Предисловие

Здравствуйте технические специалисты, я инженер технической поддержки из key-iot. В последнее время я активно участвую в проектах по развертыванию и оптимизации сетей 5G, в частности, в промышленных приложениях IoT и автомобильных сетях. Я заметил, что большинство обсуждений технологии 5G на форумах остаются поверхностными. Сегодня я хочу глубоко погрузиться в суть сетей 5G с точки зрения технической архитектуры, в сочетании с нашим реальным опытом развертывания, и обсудить технические проблемы в реальных приложениях. Эта статья не предназначена для широкой аудитории, а ориентирована на технически подкованных профессионалов. В ней будет много технических деталей и реальных тестовых данных. Если вас интересуют детали технической реализации 5G, эта статья должна дать вам ценные сведения.

Глубокий технический анализ архитектуры сети 5G

Существенные различия между архитектурами SA и NSA

Во многих статьях упоминаются SA и NSA, но лишь немногие глубоко анализируют фундаментальные различия в их технической реализации. Судя по нашему реальному опыту развертывания, различия между этими двумя архитектурами гораздо больше, чем можно себе представить:

• AMF (функция управления доступом и мобильностью)
• UPF (User Plane Function)
• SMF (функция управления сеансами)
• AUSF (функция сервера аутентификации)

В этой архитектуре все восходящие и нисходящие каналы связи осуществляются через базовые станции 5G, что позволяет полностью раскрыть основные возможности 5G, такие как нарезка сети и пограничные вычисления.

Независимая сеть NSA (Non-Standalone) использует гибридную архитектуру, состоящую из Базовая сеть 4G + базовые станции 5G. Проблема этой архитектуры заключается в том, что, хотя в части беспроводного доступа используется технология 5G, возможности обработки данных в основной сети по-прежнему ограничены архитектурой 4G и не позволяют достичь истинно низких задержек и высокой надежности.

Из наших реальных тестовых данных видно, что сети SA значительно превосходят сети NSA по показателю задержки. Эта разница особенно заметна в сценариях приложений URLLC.

Технические проблемы при распределении ресурсов спектра

Сети 5G использовать совершенно новые стратегии распределения спектральных ресурсов. С точки зрения технической реализации 5G в основном использует три частотных диапазона:

• Суб-6 ГГц (в основном 3,5 ГГц и 2,6 ГГц)
• Диапазон миллиметровых волн (24 ГГц-100 ГГц)
• Средний диапазон (1-6 ГГц)

Каждый частотный диапазон обладает уникальными характеристиками распространения и сценариями применения. В наших реальных развертываниях чаще всего используется диапазон 3,5 ГГц, поскольку в нем достигается хороший баланс между дальностью покрытия и проникновением.

Глубокий технический анализ трех категорий приложений

Технические детали и проблемы внедрения eMBB

eMBB (Enhanced Mobile Broadband), как первый коммерческий сценарий 5G, имеет относительно зрелую техническую реализацию. Однако с точки зрения инженерной практики основные проблемы eMBB включают:1. Технология агрегации несущих обеспечивает более высокую скорость передачи данных за счет агрегации нескольких несущих, но это требует от терминальных устройств более мощных возможностей обработки сигнала.2. Технология Massive MIMO Повышение спектральной эффективности за счет увеличения числа антенн, но это также создает проблемы межантенной интерференции и сложности обработки сигнала.3. Технология модуляции высокого порядка Использование методов модуляции высокого порядка, например 256QAM, для повышения эффективности передачи данных, но требует чрезвычайно высокого качества сигнала.

Технические проблемы и решения URLLC

URLLC (сверхнадежная связь с низкой задержкой) - самый сложный сценарий применения 5G.

