רשתות הדור החמישי (5G) – מבוא וטכנולוגיה

עם אישור הזכייה במכרז התדרים של משרד התקשורת, וכאשר רשתות הדור החמישי הגיעו לפריסה רחבה בעולם, רציתי להיכנס קצת לטכנולוגיה של רשתות אלו, תוך כדי שנראה מה שודרג, מה חדש, והאם יש כאן רשת מהירה יותר או מהפיכה של ממש.

ההיסטוריה מראה שכל עשר שנים מתחלף דור בסלולר. הקור השלישי יצא בסביבות שנת 2000 ומטרתו העיקרית הייתה במעבר לרשתות מבוססות IP  באופן מלא  (3GPP R.99, R4)ולאחר מכן רוחבי פס גבוהים יותר (3GPP R.5/R.6/R.7 and HSPA), הדור הרביעי (LTE) התחיל בסביבות 2010 כאשר מטרתו הייתה בתחילה ארכיטקטורת רשת חדשה ורוחבי פס גבוהים יותר (3GPP R.8-9) ובהמשך LTE-Advanced עם רוחבי פס גבוהים מאוד, תקשורת קריטית (MCPTT – Mission Critical PTT), רמות שירות שונות (QOS), שיפור ב- Delay ונושאים נוספים הקשורים להעברת רשתות Public safety  לעבודה מעל רשתות הסלולר (3GPP R.10-14).

בצד שיפורים נוספים באיכות הרשת, לדור החמישי מטרות נוספות ושונות לחלוטין, ועיקרן כבר לא תקשורת בין אנשים אלא תקשורת בין מכונות ורכיבים, כאשר מוגדרות שלוש מטרות מרכזיות:

  1. רוחבי פס גבוהים (Enhanced Mobile Broadband – eMBB) – עבור וידאו ב- 3 מימדים, שידורים ברזולוציה של 4K ומעלה במספר ערוצים ועוד.
  2. אמינות ומהירות (Ultra-Reliable Low Latency Communications – URLLC) – עבור רשתות תעשייתיות, רכבים אוטונומיים, שירותים קריטיים ועוד.
  3. תקשורת בין רכיבים (Massive Machine Type Communications – mMTC) ובקיצור IoT, עם כמויות גדולות מאוד של רכיבים בשטח קטן, עבור רשתו של חיישנים ובקרים, כאשר באזור מצומצם יהיו כמויות גדולות מאוד מהם.

בתמונה הבאה רואים את הדרישות כפי שניתנו ב- IMT2020, תקן ITU-R M-2083. כך למשל מכוניות אוטונומיות צריכות תקשורת אמינה ו- Delay נמוך מאוד, שרותי וידאו נדרשים לרוחב פס גבוה, שירותים לבניינים חכמים נדרשים לרוחב פס גבוה וכמויות גדולות מאוד של חיישנים וכד'.

וכמו שאנחנו רואים, יש כאן דרישות שבחלקן סותרות אחת את השנייה – מצד אחד רוחבי פס גבוהים מאוד לכמות לא גדולה של משתמשים אנושיים (למשל עבור טלוויזיה במספר ערוצים), רוחבי פס בינוניים לכמות בינונית של משתמשים (למשל מצלמות גוף של כוחות בטחון שמשדרות למרכז בקרה) בצד רוחבי פס נמוכים לכמות גדולה מאוד של חיישנים, קישור בין רכבים אוטונומיים שדורש זמינות במהירויות נסיעה גבוהות מאוד, תקשורת עם השהייה (Latency/Delay)  נמוכים מאוד וגם אובדן מידע אפסי (חשוב למשל עבור שתי מכוניות אוטונומיות שנוסעות אחת כלפי השנייה במהירות גבוהה..) ועוד.

הדור החמישי אופיין על ידי ה-ITU-R  בתקן IMT2020, והטכנולוגיה מוגדרת על ידי ה- 3GPP בתקנים R.15, R.16 ונכון להיום R.17 שעדיין בתהליך. במאמר זה אסביר בקצרה את הטכנולוגיות המאפשרות את מימוש דרישות אלו.

