Préface

Bonjour les experts techniques, je suis un ingénieur de support technique de clé-iot. Récemment, j'ai été profondément impliqué dans des projets de déploiement et d'optimisation de réseaux 5G, en particulier dans les applications industrielles IoT et de mise en réseau de véhicules. J'ai remarqué que la plupart des discussions sur la technologie 5G dans les forums restent superficielles. Aujourd'hui, je souhaite plonger dans l'essence des réseaux 5G du point de vue de l'architecture technique, combinée à notre expérience de déploiement réelle, et discuter des défis techniques dans les applications du monde réel.Cet article n'est pas destiné au grand public, mais se concentre sur les professionnels à l'esprit technique. Cet article ne s'adresse pas au grand public, mais plutôt aux professionnels qui ont l'esprit technique. Il contient de nombreux détails techniques et des données d'essai réelles. Si vous êtes intéressé par les détails de la mise en œuvre technique de la 5G, cet article devrait vous apporter des informations précieuses.

Analyse technique approfondie de l'architecture du réseau 5G

Différences essentielles entre les architectures SA et NSA

De nombreux articles mentionnent SA et NSA, mais peu d'entre eux analysent en profondeur les différences fondamentales dans leur mise en œuvre technique. D'après notre expérience de déploiement réel, les différences entre ces deux architectures sont bien plus importantes qu'on ne l'imagine. SA (Standalone) Independent Networking se concentre sur une architecture complète de réseau central 5G, y compris :

• AMF (Fonction de gestion de l'accès et de la mobilité)
• UPF (User Plane Function)
• SMF (Fonction de gestion de session)
• AUSF (Fonction du serveur d'authentification)

Dans cette architecture, toutes les connexions ascendantes et descendantes sont réalisées par des stations de base 5G, ce qui permet d'exploiter pleinement les capacités fondamentales de la 5G, telles que le découpage du réseau et l'informatique de périphérie.

Les réseaux non indépendants NSA (Non-Standalone) adoptent une architecture hybride composée des éléments suivants Réseau central 4G + stations de base 5G. Le problème de cette architecture est que si la partie accès sans fil utilise la technologie 5G, la capacité de traitement du cœur du réseau reste limitée par l'architecture 4G, ce qui ne permet pas d'obtenir une faible latence et une grande fiabilité.

D'après nos données d'essai réelles, les réseaux SA sont nettement plus performants que les réseaux NSA en termes de latence. Cette différence est particulièrement prononcée dans les scénarios d'application URLLC.

Défis techniques liés à l'attribution des ressources du spectre

Réseaux 5G utiliser des stratégies d'attribution des ressources du spectre entièrement nouvelles. D'un point de vue technique, la 5G utilise principalement trois bandes de fréquences :

• Sub-6GHz (principalement 3,5GHz et 2,6GHz)
• Bande d'ondes millimétriques (24GHz-100GHz)
• Bande moyenne (1-6GHz)

Chaque bande de fréquences présente des caractéristiques de propagation et des scénarios d'application uniques. Dans nos déploiements réels, la bande de 3,5 GHz est la plus couramment utilisée car elle offre un bon équilibre entre la portée de la couverture et la pénétration.

Analyse technique approfondie de trois catégories d'applications

Détails techniques de l'eMBB et difficultés de mise en œuvre

L'eMBB (Enhanced Mobile Broadband), premier scénario 5G commercial, bénéficie d'une mise en œuvre technique relativement mature. Cependant, du point de vue de la pratique technique, les principaux défis de l'eMBB sont les suivants:1. Technologie d'agrégation de porteuses Obtenir des débits de données plus élevés en agrégeant plusieurs porteuses, mais cela exige que les appareils terminaux aient des capacités de traitement des signaux plus importantes.2. Technologie MIMO massive Améliorer l'efficacité spectrale en augmentant le nombre d'antennes, mais cela introduit également des problèmes d'interférence entre les antennes et de complexité du traitement des signaux.3. Technologie de modulation d'ordre élevé Utiliser des techniques de modulation d'ordre élevé telles que 256QAM pour améliorer l'efficacité de la transmission des données, mais cela exige une qualité de signal extrêmement élevée.

Défis techniques et solutions de l'URLLC

L'URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) est le scénario d'application le plus ambitieux pour la 5G.

