Was ist ein 5G-Netz - Tiefgreifende technische Analyse von der Architektur bis zum tatsächlichen Einsatz

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71ad6ec2c738d2eb9169bb745ab48c4fVorwort

Hallo Technikexperten, ich bin Ingenieur für technischen Support von .. In letzter Zeit habe ich mich intensiv mit Projekten zur Einführung und Optimierung von 5G-Netzen beschäftigt, insbesondere im Bereich des industriellen IoT und der Fahrzeugvernetzung. Mir ist aufgefallen, dass die meisten Diskussionen über die 5G-Technologie in Foren oberflächlich bleiben. Heute möchte ich das Wesen von 5G-Netzwerken aus der Perspektive der technischen Architektur in Verbindung mit unseren tatsächlichen Bereitstellungserfahrungen vertiefen und die technischen Herausforderungen in realen Anwendungen erörtern.Dieser Artikel richtet sich nicht an ein allgemeines Publikum, sondern an technisch interessierte Fachleute. Er enthält umfangreiche technische Details und echte Testdaten. Wenn Sie sich für die technischen Details der 5G-Implementierung interessieren, dürfte dieser Artikel wertvolle Einblicke bieten.

Tiefgreifende technische Analyse der 5G-Netzwerkarchitektur

Wesentliche Unterschiede zwischen SA- und NSA-Architekturen

Viele Artikel erwähnen SA und NSA, aber nur wenige analysieren die grundlegenden Unterschiede in ihrer technischen Umsetzung. Nach unseren tatsächlichen Einsatzerfahrungen sind die Unterschiede zwischen diesen beiden Architekturen weitaus größer als gedacht. SA (Standalone) Independent Networking konzentriert sich darauf, eine vollständige 5G-Kernnetzarchitektur zu haben, einschließlich:

  • AMF (Zugangs- und Mobilitätsmanagementfunktion)
  • UPF (User Plane Function)
  • SMF (Sitzungsmanagementfunktion)
  • AUSF (Authentifizierungsserver-Funktion)

Bei dieser Architektur werden alle Uplink- und Downlink-Verbindungen über 5G-Basisstationen hergestellt, wodurch die Kernfunktionen von 5G wie Network Slicing und Edge Computing voll zum Tragen kommen.

NSA (Non-Standalone) Non-Independent Networking verwendet eine hybride Architektur aus 4G-Kernnetz + 5G-Basisstationen. Das Problem bei dieser Architektur ist, dass der drahtlose Zugangsteil zwar die 5G-Technologie nutzt, die Kernnetzverarbeitungskapazität aber immer noch durch die 4G-Architektur begrenzt ist und keine wirklich niedrige Latenz und hohe Zuverlässigkeit erreichen kann

Aus unseren tatsächlichen Testdaten geht hervor, dass SA-Netze die NSA-Netze in Bezug auf die Latenzzeit deutlich übertreffen. Dieser Unterschied ist in URLLC-Anwendungsszenarien besonders ausgeprägt.

Technische Herausforderungen bei der Zuweisung von Spektrumsressourcen

5G-Netze völlig neue Strategien für die Zuweisung von Frequenzressourcen anwenden. Aus der Perspektive der technischen Umsetzung werden bei 5G hauptsächlich drei Frequenzbänder genutzt:

  • Sub-6GHz (hauptsächlich 3,5GHz und 2,6GHz)
  • Millimeterwellenband (24GHz-100GHz)
  • Mittelband (1-6GHz)

Jedes Frequenzband hat einzigartige Ausbreitungseigenschaften und Anwendungsszenarien. Bei unseren aktuellen Einsätzen wird das 3,5-GHz-Band am häufigsten verwendet, da es ein gutes Gleichgewicht zwischen Reichweite und Durchdringung bietet.