מטרות טכנולוגיות

המטרות הטכנולוגיות שבאמצעותן הרשת תוכל לספר את השירותים הנדרשים שפירטנו ניתנות באופן מסורתי על ידי ה- ITU-R. בתקן IMT-2000 נקבעו הדרישות לדור השלישי, ב-IMT-2010  נקבעו הדרישות לדור הרביעי, והדרישות לדור החמישי נקבעו ב-IMT-2020  משנת 2015.

בתמונה הבאה מתוך ITU-R M-2083 אנחנו רואים את הדרישות כפי שהועלו ב- IMT-Advanced (דור רביעי) לעומת הדרישות ב- IMT-2020 (הדור החמישי).

בתמונה אנחנו רואים:

  • הדרישה ל- Latency/Delay מקסימלי ב- Data Plane, כלומר בהעברת המידע, השתפרה מ- 10mS בדור הרביעי ל- 1mS בדור החמישי (עבור URLLC). באופן מעשי ה- 3GPP הגדיר כיעד חצי מזה, כלומר 5mS. פרמטר מעניין נוסף הוא הדרישה לזמן תגובה (זמן מרגע שהמשתמש מקליק עד שמקבל תגובה) של מקסימום 20mS, כאשר גם כאן ה- 3GPP הגדיר יעד של חצי מזה.
  • הדרישה לצפיפות משתמשים הנמדדת ב- Mbps/meter עלתה פי 100 מהדור הרביעי (ל- 10Mbps/meter2)
  • רוחב פס מקסימלי (Peak data Rate) עבור Downlink הוגדר כ- 20Gbps, ועבור Uplink כ- 10Gbps עם נצילות אפנון של 30bits/s/Hz ו- 15bits/s/Hz בהתאמה.
  • רוחב פס מינימלי למשתמש בתנאים אמיתיים (User experienced data rate) הוגדר כ- 100Mbps ב- Downlink ו- 50Mbps ב- Uplink
  • נצילות/יעילות ספקטרלית (Bits/Sec/Hz) – דרישה לפי 3 מהדור הרביעי
  • עבודה בנסיעה של 500 קמ"ש, לעומת 350 קמ"ש בדור הרביעי
  • צפיפות משתמשים (Connection density) – מיליון משתמשים (אנושיים או מכונות) לק"מ רבוע
  • נצילות/יעילות אנרגטית של פי 100 מהדור הרביעי

חשוב להדגיש כי הדרישות כאן הן דרישות להתכנות, כלומר בהקמת רשת בדור החמישי, כאשר תתוכנן ותוקם לפי התקן, בפריסה טובה, נקבל דרישות אלו. האם באמת נקבל נתונים אלו? הדבר תלוי ברשת שהוקמה.

ארכיטקטורת רשת

רשתות הדור החמישי בנויות באופן דומה לרשתות קודמות, אבל ישנם מספר מרכיבים שמשנים את התמונה לחלוטין. בשרטוט הבא אנחנו רואים את ארכיטקטורת הרשת עם הרכיבים והקישורים העיקריים.

מה שחשוב לראות זה את החלוקה – החלק בתחתון שדרכו עובר מידע המשתמש (Data Plane), והחלק העליון שהוא הבקרה (Control Plane). כאשר משתמש מתחבר לרשת, נשלחת בקשה לחיבור ל- AMF (MME בדור רביעי), שבודק מול ה- AUSF (HSS בדור רביעי) ומאשר חיבור לרשת. כאשר אישור קיים, המשתמש (UE) יתחבר לרשת דרך האתר הסלולרי (gNodeB), ויעבור דרך הנתב UPF (מקביל ל- pGW בדור הרביעי), ולרשתות החיצוניות (Data Network), הארגונית או האינטרנט.

רכיבים נוספים הם ה- SMF לניהול ה- Session, NSSF לניהול הגישה ל- Network Slice וה- AF לקישור לרשתות חיצוניות. מי שרוצה ללמוד יותר מוזמן לקורס שייפתח בקרוב.

