第4世代に基づいて展開された第5世代ネットワークのデバイスと機能の説明

第4世代のセルラーネットワークは、LTE（Long Term Evolution）とWiMAX（マイクロ波アクセスの世界的な相互運用性）の2つの技術に基づいて構築できます。 これらのテクノロジーはどちらも似ていますが、開発者と登場時間が異なります。 IEEE 802.16標準（電気電子技術者協会、電気電子技術者協会によって開発された）に基づくWiMAXは、OFDM技術を使用してデータを双方向で送信（アップロードおよびダウンロード）し、高いピーク係数、すなわち大きな係数を導きます最終機器の電源の負荷（言い換えると、送信速度にOFDMを使用すると、電話のバッテリーが早く消耗し、放電します）。 WiMAXとは異なり、Long Term EvolutionテクノロジーはSC-FDMAテクノロジーを使用して発信速度を高めます。このテクノロジーはシングルキャリアであるため、高いピークファクターを避けます。



LTEテクノロジーは、第2世代および第3世代のセルラー通信のテクノロジーであるGSMおよびCDMA2000（UMTS）テクノロジーの使用の問題を解決するために設計された3GPP（第3世代パートナーシッププロジェクト）フォーラムによって開発されました。 カザフスタンでは、セルラーネットワークの運用に最初にGSMテクノロジー（EDGE）を使用し、次にCDMA2000を使用したため、LTE Advanced（LTE Realize 12）テクノロジーに基づくセルラー通信の導入が推奨されました。 したがって、カザフスタンの第5世代ネットワークは、LTE Advancedネットワークに基づいて展開する必要があります。



セルラー通信の第5世代（第5世代）は、音声伝送の品質の改善ではなく、インターネットアクセスとデータ転送速度の向上の問題を解決する必要があります。 現在（2019年2月）、5G規格は開発されていませんが、2019年12月までに、国際電気通信連合はIMT-2020規格を導入します。これは、ネットワークの構築とアクセスのための技術を説明します。 以前のすべての世代の通信の技術は以前のものに基づいていたため、つまり、3Gネットワ​​ークのサービスを使用するために新しいデバイスを購入する必要はなく、LTE Advancedを使用するために必要なのは古い電話のSIMカードを交換するだけでした、著者はIMT標準の最初のリリースを想定しています2020は、非直交周波数ダイバーシティチャネルである非OFDMを備えたLTE Advancedテクノロジーに基づいています。



LTE Advancedと同様のアーキテクチャにもかかわらず、5Gネットワ​​ークは速度を上げるためにより広い周波数スペクトルを使用する必要があり、第4世代ネットワークはデシメートルまたはセンチメートルの周波数範囲を占有するため（LTE Advancedは、ロードされると2500から2690 MHzの範囲で動作します。 Altelは「1800 MHzの周波数帯域を使用します。」）その後、第5世代のネットワークでは、ほとんどの場合、ミリメートル範囲（60〜100 GHz）の周波数が割り当てられます。 したがって、ミリメートル範囲を使用するには、わが国の基地局の数を増やすだけでなく、これらの基地局の電源ユニットの電力も増やす必要があります。



5Gネットワ​​ークのもう1つの特徴は、クラウドテクノロジーの導入です。 「クラウド」の使用は、基地局の負荷を軽減するために必要であり、4Gネットワ​​ークで発生するように、処理せずに信号を送信するだけであると想定されます（LTEネットワークでは、信号処理はエンドデバイスと基地局、モビリティ管理ユニット、MMEの側で発生します、ユーザートラフィックではなくサービス情報のみを送信します。送信に関与しているのは基地局であるため、接続デバイスの数が増えると、負荷に対処できなくなります。



第5世代ネットワークは第4世代に基づいて動作するため、まずLTE Advancedネットワークがどのように機能するかを説明し、次に第5世代ネットワークのアーキテクチャの違いに関する仮定を導き出す必要があります。



