, l'Union internationale des télécommunications introduira la norme IMT-2020, qui décrit les technologies de construction et d'accès au réseau. Étant donné que les technologies de toutes les générations de communication précédentes étaient basées sur les précédentes, c'est-à-dire pour utiliser les services du réseau 3G, il n'était pas nécessaire d'acheter un nouvel appareil, et pour utiliser LTE Advanced, il suffisait de remplacer la carte SIM dans un téléphone obsolète, l'auteur suppose que la première version de la norme IMT 2020 sera basé sur la technologie LTE Advanced avec des canaux de diversité de fréquence non orthogonaux, non OFDM.

Malgré l'architecture similaire à LTE Advanced, les réseaux 5G devraient utiliser un spectre de fréquences plus large pour augmenter la vitesse, et puisque les réseaux de quatrième génération occupent une plage de fréquences en décimètre ou en centimètre (LTE Advanced fonctionne dans la plage de 2500 à 2690 MHz lorsqu'il est chargé, par exemple, l'opérateur domestique. Altel ”utilise une bande de fréquences de 1800 MHz.), Puis pour les réseaux de cinquième génération, très probablement, des fréquences de l'ordre du millimètre (60 - 100 GHz) seront attribuées. En conséquence, pour utiliser la gamme millimétrique, il sera nécessaire non seulement d'augmenter le nombre de stations de base dans notre pays, mais également d'augmenter la puissance des blocs d'alimentation de ces stations de base.

Une autre caractéristique des réseaux 5G sera l'introduction de la technologie cloud. L'utilisation de "nuages" est nécessaire pour soulager la charge sur les stations de base, on suppose qu'elles ne transmettront le signal que sans traitement, comme cela se produit dans les réseaux 4G (dans les réseaux LTE, le traitement du signal se produit du côté du terminal et de la station de base, unité de gestion de la mobilité, MME , transmet uniquement les informations de service, pas le trafic utilisateur, c'est la station de base qui est engagée dans sa transmission, donc, avec une augmentation du nombre d'appareils connectés, ils ne pourront pas faire face à la charge).

Étant donné que les réseaux de cinquième génération fonctionneront sur la base de la quatrième génération, nous devons d'abord expliquer comment fonctionne le réseau LTE Advanced, puis déduire des hypothèses sur les différences architecturales des réseaux de cinquième génération.

Un réseau LTE se compose de deux systèmes - un réseau principal, System Architecture Evolution ou Evolved Packet Core, composé de blocs d'entité de gestion de la mobilité, de blocs d'entité de plan utilisateur, de passerelles de service et de paquets, et d'un réseau d'accès radio (UMTS terrestre évolué). réseau d'accès radio, E-UTRAN), composé uniquement de stations de base. Dans la génération précédente de communication, l'architecture du réseau d'accès radio comprenait un contrôleur de réseau radio, Radio Network Controller, dont les fonctions comprenaient le processus d'établissement et d'interruption des connexions d'abonné, le processus de transfert (transfert d'un abonné d'une station de base à une autre), le cryptage des données utilisateur, la détermination du niveau de contrôle qualité. Dans les réseaux LTE, toutes ces fonctions sont attribuées aux stations de base.

