Deskripsi perangkat dan fungsi jaringan generasi kelima yang digunakan berdasarkan generasi keempat

Jaringan seluler generasi keempat dapat dibangun berdasarkan dua teknologi - LTE (Long Term Evolution) dan WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Kedua teknologi ini serupa, tetapi memiliki waktu pengembang dan penampilan yang berbeda. WiMAX, berdasarkan pada standar IEEE 802.16 (dikembangkan oleh Institute of Electrical and Electronics Engineers, Institute of Electrical and Electronics Engineers) menggunakan teknologi OFDM untuk mentransmisikan data di kedua arah (untuk mengunggah dan mengunduh), yang mengarah ke faktor puncak yang tinggi, mis., Koefisien yang besar memuat pasokan daya dari peralatan akhir (dengan kata lain, baterai ponsel akan aus dan lebih cepat habis saat menggunakan OFDM untuk kecepatan keluar). Tidak seperti WiMAX, teknologi Long Term Evolution menggunakan teknologi SC-FDMA untuk kecepatan keluar, yang menghindari faktor puncak tinggi, karena teknologi ini adalah single-carrier.

Teknologi LTE dikembangkan oleh forum 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project), yang dirancang untuk menyelesaikan masalah penggunaan teknologi GSM dan CDMA2000 (UMTS), yang masing-masing merupakan teknologi komunikasi seluler generasi kedua dan ketiga. Di Kazakhstan, untuk pengoperasian jaringan seluler, mereka pertama kali menggunakan teknologi GSM (EDGE), kemudian CDMA2000, sehingga pengenalan komunikasi seluler berbasis teknologi LTE Advanced (LTE Realize 12) disarankan. Dengan demikian, jaringan generasi kelima di Kazakhstan harus dikerahkan berdasarkan jaringan LTE Advanced.

Generasi kelima (Generasi ke-5) komunikasi seluler harus menyelesaikan masalah yang terkait bukan untuk meningkatkan kualitas transmisi suara, tetapi pada masalah akses Internet dan meningkatkan kecepatan transfer data. Saat ini (Februari 2019), standar 5G tidak dikembangkan, tetapi pada Desember 2019, International Telecommunication Union akan memperkenalkan standar IMT-2020, yang menjelaskan teknologi untuk membangun dan mengakses jaringan. Karena teknologi semua generasi komunikasi sebelumnya didasarkan pada yang sebelumnya, yaitu, untuk menggunakan layanan jaringan 3G, maka tidak perlu membeli perangkat baru, dan untuk menggunakan LTE Advanced, hanya perlu mengganti kartu SIM di telepon yang sudah ketinggalan zaman, penulis mengasumsikan bahwa rilis pertama standar IMT 2020 akan didasarkan pada teknologi LTE Advanced dengan saluran keragaman frekuensi non-ortogonal, Non-OFDM.

Meskipun arsitekturnya mirip dengan LTE Advanced, jaringan 5G harus menggunakan spektrum frekuensi yang lebih luas untuk meningkatkan kecepatan, dan karena jaringan generasi keempat menempati rentang frekuensi desimeter atau sentimeter (LTE Advanced beroperasi dalam kisaran 2.500 hingga 2690 MHz ketika dimuat, misalnya, operator domestik “ Altel ”menggunakan pita frekuensi 1800 MHz.), Kemudian untuk jaringan generasi kelima, kemungkinan besar, frekuensi dalam kisaran milimeter (60 - 100 GHz) akan dialokasikan. Oleh karena itu, untuk menggunakan kisaran milimeter, perlu tidak hanya untuk meningkatkan jumlah BTS di negara kita, tetapi juga untuk meningkatkan daya unit catu daya dari BTS ini.

Ciri khas lain dari jaringan 5G adalah pengenalan teknologi cloud. Penggunaan "awan" diperlukan untuk mengurangi beban pada stasiun pangkalan, diasumsikan bahwa mereka hanya akan mengirimkan sinyal tanpa pemrosesan, seperti yang terjadi pada jaringan 4G (dalam jaringan LTE, pemrosesan sinyal terjadi pada sisi perangkat akhir dan stasiun pangkalan, unit manajemen mobilitas, MME , hanya mentransmisikan informasi layanan, bukan lalu lintas pengguna, itu adalah stasiun pangkalan yang bergerak dalam transmisinya, oleh karena itu, dengan peningkatan jumlah perangkat yang terhubung, mereka tidak akan dapat mengatasi beban).