. С точки зрения технической реализации перед URLLC стоят следующие основные задачи:1. Контроль задержки Для достижения сверхнизкой задержки в пределах 1 мс необходима оптимизация на нескольких уровнях:

• Физический уровень: Использование коротких интервалов времени передачи (TTI)
• MAC-уровень: Оптимизация алгоритмов составления расписания
• Сетевой уровень: Развертывание пограничных вычислений

2. Обеспечение надежности Для достижения надежности 99,999% требования включают:

• Механизмы передачи с резервированием
• Алгоритмы быстрой ретрансляции
• Многопутевая передача

В наших проектах по созданию сетей для транспортных средств требования к покрытию сети 5G для автономных автомобилей очень строгие: 5G RSRP≥-72 дБм, отношение сигнал/шум 5G SINR≥18 дБ, задержка <20 мс.

. Эти показатели кажутся простыми, но требуют точного планирования и оптимизации сети при реальном развертывании.

Реализация крупномасштабного подключения MMTC

MMTC (Massive Machine Type Communications) в первую очередь решает проблемы масштабных соединений в сценариях IoT.

. Основные технические задачи реализации включают:1. Плотность подключений Для поддержки 1 миллиона подключений устройств в пределах 1 км² необходимы следующие требования:

• Новые механизмы случайного доступа
• Оптимизированные алгоритмы распределения ресурсов
• Эффективная обработка сигналов

2. Контроль энергопотребления Большинство IoT-устройств нуждаются в длительной работе, требующей:

• Оптимизированный стек протоколов
• Интеллектуальные механизмы сна и бодрствования
• Эффективные алгоритмы сжатия данных

Анализ технических данных, полученных в результате фактического развертывания

Глубокий анализ данных тестирования сети Huawei Lab SA

Мы провели детальное тестирование сети SA в лаборатории Huawei, а данные тестирования выявили взаимосвязь между производительностью сети 5G и качеством сигнала

Место проведения испытаний: Ханчжоу:

• Уровень сигнала: -72 дБм
• Соотношение сигнал/шум: 34 дБ
• Скорость нисходящей линии связи: 826,4 Мбит/с
• Скорость Uplink: 743,4 Мбит/с
• Задержка: 17,8 мс
• Джиттер: 0.000%

Шэньчжэнь Пункт тестирования:

• Сила сигнала: -98 дБм
• Соотношение сигнал/шум: 22 дБ
• Скорость нисходящей линии связи: 456,4 Мбит/с
• Скорость Uplink: 406,7 Мбит/с
• Задержка: 18,3 мс

Место испытания Чэнду:

• Сила сигнала: -111 дБм
• Соотношение сигнал/шум: 10 дБ
• Скорость нисходящей линии связи: 233,5 Мбит/с
• Скорость передачи данных: 236,4 Мбит/с
• Задержка: 22,1 мс

Испытательный пункт в Ухане:

• Уровень сигнала: -118 дБм
• Соотношение сигнал/шум: 5 дБ
• Скорость нисходящей линии связи: 137,3 Мбит/с
• Скорость передачи данных: 137,4 Мбит/с
• Задержка: 21,3 мс

Этот набор данных позволяет выявить несколько ключевых закономерностей:

1. Нелинейная зависимость между уровнем сигнала и пропускной способностью: Уменьшение уровня сигнала с -72 дБм до -98 дБм приводит к снижению пропускной способности примерно на 45%; но с -98 дБм до -111 дБм пропускная способность падает примерно на 49%. Это говорит о том, что сети 5G очень чувствительны к качеству сигнала.

2. Критическое значение отношения сигнал/шум: Когда отношение сигнал/шум падает ниже 10 дБ, производительность сети резко снижается. Это связано с технологией модуляции высокого порядка, используемой в 5G.

3. Относительная стабильность задержки: Даже в условиях плохого качества сигнала изменения задержки относительно невелики, что отражает преимущества сетей 5G в управлении задержками.

Технические соображения при выборе SIM-карты

При развертывании сетей 5G выбор SIM-карты часто упускается из виду, но на самом деле это важный технический момент.