 

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Vertiefte technische Analyse von drei Anwendungskategorien

eMBB Technische Details und Herausforderungen bei der Implementierung

eMBB (Enhanced Mobile Broadband) als erstes kommerzielles 5G-Szenario hat eine relativ ausgereifte technische Umsetzung. Aus Sicht der technischen Praxis sind die wichtigsten Herausforderungen von eMBB jedoch folgende: 1. Trägeraggregationstechnologie Erzielung höherer Datenraten durch die Aggregation mehrerer Träger, was jedoch eine stärkere Signalverarbeitungsfähigkeit der Endgeräte erfordert.2. Massive MIMO-Technologie Verbesserung der spektralen Effizienz durch Erhöhung der Anzahl der Antennen, was jedoch auch Probleme mit Interferenzen zwischen den Antennen und der Komplexität der Signalverarbeitung mit sich bringt.3. High-Order-Modulationstechnologie Verwendung von Modulationsverfahren hoher Ordnung wie 256QAM zur Verbesserung der Datenübertragungseffizienz, was jedoch eine extrem hohe Signalqualität erfordert.

URLLC Technische Herausforderungen und Lösungen

URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) ist das anspruchsvollste Anwendungsszenario für 5G

. Aus der Perspektive der technischen Implementierung steht URLLC vor folgenden Herausforderungen: 1. Latenzkontrolle Um eine extrem niedrige Latenzzeit von 1 ms zu erreichen, ist eine Optimierung auf mehreren Ebenen erforderlich:

  • Physikalische Schicht: Annahme eines kurzen TTI (Transmission Time Interval)
  • MAC-Schicht: Optimierung von Scheduling-Algorithmen
  • Netzwerkebene: Einsatz von Edge Computing

2. Zuverlässigkeitsgarantie Um eine Zuverlässigkeit von 99,999% zu erreichen, sind folgende Anforderungen zu erfüllen:

  • Redundante Übertragungsmechanismen
  • Algorithmen zur schnellen Neuübertragung
  • Mehrweg-Übertragung

In unseren Fahrzeugvernetzungsprojekten sind die Anforderungen an die 5G-Netzabdeckung für autonome Fahrzeuge äußerst streng: 5G RSRP≥-72dBm, Signal-Rausch-Verhältnis 5G SINR≥18dB, Latenz <20ms

. Diese Indikatoren scheinen einfach zu sein, erfordern aber eine genaue Netzplanung und -optimierung bei der tatsächlichen Einführung.

MMTC Large-Scale Connection Implementierung

MMTC (Massive Machine Type Communications) löst in erster Linie groß angelegte Verbindungsprobleme in IoT-Szenarien

. Zu den wichtigsten Herausforderungen bei der technischen Umsetzung gehören: 1. Verbindungsdichte Um 1 Million Geräteverbindungen innerhalb von 1 km² zu unterstützen, müssen folgende Anforderungen erfüllt werden:

  • Neue Mechanismen für den wahlfreien Zugriff
  • Optimierte Algorithmen für die Ressourcenzuweisung
  • Effiziente Verarbeitung von Signalen

2. Kontrolle des Stromverbrauchs Die meisten IoT-Geräte müssen langfristig betrieben werden:

  • Optimierter Protokollstapel
  • Intelligente Schlaf-Wach-Mechanismen
  • Effiziente Algorithmen zur Datenkompression

Analyse der technischen Daten aus dem tatsächlichen Einsatz

Tiefgreifende Analyse von Huawei Lab SA-Netzwerk-Testdaten

Wir haben im Labor von Huawei ausführliche SA-Netz-Tests durchgeführt, wobei die Testdaten die Beziehung zwischen 5G-Netzleistung und Signalqualität aufzeigen

Hangzhou Test Point:

  • Signalstärke: -72dBm
  • Signal-Rausch-Verhältnis: 34dB
  • Downlink-Rate: 826.4Mbps
  • Uplink-Rate: 743.4Mbps
  • Latenzzeit: 17,8ms
  • Jitter: 0.000%

Shenzhen Test Point:

