5G-Netzwerkzuverlässigkeit erklärt
Dieser Artikel beschreibt die 5G-Netzarchitektur und die zugrunde liegenden Technologien, die von Mobilfunknetzbetreibern eingesetzt werden, um extrem zuverlässige und unternehmenskritische Netzdienste bereitzustellen.
Eine der Anforderungen an die neue Mobilfunkinfrastruktur der Generation 5G ist die Gewährleistung einer nahezu 100-prozentigen Betriebszeit und extrem konsistenter Netzdienste. Zu den vielen Diensten, die auf 5G angewiesen sind, gehören selbstfahrende Fahrzeuge, Gesundheitsdienste, Verkehrsmanagement, Stromnetzmanagement und andere Dienste, die direkt für die öffentliche Sicherheit verantwortlich sind.
Neue Technologien, die zur Erfüllung dieser Anforderungen eingesetzt werden, basieren auf:
- Fortschritte bei den internen Netzen der Betreiber
- Netzwerkprotokoll-Erweiterungen mit nahezu sofortiger Paketausfallsicherung
- Intelligentes SDN-Routing
- Weiterentwicklungen bei Carrier-Core-Paketverarbeitungssystemen
- Einführung von Netzwerkvirtualisierung und Cloud-Technologien
- Anwendungsorientierte Aufteilung des Netzverkehrs
- Hochverfügbare und redundante Netzwerktopologien
- Mehrere Mobilfunkmasten bieten räumliche und frequenzmäßige Redundanz
- Vielfältige Netzwerkpfade
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Verlässlichkeit definiert
5G Key Performance Indicators (KPI) spezifizierten Ultra Reliable Low Latency Communication (URLLC) Service-Anforderungen von nicht mehr als 10^-5 (0,001 %) von 20-Byte-Paketen können bis 1 ms nicht zugestellt werden.
Hierbei handelt es sich um einen Paket- und Latenzdienst, der in der Regel von Netzdienstleistern angeboten wird. Dies entspricht etwa 99,999 Prozent Zuverlässigkeit und 99,999 Prozent Verfügbarkeit.
Für die Zwecke dieses Artikels wird diese Definition erweitert. Der Indikator für die Zuverlässigkeit ist nicht erfüllt, wenn:
- Es gehen zu viele Pakete verloren
- Zu viele kommen zu spät
- Die Pakete sind fehlerhaft
Diese niedrige Paketfehlerrate ist hilfreich, aber die Netze müssen rund um die Uhr verfügbar sein, jeden Tag, ohne Ausfall. Die Kunden verlangen garantierte Dienste - nicht nur für Latenzzeiten und Zuverlässigkeit, sondern auch für die Konnektivität.
Herausforderungen für die Zuverlässigkeit
Das anfälligste Segment zwischen Client-Geräten oder dem Netzwerkrand und dem Betreibernetz sind die letzten paar hundert Meter der Kommunikation, die über drahtlose Technologien laufen. Jeder hat schon Erfahrungen mit abgebrochenen Anrufen gemacht. Die 4G-Spezifikation wurde für Smartphones und nicht für kritische Netzdienste entwickelt.
Drahtlose Verbindungen weisen notorische Qualitätsschwankungen auf, was zu variablen Paketfehlerraten führt, die um Größenordnungen höher sind als bei kabelgebundenen Verbindungen.
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5G hat die Anfälligkeit der Drahtlostechnologien durch die Einbeziehung von Hochfrequenzen aus dem mmWave-Spektrum erhöht. mmWaves sind auf die Sichtlinie ausgerichtet und können leicht blockiert werden. Regen und andere Hindernisse verursachen routinemäßig Netzpaketfehler, die häufig zu Verbindungsabbrüchen und Ausfällen führen.
Diese Netzwerkherausforderungen können mit neuen 5G-Technologien wie Beamforming, Netzwerk-Fast-Failover, SDN-Technologien und drahtlosen Paketübertragungsprotokollen bewältigt werden. Diese Methoden werden später in diesem Artikel behandelt.
Mit einer gut durchdachten Netzarchitektur lassen sich Konfidenzniveaus für Dienste erreichen. Dazu gehören die Funkzugangstechnologie (RAT), die Messung der räumlichen Verfügbarkeit einer drahtlosen Verbindung für ein dienstrelevantes Konfidenzniveau, die zeitliche Verfügbarkeit und der Rückgriff auf andere RATs (z. B. LTE).
Carrier Mesh Packet Recovery
5G-Drahtlosnetzwerke werden mit einer Kombination aus Diversitätscodierung und Netzwerkcodierungsverfahren implementiert. Diese stellen eine Weiterleitungsarchitektur für drahtlose Maschennetze dar, die den Durchsatz und die einheitliche Netzleistung verbessert. Zwischen der IP- und der MAC-Schicht wird eine Kodierungsschicht eingefügt. Dies ermöglicht eine robuste Wiederherstellung bei Verbindungsfehlern und eine nahezu sofortige Wiederherstellung von Paketen. Der Datenverkehr kann über verschiedene Pfade geleitet werden, um den Netzwerkdurchsatz zu erhöhen und die Anzahl der erneuten Übertragungen mithilfe von Fehlerkontrolltechniken zu verringern.
5G Wireless-Zuverlässigkeitsverbesserungen
3GPP Release 15 enthält einige Verbesserungen der Zuverlässigkeit gegenüber 4G LTE. Die flexible Rahmenstruktur mit verschiedenen Optionen für Subträgerabstände, Modulation und Kodierung bietet eine solide Grundlage auf der physikalischen Schicht. Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ) und ARQ sind enthalten und leiten bei beschädigten Daten Wiederholungsversuche" ein. Darüber hinaus enthält die 3GPP-Spezifikation Referenzsignale zur Verbesserung der Synchronisation, zur Steigerung der Demodulationseffizienz und zur erheblichen Reduzierung von Paketdatenverfälschungen und -fehlern.
