Wie unterscheidet sich die 5G-Architektur von 4G?

Unterschiede zwischen 5G- und 4G-Netzwerkarchitekturen: Eine umfassende Erklärung

Einführung:

Der Übergang von 4G (LTE) zu 5G stellt einen bedeutenden Sprung in der drahtlosen Kommunikationstechnologie dar. Die Architektur der 5G-Netzwerke führt im Vergleich zum Vorgängermodell mehrere wichtige Änderungen und Verbesserungen ein. Diese ausführliche Erklärung untersucht die grundlegenden Unterschiede zwischen den Architekturen von 5G- und 4G-Netzwerken und deckt wichtige Aspekte wie Funkzugang, Kernnetzwerk, Latenz und Netzwerk-Slicing ab.

1. Funkzugangsnetzwerk (RAN):

1.1 4G RAN:

In 4G-Netzwerken besteht das Radio Access Network aus eNodeBs (evolved NodeBs), die für die Verwaltung der Funkkommunikation mit Benutzergeräten (UE) verantwortlich sind.
Zentralisierte und hierarchische Architektur mit begrenzter Flexibilität bei der Ressourcenzuweisung.

1.2 5G RAN:

5G führt das Konzept der gNBs (Next-Gen Base Stations) im Radio Access Network ein.
Verteilte Architektur mit der Fähigkeit, umfangreiche Gerätekonnektivität und dynamische Ressourcenzuweisung zu unterstützen.
gNBs bieten Flexibilität bei Bereitstellungsszenarien, einschließlich Makrozellen, kleinen Zellen und Millimeterwellen-Bereitstellungen für verbesserte Kapazität und Abdeckung.

2. Kernnetzwerk (CN):

2.1 4G-Kernnetzwerk:

Das 4G-Kernnetzwerk, bekannt als Evolved Packet Core (EPC), besteht aus Komponenten wie MME (Mobility Management Entity), SGW (Serving Gateway), PGW (Packet Data Network Gateway), HSS (Home Subscriber Server) und PCRF ( Funktion „Richtlinien und Gebührenregeln“.
Hierarchische Architektur mit festen Funktionalitäten.

2.2 5G-Kernnetz:

Das 5G-Kernnetz ist als Next-Gen Core (NGC) oder 5GC bekannt und führt eine servicebasierte Architektur ein.
Kernfunktionen werden als modulare Dienste implementiert und bieten Flexibilität und Skalierbarkeit.
Zu den Schlüsselkomponenten gehören AMF (Access and Mobility Management Function), SMF (Session Management Function), UPF (User Plane Function), UDM (Unified Data Management) und AUSF (Authentication Server Function).
Netzwerkfunktionen werden als Microservices bereitgestellt, was eine effiziente Ressourcennutzung und eine schnelle Servicebereitstellung ermöglicht.

3. Latenz und Durchsatz:

3.1 4G-Latenz und Durchsatz:

4G-Netzwerke weisen typischerweise eine Latenz im Bereich von mehreren zehn Millisekunden auf, was Echtzeitanwendungen einschränkt.
Spitzendatenraten bei 4G liegen in der Größenordnung von mehreren hundert Megabit pro Sekunde.

3.2 5G-Latenz und Durchsatz:

5G zielt darauf ab, eine extrem niedrige Latenz im einstelligen Millisekundenbereich zu erreichen und so Anwendungen wie autonome Fahrzeuge und Augmented Reality zu ermöglichen.
Spitzendatenraten in 5G können mehrere Gigabit pro Sekunde überschreiten und bieten einen deutlich höheren Durchsatz als 4G.

4. Netzwerk-Slicing:

4.1 4G-Netzwerkfunktionen:

4G-Netzwerken fehlt das Konzept des Network Slicing, was die Anpassung von Diensten für verschiedene Anwendungsfälle einschränkt.

