Architektura 5G to kompleksowa struktura definiująca strukturę i komponenty sieci komórkowej piątej generacji (5G). Wprowadza znaczące ulepszenia w porównaniu z poprzednimi generacjami, mając na celu zapewnienie zwiększonej wydajności, zwiększonej pojemności, bardzo małych opóźnień i obsługi różnorodnego zakresu przypadków użycia. Architekturę 5G zaprojektowano tak, aby zapewnić płynną i wzajemnie połączoną sieć zdolną sprostać zmieniającym się wymaganiom współczesnej komunikacji. Oto szczegółowe wyjaśnienie kluczowych elementów architektury 5G:
1. Sprzęt użytkownika (UE):
- Definicja: UE reprezentuje urządzenia użytkowników końcowych, takie jak smartfony, tablety, laptopy, urządzenia IoT i inne podłączone gadżety.
- Rola: UE komunikują się z siecią 5G, inicjując i odbierając dane oraz usługi.
2. Sieć dostępu radiowego (RAN):
- Składniki:
- gNB (nowe radio 5G): gNB to główny komponent odpowiedzialny za komunikację bezprzewodową, obsługujący takie funkcje, jak Massive MIMO (Multiple Output Multiple Output) i kształtowanie wiązki.
- NG-RAN (sieć dostępu radiowego nowej generacji): NG-RAN obejmuje gNB i powiązane z nimi funkcje kontrolne.
- Funkcjonalność: RAN ułatwia bezprzewodowe połączenie pomiędzy UE a siecią rdzeniową 5G.
3. Sieć rdzeniowa 5G:
- Komponenty i funkcje:
- AMF (Funkcja zarządzania dostępem i mobilnością): Zarządza mobilnością, dostępem i przekazaniami.
- SMF (Funkcja zarządzania sesją): Kontroluje ustanawianie, modyfikowanie i kończenie sesji.
- UPF (Funkcja płaszczyzny użytkownika): Obsługuje dane użytkownika w płaszczyźnie danych.
- UDM (Unified Data Management): Zarządza danymi abonenta i uwierzytelnianiem.
- AUSF (Funkcja serwera uwierzytelniania): Obsługuje uwierzytelnianie użytkownika.
- PCF (Funkcja kontroli zasad): Egzekwuje zasady jakości usług (QoS) i kontroli dostępu.
- Architektura oparta na usługach: W rdzeniu 5G zastosowano architekturę opartą na usługach, promującą modułowe i elastyczne świadczenie usług.
- Obsługa podziału sieci: Umożliwia tworzenie zwirtualizowanych sieci (wycinków sieci) dla określonych przypadków użycia z unikalnymi wymaganiami.
4. Funkcje i podmioty sieciowe:
- MME (jednostka zarządzania mobilnością): Zarządza stanami mobilności i połączeń dla UE.
- NSSF (Funkcja wyboru segmentu sieci): Pomaga w wyborze odpowiednich segmentów sieci w oparciu o wymagania użytkownika i usługi.
- NEF (Funkcja ekspozycji sieci): Udostępnia możliwości sieci zewnętrznym aplikacjom i usługom.
- AF (funkcja aplikacji): Obsługuje funkcje i interakcje specyficzne dla aplikacji.
- N3IWF (Funkcja współpracy inna niż 3GPP): Ułatwia komunikację pomiędzy sieciami 5G i innymi niż 3GPP.
- UDR (Unified Data Repository): Przechowuje i zarządza danymi abonentów.
5. Przypadki użycia i usługi:
- Ulepszona mobilna łączność szerokopasmowa (eMBB): Zapewnia wysoką szybkość transmisji danych dla aplikacji takich jak strumieniowe przesyłanie wideo i pobieranie dużych plików.
- Ultra-niezawodna komunikacja o niskim opóźnieniu (URLLC): Obsługuje aplikacje o znaczeniu krytycznym z niskim opóźnieniem i wysoką niezawodnością.
- Massive Machine-Type Communications (mMTC): Umożliwia łączność ogromnej liczbie urządzeń IoT.
6. Dynamiczne udostępnianie widma:
- Elastyczność: Sieci 5G obsługują dynamiczne udostępnianie widma, optymalizując wykorzystanie dostępnych pasm częstotliwości w oparciu o zapotrzebowanie i warunki sieci.
7. Podejście natywne w chmurze:
- Projekt natywny dla chmury: Architektura 5G obejmuje podejście natywne dla chmury, wykorzystujące technologie chmurowe w celu zapewnienia skalowalności, elastyczności i efektywnego wykorzystania zasobów.
8. Globalna standaryzacja:
- ITU i 3GPP: Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU) i Projekt Partnerstwa Trzeciej Generacji (3GPP) przyczyniają się do tworzenia światowych standardów dla 5G, zapewniając interoperacyjność i kompatybilność.
9. Kompatybilność wsteczna:
- Współistnienie z 4G LTE: Sieci 5G zaprojektowano tak, aby współistniały i zapewniały kompatybilność wsteczną z sieciami 4G LTE, zapewniając płynne przejście dla użytkowników i operatorów.
10. Łączność od końca do końca:
- Bezproblemowa łączność: Architektura 5G zapewnia łączność typu end-to-end, od UE przez sieć RAN do sieci rdzeniowej, zapewniając bezproblemową obsługę użytkownika.
11. Względy bezpieczeństwa:
- Funkcje bezpieczeństwa: Architektura 5G zawiera solidne mechanizmy bezpieczeństwa chroniące dane użytkownika, zapobiegające nieautoryzowanemu dostępowi i zapewniające integralność komunikacji.
Podsumowując, architektura 5G to wieloaspektowa struktura obejmująca sprzęt użytkownika, sieć dostępu radiowego i sieć rdzeniową 5G. Wprowadza zaawansowane funkcje, architekturę opartą na usługach i dynamiczne możliwości wspierające różnorodne przypadki użycia, co czyni go kluczowym elementem ewolucji mobilnych sieci komunikacyjnych.