Qu'est-ce que l'architecture de réseau 5G ?

La première question que vous vous posez peut-être est la suivante : Qu'est-ce que la 5G exactement ? La deuxième question est peut-être la suivante : Comment est-elle architecturée différemment pour offrir vitesse, faible latence, capacité et de nombreux autres avantages ?

Dans cet article, nous allons aborder la question de l'architecture 5G. Nous examinerons certaines des capacités rendues possibles par l'architecture réseau 5G et la manière dont les applications connectées peuvent en bénéficier. Vous trouverez d'autres ressources dans les liens proposés tout au long de cet article et dans les ressources connexes du pied de page. Pour une bonne introduction de base à la 5G, consultez l'article, Qu'est-ce que la 5G, 1ère partie. Notre aperçu de la 5G se poursuit dans Partie 2, Qui adoptera la technologie 5G, et quand ?

Une chose est sûre : Notre monde connecté est en train de changer. La 5G, avec son architecture réseau de nouvelle génération, a le potentiel de prendre en charge des milliers de nouvelles applications dans les segments grand public et industriel. Les possibilités de la 5G semblent presque illimitées lorsque la vitesse et le débit sont exponentiellement supérieurs à ceux des réseaux actuels.

Ces capacités avancées permettront des applications sur des marchés verticaux tels que la fabrication, la santé et les transports, où la 5G jouera un rôle majeur dans tous les domaines, de l'automatisation avancée de la fabrication aux véhicules entièrement autonomes. Afin de développer des cas d'utilisation et des applications commerciales rentables pour la 5G, il est utile d'avoir au moins une compréhension générale de l'architecture du réseau 5G qui est au cœur de toutes ces nouvelles applications.

La 5G a fait l'objet d'une attention énorme, et plus qu'un peu... battage médiatique. Si le potentiel est énorme, il est important de savoir que l'industrie n'en est encore qu'aux premiers stades de l'adoption. Le processus de déploiement du réseau 5G a commencé il y a plusieurs années et a nécessité la construction de la nouvelle infrastructure, dont la majeure partie est financée par les principaux opérateurs de téléphonie mobile.

Le déploiement complet de la 5G prendra du temps, se déployant dans les grandes villes bien avant de pouvoir atteindre les zones moins peuplées. Digi soutient ses clients dans se préparer à la 5Gavec des communications sur planification des migrations et des produits de prochaine génération. Bien que Digi ne soit pas directement impliqué dans le développement du cœur de la nouvelle radio (NR) 5G et du réseau d'accès radio (RAN) 5G, les appareils Digi feront partie intégrante de la vision 5G et de leur utilisation dans une myriade d'applications. Applications 5G.

Architecture du réseau 5G

Alors, qu'est-ce que la 5G exactement et en quoi l'architecture technologique du réseau 5G diffère-t-elle des "G" précédents ?

Les normes 3GPP qui sous-tendent l'architecture du réseau 5G ont été introduites par le projet de partenariat de troisième génération (3GPP), l'organisation qui élabore des normes internationales pour toutes les communications mobiles. L'Union internationale des télécommunications (UIT) et ses partenaires définissent les exigences et le calendrier des systèmes de communication mobile, en définissant une nouvelle génération environ tous les dix ans. Le 3GPP développe des spécifications pour ces exigences dans une série de versions.
 
Le "G" de 5G signifie "génération". L'architecture technologique de la 5G présente des avancées significatives par rapport à la technologie 4G LTE (long-term evolution), qui succède à la 3G et à la 2G. Comme nous le décrivons dans notre ressource connexe, Le voyage vers la 5GEn effet, il y a toujours une période pendant laquelle plusieurs générations de réseaux existent en même temps. Comme ses prédécesseurs, la 5G doit coexister avec les réseaux précédents pour deux raisons importantes :

