5G关键技术及应用5G移动通信组网架构
Posted 劫o梦
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了5G关键技术及应用5G移动通信组网架构相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
5G关键技术及应用
1、5G 概述；
什么是5G？第5代移动通信技术（5th generation mobile networks简称5G）
为什么要发展5G？预期2030年发展
4G，2013开始发展，成本才开始回收
5G成本为4G4倍，国家要求发展
5G与前4代有哪些区别？
5G关键技术有哪些？
移动通信发展演进过程：
1G低频传输，峰值速率2.4K，纯模拟通信，易被干扰窃听仅能支持语音业务
1980年标准制定，1991年国内商用，仅部分城市拥有基站，外市打固话
同功率电磁波功率越大，衰减越大，意味着传输距离受限
2G，峰值速率64K，带宽200K，1991年标准制定，2001年国内商用，增加短信业务
GPRS数据业务（2.5G解决移动上网问题，不插网线上网，不显示图片，收发邮件）
3G，峰值速率2M，带宽1.6M，1998年标准制定（国内3gpp，美国3gpp2），2008年国内商用，互联网多媒体
4G，峰值速率100M，带宽20M，2008年标准制定，2013年国内商用，高速互联网，移动支付
5G，峰值速率20G，带宽100M，2017年标准制定，2019年国内商用，万物互联
大唐、华为、中兴、诺基亚、三星、爱立信（有实力构建基站，6家）
当前产业现状-VR/AR（2009年—至今）
当前阻碍：分辨率低、3D渲染延迟高、头戴设备长时间使用易头晕，大量服务器供给算力，需要光纤传输，导致没有便携性
解决方案：云端图像处理服务器+高速无线传输（传输速率>=10Gbps/s）
当前产业现状-车联网/无人驾驶（2005年—至今）
当前阻碍：
技术障碍：路况复杂多样，造成车机系统算法复杂；车联互通时延时高
法律障碍：国内目前尚未明确因自动驾驶造成的事故相关法律定责条文
解决方案：云端高数数据处理+高速无线传输(传输速率>=10Gbps/s)+高可靠低时延传输（响应时延<=10ms）
当前产业现状-大数据/人工智能（2008年—至今）
当前阻碍：数据样本采集不足，算法复杂运算能力不足
解决方案：采样传感器超高密度组网+大容量高速率无线传输（接入数量>=100万/平方千米）
当前产业现状-高铁通信
当前阻碍：传输时延过长、传输速率不稳定、传输误码率过高
解决方案：3D波束赋型+优化OFDM多址技术（对抗多普勒频移，减少误码率）
5G三大应用场景
eMBB 增强移动宽带：主要面向VR/AR、超高清视频、人工智能、云计算等对传输速率要求极高的场景
uRLLC 高可靠低时延连接：主要面向车联网、工业控制、远程医疗、高铁覆盖等归安全性及可靠性要求极高的应用场景
mMTC 海量物联：主要面向数据速率较低且时延不敏感，连接覆盖生活的方方面面，终端成本更低，电池寿命更长且可靠性更高
2、5G 关键技术；
高速率无线通信
高阶QAM（正交条幅调制）调制
大带宽通信：FR1(100MHz、160MHz、200MHz) ；FR2(400MHz、800MHz）
多流传输：16流传输
低时延无线通信
用户上传、基站接收——上行；用户下载、基站发射——下行（上传多，下载少）
网络切片——时化；边缘运算——用户上传需要核心网转接，不需要的直接转接边缘服务器，解决上报时延问题
大连接无线通信
高可靠性无线通信
3、5G 应用及展望；
5G+VR/AR
5G+自动驾驶
5G+行业应用
万物互联
5G 移动通信组网架构
1、移动通信网络架构及演进；
移动通信的产生
无线通信：单工；移动通信：双工
移动通信的特点
移动通信基本架构
移动通信的发展演进
移动通信网络架构演进-2G
移动通信网络架构演进-2.5G 较2G引入了分组交换业务
移动通信网络架构演进-3G 网络结构较大改变
移动通信网络架构演进-3G 变革性改变
2、5G移动通信组网；
5G移动通信组网-NSA
5G移动通信多架构组网演进
3、5G 移动通信系统网元组成；
5G移动通信基站
5G接入网-AAU
5G承载网设备-交换机
5G核心网设备（NGC）
5G终端设备
4、5G 移动通信组网覆盖场景；
5G室外宏覆盖
5G宏覆盖选型
5G室外补盲覆盖
5G室内分布覆盖
5G室内微站覆盖
大唐杯学习笔记—— 5G网络架构与组网部署
目录
一、名词汇总
1.核心网与接入网