LTEネットワークは2つのシステムで構成されます-コアネットワーク、モビリティ管理エンティティブロック、ユーザープレーンエンティティブロック、サービスおよびパケットゲートウェイで構成されるシステムアーキテクチャの進化または進化したパケットコア、および無線アクセスネットワーク（進化したUMTS地上波）基地局のみで構成される無線アクセスネットワーク、E-UTRAN）。 前世代の通信では、無線アクセスネットワークアーキテクチャには、無線ネットワークコントローラー、無線ネットワークコントローラーが含まれていました。その機能には、サブスクライバー接続の確立と中断のプロセス、ハンドオーバープロセス（ある基地局から別の基地局へのサブスクライバーの転送）、ユーザーデータの暗号化、品質管理レベルの決定が含まれていました。 LTEネットワークでは、これらの機能はすべて基地局に割り当てられます。



LTEネットワークのすべての要素は、インターフェイスを使用して相互接続されます（インターフェイスは、さまざまな機器を接続する標準化された接続のセットです。たとえば、インターフェイスはコンピューターのマザーボードと周辺機器の接続ケーブル-RS-232、USB、HDMIと呼ばれます）。 基地局を接続するインターフェイスはX2と呼ばれ、ある基地局から別の基地局への移行中にネットワーク内の加入者を維持する役割を果たします。 基地局は、S1インターフェイスを使用してモビリティ管理ユニットに接続されます。 インターフェース自体は2つのタイプに分けられます。S1-C、サービングGWゲートウェイを介して基地局のサービス情報を送信します。 S1-U、Packet Data Network GWパケットゲートウェイを介してユーザー情報を送信します。 また、S1に加えて、S2（3GPPフォーラムが開発者ではなかったネットワークに接続するため）、S3（第2および第3世代ネットワークとMMEの加入者のパケットネットワークノードを接続し、サービスデータを転送するなど） LTEネットワークと前世代の間）、S4（SAEコアネットワークと前世代のパケットネットワークノードSGSNを接続するため、GPRSサポートノードにサービスを提供する）、S5（コアネットワークとパケットデータネットワークGWパケットゲートウェイを接続する）、S6（モビリティ管理ユニットを接続するLTEネットワークでの認証を担当する加入者データサーバー ） コアネットワークのネットワーク機器、無線アクセスネットワーク、および接続インターフェースの全体が、LTE、LTE Advancedネットワークの物理構造です。



論理的には、LTEネットワーク構造は2つの部分に分かれています：無線アクセス層、アクセス層と非アクセス層、非アクセス層。 無線アクセス層には、無線アクセスネットワークと基本的なパケットネットワークのすべての機器が含まれ、アクセスのない層には、モビリティ、EMM、EPCモビリティ管理を制御（または管理）する方法が含まれます。



LTE Advancedに基づくネットワークは、高品質のネットワークサービスへのアクセスを提供します-通話、マルチメディアデータの高速ダウンロード、一部のアプリケーション（主にメッセンジャー）の無料使用（トラフィックを除く）。 残念ながら、多数のデバイスとマルチメディア情報の品質（したがってサイズ）の向上により、LTEネットワークはすぐに大きな負荷に対処できなくなります。 特に、LTEが使用するデシメトリック周波数スペクトルは、必要な品質レベル（Qos）でリソースへのアクセスを提供できず、デバイスは単にネットワークから切断される可能性があります（基地局は携帯電話のサービスを拒否します）。



帯域幅の飽和を防ぎ、将来的にリソースをほとんど消費しないデバイスのデシメートルスペクトルをリリースするために、ヨーロッパでは2025年までに第5世代ネットワーク（5G）の導入に切り替える予定です。 セルラー通信の各世代は、他の世代とは異なる必要があります。最初から2番目-アナログからデジタル変調モードへの移行。 3番目から2番目-高速インターネットアクセスなどの追加サービスの出現。 3番目から4番目-有線ネットワークの場合のように、チャネルスイッチング（着信データの配信）からパケットへの移行とIPアドレス指定の実装。 4番目から5番目の世代は、使用されるスペクトルの周波数、つまり超短波への移行、およびその機能を仮想マシンに転送することによる基地局からの負荷の除去という2つのパラメーターが異なります。 5Gアーキテクチャに仮想化とクラウドテクノロジーを含めると、1台の物理マシン上に多数の仮想マシンが存在する可能性があるため、より柔軟で高速な構成と安価な展開が可能になります。 柔軟な設定により、著者は通信サービスを使用するための個々の条件の作成を理解しています。各加入者のニーズに合わせた個人用料金プラン。 すべてのアプリケーションが消費するデータ量を制御します。



