پروژه مشارکتی 3GPP، معماری 5G را چگونه توصیف می‌کند

معماری 5G 3GPP

پروژه مشارکتی 3GPP روی فناوری‌های مخابراتی مثل RAN، شبکه‌های اصلی حمل‌و‌نقل و قابلیت‌های خدماتی متمرکز است. 3GPP مشخصات فنی و کاملی برای معماری شبکه 5G ارائه کرده که سرویس‌گرایی بیشتری نسبت به ‌نسل‌های قبل‌تر دارد. خدمات از طریق یک چارچوب مشترک در اختیار مولفه‌های کلیدی شبکه که مجاز به ‌استفاده از این خدمات هستند، ارائه می‌شود. پودمانگی یا همان ماژولاریتی (modularity)، قابلیت استفاده مجدد و خودمهاری عملکردهای شبکه از ملزومات اضافی و مهمی هستند که هنگام طراحی و پیاده‌سازی شبکه‌های 5G به آن پرداخته می‌شود و 3GPP تاکید زیادی روی آن‌ها دارد. 

طیف و فرکانس  5G

در حال حاضر، محدوده‌‌های فرکانسی مختلف و اختصاصی در قالب واسط رادیویی جدید (NR) سرنام New Radio قرار دارند که 5G قادر به ‌استفاده از آن‌ها است و در دسترس اپراتورها قرار دارد. بخشی از این طیف رادیویی با فرکانس‌های بین 30 و 300 گیگاهرتز به‌عنوان موج میلی‌متری شناخته می‌شوند، زیرا طول موج‌های آن بین 1-10 میلی‌متر است. در حال حاضر، فرکانس‌های بین 24 و 100 گیگاهرتز در چند کشور به شبکه‌های 5G اختصاص داده شده است. علاوه بر موج میلی‌متری، فرکانس‌های کم‌کاربرد UHF، بین 300 مگاهرتز و 3 گیگاهرتز نیز قابلیت تغییر کاربردی دارند تا شبکه‌های 5G قادر به استفاده از آن‌ها باشند. با توجه به این‌که فرکانس‌های بالاتر از طریق پهنای باند بیشتر و البته برد کوتاه‌تر مشخص می‌شوند، تنوع فرکانس‌های به‌کار گرفته شده را می‌توان برای کاربردهای منحصربه‌فرد تنظیم کرد. فرکانس‌های موج میلی‌متری برای مناطق پرجمعیت ایده‌آل هستند، اما برای ارتباطات راه دور بی‌فایده و بی‌اثر هستند. در باندهای فرکانس بالا و پایین که به 5G اختصاص داده شده، هر اپراتوری (carrier) بخش‌های مجزا و فردی خود را تعریف می‌کند تا بتواند از طیف 5G در دسترس برای سرویس‌دهی به مشترکان خود استفاده کند. 

محاسبات لبه چنددسترسی 

محاسبات لبه چنددسترسی MEC سرنام Multi-Access Edge Computing  یک مولفه مهم در معماری 5G است. MEC یک تحول در رایانش ابری است که برنامه‌های کاربردی را از مراکز داده متمرکز به لبه شبکه می‌آورد و بنابراین به کاربران نهایی و دستگاه‌های آن‌ها نزدیک‌تر می‌شود. MEC نقش پلی ارتباطی میان کاربر و میزبان را به‌منظور تحویل محتوا بازی می‌کند. 

این فناوری منحصر به 5G نیست، اما به‌طور حتم نقش مهم و ضروری در عملکرد آن دارد. ویژگی‌های MEC شامل تأخیر کم، پهنای باند بالا و دسترسی بلادرنگ به اطلاعات RAN است که معماری 5G را از نسل‌های قبل متمایز می‌کند. این هم‌گرایی RAN و شبکه‌های مرکزی، اپراتورها را ملزم می‌کند تا از رویکردهای جدیدی برای آزمایش و اعتبارسنجی شبکه استفاده کنند. 

شبکه‌های 5G بر اساس مشخصات 3GPP 5G یک محیط ایده‌آل برای استقرار MEC به‌وجود می‌آورند. مولفه‌های کلیدی 5G، قابلیت‌های قدرتمندی را برای محاسبات لبه تعریف می‌کنند و به MEC و 5G اجازه می‌دهند تا ترافیک را به‌طور مشترک هدایت کنند. معماری MEC علاوه بر قابلیت‌هایی که برای کاهش تاخیر و افزایش پهنای باند دارد، توزیع توان محاسباتی، قابلیت اتصال تعداد زیادی از دستگاه‌ها به شبکه 5G و پشتیبانی و مدیریت از طیف گسترده‌ای از حس‌گرهای اینترنت اشیاء را امکان‌پذیر می‌کند. 