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| 核心网 | 核心网部分就是位于网络子系统内，核心网的主要作用是把A口上来的呼叫请求或数据请求，接续到不同的网络上。 |
| 接入网 | 所谓接入网是指核心网络到用户终端之间的所有设备，其长度一般为几百米到几公里，因而被形象地称为"最后一公里"。 |
个人理解，核心网和接入网的定义比较好理解，就像是快递公司，会把一座城市的快递收集起来，这部分是接入网，再根据快递的信息处理其下一步应该发往哪个城市，这个快递公司的工作就是核心网。
2.5G网络架构
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| SA组网 | (Standalone)5G独立组网 |
| NSA组网 | (Non-Standalone)5G非独立组网 |
| NB | 3G基站代称 |
| eNB | 4G基站代称 |
| gNB | 5G基站代称 |
| en-gNB | 承载部分4G业务的5G基站代称 |
| gn-eNB | 承载部分5G业务的4G基站代称 |
| 5GC | 5G核心网 |
| NG-（R）AN | 由多个与5GC连接的gNB组成的(无线)接入网 |
| NG接口 | 无线接入网和5G核心网之间的接口 |
| Xn接口 | NG-RAN节点（gNB或ng-eNB）之间的网络接口 |
学习网络就要学习他的发展过程。经济基础决定上层建筑，在建设5G的过程中不可能把3G、4G的基站全拆了换成5G。他是逐步演进逐步替换的过程。因此现在的5G组网也借助了4G的一些物理设备。有部分4G设备构成的5G网络就是NSA了。
从整个网络发展上看，很多新技术新协议的出现都要兼容老的一些协议，主要是我们的互联网过于庞大，想要进行迭代更新，也要考虑一些经济和一些现实问题。
NG接口分为NG-C接口控制面接口和NG-U接口用户面接口。
3.核心网架构演进
(1)2G核心网
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| PCM | 脉冲编码调制 |
| TDM | 时分复用技术 |
| 分组通信 | 利用无线信道以分组方式传送数据或话音信息的通信 |
| PDH | 准同步数字系列，美日采用μ律，欧洲和我国采用A律 |
| SDH | 同步数字体系，PDH改进型，速度更快，统一了光接口 |
| X.25 | 是目前使用最广泛的分组交换协议 |
| ATM | 异步传递方式，采用统计时分复用 |
| STM | 同步传递方式，采用时分复用 |
(1)3G，4G核心网
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| MPLS | 多协议标签交换，用于不同的包转发和包交换技术，面向连接 |
| SDN | 软件定义网络，将数据与控制相分离 |
| NFV | 网络功能虚拟化 |
| Open Stack | 一个云计算平台项目，覆盖了网络、虚拟化、操作系统、服务器等各个方面 |
4.4G核心网架构
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| LTE | 长期演进技术，3G与4G技术之间的过渡 |
| UE | 终端 |
| Uu | 空中接口 |
| E-UTRAN | 演进的UMTS陆地无线接入网，即LTE移动通信无线网络 |
| S1-U | eNodeB（基站）与 EPC（分组核心网）之间的通讯接口，-U同上表示用户数据部分 |
| GW-U | Gateway是网关，百度上有GW-S表示服务网关，猜测这里表示用户(User)网关 |
| SGi | 与外部数据网络对接 |
| HSS | 归属用户服务器，负责管理用户的签约数据及移动用户的位置信息 |
| MME | 移动性管理实体，负责处理信令 |
| SGW | 服务网关，负责处理业务流 |
| CG | 计费网关/计费网关，负责完成计费话单的检错、纠错和话单的合并,并完成话单格式的转换 |
| PGW | 分组数据网网关，负责分组数据包路由和转发；3GPP和非3GPP网络间的Anchor功能；P地址分配等 |
| PCRF | 策略和计费规则功能，是业务数据流和IP承载资源的策略和计费控制判决单元 |
从图中可以很好的看出数据和控制分离。
5.5G核心网架构
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| UE | 终端 |
| AN | 接入网 |
| UPF | 用户面功能 |
| DN | 数据中心 |