Anwendungsorientiertes Network Slicing
Durch Network Slicing kann der Netzverkehr anhand verschiedener Merkmale identifiziert und auf verschiedene logische Teilnetze aufgeteilt werden. Kritischer Verkehr kann identifiziert und mit garantierten Leistungsmerkmalen wie Bandbreite, Latenz und Zuverlässigkeit versehen werden. Verkehr mit geringerer Priorität kann in anderen Slices isoliert werden. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass kritischer Netzwerkverkehr nicht durch andere Verkehrslasten beeinträchtigt wird. Die Technologie des Network Slicing wird von Software-Defined Networking (SDN) und Virtual Network Functions (VNF) bereitgestellt.
SDN-Technologien bieten isolierte logische Netzwerke und steuern den Datenverkehr intelligent durch die Carrier-Infrastruktur.
Network Function Virtualization (NFV) orchestriert die Verarbeitung von Netzwerkpaketen in virtuellen Serverumgebungen. Jedes Netzwerk-Slice verfügt über einen isolierten Satz von virtuellen Maschinen für die Paketverarbeitung.
Network Slicing sorgt für Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit, indem ein Teil des 5G-Netzes Ende-zu-Ende abgetrennt wird. Dieser Netzabschnitt ist vom übrigen Verkehr isoliert und verfügt über ein definiertes und garantiertes Dienstniveau.
Hochverfügbare Netzwerktopologien
5G-Netzarchitekturen verfügen über redundante Hardware, Software und Netzverbindungen mit automatisierten Failover-Technologien. Dies garantiert, dass kein System- oder Netzausfall die Netzdienste unterbrechen kann.
In der obigen Abbildung haben Systeme mit mehreren Basisbandeinheiten (BBUs) mehrere redundante Netzwerkverbindungen. Jede BBU kann die Funktionen einer ausgefallenen BBU übernehmen.
Die abgesetzten Funktürme (RRH) sind mit mehreren BBU-Stationen über Dark-Fiber-Netzwerke verbunden, und jeder RRH-Turm verfügt über drahtlose Netzwerkverbindungen zu anderen RRH-Türmen.
Jeder RRH-Turm deckt ein Gebiet ab, das sich mit anderen Türmen überschneidet. Der Verlust eines Turms hinterlässt keine Lücke in der Dienstabdeckung.
Redundante Netzzugangsrouten
Die Zuverlässigkeit von Unternehmens- oder Organisationseinrichtungen kann durch redundante und vielfältige Verbindungen zu den 5G-Betreibernetzen gewährleistet werden. Drahtlose Verbindungen sollten zu zwei oder mehr 5G-Basisstationen hergestellt werden. Ausgefallene Netzwerkverbindungen oder -komponenten können auf Reserveverbindungen oder redundante Netzwerkverbindungen umgeleitet werden.
Zusammenfassung
Hohe Zuverlässigkeit ist eine der wichtigsten Spezifikationen für 5G. Missionskritische Dienste wie vernetzte Roboterfabriken, Fernoperationen, Patientenversorgung und fahrerlose Autos müssen ständig mit dem Netz verbunden sein. Ausfälle des 5G-Netzes könnten daher lebensbedrohlich sein. Die 5G-Architektur wurde so konzipiert, dass sie hochverfügbar ist und in jeder Komponente Redundanz integriert ist. Netzwerkarchitekten können dieses Maß an Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit mit einer gut geplanten Architektur, die redundante 5G-Netzwerkzugangswege und -Hardware umfasst, erweitern.
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Das Produktportfolio des Unternehmens ist breit gefächert und deckt End-to-End-Infrastrukturen von Netzwerkdienstleistern ab, vom Network-Edge-Computing über die verteilte Paketkernverarbeitung und zentrale Büroinfrastrukturen bis hin zu öffentlichen Clouds.
Diese breite Palette von Produkten eines einzigen Anbieters reduziert die Kosten für Bereitstellung, Betrieb und Verwaltung und damit die Gesamtbetriebskosten.
A10 Networks hat einzigartige Wettbewerbsvorteile für 5G-Infrastrukturen:
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Referenzen
Diversität und netzwerkcodierte 5G-Fronthaul-Drahtlosnetzwerke für extrem zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz http://iwinlab.eng.usf.edu/papers/DC-NC%20Coded%205G%20Wireless%20Fronthaul%20Networks.pdf
IEEE Transactions on Wireless Communications 8(3):1247 - Über die Untersuchung der Netzwerkcodierung mit Diversität https://www.researchgate.net/publication/224394823_On_the_study_of_network_coding_with_diversity
Ultrazuverlässige NFV-basierte 5G-Netze mit Diversity und Netzwerkcodierung http://iwinlab.eng.usf.edu/papers/Ultra-Reliable%20NFV-Based%205G%20Networks%20Using%20DC-NC.pdf
Fujitsu Cloud-RAN Architektur https://www.fujitsu.com/downloads/TEL/fnc/whitepapers/CloudRANwp.pdf
Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit - 5G Remote Access Technology (RAT)-Infrastrukturen verfügen über mehrere Technologien, um sowohl die Leistung und Zustellgenauigkeit von Netzwerkpaketen als auch das gesamte Netzwerkdesign für hohe Verfügbarkeit zu gewährleisten. https://www.rfwireless-world.com/Tutorials/5G-network-architecture.html