Технические характеристики карт IoT:

• Диапазон промышленных температур: от -40°C до +85°C
• Повышенная антивибрационная способность
• Более длительный срок службы (обычно 10+ лет)
• Выделенный доступ к APN

Технические преимущества фиксированного IP: С точки зрения сетевой архитектуры, фиксированный IP - это не только удобство управления, но и нечто более важное:

• Снижение накладных расходов на преобразование NAT
• Меньшее время установления соединения
• Повышение эффективности сквозной передачи данных
• Поддержка более сложных политик безопасности

Для автомобильных приложений мы настоятельно рекомендуем использовать встроенные SIM-карты промышленного и автомобильного класса или выше, поскольку вибрации и перепады температур в автомобильной среде предъявляют к SIM-картам чрезвычайно высокие требования по надежности.

Технические различия между публичными и частными сетями

Технические проблемы развертывания общественных сетей

Технические характеристики сети общего пользования 5G:

• Общая инфраструктура, относительно низкая стоимость
• Пропускная способность сети существенно зависит от плотности пользователей
• Безопасность зависит от механизмов защиты публичной сети
• Сложно гарантировать качество услуг

Технические преимущества развертывания частных сетей

Основные преимущества частной сети 5G:

• Независимое разделение сети, изоляция ресурсов
• Контролируемое качество услуг
• Повышенная безопасность
• Индивидуальные сетевые функции

Судя по нашему опыту развертывания, для критически важных бизнес-приложений развертывание частной сети, хотя и требует больших затрат, имеет явные преимущества в надежности и безопасности.

Глубокое применение 5G в Промышленный IoT

Практическое применение технологии нарезки сетей

Нарезка сети - одна из основных технологий 5G, позволяющая создавать несколько логически независимых сетей на одной физической сетевой инфраструктуре. В промышленных IoT-приложениях мы обычно создаем несколько типов срезов:1. срез управления: Используется для передачи управляющих сигналов в реальном времени, требуя сверхнизкой задержки 2. Слайс данных: Используется для передачи больших объемов данных, требуя высокой пропускной способности 3. Слайс управления: Используется для управления и мониторинга устройств, требуя высокой надежности

Интеграция граничных вычислений и 5G

Сочетание 5G и пограничных вычислений - ключевая технология для достижения Индустрии 4.0. В наших реальных развертываниях узлы пограничных вычислений обычно размещаются на:

• Пограничные центры обработки данных на заводах
• Пограничные устройства вблизи базовых станций 5G
• Пограничные вычислительные устройства в транспортных средствах

Такая архитектура позволяет сократить время обработки данных до менее 5 мс, что отвечает требованиям реального времени для промышленного управления.

Технические перспективы и проблемы

Направление развития технологии 6G

Хотя 5G еще не до конца созрел, исследования и разработки 6G уже начались. Из тенденций развития технологий 6G сосредоточится на решении:

• Технология терагерцовой связи
• Интегрированные сети "космос - воздух - земля
• Голографическая связь
• Связь между мозгом и компьютерным интерфейсом

Текущие технические проблемы

1. Проблемы энергопотребления: Энергопотребление базовых станций 5G в 3-4 раза выше, чем у 4G
2. Стоимость покрытия: Радиус действия миллиметровых волн невелик, что требует более плотного размещения базовых станций
3. Стоимость терминала: Стоимость чипов 5G остается высокой
4. Стандартизация: Операционная совместимость между оборудованием разных производителей нуждается в дальнейшем совершенствовании

Заключение

Сети 5G - это не просто обновление технологии связи, а полная реконструкция технологической экосистемы. Судя по нашему опыту развертывания, истинная ценность 5G заключается в его способности поддерживать различные сценарии применения, особенно в промышленных IoT и автомобильных сетях. Однако развертывание и оптимизация 5G - это сложный системный инженерный проект, требующий всестороннего рассмотрения множества аспектов, включая архитектуру сети, ресурсы спектра и оконечное оборудование. Только глубоко понимая техническую сущность 5G, мы сможем в полной мере использовать его преимущества в практических приложениях.Я надеюсь, что эта статья содержит ценные технические ссылки для всех. Если у вас есть конкретные технические вопросы, пожалуйста, не стесняйтесь обсуждать их в разделе комментариев.