Tous les éléments des réseaux LTE sont interconnectés à l'aide d'interfaces (une interface est un ensemble de connexions normalisées reliant divers équipements, par exemple, l'interface est appelée les câbles de connexion de la carte mère de l'ordinateur et des périphériques - RS-232, USB, HDMI). L'interface reliant les stations de base est appelée X2 et est chargée de maintenir l'abonné dans le réseau pendant la transition d'une station de base à une autre. Les stations de base sont connectées à l'unité de gestion de la mobilité à l'aide de l'interface S1; l'interface elle-même est divisée en deux types: S1-C, transmettant des informations de service pour la station de base via la passerelle Serving GW; S1-U, transmettant les informations utilisateur via la passerelle de paquets GW du réseau de données par paquets. En outre, en plus de S1, il existe d'autres interfaces, telles que: S2 (pour la connexion à des réseaux dans lesquels le forum 3GPP n'était pas un développeur), S3 (connecte un nœud de réseau de paquets pour les abonnés des réseaux de deuxième et troisième génération et MME, est responsable du transfert des données de service entre les réseaux LTE et les générations précédentes), S4 (pour connecter le réseau principal SAE et le nœud de réseau de paquets de la génération précédente SGSN, Serving GPRS Support Node), S5 (connecter le réseau principal et la passerelle de paquets Packet Data Network GW), S6 (connecter l'unité de gestion de la mobilité et serveur de données d'abonné, responsable de l'authentification dans le réseau LTE ) La totalité de l'équipement réseau du réseau central, du réseau d'accès radio et des interfaces de connexion est la structure physique des réseaux LTE, LTE Advanced.

Logiquement, la structure du réseau LTE est divisée en deux parties: une couche d'accès radio, Access Stratum et une couche sans accès, Non-Access Stratum. La couche d'accès radio comprend tous les équipements du réseau d'accès radio et du réseau de paquets de base; la couche sans accès comprend les méthodes de contrôle (ou de gestion) de la mobilité, EMM, EPC Mobility Management.

Les réseaux basés sur LTE Advanced permettent d'accéder à des services réseau de haute qualité - appels, téléchargement rapide de données multimédias, utilisation gratuite (hors trafic) de certaines applications (principalement des messagers). Malheureusement, en raison du grand nombre d'appareils et de l'amélioration de la qualité (et donc de la taille) des informations multimédias, les réseaux LTE seront bientôt incapables de faire face à la lourde charge. En particulier, le spectre de fréquence du décimètre utilisé par le LTE ne pourra pas donner accès aux ressources avec le niveau de qualité (Qos) nécessaire, puis l'appareil peut simplement se déconnecter du réseau (la station de base refuse de servir un téléphone portable).

C'est pour éviter la saturation de la bande passante et à l'avenir pour libérer le spectre du décimètre pour les appareils qui consomment peu de ressources, d'ici 2025 en Europe ils envisagent de passer à l'introduction des réseaux de cinquième génération (5G). Chaque génération de communications cellulaires doit être différente de l'autre: la première de la seconde - le passage des modes de modulation analogique aux modes de modulation numérique; le deuxième du troisième - l'avènement de services supplémentaires, tels que l'accès Internet haut débit; le quatrième du troisième est la transition de la commutation des canaux (distribution des données entrantes) au paquet et la mise en œuvre de l'adressage IP, comme dans les réseaux câblés. La cinquième génération de la quatrième devrait différer en deux paramètres: la fréquence utilisée du spectre, c'est-à-dire la transition vers des ondes ultra-courtes, ainsi que la suppression de la charge des stations de base en transférant leurs fonctions vers des machines virtuelles. L'inclusion des technologies de virtualisation et de cloud dans l'architecture 5G signifie une configuration plus flexible et plus rapide, ainsi qu'un déploiement moins cher, car il peut y avoir de nombreuses machines virtuelles sur une machine physique. Par des paramètres flexibles, l'auteur comprend la création de conditions individuelles d'utilisation des services de communication: des plans tarifaires personnels adaptés aux besoins de chaque abonné; contrôler la quantité de données consommées par toutes les applications.

Donc, selon la spécification 3GPP TS 38.300 version 15.3. 1 Release 15, le dispositif général des réseaux de cinquième génération est basé sur la technologie New Radio et sera divisé en deux parties, comme la génération précédente: 5GC (Core Network) c'est-à-dire le réseau central et NG-RAN (Next Generation Radio Access Network), il existe un réseau d'accès radio de nouvelle génération. Le réseau central doit être composé de deux appareils principaux qui séparent les fonctions utilitaires et utilisateur. Ces dispositifs sont appelés «fonctions»: AMF (Access and Mobility Management Function), fonction chargée de fournir l'accès et de contrôler la maintenance d'un signal réseau lors du déplacement d'un abonné; UPF (User Plane Function), responsable de la transmission du trafic utilisateur.

