IT 技术百科：什么是5G承载网？

Posted 2023-04-03 wljslmz

随着5G技术的逐渐普及和推广，人们对5G承载网的认识也越来越深刻。5G承载网作为5G网络的基础设施之一，对于实现5G网络的高速、高效和可靠运行起着至关重要的作用。本文将围绕5G承载网展开讨论，探讨其构成、功能、优势和发展趋势等方面，以期能够更好地了解和应用这一重要技术。

一、5G承载网的构成和功能

5G承载网是由核心网和边缘计算组成的。

其中，核心网负责网络连接、流量控制和数据处理等核心任务，而边缘计算则负责在网络边缘完成计算任务。这两个组成部分相互配合，共同完成了5G网络的构建和运行。

在5G承载网中，核心网是网络架构的关键。其通过多层级的控制平面和用户平面，为用户提供了快速、低延迟和高可靠的网络连接。与此同时，核心网还可以根据不同的应用场景和服务需求，提供不同的网络切片和定制化服务，以满足不同用户的需求。

边缘计算则是5G网络的另一个重要组成部分。边缘计算将计算能力和存储资源从云端向网络边缘移动，将数据处理和分析任务下放到离用户更近的地方，从而降低了网络延迟和传输成本，并且能够更好地适应物联网等大规模设备连接的应用场景。

二、5G承载网的优势和应用价值

作为5G网络的基础设施之一，5G承载网具有很多优势和应用价值。首先，5G承载网可以提供更高速、更可靠和更低延迟的网络连接，从而能够更好地支持高清视频、虚拟现实、增强现实、云游戏等高带宽和低延迟的应用。

其次，5G承载网还可以提供网络切片和定制化服务，以满足不同应用场景和用户需求。例如，对于医疗、工业自动化等关键应用，5G承载网可以提供更高可靠性和低延迟的服务，以保证应用的安全和稳定性。

另外，5G承载网还能够支持物联网等大规模设备连接的应用场景。通过边缘计算和网络切片等技术手段，5G承载网能够实现对大量设备的快速响应和数据处理，为物联网的普及和发展提供了重要支持。

除了以上几点优势和应用价值，5G承载网还能够促进产业发展和创新。5G技术的应用将涉及到多个领域，包括通信、互联网、物联网、人工智能等。5G承载网作为5G技术的基础设施，将对相关产业的发展和创新起到重要推动作用，带动产业升级和经济增长。