したがって、仕様3GPP TS 38.300バージョン15.3によると。 1リリース15、第5世代ネットワークの一般的なデバイスは新しい無線技術に基づいており、前世代のように2つの部分に分割されます：5GC（コアネットワーク）つまりコアネットワークとNG-RAN（次世代無線アクセスネットワーク）次世代の無線アクセスネットワークがあります。 コアネットワークは、ユーティリティ機能とユーザー機能を分離する2つのメインデバイスで構成する必要があります。 これらのデバイスは「機能」と呼ばれます。AMF（アクセスおよびモビリティ管理機能）、アクセスを提供し、加入者を移動する際のネットワーク信号の維持を制御する機能。 ユーザートラフィックの送信を担当するUPF（ユーザープレーン関数）。



さらに、他の「機能」がネットワークアーキテクチャに含まれています。SMF（セッション管理機能）、セッション管理機能、ユーザーデバイスのIPアドレスの配布、ユーザープレーン機能を通過するトラフィックの管理と監視、UPFの選択によるトラフィックの宛先への移動。 AUSF（認証サーバー機能）、ユーザーデバイス認証サーバー機能。 UDM（Unified Data Function）は、登録データ、セキュリティ情報、およびサブスクライバーのさまざまなサブスクリプションのリポジトリです。 PCF（ポリシー制御機能）、単一のネットワーク動作ポリシーと各ネットワークプレーン（ユーザーおよびサービス）の動作ポリシーを制御するポリシー管理機能。 セッション管理機能の要求を実行するアプリケーション機能であるAF（アプリケーション機能）も、デバイスのバッテリー管理にアクセスできます。



無線アクセスネットワークは、第5世代ネットワークで動作するgNBと第4（E-UTRAN）または前世代ネットワークで動作するng-eNBの2種類の基地局で構成されています。 両方のタイプのベースステーションはXnインターフェイスで接続し、ベースステーションとNGインターフェイスで機能ブロックを接続する必要があります。 LTEネットワークと同様に、NGインターフェイスは互いに通信するデバイスごとに異なります。 合計で、2016年12月にリリースされた3GPP TR 23.799の仕様では、1から15までの15種類のNGインターフェイスが定義されています。この記事では15種類すべての通信システムを説明することはできないため、著者は5つのみを提供します。 したがって、NG1はユーザーデバイスとAMFの間の「基準点」であり、NG2はベースステーションをAMFに接続します。 基地局は、NG3インターフェースを介してユーザープレーン機能にも接続され、ユーザープレーン機能は、NG4インターフェースを介してセッション管理機能に接続され、NG6インターフェースを介してインターネットアクセスおよびオペレーターサービスが提供されます。 AFアプリケーション機能は、NG5インターフェイスを介してセッション管理機能に接続されます。



ユーザーやコントロールプレーンなどの概念は5Gネットワ​​ークのLTEネットワークから転送されているため、LTEなどのユーザーに関連付けられたNGインターフェイスはNG-Uを示し、したがって、コントロールプレーンのNG-C、したがってプロトコルレベルを示します（スタック）インターフェースもユーザーとサービスのみに分割されます。 ユーザープレーンインターフェイスはベースステーションをUPFに接続し、コントロールプレーンインターフェイス（NG-C）はAMFに接続します。 NG-Uは非保証配信を提供することに注意してください（ユーザーデバイスがプロトコルデータ要素（PDU）を送信し、応答で配信レポートを待たない場合、配信保証はデータ要素が受信されたことをレポート形式で確認することで、時間を大幅に節約します）データ転送。