מה שחשוב מאוד לציין כי מדובר על פונקציות, ובמילים פשוטות כל הריבועים שאנחנו רואים בשרטוט ושעד תחילת הדור הרביעי היו רכיבים פיסיים, הינם רכיבי תוכנה המותקנים על מכונות וירטואליות, כאשר חלק מהן יכול להיות גם בענן. כלומר, רשת בדור החמישי יכולה להיות מבוזרת עם גמישות מוחלטת איפה יהיה כל רכיב. כך למשל רכבי הבקרה יכולים להיות מאוכסנים בענן (פרטי או ציבורי), באופן שיאפשר לספקים להתפרס על מדינות ואזורים נרחבים, אבל יכולי גם להיות על שרתים בבית הלקוח כאשר נדרש Delay נמוך מאוד. כך גם העברת המידע – ניתן לקרב את ה- UPF לאתר הלקוח, ואפשר לפצל גם את ה- Data Plane למספר חלקים, נחזור לזה עוד מעט ב- Network Slicing.

טכנולוגיה

כדי לממש את הדרישות שהובאו ב- IMT2020 פותחו מספר טכנולוגיות חדשות, וזאת בצד שיפור של טכנולוגיות קיימות.   נעבור על הטכנולוגיות השונות, מה השתנה והשתפר ומה חדש.

תחומיי תדרים חדשים וגלים מילימטריים

ב- IMT-2020 הוגדרו תחומי תדרים חדשים בשלוש קטגוריות:

  1. תדר נמוך – עד 1GHz: כאן הוגדרו תחומי תדרים בתדר נמוך, למשל תחום ה- 600MHz באירופה ותחום ה- 700MHz בארה"ב עבור שירותי IoT הדורשים רוחב פס נמוך וטווח כיסוי גדול.
  2. תדרי ביניים – עד 6GHz: כאן נמצא התחום הנפוץ ביותר של ה- 5GHz (3.3-4.2GHz), תחומים של 2.6GHz ו- 2.3GHz ועוד.
  3. גלים מילימטריים – 24-100G: הוגדרו בעיקר עבור רוחבי פס גבוהים למשתמש (eMBB), כאשר כאן עקב הטווחים הקצרים מדובר על צפיפות אנטנות גבוהה וטווחים קצרים.

הערה: כאשר אנחנו מדברים על "תחום תדרים" הכוונה לתחומי התדרים בשידור TDD (Time Division Duplex)  או FDD (Frequency Division Duplex), כלומר ריבוב זמן או תדר, כאשר תחום תדרים מוגדר עבור שידור (Uplink) מהמכשיר לכיוון הרשת וקליטה (Downlink) מהרשת לכיוון המכשיר.  תחומי התדרים בדור החמישי מוגדרים עם האות “n” וכך למשל תחום n1  מוגדר עבור FDD, כאשר 1920-1980MHz מוגדרים עבור ה- Uplink ו- 2110-2170MHz  מוגדרים עבור ה- Downlink. תחומי תדרים מוגדרים באופן כללי כאשר כל מדינה מגדירה עבור עצמה באילו תדרים תשתמש.

במכרז התדרים שנסגר עבור הדור החמישי בארץ הספקים זכו בתחומים הבאים:

כאשר פרטנר הוט מובייל (חברת PHI Networks המספקת את רשת הרדיו לשניהם) זכו ב- 10 תחומי תדרים של 10MHz בתחום ה- 3.5GHz, פלאפון וסלקום זכו ב- 10 תחומי תדרים דומים וכן הלאה.

חשוב להזכיר גם שהתקינה ב- 5G מגדירה אפשרות לשימוש בתדרים פתוחים (Unlicensed), למשל בתחומי התדרים של 5.150-5.250GHz, 5.250-5.350GHz  ואחרים. תחומים אלו, שחלקם הוגדר גם עבור LTE מיועדים למשל לשימוש ביתי, ואינם פתוחים בארץ ולכן פחות רלבנטיים כאן.