三、5G承载网的发展趋势

目前，5G承载网仍处于不断发展和完善的阶段。未来，5G承载网的发展趋势将体现在以下几个方面：

1.技术优化：随着5G技术的发展和成熟，5G承载网将会不断优化和改进，提高网络连接速度、可靠性和安全性等方面的性能。

2.边缘计算的重要性：5G承载网将越来越注重边缘计算的应用和发展，提高网络边缘的计算能力和存储能力，以更好地支持物联网等大规模设备连接的应用场景。

3.网络切片的广泛应用：5G承载网将会更加广泛地应用网络切片技术，以提供不同的网络服务和应用场景，为用户提供更加定制化的服务。

4.产业合作和创新：5G承载网的发展离不开产业合作和创新。未来，5G承载网将与通信、互联网、物联网、人工智能等产业融合发展，带动相关产业的创新和发展。

四、5G承载网的应用案例

5G承载网的应用案例已经逐渐涉及到各个领域，以下是几个代表性的案例：

1.智慧城市：5G承载网能够为智慧城市的各项应用提供更快速、更可靠的网络连接和数据处理能力，如智能交通、智能安防、智能停车等。

2.工业自动化：5G承载网能够为工业自动化的应用提供更高可靠性和低延迟的网络服务，如机器人控制、工厂自动化等。

3.医疗健康：5G承载网能够为医疗健康的应用提供更快速、更可靠的网络连接和数据传输能力，如远程医疗、智能医疗、医疗影像等。

4.智能家居：5G承载网能够为智能家居应用提供更高的网络连接速度和更低的延迟，如智能家居控制、家庭娱乐等。

5.虚拟现实和增强现实：5G承载网能够提供更高速、更低延迟和更大的带宽，为虚拟现实和增强现实等应用提供更好的支持。

以上应用案例仅是5G承载网的冰山一角，未来随着技术的发展和应用场景的丰富，5G承载网的应用将会更加广泛和深入。

五、5G承载网的未来展望

5G承载网是5G技术的重要组成部分，是未来数字经济发展的重要基础设施。随着技术的不断创新和应用场景的扩大，5G承载网将会有更加广阔的发展前景和市场空间。

未来，5G承载网将成为连接万物的核心网络基础设施，为物联网、工业互联网、智慧城市、智能制造、智能医疗等领域的发展提供更加快速、稳定和安全的支持。同时，5G承载网将带动通信、互联网、物联网、人工智能等多个领域的协同发展，促进数字经济的蓬勃发展。

六、结论

5G承载网是未来数字经济发展的重要基础设施，具有快速、可靠和安全等优势。随着技术的不断创新和应用场景的扩大，5G承载网将成为连接万物的核心网络基础设施，为物联网、工业互联网、智慧城市、智能制造、智能医疗等领域的发展提供更加快速、稳定和安全的支持。同时，5G承载网将带动通信、互联网、物联网、人工智能等多个领域的协同发展，促进数字经济的蓬勃发展。

5G（IMT-2020）简介

目录

• 1. 5G相关概念
• • 1.1 ITU对IMT2020愿景的描述
  • 1.2 5G的性能
  • 1.3 5G的频谱
  • 1.4 5G的主要频段之毫米波
  • 1.5 5G 协议标准的发展
• 2. 新架构——5G接入网
• • 2.1 传统基站系统
  • 2.2 5G基站
  • 2.3 5G切片
  • 2.4 5G对承载网带宽需求分析
• 3. 新架构——5G承载网
• • 3.1 承载网带宽
  • 3.2 **承载网带宽解决方案**
  • 3.3 MEC（移动边缘计算）
  • 3.4 5G中回传L3到边缘，使能灵活连接
  • 3.5 GPU+1588
  • 3.6 Flex-Eth实现网络切片
  • 3.7 敏捷运营
• 4. 新架构——5G核心网
• • 4.1 面向业务的核心网网络架构
  • 4.2 基于服务的架构
  • 4.3 CUPS提升用户体验和网络效率
• 5. 新架构-5G架构
• • 5.1 5G组网方式
  • 5.2 SA组网
• 6. 新空口
• • 6.1 新空口主要技术
  • 6.2 5G空口频谱
  • 6.3 大带宽
  • 6.4 C波段的覆盖性能
  • 6.5 上下行解耦（SUL）
  • 6.6 毫米波部署的挑战
  • 6.7 调制技术-QAM调制
  • 6.8 MIMO原理
  • 6.9 信道编码技术
  • 6.10 频率利用率提升技术– F-OFDM
  • 6.11 灵活帧结构配置 - Numerology
  • 6.12 自包含时隙
• 7. 5G网络安全
• • 7.1 3GPP协议保障网络安全
  • 7.2 用户标识加密，增强型密钥
  • 7.3 完整性：用户面增加完整性保护，防篡改

1. 5G相关概念

第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology,简称5G）是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术，是实现人机物互联的网络基础设施。

1.1 ITU对IMT2020愿景的描述

1. 超高速率(eMBB)

增强移动宽带：以人为中心的应用场景，集中表现为超高的传输数据速率，广覆盖下的移动性保证等，这是最直观改善移动网速，未来更多的应用对移动网速的需求都将得到满足

2. 超大连接(mMTC)

海量物联：5G 强大的连接能力可以快速促进各垂直行业（智慧城市、智能家居、环境监测等）的深度融合，从而实现万物互联（面向车联网、工业控制、远程医疗等特殊应用）

3. 超低时延(uRLLC)

