отчёт лаба 4(1)
.docx
МИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Ордена Трудового Красного Знамени федеральное
государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Московский технический университет
связи и информатики»
────────────────────────────────────
Факультет «Сети и Системы Связи»
Кафедра «Сети связи и системы коммутации»
Дисциплина «Будущие сети» Отчет по лабораторной работе № 4/1 «5G. Основы и архитектура»
Выполнил:
Проверил:
Москва 2025
Цель работы:
Исследовать архитектурные основы и фундаментальные принципы технологии мобильной связи пятого поколения (5G), выполнить сравнительный анализ её ключевых характеристик с предыдущим поколением (4G) и выявить новые классы услуг, реализуемые благодаря возможностям 5G.
Задачи:
Определить концептуальную основу 5G: сформулировать её сущность и проанализировать целевые показатели, заложенные в стандарте.
Провести сравнительный анализ поколений: сопоставить технологии 4G и 5G по критически важным параметрам, таким как: пиковая и пользовательская скорость передачи данных, задержка (латентность), поддержка плотности подключений устройств и энергоэффективность.
Систематизировать сервисные сценарии 5G: описать и детализировать три ключевых сценария использования, определённых стандартом — улучшенный мобильный широкополосный доступ (eMBB), массовый интернет вещей (mMTC) и сверхнадёжная связь с малой задержкой (URLLC).
Проанализировать архитектуру сети 5G: рассмотреть её модульную структуру, включая функциональное деление на сегменты доступа (RAN), транспорта (Transport) и ядра (Core Network), а также раскрыть принцип работы и значение технологии Network Slicing (сетевое сегментирование) для создания виртуальных изолированных сетей.
Теоретическая часть
1. Сущность 5G и её главные цели
5G — это не просто «более быстрый 4G». Это новое поколение мобильной связи, представляющее собой единую универсальную платформу, способную подстраиваться под диаметрально разные задачи. Его суть — в переходе от простого обеспечения мобильного интернета к созданию цифровой среды для всего: людей, устройств, промышленных систем.
Ключевые целевые показатели (как их видят разработчики стандарта):
Скорость передачи данных (пиковая): До 20 Гбит/с для приёма (downlink) и 10 Гбит/с для передачи (uplink) — возможность скачать фильм в Ultra HD за секунды.
Сверхнизкая задержка (латентность): 1 мс и менее — реакция сети, сопоставимая с рефлексами человека, что критично для удалённого управления.
Огромная плотность подключений: До 1 миллиона устройств на 1 кв. км — фундамент для «интернета вещей» в умном городе.
Энергоэффективность: Резкое снижение энергопотребления как сети, так и устройств (например, датчиков с автономной работой в 10 лет).
Надёжность связи: Гарантированное качество службы (до 99.999%) для критически важных приложений.
2. Сравнение 4G и 5G: качественный скачок
Сравнение показывает не эволюцию, а революцию в возможностях:
Параметр |
4G (LTE-Advanced) |
5G |
Что это значит на практике |
Скорость передачи (пиковая) |
До 1 Гбит/с |
До 20 Гбит/с |
Переход от потокового HD-видео к мгновенной загрузке VR/AR-контента, объёмных данных. |
Задержка (латентность) |
30-50 мс |
1 мс и менее |
Онлайн-игры, видеозвонки без «лагей». Ключевой параметр для беспилотников, телемедицины, индустриального IoT. |
Плотность подключений |
~100 тыс. устройств/кв. км |
1 млн устройств/кв. км |
Массированное подключение датчиков, сенсоров, гаджетов без перегрузки сети. Основа для умных городов и заводов. |
Энергоэффективность |
Умеренная |
Высокая (в 10-100 раз лучше для IoT) |
Годы работы IoT-устройств от батареи, снижение энергозатрат операторов связи. |
Вывод: 5G — это не только «быстрее», а, в первую очередь, «умнее», «отзывчивее» и «вместительнее». Он создаёт сеть, адаптированную как для человека, так и для миллионов машин.
3. Три кита 5G: сценарии использования (eMBB, mMTC, URLLC)
Стандарт 5G изначально заточен под три принципиально разных типа сервисов:
eMBB (Усовершенствованный мобильный широкополосный доступ): Наследник 4G, но на новом уровне. Это суперскоростной интернет для пользователей.