Karena jaringan generasi kelima akan beroperasi berdasarkan generasi keempat, pertama-tama kita perlu menjelaskan bagaimana fungsi jaringan LTE Advanced, kemudian memperoleh asumsi tentang perbedaan arsitektur jaringan generasi kelima.

Jaringan LTE terdiri dari dua sistem - jaringan inti, Evolusi Arsitektur Sistem atau Evolved Packet Core, yang terdiri dari blok Entitas Manajemen Mobilitas, blok Entitas Pesawat Pengguna, gateway layanan dan paket, dan jaringan akses radio (UMTS Terrestrial yang berevolusi) jaringan akses radio, E-UTRAN), hanya terdiri dari stasiun pangkalan. Dalam komunikasi generasi sebelumnya, arsitektur jaringan akses radio menyertakan pengontrol jaringan radio, Pengontrol Jaringan Radio, yang fungsinya mencakup proses membangun dan menginterupsi koneksi pelanggan, proses serah terima (mentransfer pelanggan dari satu stasiun pangkalan ke yang lain), mengenkripsi data pengguna, menentukan tingkat kontrol kualitas. Di jaringan LTE, semua fungsi ini ditugaskan ke stasiun pangkalan.

Semua elemen jaringan LTE saling berhubungan menggunakan antarmuka (antarmuka adalah seperangkat koneksi standar yang menghubungkan berbagai peralatan, misalnya, antarmuka disebut kabel penghubung motherboard komputer dan perangkat periferal - RS-232, USB, HDMI). Antarmuka yang menghubungkan stasiun pangkalan disebut X2 dan bertanggung jawab untuk menjaga pelanggan di jaringan selama transisi dari satu stasiun pangkalan ke yang lain. BTS terhubung ke unit manajemen mobilitas menggunakan antarmuka S1; antarmuka itu sendiri dibagi menjadi dua jenis: S1-C, mentransmisikan informasi layanan untuk stasiun induk melalui gerbang Melayani GW; S1-U, mentransmisikan informasi pengguna melalui packet gateway Data Network GW. Selain itu, selain S1, ada antarmuka lain, seperti: S2 (untuk menghubungkan ke jaringan di mana forum 3GPP bukan pengembang), S3 (menghubungkan node jaringan paket untuk pelanggan jaringan generasi kedua dan ketiga dan MME, bertanggung jawab untuk mentransfer data layanan antara jaringan LTE dan generasi sebelumnya), S4 (untuk menghubungkan jaringan inti SAE dan simpul jaringan paket generasi sebelumnya SGSN, Melayani Node Dukungan GPRS), S5 (menghubungkan jaringan inti dan gateway paket Jaringan Data GW), S6 (menghubungkan unit manajemen mobilitas dan server data pelanggan, bertanggung jawab untuk otentikasi dalam jaringan LTE ) Totalitas peralatan jaringan dari jaringan inti, jaringan akses radio, dan antarmuka penghubung adalah struktur fisik LTE, jaringan LTE Advanced.

Secara logis, struktur jaringan LTE dibagi menjadi dua bagian: lapisan akses radio, Access Stratum dan lapisan non-akses, Non-Access Stratum. Lapisan akses radio mencakup semua peralatan jaringan akses radio dan jaringan paket dasar, lapisan tanpa akses mencakup metode untuk mengendalikan (atau mengelola) mobilitas, EMM, Manajemen Mobilitas EPC.

Jaringan berdasarkan LTE Advanced memberikan akses ke layanan jaringan berkualitas tinggi - panggilan, kecepatan tinggi mengunduh data multimedia, penggunaan gratis (tidak termasuk lalu lintas) dari beberapa aplikasi (terutama messenger). Sayangnya, karena banyaknya jumlah perangkat dan peningkatan kualitas (dan karenanya ukuran) informasi multimedia, jaringan LTE akan segera tidak dapat mengatasi beban yang berat. Secara khusus, spektrum frekuensi decimeter yang digunakan oleh LTE tidak akan dapat memberikan akses ke sumber daya dengan tingkat kualitas yang diperlukan (QoS), dan kemudian perangkat mungkin hanya memutuskan sambungan dari jaringan (stasiun induk menolak untuk melayani telepon seluler).