הפרדת רשתות (Network Slicing)

אחד המרכיבים החשובים ברשתות הדור החמישי הוא האפשרות להגדיר רשתות שונות מקצה לקצה. מכיוון שהוגדרו תרחישי רשת שונים – eMBB, URLLC ו- mMTC, כאשר לכל אחד מהם דרישות שונות מהרשת, הרי שיש צורך במספר רשתות שונות שיספקו תרחישים אלו, והדרך לבצע זאת היא לחלק את הרשת לתתי רשתות נפרדות, כאשר לכל אחת יהיו נתוני איכות (QoS) שונים, כאשר הדרישות העיקריות הן רוחבי פס גבוהים עבור eMBB, Delay נמוך וזמינות מאוד גבוהה עבור URLLC, וכמות גדולה מאוד של רכיבים באזור גיאוגרפי מצומצם mMTC .

עבור הגדרות של Slices נפרדים אנחנו צריכים להפריד בין החלקים השונים של הרשת:

  1. הפרדה ברמת רשת הרדיו – ניתן למשל להקצות טווחי תדרים שונים ל- Slices שונים, למשל פסי תדרים בתחום הגלים המילימטריים עבור רוחבי פס גבוהים, פסי תדרים נמוכים עבור רכיבי IoT שצריכים רוחבי פס מאוד נמוכים אבל זמינות גבוהה.
  2. בתקשורת לאתרים (ה- Backhaul) – חלוקה על ידי VPNs נפרדים ב- MPLS או ברשתות Segment Routing (SR) מבוססות MPLS.
  3. ברשת השדרה (ה- CORE) על ידי חלוקה של VMs שונים ל- Slices שונים, כאשר הרכיבים המעבירים את המידע (ה- UPF) יכולים להיות נפרדים עבור כל Slice.

בתקינה הוגדרו Network Slices קבועים שהוגדרו לאפשרות של נדידה בין Slices ברשתות שונות – כך למשל מי רכיב קצה שמוגדר ב- Slice לרוחב פס גבוה יהיה תמיד מחובר ל- Slice  זה, גם כאשר ינדוד בין רשתות. כמו כן הוגדרו המלצות עבור:

  1. רמות שירות שונות, כלומר רוחבי פס, Delay/jitter וכד'
  2. רמת ביזור פונקציות שונות כלומר אילו פונקציות יהיו מבוזרות ואילו פונקציות יהיו משותפות ל- Slices השונים
  3. האם ה- Slices השונים יוגדרו עבור רשתות ציבוריות, רשתות פרטיות, רשתות תעשיתויות (Industry 4) וכד'

בנוסף ל- Slices המוגדרים מראש ניתן להגדיר Slices נוספים, למשל לשימושי בטחון (Public Safety), לשימוש חברות תחבורה, למשל עבור רשת רכבות ארצית, עבור רשויות עירוניות, חברות גדולות ועוד.

חשוב להדגיש כי נושא ה- Network Slicing מגדיר ארכיטקטורת רשת חדשה עם אפשרויות רבות ולכן ניתן לומר כי הינו אחד הנושאים החשובים בדור החמישי, שיאפשרו הקמת רשתות שונות, ציבוריות ופרטיות, וכן גמישות רבה מאוד בהקמת אלו. טכנולוגיות חשובות שמאפשרת גמישות זו הינן Network Function Virtualization (NFV) ו- Software Defined Networking (SDN) עליהן דיברתי במאמרים קודמים.

Massive MIMO and Beamforming

אחד השיפורים המשמעותיים בדור החמישי הוא שידרוג מ- MIMO מסדר 4:4 ו- 8:8 שאנחנו מכירים מ- LTE ו- WiFi ל- MIMO (Multiple Input Multiple Output) מסדר 64 ומעלה שנקרא גם Massive MIMO. הרעיון ב- MIMO, כמו שראינו במאמרים קודמים, הינו לשדר ולקלוט במספר רב של אנטנות בו זמנית, ועל ידי כך לשפר את רמת הקליטה במכשיר.

Beamforming, גם היא טכנולוגיה שמגיעה מ- LTE ו- WiFi מתקדמים הינה טכנולוגיה שבה האנטנה באתר השידור (ה- Cellsite) ממקדת עוצמת שידור לכיוון המקלטים, כלומר במקום לשדר ב- 360° האנטנה מגבירה את עוצמת השידור בכיוון המקלטים. וכאן בא השילוב בין הטכנולוגיות. ככל שנעלה את מספר האנטנות, נוכל לקבל אלומה צרה יותר בכיוון המקלטים.