XnおよびNGインターフェイスには、すべてのメーカーがさまざまなベースステーションと対話するためのオープンな仕様が必要です。 ここで、5Gの要件と標準の開発に取り組んでいる科学者グループ、特にNGMN（次世代モバイルネットワーク）フォーラムのレポートでは、すべての技術が完全に開かれている、つまりネットワークデバイス全体が物理的すべてのユーザーがアプリケーションレベルで終了する必要があります。 また、NGMNは、5Gネットワ​​ークの設計と構築を各事業者が個別に実施するのではなく、地域のすべての事業者が共同で実施すべきだと考えています。



第5世代ネットワークでの作業プロセスは、ほぼ次のとおりです。ユーザーデバイスは、内蔵アンテナを使用してネットワークを検出します（この段階は第2世代およびGSMテクノロジー以来変更されていない）、ネットワーク、つまりAMFは、基地局を介して、電話サービスデータを要求します。



ユーザーデバイスは、登録データをベースステーションを介してアクセスおよびモビリティ管理（AMF）機能に送信します。この機能は、デバイスの登録データをすべてのサブスクライバーのデータが保存されているサーバーと比較し、提供されたデータが一致する場合、ネットワークへのアクセスを許可します。 登録後、ユーザーデバイスはUPFにアクセスし、それを通してネットワークのサービスにアクセスします。

第5世代ネットワークの別の違い-クラウドオペレーティングシステムでのサービス仮想化とデータ処理-は、アーキテクチャの定義に別の概念を追加しました：「プレーン」-「プレーン」に加えて、「スライス」-「スライス」の概念は異なる設定（または特性）を意味しますネットワーク）個々のユーザーとグループ、および機器用。 5Gネットワ​​ークプロバイダーは特別なテンプレート（仮想マシン（NST、ネットワークスライステンプレート））を作成し、ユーザーはこれらのテンプレートを自分用に最適化できる、つまり必要なサービスを接続し、ソフトウェアをレンタルできると想定されています。 リモート（「クラウド」、つまり5Gプロバイダーのデータストレージセンター）で動作する仮想マシンは異なるメーカーのものである可能性があるため、スライスのアーキテクチャはオープンにしないでください。 たとえば、カザフスタン最大の固定電話のプロバイダーであるカザフテレコムJSCは、Microsoftのクラウドサービス（ホストされたLync、ホストされたSharePoint、ホストされたExchange）、およびWindowsオペレーティングシステム（IIS Webサーバー）およびLinux（WebサーバーApache）。



2016年、NGMNフォーラムは、ドキュメント「ネットワークスライシングコンセプトの説明」をリリースしました。これは、リソースレベル、ネットワークセグメントインスタンスレベル、およびサービスインスタンスレベルの3つの部分（下から上）でスライスの論理構造を説明しています。

リソースレベルには、すべての物理リソースと論理リソースが含まれます。 物理リソースは、ネットワークを構成するすべてのコンポーネントです。ベースステーション、ストレージシステム、サーバー、ルーター、スイッチ、さらにはクロスコネクト（銅線や光ファイバーケーブルなどの接続機器は物理リソースです）。 論理リソースは、特定の属性または任意の目的によってグループ化された物理リソースです。たとえば、仮想ホスティング（ネットワーク、サーバーコンピューター上にある、常時稼働しているデータを保存する場所を提供するサービス）向けの論理リソース：実際には、オペレーティングシステム、データストレージシステムを備えたサーバーコンピューター-相互に接続された複数のハードドライブ、スイッチ、ルーター、接続ケーブル、および オンデマンドogrammnoeソフトウェア。 ネットワーク機能はリソースとは関係なく、ネットワークセグメントのスライスの一部です。 同時に、構造と必要なネットワーク機能の説明であるネットワークセグメント計画は、論理リソースを参照します。

