Differenze tra le architetture di rete 5G e 4G: una spiegazione completa
Introduzione:
Il passaggio dal 4G (LTE) al 5G rappresenta un salto significativo nella tecnologia delle comunicazioni wireless. L’architettura delle reti 5G introduce numerosi cambiamenti e miglioramenti chiave rispetto al suo predecessore. Questa spiegazione dettagliata esplora le differenze fondamentali tra le architetture delle reti 5G e 4G, coprendo aspetti chiave come l’accesso radio, la rete centrale, la latenza e il network slicing.
1. Rete di accesso radio (RAN):
1.1 RANGE 4G:
- Nelle reti 4G, la Rete di Accesso Radio è costituita da eNodeB (NodeB evoluti) responsabili della gestione della comunicazione radio con gli apparati utente (UE).
- Architettura centralizzata e gerarchica con flessibilità limitata nell’allocazione delle risorse.
1.2 RANGE 5G:
- 5G introduce il concetto di gNB (stazioni base di nuova generazione) nella rete di accesso radio.
- Architettura distribuita con la capacità di supportare un’enorme connettività di dispositivi e un’allocazione dinamica delle risorse.
- gNB offrono flessibilità negli scenari di implementazione, comprese le implementazioni di macrocelle, piccole celle e onde millimetriche per capacità e copertura migliorate.
2. Rete centrale (CN):
2.1 Rete principale 4G:
- La rete principale 4G, nota come Evolved Packet Core (EPC), è costituita da componenti come MME (Mobility Management Entity), SGW (Serving Gateway), PGW (Packet Data Network Gateway), HSS (Home Subscriber Server) e PCRF ( Funzione politica e regole di addebito).
- Architettura gerarchica con funzionalità fisse.
2.2 Rete principale 5G:
- La rete centrale 5G è nota come Next-Gen Core (NGC) o 5GC e introduce un’architettura basata sui servizi.
- Le funzioni principali sono implementate come servizi modulari, offrendo flessibilità e scalabilità.
- I componenti chiave includono AMF (funzione di gestione degli accessi e della mobilità), SMF (funzione di gestione delle sessioni), UPF (funzione del piano utente), UDM (gestione unificata dei dati) e AUSF (funzione del server di autenticazione).
- Le funzioni di rete vengono distribuite come microservizi, consentendo un utilizzo efficiente delle risorse e una rapida implementazione dei servizi.
3. Latenza e velocità effettiva:
3.1 Latenza e throughput 4G:
- Le reti 4G hanno in genere una latenza dell’ordine di decine di millisecondi, limitando le applicazioni in tempo reale.
- Le velocità di picco dei dati in 4G sono nell’ordine di diverse centinaia di megabit al secondo.
3.2 Latenza e throughput 5G:
- 5G mira a raggiungere una latenza ultrabassa nell’ordine dei millisecondi a una cifra, consentendo applicazioni come veicoli autonomi e realtà aumentata.
- Le velocità di picco dei dati nel 5G possono superare diversi gigabit al secondo, fornendo un throughput significativamente più elevato rispetto al 4G.
4. Suddivisione della rete:
4.1 Funzionalità della rete 4G:
- Le reti 4G non dispongono del concetto di network slicing, limitando la personalizzazione dei servizi per diversi casi d’uso.
4.2 Slicing della rete 5G:
- 5G introduce il concetto rivoluzionario di network slicing, consentendo la creazione di reti virtualizzate e indipendenti all’interno della stessa infrastruttura fisica.
- Ogni porzione di rete può essere personalizzata in base a requisiti specifici, come bassa latenza per applicazioni critiche o connettività massiccia per dispositivi IoT.
5. Comunicazione di tipo macchina massiva (mMTC):
5.1 Supporto mMTC 4G:
- Le reti 4G devono affrontare sfide nel supportare in modo efficiente un numero enorme di dispositivi IoT a causa delle capacità di connettività limitate.
5.2 Supporto 5G mMTC:
- 5G è progettato per gestire in modo efficiente la Massive Machine Type Communication (mMTC), consentendo la connettività per un vasto numero di dispositivi IoT contemporaneamente.
- La copertura ad ampio raggio e a basso consumo per i casi d’uso mMTC è una caratteristica chiave del 5G.
6. Bande di beamforming e onde millimetriche:
6.1 Bande di frequenza 4G:
- Le reti 4G operano principalmente in bande di frequenza più basse, limitando il potenziale per implementazioni ad alta frequenza e onde millimetriche.
6.2 Bande di frequenza 5G:
- Il 5G sfrutta uno spettro più ampio, comprese le bande delle onde millimetriche, consentendo velocità di trasmissione dati più elevate e una maggiore capacità di rete.
- Le tecnologie beamforming sono ampiamente utilizzate nel 5G per focalizzare i segnali in modo direzionale, migliorando la copertura e l’efficienza.
7. Multi-connettività:
7.1 Multiconnettività 4G:
- Nel 4G, la multi-connettività implica l’uso dell’aggregazione dei portanti per combinare più bande di frequenza per aumentare la velocità dei dati.
7.2 Multiconnettività 5G:
- 5G introduce funzionalità avanzate di multi-connettività, consentendo connessioni simultanee a più gNB per una migliore affidabilità e handover senza interruzioni.
8. Edge computing:
8.1 Edge computing 4G:
- Le capacità di edge computing nel 4G sono limitate e la maggior parte dell’elaborazione avviene in data center centralizzati.
8.2 Edge computing 5G:
- 5G consente l’edge computing con l’implementazione del Multi-Access Edge Computing (MEC), avvicinando l’elaborazione ai margini della rete.
- Le applicazioni a bassa latenza beneficiano di tempi di andata e ritorno ridotti verso i data center centralizzati.
9. Miglioramenti della sicurezza:
9.1 Sicurezza 4G:
- Le reti 4G dispongono di protocolli di sicurezza, ma i progressi nella crittografia e nell’autenticazione sono cruciali per l’evoluzione delle minacce.
9.2 Sicurezza 5G:
- 5G introduce funzionalità di sicurezza avanzate, inclusi algoritmi di crittografia più potenti, slicing di rete sicuro e meccanismi di autenticazione migliorati.
Conclusione:
In conclusione, il passaggio dal 4G al 5G comporta una profonda trasformazione dell’architettura di rete. Le reti 5G apportano progressi nell’accesso radio, nella progettazione della rete centrale, nella latenza, nel throughput e introducono concetti innovativi come il network slicing, consentendo diverse applicazioni e casi d’uso. L’evoluzione verso il 5G rappresenta un cambiamento di paradigma che va oltre i semplici miglioramenti della velocità, offrendo le basi per un ecosistema wireless altamente connesso e personalizzato.