Descrição do dispositivo e funcionamento da rede de quinta geração implantada com base na quarta geração

A quarta geração de redes celulares pode ser construída com base em duas tecnologias - LTE (Long Term Evolution) e WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Ambas as tecnologias são semelhantes, mas têm diferentes desenvolvedores e tempos de aparência. O WiMAX, baseado no padrão IEEE 802.16 (desenvolvido pelo Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos, Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos) usa a tecnologia OFDM para transmitir dados em ambas as direções (para upload e download), o que leva a altos fatores de pico, ou seja, grandes coeficientes carrega as fontes de alimentação do equipamento final (em outras palavras, a bateria do telefone se esgota e descarrega mais rapidamente ao usar o OFDM para velocidade de saída). Ao contrário do WiMAX, a tecnologia Long Term Evolution usa a tecnologia SC-FDMA para a velocidade de saída, o que evita altos fatores de pico, uma vez que essa tecnologia é de portadora única.

A tecnologia LTE foi desenvolvida pelo fórum 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project), desenvolvido para solucionar os problemas do uso das tecnologias GSM e CDMA2000 (UMTS), que são respectivamente as tecnologias da segunda e terceira gerações de comunicações celulares. No Cazaquistão, para a operação de redes celulares, eles primeiro usaram a tecnologia GSM (EDGE), depois o CDMA2000; portanto, era aconselhável a introdução de comunicações celulares baseadas na tecnologia LTE Advanced (LTE Realize 12). Consequentemente, as redes de quinta geração no Cazaquistão devem ser implantadas com base nas redes LTE Advanced.

A quinta geração (5ª geração) de comunicações celulares deve resolver questões relacionadas não à melhoria da qualidade da transmissão de voz, mas ao problema do acesso à Internet e ao aumento da velocidade da transferência de dados. Atualmente (fevereiro de 2019), os padrões 5G não são desenvolvidos, mas em dezembro de 2019, a União Internacional de Telecomunicações apresentará o padrão IMT-2020, que descreve as tecnologias para construção e acesso à rede. Como as tecnologias de todas as gerações anteriores de comunicação eram baseadas nas anteriores, ou seja, para usar os serviços da rede 3G, não era necessário comprar um novo dispositivo e, para usar o LTE Advanced, era necessário substituir o cartão SIM em um telefone desatualizado, o autor assume que a primeira versão do padrão IMT 2020 será baseado na tecnologia LTE Advanced com canais de diversidade de frequência não ortogonais, Non-OFDM.

Apesar da arquitetura semelhante ao LTE Advanced, as redes 5G devem usar um espectro de frequência mais amplo para aumentar a velocidade e, como as redes de quarta geração ocupam uma faixa de frequência em decímetros ou centímetros (a LTE Advanced opera na faixa de 2500 a 2690 MHz quando carregada, por exemplo, a operadora doméstica " Altel ”usa uma banda de frequência de 1800 MHz.). Então, para as redes de quinta geração, provavelmente, as frequências na faixa de milímetros (60 - 100 GHz) serão alocadas. Assim, para usar a faixa milimétrica, será necessário não apenas aumentar o número de estações base em nosso país, mas também aumentar a potência das unidades de fornecimento de energia dessas estações base.

Outra característica das redes 5G será a introdução da tecnologia em nuvem. O uso de "nuvens" é necessário para aliviar a carga nas estações base, presume-se que elas transmitam o sinal apenas sem processamento, como acontece nas redes 4G (nas redes LTE, o processamento do sinal ocorre na lateral do dispositivo final e estação base, unidade de gerenciamento de mobilidade, MME , transmite apenas informações de serviço, e não o tráfego do usuário; é a estação base que está envolvida em sua transmissão; portanto, com um aumento no número de dispositivos conectados, eles não poderão lidar com a carga).

Como as redes de quinta geração operam com base na quarta geração, primeiro precisamos explicar como a rede LTE Advanced funciona e, em seguida, derivar suposições sobre as diferenças arquitetônicas das redes de quinta geração.