De plus, d'autres "fonctions" sont incluses dans l'architecture du réseau: SMF (fonction de gestion de session), une fonction de gestion de session, distribue les adresses IP pour les appareils utilisateur, gère et surveille le trafic passant par la fonction de plan utilisateur, sélectionne UPF pour déplacer le trafic vers sa destination; AUSF (Authentication Server Function), fonction de serveur d'authentification de la machine utilisateur; UDM (Unified Data Function), est un référentiel de données d'enregistrement, d'informations de sécurité et de divers abonnements de l'abonné; PCF (Policy Control Function), une fonction de gestion de politique qui contrôle une politique de comportement de réseau unique et la politique de comportement de chaque plan de réseau (utilisateur et service); AF (Application Function), une fonction d'application qui effectue des requêtes pour la fonction de gestion de session, a également accès à la gestion de la batterie de l'appareil.

Le réseau d'accès radio se compose de deux types de stations de base: les gNB fonctionnant dans le réseau de cinquième génération et les ng-eNB fonctionnant dans le quatrième (E-UTRAN) ou réseau de génération précédente. Les deux types de stations de base doivent être connectés par l'interface Xn, et la connexion des stations de base avec des blocs fonctionnels par l'interface NG. Comme pour les réseaux LTE, l'interface NG est différente pour les appareils qui communiquent entre eux. Au total, la spécification du 3GPP TR 23.799, publiée en décembre 2016, définit 15 types d'interfaces NG, avec des nombres de 1 à 15. Il n'est pas possible de décrire les 15 types de systèmes de communication dans l'article, donc l'auteur n'en donnera que cinq d'entre eux. Ainsi, NG1 est un «point de référence» entre la machine utilisateur et AMF, NG2 - connecte la station de base à AMF; la station de base est également connectée via l'interface NG3 à la fonction de plan d'utilisateur, qui, à son tour, est connectée via l'interface NG4 à la fonction de gestion de session, et l'accès à Internet et les services d'opérateur sont fournis via l'interface NG6. La fonction d'application AF est connectée à la fonction de gestion de session via l'interface NG5.

Des concepts tels que les plans d'utilisateur et de contrôle ont été transférés à partir des réseaux LTE dans le réseau 5G, donc les interfaces NG associées à l'utilisateur, comme LTE, désignent NG-U et, par conséquent, NG-C pour le plan de contrôle, donc les niveaux de protocole (Les piles) d'interfaces sont également divisées uniquement en utilisateurs et en services. Les interfaces du plan utilisateur connectent la station de base à l'UPF et les interfaces du plan de contrôle (NG-C) se connectent à l'AMF. Il convient de noter ici que NG-U fournit une livraison non garantie (lorsque l'appareil utilisateur envoie un élément de données de protocole (PDU) et n'attend pas de rapport de livraison en réponse; la livraison garantie est une confirmation sous la forme d'un rapport que l'élément de données est reçu), ce qui fait gagner un temps considérable transfert de données.

Les interfaces Xn et NG doivent avoir des spécifications ouvertes disponibles pour que tous les fabricants puissent interagir avec diverses stations de base. Il convient de noter ici que certains groupes de scientifiques travaillant sur le développement d'exigences et de normes 5G, en particulier le forum NGMN (Next Generation Mobile Networks), dans leurs rapports adhèrent à l'opinion selon laquelle toutes les technologies sont complètement ouvertes, c'est-à-dire l'ensemble du périphérique réseau, à commencer par le physique et se terminant par le niveau d'application doit être accessible à tous les utilisateurs. NGMN estime également que la conception et la construction d'un réseau 5G ne devraient pas être effectuées séparément par chaque opérateur, mais conjointement par tous les opérateurs régionaux.

Le processus de travail dans le réseau de cinquième génération est approximativement le suivant: l'appareil utilisateur détecte le réseau à l'aide de l'antenne intégrée (cette étape est restée inchangée depuis la deuxième génération et la technologie GSM), le réseau, c'est-à-dire l'AMF, via la station de base, demande des données de service téléphonique.

