Pull to refresh

Описание устройства и функционирования сети пятого поколения, развернутого на основе четвертого поколения

Reading time 14 min
Views 4.9K
Сети сотовой связи четвертого поколения могут быть построены на основе двух технологий – LTE (Long Term Evolution) и WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Обе эти технологии похожи, но имеют разных разработчиков и время появления. WiMAX, основанная на стандарте IEEE 802.16 (разработан Institute of Electrical and Electronics Engineers, Институтом Инженеров Электротехники и Электроники) использует для передачи данных в обе стороны (для выгрузки и скачивания) технологию OFDM, что приводит к высоким пик-факторам, то есть большим коэффициентам нагрузки на блоки питания конечного оборудования (говоря проще – батарея телефона при использовании OFDM для исходящей скорости будет быстрее изнашиваться и разряжаться). В отличие от WiMAX, технология Long Term Evolution использует для исходящей скорости технологию SC-FDMA, что позволяет избежать высоких пик-факторов, так как эта технология с одной несущей.

Технология LTE разработана форумом 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project), призванным решить проблемы использования технологий GSM и CDMA2000 (UMTS), которые являются соответственно технологиями второго и третьего поколений сотовой связи. В Казахстане для работы сотовых сетей использовали сначала технологию GSM (EDGE), затем – CDMA2000, поэтому внедрение сотовой связи на основе технологии LTE Advanced (LTE Realize 12) было целесообразно. Соответственно, сети пятого поколения в Казахстане должны быть развернуты на основе сетей LTE Advanced.

Пятое поколение (5th Generation) сотовой связи должно решить вопросы, связанные не с улучшением качества передачи голоса, а с проблемой доступа в интернет и увеличения скорости передачи данных. В настоящее время (февраль 2019 г.) стандарты 5G не разработаны, но к декабрю 2019 года Международный Союз Электросвязи представит стандарт IMT-2020, описывающий технологии построения и доступа к сети. Так как технологии всех предшествующих поколений связи основывались на предыдущих, то есть для пользования услугами сети 3G не требовалось покупать новое устройство, а для использования LTE Advanced нужно было только заменить SIM-карту в устаревшем телефоне, то автор предполагает, что первый выпуск стандарта IMT-2020 будет основан на технологии LTE Advanced с неортогональным частотным разнесением каналов, Non-OFDM.

Несмотря на похожую с LTE Advanced архитектуру, сети 5G для увеличения скорости должны использовать более широкий частотный спектр, а поскольку сети четвертого поколения занимают дециметровый или сантиметровый диапазон частот (LTE Advanced работает в диапазоне от 2500 до 2690 МГц при загрузке, например, отечественный оператор «Altel» использует полосу частот 1800 МГц.), то для сетей пятого поколения, скорее всего, будут отведены частоты в миллиметровом диапазоне (60 – 100 ГГц). Соответственно, для использования миллиметрового диапазона нужно будет не только увеличить количество базовых станций на территории нашей страны, но и увеличивать мощность блоков питания этих базовых станций.

Другой отличительной чертой сетей 5G станет внедрение облачных технологий. Использование «облаков» нужно для снятия нагрузки на базовые станции, предполагается, что они будут только передавать сигнал, не обрабатывая, как это происходит в сетях 4G (в сетях LTE обработка сигнала происходит на стороне конечного устройства и базовой станции, блок управления мобильностью, MME, передает только служебную информацию, а не пользовательский трафик, его передачей занимается именно базовая станция, поэтому с увеличением числа подключенных устройств они не смогут справляться с нагрузкой).

Так как сети пятого поколения будут функционировать на основе четвертого поколения, то сначала нужно объяснить, как функционирует сеть LTE Advanced, затем – вывести предположения об архитектурных отличиях сетей пятого поколения.

Сеть LTE состоит из двух систем – базовой сети, System Architecture Evolution или Evolved Packet Core, состоящей из блоков управления мобильностью (Mobility Management Entity), блоков пользовательской сущности (User Plane Entity), служебных и пакетных шлюзов, и сети радиодоступа (evolved UMTS Terrestrial radio access network, E-UTRAN), состоящей только из базовых станций. В предыдущем поколении связи в архитектуру сети радиодоступа входил контроллер радиосети, Radio Network Controller, в функции которого входил процесс установления и прерывания соединений абонентов, процесс хэндовера (передачи абонента от одной базовой станции к другой), шифрование данных пользователей, определение уровня контроля качества. В сетях LTE все эти функции возложены на базовые станции.

