Mobilná sieť poskytuje bezdrôtové pripojenie zariadeniam pri pohybe. Tieto zariadenia sú najčastejšie smartfóny, tablety alebo laptopy, v dnešnej dobe k týmto zariadeniam patria aj autá, priemyselné roboty, drony, alebo napríklad domáce roboty. Všetky tieto zariadenia sa nazývajú UE a v niektorých prípadoch to môžu byť aj UE ktoré sa nehýbu. Takáto mobilná sieť sa skladá z dvoch hlavných častí. RAN (Radio Access Network) a MC (Mobile Core).

Zjednodušená architektúra 4G mobilnej bunkovej siete

Obr. V2: Zjednodušená architektúra 4G mobilnej bunkovej siete [V12].

Radio Access Network

RAN je časť mobilnej siete prepájajúca UE do cloudu. 5G RAN používa 5G rádiové FDD (frequency-division duplexing) frekvencie pre bezdrôtové pripojenie do zariadení. [L7] RAN má 3 hlavné komponenty, user equipment, gNodeB a distribučnú jednotku. UE je zariadenie, ktoré ovláda užívateľ ako napríklad smarftón alebo tablet. gNB je bázová stanica, ktorá slúži v určitej oblasti, známa ako bunka a DU vykonáva funkcie užívateľskej roviny. RAN preposiela signály UE, ktoré sú bezdrôtovo pripojené do tzv. backhaul siete alebo CN. Posiela ich do rôznych koncových bodov aby mohli cestovať inou sieťou. Samotný mobil môže byť pripojený do viacerých sietí, čo sa nazýva dual-mode handset. Príklady niektorých RAN druhov sú GRAN (GSM RAN), GERAN (GRAN s EDGE paketmi), UTRAN (UMTS RAN) a E-UTRAN (LTE RAN). [L8] [L9]

Bázová stanica

Je základným zariadením 5G siete. V 5G sieťach je používaný pojem gNodeB (Next Generation NodeB). Bázová stanica realizuje bezdrôtový prenos signálu medzi káblovou sieťou a bezdôtovým terminálom a poskytuje bezdrôtové pokrytie oblasti. Hustota bázových staníc je narastá s frekvenciou, v tejto fáze fungujú 5G siete hlavne v pásme 3000-5000 MHz. Bázové stanice možno rozdeliť na 5G BBU (baseband unit) a jednu alebo viac 5G RRH (remote radio heads), alebo môžu byť spojené na jedinú jednotku pre malú bunku s iba 1 alebo 2 sektormi. Tieto jednotky môžu byť pripojené cez CPRI (common public radio interface) alebo eCPRI (enhanced), ktoré je dôležité pre 5G. CPRI je sériové rozhranie, ktoré je veľmi rýchlym pripojením. Pri prechode na 5G, na vlákne medzi RRU a BBU bude stále iac a viac dopravy, čo nám komplikuje realizáciu sériového rozhrania. Extrémne 5G požiadavky napínajú limit vláknovej šírky pásma. Nato sa používa eCPRI, ktoré dokáže rozdeliť baseband funkcie a dať ich čast do RRU, pričom zredukuje záťaž na vlákne. [L10] 5G siete majú rôzne bázové stanice s rôznymi architektúrami aby podporili flexibilnú architektúru sietí a prispôsobili sa rôznym scenárom. 5G bázové stanice možno rozdeliť do rôznych architektúr. Z hľadiska formy zariadenia možno 5g bázové stanice rozdeliť na základné pásmové zariadenia, rádiofrekvenčné zariadenia, integrované zariadenia gNB a iné formy zariadenia. [L11] [L12]

RAN Controller
Rozdelenie CUPS

Obr. L6: Rozdelenie CUPS [L9]