Le dispositif utilisateur envoie ses données d'enregistrement via la station de base à la fonction de gestion d'accès et de mobilité (AMF), cette fonction compare les données d'enregistrement du dispositif avec un serveur sur lequel les données de tous les abonnés sont stockées et si les données fournies correspondent, l'accès au réseau est autorisé. Après l'enregistrement, la machine utilisateur accède à l'UPF, et à travers elle aux services du réseau.
Une autre différence du réseau de cinquième génération - la virtualisation des services et le traitement des données dans les systèmes d'exploitation cloud - a ajouté un autre concept à la définition de l'architecture: en plus de «Plane» - «plane», le concept de «Slicing» - «slice», ce qui signifie différents paramètres (ou caractéristiques) réseau) pour les utilisateurs individuels et les groupes, ainsi que pour les équipements. Il est supposé que le fournisseur de réseau 5G créera des modèles spéciaux - des machines virtuelles (NST, Network Slice Template), et les utilisateurs pourront optimiser ces modèles pour eux-mêmes, c'est-à-dire connecter les services requis, louer des logiciels. L'architecture des tranches ne doit pas être ouverte, car les machines virtuelles qui fonctionnent à distance (dans le "cloud", c'est-à-dire dans le Data Storage Center du fournisseur 5G) peuvent provenir de différents fabricants. Par exemple, Kazakhtelecom JSC, le plus grand fournisseur de téléphonie fixe au Kazakhstan, utilise les services cloud de Microsoft (Hosted Lync, Hosted SharePoint, Hosted Exchange), ainsi que l'hébergement virtuel avec les systèmes d'exploitation Windows (serveur Web IIS) et Linux (serveur Web Apache).

En 2016, le forum NGMN a publié le document «Description of Network Slicing Concept», qui décrit la structure logique des tranches en trois parties (de bas en haut): niveau de ressource, niveau d'instance de segment de réseau et niveau d'instance de service.
Le niveau de ressource comprend toutes les ressources physiques et logiques. Les ressources physiques sont tous les composants qui composent un réseau: stations de base, systèmes de stockage, serveurs, routeurs, commutateurs, voire interconnexion (la connexion d'équipements tels que le câble en cuivre ou en fibre optique est une ressource physique). Les ressources logiques sont des ressources physiques regroupées par un certain attribut ou à toute fin, par exemple, des ressources logiques destinées à l'hébergement virtuel (un service qui fournit un endroit pour stocker des données sur un ordinateur en fonctionnement constant, situé sur un réseau, un ordinateur serveur) : en fait, un ordinateur serveur avec un système d'exploitation, un système de stockage de données - un complexe composé de plusieurs disques durs connectés les uns aux autres, de commutateurs, de routeurs et de câbles de connexion, ainsi que logiciel ogrammnoe sur demande. Les fonctions réseau ne sont pas liées aux ressources, elles font partie d'une tranche d'un segment de réseau. Dans le même temps, le plan de segment de réseau, qui est une description de la structure et des fonctions réseau requises, fait référence aux ressources logiques.
Une instance d'un segment de réseau - c'est «Slice» - une tranche, qui est un ensemble de caractéristiques, de paramètres, de ressources allouées pour le déploiement de services et de services fournis par l'opérateur de réseau. Par exemple, une tranche conçue pour l'échange de données entre machines (capteurs, compteurs) ne nécessite pas de système de stockage de données, uniquement un serveur, un commutateur et un routeur, ainsi que des câbles de connexion, car parfois un seul bit de données suffit pour transférer un signal d'un appareil à l'autre - 0 ou 1. Si nous rappelons la procédure de transfert (la transition d'un appareil utilisateur d'une station de base à une autre), elle montre immédiatement que les stations de base et l'appareil utilisateur échangent des messages texte entre eux, yaschimi d'un - deux mots (par exemple: HO demande, HO réponse et ainsi de suite). Dans le même temps, la tranche pour les connexions M2M (machine et machine) doit être extrêmement fiable, c'est-à-dire que le message doit être délivré et le délai ultra-faible, c'est-à-dire que le message doit être délivré très rapidement, par exemple, si le programme de télécommande de la voiture envoie un message au capteur de la voiture. Un autre modèle de coupure - pour fournir un service de télévision sur Internet, au contraire, nécessite un système de stockage de données, plusieurs serveurs, routeurs et équipements de connexion pour fournir un accès constant à un service multimédia, ce qui nécessite également une latence ultra faible, mais en même temps, il n'est pas nécessaire d'être extrêmement fiable, comme la perte Plusieurs paquets de données peuvent ne pas être remarqués par l'utilisateur.