مجازی‌سازی عملکرد شبکه و 5G

مجازی‌سازی عملکرد شبکه (NFV) سرنام Network Function Virtualization با جایگزین کردن عملکردهای مختلف شبکه همچون فایروال‌ها، متعادل‌کننده‌های بار و روترها با نمونه‌های مجازی‌سازی‌شده که به‌عنوان نرم‌افزار اجرا می‌شوند، اقدام به‌ جداسازی نرم‌افزار از سخت‌افزار می‌کند. این امر نیاز به ‌سرمایه‌گذاری در بیشتر تجهیزات سخت‌افزاری گران‌قیمت را برطرف کرده و می‌تواند زمان نصب را کمتر کند. رویکردی که باعث می‌شود تا درآمدزایی از ارائه خدمات به مشتریان سریع‌تر انجام شود. 

NFV، زیرساخت 5G را با مجازی‌سازی تجهیزات داخل شبکه 5G امکان‌پذیر می‌کند که شامل فناوری تقسیم‌بندی شبکه (network slicing) است که اجرای همزمان چند شبکه مجازی را فراهم می‌کند. NFV می‌تواند دیگر چالش‌های 5G را از طریق محاسبات‌، فضای ذخیره‌سازی و منابع مجازی‌سازی شده بر پایه برنامه‌های کاربردی و گروه‌بندی مشتریان برطرف کند. 

معماری 5G RAN

مجازی‌سازی عملکرد شبکه را می‌توان از طریق تفکیک شبکه و به‌کارگیری فناوری‌هایی که توسط اتحادیه‌هایی مثل O-RAN توصیه می‌شود به RAN گسترش داد. رویکرد فوق انعطاف‌پذیری را بیشتر کرده و به اپراتورها اجازه می‌دهد به‌شکل ساده‌تری سایت‌های 5G را استقرار کنند، زیرا یک مکانیزم طراحی و توسعه مبتنی بر پلتفرم‌ها و رابط‌های باز را ارائه می‌کند که سهولت در استقرار ویژگی‌ها و فناوری جدید را فراهم می‌کند. هدف اتحادیه

O-RAN ALLIANCE این است که فرایند استقرار شبکه‌هایی که تجهیزات آن‌ها توسط فروشندگان سخت‌افزاری مختلف تامین شده را ساده‌تر کند. به‌طور معمول، در هنگام استقرار شبکه‌های 5G از ملزومات سخت‌افزاری یک تولیدکننده واحد استفاده می‌شود، اما گاهی‌اوقات شرایط ایجاب می‌کند از محصولات فروشندگان مختلف استفاده شود؛ در چنین شرایطی باید اطمینان حاصل کرد که هم‌کنش‌پذیری تجهیزات با یک‌دیگر راحت‌تر و سریع‌تر انجام شود. علاوه بر این، تفکیک شبکه، مجازی‌سازی مولفه‌های شبکه را امکان‌پذیر می‌کند و راهکاری برای گسترش‌پذیری و بهبود تجربه کاربری با افزایش ظرفیت را به‌وجود می‌آورد. مزایای مجازی‌سازی مولفه‌های RAN، راهکاری مقرون‌به‌صرفه‌تر از خرید سخت‌افزارهای خاصی است که برای پیاده‌سازی خدمات اینترنت اشیاء به‌ آن‌ها نیاز است. 

eCPRI

تفکیک شبکه همراه با‌ تقسیم عملکردها به‌لحاظ اقتصادی مزایای زیادی به‌همراه دارد، به‌ویژه با معرفی رابط‌های جدیدی مانند eCPRI. آزمایش‌های انجام شده توسط اپراتورهای 5G نشان می‌دهند که رابط‌های RF دیگر مقرون‌به‌صرفه نیستند، زیرا هزینه‌های RF به‌سرعت افزایش پیدا می‌کنند؛ به‌همین دلیل رابط‌های eCPRI به‌عنوان راهکاری مقرون‌به‌صرفه‌تر ابداع شدند، زیرا از رابط‌های کمتری استفاده می‌کنند. هدف eCPRI این است که رابطی استاندارد برای 5G ارائه کند. به‌عنوان مثال، در رابط front haul O-RAN از Distributed Unit استفاده می‌شود. CPRI بر خلاف eCPRI، برای 4G توسعه داده شده و بیشتر برای کمک به ‌فروشندگان محصولات سخت‌افزاری طراحی شده بود.