4.2 5G-Netzwerk-Slicing:

5G führt das revolutionäre Konzept des Network Slicing ein und ermöglicht die Schaffung virtualisierter, unabhängiger Netzwerke innerhalb derselben physischen Infrastruktur.
Jeder Netzwerkabschnitt kann auf spezifische Anforderungen zugeschnitten werden, z. B. niedrige Latenz für kritische Anwendungen oder umfangreiche Konnektivität für IoT-Geräte.

5. Massive Machine Type Communication (mMTC):

5.1 4G mMTC-Unterstützung:

4G-Netzwerke stehen aufgrund begrenzter Konnektivitätsfunktionen vor der Herausforderung, eine große Anzahl von IoT-Geräten effizient zu unterstützen.

5.2 5G mMTC-Unterstützung:

5G ist darauf ausgelegt, Massive Machine Type Communication (mMTC) effizient zu verarbeiten und die Konnektivität für eine große Anzahl von IoT-Geräten gleichzeitig zu ermöglichen.
Eine stromsparende, großflächige Abdeckung für mMTC-Anwendungsfälle ist ein Schlüsselmerkmal von 5G.

6. Strahlformung und Millimeterwellenbänder:

6.1 4G-Frequenzbänder:

4G-Netze arbeiten hauptsächlich in niedrigeren Frequenzbändern, was das Potenzial für Hochfrequenz- und Millimeterwellen-Einsätze begrenzt.

6.2 5G-Frequenzbänder:

5G nutzt ein breiteres Spektrum, einschließlich Millimeterwellenbändern, und ermöglicht so höhere Datenraten und eine erhöhte Netzwerkkapazität.
Beamforming-Technologien werden in 5G häufig eingesetzt, um Signale gezielt zu fokussieren und so die Abdeckung und Effizienz zu verbessern.

7. Multi-Konnektivität:

7.1 4G-Multi-Konnektivität:

Bei 4G umfasst Multi-Konnektivität die Verwendung von Trägeraggregation, um mehrere Frequenzbänder für höhere Datenraten zu kombinieren.

7.2 5G-Multi-Konnektivität:

5G führt erweiterte Multi-Konnektivitätsfunktionen ein, die gleichzeitige Verbindungen zu mehreren gNBs für verbesserte Zuverlässigkeit und nahtlose Übergaben ermöglichen.

8. Edge-Computing:

8.1 4G Edge Computing:

Edge-Computing-Funktionen in 4G sind begrenzt, da die meiste Verarbeitung in zentralen Rechenzentren erfolgt.

8.2 5G Edge Computing:

5G ermöglicht Edge Computing durch den Einsatz von Multi-Access Edge Computing (MEC) und bringt die Verarbeitung näher an den Rand des Netzwerks.
Anwendungen mit geringer Latenz profitieren von kürzeren Roundtrip-Zeiten zu zentralen Rechenzentren.

9. Sicherheitsverbesserungen:

9.1 4G-Sicherheit:

4G-Netzwerke verfügen über Sicherheitsprotokolle, aber Fortschritte bei der Verschlüsselung und Authentifizierung sind für die sich entwickelnden Bedrohungen von entscheidender Bedeutung.

9.2 5G-Sicherheit:

5G führt erweiterte Sicherheitsfunktionen ein, darunter stärkere Verschlüsselungsalgorithmen, sicheres Netzwerk-Slicing und verbesserte Authentifizierungsmechanismen.

Abschluss:

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Übergang von 4G zu 5G einen tiefgreifenden Wandel in der Netzwerkarchitektur mit sich bringt. 5G-Netzwerke führen zu Fortschritten beim Funkzugang, Kernnetzwerkdesign, Latenz und Durchsatz und führen innovative Konzepte wie Network Slicing ein, die vielfältige Anwendungen und Anwendungsfälle ermöglichen. Die Entwicklung hin zu 5G stellt einen Paradigmenwechsel dar, der über bloße Geschwindigkeitsverbesserungen hinausgeht und die Grundlage für ein hochgradig vernetztes und maßgeschneidertes drahtloses Ökosystem bietet.