高可靠低时延连接：在此场景下，连接时延要达到 1ms 级别，而且要支持高速移动（500KM/H）情况下的高可靠性（99.999%）连接

IMT-2020 vs. IMT-Advanced 在关键性能指标上的对比：

1.2 5G的性能

5G技术包括：

1. 新空口关键使能技术

5G NR中新的关键空口技术

1. Massive MIMO：配对算法优化，DMRS增强
2. 新的物理信号设计：CRS-Free，DM-RS
3. Flexible：灵活Numerology
4. 新频谱：引入C-band，毫米波频段

2. LTE Advanced Pro演进

作为LTE和LTE-A系列技术的一个独特标识，这是4.5G在标准上的正式命名

3. 下一代核心网NextGen
4. EPC演进

5G性能主要指标：

5G安全性更高：

5G网络安全将保护用户数据，构筑网络韧性

1. 机密性和完整性
   保护用户隐私信息（签约信息和位置信息等）、用户通信数据、运营商关键数据（比如报表、话单等）。
2. 可用性
   识别非法攻击并削减攻击带来的影响
3. 可追溯性
   记录操作便于安全审计、问题定界等
4. 密码算法增强
   256bit加密算法（4G为126bit）
5. 用户永久身份加密
   用户IMSI加密发送（4GIMSI明文发送）
6. 对接安全性
   PLMN间的端到端安全保护（4G有类似于SS7攻击）
7. 空口保护措施
   空口用户面完整性保护（4G用户面变更攻击）

5G网络演进的路线：

5G重点关注对象：

1.3 5G的频谱

5G将聚合所有的频段频谱：

C-band 和高频G30/G40将成为5G的可获得频谱：

1. 首频：首选3.5GHz，因为它是6GHz以下可以获取最宽的连续频谱 ，覆盖和容量综合考虑，全球完善生态系统。 C-band不可用时，选择2.6GHz 作为eMBB首频，还可以通过与LTE 2.1GHz/1.8GHz 双连接，提升5G用户体验。
2. 热点补充：mmWave作为热点补充频段。

1.4 5G的主要频段之毫米波

毫米波简介：

毫米波：波长1-10毫米的电磁波（频率在30GHz-300GHz之间的电磁波），5G通讯中所使用的主要频段之一

1. 优点
   
   1.1 极宽的带宽：毫米波频率范围为26.5～300GHz，带宽高达273.5GHz，配合各种多址复用技术的使用可以极大提升信道容量，适用于高速多媒体传输业务
   
   1.2 波束窄：可以分辨相距更近的小目标或者更为清晰地观察目标的细节
   
   1.3 较高的频率：受干扰很少，可靠性高
   
   1.4 方向性好：毫米波受空气中各种悬浮颗粒物的吸收较大，使得传输波束较窄，增大了窃听难度，适合短距离点对点通信
   
   1.5 波长极短：所需的天线尺寸很小，易于在较小的空间内集成大规模天线阵
   
2. 缺点
   
   2.1 大气中传播衰减严重
   
   2.2 器件加工精度要求高
   

毫米波覆盖：

毫米波应用- WTTx，热点eMBB，自回传：

1. 毫米波用于热点eMBB
   
   1.1 室内外热点，视距场景
   1.2 C-Band和毫米波双连接
2. 毫米波用于WTTx
   
   2.1 郊区WTTx接入
   2.2 CPE可以室外或者室内安装
3. 毫米波用于无线回传
   
   3.1 集成5G接入和回传功能，基于时间、频率、 空间等维度进行动态调度
   3.2 通过自回传，站点部署更方便
   

1.5 5G 协议标准的发展

5G 从3GPP Release 15 开始：

日韩5G最激进的运营商与Verizon结成联盟
四家最激进的运营商成立OTSA，旨在加速5G标准化和商用进程

1. 共同制定5G试验的统一规格，高效推进5G开发（2016年7月，Verizon宣布完成5G无 线标准的制定。）
2. 除运营商参加外，后续会加入网络、芯片、终端、仪器厂家
3. 推动28GHz频谱发放
4. 加速商用解决方案，推动5G产业发展
5. 共同开发和讨论5G use cases