Un segment de réseau peut utiliser diverses ressources, composées de plusieurs sous-réseaux complétés de manière logique, tandis que les réseaux peuvent utiliser des ressources non seulement de leur propre tranche, mais aussi d'une autre. Le segment réseau doit être déployé dans une machine virtuelle, car, grâce aux hyperviseurs (programmes spéciaux qui divisent les ressources physiques des ordinateurs serveurs en plusieurs composants logiques), l'évolutivité, c'est-à-dire l'augmentation du nombre de tranches (par exemple, une tranche - une machine virtuelle) sera une procédure très simple.

Un niveau d'instance de service est le service ou programme final fourni à l'utilisateur. Les instances de service font depuis longtemps partie du réseau mondial. Un exemple classique d'un tel service est les services de messagerie, par exemple Gmail, qui se charge via un navigateur et ne se distingue pas de tout autre site, mais il utilise les mêmes protocoles réseau que Microsoft Outlook ou un autre programme autonome installé sur l'ordinateur et communiquant avec le service de messagerie au démarrage une boîte à travers les protocoles de messagerie.

Les réseaux de cinquième génération devraient avoir physiquement la même structure simple que les réseaux LTE, c'est-à-dire se composer uniquement d'un réseau central et d'un réseau d'accès radio. Mais logiquement, la 5G est beaucoup plus complexe dans sa structure: la séparation horizontale entre les plans utilisateur et service a été préservée, la séparation verticale en tranches a été ajoutée, le rôle du contrôle informatique a été étendu, de nouveaux éléments logiques ont été ajoutés, tels que la fonction de contrôle de session ou la fonction d'application.

L'auteur estime que la structure physique du réseau de cinquième génération sera similaire à la génération précédente pendant plusieurs années, car les fabricants d'équipements utilisateurs (téléphones, tablettes, etc.) doivent assurer la continuité de la technologie qui garantit le fonctionnement dans différents réseaux, d'autant plus que le schéma général du dispositif réseau la cinquième génération a indiqué deux types de stations de base. En outre, une transition en douceur d'une génération à l'autre est mise en évidence par le fait que les spécifications 3GPP utilisent le non-OFDM comme méthode de modulation, qui est déjà implémentée dans les réseaux LTE Advanced.

La cinquième génération de communications fournira aux fabricants et aux utilisateurs privés des services qui n'étaient pas prévus dans les réseaux LTE ou qui ne fonctionnaient pas correctement, comme l'interaction entre les machines, c'est-à-dire l'utilisation de divers capteurs.

En conclusion, il faut dire que pour le déploiement de réseaux de cinquième génération au Kazakhstan, selon l'auteur, Kazakhtelecom JSC est le mieux adapté, qui détient 100% de l'opérateur mobile Altel, qui fournit des services de réseau cellulaire LTE et 75% des parts de l'opérateur mobile Kcell. " L'entreprise propose à ses clients un hébergement virtuel, dispose de plusieurs centres de données dans différentes villes de la République. Si l'Union internationale des télécommunications soumet à la communauté internationale les spécifications 5G approuvées (IMT-2020) en décembre 2019, le Kazakhtelecom JSC pourra mettre en service les réseaux de cinquième génération d'ici 2025.