Uma rede LTE consiste em dois sistemas - uma rede principal, System Architecture Evolution ou Evolved Packet Core, que consiste em blocos de Entidade de Gerenciamento de Mobilidade, blocos de Entidade de Plano de Usuário, gateways de serviço e pacote e uma rede de acesso por rádio (UMTS Terrestrial evoluído rede de acesso via rádio, E-UTRAN), consistindo apenas de estações base. Na geração anterior de comunicação, a arquitetura de rede de acesso via rádio incluía um controlador de rede de rádio, o Radio Network Controller, cujas funções incluíam o processo de estabelecimento e interrupção de conexões de assinantes, o processo de transferência (transferência de um assinante de uma estação base para outra), criptografando os dados do usuário, determinando o nível de controle de qualidade. Nas redes LTE, todas essas funções são atribuídas às estações base.

Todos os elementos das redes LTE são interconectados usando interfaces (uma interface é um conjunto de conexões padronizadas que conectam vários equipamentos, por exemplo, a interface é chamada de cabos de conexão da placa-mãe do computador e dos dispositivos periféricos - RS-232, USB, HDMI). A interface que conecta as estações base é chamada X2 e é responsável por manter o assinante na rede durante a transição de uma estação base para outra. As estações base são conectadas à unidade de gerenciamento de mobilidade usando a interface S1; a própria interface é dividida em dois tipos: S1-C, transmitindo informações de serviço para a estação base através do gateway Serving GW; S1-U, transmitindo informações do usuário através do gateway de pacotes GW da Packet Data Network. Além disso, além do S1, existem outras interfaces, como: S2 (para conectar-se a redes nas quais o fórum 3GPP não era desenvolvedor), S3 (conecta um nó de rede de pacotes para assinantes de redes de segunda e terceira geração e MME, é responsável pela transferência de dados de serviço entre redes LTE e gerações anteriores), S4 (para conectar a rede principal SAE e o nó da rede de pacotes da geração anterior SGSN, Serving GPRS Support Node), S5 (conectar a rede principal e o gateway de pacote GW da rede de dados do pacote), S6 (conectar a unidade de gerenciamento de mobilidade e servidor de dados do assinante, responsável pela autenticação na rede LTE ) A totalidade dos equipamentos de rede da rede principal, da rede de acesso via rádio e das interfaces de conexão é a estrutura física das redes LTE e LTE Advanced.

Logicamente, a estrutura de rede LTE é dividida em duas partes: uma camada de acesso via rádio, Access Stratum e uma camada sem acesso, Non-Access Stratum. A camada de acesso por rádio inclui todos os equipamentos da rede de acesso por rádio e da rede básica de pacotes; a camada sem acesso inclui métodos para controlar (ou gerenciar) a mobilidade, EMM, EPC Mobility Management.

Redes baseadas em LTE Advanced fornecem acesso a serviços de rede de alta qualidade - chamadas, alta velocidade de download de dados multimídia, uso gratuito (excluindo tráfego) de alguns aplicativos (principalmente mensageiros). Infelizmente, devido ao grande número de dispositivos e à melhoria na qualidade (e, portanto, no tamanho) das informações multimídia, as redes LTE logo não conseguirão lidar com a carga pesada. Em particular, o espectro de frequência do decímetro usado pelo LTE não poderá fornecer acesso a recursos com o nível de qualidade necessário (Qos) e, em seguida, o dispositivo pode simplesmente desconectar-se da rede (a estação base se recusa a servir um telefone celular).

É para evitar a saturação da largura de banda e, no futuro, liberar o espectro do decímetro para dispositivos que consomem poucos recursos, até 2025 na Europa eles planejam mudar para a introdução de redes de quinta geração (5G). Cada geração de comunicações celulares deve ser diferente da outra: a primeira da segunda - a transição dos modos de modulação analógico para digital; o segundo do terceiro - o advento de serviços adicionais, como acesso à Internet de alta velocidade; o quarto do terceiro é a transição da comutação de canal (distribuição de dados recebidos) para pacotes e a implementação do endereçamento IP, como nas redes com fio. A quinta geração da quarta deve diferir em dois parâmetros: a frequência usada do espectro, ou seja, a transição para ondas ultracurtas, bem como a remoção da carga das estações base, transferindo suas funções para máquinas virtuais. A inclusão de tecnologias de virtualização e nuvem na arquitetura 5G significa uma configuração mais flexível e rápida, além de uma implantação mais barata, pois pode haver muitas máquinas virtuais em uma máquina física. Por meio de configurações flexíveis, o autor entende a criação de condições individuais para o uso de serviços de comunicação: planos de tarifas pessoais adaptados às necessidades de cada assinante; controlar a quantidade de dados consumidos por todos os aplicativos.

