Różnice między architekturami sieci 5G i 4G: kompleksowe wyjaśnienie
Wstęp:
Przejście z 4G (LTE) na 5G stanowi znaczący krok w technologii komunikacji bezprzewodowej. Architektura sieci 5G wprowadza kilka kluczowych zmian i udoskonaleń w stosunku do swojej poprzedniczki. W tym szczegółowym wyjaśnieniu zbadano podstawowe różnice między architekturami sieci 5G i 4G, uwzględniając kluczowe aspekty, takie jak dostęp radiowy, sieć rdzeniowa, opóźnienia i podział sieci.
1. Sieć dostępu radiowego (RAN):
1.1 4G RAN:
- W sieciach 4G sieć dostępu radiowego składa się z eNodeB (rozwiniętych NodeB) odpowiedzialnych za zarządzanie komunikacją radiową ze sprzętem użytkownika (UE).
- Scentralizowana i hierarchiczna architektura z ograniczoną elastycznością w alokacji zasobów.
1.2 5G RAN:
- 5G wprowadza koncepcję gNB (stacji bazowych nowej generacji) w radiowej sieci dostępowej.
- Rozproszona architektura z możliwością obsługi ogromnej łączności urządzeń i dynamicznej alokacji zasobów.
- gNB oferują elastyczność scenariuszy wdrożeń, w tym makrokomórek, małych komórek i wdrożeń fal milimetrowych w celu zwiększenia wydajności i zasięgu.
2. Sieć rdzeniowa (CN):
2.1 Sieć rdzeniowa 4G:
- Sieć rdzeniowa 4G, znana jako Evolved Packet Core (EPC), składa się z komponentów takich jak MME (jednostka zarządzania mobilnością), SGW (Serving Gateway), PGW (Packet Data Network Gateway), HSS (Home Subscriber Server) i PCRF ( Funkcja zasad i zasad pobierania opłat).
- Hierarchiczna architektura ze stałymi funkcjonalnościami.
2.2 Sieć rdzeniowa 5G:
- Sieć rdzeniowa 5G jest znana jako rdzeń nowej generacji (NGC) lub 5GC i wprowadza architekturę opartą na usługach.
- Podstawowe funkcje są wdrażane jako usługi modułowe, oferujące elastyczność i skalowalność.
- Kluczowe komponenty obejmują AMF (funkcja zarządzania dostępem i mobilnością), SMF (funkcja zarządzania sesją), UPF (funkcja płaszczyzny użytkownika), UDM (ujednolicone zarządzanie danymi) i AUSF (funkcja serwera uwierzytelniania).
- Funkcje sieciowe są wdrażane jako mikrousługi, co umożliwia efektywne wykorzystanie zasobów i szybkie wdrażanie usług.
3. Opóźnienie i przepustowość:
3.1 Opóźnienie i przepustowość 4G:
- Sieci 4G mają zazwyczaj opóźnienia rzędu dziesiątek milisekund, co ogranicza aplikacje działające w czasie rzeczywistym.
- Szczytowe szybkości transmisji danych w sieci 4G rzędu kilkuset megabitów na sekundę.
3.2 Opóźnienie i przepustowość 5G:
- 5G ma na celu osiągnięcie bardzo niskiego opóźnienia rzędu jednocyfrowych milisekund, umożliwiając zastosowania takie jak pojazdy autonomiczne i rzeczywistość rozszerzona.
- Szczytowe szybkości transmisji danych w 5G mogą przekraczać wiele gigabitów na sekundę, zapewniając znacznie wyższą przepustowość niż 4G.
4. Dzielenie sieci:
4.1 Możliwości sieci 4G:
- W sieciach 4G brakuje koncepcji podziału sieci, co ogranicza dostosowywanie usług do różnych przypadków użycia.
4.2 Dzielenie sieci 5G:
- 5G wprowadza rewolucyjną koncepcję podziału sieci, umożliwiającą tworzenie zwirtualizowanych, niezależnych sieci w ramach tej samej infrastruktury fizycznej.