Сценарии: Потоковое видео в 4K/8K и 360°, виртуальная и дополненная реальность (VR/AR), мобильный облачный гейминг.
Суть: Максимальная пропускная способность там, где это нужно пользователю.
mMTC (Массовый машинный тип связи): Сеть для огромного количества простых, экономных устройств.
Сценарии: Умные города (освещение, парковки, мусор), умный дом, носимые устройства, логистика (датчики на грузах).
Суть: Обеспечение связи для миллионов дешёвых датчиков, которые передают маленькие порции данных и должны работать годами без замены батареи.
URLLC (Связь с ультра-надёжностью и малой задержкой): Сеть для критически важных приложений, где промедление или обрыв недопустимы.
Сценарии: Беспилотные автомобили и транспорт, телемедицина (удалённые операции), автоматизация заводов и промышленных процессов (роботы, управление станками), smart grid.
Суть: Гарантированная доставка команды или данных за доли секунды с почти 100% надёжностью.
Важно: Это не просто три услуги, а три разных профиля требований к сети, которые должны сосуществовать на одной инфраструктуре.
4. Архитектура сети 5G: модульность и «срезы» (Network Slicing)
Архитектура 5G стала гибкой и облачной, что и позволяет реализовать описанные выше сценарии.
Ключевые сегменты сети:
RAN (Радиодоступная сеть): Это антенны и базовые станции (включая малые соты). В 5G они становятся «интеллектуальнее», а их архитектура — более распределённой (Cloud RAN).
Transport Network (Транспортная сеть): «Артерии», соединяющие RAN с ядром. В 5G требуют огромной пропускной способности и гибкости, часто строятся на базе SDN.
Core Network (Сетевое ядро): «Мозг» и «центр управления». В 5G оно полностью виртуализировано (на базе NFV) и построено по облачной, сервис-ориентированной архитектуре. Это позволяет динамически масштабировать и размещать сетевые функции (например, шлюз или сервер аутентификации) ближе к пользователю (принцип MEC — Multi-access Edge Computing).
Ключевая технология: Network Slicing (Сетевое сегментирование/срезы)
Суть: Это главный механизм, который позволяет на одной физической инфраструктуре 5G создать множество виртуальных, логически изолированных сетей.
Как работает: Для каждого сценария (eMBB, mMTC, URLLC) или даже для отдельного заказчика (например, для заводского цеха или экстренных служб) создаётся свой «срез». Этот срез — это выделенная набором параметров виртуальная сеть: своя гарантированная полоса пропускания, свой уровень задержки, свои политики безопасности и управления.
Аналогия: Физическая сеть 5G — это единый участок земли (инфраструктура). Network Slicing позволяет построить на этом участке несколько независимых виртуальных магистралей: сверхскоростную трассу для гоночных болидов (eMBB), многополосное шоссе для миллионов велосипедов (mMTC) и абсолютно надёжный, с идеальным покрытием, служебный тоннель для скорой помощи (URLLC). Все они сосуществуют одновременно, не мешая друг другу.
Результаты моделирования
5G. Основы и архитектура
Рисунок 1. Результаты теста
Рисунок 2.
Рисунок 3.
Рисунок 4.
Рисунок 5.
Рисунок 6.
Рисунок 7.
Рисунок 8. Результат моделирования 5G Основы и архитектура.
Вывод:
Практическая реализация потенциала 5G обеспечивается тремя стандартизированными сценариями (eMBB, URLLC, mMTC), каждый из которых формирует основу для целого класса инновационных приложений: от индустрии развлечений нового поколения до критически важных систем управления транспортом, промышленностью и здравоохранением. Реализовать столь разнородные требования в рамках единой физической инфраструктуры позволяет сервис-ориентированная, облачная и программно-определяемая архитектура 5G. Её ключевым элементом является технология Network Slicing, предоставляющая операторам инструмент для создания изолированных, безопасных и оптимизированных под конкретную задачу виртуальных сетей. В совокупности это формирует техническую основу для построения гиперподключённой цифровой экосистемы будущего.