ネットワークセグメントのインスタンス-これは「スライス」-スライスであり、サービス、ネットワークオペレータが提供するサービスを展開するための特性、設定、割り当てられたリソースのセットです。 たとえば、マシン（センサー、カウンター）間のデータ交換用に設計されたスライスは、データストレージシステム、サーバー、スイッチ、ルーターだけでなく、ケーブルの接続も必要ありません。1ビットのデータでデバイスからデバイスに信号を転送できる場合がある-0または1.ハンドオーバー手順（ある基地局から別の基地局へのユーザーデバイスの転送）を思い出すと、基地局とユーザーデバイスがテキストメッセージを交換していることがすぐにわかります。 （：HO REQUEST、HO RESPONSEなどなど）二つの単語 - オンからyaschimi。 同時に、M2M（マシンおよびマシン）接続のスライスは非常に信頼性が高い必要があります。つまり、メッセージが配信され、超低遅延、つまり、車のリモートコントロールプログラムが車のセンサーにメッセージを送信する場合など、メッセージを非常に迅速に配信する必要があります。 別のカットオフモデル-インターネットTVサービスを提供するには、逆に、データストレージシステム、複数のサーバー、ルーター、およびマルチメディアサービスへの継続的なアクセスを提供する接続機器が必要です。また、超低遅延が必要ですが、同時に、非常に信頼性が高い必要はありません。ユーザーが複数のデータパケットに気付かない場合があります。



ネットワークセグメントは、論理的に完成した複数のサブネットで構成されるさまざまなリソースを使用できますが、ネットワークは独自のスライスだけでなく、別のリソースも使用できます。 ネットワークセグメントは仮想マシンに展開する必要があります。ハイパーバイザー（サーバーコンピューターの物理リソースを複数の論理コンポーネントに分割する特別なプログラム）のおかげで、スケーラビリティ、つまりスライス数（たとえば、1つのスライス-1つの仮想マシン）が非常に簡単な手順になるためです。



サービスインスタンスレベルは、ユーザーに提供される最終サービスまたはプログラムです。サービスインスタンスは長い間グローバルネットワークの一部でした。このようなサービスの典型的な例は、Gmailなどのメールサービスです。ブラウザを介してロードされ、他のサイトと区別できませんが、Microsoft Outlookまたはコンピューターにインストールされ、起動時にメールサービスと通信する別のスタンドアロンプ​​ログラムと同じネットワークプロトコルを使用しますメールプロトコルを介したボックス。



第5世代ネットワークは、物理的にLTEネットワークと同じ単純な構造を持つ必要があります。つまり、コアネットワークと無線アクセスネットワークのみで構成されます。しかし、論理的には、5Gは構造がはるかに複雑です：ユーザープレーンとサービスプレーンへの水平分離が維持され、スライスへの垂直分離が追加され、コンピューター制御の役割が拡張され、セッション制御機能やアプリケーション機能などの新しい論理要素が追加されました。



ユーザー機器（電話、タブレットなど）のメーカーは、特にネットワークデバイスの一般的なスキーム以降、異なるネットワークでの動作を保証する技術の継続性を確保する必要があるため、著者は、第5世代ネットワークの物理構造は数年前の世代と同様になると考えています第5世代は、2種類の基地局を示しました。また、ある世代から別の世代へのスムーズな移行は、3GPP仕様が変調方式としてNon-OFDMを使用しているという事実によって証明されています。これはLTE Advancedネットワークですでに実装されています。



第5世代の通信は、メーカーと個人ユーザーに、LTEネットワークで提供されなかった、またはマシン間の相互作用、つまりさまざまなセンサーの使用など、適切に機能しなかったサービスを提供します。



結論として、カザフスタンでの第5世代ネットワークの展開には、LTEセルラーネットワークサービスとモバイルオペレーターのシェアの75％を提供するAltelモバイルオペレーターの100％を所有するKazakhtelecom JSCが最適であると言わなければなりません。 Kcell。」同社は顧客に仮想ホスティングを提供し、共和国のさまざまな都市にいくつかのデータセンターを持っています。国際電気通信連合が2019年12月に国際社会に承認済み5G仕様（IMT-2020）を提出した場合、カザフテレコムJSCは2025年までに第5世代ネットワークを稼働できるようになります。