Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №10/2020

ОБЗОР БЕСПРОВОДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ 5G

OVERVIEW OF 5G WIRELESS TECHNOLOGY

УДК 621

Васильев И. Н., студент, ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»

Перевозчиков Д. Е., студент, ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашни-

кова»

Альмакеев Ф. И., студент ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»

Vasilyev I. N., it.ilya97@gmail.com

Perevozchikov D. E., perevozchikovd@gmail.com

Almakaev F. I., pochta.for.vorka@gmail.com

Аннотация

Технология 5G является революционной технологией в области беспро-

водных телекоммуникаций, реализующей новейшую сетевую архитектуру,

которая обеспечивает высокое качество предоставляемых услуг. В данной ста-

тье предпринята попытка рассмотреть существующие поколения мобильных

беспроводных технологий, их эволюцию и их сравнение с точки зрения их осо-

бенностей и производительности. Предпринимаются усилия, чтобы пролить

свет на архитектуру, предложенную разработчиками для реализации 5G сети.

Abstract

5G technology is a revolutionary technology in the field of wireless telecom-

munications, implementing the latest network architecture that provides high quality

services. This article attempts to consider the existing generations of mobile wireless

technologies, their evolution and their comparison in terms of their features and per-

formance. Efforts are being made to shed light on the architecture proposed by de-

velopers for implementing the 5G network.

Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №10/2020

Ключевые слова: 5G, архитектура 5G, эволюция 5G, устройство сетей

5G, 5G-ядро.

Keywords: 5G, 5g architecture, 5g evolution, 5g network device, 5G core

5-е поколение беспроводной мобильной мультимедийной сети может

стать по-настоящему беспроводной сетью без каких-либо ограничений, что

делает возможным окружающие нас коммуникации идеально беспроводными.

Оно основано на 4G технологиях[1,3]. 5-е поколение сетей беспроводного мо-

бильного интернета – это реальный беспроводной мир, который должен будет

поддерживать такие технологии, как LAS-CDMA(множественный доступ с ко-

довым разделением на большое расстояние), OFDM(мультиплексирование с

ортогональным частотным разделением каналов), MC CDMA(мульти-частот-

ный множественный доступ с кодовым разделением), UWB(сверхширокая по-

лоса), NetworkLMDS( локальная беспроводная широкополосная сеть типа

точка-многоточка), и IPv6. Пятое поколение технологии предлагает гигант-

ские информационные потоки, неограниченное количество звонков и беско-

нечную трансляцию информации в рамках новейших операционных мобиль-

ных систем[7]. Эти условия вносят критический эффект, поэтому добавят в

новое поколение больше внимания к администрированию и повлекут за собой

преимуществ для мира больше, чем в сетях 4G. Это поколение сетей ожида-

ется к 2020 году.

Перечислим существенные особенности 5G:

 технология 5G представляет высокую пропускную способность для

молниеносной сотовой связи каждый день и дает потребителям качественный

и быстрый доступ в интернет;

 технология 5G обеспечивает предварительную тарификацию, что бо-

лее разумно и эффективно в современную эпоху;

 технология 5G также предоставляет пользователям мобильных теле-

фонов запись мобильных разговоров для голосовой детализации;

Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №10/2020

 технология 5G проектируется для распределения данных большого

объема в Гигабит, что также обеспечивает тесные связи почти с 65 000 поль-

зователей;

 информация о методах передачи данных в 5G дает все надежды на бо-

лее точные и надежные результаты, чем мы имеем сегодня;

 технологии удаленного доступа могут стать еще более комфортными

за счет внедрения более быстрых и стабильных технологий, используемых в

5G;

 технология 5G также поддерживает виртуальную частную сеть;

 скорость загрузки и выгрузки в технологии 5G достигает пиковых по-

казателей;

 сеть, построенная на технологии 5G, предлагает расширенные и до-

ступные возможности подключения практически во всем мире;

 сеть 5G очень быстра и надежна[2,5].

Дизайн и архитектура 5G.