Все элементы сетей LTE соединяются между собой с помощью интерфейсов (интерфейс – комплекс стандартизированных связей, соединяющих различное оборудование, например, интерфейсами называют соединительные кабели материнской платы компьютера и периферийных устройств – RS-232, USB, HDMI). Интерфейс, соединяющий базовые станции называется X2 и отвечает за удержание абонента в сети при переходе от одной базовой станции к другой. Базовые станции соединяются с блоком управления мобильностью с помощью интерфейса S1; собственно интерфейс делится на два типа: S1-C, передающий служебную информацию для базовой станции через шлюз Serving GW; S1-U, передающий пользовательскую информацию через пакетный шлюз Packet Data Network GW. Также, помимо S1, существуют другие интерфейсы, такие, как: S2 (для соединения с сетями, у которых форум 3GPP не был разработчиком), S3 (соединяет узел пакетной сети для абонентов сетей второго и третьего поколений и MME, отвечает за передачу служебных данных между сетями LTE и предыдущих поколений), S4 (для соединения базовой сети SAE и узла пакетной сети предыдущих поколений SGSN, Serving GPRS Support Node), S5 (соединяет базовую сеть и пакетный шлюз Packet Data Network GW), S6 (соединяет блок управления мобильностью и сервер абонентских данных, отвечает за аутентификацию в сети LTE). Совокупность сетевого оборудования базовой сети, сети радиодоступа и соединительных интерфейсов представляет собой физическую структуру сетей LTE, LTE Advanced.

Логически структура сети LTE разделена на две части: слой радиодоступа, Access Stratum и слой без доступа, Non-Access Stratum. В слой радиодоступа входит все оборудование сети радиодоступа и базовой пакетной сети, в слой без доступа входят способы контроля (или управления) мобильностью, EMM, EPC Mobility Management.

Сети на основе LTE Advanced предоставляют доступ к качественным услугам сети – звонки, высокая скорость загрузки мультимедийных данных, бесплатное использование (без учета трафика) некоторых приложений (в основном это месенджеры). К сожалению, из-за большого количества устройств и улучшения качества (а значит, и размера) мультимедийной информации, сети LTE скоро не смогут справляться с большой нагрузкой. В частности, используемый LTE дециметровый спектр частот не сможет обеспечить доступ к ресурсам с необходимым уровнем качества (Qos) и тогда может просто произойти отключение устройства от сети (отказ базовой станции обслуживать сотовый телефон).

Именно с целью предотвращения насыщения полосы пропускания и в будущем освобождение дециметрового спектра для устройств, потребляющих мало ресурсов, к 2025 году в Европе планируют перейти к внедрению сетей пятого поколения (5G). Каждое поколение сотовой связи должно отличаться от другого: первое от второго – переход от аналоговых видов модуляции к цифровым; второе от третьего – появлением дополнительных услуг, таких, как высокоскоростной доступ в интернет; четвертое от третьего – переход от канальной коммутации (распределения поступающих данных) к пакетной и внедрению IP-адресации, как в проводных сетях. Пятое поколение от четвертого должно отличаться двумя параметрами: используемой частотой спектра, то есть переход к ультракоротким волнам, а также снятие нагрузки с базовых станций за счет передачи их функций виртуальным машинам. Включение виртуализации и облачных технологий в архитектуру 5G означает более гибкую и быструю настройку, а также более дешевое развертывание, так как виртуальных машин может быть много на одной физической машине. Под гибкой настройкой автор понимает создание индивидуальных условий пользования услугами связи: личные тарифные планы, подстраивающиеся под нужды каждого абонента; управление объемом данных, потребляемых всеми приложениями.

Итак, согласно спецификации 3GPP TS 38.300 version 15.3. 1 Release 15, общее устройство сетей пятого поколения строятся на основе технологии New Radio и будут разделены на две части, как и у предыдущего поколения: 5GC (Core Network)то есть базовую сеть и NG-RAN (Next Generation Radio Access Network), то есть сеть радиодоступа следующего поколения. Базовая сеть должна состоять из двух основных устройств, разделяющих служебные и пользовательские функции. Эти устройства так и называются, «функциями»: AMF (Access and Mobility Management Function), функция, отвечающая за предоставление доступа и управлением поддержания сигнала сети при перемещении абонента; UPF (User Plane Function), отвечающая за передачу пользовательского трафика.

