5G通信原理和构架.docx

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5G通信原理和构架

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1.1从4G到5G

第一章5G简介

4G网络从纯数据业务发展到支持VOLTE，逐渐了满足用户的需求，但是随着新的应用如无人驾驶，远程医疗的发展，4G网络不能满足当前最近技术的应用，特别是工业互联网对时延的要求，目前新应用对5G的呼声很高，5G也是中国制造2025的关键发力点。

2019年6月6日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，中国正式进入5G商用元年。

9月9日中国联通以及中国电信签署合作协议，双方将双方划定区域，分区建设，各自负责划定区域内的5G网络建设相关工作。

1.25G的关键指标

5G网络七个关键指标（KPI）包括用户体验速率、连接数密度、端到端延时、移动性、流量密度、用户峰值速率、能源效率。

1.移动性历代移动通信系统重要的性能指标，指在满足一定系统性能的前提下，通信双方最大相对移动速度。

5G移动通信系统需要支持飞机、高速公路、城市地铁等超高速移动场景，同时也需要支持数据采集、工业控制低速移动或非移动场景。

5G的移动性指标主要是要求支持500km/h的移动速度。

2.时延采用OTT或RTT来衡量，OTT是指发送端到接收端接收数据之间的间隔，RTT是指发送端到发送端数据从发送到确认的时间间隔。

在4G时代，网络架构扁平化设计大大提升了系统时延性能。

在5G时代，车辆通信、工业控制、增强现实等业务应用场景，对时延提出了更高的要求，最低空口RTT时延要求达到了1ms。

3.用户感知速率5G时代将构建以用户为中心的移动生态信息系统，首次将用户感知速率作为网络性能指标。

用户感知速率是指单位时间内用户获得MAC层用户面数据传送量。

用户感知速率要求达到0.1Gbps。

4.峰值速率是指用户可以获得的最大业务速率，峰值速率要求达到10Gbps。

5.连接数密度在5G时代存在大量物联网应用需求，网络要求具备超千亿设备连接能力。

连接数密度是指单位面积内可以支持的在线设备总和，一般不低于100万/平方公里。

6.流量密度是单位面积内的总流量数，是衡量移动网络在一定区域范围内数据传输能力。

5G支持每平方公里能提供数十Tbps的流量。

7.能源效率是指每消耗单位能量可以传送的数据量，5G新型接入技术：

低功率基站、D2D技术、流量均衡技术、移动中继。

1.35G的三大场景

ITU定义了5G三大应用场景：

增强型移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）及低时延高可靠通信（uRLLC）。

eMBB场景主要提升以“人”为中心的娱乐、社交等个人消费业务的通信体验，适用于高速率、大带宽的移动宽带业务。

mMTC和uRLLC则主要面向物物连接的应用场景，其中eMTC主要满足海量物联的通信需求，面向以传感和数据采集为目标的应用场景;uRLLC则基于其低时延和高可靠的特点，主要面向垂直行业的特殊应用需求。

1.3.1eMBB增强型移动宽带

eMBB（EnhancedMobileBroadband），增强移动宽带。

体现在用户侧表现为网速的提升。

eMBB对应的是大流量移动宽带业务,场景包括随时随地的3D/超高清视频直播和分享、虚拟现实、随时随地云存储、高速移动上网等大流量移动宽带业务，在大带宽、低时延需求上具有一定优势，是三大场景最先实现商用的部分。

在5GeMBB（增强移动宽带）场景上，Polar为信令信道编码方案，LDPC码为数据信道编码方案。

其它两个5G场景的编码方案，目前还没确定。

eMBB场景理想的峰值速率将达到20Gbps，各厂商在理想状态下均已达到。

eMBB场景关键性指标：

峰值速率：

下行20Gbps上行10Gbps

用户体验速率：

下行100Mbps上行50Mbps

频谱效率：

下行30bit/s/Hz上行：

10bit/s/Hz控制面时延：

20ms

用户面时延：

4ms

带宽：

低频100MHz高频1GHz

1.3.2eMTC大规模移动通信

eMTC（MassiveMachineTypeCommunication，大规模机器通信）：

侧重于人与物之间的信息交互，主要场景包括车联网、智能物流、智能资产管理等，要求提供多连接的承载通道，实现万物互联，统称为物联网应用。

mMTC场景的标准规范，将在5G标准R17版本中实现，预计2020年底发布。

eMTC场景关键性指标：

连接密度：

100万/平方公里

功耗：

广阔地区分布的设备，要求续航10年，电表气表等一般设备2-5年续航能力。

1.3.3uRLLC超高可靠低时延通信

uRLLC（UltraReliable&LowLatencyCommunication，超高可靠低时延通信）：

侧重于快速无误的通信，主要场景包括：

远程控制，工业自动化，铁路等重点实时信息交互等。

URLLC场景关键性指标：

用户时延：

1ms

可靠性：

用户面时延1ms内，传送32字节包的可靠性为1~10^（-5）。

第二章5G网络构架

5G网络架构和以前的几代网络类似，主要包括5G接入网和5G核心网,其中NG-RAN代表5G接入网，5GC代表5G核心网（5GCoreNetwork）。

它们之间的接口，就叫NG接口

2.15G核心网（5GC）构架

2.1.15G核心网的设计思想

1、用户面与控制面分离，可独立扩展、演进、部署。

2、模块化功能设计，实现灵活和有效的网络切片。

3、流程（即网络功能之间的交互集）定义为服务，可重复使用。

4、允许每个网络功能直接与其他NF（NetFunction）交互。

5、AN和CN之间的接口集成了不同的接入类型，支持3GPP和非3GPP接入。

6、支持统一的身份验证框架。

7、支持“无状态”NF，其中“计算”资源与“存储”资源分离。

8、支持网络能力对外开放（开放接口，非3GPP网络也可以接入）。

9、支持并发接入到本地和集中服务。

UP可部署在接入网络附近。

10、支持漫游，包括归属路由区流量以及访问PLMN中的本地之外流量。

2.1.2服务化构架SBA

SBA（ServiceBasedArchitecture:

服务化构架）：

将网络功能（NF）拆分，所有的NF

通过接口接入到系统。

服务化SBA的优点：

1.负荷分担：

相同功能的NF可多个接入网络，提供NFS（网络功能服务）。

2.容灾：

当某个NF存在故障，退网，由其他NF承担业务

3.扩容、升级简单：

独立NF的功能快速扩容，并且对单独的NF升级

4.实现网络开放功能：

NF实现了标准的接口，则多个设备厂家的不通过NF可用来构建某个NFS。

SBA设计的目标是以软件服务重构核心网，实现核心网软件化、灵活化、开放化和智慧化。

SBA的关键技术如下：

1.交互：

采用Request-Response、Subscribe-Notify模式交互。

2.注册：

5G核心网引入的新型网络功能NRF来实现的：

NRF接收其它NF发来的服务注册信息，维护NF实例的相关信息和支持的服务信息；NRF接收其它NF发来的NF发现请求，返回对应的NF示例信息。

3.接口：

传输层采用了TCP，在应用层采用HTTP/2.0[3]，在序列化协议方面采用了JSON，接口描述语言采用OpenAPI3.0，API的设计方式采RESTFul。

2.1.35G网络切片

网络比喻为交通系统，车辆是用户，道路是网络。

随着车辆的增多，城市道路变得拥堵不堪，这时候出现了快车道，公交车道，人行道能概念，路那是那条路，但是人为的划分了每条道，并且每条道的车辆行驶速度不同。

网络切片，本质上就是将运营商的物理网络划分为多个虚拟网络，每一个虚拟网络根据不同的服务需求，比如时延、带宽、安全性和可靠性等来划分，灵活应对不同的eMBB、eMTC和uRLLC三大场景。

NFV（NetworkFunctionVirtualization，网络功能虚拟化）：

利用软硬件解耦及功能抽象，以虚拟化技术降低昂贵的设备成本费，根据业务需求进行自动部署、弹性伸缩、

故障隔离等步骤，让运营商可通过此极速将承载各种网络功能的通用硬件与云计算虚拟化技术相结合，实现网元虚拟化和虚拟网络可编程，简化网络升级的步骤和降低购买新专用网络硬件的成本，把网络技术重点放到部署新的网络软件上。

SDN（SoftwareDefinedNetwork，软件定义网络）：

将网络设备分离为单独的控制设备及转发设备，转发设备功能简单化，控制与转发间遵循标准的Openflow协议，从而实现控制层和转发层分离。

这样网络管理者可在接口上开发应用软件，实现灵活的可编程，并结合流量监控，可动态调整数据平面的网元，使移动网络组成变得更加灵活，从而提高传送到消费者手机终端的下行传输速度。

SDN解耦的是控制平面与数据平面；NFV主要是软硬件解耦，基于通用服务器和虚拟化技术，软件实现控制和处理功能、流量处理功能。

两者虽不依赖，但共存互补对5G移动网络功能重组，提升网络弹性十分有效。

SDU（serviceDataUnit）:

服务数据单元，又叫业务数据单元，是指定层的用户服务的数据集，传送到接收方的时候同一协议层时数据没有发生变化，即业务部分，然后发给下层之后，下层将其封装在PDU中发送出去。

服务数据单元是从高层协议来的信息单元传送到低层协议。

第N层服务数据单元SDU，和上一层的协议数据单元（PDU）是一一对应的。

根据协议数据单元的数据的不同，送到接收端的指定层。

PDU（Protocoldataunit）:

协议数据单元：

计算机网络各层对等实体间交换的单位信息，例如TCP层的PDU就是segment（分节）、应用层间交换的PDU则是applicationdata（应用数据）。

SDU服务数据单元，对应于某个子层中没有被处理的数据。

对于某个子层而言，进来的是SDU。

PDU协议数据单元，对应于被该子层处理形成特定格式的数据。

对于某个子层而言，出去的就是PDU。

网络片由RAN部分和CN部分组成。

网络切片的支持依赖于不同切片的流量由不同的PDU会话处理的原理。

网络可以通过调度以及通过提供不同的L1/L2配置来实现不同的网络切片。

如果已经由NAS提供，则UE使用RRC消息中提供用于网络片选择的辅助信息。

虽然网络可以支持大量切片（数百个），但UE不需要同时支持多于8个切片。

网络运营商根据服务等级协议（SLA：

ServiceLevelAgreement）管理每个用户有资格使用的切片类型和业务。

NSSAI（NetworkSliceSelectionAssistanceInformation：

网络片选择辅助信息）包括一个或多个S-NSSAI（单NSSAI）。

每个网络片由S-NSSAI唯一标识。

2.1.4SA和NSA

5G网络架构分成了SA和NSA，R15版本分成了两个阶段，第一个阶段发布的是NSA，第二阶段发布的是SA，它们的部署是不相同的。

SA即是S