Datový provoz v mobilních sítích velmi rychle roste, je to způsobeno především streamováním videa. S více zařízeními má každý uživatel rostoucí počet připojení. Internet věcí (IoT) bude vyžadovat sítě, které budou muset zvládat připojit další miliardy zařízení. S rostoucím počtem mobilních telefonů a rostoucím datovým provozem potřebují mobilní zařízení i sítě zvýšit i svou energetickou účinnost. Provozovatelé sítí jsou pod tlakem, aby snížili provozní výdaje, protože uživatelé si zvykli na paušální tarify a nechtějí platit více.
5G sítě páté generace eMBB uRLLC mMTC
Proč potřebujeme mobilní sítě páté generace?
Sítě páté generace nabízejí nové možnosti použití (např. pro aplikace, které potřebují velmi nízkou latenci nebo vysokou spolehlivost). Technologie 5G by tedy měla přinést výrazně vyšší provozní výkon (např. zvýšenou spektrální účinnost, vyšší datové rychlosti, nízkou latenci) a také vynikající uživatelskou zkušenost.
Mobilní sítě páté generace
5G (pátá generace bezdrátových sítí) je telekomunikační standard mobilní sítě, který technicky navazuje na standard 4G LTE. Hlavním přínosem nové technologie je významné, téměř desetinásobné zvýšení přenosové rychlosti a podstatné snížení doby odezvy oproti standardu 4G, což kromě obsloužení více zařízení a zákazníků také umožňuje využívat nové technologie (online dálkové ovládání různých zařízení, vysoká kvalita multimédií, vysokorychlostní přístup, nízká latence, vysoká dostupnost a spolehlivost, QoS apod.). Základní požadavky na systém 5G byly definovány v IMT-2020 a pro 4G LTE-A to bylo IMT-advanced (viz Obr. 1), kde jsou shrnuty požadavky na uživatelskou rychlost (User experience data rate), spektrální účinnost (Spectrum efficiency), mobilitu (Mobility), latenci (Latency), hustotu připojení/zařízení (Connection density), energetickou účinnost sítě (Network energy efficiency), plošnou kapacitu sítě (Area traffic capacity) a špičkovou rychlost přenosu dat (Peak data rate).
Obr. 1: Porovnání klíčových vlastností IMT-advanced (4G LTE-A) s IMT-2020 (5G)
Jak je vidět z porovnání s 4G sítí LTE advanced (IMT-advanced), některé parametry se mění o jeden řád, některé dokonce až o dva řády. Podobně jako u předchozích sítí je jasné, že ne všechny požadavky a parametry budou splněny na začátku, ale postupně se budu vylepšovat tak, jak budou uvolňovány další specifikace (release) 5G sítě.
Nové služby 5G sítí (viz Obr. 2) jsou definovány jako:
- eMBB – Enhanced Mobile Broadband – Vylepšené mobilní širokopásmové připojení,
- mMTC – Massive Machine-type Communications – Strojová komunikace v masivním měřítku,
- uRLLC – Ultra-Reliable Low Latency Service – Vysoce spolehlivá služba s nízkou latencí.
Obr. 2: Služby 5G sítě dle 3GPP
Enhanced Mobile Broadband (eMBB)
Vylepšené mobilní širokopásmové připojení 5G sítí je nejviditelnějším rozšířením schopností LTE. eMBB nabídne podstatně větší datové rychlosti, vysokou hustotu uživatelů, velmi vysokou kapacitu a vysokou mobilitu. Vyšší rychlosti jsou důležité zejména pro streamování, videokonference a virtuální realitu. Nejvyšší rychlosti budou dostupné v malých buňkách s omezenou mobilitou koncových uživatelů, jako jsou např. chodci.
Massive Machine-type Communications (mMTC)
Tato služba je určena pro Internet věcí (IoT) vyžadující nízkou spotřebu energie a nízké datové rychlosti pro velmi vysoký počet připojených zařízení. Masivní komunikace strojového typu rozšiřuje možnosti internetu věcí LTE – např. NB-IoT – a podporuje obrovské množství zařízení s nižšími náklady, lepším pokrytím a dlouhou výdrží baterie. Jak je uvedeno v cílech ITU níže, 5G bude podporovat desetkrát více zařízení v oblasti než LTE.