| NF | 网元功能体 |
| NSSF | 网络切片选择功能 |
| NEF | 网络开放功能 |
| NRF | 网络仓储功能，支持服务发现功能 |
| PCF | 策略控制功能，主要功能是使用统一的策略框架来管理网络行为 |
| UDM | 统一数据管理，通过生成3GPPAKA身份验证凭据，通过对SUPI的存储和管理，对用户进行识别处理，对用户进行合法性验证 |
| AF | 应用功能，指应用层的各种服务 |
| AUSF | 鉴权服务器功能，处理3GPP接入和非3GPP接入的认证请求 |
| AMF | 接入和移动管理功能，负责注册管理，连接管理，可达性管理，移动性管理等功能 |
| SMF | 会话管理功能，负责会话建立，修改和释放等 |
6.5G接入网网架构
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| CU | 集中单元 |
| DU | 分布单元 |
7.主要网元功能
| 名词 | 定义 |
|---|---|
| 小区 | 在蜂窝移动通信系统中，其中的一个基站或基站的一部分，与大区相对应 |
| 移动锚点 | 当用户在不同接入系统之间移动时，可以保证该网元分配的用户地址保持不变 |
| PDU | 协议数据单元 |
| N接口 | 5G网元直接的通信接口，例如N1,N22等 |
| Nplink | 交换机上的一种端口，在点到多点系统中，由分散点到集中点的传输链路。例如：在移动通信中，由移动台到基站的链路 |
| 移动台 | 移动终端设备 |
| QoS | 服务质量，虽然翻译成服务质量，但是他是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术 |
| ul/dl | up link/down link 上行/下行链路 |
| SDF | service data flow 服务数据流 |
| NAS | 非接入层 作为核心网与用户设备之间的功能层。该层支持在这两者之间的信令和数据传输 |
| 信令 | 控制信号 |
| SM | 服务消息 |
| SMS | 短信消息 |
| SMSF | 短信消息管理功能 |
| GTP | GPRS隧道协议 |
| RRC | 无线资源控制层 |
| PDCP | 分组数据汇聚协议 |
| RLC | 无线链路控制协议 |
二、5G主要网元功能
1.用户面功能UPF(User Plane Function)
- gNodeB间切换的本地移动锚点(适用时)
- 连接到移动通信网络的外部PDU会话点
- 基于N接口切换过程中，数据包路由与转发
- 数据包检查和用户面部分的策略计费
- 合法的监听拦截(集合)
- 流量使用情况报告
- Uplink支持路由流量到一个数据网络
- 分支点以支持多类的PDU会话
- 对用户平面的QoS处理，例如包过滤、门控、ul/dl速率执行
- Uplink流量验证(SDF到QoS流映射)
- 上下行链路上传输级别的数据包标记
- 下行数据包缓冲和下行数据通知触发
2.会话管理功能SMF(Session Management Function)
- 会话的建立修改删除
- 包括tunnel maintain between UPF and AN node（UPF和节点之间的隧道维护）
- UE IP地址的分配和管理
- DHCPv4（服务器和客户端）和DHCPv6（服务器和客户端）功能
- 选择控制用户面功能
- QoS策略与控制，终止策略与控制
- 合法监听
- Termination of SM parts of NAS messages（终止NAS消息的SM部分）
- 下行数据的通知
- 漫游功能
3.访问和移动性管理功能AMF(Access and Mobility Management Function)
- NAS信令及信令的加密和完整性保护
- 终止运行RAN网络接口(N2)
- 注册管理
- 连接管理
- NAS移动性管理
- 合法的截距(用于AMF事件和对Ll系统的接口)
- 为在UE和SMF之间的SM消息提供传输
- 路由SM消息的透明代理
- 访问验证
- 在UE和SMSF之间提供SMS消息的传输
- 用户鉴权及密钥管理
- 承载管理功能，包括专用承载建立过程
4.gNB/en-gNB（基站）
- 中央单元-控制面CU-C(Central Unit - Control plane)
| 功能 | 解释 |
|---|---|
| 接口管理(Interface Management) | 包括:Xn/NG/F1/E1等接口链路管理、接口消息处理(如:NG-AP)和数据处理(如:GTP-U) |