3GPP加速5G标准进程

1. Polar Code入选R15 eMBB短码，边缘化OTSA，初步维护了全球统一标准。
2. Phase I：预期2018年6月份/Rel-15完成，解决部分迫切的运营商市场需求，优先eMBB和uRLLC业务

R15 Ph1 NSA标准(eMBB)在17.12冻结

所谓冻结是后续不能有新的特性增加到这个版本里，通俗的说，就是定稿了，定了的东西咱不能去改了，大家才敢都按这个标准制造产品。

2. 新架构——5G接入网

无线通信网络架构：

通信流程：

1. 通信网络的逻辑架构，一直都是：手机→接入网→承载网→核心网→承载网→接入网→手机。
2. 通信过程的本质，就是：编码解码、调制解调、加密解密。

2.1 传统基站系统

一个基站通常包括：

1. BBU（主要负责信号调制）
2. RRU（主要负责射频处理）
3. 馈线（连接RRU和天线）
4. 天线（主要负责线缆上导行波和空气 中空间波之间的转换）。

早期基站系统进化-RAN：

1. RRU和BBU先给拆分

2. BBU和RRU挂墙上
   

3. 机柜中的BBU
   

早期基站系统进化D-RAN（分布式无线接入网）

RRU不再放在室内，而 是被搬到了天线的身边 （所谓的“RRU拉远”），也就是分布式 基站DBS3900

D-RAN优点：

1. 大大缩短了RRU和天线之间馈线的长 度，可以减少信号损耗，也可以降低馈线的成本。
2. 以让网络规划更加灵活。RRU加天线比较小，想怎么放，就怎么放。

D-RAN到C-RAN（集中化无线接入网）

在D-RAN的架构下，运营商仍然要承担非常 巨大的成本。因为为了摆放BBU和相关的配套设备（电源、空调等），运营商还是需要租赁 和建设很多的室内机房或方舱。

2.2 5G基站

1. CU：原BBU的非实时部分将分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务。
2. AAU：BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为 AAU。
3. DU：BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务。
4. 简而言之，CU和DU，以处理内 容的实时性进行区分

CU部署方案：

承载结构变化

在图中，EPC（就是4G核心网）被分为New Core（5GC，5G核心网）和MEC（移动网络边界计算平台）两部分。MEC移动到和CU一起，就是所谓的“下沉”（离基站更近）。

无线网络云化演进概述

2.3 5G切片

切片图示

用切片来满足多样的商业需求

5G灵活的架构

2.4 5G对承载网带宽需求分析

5G承载技术新需求分析：主要体现在带宽和未来垂直行业分片两方面。车辆网等低时延需求，主要通过核心网网关下沉缩短传输距离来解决。

5G频谱资源和频谱效率大幅提升

5G基站带宽计算：5G频谱100M+4G频谱60M

5G对承载网时延需求

E2E 5ms时延进行分解，承载网时延要求2ms

C-Band和毫米波是5G的主力波段，都采用TDD模式，时间同步是必须要求。

5G对承载网切片技术需求

承载网切片关键点：

1. 需要保证不同分片对承载的带宽、时延、和可靠性不同的带宽需求。
2. 分片的灵活创建和删除。
3. 分片的灵活调整。
4. 各分片间需要完全隔离，分片的调整不 会影响其他分片。