Ultra-reliable and Low Latency Communications (URLLC)
Tato komunikace je určena pro kritické aplikace z hlediska bezpečnosti. Díky vysoké spolehlivosti a extrémně krátké době průchodu sítí umožní uRLLC, označované také jako „kritická“ komunikace, průmyslovou automatizaci, řízení dronů, nové lékařské aplikace, autonomní vozidla nebo např. zabezpečení v železniční dopravě. Někdy bývá uRLLC také označována jako kritická komunikace typu stroje (cMTC).
První spuštění komerčního provozu 5G sítí proběhlo roku 2019 v Jižní Koreji. 5G sítě poskytují telekomunikačním operátorům potenciál nabízet nové služby novým kategoriím uživatelů.
Obr. 3: Služby 5G sítě a jejich vlastnosti dle 3GPP
Obr. 4: Služby v 5G sítích dle 3GPP
Rádiová část – 5G NR New Radio
5G NR (5th Generation New Radio) je nová rádiová přístupová technologie (RAT) vyvinutá konsorciem 3GPP jako globální standard nového rádiového rozhraní pro mobilní sítě páté generace. Technické detaily 5G NR a 4G LTE popisují doporučení 3GPP řady 38. Rádiové rozhraní 5G NR využívá techniku OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) a modulaci až 1024 QAM.
Základní rozdělení kmitočtových pásem pro 5G NR je následující:
- Frequency Range 1 (FR1) zahrnuje pásma v rozsahu od 410 MHz do 7,125 GHz (vlnové délky 42–732 mm). Maximální šířka pásma kanálu definovaná pro FR1 je 100 MHz kvůli nedostatku spojitého spektra v tomto přeplněném frekvenčním rozsahu. Nejpoužívanější pásmo pro 5G NR v tomto frekvenčním rozsahu je 3,3–4,2 GHz a frekvenční pásma po 2G, 3G a 4G.
- Frequency Range 2 (FR2) zahrnuje pásma v rozsahu od 24,250 GHz do 52,600 GHz s vlnovými délkami 5,7– 12,5 mm. Minimální šířka pásma kanálu definovaná pro FR2 je 50 MHz a maximální 400 MHz, přičemž dvoukanálová agregace je podporována v 3GPP Release 15. Čím vyšší frekvence, tím větší je schopnost podporovat vysoké rychlosti přenosu dat. Vyšší frekvence znamenají ale menší pokrytí a vyžadují vyšší hustotu (počet) výstavby vysílačů. Pásmo FR 2 je označováno také jako mmWave, tedy milimetrové vlny.
Obr. 5: Pásma 5G sítí – pokrytí, kapacita a latence
Dynamické sdílení spektra (DSS)
V rozsahu FR1 mohou mobilní operátoři pro lepší využití vložených investic využívat také dynamické sdílení rádiového pásma pomocí technologie DSS, která umožňuje dynamicky sdílet pásmo mezi technologiemi 4G LTE a 5G NR. Rádiové spektrum je tedy časově multiplexováno pomocí technologie TDM (Time Division Multiplex) mezi oběma generacemi mobilních sítí a pro řídící funkce se stále používá síť 4G LTE dle poptávky uživatelů. Existující zařízení 4G LTE, která jsou kompatibilní s 5G NR, mohou používat DSS. Přitom stačí, aby byl s DSS kompatibilní pouze 5G NR terminál. Dynamické sdílení spektra má však určitou režii, a potřebuje tedy část kapacity (21 % režie ve srovnání pouze s LTE bez DSS a 41 % režie ve srovnání pouze s 5G bez DSS). DSS je tedy řešením pro současný souběh sítí 4G LTE a 5G NR po přechodné období.
Obr. 6: Dynamické sdílení spektra
Zavádění 5G sítí
5G síť nabízí dva základní režimy – Nesamostatný režim (NSA), kdy je rádiové rozhraní 5G NR spuštěno jako podružené k 4G LTE na jádru sítě 4G EPC, a to pouze za účelem navýšení kapacity a Samostatný režim (SA) mode 5G, což je zcela nová síť s novým rádiovým rozhraním i jádrem sítě.