Дополнительно, в архитектуру сети включены другие «функции»: SMF (Session Management function), функция управления сессиями, распределяет IP-адреса для пользовательских устройств, управляет и следит трафиком, проходящим через функцию пользовательской плоскости выбирает UPF для перемещения трафика к месту назначения; AUSF (Authentication Server Function), функция сервера аутентификации пользовательского устройства; UDM (Unified Data Function), представляет собой хранилище регистрационных данных, сведений о безопасности и различных подписках абонента; PCF (Policy Control Function), функция управления политиками, контролирующая единую политику поведения сети и политику поведения каждой плоскости сети (пользовательской и служебной); AF (Application Function), функция приложений, выполняющая запросы к функции управления сессиями, также имеет доступ к управлению зарядом батареи устройства.

Сеть радиодоступа состоит из двух видов базовых станций: gNB, работающие в сети пятого поколения и ng-eNB, работающие в сети четвертого (E-UTRAN) или предыдущего поколения. Оба вида базовых станций должны соединяться интерфейсом Xn, а соединение базовых станций с функциональными блоками – интерфейсом NG. Также, как и в сетях LTE, интерфейс NG различается для устройств, взаимодействующих друг с другом. Всего в спецификации 3GPP TR 23.799, выпущенной в декабре 2016 года определено 15 видов интерфейсов NG, с нумерацией от 1 до 15. В статье не представляется возможным описать все 15 видов комплексов связи, поэтому автор приведет только пять из них. Так, NG1 представляет собой «опорную точку» между пользовательским устройством и AMF, NG2 – соединяет базовую станцию с AMF; также базовая станция соединяется по интерфейсу NG3 с функцией плоскости пользователя, которая, в свою очередь, соединяется по интерфейсу NG4 с функцией управления сессиями, а доступ в интернет и к услугам оператора предоставляется через интерфейс NG6. Функция приложений AF соединяется с функцией управления сессией через интерфейс NG5.

От сетей LTE в сети 5G перешли такие понятия, как плоскости пользователя и контроля, поэтому интерфейсы NG, связанные с пользователем, так же, как и в LTE, обозначают NG-U и, соответственно, NG-C для плоскости контроля, поэтому уровни протоколов (стеки) интерфейсов также делят только на пользовательские и служебные. Интерфейсы плоскости пользователя соединяют базовую станцию с UPF, а интерфейсы плоскости контроля (NG-C) – с AMF. Здесь нужно заметить, что NG-U обеспечивает негарантированную доставку (когда пользовательское устройство посылает элемент данных протокола (PDU) и не ждет в ответ отчет о доставке; гарантированная доставка – это подтверждение в виде отчета, что элемент данных получен), что существенно экономит время передачи данных.

Интерфейсы Xn и NG должны иметь открытые, доступные для всех производителей спецификации для взаимодействия с различными базовыми станциями. Здесь необходимо отметить, что некоторые группы ученых, работающие над разработкой требований и стандартов 5G, в частности, форум NGMN (Next Generation Mobile Networks), в своих отчетах придерживаются мнения о полной открытости всех технологий, то есть, все устройство сети, начиная с физического и заканчивая прикладным уровнем должно быть доступно всем пользователям. Также NGMN считает, что проектирование и строительство сети 5G должно проходить не каждым оператором отдельно, а совместно всеми операторами регионов.

Процесс работы в сети пятого поколения примерно такой: пользовательское устройство обнаруживает сеть с помощью встроенной антенны (этот этап остается неизменным еще со второго поколения и технологии GSM), сеть, то есть AMF через базовую станцию запрашивает служебные данные телефона.

Пользовательское устройство посылает свои регистрационные данные через базовую станцию в функцию доступа и управления мобильностью (AMF), эта функция сопоставляет регистрационные данные устройства с сервером, на котором содержатся данные всех абонентов и если предоставленные данные совпадают, доступ в сеть разрешается. После регистрации пользовательское устройство получает доступ к UPF, а через нее – к услугам сети.
Еще одно отличие сети пятого поколения – виртуализация услуг и обработка данных в облачных операционных системах – добавило еще одно понятие к определению архитектуры: помимо «Plane» — «плоскость», появилось понятие «Slicing» — «срез», означающее разные настройки (или характеристики сети) для отдельных пользователей и групп, а также для оборудования. Предполагается, что провайдер сети 5G будет создавать специальные шаблоны – виртуальные машины (NST, Network Slice Template), и пользователи смогут оптимизировать для себя эти шаблоны, то есть подключать требуемые услуги, арендовать программное обеспечение. Архитектура срезов не должна быть открытой, так как виртуальные машины, работающее удаленно (в «облаке», то есть в Центре Хранения Данных провайдера 5G) могут быть от разных производителей. Например, крупнейший поставщик проводной телефонии в Казахстане – АО «Казахтелеком» использует облачные сервисы от компании Microsoft (Hosted Lync, Hosted SharePoint, Hosted Exchange), а также виртуальный хостинг с операционными системами Windows (веб-сервер IIS) и Linux (веб-сервер Apache).