1. Le développement et le déploiement de nouvelles technologies de réseau nécessitent énormément de temps, d'investissements et de collaboration entre les grandes entités et les opérateurs.
2. Les adeptes précoces voudront toujours mettre la main sur les nouvelles technologies le plus rapidement possible, tandis que ceux qui ont réalisé des investissements importants dans de vastes déploiements avec des technologies de réseau existantes, telles que 2G, 3G et 4G LTE, veulent utiliser ces investissements aussi longtemps que possible, et certainement jusqu'à ce que le nouveau réseau soit pleinement viable. (Notez que les réseaux 2G et 3G sont en train de disparaître pour faire place au déploiement de la 5G. Voir notre article de blog sur la mise à jour de la fermeture des réseaux 2G, 3G et 4G).

L'architecture de réseau de la technologie mobile 5g est bien meilleure que les architectures précédentes. Les réseaux à grande densité cellulaire permettent des bonds massifs en termes de performances. En outre, l'architecture des réseaux 5G offre une meilleure sécurité que les réseaux 4G LTE actuels.

En résumé, la technologie 5G offre trois avantages principaux :

• Vitesse de transmission des données plus rapide, jusqu'à des vitesses de plusieurs gigabits/s.
• Une plus grande capacité, alimentant une quantité massive d'appareils IoT par kilomètre carré.
• Une latence plus faible, de l'ordre de quelques millisecondes, ce qui est d'une importance capitale dans des applications telles que les véhicules connectés dans les applications ITS et les véhicules autonomes, où une réponse quasi instantanée est nécessaire.  

Cela signifie-t-il que la 5G est totalement prête aujourd'hui ? Et cela signifie-t-il que l'architecture 5G convient à toutes les applications ? Lisez la suite pour savoir comment la nouvelle technologie prend en charge les applications clés et quelles sont les applications qui conviennent mieux à la 4G LTE.
 

Considérations sur la conception et la planification de la 5G

Les considérations de conception d'une architecture de réseau 5G prenant en charge des applications très exigeantes sont complexes. Par exemple, il n'y a pas d'approche unique ; la gamme d'applications exige que les données parcourent des distances, de grands volumes de données, ou une certaine combinaison. L'architecture 5G doit donc prendre en charge le spectre à bande basse, moyenne et haute - provenant de sources sous licence, partagées et privées - afin de concrétiser pleinement la vision 5G.
 
C'est pourquoi la 5G est conçue pour fonctionner sur des fréquences radio allant de moins de 1 GHz à des fréquences extrêmement élevées, appelées "ondes millimétriques" (ou mmWave). Plus la fréquence est basse, plus le signal peut voyager loin. Plus la fréquence est élevée, plus le signal peut transporter de données.

Trois bandes de fréquences sont au cœur des réseaux 5G :

• La 5G à large bande (mmWave) offre les fréquences les plus élevées de la 5G. Celles-ci vont de 24 GHz à environ 100 GHz. Comme les hautes fréquences ne peuvent pas se déplacer facilement à travers les obstacles, la 5G à haute bande est de courte portée par nature. En outre, la couverture mmWave est limitée et nécessite davantage d'infrastructures cellulaires.
• La bande intermédiaire 5G fonctionne dans la gamme 2-6 GHz et fournit une couche de capacité pour les zones urbaines et suburbaines. Cette bande de fréquences présente des débits de pointe de plusieurs centaines de Mbps.
• La bande basse 5G fonctionne en dessous de 2 GHz et offre une large couverture. Cette bande utilise le spectre qui est disponible et utilisé aujourd'hui pour la 4G LTE, fournissant essentiellement une architecture LTE 5g pour les appareils 5G qui sont prêts maintenant. Les performances de la 5G à bande basse sont donc similaires à celles de la 4G LTE, et supportent l'utilisation pour les appareils 5G sur le marché aujourd'hui.

Outre la disponibilité du spectre et les exigences des applications en matière de distance par rapport à la largeur de bande, les opérateurs doivent tenir compte des besoins en énergie de la 5G, car la conception d'une station de base 5G typique exige une puissance deux fois supérieure à celle d'une station de base 4G.
 

