Prefacio

Hola expertos en tecnología, soy un ingeniero de soporte técnico de key-iot. Recientemente, he estado muy involucrado en proyectos de despliegue y optimización de redes 5G, sobre todo en aplicaciones de IoT industrial y redes de vehículos. Me he dado cuenta de que la mayoría de los debates sobre la tecnología 5G en los foros siguen siendo superficiales. Hoy quiero profundizar en la esencia de las redes 5G desde una perspectiva de arquitectura técnica, combinada con nuestra experiencia real de despliegue, y debatir los retos técnicos en aplicaciones del mundo real.Este artículo no está dirigido al público en general, sino que se centra en profesionales con mentalidad técnica. Incluye numerosos detalles técnicos y datos de pruebas reales. Si le interesan los detalles técnicos de la implantación de la 5G, este artículo le aportará información valiosa.

Análisis técnico en profundidad de la arquitectura de la red 5G

Diferencias esenciales entre las arquitecturas SA y NSA

Muchos artículos mencionan SA y NSA, pero pocos analizan en profundidad las diferencias fundamentales en su implementación técnica. Desde nuestra experiencia de despliegue real, las diferencias entre estas dos arquitecturas son mucho mayores de lo imaginado. SA (Standalone) Independent Networking se centra en disponer de una arquitectura de red central 5G completa, que incluye:

• AMF (Función de Gestión del Acceso y la Movilidad)
• UPF (Función de Plano de Usuario)
• SMF (función de gestión de sesión)
• AUSF (Función de servidor de autenticación)

Con esta arquitectura, todas las conexiones de enlace ascendente y descendente se realizan a través de estaciones base 5G, lo que permite aprovechar al máximo las capacidades básicas de 5G, como la fragmentación de la red y la computación en los bordes.

.La red no independiente NSA (Non-Standalone) adopta una arquitectura híbrida de Red básica 4G + estaciones base 5G. El problema de esta arquitectura es que, mientras que la parte de acceso inalámbrico utiliza tecnología 5G, la capacidad de procesamiento de la red central sigue estando limitada por la arquitectura 4G, incapaz de lograr una verdadera baja latencia y alta fiabilidad

A partir de nuestros datos de prueba reales, las redes SA superan con creces a las redes NSA en rendimiento de latencia. Esta diferencia es especialmente pronunciada en los escenarios de aplicaciones URLLC.

Retos técnicos en la asignación de recursos espectrales

Redes 5G emplear estrategias de asignación de recursos espectrales totalmente nuevas. Desde el punto de vista técnico, la 5G utiliza principalmente tres bandas de frecuencia:

• Sub-6GHz (principalmente 3,5GHz y 2,6GHz)
• Banda de ondas milimétricas (24GHz-100GHz)
• Banda media (1-6GHz)

Cada banda de frecuencias tiene unas características de propagación y unos escenarios de aplicación únicos. En nuestros despliegues reales, la banda de 3,5 GHz es la más utilizada porque logra un buen equilibrio entre alcance de cobertura y penetración.

Análisis técnico en profundidad de tres categorías de aplicaciones

Detalles técnicos y retos de la implantación de eMBB

eMBB (banda ancha móvil mejorada) es el primer escenario comercial de 5G con una implementación técnica relativamente madura. Sin embargo, desde el punto de vista de la práctica de la ingeniería, los principales retos de eMBB son:1. Tecnología de agregación de portadoras Conseguir velocidades de datos más altas agregando múltiples portadoras, pero para ello es necesario que los dispositivos terminales dispongan de mayores capacidades de procesamiento de señales.2. Tecnología MIMO masiva Mejorar la eficiencia espectral aumentando el número de antenas, pero esto también introduce problemas de interferencias entre antenas y complejidad del procesamiento de señales.3. Tecnología de modulación de alto orden Utilizar técnicas de modulación de alto orden como 256QAM para mejorar la eficiencia de la transmisión de datos, pero exigiendo una calidad de señal extremadamente alta.