RAN controller je softvér, ktorý ovláda uzly ktoré sú k RAN pripojené. Pripája sa k základnej sieti v závislosti od typu RAN a má na starosti šifrovanie dát, riadenie rádiových zdrojov a riadenie mobility. V moderných RAN architektúrach sa oddelí CP (control plane) a UP (user plane) do rôznych sieťových prvkov. Toto je známe ako CUPS (Control and User Plane Separation). V tomto variante Ran controller vymieňa data správy užívateľov cez SDN (software-defined networking) prepínač, a druhý set dát cez bázové stanice skrz druhé ovládacie rozhranie. Toto rozdelenie bude dôležizým aspektom flexibilného 5G RAN. [L12]

Proces RAN

Proces v RAN je rozdelený do niekoľkých etáp. Tieto etapy sú spolu v bázovej stanici a každá z nich má kľúčovú úlohu. Tieto etapy sú RRC (Radio Resource Control), PDCP (Packet Data Convergence Protocol), RLC (Radio Link Control), MAC (Media Access Control) a PHY (Physical Layer). Grafické znázornenie a postup je možné vidieť na obrázku č.L7.

RRC funguje v CP RANky, nespracováva pakety na UP. Jeho hlavné funkcie sú nadviazanie spojenia, release funkcie, RRC procedúry pripojovania, stránkovanie. [L13] PDCP má za úlohu komprimovať a dekomprimovať hlavičky, ochranu integrity, prenos UP a CP dát a šifrovanie. [14] RLC opravuje chyby pomocou ARQ (Automatic Repeat Request), má za úlohu reťazenie, segmentáciu a opätovné zostavenie SDU (Service Data Unit). [L15] MAC má na starosti buffering, multiplexovanie a demultiplexovanie segmentov, taktiež je navrhnutý aby maximalizoval využitie drahého licensovaného spektra. [16] PHY má na starosti kódovanie, moduláciu a FEC (forward error correction).

Ďalším krokom pre lepšie porozumenie je obrázok č.8. Na obrázku sú funkcionality z obr.L7 rozdelené medzi fyzické elementy. Toto sa nazýva Split RAN. Takáto split architektúra nám dovolí koordinovať vlastnosti výkonu, ako je odozva a náklady. Pri oddelení DU od RU napríklad uštríme na nákladoch, pretože menej inteligentné RU sú lacnejšie. Videá, hry alebo zvuk majú iné tolerancie na latenciu a takéto služby záležia od rôznych scenárov nasadenia a dopravy. Tento koncept bol predstavený pre 5G, ale môže byť použitý aj pri 2G, 3G a 4G. RAN je rozdelený do CU (Central Unit) DU (Distributed Unit) a RU (Radio Unit). RU je hardvérová rádiová jednotka, ktorá konvertuje signály poslané z antén do digitálneho signálu. Stará sa o DFE (digital front end) a nižšiu PHY. DU softvér je normálne nasadený blízko k RU a bežia v ňom RLC, MAC a časti PHY. CU softvér prevádzkuje RRC a PDCP vrstvy. Split architektúra dovoľuje 5G sieti využiť rôzne distribúcie protokolov medzi CU a DU, záležiac od návrhu siete. Tiež si uvedomme, že Split RAN mení povahu tzv. Backhaul siete, tá pôvodne spájala bázové stanice priamo s MC. So Split RAN máme viacero pripojení. RU-DU pripojenie sa nazýva Fronthaul, DU-CU pripojenie sa nazýva Midhaul a CU-MC sa nazýva Backhaul. [L9] [L17]

RAN proces

Obr. L7: RAN proces [L9]

RRC funguje v CP RANky, nespracováva pakety na UP. Jeho hlavné funkcie sú nadviazanie spojenia, release funkcie, RRC procedúry pripojovania, stránkovanie. [L13] PDCP má za úlohu komprimovať a dekomprimovať hlavičky, ochranu integrity, prenos UP a CP dát a šifrovanie. [14] RLC opravuje chyby pomocou ARQ (Automatic Repeat Request), má za úlohu reťazenie, segmentáciu a opätovné zostavenie SDU (Service Data Unit). [L15] MAC má na starosti buffering, multiplexovanie a demultiplexovanie segmentov, taktiež je navrhnutý aby maximalizoval využitie drahého licensovaného spektra. [16] PHY má na starosti kódovanie, moduláciu a FEC (forward error correction).