Portanto, de acordo com a especificação 3GPP TS 38.300 versão 15.3. 1 Release 15, o dispositivo geral das redes de quinta geração é baseado na tecnologia New Radio e será dividido em duas partes, como a geração anterior: 5GC (Core Network), ou seja, a rede principal e NG-RAN (Next Generation Radio Access Network), existe uma rede de acesso de rádio da próxima geração. A rede principal deve consistir em dois dispositivos principais que separam as funções de utilidade e usuário. Esses dispositivos são chamados de “funções”: AMF (Função de Gerenciamento de Acesso e Mobilidade), uma função responsável por fornecer acesso e controlar a manutenção de um sinal de rede ao mover um assinante; UPF (User Plane Function), responsável pela transmissão do tráfego do usuário.

Além disso, outras "funções" estão incluídas na arquitetura da rede: SMF (função de gerenciamento de sessões), uma função de gerenciamento de sessões, distribui endereços IP para dispositivos do usuário, gerencia e monitora o tráfego que passa pela função de plano do usuário, seleciona UPF para mover o tráfego para seu destino; AUSF (Authentication Server Function), função de servidor de autenticação de dispositivo do usuário; UDM (Unified Data Function), é um repositório de dados de registro, informações de segurança e várias assinaturas do assinante; PCF (Policy Control Function), uma função de gerenciamento de políticas que controla uma única política de comportamento de rede e a política de comportamento de cada plano de rede (usuário e serviço); O AF (Função de Aplicativo), uma função de aplicativo que executa solicitações para a função de gerenciamento de sessões, também tem acesso ao gerenciamento de bateria do dispositivo.

A rede de acesso via rádio consiste em dois tipos de estações base: gNBs operando na rede de quinta geração e ng-eNBs operando na quarta (E-UTRAN) ou rede de geração anterior. Ambos os tipos de estações base devem ser conectados pela interface Xn e a conexão de estações base com blocos funcionais pela interface NG. Assim como nas redes LTE, a interface NG é diferente para dispositivos que se comunicam. No total, a especificação do 3GPP TR 23.799, lançada em dezembro de 2016, define 15 tipos de interfaces NG, com números de 1 a 15. Não é possível descrever todos os 15 tipos de sistemas de comunicação no artigo, portanto, o autor fornecerá apenas cinco deles. Portanto, NG1 é um "ponto de referência" entre o dispositivo do usuário e o AMF, NG2 - conecta a estação base ao AMF; a estação base também é conectada através da interface NG3 à função de plano do usuário, que, por sua vez, é conectada através da interface NG4 à função de gerenciamento de sessões, e o acesso à Internet e os serviços do operador são fornecidos através da interface NG6. A função de aplicação AF está conectada à função de gerenciamento de sessões através da interface NG5.

Conceitos como planos de usuário e controle foram transferidos das redes LTE na rede 5G; portanto, as interfaces NG associadas ao usuário, como LTE, indicam NG-U e, consequentemente, NG-C para o plano de controle, portanto, níveis de protocolo (Pilhas) de interfaces também são divididas apenas em usuário e serviço. As interfaces do plano do usuário conectam a estação base ao UPF e as interfaces do plano de controle (NG-C) se conectam ao AMF. Deve-se observar aqui que o NG-U fornece entrega não garantida (quando o dispositivo do usuário envia um elemento de dados de protocolo (PDU) e não espera um relatório de entrega em resposta; entrega garantida é uma confirmação na forma de um relatório de que o elemento de dados é recebido), o que economiza tempo significativamente transferência de dados.

