XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Введение. С каждым годом потребности обычных домашних пользователей, мелкого и среднего бизнеса в пропускной способности и стабильности возрастают, поскольку интернет-трафик увеличивается с количеством облачных вычислений (в частности благодаря искусственному интеллекту), потоковых трансляций видео- и аудио-контента, ростом плотности устройств в сети и многих других причин, вытекающих из описанных выше. В частности, в подобных ситуациях в модернизации нуждаются сети доступа, ведь именно они создают точку подключение между клиентом и сетью. В мире мобильного доступа лидером остается стандарт четвертого поколения – LTE (англ. Long-Term Evolution, дословно — «долговременное развитие»). Он обеспечивает максимальную скорость 300 Мбит/c на сектор при использовании агрегации частот (объединение нескольких диапазонов частот в один канал для увеличения общей полосы пропускания). Казалось бы, для большинства задач подобной скорости должно хватать рядовым пользователям, но мы еще даже не обсудили проблему малого спектра услуг и высоких задержек в сети LTE, которые присутствуют из-за архитектурных моментов данного стандарта. Сети пятого поколения готовы решить проблемы предыдущих реализаций мобильных сетей и предложить множество сценариев применения.

Архитектура и основные концепции. Вопросом стандартизации 5G занялась организация 3GPP, ранее разработавшая стандарты CDMA2000 и UTMS (3G), LTE (4G). Основные концепции были определены в стандарте 3GPP Release 15 (июнь 2018 года).

Рисунок 1 – Схема архитектуры 5G сети

Главный смысл пятого поколения мобильных сетей – виртуализация услуг и самой сети. Если раньше архитектура и спецификации стандартов подразумевали конкретные интерфейсы взаимодействия компонентов сети (к примеру, модулей аутентификации), её предназначения (тип услуги), то теперь это вышло на уровень абстракции, из-за чего все те же запросы пользователей можно реализовывать поверх разного физического слоя сети. Например, согласно выше приложенной схеме, интерфейс Nausf функции AUSF (сервер аутентификации) может свободно обратиться к функции SMF(управление сессиями) по шине данных с помощью API, например, благодаря протоколу HTTP. При этом никаких четких физических ограничений в общении модулей нет (но важно подметить, что изображенные на рис. 1 интерфейсы N1-N6 и их взаимодействие строго определены в стандарте) [1]. Для такого абстрактного подхода в реализации архитектуры необходимо разделять трафик данных и управления, если говорить на инженерном языке, на DataPlane и ControlPlane соответственно. На схеме поток клиентских данных изображен черной линией, а линия управления – красной пунктирной. Также виртуализация намного упрощает предоставлять конкретный вид услуг для клиентов, согласно их потребностям. Данный подход называется NetworkSlicing, секция UPF на схеме это иллюстрирует.

Виртуальная нарезка сети. Как уже было сказано, благодаря виртуализации элементов сети можно предоставлять намного более широкий выбор услуг для клиентов. Они характеризуется задержкой и «джиттером» (Jitter), пропускной способностью, надежность и количеством подключенных устройств [2]. Так, в стандарте 5Gбыло предложено 3 сценария:

• eMBB (EnhancedMobileBroadband) – улучшенная версия привычного мобильного доступа, к которому привыкли из стандарта LTE. Для небольшого количества клиентов и офисов ожидаемой скоростью является 1 Гбит/с на прием, для территорий с большой плотностью устройств – до 300-500 Мбит/с.

• URLLC (UltraReliableandLowLatencyCommunications) – сервис, делающий акцент на ультра низкие задержки и высокую надежность связи, уменьшая несколько пропускную способность. Данный тип услуг прекрасно подходит для связи в службах экстренной помощи, когда задержка в 10-20 мс может быть критической.

• mMTC (massiveMachineTypeCommunication) – сценарий услуг, когда необходимо большое количество подключенных клиентов, которые не требовательны к полосе и задержкам, но могут нуждаться в энергосберегающих протоколах. Очевидно, данный «слайс» сети идеально подходит для устройств Интернета вещей [2].

Каждый из «направлений» услуг можно будет комбинировать, но стоит отметить, что данное заявление, на данный момент, крайне теоретическое, поскольку совмещать и огромную надежность в плане задержек, и высокую полосу пропускания – технически невозможно или крайне трудно.