Nesamostatný režim
Non-standalone režim 5G je pouze nasazením nového rádiového rozhraní 5G NR, při kterém se pro řídící funkce stálé využívá řídící rovina (signalizace) stávající 4G LTE sítě, zatímco 5G NR je zaměřen výhradně na uživatelskou rovinu (data) za účelem navýšení kapacity. Veškerá signalizace (řídící rovina) se přenáší v režimu LTE. Rádiové spektrum mezi 4G LTE a 5G NR lze dynamicky sdílet pomocí technologie DSS. Prioritizace zavádění 5G NR NSA má ovšem negativní dopad na rychlost zavádění nové sítě 5G NR SA, což někteří operátoři a dodavatelé kritizují.
Samostatný režim
Standalone režim 5G NR znamená, že pro signalizace (řídící rovina) i přenos dat (uživatelská rovina) se používají pouze 5G buňky gNB (gNode-B) a rádiové rozhraní 5G NR. V tomto je místo 4G Evolved Packet Core použita nová architektura jádra sítě, tedy 5G Packet Core. Nové 5G jádro sítě umožňuje nasazení 5G sítě samostatně bez LTE sítě a poskytuje nové služby, které 4G LTE sítě nejsou schopny zajistit. Oprávněně lze očekávat, že s budoucím rozvojem sítí 5G SA dosáhne 5G nižší ceny a zároveň lepší efektivity. To je nezbytné pro vývoj nových služeb a efektivní nasazení nových aplikací.
Nové jádro sítě
Aby sítě páté generace mohly nabízet nové služby, jako jsou eMBB (Extreme Mobile Broadband), mMTC (Massive Scale Communication) a uRLLC (Ultra-Reliable Low Latency Service) někdy také uváděnou jako cMTC (critical Machine-Type Communications), je třeba vyměnit nejen rádiové rozhraní sítě (5G NR), tedy vlastní rádia, antény atd., ale i vlastní jádro sítě (5GC). Zcela nové jádro 5G sítě je označováno jako 5GC a je založeno na moderních technologiích virtualizace síťových technologií, tedy SDN (Software-Defined Networking), NFV (Network Functions Virtualization), cloudových, webových technologiích a rozhraní a protokolu HTTP2 s RESTful API.
Oddělení řídící a uživatelské roviny v sítích 4G a 5G
Oddělení uživatelské a řídící roviny jádra sítě CUPS (Control and User Plane Separation) je popsáno v doporučení 3GPP R14 a bylo zaváděno již v sítích čtvrté generace. Sítě čtvrté generace byly původně navrženy ještě bez architektury CUPS, ale později se ukázalo, že oddělení řídící a uživatelské roviny je velmi výhodné z hlediska rozšiřování, provozu a řízení. U jádra sítí páté generace (5GC) tato architektura již tvoří funkční základ.
Sítě páté generace mají definováno kompletně své nové jádro s požadavkem na snadné vytváření nových služeb tedy – Service Based Architecture. Jádro sítí páté generace je již od počátku navrženo s oddělením řídící (dříve označované jako signalizace) a uživatelské roviny, tedy uživatelských dat (aplikací). Architektura CUPS zde nabízí mnoho výhod.
Jak již bylo popsáno, Control User Plane Separation (CUPS) v jádru mobilních sítí označuje úplné oddělení funkcí řídící roviny (control plane), tedy signalizací (které se starají o správu připojení uživatelů, o zásady QoS, zajištění autentizace uživatele, podporu mobility atd.), a uživatelské roviny (user plane), která se zabývá směrováním vlastního datového provozu a kde se odehrává vlastní přenos uživatelských dat.
Hlavní motivací pro oddělení řídící a uživatelské roviny je nezávislé škálování funkcí uživatelské roviny, což operátorům umožňuje mnohem flexibilnější nasazení a dimenzování sítě. Pokud např. stoupne datový provoz, lze přidat více uzlů datové roviny (např. prvků UPF), aniž by to ovlivnilo funkce řídící roviny. Další výhodou oddělení řídící a uživatelské roviny je také vyšší úroveň bezpečnosti tím, že řízení sítě je kompletně odděleno od uživatelských dat.
Architektura CUPS byla poprvé představena ve verzi R14 3GPP u sítí čtvrté generace SAE (System Architecture Evolution), kde je jádro sítě nazvané jako EPC (Evolve Packet Core). U sítí čtvrté generace s architekturou CUPS došlo k rozdělení prvků („specializovaných routerů“) jádra sítě SGW (Serving Gateway) na SGW-CP (Serving Gateway-Control Plane) a SGW-UP (Serving Gateway-User Plane) a u prvků PGW (PDN Gateway) na PGW-CP (PDN Gateway-Control Plane) a PGW-UP (PDN Gateway-User Plane).