- Każdy segment sieci można dostosować do konkretnych wymagań, takich jak małe opóźnienia w przypadku aplikacji krytycznych lub ogromna łączność dla urządzeń IoT.
5. Komunikacja typu masywnej maszyny (mMTC):
5.1 Obsługa 4G mMTC:
-
Sieci
- 4G stoją przed wyzwaniami związanymi z efektywną obsługą ogromnej liczby urządzeń IoT ze względu na ograniczone możliwości łączności.
5.2 Obsługa 5G mMTC:
- 5G zaprojektowano tak, aby skutecznie obsługiwał komunikację typu Massive Machine Type Communication (mMTC), umożliwiając jednoczesną łączność ogromnej liczbie urządzeń IoT.
- Niski pobór mocy i duży zasięg dla zastosowań mMTC to kluczowa cecha 5G.
6. Pasma kształtowania wiązki i fal milimetrowych:
6.1 Pasma częstotliwości 4G:
- Sieci 4G działają głównie w niższych pasmach częstotliwości, co ogranicza potencjał wdrożeń wysokich częstotliwości i fal milimetrowych.
6.2 Pasma częstotliwości 5G:
- 5G wykorzystuje szersze spektrum, w tym pasma fal milimetrowych, umożliwiając wyższe szybkości transmisji danych i zwiększoną przepustowość sieci.
- Technologie kształtowania wiązki są szeroko stosowane w sieci 5G w celu ukierunkowania sygnałów, zwiększenia zasięgu i wydajności.
7. Wielofunkcyjna łączność:
7.1 Wielofunkcyjna łączność 4G:
- W sieci 4G wielokrotna łączność obejmuje wykorzystanie agregacji nośnych w celu łączenia wielu pasm częstotliwości w celu zwiększenia szybkości transmisji danych.
7.2 Wielofunkcyjna łączność 5G:
- 5G wprowadza zaawansowane funkcje wielu połączeń, umożliwiające jednoczesne połączenia z wieloma urządzeniami gNB w celu zwiększenia niezawodności i płynnego przełączania.
8. Przetwarzanie brzegowe:
8.1 Przetwarzanie brzegowe 4G:
- Możliwości przetwarzania brzegowego w sieci 4G są ograniczone, a większość przetwarzania odbywa się w scentralizowanych centrach danych.
8.2 Przetwarzanie brzegowe 5G:
- 5G umożliwia przetwarzanie brzegowe dzięki wdrożeniu wielodostępnego przetwarzania brzegowego (MEC), przybliżając przetwarzanie do krawędzi sieci.
- Aplikacje charakteryzujące się niskimi opóźnieniami korzystają ze skróconego czasu podróży w obie strony do scentralizowanych centrów danych.
9. Udoskonalenia zabezpieczeń:
9.1 Bezpieczeństwo 4G:
- Sieci 4G mają protokoły bezpieczeństwa, ale postęp w szyfrowaniu i uwierzytelnianiu ma kluczowe znaczenie dla ewoluujących zagrożeń.
9.2 Bezpieczeństwo 5G:
- 5G wprowadza ulepszone funkcje bezpieczeństwa, w tym silniejsze algorytmy szyfrowania, bezpieczne dzielenie sieci i ulepszone mechanizmy uwierzytelniania.
Wniosek:
Podsumowując, przejście z 4G na 5G wiąże się z głęboką transformacją architektury sieci. Sieci 5G przynoszą postęp w zakresie dostępu radiowego, projektowania sieci rdzeniowej, opóźnień i przepustowości, a także wprowadzają innowacyjne koncepcje, takie jak dzielenie sieci, umożliwiając różnorodne zastosowania i przypadki użycia. Ewolucja w kierunku 5G oznacza zmianę paradygmatu, która wykracza poza zwykłą poprawę prędkości i stanowi podstawę dla wysoce połączonego i dostosowanego ekosystemu bezprzewodowego.