בתמונה הבאה אנחנו רואים אנטנה של MIMO מסדר 64, עם מערך של 64 ריבועים, בכל אחד מהם שתי אנטנות שידור, ושתי אנטנות קליטה בפולריזציה שונה.

 

ישנן נספר שיטות שבהן האנטנה יודעת לאתר את המקלטים (שהם המכשירים הסלולריים שלנו), וכאן משתמשים בשיטות דומות לטכנולוגיות אחרות, כאשר אפשרות אחת היא שהאנטנה יוזמת קריאה למקלטים ותגביר את העוצמה לכיוון שממנו קיבלה איתות, ואפשר גם שהמקלט ישדר אות בדיקה שהאנטנה תסונכרן עליו. יותר על הטכנולוגיה תוכלו ללמוד בקורס בנושא שיעלה בקרוב באתר.

Small Cells

הנושא האחרון שעליו ברצוני לדבר הוא הנושא של תאים קטנים – Small Cells. הרעיון כאן הוא לפצל את רשת הרדיו לתאים רבים, כאשר כל תא מכסה שטחים יותר קטנים ועל ידי כך נקבל כיסוי טוב יותר, רוחבי פס גבוהים יותר ו- Delay/Latency נמוכים יותר. בתמונה הבאה אנחנו רואים את מבנה הרשת.

כמובן שבמקרה של שימוש ב- Small Cells נצטרך יותר תדרים, והכיוון כאן הוא לשימוש בגלים המילימטרים. למרות שנושא זה אינו חדש ויצא כבר ב- 3GPP R.12, יישומים של Small Cells קיימים כבר במספר רשתות בעולם (גם ברשתות LTE), הנושא מתחיל להיכנס לרשתות הדור החמישי וצפוי לשפר בצורה משמעותית מאוד את ביצועי הרשת.

ומה הלאה

קודם כל בואו נבדיל בין מציאות לדמיון, וחשוב להבין כי הנושאים הטכניים שהבאתי כאן הם רק היבט אחד, כאשר ישנם כמובן גם ההיבטים הכלכליים/עסקיים, במילים פשוטות כמה זה עולה וכמה כדאי לספקיות השירות בעולם לממש את כל האפשרויות החדשות.

ישנם עוד נושאי רבים שלא נכנסתי אליהם כאן, כמו למשל מיחשוב הקצה (Edge Computing) שמטרתו להביא את האפליקציות והשירותים קרוב ככל האפשר למשתמש הקצה, כלומר שירותים שכאשר נצרוך אותם ידחפו (PUSH) לתא הקרוב אלינו. ישנם גם ההיבטים של IoT כולל התקינה של ה- 3GPP לנושא וכמובן גם הטכנולוגיות המתחרות.

נושא חשוב נוסף הוא התקינה לרשתות 5G  פרטיות, עם תקינה לעבודה בתדרים הפתוחים (Un-licenced). גם כאן נעשית עבודה רבה, במקביל ובשיתוף עם התקינה לרשתות אלחוטיות מתקדמות.

וישנה גם הטכנולוגיה שמתחלה להתהוות של רשתות הדור השישי. כאן הנושא מעניין במיוחד כי כמו לפני עשר ועשרים שנה כאשר נכנסו טכנולוגיות הקורר השלישי והרביעי, גם כאן העבודה על הטכנולוגיה החדשה מתחילה כעשר שנים לפני המימוש, וכמו שהעבודה על הדור החמישי התחילה בסביבות 2010, עכשיו ב- 2020 מתחילים לראות מסמכים ראשונים של הדור השישי (6G Networks), שם מדובר כבר על ביצועים טובים בהרבה, ציוד לביש, עבודה ללא סוללה לעשרות שנים ועוד. חשוב גם לעקוב אחרי התקינה כי דור חדש מביא איתו שינויי תפיסה אבל גם שיפורים טכנולוגיים שאפשר לראות אותם הרבה שנים לפני, ואפשר כבר לראות את זה.

הולך להיות מעניין. במאמרים הבאים אכנס גם ליישומים שונים וכמובן אתם מוזמנים להרצאות ולקורסים בנושאים אלו, בקרוב ב- Online.