Untuk mencegah saturasi bandwidth dan di masa depan untuk merilis spektrum desimeter untuk perangkat yang menggunakan sedikit sumber daya, pada tahun 2025 di Eropa mereka berencana untuk beralih ke pengenalan jaringan generasi kelima (5G). Setiap generasi komunikasi seluler harus berbeda dari yang lain: yang pertama dari yang kedua - transisi dari analog ke modulasi digital; yang kedua dari yang ketiga - munculnya layanan tambahan, seperti akses Internet berkecepatan tinggi; yang keempat dari yang ketiga adalah transisi dari perpindahan saluran (distribusi data yang masuk) ke paket dan implementasi pengalamatan IP, seperti dalam jaringan kabel. Generasi kelima dari keempat harus berbeda dalam dua parameter: frekuensi spektrum yang digunakan, yaitu, transisi ke gelombang ultrashort, serta penghapusan beban dari stasiun pangkalan dengan mentransfer fungsinya ke mesin virtual. Dimasukkannya teknologi virtualisasi dan cloud dalam arsitektur 5G berarti konfigurasi yang lebih fleksibel dan lebih cepat, serta penyebaran yang lebih murah, karena mungkin ada banyak mesin virtual pada satu mesin fisik. Dengan pengaturan yang fleksibel, penulis memahami penciptaan kondisi individu untuk menggunakan layanan komunikasi: rencana tarif pribadi yang disesuaikan dengan kebutuhan masing-masing pelanggan; mengontrol jumlah data yang dikonsumsi oleh semua aplikasi.

Jadi, sesuai dengan spesifikasi 3GPP TS 38.300 versi 15.3. 1 Rilis 15, perangkat umum jaringan generasi kelima didasarkan pada teknologi Radio Baru dan akan dibagi menjadi dua bagian, seperti generasi sebelumnya: 5GC (Core Network) yaitu jaringan inti dan NG-RAN (Next Generation Radio Access Network), ada jaringan akses radio generasi berikutnya. Jaringan inti harus terdiri dari dua perangkat utama yang memisahkan fungsi utilitas dan fungsi pengguna. Perangkat ini disebut "fungsi": AMF (Fungsi Akses dan Mobilitas Manajemen), fungsi yang bertanggung jawab untuk menyediakan akses dan mengendalikan pemeliharaan sinyal jaringan saat memindahkan pelanggan; UPF (Fungsi Pesawat Pengguna), bertanggung jawab untuk transmisi lalu lintas pengguna.

Selain itu, "fungsi" lainnya termasuk dalam arsitektur jaringan: SMF (fungsi Session Management), fungsi manajemen sesi, mendistribusikan alamat IP untuk perangkat pengguna, mengelola dan memantau lalu lintas yang melewati fungsi pesawat pengguna, memilih UPF untuk memindahkan lalu lintas ke tujuannya; AUSF (Authentication Server Function), fungsi server otentikasi perangkat pengguna; UDM (Unified Data Function), adalah tempat penyimpanan data pendaftaran, informasi keamanan dan berbagai langganan pelanggan; PCF (Fungsi Kontrol Kebijakan), fungsi manajemen kebijakan yang mengontrol kebijakan perilaku jaringan tunggal dan kebijakan perilaku masing-masing bidang jaringan (pengguna dan layanan); AF (Fungsi Aplikasi), fungsi aplikasi yang melakukan permintaan untuk fungsi manajemen sesi, juga memiliki akses ke manajemen baterai perangkat.