Obr. 7: EPS, EPS s CUPS a 5G CN – zdroj ITU
Klíčové principy architektury 5G:
- Upřednostnění rozhraní pro podporu integrace s více dodavateli.
- Oddělení řídící roviny/vrstvy (Control Plane – CP) a uživatelské roviny/vrstvy (User Plane – UP) – architektura CUPS.
- Nezávislé škálování funkcí UP (User Plane) a CP (Control Plane) díky architektuře CUPS.
- Umožnění flexibilního nasazení UP oddělené od CP.
- Podpora autentizace pro identity založené na IMSI (International Mobile Subscriber Identity) i identity bez použití IMSI.
- Umožňuje různé konfigurace sítě v různých částech sítě – Network Slicing.
- Service Based Architecture (SBA).
Network Slicing
5G network slicing je síťová architektura, která umožňuje multiplexování virtualizovaných a nezávislých logických sítí na stejné fyzické síťové infrastruktuře. Každý segment sítě je izolovaná síť typu end-to-end přizpůsobená tak, aby splňovala různé požadavky konkrétní aplikace.
V praxi network slicing znamená, že operátor 5G sítě může vytvořit různé vrstvy, které budou garantovat i různé parametry potřebné pro různé zákazníky a aplikace. Logická část sítě tedy slouží pouze pro daný účel nebo daného zákazníka.
Obr. 8: Network Slicing – příklady
Technologie network slicing přebírá ústřední roli při podpoře mobilních sítí 5G, které jsou navrženy tak, aby efektivně zahrnovaly nepřeberné množství služeb s velmi odlišnými požadavky na jejich úroveň (Service Level Requirements – SLR). Realizace tohoto servisně orientovaného pohledu na síť využívá koncepty softwarově definovaných sítí (Software Defined Networking – SDN) a virtualizace síťových funkcí (Network Function Virtualization – NFV), které umožňují implementaci flexibilních a škálovatelných síťových segmentů v rámci společné síťové infrastruktury.
Z pohledu obchodního modelu je každý segment sítě spravován operátorem mobilní virtuální sítě (Mobile Virtual Network Operator – MVNO). Poskytovatel infrastruktury (vlastník telekomunikační infrastruktury) pronajímá své fyzické zdroje MVNO, kteří sdílejí základní fyzickou síť. Podle dostupnosti přidělených zdrojů může MVNO autonomně nasadit více síťových segmentů, které jsou přizpůsobeny různým aplikacím poskytovaným jeho vlastním uživatelům.
Network Slicing je klíčovým spouštěčem, který podporuje:
- oddělení jednotlivých poskytovatelů, uživatelů,
- rozdílné případy použití a požadavky,
- vícenásobné instance stejné funkce,
- rychlejší vytvoření a uvedení služeb na trh, tedy TTM (Time To Market).
Obr. 9: 5G Network Slicing – architektura
Network slicing – klíčové vlastnosti:
- Logická síť je spravovaná poskytovatelem.
- Je to aktivátor pro další služby, nikoli samostatná služba.
- Je určen pro mobilní i pevné sítě.
- Zdroje mohou být fyzické nebo virtuální, vyhrazené nebo sdílené (rádio, přenos a jádro sítě).
- Je nezávislý a izolovaný, ale může sdílet zdroje.
- Může integrovat služby od jiných poskytovatelů usnadňujících např. agregace a roaming.
- Může zahrnovat manažerské funkce a možné vystavení ovládání/řízení zákazníkovi.
Závěr
První díl seriálu se věnoval zejména novým vlastnostem 5G sítí, službám, které budou v 5G sítích nově poskytovány a také celkové architektuře sítě. V současné době dochází ke spouštěním prvních 5G sítí, které jsou zatím zaváděny v nesamostatném režimu, tedy společně s 4G a na jádru 4G sítí. Do budoucna se počítá s tím, že operátoři vymění 4G EPC jádra sítě za 5G core, čímž umožní spuštění 5G služeb. Postupně dojde k přesunu provozu ze 4G na 5G tak, aby bylo možno sítě 4G vypnout, podobně jako se to již stalo s 3G sítěmi.
V tabulce jsou porovnány předpokládané parametry sítě páté generace, které postupně dosáhnou a plánované parametry sítě šesté generace.
Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.