Considérations pour la planification et le déploiement des applications 5G

Les intégrateurs de systèmes, ainsi que ceux qui développent et déploient des applications 5G pour les secteurs verticaux que nous avons évoqués, constateront qu'il est important d'envisager des compromis. (Notre vidéo, 5 facteurs pour guider votre préparation à la 5G, est une excellente ressource).

Voici, par exemple, des exemples de certaines des principales considérations :

• Où votre application sera-t-elle déployée ? Les applications qui sont optimisées pour les ondes mm ne fonctionneront pas comme prévu à l'intérieur des bâtiments et lorsqu'une portée étendue est nécessaire. Les cas d'utilisation optimaux comprennent les télécommunications cellulaires 5G dans les bandes 24 à 39 GHz, les radars de police dans la bande Ka (33,4 à 36,0 GHz), les scanners dans la sécurité des aéroports, les radars à courte portée dans les véhicules militaires et les armes automatisées sur les navires de guerre pour détecter et abattre les missiles.
• Quel type de débit sera nécessaire ? Pour les véhicules autonomes et les applications des systèmes de transport intelligents (STI), les dispositifs et la connectivité doivent être optimisés pour la vitesse. Les communications en temps quasi réel - mesurées en millionièmes de seconde - sont essentielles pour que les véhicules et les dispositifs puissent "prendre des décisions" en matière de virage, d'accélération et de freinage, et la latence la plus faible possible est essentielle pour ces applications.
• Les applications vidéo et RV, en revanche, doivent être optimisées pour le débit. Les applications vidéo telles que l'imagerie médicale peuvent à terme tirer pleinement parti des quantités massives de données que les réseaux 5G peuvent prendre en charge.

Pour que la 5G concrétise pleinement sa vision, l'infrastructure du réseau doit également évoluer. Le diagramme suivant illustre la migration dans le temps, ainsi que l'évolution de l'infrastructure du réseau. Plans de produits 5G de Digi. 



Les premières utilisations de la technologie 5G ne seront pas exclusivement 5G mais apparaîtront dans des applications où la connectivité est partagée avec la 4G LTE existante dans ce que l'on appelle le mode non autonome (NSA). Lorsqu'il fonctionne dans ce mode, un appareil se connectera d'abord au réseau 4G LTE, et si la 5G est disponible, l'appareil pourra l'utiliser pour obtenir une bande passante supplémentaire. Par exemple, un appareil se connectant en mode 5G NSA pourrait bénéficier d'un débit descendant de 200 Mbps sur le réseau 4G LTE et d'un autre 600 Mbps sur le réseau 5G en même temps, soit un débit global de 800 Mbps. 
 
À mesure que de plus en plus d'infrastructures de réseau 5G seront mises en ligne au cours des prochaines années, elles évolueront pour permettre le mode autonome (SA) de la 5G uniquement. Cela apportera la faible latence et la capacité de se connecter avec un nombre massif d'appareils IoT qui font partie des principaux avantages de la 5G.

Réseau central

Dans cette section, nous donnons un aperçu de l'architecture de base de la 5G et décrivons les composants de base de la 5G. Nous montrerons également comment l'architecture 5G se compare à l'architecture 4G actuelle.

Le réseau central 5G, qui permet la fonctionnalité avancée des réseaux 5G, est l'un des trois principaux composants du système 5G, également appelé 5GS (source). Les deux autres composants sont le réseau d'accès 5G (5G-AN) et l'équipement utilisateur (UE). Le cœur de la 5G utilise une architecture basée sur les services (SBA) alignée sur le cloud pour prendre en charge l'authentification, la sécurité, la gestion des sessions et l'agrégation du trafic des appareils connectés, le tout nécessitant l'interconnexion complexe des fonctions du réseau, comme le montre le schéma du cœur de la 5G.