  • Signalstärke: -98dBm
  • Signal-Rausch-Verhältnis: 22dB
  • Downlink-Rate: 456.4Mbps
  • Uplink-Rate: 406.7Mbps
  • Latenzzeit: 18,3 ms

Testpunkt Chengdu:

  • Signalstärke: -111dBm
  • Signal-Rausch-Verhältnis: 10dB
  • Downlink-Rate: 233,5Mbps
  • Uplink-Rate: 236.4Mbps
  • Latenzzeit: 22,1ms

Wuhan Test Point:

  • Signalstärke: -118dBm
  • Signal-Rausch-Verhältnis: 5dB
  • Downlink-Rate: 137.3Mbps
  • Uplink-Rate: 137.4Mbps
  • Latenzzeit: 21,3 ms

Aus diesem Datensatz lassen sich mehrere wichtige Muster erkennen:

  1. Nichtlineare Beziehung zwischen Signalstärke und Durchsatz: Eine Abnahme der Signalstärke von -72dBm auf -98dBm führt zu einer Verringerung des Durchsatzes um etwa 45%; von -98dBm auf -111dBm sinkt der Durchsatz jedoch um etwa 49%. Dies zeigt, dass 5G-Netze extrem empfindlich auf die Signalqualität reagieren.
  1. Kritischer Wert des Signal-Rausch-Verhältnisses: Wenn das Signal-Rausch-Verhältnis unter 10 dB fällt, verschlechtert sich die Netzleistung drastisch. Dies hängt mit der in 5G verwendeten Modulationstechnologie hoher Ordnung zusammen.
  1. Relative Stabilität der Latenz: Selbst unter schlechten Signalqualitätsbedingungen sind die Latenzänderungen relativ gering, was die Vorteile des 5G-Netzes bei der Latenzkontrolle widerspiegelt.

Technische Überlegungen zur Auswahl der SIM-Karte

Bei der Einführung von 5G-Netzen wird die Auswahl der SIM-Karte oft übersehen, aber sie ist ein wichtiger technischer Entscheidungspunkt

Technische Merkmale von IoT-Karten:

  • Industrieller Temperaturbereich: -40°C bis +85°C
  • Höhere Antivibrationsfähigkeit
  • Längere Lebensdauer (in der Regel 10+ Jahre)
  • Dedizierter APN-Zugang

Technische Vorteile von Fixed IP: Aus Sicht der Netzarchitektur geht es bei Fixed IP nicht nur um die Bequemlichkeit der Verwaltung, sondern vor allem um den Nutzen:

  • Geringerer Aufwand für NAT-Konvertierung
  • Geringere Verbindungsaufbauzeit
  • Verbesserte Effizienz der End-to-End-Datenübertragung
  • Unterstützung für komplexere Sicherheitsrichtlinien

Für Fahrzeuganwendungen empfehlen wir dringend die Verwendung eingebetteter SIM-Karten mit Spezifikationen der Industrie- und Automobilklasse oder höher, da die Vibrationen und Temperaturschwankungen in Fahrzeugumgebungen extrem hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der SIM-Karten stellen.

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Technische Unterschiede zwischen öffentlichen und privaten Netzen

Technische Herausforderungen bei der Bereitstellung öffentlicher Netze

Technische Merkmale des öffentlichen 5G-Netzes:

  • Gemeinsame Infrastruktur, relativ geringe Kosten
  • Die Netzkapazität wird erheblich von der Nutzerdichte beeinflusst
  • Sicherheit hängt von den Sicherheitsmechanismen des öffentlichen Netzes ab
  • Schwierig, die Qualität der Dienstleistungen zu gewährleisten

Technische Vorteile des Einsatzes eines privaten Netzwerks

Die wichtigsten Vorteile des privaten 5G-Netzes:

  • Unabhängige Netzaufteilung, Ressourcenisolierung
  • Kontrollierbare Dienstleistungsqualität
  • Höhere Sicherheit
  • Maßgeschneiderte Netzwerkfunktionen

Unsere Erfahrung zeigt, dass die Einrichtung privater Netze für kritische Geschäftsanwendungen zwar kostspielig ist, aber klare Vorteile in Bezug auf Zuverlässigkeit und Sicherheit bietet.