| 连接管理(Connection Management) | 单连接、双连接、多连接和D2D |
| 流量导向(Traffic Steering) | 系统内和系统间的负载均衡 |
| 切片支持(Slice Support) | 系统内和系统间的切片资源动态管理 |
- 中央单元-用户面CU-U(Central Unit - User plane)
主要功能：数据包的处理和转换 - 分布单元(Distributed Unit)
主要功能：资源的调度 传输模式的转换 信道映射 - 有源天线处理单元 - 天线AAU-RF(Active Antenna Unit - Radio Frequency)
主要功能：信号的收发 Massive MIMO天线处理 频率与时间同步 AAS实现机制
三、5G接口主要功能
1.NG接口主要功能
| NG-C接口功能与流程 | 具体描述 |
|---|---|
| PDU会话管理过程 | 完成PDU会话的NG-RAN资源建立，释放或修改过程 |
| UE上下文管理过程 | 完成UE上下文建立，释放或修改过程 |
| NAS发送过程 | 完成AMF和UE间的NAS信令数据透传过程； 初始UE消息(NG-RAN node发起)、上行NAS传输(NG-RAN node发起)、上行NAS传输(NG-RAN node发起)、下行NAS传输(AMF发起)、NAS无法传输指示(NG-RAN node发起)、重新路由NAS请求(AMF发起) |
| UE移动性管理过程 | 完成UE移动切换的准备，执行或取消过程；切换准备、切换资源分配、切换通知、路径切换请求、上下行RAN状态转发、切换取消 |
| 寻呼过程 | 完成寻呼区域内向NG-RAN节点发送寻呼请求过程 |
| AMF管理过程 | 完成AMF告知NG-RAN节点AMF状态和去激活与指定UE NGAP UE组合过程 ；AMF状态指示、NGAP组合去激活(FFS) |
| NG接口管理过程 | 完成NG接口管理过程；NG建立、NG重置、RAN配置更新、AMF配置更新、错误指示 |
NG-U接口主要功能：
- NG-U接口在NG-RAN节点和UPF之间提供非保证的用户平面PDU传送；
- 协议栈传输网络层建立在lP传输上；
- GTP-U在UDPIIP之上用于承载NG-RAN节点和UPF之间的用户面PDU。
2.Xn接口主要功能
| Xn-C接口功能与流程 | 功能描述 |
|---|---|
| Xn建立功能 | 允许两个NG-RAN nodes间Xn接口的初始建立，包括应用层数据交互 |
| 差错指示功能 | 允许应用层上一般错误情况上报 |
| Xn重置功能 | 允许NG-RAN node告知另一个NG-RAN node其已经从非正常失败状态恢复，第二个node内需要删除与第一个node相关的所有上下文(应用层数据除外)并释放伴生资源 |
| Xn配置数据更新功能 | 允许两个NG-RAN nodes随时更新应用层数据 |
| 切换准备功能 | 允许源和目的NG-RAN node间的信息交互从而完成给定UE到目的NG-RAN node初始切换 |
| 切换取消功能 | 允许通知已准备好的目的NG-RAN node准备的切换不进行，同时释放切换准备期间的资源分配 |
| 恢复UE上下文功能 | 允许NG-RAN node从其他node恢复UE上下文 |
| RAN寻呼功能 | 允许NG-RAN node初始化非激活态UE的寻呼功能 |
| 数据转发控制功能 | 允许源和目的NG-RAN nodes间用于数据转发传输承载的建立和释放 |
| 双链接功能 | 使能NG-RAN中辅助节点内额外资源的使用 |
Xn-U接口主要功能：
- Xn-U接口提供用户平面PDU的非保证传送，并支持分离Xn接口为无线网络功能和传输网络功能，以促进未来技术的引入；
- 数据转发功能，允许NG-RAN节点间数据转发从而支持双连接和移动性操作；
- 流控制功能，允许NG-RAN节点接收第二个节点的用户面数据从而提供数据流相关的反馈信息。
3.E1接口主要功能
E1接口管理功能：
- 错误指示（gNB-CU-UP或者gNB-CU-CP向gNB-CU-CP或者gNB-CU-CP 发出错误指示)；
- 复位功能用于gNB-CU-UP与gNB-CU-CP建立之后和发生故障事件之后初始化对等实体；
- gNB-CU-UP与gNB-CU-CP之间应用层数据的互操作；
- gNB-CU-UP配置更新: gNB-CU-UP将NRCGl、s - nssai、PLMN-ID和gNB-CU-UP支持的QoS信息通知给gNB-CU-CP。