. Du point de vue de la mise en œuvre technique, l'URLLC est confronté aux principaux défis suivants : 1) Contrôle de la latence Pour atteindre une latence ultra-faible de moins de 1 ms, une optimisation est nécessaire à plusieurs niveaux :

• Couche physique : Adoption d'un TTI (intervalle de temps de transmission) court
• Couche MAC : Optimisation des algorithmes de programmation
• Couche réseau : Déploiement de l'informatique en périphérie

2. Assurance de la fiabilité Pour atteindre une fiabilité de 99,999%, les exigences sont les suivantes :

• Mécanismes de transmission redondants
• Algorithmes de retransmission rapide
• Transmission par trajets multiples

Dans nos projets de mise en réseau de véhicules, les exigences de couverture du réseau 5G pour les véhicules autonomes sont extrêmement strictes : RSRP 5G≥-72dBm, rapport signal-bruit 5G SINR≥18dB, latence <20ms.

. Ces indicateurs semblent simples mais nécessitent une planification et une optimisation précises du réseau dans le cadre d'un déploiement réel.

Mise en œuvre de la connexion à grande échelle du MMTC

MMTC (Massive Machine Type Communications) résout principalement les problèmes de connexion à grande échelle dans les scénarios IoT.

. Les principaux défis techniques à relever sont les suivants : 1) Densité de connexion Pour prendre en charge 1 million de connexions d'appareils dans un rayon de 1 km², les exigences sont les suivantes :

• Nouveaux mécanismes d'accès aléatoire
• Algorithmes optimisés d'allocation des ressources
• Traitement efficace des signaux

2. Contrôle de la consommation d'énergie La plupart des appareils IoT ont besoin d'un fonctionnement à long terme, nécessitant :

• Pile de protocoles optimisée
• Mécanismes intelligents de veille et de sommeil
• Algorithmes efficaces de compression de données

Analyse des données techniques à partir d'un déploiement réel

Analyse approfondie des données de test du réseau Huawei Lab SA

Nous avons effectué des tests détaillés du réseau SA dans le laboratoire de Huawei, avec des données de test révélant la relation entre la performance du réseau 5G et la qualité du signal.

Hangzhou Test Point :

• Puissance du signal : -72dBm
• Rapport signal/bruit : 34 dB
• Débit descendant : 826.4Mbps
• Débit de liaison montante : 743.4Mbps
• Temps de latence : 17,8 ms
• Gigue : 0.000%

Shenzhen Point d'essai :

• Puissance du signal : -98dBm
• Rapport signal/bruit : 22 dB
• Débit descendant : 456.4Mbps
• Débit de la liaison montante : 406.7Mbps
• Temps de latence : 18,3 ms

Chengdu Test Point :

• Puissance du signal : -111dBm
• Rapport signal/bruit : 10 dB
• Débit descendant : 233,5 Mbps
• Débit de la liaison montante : 236,4 Mbps
• Temps de latence : 22,1 ms

Point d'essai de Wuhan :

• Puissance du signal : -118dBm
• Rapport signal/bruit : 5 dB
• Débit descendant : 137.3Mbps
• Débit de la liaison montante : 137.4Mbps
• Temps de latence : 21,3 ms

Cet ensemble de données révèle plusieurs modèles clés :

1. Relation non linéaire entre l'intensité du signal et le débit : La diminution de l'intensité du signal de -72dBm à -98dBm entraîne une réduction du débit d'environ 45% ; mais de -98dBm à -111dBm, le débit chute d'environ 49%. Cela indique que les réseaux 5G sont extrêmement sensibles à la qualité du signal.

2. Valeur critique du rapport signal/bruit : Lorsque le rapport signal/bruit tombe en dessous de 10 dB, les performances du réseau se dégradent fortement. Ce phénomène est lié à la technologie de modulation d'ordre élevé utilisée dans la 5G.

3. Stabilité relative du temps de latence : Même dans des conditions de mauvaise qualité du signal, les changements de latence sont relativement faibles, ce qui reflète les avantages du réseau 5G en matière de contrôle de la latence.

Considérations techniques pour le choix de la carte SIM

Dans le cadre du déploiement d'un réseau 5G, le choix de la carte SIM est souvent négligé, mais il s'agit en fait d'un point de décision technique important.