Tiefe Anwendungen von 5G in Industrielles IoT

 

 

Praktische Anwendungen der Network Slicing Technologie

Network Slicing ist eine der Kerntechnologien von 5G, die die Schaffung mehrerer logisch unabhängiger Netzwerke auf derselben physischen Netzwerkinfrastruktur ermöglicht. In industriellen IoT-Anwendungen erstellen wir in der Regel mehrere Arten von Slices: 1. Control Slice: Wird für Echtzeit-Steuersignale verwendet und erfordert eine extrem niedrige Latenzzeit 2. Daten-Slice: Wird für die Übertragung großer Datenmengen verwendet und erfordert einen hohen Durchsatz 3. Management Slice: Wird für die Geräteverwaltung und -überwachung verwendet und erfordert eine hohe Zuverlässigkeit.

Integration von Edge Computing und 5G

Die Kombination aus 5G und Edge Computing ist eine Schlüsseltechnologie für die Verwirklichung von Industrie 4.0. Bei unseren aktuellen Einsätzen werden Edge-Computing-Knoten in der Regel an folgenden Stellen eingesetzt:

  • Edge-Rechenzentren in Fabriken
  • Edge-Geräte in der Nähe von 5G-Basisstationen
  • Edge-Computing-Einheiten in Fahrzeugen

Diese Architektur kann die Latenzzeit bei der Datenverarbeitung auf unter 5 ms reduzieren und erfüllt damit die Echtzeitanforderungen für industrielle Steuerungen.

Technische Aussichten und Herausforderungen

Entwicklungsrichtung der 6G-Technologie

Obwohl 5G noch nicht ganz ausgereift ist, hat die Forschung und Entwicklung von 6G bereits begonnen. Von der Technologieentwicklung Trends, 6G wird auf die Lösung zu konzentrieren:

  • Terahertz-Kommunikationstechnik
  • Integrierte Raum-Luft-Boden-Netze
  • Holografische Kommunikation
  • Kommunikation zwischen Gehirn und Computerschnittstelle

Aktuelle technische Herausforderungen

  1. Probleme mit dem Energieverbrauch: Der Energieverbrauch von 5G-Basisstationen ist 3-4 Mal höher als der von 4G
  2. Kosten für die Abdeckung: Die Reichweite der Millimeterwellen ist gering, was eine dichtere Aufstellung von Basisstationen erfordert
  3. Endgerätekosten: 5G-Chipkosten bleiben hoch
  4. Standardisierung: Interoperabilität zwischen Geräten verschiedener Hersteller muss weiter verbessert werden

Schlussfolgerung

5G-Netze sind nicht nur ein Upgrade der Kommunikationstechnologie, sondern ein vollständiger Umbau des technologischen Ökosystems. Nach unserer Erfahrung liegt der wahre Wert von 5G in seiner Fähigkeit, verschiedene Anwendungsszenarien zu unterstützen, insbesondere im Bereich des industriellen IoT und der Fahrzeugvernetzung. 5G-Einführung und -Optimierung ist jedoch ein komplexes systemtechnisches Projekt, das umfassende Überlegungen über mehrere Dimensionen hinweg erfordert, einschließlich Netzwerkarchitektur, Frequenzressourcen und Endgeräte. Nur wenn wir das technische Wesen von 5G verstehen, können wir seine Vorteile in der Praxis voll ausschöpfen.Ich hoffe, dass dieser Artikel wertvolle technische Referenzen für alle bietet. Wenn Sie spezifische technische Fragen haben, können Sie diese gerne in den Kommentaren diskutieren.

 

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