5G无线技术基础自学系列 | 移动通信网络的架构

Posted 2022-12-10 COCOgsta

素材来源：《5G无线网络规划与优化》

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第五代(5thGeneraton， 5G) 移动通信系统网络架构分为无线接入网、承载网、核心网3部分， 如图1-1所示。这3部分的具体介绍如下。

1.无线接入网

此部分只包含一种网元--5G基站， 也称为gNodeB。它主要通过光纤等有线介质与承载网设备对接，特殊场景下也采用微波等无线方式与承载网设备对接。

目前， 5G无线接入网组网方式主要有集中式无线接入网(Centralized Radio Access Network， CRAN)和分布式无线接入网(Distributed Radio Access Network， DRAN) 两种。国内运营商目前的策略是以DRAN为主， CRAN按需部署。CRAN场景下的基带单元(Baseband Unit， BBU) 集中部署后与有源天线单元(Active Antenna Unit， AAU) 之间采用光纤连接， 距离较远， 因而对光纤的需求量很大， 部分场景下需要引入波分技术来作为前传方案。在DRAN场景下， BBU和AAU采用光纤直连方案。

未来无线侧也会向云化方向演进， BBU可能会分解成集中单元(Centralized Unit， CU) 和分布单元(Distributed Unit， DU) 两部分。CU云化后会部署在边缘数据中心中， 负责处理传统基带单元的高层协议；DU可以集中式部署在边缘数据中心或者分布式部署在靠近AAU侧， 负责处理传统基带单元的底层协议。

2.承载网

承载网由光缆互连承载网设备，通过IP路由协议、故障检测技术、保护倒换技术等实现相应的逻辑功能。承载网的主要功能是连接基站与基站、基站与核心网，提供数据的转发功能，并保证数据转发的时延、速率、误码率、业务安全等指标满足相关的要求。5G承载网的结构可以从物理层次和逻辑层次两个维度进行划分。

从物理层次划分时， 承载网被分为前传网(CRAN场景下AAU到DU/BBU之间) 、中传网(DU到CU之间) 、回传网(CU/BBU到核心网之间) ， 其中， 中传网是在BBU云化演进， CU和DU分离部署之后才有的。如果CU和DU没有分离部署，则承载网的端到端仅有前传网和回传网。回传网还会借助波分设备实现大带宽长距离传输， 如图1-1所示， 下层两个环是波分环， 上层3个环是IP无线接入网(IP Radio Access Nework， IPRAN) 或分组传送网(Packet Transport Network， PTN) 环， 波分环具备大颗粒、长距离传输的能力， IPRAN/PTN环具备灵活转发的能力， 上下两种环配合使用， 实现承载网的大颗粒、长距离、灵活转发能力。一般来说， 前传网和中传网是50Gbit/s或100Gbit/s的环形网络， 回传网是200Gbits 或400Gbit/s的环形网络。

从逻辑层次划分时，承载网被分为管理平面、控制平面和转发平面3个逻辑平面。其中，管理平面完成承载网控制器对承载网设备的基本管理，控制平面完成承载网转发路径(即业务隧道)的规划和控制，转发平面完成基站之间、基站与核心网之间用户报文的转发功能。

图1-1涉及了一些新名词，注释如下。

(1) 基站侧网关(Cell Site Gateway， CSG) ：移动承载网络中的一种角色名称， 该角色位于接入层，负责基站的接入。

(2) 汇聚侧网关(Aggregation Site Gateway， ASG) ：移动承载网络中的一种角色名称， 该角色位于汇聚层， 负责对移动承载网络接入层海量CSG业务流进行汇聚。

(3) 无线业务侧网关(Radio Service Gateway， RSG) ：承载网络中的一种角色名称， 该角色位于汇聚层，负责连接无线控制器。

(4) 运营商边界路由器(CORE Provider Edge Router， CORE PER) ：运营商边缘路由器， 由服务提供商提供的边缘设备。

(5) 光传送网(Optical Transport Network， OTN) ：通过光信号传输信息的网络。

(6) 波分复用(Wavelength Division Multiplexing， WDM) ：一种数据传输技术， 不同的光信号由不同的颜色(波长频率)承载，并复用在一根光纤上传输。

(7) 光交叉连接(Optical Cross-Connect， OXC) ：一种用于对高速光信号进行交换的技术， 通常应用于光网络(Mesh， 网状互连的网络) 中。

3.核心网

核心网可以由传统的定制化硬件或者云化标准的通用硬件来实现相应的逻辑功能。核心网主要用于提供数据转发、运营商计费，以及针对不同业务场景的策略控制(如速率控制、计费控制等)功能等。

核心网中有3类数据中心(DataCenter， DC) ， 其中， 中心DC部署在大区中心或者各省省会城市中，区域DC部署在地市机房中，边缘DC部署在承载网接入机房中。核心网设备一般放置在中心DC机房中。为了满足低时延业务的需要，会在地市和区县建立数据中心机房。核心网设备会逐步下移至这些机房中，缩短了基站至核心网的距离，从而降低了业务的转发时延。

5G核心网用于控制和承载。核心网控制面网元和一些运营支撑服务器等部署在中心DC中，如接入和移动性管理功能(Access and Mobility Management Function， AMF) 、会话管理功能(Session Management Function， SMF) 、用户面功能(User Plane Function， UPF) 、统一数据管理(Unified Data Management， UDM) 功能、其他服务器(如物联网(Internet of Things， loT) 应用服务器、运营支撑系统(Operations Support System， OSS) 服务器) 等。根据业务需求， 核心网用户面网元可以部署在区域DC和边缘DC中。例如， 区域DC可以部署核心网的用户面功能、多接入边缘计算(Multi-access Edge Computing， MEC) 、内容分发网络(Content Delivery Network， CDN) 等； 边缘DC也可以部署UPF、MEC、CDN， 还可以部署无线侧云化集中单元等。

本书重点介绍无线网络规划与优化， 包括5G无线网络架构、5G空中接口物理层、MIMO功能和原理、5G功率控制与上下行解耦、5G移动性管理、5G信令流程、5G基站勘测、无线传播模型、5G无线网络覆盖估算、5G测试及单站点验证、5G RF优化、5G无线网络常用KPI、5G网络优化问题分析和人工智能在5G网络规划与优化中的应用等内容。