5G будет построено на "повсеместных вычислениях". Человеческая

жизнь будет окружена интеллектуальными датчиками, которые внесут ради-

кальные изменения в повседневные подходы человека к жизни. Существую-

щие телекоммуникационные сети формируются иерархическим образом, где

абонентский трафик собирается в точке агрегации контроллера базовой стан-

ции/контроллера радиосети (BSC/RNC) и затем направляется в шлюзы[3]. То-

гда как в сети 5G, как ожидается, будет использоваться плоская архитектура

IP, которая снизит нагрузку на точку агрегации, и трафик будет напрямую пе-

ремещаться от базовой станции к медиа-шлюзам. Именно на платформе IP ос-

нована дальновидность Ядра 5G(рис.1). Все операторы сети (GSM, CDMA,

WiMAX и Wireline) могут быть соединены с одним Супер Ядром с большой

емкостью. Это реализация единой сетевой инфраструктуры. Плоская архитек-

Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №10/2020

тура IP обеспечивает способ идентификации устройств с использованием сим-

волических имен, в отличие от иерархической архитектуры, что используется

в "обычных" IP-адресах. Это представляет больший интерес для операторов

широкополосной мобильной сети.

Рис.1 Модель системы 5G на основе IP, предназначенной для беспровод-

ных и мобильных сетей.

Система состоит из пользовательского терминала(который является

ключевым звеном в новой архитектуре) и числа независимых, автономных

технологий радиодоступа. Внутри каждого из терминалов каждая из техноло-

гий радиодоступа рассматривается как IP-шлюз с внешним миром Интернета.

Однако для каждой технологии радиодоступа (RAT) в мобильном терминале

должен быть отдельный радиоинтерфейс. Например, если мы хотим иметь до-

ступ к четырем различным технологиям радиодоступа, нам нужно иметь че-

тыре различных специфичных по доступу интерфейса в мобильном терми-

нале, и чтобы все они были активны одновременно, чтобы эта архитектура

была функциональной.

Одной из главных компонент инфраструктуры 5G является архитектура

– наноядро. 5G Нано Ядро – это слияние нижеперечисленных технологий. Эти

технологии имеют свое собственное влияние на существующую беспровод-

ную сеть, что превращает ее в 5G:

Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №10/2020

 нанотехнологии;

 облачные вычисления;

 повсеместная платформа IP[4].

Следует описать их конкретнее.

1) Нанотехнологии в контексте 5G - это применение нанонауки для

управления процессом в нанометровом масштабе. т. е. между 0,1 и 100 Нм.

Эта область также известна как молекулярная нанотехнология (MNT). MNT

занимается управлением структурой материи на основе принципа инженерии

атом-за-атомом и молекула-молекулой. Нанотехнологии показали свое влия-

ние как на мобильную, так и на основную сеть. Кроме того, они имеют свое

собственное влияние на чувствительность, а также безопасность. Это счита-

ется наиболее значимым в телекоммуникациях.

2) Облачные вычисления - это технология, которая использует интернет

и центральный удаленный сервер для обслуживания данных и приложений. В

сети 5G этот центральный удаленный сервер будет нашим контент-провайде-

ром. Облачные вычисления позволяют потребителям и бизнесу использовать

приложения без установки и предоставляет доступ к личным файлам с любого

компьютера с доступом в Интернет. Та же концепция будет использоваться в

Ядре 5G, где пользователь пытается получить доступ к своей частной учетной

записи от глобального поставщика контента через Ядро 5G в виде облака. Об-

лачные вычисления опираются на сети, требующие защищенные и надежные

услуги провайдеров. Операторы cмогут выйти на рынок облачных вычислений

и создавать новые дополнительные услуги и продукты, интегрируя отраслевой

контент и приложения в модель цифрового супермаркета. Это может стиму-

лировать пользователя сети использовать гораздо больше приложений в ре-

жиме реального времени, чтобы эффективно использовать свою 5G сеть. Без-

опасный и надежный сервис может быть обеспечен с помощью квантовой

криптографии.

Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №10/2020

Облачные вычисления имеют три основных сегмента, которые заключа-

ются в следующем:

a) приложения – в рамках концепции это программные сервисы по тре-

бованию. Услуги программного обеспечения по требованию различаются по

своей ценовой схеме и способу доставки программного обеспечения конеч-

ным пользователям. Например, конечный пользователь приобретет удален-

ный сервер, в который он может получить доступ через интернет;

б) платформа - сегмент платформы относится к продуктам, которые ис-

пользуются для развертывания интернета. NetSuite, Amazon, Google и

Microsoft также разработали платформы, которые позволяют пользователям

получать доступ к приложениям с централизованных серверов;

в) инфраструктура - третий сегмент облачных вычислений, известный

как инфраструктура, является основой всей концепции. Среды поставщика ин-

фраструктуры, такие как Google gears, позволяют пользователям создавать

приложения. Облачные хранилища, такие как Amazon S3, также считаются ча-

стью сегмента инфраструктуры. Ядро 5G будет эффективно использовать все

вышеуказанные 3 сегмента для того, чтобы удовлетворять покупательские за-

просы.

3) Полностью IP-ориентированная сеть. Как уже обсуждалось, для объ-

единения различных технологий в общее 5G Ядро требуется общая платформа

для взаимодействия. Плоская IP архитектура выступает как существенная

часть 5G сети. Сеть All-IP (AIPN) - это эволюция системы 3GPP для удовле-

творения растущих потребностей рынка мобильных телекоммуникаций.

Чтобы удовлетворить потребительский спрос на приложения для передачи

данных в реальном времени, поставляемые по мобильным широкополосным

сетям, операторы беспроводной связи обращаются к плоским сетевым IP ар-

хитектурам.

Сфокусированный главным образом на совершенствовании технологии ком-

мутации пакетов, AIPN обеспечивает непрерывные развитие и оптимизацию

Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №10/2020

принципиальной схемы системы для того, чтобы обеспечить конкурентное

превосходство, оперируя понятиями производительности и цены.

Основными преимуществами плоских IP-архитектур являются:

 снижение расходов;

 универсальный прямой доступ;

 улучшенный пользовательский интерфейс;

 снижение задержек системы;

 разделенный радиодоступ и развитие ядра сети.

Преимущества и недостатки 5G

Технология 5-го поколения мобильных сетей предлагает широкий

спектр возможностей, которые выгодны для всех групп людей, включая сту-

дентов, специалистов (врачей, инженеров, преподавателей, руководящих ор-

ганов, административных органов и т.д.) и даже для простого человека. Ядро

архитектуры 5G было описано выше.

Ниже перечислены несколько преимуществ 5G технологии:

 высокое разрешение и двунаправленное формирование большой по-

лосы пропускания;

 технология для сбора всех сетей на одной платформе;

 более эффективная и экономичная технология;

 технологии, облегчающие изучение поведения абонентов, обеспечива-

ющие быстрое реагирование;

 наиболее вероятно технология обеспечит огромную широковещатель-

ную передачу данных (в гигабитах), которая будет поддерживать более 60 000

соединений;

 легкая совместимость с предыдущими поколениями сетей;

 технологические возможности для поддержки разнородных сервисов

(включая частную сеть);

Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №10/2020

 возможность обеспечить равномерное, непрерывное и последователь-

ное подключение по всему миру;

 появится больше приложений интегрированных с искусственным ин-

теллектом (AI), таким образом человеческая жизнь будет окружена искус-

ственными датчиками, которые смогут общаться с мобильным телефо-

ном[1,4,5].

Некоторые преимущества для простых людей:

 вы можете управлять своими ПК с помощью телефонов;

 параллельные множественные сервисы, например, вы можете знать

погоду и свое место положение пока разговариваете с другим человеком;

 образование станет легче. Студент сидя в любой части мира сможет

присутствовать в классе. Медицинское лечение станет более легким и эконом-

ным, и врач сможет лечить пациента, находящегося в отдаленной части мира;

 мониторинг станет проще. Облегчится возможность найти пропав-

шего человека. Станет возможной визуализация Вселенной, галактик и пла-

нет;

 возможно, стихийные бедствия, включая цунами, землетрясения и т.д.

смогут быть обнаружены быстрее.