Les composants de l'architecture centrale 5G comprennent :

• Fonction plan utilisateur (UPF)
• Réseau de données (DN), par exemple les services de l'opérateur, l'accès à l'Internet ou les services de tiers.
• Fonction centrale de gestion de l'accès et de la mobilité (AMF)
• Fonction de serveur d'authentification (AUSF)
• Fonction de gestion de session (SMF)
• Fonction de sélection de tranche de réseau (NSSF)
• Fonction d'exposition réseau (NEF)
• Fonction de référentiel NF (NRF)
• Fonction de contrôle des politiques (PCF)
• Gestion unifiée des données (UDM)
• Fonction d'application (AF)

Le schéma de l'architecture du réseau 5G ci-dessous illustre la manière dont ces composants sont associés.
 

Schéma de l'architecture 4G

Lorsque la 4G a évolué à partir de son prédécesseur 3G, seules de petites modifications progressives ont été apportées à l'architecture du réseau. Le schéma suivant de l'architecture du réseau 4G montre les principaux composants d'un réseau central 4G :



Source : 3GPP

Dans l'architecture du réseau 4G, Équipement utilisateur (UE) comme les smartphones ou les appareils cellulaires, se connecte sur le réseau LTE. Réseau d'accès radio (E-UTRAN) à la Evolved Packet Core (EPC) et ensuite aux réseaux externes, comme l'Internet. Le site NodeB évolué (eNodeB) sépare le trafic de données de l'utilisateur (plan utilisateur) du trafic de données de gestion du réseau (plan de contrôle) et alimente l'EPC séparément.

Schéma de l'architecture 5G

La 5G a été conçue de A à Z, et les fonctions du réseau sont réparties par service. C'est pourquoi cette architecture est également appelée "cœur de la 5G". Architecture basée sur les services (SBA). Le schéma suivant de la topologie du réseau 5G montre les principaux composants d'un réseau central 5G :

Source : Techplayon

Voici comment cela fonctionne :

• Leséquipements utilisateurs (UE ), tels que les smartphones 5G ou les appareils cellulaires 5G, se connectent via le nouveau réseau d'accès radio 5G au cœur du réseau 5G, puis aux réseaux de données (DN), comme l'internet.
• La fonction de gestion de l'accès et de la mobilité (AMF) fait office de point d'entrée unique pour la connexion de l'UE.
• En fonction du service demandé par l'UE, l'AMF sélectionne la fonction de gestion de session (SMF) respective pour gérer la session utilisateur.
• La fonction de plan d'utilisateur (UPF) transporte le trafic de données IP (plan d'utilisateur) entre l'équipement utilisateur (UE) et les réseaux externes.
• La fonction de serveur d'authentification (AUSF ) permet à l'AMF d'authentifier l'UE et d'accéder aux services du noyau 5G.
• D'autres fonctions telles que la fonction de gestion de session (SMF), la fonction de contrôle de politique (PCF), la fonction d'application (AF) et la fonction de gestion unifiée des données (UDM) fournissent le cadre de contrôle de politique, en appliquant les décisions de politique et en accédant aux informations d'abonnement, pour régir le comportement du réseau.

Comme vous pouvez le constater, l'architecture du réseau 5G est plus complexe en coulisses, mais cette complexité est nécessaire pour fournir un meilleur service qui peut être adapté au large éventail de cas d'utilisation de la 5G.

Différence entre l'architecture des réseaux 4G et 5G

Dans cette section, nous allons voir en quoi les architectures 4G et 5G diffèrent. Dans une architecture de réseau 4G LTE, le RAN LTE et l'eNodeB sont généralement proches l'un de l'autre, souvent à la base ou près de la tour cellulaire, et fonctionnent sur du matériel spécialisé. En revanche, l'EPC monolithique est souvent centralisé et plus éloigné de l'eNodeB. Cette architecture rend difficile, voire impossible, la communication de bout en bout à haut débit et à faible latence.
 