Jaringan akses radio terdiri dari dua jenis BTS: gNB yang beroperasi di jaringan generasi kelima dan ng-eNB yang beroperasi di jaringan generasi keempat (E-UTRAN) atau generasi sebelumnya. Kedua jenis stasiun basis harus dihubungkan oleh antarmuka Xn, dan koneksi stasiun induk dengan blok fungsi oleh antarmuka NG. Seperti halnya jaringan LTE, antarmuka NG berbeda untuk perangkat yang berkomunikasi satu sama lain. Secara total, spesifikasi 3GPP TR 23.799, dirilis pada Desember 2016, mendefinisikan 15 jenis antarmuka NG, dengan angka dari 1 hingga 15. Tidak mungkin untuk menggambarkan semua 15 jenis sistem komunikasi dalam artikel, sehingga penulis hanya akan memberikan lima di antaranya. Jadi, NG1 adalah "titik referensi" antara perangkat pengguna dan AMF, NG2 - menghubungkan stasiun pangkalan dengan AMF; base station juga terhubung melalui antarmuka NG3 ke fungsi pesawat pengguna, yang, pada gilirannya, terhubung melalui antarmuka NG4 ke fungsi manajemen sesi, dan akses Internet dan layanan operator disediakan melalui antarmuka NG6. Fungsi aplikasi AF terhubung ke fungsi manajemen sesi melalui antarmuka NG5.

Konsep seperti pesawat pengguna dan kontrol telah ditransfer dari jaringan LTE di jaringan 5G, oleh karena itu NG antarmuka yang terkait dengan pengguna, seperti LTE, menunjukkan NG-U dan, karenanya, NG-C untuk bidang kontrol, oleh karena itu tingkat protokol (Tumpukan) antarmuka juga hanya dibagi menjadi pengguna dan layanan. Antarmuka pesawat pengguna menghubungkan stasiun induk ke UPF, dan antarmuka pesawat kontrol (NG-C) terhubung ke AMF. Perlu dicatat di sini bahwa NG-U menyediakan pengiriman yang tidak dijamin (ketika perangkat pengguna mengirim elemen data protokol (PDU) dan tidak menunggu laporan pengiriman sebagai tanggapan; pengiriman yang dijamin adalah konfirmasi dalam bentuk laporan bahwa elemen data diterima), yang secara signifikan menghemat waktu transfer data.

Antarmuka Xn dan NG harus memiliki spesifikasi terbuka yang tersedia untuk semua produsen untuk berinteraksi dengan berbagai stasiun pangkalan. Perlu dicatat di sini bahwa beberapa kelompok ilmuwan yang bekerja pada pengembangan persyaratan dan standar 5G, khususnya, forum NGMN (Next Generation Mobile Networks), dalam laporan mereka mematuhi pendapat bahwa semua teknologi benar-benar terbuka, yaitu, seluruh perangkat jaringan, dimulai dengan fisik dan diakhiri dengan level aplikasi harus dapat diakses oleh semua pengguna. NGMN juga percaya bahwa desain dan konstruksi jaringan 5G tidak boleh dilakukan secara terpisah oleh masing-masing operator, tetapi bersama-sama oleh semua operator regional.

Proses bekerja di jaringan generasi kelima kira-kira sebagai berikut: perangkat pengguna mendeteksi jaringan menggunakan antena bawaan (tahap ini tetap tidak berubah sejak generasi kedua dan teknologi GSM), jaringan, yaitu, AMF, melalui stasiun pangkalan, meminta data layanan telepon.

Perangkat pengguna mengirimkan data pendaftarannya melalui stasiun pangkalan ke fungsi akses dan manajemen mobilitas (AMF), fungsi ini membandingkan data registrasi perangkat dengan server tempat data semua pelanggan disimpan dan jika data yang disediakan cocok, akses ke jaringan diizinkan. Setelah pendaftaran, perangkat pengguna mendapatkan akses ke UPF, dan melaluinya ke layanan jaringan.
Perbedaan lain dari jaringan generasi kelima - layanan virtualisasi dan pemrosesan data dalam sistem operasi cloud - menambahkan konsep lain ke definisi arsitektur: selain "Plane" - "plane", konsep "Slicing" - "slice", yang berarti berbagai pengaturan (atau karakteristik) jaringan) untuk pengguna dan grup individu, serta untuk peralatan. Diasumsikan bahwa penyedia jaringan 5G akan membuat template khusus - mesin virtual (NST, Network Slice Template), dan pengguna akan dapat mengoptimalkan template ini untuk diri mereka sendiri, yaitu, menghubungkan layanan yang diperlukan, menyewa perangkat lunak. Arsitektur irisan tidak boleh terbuka, karena mesin virtual yang bekerja dari jarak jauh (di "cloud", yaitu, di Pusat Penyimpanan Data penyedia 5G) dapat dari produsen yang berbeda. Misalnya, Kazakhtelecom JSC, penyedia telepon darat terbesar di Kazakhstan, menggunakan layanan cloud Microsoft (Hosted Lync, Hosted SharePoint, Hosted Exchange), serta hosting virtual dengan sistem operasi Windows (server web IIS) dan Linux (server web) Apache).