 تقسیم‌بندی شبکه

شاید کلیدی‌ترین عنصری که اجازه می‌دهد معماری 5G به ‌بهترین و کامل‌ترین شکل پیاده‌سازی شود، تقسیم‌بندی شبکه است. این فناوری با آماده‌سازی امکان اجرای همزمان چند شبکه منطقی در بالای یک زیرساخت شبکه فیزیکی مشترک، یک بُعد اضافی به دامنه NFV اضافه می‌کند. فناوری‌ای که امروزه بیشتر شبکه‌های 5G بر پایه آن پیاده‌سازی می‌شوند و به یکی از ارکان اصلی شبکه‌های 5G تبدیل شده است، زیرا امکان تعریف شبکه‌های مجازی end-to-end را به‌وجود می‌آورد که قابلیت‌های شبکه‌سازی و ذخیره‌سازی را ارائه می‌کنند. اپراتورها می‌توانند با تقسیم منابع شبکه میان چند کاربر یا مستاجر به مدیریت بهتر پارامترهای کلیدی شبکه‌های 5G مثل توان عملیاتی و تاخیر بپردازند. رویکرد فوق، پاسخ‌گویی به تقاضاهای متفاوت برای دسترسی به ‌شبکه را کارآمدتر می‌کند. تقسیم‌بندی شبکه برای کاربردهایی مثل اینترنت اشیاء که در آن تعداد کاربران ممکن است زیاد، اما تقاضای کلی پهنای باند کم باشد، مفید است. هر معماری شبکه 5G الزامات خاص خود را دارد، بنابراین تقسیم‌بندی شبکه به الگوی مهم در طراحی معماری شبکه‌های 5G تبدیل شده است. به‌طوری‌که، هزینه‌ها، مدیریت منابع و انعطاف‌پذیری پیکربندی‌های شبکه را می‌توان با این سطح از سفارشی‌سازی، بهینه‌سازی کرد. علاوه بر این، تقسیم‌بندی شبکه آزمایش سریع‌تر خدمات کاربردی جدید 5G را ساده‌تر و برآورد تقریبی زمان عرضه خدمات به مشتریان را امکان‌پذیر می‌کند.

شکل 1

 شکل‌دهی پرتو (Beam forming)

یکی دیگر از فناوری‌های مهم و ارزشمند برای موفقیت 5G، شکل‌دهی پرتو است. ایستگاه‌های پایه متداول و معمولی، سیگنال‌ها را در چند جهت‌ بدون توجه به موقعیت کاربران یا دستگاه‌های هدف ارسال می‌کنند. با استفاده از آرایه‌های چند-ورودی، چند-خروجی (MIMO) که شامل ده‌ها آنتن کوچک ترکیب شده در یک شکل واحد هستند، می‌توان از الگوریتم‌های پردازش سیگنال برای تعیین کارآمدترین مسیر انتقال به هر کاربر استفاده کرد، در حالی که بسته‌های اطلاعاتی مجزا را می‌توان در چند جهت ارسال و سپس در یک توالی از پیش تعیین‌شده برای رسیدن به کاربر نهایی خط‌دهی کرد (شکل 2). از آن‌جایی که هنگام انتقال بسته‌های داده‌ای 5G پهنای باند امواج میلی‌متری به‌سرعت اشغال می‌شوند با مشکلات مختلفی روبرو می‌شویم که از مهم‌ترین آن‌ها باید به ‌تلفات انتشار در فضای باز، عدم تناسب ارسال و دریافت به‌دلیل وجود آنتن‌های کوچک‌تر، تلفات پراش و عدم نفوذ به ‌دیوار اشاره کرد. با این‌حال، آنتن‌های کوچک‌تر، این امکان را به‌وجود می‌آورند تا آرایه‌های بزرگ‌تری در یک فضای فیزیکی قرار داد. با توجه به این‌که هر یک از این آنتن‌های کوچک‌تر به‌طور بالقوه چندین بار در هر میلی‌ثانیه جهت پرتو را تغییر می‌دهند، شکل‌دهی پرتوهای بزرگ را برای غلبه بر چالش‌های پهنای باند 5G، امکان‌پذیرتر می‌کنند. با چگالی بیشتر آنتن‌ها در همان فضای فیزیکی، با استفاده از فناوری MIMO می‌توان به پرتوهای باریک‌تری دست یافت، در نتیجه راهکاری برای دستیابی به توان عملیاتی بالا با ردیابی مؤثرتر کاربر ارائه می‌کنند. 