В 2016 году форум NGMN выпустил документ «Description of Network Slicing Concept», «Описание концепции разбиения сети», в которой логическая структура срезов состоит из трех частей (снизу вверх): уровня ресурсов, уровня экземпляра сетевого сегмента и уровня экземпляра службы.
К уровню ресурсов относятся все физические и логические ресурсы. Физические ресурсы – это все компоненты, из которых состоит сеть: базовые станции, системы хранения данных, сервера, маршрутизаторы, коммутаторы, даже кроссовое (соединительное оборудование, такое, как медный или оптоволоконный кабель является физическим ресурсом). Логические ресурсы – это сгруппированные по определенному признаку или для какой-либо цели физические ресурсы, например, к логическим ресурсам, предназначенным для виртуального хостинга (услуги, предоставляющей место для хранения данных на постоянно работающем, то есть находящемся в сети, компьютере-сервере) относятся: собственно, компьютер-сервер с операционной системой, система хранения данных – комплекс, состоящий из нескольких жестких дисков, соединенных друг с другом, коммутаторы, маршрутизаторы и соединительные кабели, а также программное обеспечение по требованию заказчика. Сетевые функции не относятся к ресурсам, они входят в состав среза сетевого сегмента. В то же время план сетевого сегмента, который представляет собой описание структуры и требуемых сетевых функций относится к логическим ресурсам.
Экземпляр сетевого сегмента – это и есть «Slice» — срез, который представляет собой набор характеристик, настроек, выделенных ресурсов для развертывания услуг и служб, предоставляемых оператором сети. Например, срез, предназначенный для обмена данными между машинами (датчиками, счетчиками) не требует системы хранения данных, только сервер, коммутатор и маршрутизатор, а также соединительные кабели, потому что для передачи сигнала от устройства к устройству иногда достаточно одного бита данных – 0 или 1. Если вспомнить процедуру хэндовера (перехода пользовательского устройства от одной базовой станции к другой), то по ней сразу видно, что базовые станции и пользовательское устройство обмениваются между собой текстовыми сообщениями, состоящими из одного – двух слов (например: HO REQUEST, HO RESPONSE и так далее). При этом срез для М2М (машина и машина) соединений должен обладать сверхнадежностью, то есть сообщение обязательно должно быть доставлено и сверхнизкую задержку, то есть сообщение должно быть доставлено очень быстро, например, если программа дистанционного управления автомобилем посылает сообщение на датчик автомобиля. Другой образец среза – для предоставления услуги интернет-телевидения наоборот, нуждается в системе хранения данных, нескольких серверах, маршрутизаторах и соединительном оборудовании для обеспечения постоянного доступа к мультимедийной услуге, которая также требует сверхнизкой задержки, но при этом для нее необязательна сверхнадежность, так как потеря нескольких пакетов данных может быть не замечена пользователем.

Сетевой сегмент может использовать различные ресурсы, состоять из нескольких логически завершенных подсетей, при этом сети могут использовать ресурсы не только своего среза, но и другого. Сетевой сегмент необходимо развертывать на виртуальной машине, потому что, благодаря гипервизорам (специальным программам, разделяющим физические ресурсы компьютеров-серверов на несколько логических составляющих) масштабируемость, то есть увеличение количества срезов (например, один срез – одна виртуальная машина) будет очень простой процедурой.

Уровень экземпляра службы – это конечный сервис или программа, предоставляемая пользователю. Экземпляры службы давно стали частью глобальной сети. Классический пример такой службы – почтовые сервисы, например Gmail, которая загружается через браузер и неотличима на вид от любого другого сайта, но она использует те же сетевые протоколы, что и Microsoft Outlook или другая автономная программа, установленная на компьютере и при запуске связывающаяся с почтовым ящиком через почтовые протоколы.

Сети пятого поколения физически должны иметь такую же простую структуру, как и сети LTE, то есть состоять только из базовой сети и сети радиодоступа. Но логически 5G гораздо более сложны по структуре: сохранилось горизонтальное разделение на пользовательскую и служебную плоскости, добавилось вертикальное разделение на срезы, расширилась роль компьютерного контроля, добавились новые логические элементы, такие, как функция контроля сессии или функция приложений.