Lorsque les organismes de normalisation comme le 3GPP et les fournisseurs d'infrastructures comme Nokia et Ericsson ont conçu le cœur de la nouvelle radio 5G (5G-NR), ils ont démantelé l'EPC monolithique et mis en œuvre chaque fonction de manière à ce qu'elle puisse fonctionner indépendamment les unes des autres sur du matériel serveur commun et standard. Cela permet au cœur de la 5G de devenir des nœuds 5G décentralisés et très flexibles. Par exemple, les fonctions centrales 5G peuvent désormais être colocalisées avec les applications dans un centre de données périphérique, ce qui permet de raccourcir les chemins de communication et d'améliorer ainsi la vitesse et la latence de bout en bout.

Source : Techmania

Un autre avantage de ces composants centraux 5G plus petits et plus spécialisés fonctionnant sur du matériel commun est que les réseaux peuvent désormais être personnalisés grâce au découpage du réseau. Le découpage du réseau permet de disposer de plusieurs "tranches" logiques de fonctionnalités optimisées pour des cas d'utilisation spécifiques, toutes fonctionnant sur un seul noyau physique au sein de l'infrastructure du réseau 5G.
 
Un opérateur de réseau 5G peut proposer une tranche optimisée pour les applications à large bande passante, une autre tranche plus optimisée pour une faible latence, et une troisième optimisée pour un nombre massif de dispositifs IoT . En fonction de cette optimisation, certaines des fonctions centrales de la 5G peuvent ne pas être disponibles du tout. Par exemple, si vous ne desservez que les appareils IoT , vous n'aurez pas besoin de la fonction vocale nécessaire aux téléphones mobiles. Et comme chaque tranche ne doit pas avoir exactement les mêmes capacités, la puissance de calcul disponible est utilisée plus efficacement.


Source : Centrale SDX
 

L'évolution de la 5G

Chaque génération ou "G" de communication sans fil prend environ une décennie pour arriver à maturité. Le passage d'une génération à l'autre est principalement motivé par le besoin des opérateurs de réutiliser ou de réaffecter la quantité limitée de spectre disponible. Chaque nouvelle génération présente une meilleure efficacité spectrale, ce qui permet de transmettre les données plus rapidement et plus efficacement sur le réseau.


La première génération de communication sans fil, ou 1G, a débuté dans les années 1980 avec la technologie analogique. Elle a été rapidement suivie par la 2G, la première génération de réseau à utiliser la technologie numérique. La croissance de la 1G et de la 2G a d'abord été stimulée par le marché des téléphones mobiles. La 2G offrait également la communication de données, mais à des vitesses très faibles.

La génération suivante, la 3G, a commencé à monter en puissance au début des années 2000. La croissance de la 3G a de nouveau été stimulée par les combinés, mais elle a été la première technologie à offrir des vitesses de transmission de données de l'ordre de 1 mégabit par seconde (Mbps), adaptées à une variété de nouvelles applications, tant sur les smartphones que dans l'écosystème émergent de l'internet des objets (IoT). Notre génération actuelle de technologie sans fil, 4G LTE, a commencé à monter en puissance en 2010.

Il est important de noter que La 4G LTE (Long Term Evolution) a une longue durée de vie. Il s'agit d'une technologie très performante et mature qui devrait être largement utilisée pendant au moins une autre décennie.
 

L'architecture 5G, le cloud et la périphérie

Parlons de l'informatique périphérique dans l'architecture du réseau 5G.

Un autre concept distingue l'architecture du réseau 5G de son prédécesseur 4G. informatique périphérique ou l'informatique en périphérie mobile. Dans ce scénario, vous pouvez avoir de petits centres de données positionnés à la périphérie du réseau, près de l'endroit où se trouvent les tours de téléphonie mobile. C'est très important pour une latence très faible et pour les applications à large bande passante qui transportent le même contenu.