As interfaces Xn e NG devem ter especificações abertas disponíveis para todos os fabricantes interagirem com várias estações base. Deve-se notar aqui que alguns grupos de cientistas que trabalham no desenvolvimento de requisitos e padrões 5G, em particular o fórum NGMN (Next Generation Mobile Networks), em seus relatórios aderem à opinião de que todas as tecnologias são completamente abertas, ou seja, todo o dispositivo de rede, começando pelo físico e terminar com o nível do aplicativo deve estar acessível a todos os usuários. A NGMN também acredita que o projeto e a construção de uma rede 5G não devem ser realizados separadamente por cada operadora, mas em conjunto por todas as operadoras regionais.

O processo de trabalho na rede de quinta geração é aproximadamente o seguinte: o dispositivo do usuário detecta a rede usando a antena embutida (esse estágio permanece inalterado desde a segunda geração e a tecnologia GSM), a rede, ou seja, a AMF, através da estação base, solicita dados do serviço telefônico.

O dispositivo do usuário envia seus dados de registro através da estação base para a função de gerenciamento de acesso e mobilidade (AMF), essa função compara os dados de registro do dispositivo com um servidor no qual os dados de todos os assinantes estão armazenados e, se os dados fornecidos coincidirem, o acesso à rede é permitido. Após o registro, o dispositivo do usuário obtém acesso ao UPF e, através dele, aos serviços da rede.
Outra diferença da rede de quinta geração - virtualização de serviços e processamento de dados em sistemas operacionais em nuvem - adicionou outro conceito à definição de arquitetura: além de "Plane" - "plane", o conceito de "Slicing" - "slice", significando diferentes configurações (ou características) rede) para usuários e grupos individuais, bem como para equipamentos. Supõe-se que o provedor de rede 5G criará modelos especiais - máquinas virtuais (NST, modelo de fatia de rede) e os usuários poderão otimizar esses modelos por si mesmos, ou seja, conectar os serviços necessários e alugar o software. A arquitetura das fatias não deve ser aberta, pois as máquinas virtuais que funcionam remotamente (na "nuvem", ou seja, no Data Storage Center do provedor 5G) podem ser de diferentes fabricantes. Por exemplo, o Kazakhtelecom JSC, o maior provedor de telefonia fixa no Cazaquistão, usa os serviços em nuvem da Microsoft (Hosted Lync, Hosted SharePoint, Hosted Exchange), bem como hospedagem virtual com sistemas operacionais Windows (servidor Web IIS) e Linux (servidor Web) Apache).

Em 2016, o fórum da NGMN lançou o documento "Descrição do conceito de fatia de rede", "Descrição do conceito de fatia de rede", no qual a estrutura lógica das fatias consiste em três partes (de baixo para cima): nível de recurso, nível de instância de segmento de rede e nível de instância de serviço.
O nível do recurso inclui todos os recursos físicos e lógicos. Recursos físicos são todos os componentes que compõem uma rede: estações base, sistemas de armazenamento, servidores, roteadores, comutadores e até conexões cruzadas (equipamentos de conexão, como cobre ou cabo de fibra óptica, são um recurso físico). Recursos lógicos são recursos físicos agrupados por um determinado atributo ou para qualquer finalidade, por exemplo, recursos lógicos destinados à hospedagem virtual (um serviço que fornece um local para armazenar dados em um trabalho constante, localizado em uma rede, computador servidor) : de fato, um computador servidor com sistema operacional, sistema de armazenamento de dados - um complexo composto por vários discos rígidos conectados entre si, comutadores, roteadores e cabos de conexão, além de software ogrammnoe sob demanda. As funções de rede não estão relacionadas a recursos, elas fazem parte de uma fatia de um segmento de rede. Ao mesmo tempo, o plano de segmento de rede, que é uma descrição da estrutura e das funções de rede necessárias, refere-se a recursos lógicos.
Uma instância de um segmento de rede - isto é "Fatia" - uma fatia, que é um conjunto de características, configurações, recursos alocados para a implantação de serviços e serviços fornecidos pelo operador de rede. Por exemplo, uma fatia destinada à troca de dados entre máquinas (sensores, contadores) não requer um sistema de armazenamento de dados, apenas um servidor, um comutador e um roteador, além de conectar cabos, porque às vezes um único bit de dados é suficiente para transferir um sinal de dispositivo para dispositivo - 0 ou 1. Se recordarmos o procedimento de transferência (a transição de um dispositivo do usuário de uma estação base para outra), mostrará imediatamente que as estações base e o dispositivo do usuário trocam mensagens de texto entre si, yaschimi de um - duas palavras (por exemplo: HO PEDIDO, HO de resposta e assim por diante).Ao mesmo tempo, a fatia para as conexões M2M (máquina e máquina) deve ser extremamente confiável, ou seja, a mensagem deve ser entregue e o atraso ultra baixo, ou seja, a mensagem deve ser entregue muito rapidamente, por exemplo, se o programa de controle remoto do carro enviar uma mensagem ao sensor do carro. Outro modelo de corte - fornecer um serviço de TV na Internet, pelo contrário, requer um sistema de armazenamento de dados, vários servidores, roteadores e equipamentos de conexão para fornecer acesso constante a um serviço de multimídia, que também requer latência ultrabaixa, mas não requer ultraconfiabilidade, pois a perda Vários pacotes de dados podem não ser percebidos pelo usuário.