Выше описанные сценарии – просто заранее определенные стандартом 3GPP варианты виртуализации сети под самые востребованные запросы клиентов. Это не означает, что операторы связи 5G должны предоставлять исключительно 3 варианта услуг. К примеру, один пакет может подразумевать высокоскоростной доступ в Интернет (eMBB), а другой, специально для корпоративных клиентов, создавать связность с сетью предприятия в любой точке подключения этого оператора. Данное разнообразия позволяет пользоваться всеми прелестями привычных нам достоинствам от фиксированного доступа уже мобильно на нужных условиях.

Для выбора нужных клиенту «слоев», в архитектуре 5G (рис. 1) предусмотрена функция NSSF(Network Slice Selection Function). Благодаря ней устройство абонента, а также приложения на нем, могут подключать нужные виды услуг конкретно под свои функции и требования [1].

Новая радиосеть (5GNewRadio). Сложно представить новое поколение мобильных сетей без расширения частотного диапазона в радиосети. Без этого добиться увеличения пропускной способности в сети доступа невозможно без существенных изменений вычислительной мощи и параметров устройств приема-передачи как у клиента, так и на операторском оборудовании на радиодоступе. Это экономически и технически крайне невыгодно и нерационально. Новые стандарты предлагает два новых блока частот: FR1 и FR2. Первый подразумевает диапазон 450-6000 MHz, второй – 24`250 – 52`600 MHz’s [3]. Вместе с более высокими частотами потребуется более плотная конфигурация и количество антенн в схеме MIMO (Multiple-Input And Multiple-Output, метод кодировки сигнала, в котором участвует несколько антенн, разделенные на группы приема и передачи), также называемая MassiveMIMO [4]. Раньше антенны были направлены на определенную группу абонентских устройств, с приходом миллиметрового диапазона частот FR2 можно конструировать намного мельче антенны и направлять лучи на каждого абонента.

Рисунок 2 – изображение нового подхода – Massive MIMO

К тому же, сами радио-модули абонентских устройств уменьшаются в габаритах, но в случае проблем с сигналом к базовой станции может потребоваться внешняя антенна. Новый подход (справа) и старый можно увидеть на рис. 2. Данная реализация позволяет увеличить скорость в 8 раз, по сравнению с LTE сетью.

Поскольку произошел скачок на высокие частоты, плотность сот в мобильной сети многократно увеличиться, ведь при миллиметровом диапазоне максимальная дальность действия - ~350 метров. Также появляются проблемы поглощения сигнала: FR2 запросто поглощаются частицами воды или снега, листва деревьев еще сильнее ухудшают качество сигнала. Это является очень серьезной проблемой, ведь увеличение пропускной способности обеспечивается не только расширением полосы пропускания, но и обеспечением высоких уровней сигнала у клиентов, иначе все действия сходят на нет.

В стандарте 3GPP про 5G также упоминается объединение разных физических сред передачи (WI-FI, LTE, GSM, кабельный доступ, к примеру) в одну сеть, но это может вызвать в обслуживании транспортной сети из-за очевидной неоднородности [1].

Выводы. Мобильные сети пятого поколения являются инновационным рывком в телекоммуникационной сфере в целом. Их создание – не просто попытка увеличить скорость и сократить задержки, а стремление преобразовать повседневное использование Интернета в более качественный и широкий опыт. Виртуализация сети и услуг (NetworkSlicing) позволяет использовать нужное качество интернет-канал под нужды устройств клиента и их приложений, а разделение трафика данных и управления (DataandControlPlane) упрощает администрирование и общее функционирование каждого участка сети от доступа, до магистральных узлов. Внедрение 5G операторами в России происходит поверх сетей четвертого поколения и, пока что, заключается в тестировании новых диапазонов частот и радиооборудования для них.

Список литературы

1. Олифер Виктор, Олифер Наталья. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Юбилейное издание: СПб.: Питер, 2024. 752-761 с.

2. Архитектура сети 5G // Itech Технологии связи. – URL: https://itechinfo.ru/node/136

3. Радиочастоты для сетей 5G // Itech Технологии связи. – URL: https://itechinfo.ru/content/5g-rf

4. Cеть радиодоступа 5G, часть 2 // Itech Технологии связи. – URL: https://itechinfo.ru/content/%D1%81%D0%B5%D1%82%D1%8C-%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%83%D0%BF%D0%B0-5g-%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D1%8C-2