URLLC Retos técnicos y soluciones

URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) es el escenario de aplicación más desafiante para 5G

. Desde el punto de vista de la implementación técnica, URLLC se enfrenta a los siguientes retos principales:1. Control de latencia Para lograr una latencia ultrabaja de menos de 1 ms, es necesaria la optimización a múltiples niveles:

• Capa física: Adopción de un TTI (intervalo de tiempo de transmisión) corto.
• Capa MAC: Optimización de los algoritmos de programación
• Capa de red: Despliegue de Edge Computing

2. Garantía de fiabilidad Para lograr una fiabilidad del 99,999%, los requisitos incluyen:

• Mecanismos de transmisión redundantes
• Algoritmos de retransmisión rápida
• Transmisión multitrayecto

En nuestros proyectos de redes para vehículos, los requisitos de cobertura de red 5G para vehículos autónomos son extremadamente estrictos: 5G RSRP≥-72dBm, relación señal/ruido 5G SINR≥18dB, latencia <20ms.

. Estos indicadores parecen sencillos, pero requieren una planificación y optimización precisas de la red en el despliegue real.

Implementación de la conexión a gran escala del MMTC

MMTC (Massive Machine Type Communications) resuelve principalmente los problemas de conexión a gran escala en escenarios IoT.

. Los principales retos técnicos de la implantación son los siguientes:1. Densidad de conexiones Para soportar 1 millón de conexiones de dispositivos en 1 km², los requisitos son los siguientes:

• Nuevos mecanismos de acceso aleatorio
• Algoritmos optimizados de asignación de recursos
• Procesamiento eficaz de la señalización

2. Control del consumo de energía La mayoría de los dispositivos IoT necesitan un funcionamiento a largo plazo, lo que requiere:

• Pila de protocolos optimizada
• Mecanismos inteligentes de sueño y vigilia
• Algoritmos eficaces de compresión de datos

Análisis de datos técnicos del despliegue real

Análisis en profundidad de los datos de prueba de la red SA de Huawei Lab

Hemos realizado pruebas detalladas de la red SA en el laboratorio de Huawei, con datos de pruebas que revelan la relación entre el rendimiento de la red 5G y la calidad de la señal

Punto de prueba de Hangzhou:

• Intensidad de la señal: -72dBm
• Relación señal/ruido: 34 dB
• Velocidad de bajada: 826,4 Mbps
• Velocidad de enlace ascendente: 743,4 Mbps
• Latencia: 17,8 ms
• Jitter: 0,000%

Punto de prueba de Shenzhen:

• Intensidad de la señal: -98dBm
• Relación señal/ruido: 22 dB
• Velocidad de bajada: 456,4 Mbps
• Velocidad de enlace ascendente: 406,7 Mbps
• Latencia: 18,3 ms

Punto de prueba de Chengdu:

• Intensidad de la señal: -111dBm
• Relación señal/ruido: 10 dB
• Velocidad de bajada: 233,5 Mbps
• Velocidad de subida: 236,4 Mbps
• Latencia: 22,1 ms

Punto de prueba de Wuhan:

• Intensidad de la señal: -118dBm
• Relación señal/ruido: 5 dB
• Velocidad de bajada: 137,3 Mbps
• Velocidad de enlace ascendente: 137,4 Mbps
• Latencia: 21,3 ms

Este conjunto de datos revela varios patrones clave:

1. Relación no lineal entre la intensidad de la señal y el rendimiento: Si la intensidad de la señal disminuye de -72dBm a -98dBm, el rendimiento se reduce unos 45%; pero de -98dBm a -111dBm, el rendimiento cae unos 49%. Esto indica que las redes 5G son extremadamente sensibles a la calidad de la señal.

2. Valor crítico de la relación señal/ruido: Cuando la relación señal/ruido cae por debajo de 10dB, el rendimiento de la red se degrada bruscamente. Esto está relacionado con la tecnología de modulación de alto orden utilizada en 5G.

3. Estabilidad relativa de la latencia: Incluso en condiciones de mala calidad de la señal, los cambios de latencia son relativamente pequeños, lo que refleja las ventajas de la red 5G en el control de la latencia.