Um segmento de rede pode usar vários recursos, consistir em várias sub-redes logicamente concluídas, enquanto as redes podem usar recursos não apenas de sua própria fatia, mas também de outra. O segmento de rede deve ser implantado em uma máquina virtual, porque, graças aos hipervisores (programas especiais que dividem os recursos físicos dos computadores servidores em vários componentes lógicos), a escalabilidade, ou seja, aumentar o número de fatias (por exemplo, uma fatia - uma máquina virtual) será um procedimento muito simples.

Um nível de instância de serviço é o serviço final ou programa fornecido ao usuário. As instâncias de serviço há muito fazem parte da rede global. Um exemplo clássico desse serviço são os serviços de correio, por exemplo, o Gmail, que é carregado através de um navegador e é indistinguível de qualquer outro site, mas usa os mesmos protocolos de rede que o Microsoft Outlook ou outro programa independente instalado no computador e se comunicando com o serviço de correio na inicialização. uma caixa através de protocolos de correio.

As redes de quinta geração devem ter fisicamente a mesma estrutura simples que as redes LTE, ou seja, consistir apenas em uma rede principal e uma rede de acesso por rádio. Mas, logicamente, o 5G é muito mais complexo em estrutura: a separação horizontal nos planos de usuário e serviço é preservada, a separação vertical em fatias é adicionada, o papel do controle do computador é expandido, novos elementos lógicos são adicionados, como a função de controle de sessão ou a função de aplicativo.

O autor acredita que a estrutura física da rede de quinta geração será semelhante à geração anterior por vários anos, porque os fabricantes de equipamentos de usuário (telefones, tablets etc.) precisam garantir a continuidade da tecnologia que garante a operação em diferentes redes, principalmente desde o esquema geral do dispositivo de rede quinta geração indicou dois tipos de estações base. Além disso, uma transição suave de uma geração para outra é evidenciada pelo fato de que as especificações 3GPP usam o Non-OFDM como um método de modulação, já implementado em redes LTE Advanced.

A quinta geração de comunicações fornecerá aos fabricantes e usuários privados serviços que não foram fornecidos em redes LTE ou que não funcionaram corretamente, como interação entre máquinas, ou seja, o uso de vários sensores.

Em conclusão, é preciso dizer que, para a implantação de redes de quinta geração no Cazaquistão, segundo o autor, o Kazakhtelecom JSC é o mais adequado, que possui 100% da operadora móvel Altel, que fornece serviços de rede celular LTE e 75% das ações da operadora móvel Kcell ". A empresa oferece aos seus clientes hospedagem virtual, possui diversos data centers em diferentes cidades da República. Se a União Internacional de Telecomunicações submeter à comunidade internacional as especificações 5G aprovadas (IMT-2020) em dezembro de 2019, o Kazakhtelecom JSC poderá colocar em operação as redes de quinta geração até 2025.