Ďalším krokom pre lepšie porozumenie je obrázok č.8. Na obrázku sú funkcionality z obr.L7 rozdelené medzi fyzické elementy. Toto sa nazýva Split RAN. Takáto split architektúra nám dovolí koordinovať vlastnosti výkonu, ako je odozva a náklady. Pri oddelení DU od RU napríklad uštríme na nákladoch, pretože menej inteligentné RU sú lacnejšie. Videá, hry alebo zvuk majú iné tolerancie na latenciu a takéto služby záležia od rôznych scenárov nasadenia a dopravy. Tento koncept bol predstavený pre 5G, ale môže byť použitý aj pri 2G, 3G a 4G. RAN je rozdelený do CU (Central Unit) DU (Distributed Unit) a RU (Radio Unit). RU je hardvérová rádiová jednotka, ktorá konvertuje signály poslané z antén do digitálneho signálu. Stará sa o DFE (digital front end) a nižšiu PHY. DU softvér je normálne nasadený blízko k RU a bežia v ňom RLC, MAC a časti PHY. CU softvér prevádzkuje RRC a PDCP vrstvy. Split architektúra dovoľuje 5G sieti využiť rôzne distribúcie protokolov medzi CU a DU, záležiac od návrhu siete. Tiež si uvedomme, že Split RAN mení povahu tzv. Backhaul siete, tá pôvodne spájala bázové stanice priamo s MC. So Split RAN máme viacero pripojení. RU-DU pripojenie sa nazýva Fronthaul, DU-CU pripojenie sa nazýva Midhaul a CU-MC sa nazýva Backhaul. [L9] [L17]

Split RAN

Obr. L8: Split RAN [L9]

Mobile Core

5G jadro je srdcom 5G siete, kontroluje DP (Data Plane) a CP operácie. Je zodpovedné za veľa rôznych funkcií komunikácie v mobilnej sieti ako napríklad autentikácia, autorizácia a manažment dát. MC poskytuje IP pripojenie do RAN a pripája užívateľov na Internet, pričom sleduje pohyb užívateľov medzi bázovými stanicami a dáva pozor aby sa uchovalo sľúbené QoS (Quality of Service) pripojenie. Dá sa povedať že MC je v podstate zväzok funkcií. 5G MC je nazývané NG-Core (Next Generation) a používa SBA (servicebased architecture) architektúru. Na MC sa dá pozerať dvomi spôsobmi, zo pohlľadu 3GPP a z Internetu. V druhej verzii sa MC správa ako smerovač, ktorý spája fyzickú RAN s globálnym internetom. V tomto spôsobe nám IP adresy slúžia ako globálny identifikátor.

V druhej perspektíve nám ako globálny identifikátor slúži IMSI (International Mobile Station Identity) zo SIM (Subscriber Identity Module) karty, vďaka ktorému je možní komunikácia medzi dvomi mobilmi. [L9] [L18] [L19]

Komponenty
5G Core Architektúra

Obr. L9: 5G Core Architektúra [L19]

MC sa skladá z viacerých funkčných blokov. AMF (Core Access and Mobility Management Function) má za úlohu manažment registrácie, pripojenia, dosiahnuteľnosti, mobility a rôznych funkcií v ochrane a prístupe. SMF (Session Management Function) zodpovedá za interakciu s oddelenou dátovou rovinou, vytváranie, aktualizovanie a mazanie PDU (Protocol Data Unit) relácií a spravovanie context relácie. PCF (Policy Control Function) vedie funkcie riadiacej roviny skrz pravidlá používania. Cez PCF operátori môžu spravovať a viesť správanie siete. UDM (Unified Data Management) je centralizovaný spôsob kontroly dát používateľa siete. Spája viacero zdrojov dát do jediného zdroju dát. Ako centrálne úložisko informácií, je kritický pre užívateľské dáta a iné sieťové funkcie v 5GC. AUSF (Authentication Server Function) zodpovedá za ochrannú procedúru pre SIM autentikáciu. Rieši smerovanie založené na SUCI (Subscription Concealed Identifier) a SUPI (Subscription Permanent Identifier). Podporuje re-sync procedúru. Udržuje stavy relácie vo vonkajšej centralizovanej databáze. SDSF (Structured Data Storage Network Function) je pomocná služba používaná na uloženie štruktúrovaných dát. Je implementovaná cez SQL databázu. UDSF (Unstructured Data Storage Network Function) je pomocná služba používaná na uloženie neštruktúrovaných dát, implementovaná cez Key/Value Store. NEF (Network Exposure Function) je funkcia navrhnutá, aby sa správala ako obojstranná brána na povolenie dôveryhodným externým organizáciam prístup k sieti CSP pre vytvorenie 5G inovatívnej služby. NRF (NF Repository Function) je kľúčový prvok 5g architektúry založenej na službe. Poskytuje jeden záznam všetkých sieťových funkcií dostupných v PLMN, spolu s profilmi a ich službami čo podporujú. [L9] [L18]

