5G siete pre prepojený priemysel a automatizáciu (3), Prehľadové články, Rubriky,

Základná systémová architektúra 5G

Hlavnými doménami systému 5G sú prístup, prenos, správa, cloud a aplikácie (vrátane sieťových funkcií a aplikácií tretích strán). Prístup, prenos a správa boli tradične kľúčovými oblasťami v mobilnej komunikácii postavenej na množstve rádiových staníc krátkeho dosahu (bunkách). Cloud a aplikácie sú tradičné IT oblasti, ktoré sa postupne stali neoddeliteľnou súčasťou bunkových systémov. Prístupová doména poskytuje bezdrôtové pripojenie medzi zariadeniami a prístupovými uzlami (napr. základňová stanica – ZS).

Transportná doména umožňuje konektivitu medzi vzdialenými lokalitami a prístrojmi/zariadeniami. Prenosové siete sú prepojené cez chrbticové uzly, ktoré prenášajú informácie z prístupových uzlov do dátových centier, kde je uložená väčšina dát a kde je sieť riadená. Vzorová systémová architektúra 5G pre scenár inteligentnej továrne je znázornená na obr. 4, z ktorého je zrejmé, že 5G môže poskytovať komunikáciu v rámci jedného, ako aj medzi viacerými podnikmi.

5G systémy zahŕňajú riadiace a dátové roviny. Väčšina inteligencie riadiacej roviny (správa mobility, správa relácií atď.) sa nachádza v dátovom centre, zatiaľ čo väčšina inteligencie dátovej roviny sa nachádza v prístupovej sieti (plánovanie, QoS, viacerí používatelia). Podobne ako časovo citlivé siete (TSN), aj 5G sieť obsahuje správcovskú a aplikačnú doménu, ktorá môže čiastočne bežať na cloudových technológiách. 5G možno charakterizovať ako modulárny komunikačný systém so zabudovanou ochranou súkromia a bezpečnosťou, postavený na cloudovom prístupe, pričom ho možno flexibilne konfigurovať tak, aby spĺňal rôzne požiadavky na služby.

Kľúčové technológie 5G

Oneskorenie a spoľahlivosť pre ultraspoľahlivú komunikáciu s nízkym oneskorením (URLLC)

V prípade URLLC má prvé vydanie 5G už schopnosť dosiahnuť oneskorenie 1 ms so spoľahlivosťou 99,999 % cez 5G rádiové rozhranie. To umožňuje spoľahlivý prenos malých dátových paketov (s veľkosťou len niekoľkých bajtov) vzduchom v stanovenom časovom limite, ako je to potrebné napríklad pre aplikácie riadenia v uzavretej slučke. Komunikácia s nízkym oneskorením sa dosahuje zavedením krátkych prenosových slotov, ktoré umožňujú rýchlejšie uplink (z pozemnej stanice do satelitu) a downlink (zo satelitu do pozemnej stanice) prenosy.

Vyššiu spoľahlivosť možno dosiahnuť napríklad použitím odolných modulačných a kódovacích schém (MCS) a techník diverzity/redundancie. Používajú sa známe schémy kódovania kanálov, ako sú kódy Turbo alebo kódy kontroly parity s nízkou hustotou (LDPC) pre dátové kanály v 3GPP vydanie 15 a konvolučné alebo Reed-Müllerove kódy alebo Polar kódy pre riadiace kanály. V najbližšom období sa očakáva zavedenie ďalších vylepšení na uspokojenie požiadaviek inteligentných tovární. Redundanciu možno zabezpečiť rôznymi prostriedkami, napr. viacerými anténami, frekvenčnou či časovou diverzitou.

Viacnásobná konektivita prostredníctvom viacerých nosných alebo viacerých prenosových bodov je ďalšou možnou technikou diverzity, pri ktorej je zariadenie pripojené k rádiovej sieti prostredníctvom viacerých nosných frekvencií. V 3GPP bolo definovaných niekoľko variantov multikonektivity. Zatiaľ čo sa tieto funkcie predtým zameriavali na zlepšenie používateľskej priepustnosti agregovaním zdrojov rôznych používaných nosičov, pozornosť sa nedávno presunula na zlepšenie spoľahlivosti prenosu.