معماری مرکزی 5G

معماری شبکه اصلی 5G، در قلب ویژگی‌های فنی 5G قرار دارد و افزایش تقاضای توان عملیاتی را که 5G باید پشتیبانی کند را ممکن می‌سازد. معماری مرکزی 5G، همان‌گونه که توسط 3GPP تعریف شده، از معماری مبتنی بر سرویس (SBA)، هم‌تراز با ابر استفاده می‌کند که تمام عملکردها و تعاملات 5G از جمله احراز هویت، امنیت، مدیریت جلسه و تجمیع ترافیک دستگاه‌های پایانی را پوشش می‌دهد. این شبکه اصلی بیشتر بر NFV به‌عنوان یک مولفه طراحی یکپارچه با عملکردهای نرم‌افزاری مجازی‌سازی‌شده، تاکید دارد که قادر است با استفاده از زیرساخت MEC  که مهم‌ترین مولفه در اصول معماری 5G است، مستقر شود. شکل ۲ این معماری را نشان می‌دهد. 

شکل 2

‌تفاوت‌های معماری 5G و 4G

تغییرات در لایه‌های زیرین بسیار گسترده هستند و همین تفاوت‌ها است که باعث شده 5G توان عملیاتی بالاتری نسبت به 4G ارائه کند. از جمله این تغییرات می‌توان به استفاده از موج میلی‌متری، مایمو عظیم (Massive MIMO)، تقسیم‌بندی شبکه و مولفه‌های کلیدی که پایه و اساس اکوسیستم 5G را شکل می‌دهند اشاره کرد. به‌طور مثال، مولفه

Evolved Packet Core مورد استفاده در 4G به‌طور کامل عملکردی متفاوت در 5G دارد و به ‌شبکه‌های 5G اجازه می‌دهد به‌ بهترین شکل از مجازی‌سازی و طراحی نرم‌افزار بومی ابری پشتیبانی کنند.

از جمله تغییرات دیگری که شبکه‌های 5G را از نسل قبل متمایز می‌کنند، UPF سرنام User plane function است که برای تفکیک Packet Gateway Control ،User Plane Functions و عملکرد مدیریت دسترسی و تحرک‌پذیری AMF سرنام Mobility Management Function از آن استفاده می‌شود. به‌طوری‌که امکان تفکیک عملکردهای مدیریت جلسه از فعالیت‌های مدیریتی مرتبط با اتصال و تحرک‌پذیری به‌وجود می‌آید. 

گزینه‌های معماری 5G

یکی از نکات مهمی که برخی اپراتورها برای پر کردن شکاف میان 4G و 5G از آن استفاده می‌کنند به‌کارگیری یک برنامه راهبردی گام‌به‌گام برای گذر تدریجی از 4G به 5G است. یکی از ‌مهم‌ترین برنامه‌های راهبردی در این زمینه معماری غیرمستقل 5G (NSA 5G) سرنام Non-Stand Alone 5G است که اواخر سال 2017 نهایی شد. این استاندارد از LTE RAN موجود و شبکه‌های زیربنایی به‌عنوان لنگرگاه و اضافه کردن یک مولفه حامل 5G استفاده می‌کند. با وجود تکیه بر معماری فعلی، حالت غیرمستقل در هنگام استفاده حداکثری از فرکانس‌های موج میلی‌متری، پهنای باند را افزایش می‌دهد. حالت مستقل 5G، در اصل استقرار 5G از پایه با معماری هسته جدید و استقرار کامل تمام سخت‌افزارها، ویژگی‌ها و عملکرد 5G است. از آن‌جایی که حالت غیرمستقل به‌تدریج جای خود را به ‌استقرار معماری شبکه سیار 5G می‌دهد، در مقطع فعلی به‌ کاربران نهایی اجازه می‌دهد بدون مشکل از خدمات شبکه استفاده کنند. شکل 3 معماری فوق را نشان می‌دهد. 