Rozdiely medzi 4G a 5G

Zmeny na jadrovej úrovni patria medzi nespočetné množstvo architekturálnych zmien. 4G EPC (Evolved Packet Core) je z veľkej časti rozdielne oproti 5G core. 5G využíva virtualizáciu a cloudový dizajn. 5G taktiež využíva vyššiu rádiovú frekvenciu. Bolo navrhnuté aby zaručovalo vysoké rýchlosti, flexibilitu a nízku latenciu. K Ďalším zmenám patrí network slicing, massive MIMO a presun na milimetrové vlny, ktoré podporujú viacero zariadení v oblasti. [L19] [L18]

Standalone a Non-standalone

Existuje SA a NSA architektúra. Každá ma svoje výhody a nevýhody. 5G NSA bola dokončená už v roku 2017 a používa 4G LTE RAN a core siete ako základ, ale je k ním pridaný 5G nosič komponentov. SA používa 5G CN softvér pre funkcie a je v podstate celá postavená zo základov z 5G komponentov a funkcií. Nevýhodou SA je, že nie je spätne kompatibilné s 4G, avšak poskytuje vysoko rýchlostné pripojenie a umožňuje operátorom ušetriť čas a peniaze. NSA je populárne medzi operátormi pre rýchle nasadenie, ale nedokáže poskytnúť pokročilé 5G NR vlasnosti ako SA. [L19]

Tvarovanie lúčov

Ďalšou priekopovou technológiou v 5G je tvarovanie lúčov, lepšie známe ako beamforming. Je to druh rádiovej frekvencie používaný na posielanie silných, zaostrených signálov k cieľovému zariadeniu. V ňom prístupový bod používa viacero antén na poslanie toho istého signálu k špecifickému prijímaciemu zariadeniu. Normálne by sa signál rozšíril do viacerých smerov od vysielajúcej antény. Týmto spôsobom sú viaceré signály vysielané v rovnaký čas. Rozvrstvenie signálu vytvára rušenie, ktoré môže byť aj konštruktívne, ako aj deštruktívne, záleží na správnosti nasadenia. Pri úspešnom beamformingu bude signál silný a zaostrený na svoj cieľ.Celkový rozdiel je v tom, že beamforming používa viacero antén namiesto jednej. Ako výsledok, tieto signály majú priamejšie pripojenie, ktoré je rýchlejšie a spoľahlivejšie. Tvarovanie lúčov má viacero druhov, analógové, hybridné, digitálne, Massive MIMO, a riadenie lúča. V 5G je používané na prekonanie bežných 5G problémov ako napríklad dosah. Keďže 5G využíva rádiové frekvencie 30 GHz – 300 GHz na komunikáciu so zariadeniami, nastáva väčšia šanca rušenia signálu, alebo obtiaže pri prechádzaní skrz fyzické objekty. Toto môže byť vyriešené viacerými stratégiami ako napríklad použitím veľmi veľkého množstva antén v jedinej 5G bázovej stanici, ale dokáže sa to vyriešiť aj tvarovaním lúčov. Ďalšími výhodami je vyššia kvalita signálu, rýchlejší prenos, menej chybovosti a analógové tvarovanie lúčov je relatívne jednoduché implementovať. [L19] [L20] [L21]