Caractéristiques techniques des cartes IdO :

• Plage de température industrielle : -40°C à +85°C
• Capacité anti-vibration plus élevée
• Durée de vie plus longue (généralement plus de 10 ans)
• Accès APN dédié

Avantages techniques de l'IP fixe : du point de vue de l'architecture du réseau, l'IP fixe n'est pas seulement une question de commodité de gestion, mais plus important encore :

• Réduction des frais généraux de conversion NAT
• Réduction du temps d'établissement de la connexion
• Amélioration de l'efficacité de la transmission des données de bout en bout
• Prise en charge de politiques de sécurité plus complexes

Pour les applications automobiles, nous recommandons vivement d'utiliser des cartes SIM intégrées de qualité industrielle et automobile ou supérieure, car les vibrations et les variations de température dans l'environnement des véhicules imposent des exigences de fiabilité extrêmement élevées aux cartes SIM.

Différences techniques entre les réseaux publics et privés

Défis techniques du déploiement des réseaux publics

Caractéristiques techniques du réseau public 5G :

• Infrastructure partagée, coût relativement faible
• La capacité du réseau est fortement influencée par la densité des utilisateurs
• La sécurité dépend des mécanismes de sécurité du réseau public
• Difficile de garantir la qualité du service

Avantages techniques du déploiement d'un réseau privé

Principaux avantages du réseau privé 5G :

• Découpage indépendant du réseau, isolation des ressources
• Qualité de service contrôlable
• Une sécurité accrue
• Fonctions de réseau personnalisées

D'après notre expérience, pour les applications professionnelles critiques, le déploiement d'un réseau privé, bien que coûteux, présente des avantages évidents en termes de fiabilité et de sécurité.

Applications approfondies de la 5G en IdO industriel

Applications pratiques de la technologie de découpage du réseau

Le découpage du réseau est l'une des technologies de base de la 5G, qui permet de créer plusieurs réseaux logiquement indépendants sur la même infrastructure de réseau physique. Dans les applications IoT industrielles, nous créons généralement plusieurs types de tranches:1. Tranche de contrôle : Utilisée pour les signaux de contrôle en temps réel, nécessitant une latence ultra-faible 2. Tranche de données : Utilisée pour la transmission de données volumineuses, nécessitant un débit élevé 3. Tranche de gestion : Utilisée pour la gestion et la surveillance des appareils, exigeant une grande fiabilité.

Intégration de l'Edge Computing et de la 5G

La combinaison de la 5G et de l'edge computing est une technologie clé pour atteindre l'industrie 4.0. Dans nos déploiements réels, les nœuds d'edge computing sont généralement déployés à :

• Centres de données en périphérie des usines
• Dispositifs de périphérie à proximité des stations de base 5G
• Unités de calcul à l'intérieur des véhicules

Cette architecture peut réduire le temps de latence du traitement des données à moins de 5 ms, ce qui répond aux exigences de contrôle industriel en temps réel.

Perspectives et défis techniques

Orientation du développement de la technologie 6G

Bien que la 5G ne soit pas encore tout à fait au point, la recherche et le développement de la 6G ont déjà commencé. En ce qui concerne les tendances en matière de développement technologique, la 6G se concentrera sur la résolution des problèmes :

• Technologie de communication térahertz
• Réseaux intégrés espace-air-sol
• Communication holographique
• Communication entre le cerveau et l'ordinateur

Défis techniques actuels

1. Problèmes de consommation d'énergie : La consommation d'énergie des stations de base de la 5G est 3 à 4 fois supérieure à celle de la 4G.
2. Coûts de couverture : La portée de la couverture des ondes millimétriques est faible, ce qui nécessite un déploiement plus dense des stations de base.
3. Coûts des terminaux : Les coûts des puces 5G restent élevés
4. Normalisation : L'interopérabilité entre les équipements des différents fournisseurs doit encore être améliorée.

Conclusion

Les réseaux 5G ne sont pas seulement une mise à niveau de la technologie de communication, mais une reconstruction complète de l'écosystème technologique. D'après notre expérience de déploiement, la véritable valeur de la 5G réside dans sa capacité à prendre en charge divers scénarios d'application, en particulier dans l'IoT industriel et la mise en réseau des véhicules.Toutefois, le déploiement et l'optimisation de la 5G est un projet d'ingénierie des systèmes complexe qui nécessite une prise en compte globale de multiples dimensions, notamment l'architecture du réseau, les ressources spectrales et les équipements terminaux. Ce n'est qu'en comprenant profondément l'essence technique de la 5G que nous pourrons tirer pleinement parti de ses avantages dans les applications pratiques.J'espère que cet article fournira des références techniques précieuses pour tout le monde. Si vous avez des questions techniques spécifiques, n'hésitez pas à en discuter dans la section des commentaires.