شکل 3

معماری جغرافیایی 5G

یکی از مهم‌ترین چالش‌هایی که پیرامون مرتبط کردن شبکه‌های 5G در مقیاس جهانی وجود دارد بحث موقعیت جغرافیایی است. برای دستیابی به این هدف، گامی جهانی در ارتباط با یکپارچه‌سازی 5G در مناطق مختلف جغرافیایی باید برداشته شود. مناطق پیش‌رو در حوزه فناوری مانند آمریکای شمالی، آسیای شرقی و بخش‌هایی از اروپا در روزهای آغازین، فرایند استقرار را به‌شکل محدود آغاز کردند، در حالی که برخی دیگر تنها نظاره‌گر بودند. یکی از بزرگ‌ترین مناطقی که مشکل جدی در ارتباط با مرتبط کردن شبکه‌های 5G با یک‌دیگر داشت اروپا بود. به‌طوری که این فرایند به ‌یک چالش جدی برای اروپا تبدیل شد و در نهایت کمیسیون اروپا فرایند عملیاتی کردن 5G برای اروپا را تحت عنوان برنامه «5G for Europe» تصویب کرد تا روند استقرار سریع‌تر انجام شود و یک نقشه راه برای استقرار در تمام کشورهای اتحادیه اروپا به‌وجود آید. این در حالی است که کشورهای دیگر مثل چین، ژاپن، ایالات متحده، هند و کشورهای پیش‌رو در این حوزه به‌شدت روی تجاری‌سازی و کسب درآمد از 5G در حال کار هستند. انتظار می‌رود، طراحی و تولید تجهیزات پیشرفته‌تر مثل آنتن‌های جدید، تجهیزات سخت‌افزاری کارآمد و نرم‌افزارهای زیرساختی هوشمندتر، رونقی در صنایع الکترونیک در سراسر جهان ایجاد کنند. در ‌نهایت تمامی این تلاش‌ها با هدف استقرار سریع‌تر شبکه‌ها انجام می‌شود. به‌طور مثال، در یک نمونه جالب یکی از بزرگ‌ترین ارائه‌دهندگان مخابراتی در هند کل شبکه خود را برای سازگاری با  5G ارتقا داده است. وب‌سایت rcrwireless در خبری که آبان‌ماه 1400 منتشر کرد، اعلام کرد China Mobile بیش از 560000 هزار ایستگاه پایه 5G در مناطق مختلف چین مستقر کرده است. 

امنیت در معماری 5G

پیاده‌سازی 5G به‌واسطه استفاده گسترده از منابع ابرمحور، مجازی‌سازی، تقسیم‌بندی شبکه و سایر فناوری‌های نوظهور، مزایای اجرایی فوق‌العاده‌ای به‌همراه دارد. با این‌حال، به‌کارگیری گسترده این فناوری‌ها مخاطرات امنیتی جدیدی را به‌وجود می‌آورد و باعث پیدایش بردارهای حمله جدیدی می‌شود. 5G بر اساس مکانیزم‌های امنیتی نسل‌های گذشته فناوری سلولی مستقر می‌شود، اما یک تفاوت بزرگ وجود دارد. در پیاده‌سازی و ارائه خدمات 5G بازیگران بیشتری حضور دارند که هر یک ممکن است زمینه را برای پیاده‌سازی یک حمله سایبری جدید مهیا کنند. اینترنت اشیاء، حس‌گرها، کاربران و تجهیزات نقطه پایانی به‌شکل تصاعدی به ‌شبکه اضافه می‌شوند که مدیریت این حجم از ترافیک به‌سادگی امکان‌پذیر نیست. 

از جمله ویژگی‌های امنیتی بهبودیافته 5G که توسط استانداردهای 3GPP شرح داده شده است، متمایز کردن احراز هویت  اکسس‌پوینت‌ها، پروتکل‌های احراز هویت توسعه‌پذیر برای انجام تراکنش‌های امن، سیاست‌های امنیتی انعطاف‌پذیر برای رسیدگی به موارد کاربردی‌تر و شناسه‌های دائمی مشترکان (SUPI) برای اطمینان از حفظ حریم خصوصی در شبکه است. به ‌همان شکلی که استقرار 5G ادامه دارد و گره‌های اجرایی مهم به‌طور فزاینده مجازی‌سازی می‌شوند، اپراتورها باید به‌طور مداوم عملکرد امنیتی را ارزیابی کنند. بدون شک، شبکه 5G رشد نمایی سریعی خواهد داشت و در کمتر از دو سال دیگر طیف گسترده‌ای از کاربران در سراسر جهان به 5G سوییچ خواهند کرد. تغییراتی که در صنایع مهمی مثل حمل‌ونقل، تولید و کشاوری به‌وجود خواهد آمد به‌اندازه‌ای مهم و تاثیرگذار هستند که بسیاری از متخصصان 5G را انقلاب صنعتی بعدی نام‌گذاری کرده‌اند. در قلب این تغییرات اساسی و نوآورانه، معماری چند وجهی 5G، با MEC، MIMO، NFV و یک معماری سرویس‌گرای کارآمدتر و هماهنگ با ابر قرار دارد که خدمات کاربردی جدیدی را ارائه می‌کنند.