Rýchlosť

5G môže teoreticky dosiahnuť rýchlosť až 20 Gbps, čo je 20 krát viac ako pri 4G. Nato aby sme dosiahli tento vrchol v reálnom svete však budeme musieť ešte dlho čakať. Najvyššie rýchlosti sťahovania v dnešnej dobe sú od 1 Gbps do 10 Gbps s latenciou až po 1 ms, pričom priemerná rýchlosť je 50Mbps a vyššie. Skutočná rýchlosť závisí od pripojeného zariadenia a 5G pokrytia. Výsledná rýchlosť taktiež záleží od druhu 5G a od počtu ľudí pripojených na sieť. Sú 3 druhy pripojenia, low-band, mid-band a high-band. Low-band je taktiež nazývané, má najnižšiu rýchlosť, ale ponúka väčšie pokrytie a penetráciu. Mid-band je najpoužívanejším a dokáže poskytnúť rýchlosť od 10 do 1000 Mbps. Najvyššie rýchlosti sú dosiahnuteľné v high-band a môžu dosiahnúť až 4 Gbps. Momentálne sú väčšie rozdiely rýchlosti medzi operátormi. T-Mobile má najvyššiu rýchlosť s priemerom 150 Mbps. Pričom AT & T má najnižšiu s priemerom 49.1 Mbps, čo je len o málo viac ako bežná 4G sieť. [L24] [L23] [L25]

Latencia

Latencia je najväčším rozdielom medzi 4G a 5G. Sľúbená hodnota je pod 5 milisekúnd a podľa niekoľkých zdrojov by mohla dosahovať až 1 milisekundu. Ideálna vzdušná latencia pre 5G je 8 až 12 milisekúnd, pričom táto latencia sa zvyšuje pri opätovnom prenose a podobne. Táto latencia sa dá znížiť na 10 až 15 ms pomocou okrajových serverov v blízkosti vysielačov. 4G latencia má momentálne latenciu od 60 do 98 ms, čo je približne 5 krát vyššia. [26] Takáto extrémne nízka latencia je dobrá pri VR (Virtual Reality) hraní, prekladaní textov a bežnom každodennom používaní, ale asi najväčším využitím je pri V2X komunikácii. Priemerný reakčný čas človeka je 250 ms, vaše auto môže reagovať 25 krát rýchlejšie ako priemerný človek, čo môže pomôcť zabrániť dopravnej nehode. [L24] [L23] [L25]

Nevýhody

Tak ako každá nová technológia, aj 5G má svoje nevýhody. Jednou z týchto nevýhod je spôtná kompatibilita. Staršie zariadenia bez podpory 5G sú automaticky bez využitia čo sa týka 5G. Ďalšia limitácia nastáva pri nasadzovaní. 5G bude hlavne nasadzované vo veľkých mestách s vysokou populáciou, čiže vidiek a menšie mestá nebudú mať prístup k tejto technológii v blízkej dobe. Toto je tvorené tým, že investícia do infraštruktúry nie je lacná. Ešte jedným z výraznejších problémov je dosah a prirodzené rušenie. Budovy, stromy a podobné prekážky dokážu pohltiť alebo narušiť signál a vzdialenosť pripojenia nie je moc veľká, keďže frekvenčné vlny putujú len na krátku vzdialenosť. 5G využíva milimetrové vlny, ktoré sú o dosť kratšie ako vlny pri 4G. Navyše k fyzickým prekážkam ako budovy a stromy, vysoké frekvencie sú náchylné k vlhku a dažďu. 5G je relatívne nová technológia a má problémy so zabezpečením a súkromím, ktoré ešte treba vyriešiť. Ľudia môžu stále použivať IMSI chytače na 5G sieti. Network Slicing taktiež vytvára nové slabé miesta. Útočníci môžu zneužiť slabinu v jednom sieťovom výseku a potom sa bočne presúvať do iných. [L27] [L28] [L29]