E1上下文管理功能：
- 上下文承载建立（ gNB-CU-CP ) ;
- 上下文承载修改与释放（可以由gNB-CU或gNB-DU发起)；
- QoS流映射(gNB-CU执行)；
- 下行数据通知（ gNB-CU-UP发起)；
- 承载不活动通知；
- 数据使用情况报告（gNB-CU-UP发起)。
TE ID分配功能(gNB-CU-UP)：
- F1-U UL GTP TEID、S1-U DL GTP TEID、NG-U DL GTP TEID X2-U DL/UL GTP
TEID、Xn-D DL/UL GTP TEID
4.F1接口主要功能
F1接口管理功能：
- F1接口管理功能错误指示；
- 复位功能用于在节点建立之后和发生故障事件之后初始化对等实体；
系统信息管理功能：
- 系统广播信息的调度在gNB-DU中执行，gNB-DU负责NR-MIB、SIB1的编码，gNB-CU负责其他SI消息的编码。
F1 UE上下文管理功能：
- 基于接纳控制准则、由gNB-CU发起并由gNB-DU接受或拒绝F1 UE上下文的建立；
- UE上下文的修改(可以由gNB-CU或gNB-DU发起)；
- QoS流和无线承载之间的映射(gNB-CU执行)；
- 管理建立,修改和释放DRB和SRB资源（DRB资源的建立和修改由gNB-CU触发)。
RRC消息传送功能：
- RRC消息通过F1-C传送，gNB-CU负责用gNB-DU提供的辅助信息对专用RRC消息进行编码。
F1-U接口主要功能功能：
- 用户数据传输(Transfer of user data)；
- CU和DU之间传输用户数据；
- 流量控制功能（Flow control function)；
- 控制下行用户数据流向DU。
5.Uu接口主要功能
四、SA与NSA组网
1.常用的NSA组网方式
2.NSA与SA组网方案对比
| 分类 | 非独立NR(NSA)架构 | 独立NR(SA)架构 |
|---|---|---|
| 支持功能 | 仅支持eMBB | 全部5G功能 |
| LTE现网 | 需要升级LTE基站以及核心网支持NSA | 不影响现网LTE |
| 终端 | 5G NR下需要提供Customized 4G NAS UE with 5G RRC；eLTE理论支持LTE终端 | 5G NR下使用5G UE；LTE终端继续使用在LTE网络下 |
| 5G新频NR以及天线 | 全部新加，不管高低频 | 全部新加，不管高低频 |
| 核心网 | 初期只需要升级现网EPC，后期可以选择新建5G核心网支持eLTE | 新加5G核心网 |
| 初期成本 | 低 | 高 |
| 后期维护成本 | 高（升级软件需要升级LTE基站） | 低 |
| 组网 | 复杂(需要考虑到LTE的链路) | 简单 |
| IOT对接 | 不需要5GNR接入与核心网跨异厂家IOT测试LTE或eLTE跟升级后的EPC IOT需要对接验证 | 需要5G NR与5G核心网跨异厂家IOT测试成熟loT需要很长时间 |
| 演进 | 可以通过升级与网络调整变成SA | SA是最终模式 |
五、MR-DC技术
MR-DC(Multi-RAT Dual Connectivity，多接入网技术双连接)是指一部终端可以同时连接4G网络和5G网络，同时使用两个网络进行业务，此时终端需要具备至少两个MAC实体，支持双发双收。对应不同的网络架构，双连接有不同的名称。
| 核心网 | 主节点 | 辅节点 | 名称 |
|---|---|---|---|
| EPC | E-UTRA | E-UTRA | DC |
| EPC | E-UTRA | NR | EN-DC |
| 5GC | NG-RAN E-UTRA | NR | NGEN-DC |
| 5GC | NR | E-UTRA | NE-DC |
| 5GC | NR | NR | NR-DC |
六、总结
2021年参加过一次大唐杯，基本没准备，随便玩了玩。今年把比赛准备时间调到了寒假，也算是给了一定的复习和准备时间。（主要是考研太累了学会别的放松放松哈哈哈）去年的学习过程中感觉出干听课的效率极低，今年稍微下点功夫，多百度、多记笔记，不管怎样多学点知识，毕竟以考研为主，不指望能拿什么奖。另外感觉我大三的专业课水平并不能支撑我学习5G的知识，对我来说有种空中楼阁的感觉，尽量做到有据可考，但是难免写出来的东西也很幼稚，轻喷~
七、参考资料
以上是关于5G关键技术及应用5G移动通信组网架构的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章