Dátová rýchlosť pre eMBB

Pre eMBB (vylepšené mobilné širokopásmové pripojenie) bude 5G podporovať špičkovú rýchlosť 20 Gb/s pre downlink a 10 Gb/s pri uplink. Takúto vysokú dátovú rýchlosť umožňuje najmä veľká systémová šírka pásma (až 400 MHz), masívne MIMO využívajúce veľký počet antén (v 3GPP, vydanie 15 je podporovaný počet antén pre LTE a NR teoreticky neobmedzený, prakticky je počet obmedzený na stovky antén kvôli obmedzeniam implementačného návrhu) a vysoké možnosti modulácie, ako je 256 QAM alebo v budúcich vydaniach dokonca ešte vyššia.

5G má v úmysle podporovať prevádzku na nosných frekvenciách od 1 GHz až do 86 GHz, ako aj prevádzku v licencovanom a nelicencovanom spektre. Najmä pri pomerne vysokej nosnej frekvencii nad 6 GHz sú stále dostupné veľké časti spektra; treba však vziať do úvahy, že podmienky šírenia pri takejto vysokej frekvencii môžu byť dosť náročné, pretože signály môžu byť ľahko blokované stenami alebo dokonca ľudským telom.

Nízka zložitosť, životnosť batérie, pokrytie a hustota zariadení pre mMTC

Pri použití mMTC (masívna komunikácia na úrovni strojov) bude 5G poskytovať hustotu pripojenia ďaleko presahujúcu požiadavku 1 000 000 zariadení na km², zlepšenie pokrytia o 20 dB (v porovnaní so 4G) a životnosť batérie presahujúcu 10 rokov. Podpora veľkej populácie zariadení na km² je dosiahnutá využitím efektívneho prenosu signálov. Rozšírenie pokrytia sa dosiahne využitím časového opakovania prenášaných informácií a znížením šírky aktívneho frekvenčného pásma.

Nízka zložitosť zariadenia a nízke náklady (menej ako niekoľko dolárov) sa dosahujú obmedzením šírky prenosového pásma (na 1 MHz alebo menej), špičkovej rýchlosti (na niekoľko stoviek kb/s) a výstupného výkonu (20 dBm). Okrem toho sa používa polovičný duplexný prenos, aby sa predišlo duplexným filtrom. Dlhá životnosť batérie (5 – 10 rokov) sa dosahuje predĺžením prerušovaného príjmu a režimu spánku zariadenia.

Mobilita

Niektoré prípady použitia, ako sú autonómne riadené vozidlá, mobilné roboty a mobilné ovládacie panely s bezpečnostnými funkciami, vyžadujú bezproblémovú mobilitu s cieľom spoľahlivej prevádzky a všadeprítomnej konektivity. 5G môže podporovať tieto prípady použitia, pretože má odolné mechanizmy schopné podporovať bezproblémovú mobilitu v celej sieti v rôznych scenároch, ako sú rôzne veľkosti buniek, vysokorýchlostné zariadenia a heterogénne prostredie šírenia. Procedúry mobility sú konfigurované sieťou, čo umožňuje veľmi presne nastavovať výkon. Výkon mobility možno ďalej zvýšiť prostredníctvom funkcie viacnásobného pripojenia, v ktorej je zariadenie pripojené súčasne k viac ako jednej základňovej stanici.

Kvalita služby

Klasifikácia a prioritizácia prenosu sú dôležitými požiadavkami na priemyselné siete. 5G poskytuje flexibilný rámec QoS, ktorý môže podporovať prevádzkové toky s celým radom požiadaviek na QoS v rovnakej sieti. Pravidlá klasifikácie prevádzky boli nedávno v 3GPP vylepšené zahrnutím hlavičiek ethernetových rámcov, aby sa zabezpečila lepšia podpora protokolov používaných v priemyselných sieťach.

Bezpečnosť

5G zahŕňa silné zabezpečenie E2E. Podporovaná je najmä vzájomná autentifikácia medzi zariadením a sieťou. Všetky prenášané údaje sú medzi zariadením a sieťou šifrované E2E. 5G tiež podporuje flexibilný autentifikačný rámec s Extensible Authentication Protocol (EAP) a silné šifrovanie, pričom spĺňa prísne požiadavky na oneskorenie.