5G对承载网自动化需求

1. 按需的连接
2. 分片全生命周期自动管理
3. 业务跨域快速布放

3. 新架构——5G承载网

3.1 承载网带宽

总体建议

1. 纵向自上而下
   1.1 汇聚核心搭平台，能力提前构建
   1.2 接入提带宽，大端口按需引入
2. 横向带宽升级：发展期 成熟期，热点区域 普通区域

建网原则
网络流量随着业务发展逐步提升，充分利旧现网，原则如下：

1. 接入环带宽规划：
   1.1 10GE到站成为必须
   1.2 已有10GE环，网络实际流量 < 20%场景，可满足5G初 期 应用
   1.3 已有10GE环，网络实际流量 > 20%场景，升级到50GE
2. 汇聚核心带宽规划：
   侧重容量平台提前构建，100GE/200GE端口按需引入

3.2 承载网带宽解决方案

1. X-HAUL：
   

2. 前传：

3. 回传有光纤：

4. 回传协议简化：
   
   4.1 当前的问题：协议众多，配置复杂；运维人员要求高；自动化能力差
   4.2 目标协议价值：设备配置简化；业务自动下发，缩短 TTM；降低运维人员能力要求，提升运维效率

3.3 MEC（移动边缘计算）

MEC七大场景 (ETSI定义)

1. 应用本地化：
   

企业分流：将用户面流量分流到企业网络

2. 内容区域化：

2.1 视频流分析：在边缘对视频分析处理，降低视频采集设备的成本、减少发给核心网的流量
2.2 视频优化：在边缘部署无线分析应用，辅助TCP拥塞控制和码率适配

3. 计算边缘化：

3.1 增强现实：边缘应用快速处理用户位置和摄像 头图像，给用户实时提供辅助信息
3.2 车联网：MEC分析车及路侧传感器的数据，将危险等时延敏感信息发送给周边车辆
3.3 物联网：MEC应用聚合、分析设备产生的消 息并及时产生决策
3.4 辅助敏感计算：MEC提供高性能计算，执行时延敏感的数据处理，将结果反馈给端设备

MEC组网架构：

3.4 5G中回传L3到边缘，使能灵活连接

3.5 GPU+1588

1588V2可以满足5G初期部署的时间同步要求，后续基于1588V2.1新标准提供更高精度时钟满足协同特性要求

3.6 Flex-Eth实现网络切片

3.7 敏捷运营

“云化+大数据分析”，分阶段使能网络智能化

4. 新架构——5G核心网

4.1 面向业务的核心网网络架构

NGC Vs EPC：

4.2 基于服务的架构

1. 大规模网络，网元间耦合功能。
2. 新功能标准化时间长。
3. 减少接口，极简网络。
4. 功能解耦，开放架构。
5. 独立服务，快速创新。

4.3 CUPS提升用户体验和网络效率

5. 新架构-5G架构

5.1 5G组网方式

1. NSA (Non-Standalone，非独立组网)
   Phase1.1 推出5G非独立组网架构(NSA，NR+EPC），结合MSA技术实现两个制式的协同。
   

1. 支持eMBB
2. LTE为锚点，复用4G核心网，快速引入5G NR
3. 5G叠加于4G网络上，无需提供连续覆盖

2. SA (Standalone， 独立组网)
   Phase1.2 推出5G独立组网架构(SA，NR+NG CORE）。
   

1. 支持eMBB/uRLLC/mMTC及网络切片
2. 需要新建5G Core
3. 对5G的连续覆盖有较高要求

5.2 SA组网

1. 5G网络组成包括：
   1.1 无线网络：NR (New RAN)
   1.2 核心网：NGC （Next Generation Core)
2. 5G无线网络接口包括
   2.1 Xn
   2.2 NG-C（控制面板）
   2.3 NG-U（用户面）
   2.4 Uu（无线空口）

6. 新空口

6.1 新空口主要技术

新空口可以灵活适配众多业务，支撑更高的速率，更高的频谱效率

6.2 5G空口频谱

“Sub 6G”与“毫米波”