Недостатки 5G

Хотя технология 5G исследована и концептуализирована для решения

всех проблем радиосигнала и трудностей мобильного мира, но из-за некото-

рых проблем безопасности[3,6] и отсутствия технологического прогресса в

большинстве географических регионов она имеет следующие недостатки:

- скорость, которую эта технология устанавливает кажется трудной для

достижения (в будущем, возможно, все получится) из-за некомпетентной тех-

нологической поддержки в большинстве частей мира;

Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №10/2020

- многие из старых устройств не будут совместимы с 5G, следовательно,

все они должны быть заменены на новые дорогие устройства;

- развитие инфраструктуры требует больших затрат;

- вопрос безопасности и конфиденциальности еще предстоит решить;

- технология все еще находится в процессе разработки, и продолжаются

исследования ее жизнеспособности.

5G технология развивается очень бурными темпами. Это очень быстрая

и отказоустойчивая сеть. Она основана на 4G технологиях. А совместно с ис-

пользованием IP версии 6, пятое поколение сетей станет очень защищенным.

Развитие мобильных и беспроводных сетей идет по пути повышения скоро-

стей передачи данных и архитектуры, ориентированной только на IP-

парадигму. Мобильные терминалы с каждым годом становятся более мощ-

ными в вычислительном плане, имеют больше памяти на борту и более про-

должительное время работы от батарей при тех же предоставляемых возмож-

ностях. 5G включает в себя новейшие технологии, такие как формирование

радио-луча, программно-управляемая радиосвязь, нанотехнологии, компью-

терные облачные вычисления и сеть, ориентированную только на IP-архитек-

туру[1,2,4,5]. Ожидается, что первоначальная Интернет-философия поддержа-

ния максимально простой сети и предоставления большого количества функ-

циональных возможностей конечным узлам станет реальностью в будущем

поколении мобильных сетей, называемых здесь 5G. В этой статье мы сравнили

сети 1G и 5G сообразно их функциям.

Список литературы

1. Тихвинский В.О., Терентьев С.В., Коваль В.А., Сети мобильной связи 5G:

технологии, архитектура и услуги. М., 2020. С.11-15

2. 5G: как работает технология и зачем нам это нужно [Электронный ресурс]

– URL: https://rb.ru/longread/what-is-5G/ (дата обращения: 10.04.2020).

3. Wei Xiang and Kan Zheng. 5G Mobile Communications. Springer. 2016. PP.

Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №10/2020

276-282.

4. Почему и как 5G изменит все: технологии, поэтапное внедрение и эле-

ментная база для абонентского оборудования [Электронный ресурс] –

URL: https://habr.com/ru/post/490404/ (дата обращения: 11.04.2020).

5. Архитектура сети 5G [Электронный ресурс] – URL:

https://itechinfo.ru/node/136 (дата обращения: 11.04.2020).

6. Введение в архитектуру безопасности 5G: NFV, ключи и 2 аутентифика-

ции [Электронный ресурс] – URL: https://habr.com/ru/post/481446/ (дата

обращения: 11.04.2020).

7. Технологии 5G-сетей [Электронный ресурс] – URL:

https://nag.ru/articles/article/30498/tehnologii-5g-setey.html (дата обраще-

ния: 11.04.2020).

References

1. Tikhvinsky V. O., Terentyev S. V., Koval V. A., 5g mobile communication

Networks: technologies, architecture and services, Moscow, 2020, Pp. 11-15

2. 5G: how technology works and why we need it [Electronic resource] - URL:

https://rb.ru/longread/what-is-5G/ (accessed: 10.04.2020).

3. Wei Xiang and Kan Zheng. 5G Mobile Communications. Springer. 2016. pp.

276-282.

4. Why and how 5G will change everything: technologies, step-by-step imple-

mentation and element base for subscriber equipment [Electronic resource] -

URL: https://habr.com/ru/post/490404/ (accessed: 11.04.2020).

5. Architecture of the 5G network [Electronic resource] - URL:

https://itechinfo.ru/node/136 (accessed: 11.04.2020).

6. Introduction to the 5g security architecture: NFV, keys and 2 authentication

[Electronic resource] - URL: https://habr.com/ru/post/481446/ (accessed:

11.04.2020).

7. Technologies of 5G networks [Electronic resource] - URL: https://nag.ru/arti-

cles/article/30498/tehnologii-5g-setey.html (date of publication: 11.04.2020).