Pour un exemple de bande passante élevée, pensez aux services de streaming vidéo. Le contenu provient d'un serveur qui se trouve quelque part dans le nuage. Si des personnes sont connectées à une tour de téléphonie mobile et que, par exemple, 100 personnes diffusent en continu un programme télévisé populaire, il est plus efficace d'avoir ce contenu aussi près que possible du consommateur, là où il se trouve, idéalement sur la tour de téléphonie mobile.

L'utilisateur diffuse ce contenu en continu à partir d'un support de stockage situé à la périphérie, au lieu de devoir diffuser et transférer ces informations et les transmettre à 100 personnes à partir d'un emplacement central sur le nuage. Au lieu de cela, en utilisant la structure 5G, vous pouvez apporter le contenu à la tour une seule fois, puis le distribuer à vos 100 abonnés.
 
Le même principe s'applique aux applications nécessitant une communication bidirectionnelle, où une faible latence est nécessaire. Si un utilisateur dispose d'une application fonctionnant à la périphérie, le délai d'exécution est beaucoup plus rapide car les données n'ont pas à traverser le réseau.

Dans la structure du réseau 5G, ces réseaux périphériques peuvent également être utilisés pour les services fournis à la périphérie. Étant donné qu'il est possible de virtualiser ces fonctions centrales de la 5G, elles peuvent être exécutées sur un serveur ou un matériel de centre de données standard et la fibre optique est reliée à la radio qui envoie le signal. La radio est donc spécialisée, mais tout le reste est assez standard.
 
Aujourd'hui, la 4G LTE continue de se développer. Elle offre une excellente vitesse et une bande passante suffisante pour prendre en charge la plupart des applications IoT aujourd'hui. Les réseaux 4G LTE et 5G coexisteront au cours de la prochaine décennie, à mesure que les applications commenceront à migrer, puis que les réseaux et les applications 5G finiront par supplanter la 4G LTE.

Appareils utilisant la 5G

La 5G évoluera au fil du temps, et les appareils 5G suivront le mouvement. Les premiers produits seront "prêts pour la 5G", ce qui signifie qu'ils disposeront de la puissance de traitement et des ports Gigabit Ethernet nécessaires pour prendre en charge les modems 5G à plus grande largeur de bande et les extendeurs 5G qui se profilent à l'horizon.

Les produits 5G ultérieurs auront des modems 5G directement intégrés et disposeront d'un processeur multicœur plus rapide, d'interfaces Ethernet à 2,5 voire 10 gigabits et de radios Wi-Fi 6/6E. Ces changements de produits augmenteront le coût des produits 5G, mais ils sont nécessaires pour gérer la vitesse supplémentaire et la latence réduite qu'offriront les réseaux 5G.
 

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L'avenir de la 5G est prometteur et Digi est enthousiaste à l'idée de mettre sur le marché une variété croissante de nouveaux produits 5G dans les années à venir. Avec une vitesse plus rapide, une plus grande capacité et une latence plus faible, la 5G apportera des fonctionnalités supplémentaires et de nouveaux cas d'utilisation passionnants que la 4G ne peut pas offrir. Les secteurs commercial et gouvernemental IoT bénéficieront énormément de la nouvelle architecture 5G, de sa flexibilité et de ses différents composants. Il faut donc s'intéresser à la prochaine génération et aux futures opportunités commerciales. Et réfléchissez à la manière dont vous pourriez avoir besoin de faire évoluer vos systèmes.

Planifier la 5G ? Il y a beaucoup à apprendre. Visitez le Digi 5G Resource Center pour continuer à apprendre. Et n'hésitez pas à nous contacter lorsque vous serez prêt à discuter de la façon dont la 5G peut s'intégrer dans vos futurs plans d'affaires et comment vous pouvez maximiser les performances de vos systèmes 4G LTE existants afin d'assurer une transition en douceur, transparente et rentable au fur et à mesure de l'évolution des écosystèmes 5G.
 

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