Consideraciones técnicas para la selección de la tarjeta SIM

En el despliegue de redes 5G, a menudo se pasa por alto la selección de la tarjeta SIM, pero en realidad es un importante punto de decisión técnica

Características técnicas de las tarjetas IoT:

• Rango de temperatura industrial: de -40°C a +85°C
• Mayor capacidad antivibración
• Mayor vida útil (normalmente más de 10 años)
• Acceso APN dedicado

Ventajas técnicas del IP fijo: desde el punto de vista de la arquitectura de red, el IP fijo no es sólo una cuestión de comodidad de gestión, sino algo más importante:

• Reducción de la sobrecarga de conversión NAT
• Menor tiempo de establecimiento de la conexión
• Mayor eficacia en la transmisión de datos de extremo a extremo
• Compatibilidad con políticas de seguridad más complejas

Para aplicaciones en vehículos, recomendamos encarecidamente utilizar tarjetas SIM integradas con especificaciones de calidad industrial y de automoción o superiores, ya que las variaciones de vibración y temperatura en entornos de vehículos imponen requisitos de fiabilidad extremadamente altos a las tarjetas SIM .

Diferencias técnicas entre redes públicas y privadas

Retos técnicos del despliegue de redes públicas

Características técnicas de la red pública 5G:

• Infraestructura compartida, coste relativamente bajo
• La capacidad de la red depende en gran medida de la densidad de usuarios
• La seguridad depende de los mecanismos de seguridad de la red pública
• Difícil garantizar la calidad del servicio

Ventajas técnicas de la implantación de redes privadas

Principales ventajas de la red privada 5G:

• División independiente de la red, aislamiento de recursos
• Calidad de servicio controlable
• Mayor seguridad
• Funciones de red personalizadas

Nuestra experiencia nos dice que, para aplicaciones empresariales críticas, la implantación de redes privadas, aunque costosa, presenta claras ventajas en fiabilidad y seguridad.

Aplicaciones en profundidad del 5G en IoT industrial

Aplicaciones prácticas de la tecnología de corte en red

La fragmentación de la red es una de las principales tecnologías de 5G, que permite crear varias redes lógicamente independientes en la misma infraestructura de red física. En las aplicaciones IoT industriales, solemos crear varios tipos de rebanadas:1. Rebanada de control: Utilizada para señales de control en tiempo real, que requieren una latencia ultrabaja 2. Data Slice: Se utiliza para la transmisión de grandes volúmenes de datos y requiere un alto rendimiento. 3. Management Slice: Se utiliza para la gestión y supervisión de dispositivos y requiere una alta fiabilidad.

Integración de Edge Computing y 5G

La combinación de 5G y edge computing es una tecnología clave para lograr la Industria 4.0. En nuestras implantaciones reales, los nodos de computación de borde suelen desplegarse en:

• Centros de datos periféricos en fábricas
• Dispositivos periféricos cerca de estaciones base 5G
• Unidades Edge Computing en los vehículos

Esta arquitectura puede reducir la latencia del procesamiento de datos a menos de 5 ms, cumpliendo los requisitos de tiempo real para el control industrial.

Perspectivas y retos técnicos

Dirección de desarrollo de la tecnología 6G

Aunque la 5G aún no está totalmente madura, la investigación y el desarrollo de la 6G ya han comenzado. A partir de las tendencias de desarrollo tecnológico, 6G se centrará en resolver:

• Tecnología de comunicación de terahercios
• Redes integradas espacio-aire-tierra
• Comunicación holográfica
• Comunicación interfaz cerebro-ordenador

Retos técnicos actuales

1. Problemas de consumo de energía: El consumo energético de las estaciones base 5G es entre 3 y 4 veces superior al de las 4G
2. Costes de cobertura: El rango de cobertura de las ondas milimétricas es pequeño, lo que requiere un despliegue más denso de estaciones base
3. Costes de terminales: Los costes del chip 5G siguen siendo elevados
4. Normalización: Hay que mejorar la interoperabilidad entre equipos de distintos proveedores

Conclusión

Las redes 5G no son solo una actualización de la tecnología de comunicaciones, sino una reconstrucción completa del ecosistema tecnológico. A partir de nuestra experiencia real de despliegue, el verdadero valor de la 5G reside en su capacidad para dar soporte a diversos escenarios de aplicación, especialmente en el IoT industrial y las redes de vehículos. Solo si comprendemos en profundidad la esencia técnica de la 5G podremos aprovechar plenamente sus ventajas en aplicaciones prácticas.Espero que este artículo proporcione referencias técnicas valiosas para todos. Si tiene preguntas técnicas específicas, no dude en comentarlas en la sección de comentarios.