在3GPP协议中，5G的总体频谱资源可以分为以下两个频谱范围FR（Frequency Range）：

1. FR1：Sub 6G频段，也就是我们说的低频频段，是5G的主用频段；其中3GHz以下的频率我们称 之为sub3G，其余频段称为C-band。
2. FR2: 6G以上的毫米波，也就是我们说的高频频段，为5G的扩展频段，频谱资源丰富。

6.3 大带宽

大带宽是5G的典型特征：

1. Sub 6G小区最大小区带宽100MHz
2. 毫米波最大小区带宽400MHz
3. 20MHz以下带宽定义主要是满足既有频谱演进需求

6.4 C波段的覆盖性能

6.5 上下行解耦（SUL）

1. SUL是弥补C-Band上行覆盖短板的重要技术
2. 相比下行覆盖，C波段上行有13.7dB的 覆盖差距
3. 通过将上行的发送切换到1.8G， 可以有效补偿 上行覆盖问题

6.6 毫米波部署的挑战

6.7 调制技术-QAM调制

6.8 MIMO原理

传统MIMO：

Massive MIMO(multiple-input multiple-output): 大规模的天线形成阵列。

通过对每个天线进行加权，控制大规模的天线阵列，进一步提升无线覆盖。

Massive MIMO天馈结构：

Massive MIMO增益：

1. 阵列增益：通过增加天线数量，获得更高阵列增益，提升覆盖。
2. 赋型增益：水平和垂直两个方向同时波束赋型，提升系统覆盖和用户数。
3. 复用增益：最多支持16个数据流，提升系统吞吐率；空分复用，支持更多用户。
4. 分集增益：通过增加天线数量，从而形成更多的数据空间传输路径，提升数据传输可靠性。

Massive MIMO—增强覆盖：

1. 业务信道：
   1.1 高增益窄波束
   1.2 赋形方向动态调整
   

2. 广播信道：
   2.1 高增益窄波束
   2.2 场景化的波束扫描
   

6.9 信道编码技术

1. 信道编码的选择的基本原则：
   1.1 编码性能：纠错能力以及编码冗余率
   1.2 编码效率：复杂程度及能效
   1.3 灵活性：编码的数据块大小，能否支持IR-HARQ(增量冗余的混合自动重传)
2. Turbo编码：
   性能好，随着速率的增加，编码的运算量会线性增加， 能效成为挑战
3. LDPC -Low Density Parity Check Code（用于大包业务信道）：
   性能好，复杂度低，通过并行计算，对高速业务支持好
4. Polar码（用于控制信道）
   对小包业务编码性能突出
   

6.10 频率利用率提升技术– F-OFDM

6.11 灵活帧结构配置 - Numerology

Numerology：即灵活帧格式，指NR中的SCS（SubCarrier Spacing，子载波间隔），以及与之对应的符号长度，CP长 度等参数的灵活配置

6.12 自包含时隙

在NR的slot结构中，有两种特殊的Slot结构，我们称之为自包含时隙，其设计目标是为了缩短上下行 数传的RTT时延，分别包含以下两种场景。

1. 下行自包含时隙：
   同一个时隙中包含下行数传以及对应的HARQ反馈
   
2. 上行自包含时隙：
   同一个时隙包含上行调度信息以及上行数传
   

7. 5G网络安全

运营商网络域外关键安全威胁：

7.1 3GPP协议保障网络安全

3GPP标准安全目标：

1. 确保合法接入网络：
   1.1 UE与网络间进行双向认证，防范伪基站
   1.2 UE由高制式网络回落到低制式
2. 保障空口的机密性、完整性：
   2.1 加密算法秘钥使用256bit秘钥
   2.2 新增IMSI加密保护用户隐私
   2.3 用户面新增完整性保护
3. 确保3GPP网元间连接安全：
   3.1 3GPP各网元间使用IPSec保护传递信息安全
   3.2 5GC归属域与漫游域之间通过SEPP保证安全
   3.3 5GC服务功能间使用HTTPS

5G UE和核心网互相认证鉴权

1. 2G网络单向认证导致2G伪基站问题难以解决
2. 3/4/5G均采用双向认证鉴权
   

7.2 用户标识加密，增强型密钥

7.3 完整性：用户面增加完整性保护，防篡改