Автор считает, что физическая структура сети пятого поколения еще несколько лет будет похожа на предыдущее поколение, потому что производителям пользовательского оборудования (телефоны, планшеты и так далее) необходимо обеспечить преемственность технологий, гарантирующую работу в разных сетях, тем более что на общей схеме устройства сети пятого поколения указаны два вида базовых станций. Также о плавном переходе от одного поколения связи к другому свидетельствует тот факт, что в спецификациях 3GPP в качестве способа модуляции используется Non-OFDM, который уже внедрен в сетях LTE Advanced.

Пятое поколение связи предоставит производителям и частным пользователям услуги, которые не предусматривались в сетях LTE или не функционировали надлежащим образом, такие, как взаимодействие между машинами, то есть использование всевозможных датчиков.

В заключение необходимо сказать, что для развертывания сетей пятого поколения в Казахстане, по мнению автора, наилучшим образом подходит компания АО «Казахтелеком», которой принадлежат 100% акций сотового оператора «Altel», предоставляющего услуги сотовой сети LTE и 75% акций сотового оператора «Kcell». Компания предлагает своим клиентам виртуальный хостинг, имеет несколько дата-центров в разных городах Республики. Если Международный Союз Электросвязи представит международной общественности утвержденные спецификации 5G (IMT-2020) в декабре 2019 года, то компания АО «Казахтелеком» сможет ввести в эксплуатацию сети пятого поколения к 2025 году.

Литература
1. Олифер В., Олифер Н. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 5-е изд. — СПб.: Питер, 2016. — 992 с.: ил. — (Серия «Учебник для вузов»).
2. Вишневский В. М., Портной С. Л., Шахнович И. В. Энциклопедия Wimax. Путь к 4G. – М.: «Техносфера», 2009, 472 стр.
3. Шахнович И. В. Современные технологии беспроводной связи. — М.: «Техносфера», 2006, 288 стр.
4. Тихвинский В. О., Терентьев С. В., Юрчук А. Б. Сети мобильной связи LTE: технологии и архитектура. -–М.: «Эко-Трендз», 2010, 284 стр.: ил.
5. Гельгор А.Л. Технология LTE мобильной передачи данных: учеб. пособие / Гельгор А.Л., Попов Е.А. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. — 204 с.
6. Шахнович И. Системы беспроводной связи 5G: телекоммуникационная парадигма, которая изменит мир. Краткие тезисы. // «Связь и телекоммуникации», №7 (00147), 2015, стр.: 48 – 55
7. 5G White Paper by NGMN Alliance 17th of February 2015 (справочный документ форума NGMN – Next Generation Mobile Network об устройстве сетей 5G):
www.ngmn.org/fileadmin/ngmn/content/images/news/ngmn_news/NGMN_5G_White_Paper_V1_0.pdf
8. Technical Specification 3GPP TS 38.300 version 15.3.1 Release 15 (ETSI TS 138 300 V15.3.1 (2018-10)) – 5G; NR; Overall Description; Stage-2:
www.etsi.org/deliver/etsi_ts/138300_138399/138300/15.03.01_60/ts_138300v150301p.pdf
9. Technical Specification 3GPP TS 23.501 version 15.4.0 Release 15 (ETSI TS 123 501 V15.4.0 (2019-03)) – 5G; System Architecture for the 5G System:
www.etsi.org/deliver/etsi_ts/123500_123599/123501/15.04.00_60/ts_123501v150400p.pdf
10. Technical Specification 3GPP TS 38.410 version 15.0.0 Release 15 (ETSI TS 138 410 V15.0.0 (2018-07)) – 5G; NG-RAN; NG general aspects and principles:
www.etsi.org/deliver/etsi_ts/138400_138499/138410/15.00.00_60/ts_138410v150000p.pdf
11. Technical Report 3GPP TR 38.912 version 15.0.0 Release 15 (ETSI TR 138 912 V15.0.0 (2018-09)) – 5G; Study on New Radio (NR) access technology:
www.etsi.org/deliver/etsi_tr/138900_138999/138912/15.00.00_60/tr_138912v150000p.pdf
12. Technical Report 3GPP TR 23.799 V14.0.0 (2016-12): Study on Architecture for Next Generation System:
www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/23_series/23.799 (document 23799-e00.zip)
13. Description of Network Slicing Concept by NGMN Alliance 13th January 2016 (Описание концепции сетевых срезов, разработан форумом NGMN – Next Generation Mobile Network):
www.ngmn.org/fileadmin/user_upload/160113_Network_Slicing_v1_0.pdf
Tags:
Hubs:
+10
Comments 1
Comments Comments 1

Articles