Pada tahun 2016, forum NGMN merilis dokumen "Deskripsi Konsep Mengiris Jaringan", "Deskripsi Konsep Mengiris Jaringan," di mana struktur logis irisan terdiri dari tiga bagian (dari bawah ke atas): tingkat sumber daya, tingkat contoh segmen jaringan, dan tingkat contoh layanan.
Tingkat sumber daya mencakup semua sumber daya fisik dan logis. Sumber daya fisik adalah semua komponen yang membentuk jaringan: stasiun pangkalan, sistem penyimpanan, server, router, sakelar, bahkan koneksi silang (peralatan penghubung seperti kabel tembaga atau serat optik adalah sumber daya fisik). Sumber daya logis adalah sumber daya fisik yang dikelompokkan berdasarkan atribut tertentu atau untuk tujuan apa pun, misalnya, sumber daya logis yang dimaksudkan untuk hosting virtual (layanan yang menyediakan tempat untuk menyimpan data secara terus-menerus bekerja, yang terletak di jaringan, komputer server) : pada kenyataannya, komputer server dengan sistem operasi, sistem penyimpanan data - kompleks yang terdiri dari beberapa hard drive yang terhubung satu sama lain, sakelar, router dan kabel penghubung, serta software ogrammnoe pada permintaan. Fungsi jaringan tidak terkait dengan sumber daya, mereka adalah bagian dari sepotong segmen jaringan. Pada saat yang sama, rencana segmen jaringan, yang merupakan deskripsi dari struktur dan fungsi jaringan yang diperlukan, mengacu pada sumber daya logis.
Contoh segmen jaringan - ini adalah "Iris" - sepotong, yang merupakan serangkaian karakteristik, pengaturan, sumber daya yang dialokasikan untuk penyebaran layanan dan layanan yang disediakan oleh operator jaringan. Misalnya, sepotong yang dimaksudkan untuk pertukaran data antara mesin (sensor, penghitung) tidak memerlukan sistem penyimpanan data, hanya server, sakelar dan router, serta kabel penghubung, karena kadang-kadang satu bit data cukup untuk mentransfer sinyal dari perangkat ke perangkat - 0 atau 1. Jika kita mengingat prosedur penyerahan (transisi perangkat pengguna dari satu stasiun pangkalan ke yang lain), maka itu segera menunjukkan bahwa stasiun pangkalan dan perangkat pengguna saling bertukar pesan teks, yaschimi 1-2 kata (misalnya: HO REQUEST, HO TANGGAPAN dan sebagainya). Pada saat yang sama, irisan untuk koneksi M2M (mesin dan mesin) harus sangat andal, yaitu, pesan harus dikirim dan penundaan sangat rendah, yaitu pesan harus dikirim dengan sangat cepat, misalnya, jika program remote control mobil mengirim pesan ke sensor mobil. Model cut-off lain - untuk menyediakan layanan TV Internet, sebaliknya, membutuhkan sistem penyimpanan data, beberapa server, router dan peralatan penghubung untuk menyediakan akses konstan ke layanan multimedia, yang juga memerlukan latensi sangat rendah, tetapi tidak selalu memerlukan keandalan ultra, karena kehilangan Beberapa paket data mungkin tidak diperhatikan oleh pengguna.

Segmen jaringan dapat menggunakan berbagai sumber daya, terdiri dari beberapa subnet yang diselesaikan secara logis, sementara jaringan dapat menggunakan sumber daya tidak hanya dari slice mereka sendiri, tetapi juga dari yang lain. , , ( , - ) , (, – ) .

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

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

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

, LTE , , , .

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