Verschillen tussen 5G- en 4G-netwerkarchitecturen: een uitgebreide uitleg
Invoering:
De overgang van 4G (LTE) naar 5G betekent een aanzienlijke sprong voorwaarts in de draadloze communicatietechnologie. De architectuur van 5G-netwerken introduceert een aantal belangrijke veranderingen en verbeteringen ten opzichte van zijn voorganger. Deze gedetailleerde uitleg onderzoekt de fundamentele verschillen tussen de architecturen van 5G- en 4G-netwerken, waarbij belangrijke aspecten worden behandeld zoals radiotoegang, kernnetwerk, latentie en netwerkslicing.
1. Radiotoegangsnetwerk (RAN):
1.1 4G-RAN:
- In 4G-netwerken bestaat het Radio Access Network uit eNodeBs (geëvolueerde NodeBs) die verantwoordelijk zijn voor het beheer van de radiocommunicatie met gebruikersapparatuur (UE).
- Gecentraliseerde en hiërarchische architectuur met beperkte flexibiliteit bij de toewijzing van middelen.
1.2 5G-RAN:
- 5G introduceert het concept van gNB’s (Next-Gen Base Stations) in het Radio Access Network.
- Gedistribueerde architectuur met de mogelijkheid om enorme apparaatconnectiviteit en dynamische toewijzing van bronnen te ondersteunen.
- gNB’s bieden flexibiliteit in implementatiescenario’s, waaronder macrocellen, kleine cellen en millimetergolfimplementaties voor verbeterde capaciteit en dekking.
2. Kernnetwerk (CN):
2.1 4G-kernnetwerk:
- Het 4G-kernnetwerk, bekend als Evolved Packet Core (EPC), bestaat uit componenten zoals MME (Mobility Management Entity), SGW (Serving Gateway), PGW (Packet Data Network Gateway), HSS (Home Subscriber Server) en PCRF ( Functie beleid en kostenregels).
- Hiërarchische architectuur met vaste functionaliteiten.
2.2 5G-kernnetwerk:
- Het 5G-kernnetwerk staat bekend als de Next-Gen Core (NGC) of 5GC, en introduceert een op diensten gebaseerde architectuur.
- Kernfuncties worden geïmplementeerd als modulaire services en bieden flexibiliteit en schaalbaarheid.
- De belangrijkste componenten zijn onder meer AMF (toegangs- en mobiliteitsbeheerfunctie), SMF (sessiebeheerfunctie), UPF (gebruikersvlakfunctie), UDM (Unified Data Management) en AUSF (authenticatieserverfunctie).
- Netwerkfuncties worden ingezet als microservices, waardoor efficiënt gebruik van bronnen en snelle service-implementatie mogelijk wordt.
3. Latentie en doorvoer:
3.1 4G-latentie en doorvoer:
- 4G-netwerken hebben doorgaans een latentie van tientallen milliseconden, waardoor real-time toepassingen worden beperkt.
- De piekdatasnelheden in 4G liggen in de orde van enkele honderden megabits per seconde.
3.2 5G-latentie en doorvoer:
- 5G streeft naar een ultralage latentie in milliseconden van één cijfer, waardoor toepassingen zoals autonome voertuigen en augmented reality mogelijk worden.
- Piekdatasnelheden in 5G kunnen meerdere gigabits per seconde overschrijden, wat een aanzienlijk hogere doorvoer oplevert dan 4G.
4. Netwerk-slicing:
4.1 4G-netwerkmogelijkheden:
- 4G-netwerken missen het concept van netwerk-slicing, waardoor de aanpassing van diensten voor uiteenlopende gebruiksscenario’s wordt beperkt.
4.2 5G-netwerkslicing:
- 5G introduceert het revolutionaire concept van network slicing, waarmee gevirtualiseerde, onafhankelijke netwerken binnen dezelfde fysieke infrastructuur kunnen worden gecreëerd.
- Elk netwerksegment kan worden aangepast aan specifieke vereisten, zoals een lage latentie voor kritieke toepassingen of enorme connectiviteit voor IoT-apparaten.
5. Massale machinetypecommunicatie (mMTC):
5.1 4G mMTC-ondersteuning:
- 4G-netwerken worden geconfronteerd met uitdagingen bij het efficiënt ondersteunen van een enorm aantal IoT-apparaten vanwege de beperkte connectiviteitsmogelijkheden.
5.2 5G mMTC-ondersteuning:
- 5G is ontworpen om op efficiënte wijze om te gaan met Massive Machine Type Communication (mMTC), waardoor connectiviteit voor een groot aantal IoT-apparaten tegelijkertijd mogelijk wordt.
- Low-power, brede dekking voor mMTC-gebruiksscenario’s is een belangrijk kenmerk van 5G.
6. Beamforming en millimetergolfbanden:
6.1 4G-frequentiebanden:
- 4G-netwerken opereren voornamelijk in lagere frequentiebanden, waardoor de mogelijkheden voor hoogfrequente en millimetergolf-implementaties worden beperkt.
6.2 5G-frequentiebanden:
- 5G maakt gebruik van een breder spectrum, inclusief millimetergolfbanden, waardoor hogere datasnelheden en een grotere netwerkcapaciteit mogelijk zijn.
- Beamforming-technologieën worden op grote schaal gebruikt in 5G om signalen directioneel te focusseren, waardoor de dekking en efficiëntie worden verbeterd.
7. Multi-connectiviteit:
7.1 4G multi-connectiviteit:
- Bij 4G omvat multi-connectiviteit het gebruik van carrier-aggregatie om meerdere frequentiebanden te combineren voor hogere datasnelheden.
7.2 5G multi-connectiviteit:
- 5G introduceert geavanceerde multi-connectiviteitsfuncties, waardoor gelijktijdige verbindingen met meerdere gNB’s mogelijk zijn voor verbeterde betrouwbaarheid en naadloze overdrachten.
8. Randcomputers:
8.1 4G Edge-computing:
- Edge computing-mogelijkheden in 4G zijn beperkt, waarbij de meeste verwerking plaatsvindt in gecentraliseerde datacenters.
8.2 5G Edge-computing:
- 5G maakt edge computing mogelijk met de inzet van Multi-Access Edge Computing (MEC), waardoor verwerking dichter bij de rand van het netwerk komt.
- Toepassingen met lage latentie profiteren van kortere retourtijden naar gecentraliseerde datacenters.
9. Beveiligingsverbeteringen:
9.1 4G-beveiliging:
- 4G-netwerken beschikken over beveiligingsprotocollen, maar vooruitgang op het gebied van encryptie en authenticatie is cruciaal voor de zich ontwikkelende bedreigingen.
9.2 5G-beveiliging:
- 5G introduceert verbeterde beveiligingsfuncties, waaronder sterkere encryptie-algoritmen, veilige netwerk-slicing en verbeterde authenticatiemechanismen.
Conclusie:
Concluderend kan worden gezegd dat de transitie van 4G naar 5G een diepgaande transformatie in de netwerkarchitectuur met zich meebrengt. 5G-netwerken zorgen voor vooruitgang op het gebied van radiotoegang, kernnetwerkontwerp, latentie en doorvoer, en introduceren innovatieve concepten zoals netwerkslicing, waardoor diverse toepassingen en gebruiksscenario’s mogelijk worden. De evolutie naar 5G vertegenwoordigt een paradigmaverschuiving die verder gaat dan louter snelheidsverbeteringen en een basis biedt voor een sterk verbonden en op maat gemaakt draadloos ecosysteem.