5G核心网技术基础自学系列 | 5G无线网

Posted 2022-11-18 COCOgsta

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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核心网技术基础自学系列 | 5G无线网相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

书籍来源：《5G核心网赋能数字化时代》

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3.19.1 概述

虽然本书是关于5G核心网的，但对读者而言，了解5G无线网基本架构和概念也是有益的。从3GPP Release 15的规范工作开始，定义5G无线网和核心网一直是业界的共同努力方向。

3GPP定义的新的5G无线技术简称为“新空口”，缩写为NR。

3.19.2 移动网络基础

移动网络(蜂窝网络)的无线网部分由若干无线基站组成，每个基站都在一个或几个“小区”中为数字信息的无线传送和接收提供服务，此处小区指的是整个地理区域中网络服务的一小块区域。传统上，一种典型的部署情况是，一个基站通过精细的天线配置和无线频谱规划，为三个小区提供服务，参见图3.42。但是请注意， 3GPP规范并未限制一个基站服务的小区数量。

图3.42 蜂窝网络的概念

小区的大小和轮廓受几个因素控制，包括基站和终端的功率电平、天线配置和频段。如果使用相同的功率电平，则使用较低频率的无线信号通常会比使用较高频率的无线信号传播更长的距离。无线电波传播环境对小区大小也有很大影响，与相对平坦且几乎无人居住的地区相比，有大量建筑物、山峦、丘陵或森林的地区会有很大差异。

蜂窝网络的一个基本能力是允许在多个小区中使用相同的频率，这意味着相比每个站点需要使用不同频点的情况，网络的总容量会大大增加。允许这种频率复用的最直观的方式是，确保使用同一频率子集的小区的基站，在地理位置上相距足够远，以避免无线信号相互干扰，这也是第一代数字系统(2G)GSM中使用的解决方案。但是，所有后来的移动网络技术都允许相邻小区使用相同频率集，这是通过先进的信号处理来实现的，该信号处理的目标是最大限度地减少相邻小区发送的有害信号的干扰。

基站被放置于精心选择的站点上，以优化移动服务的整体容量和覆盖范围。在用户密集的地区(例如，在市中心)，通过将基站站点彼此更紧密地放置，从而允许更多(但更小)的小区来满足容量需求，而在农村地区，如果没有太多用户，则通常使小区变大，以尽可能少的基站覆盖尽可能大的地域。

从20世纪90年代开始， 3GPP定义的所有数字移动系统，从GSM(2G) 、WCDMA(3G)和LTE(4G) 到NR(5G) ，都支持在蜂窝系统中对许多终端进行数字传输的基本概念，但是每一代技术都使用不同的解决方案来实现这一点，从而导致功能和服务特性的差异。

应该注意的是，通过选择性地使用多波束，可以超越传统的三扇区小区，增强蜂窝概念的外延。3.19.5节对此进行了介绍。

3.19.3 5G目标

为了满足市场和行业对现有用例以及新涌现出的用例的预期和需求，已定义了许多有关服务特性的具体目标，作为5G规范工作的设计目标。

从宏观上讲，5G技术旨在满足各种不同用例的要求：

移动宽带服务的要求，主要是通过优化网络容量，以及在网络的大部分地区提供增强的用户体验，来有效处理网络中巨大的且不断增长的数据流量。

另一方面，支持物联网应用的大量小型或廉价终端的用例具有不同的要求。这些要求包括例如高能效，以优化这些终端的电池寿命，以及高连接密度，即使在有限的地理区域内也能够为大量终端提供服务。

最后，对于关键业务的行业应用，最重要的要求是，超低的时延和超高的可靠性。

大约从2015年开始，全球多个行业论坛和监管机构开始制定5G网络的业务需求。国际电信联盟(ITU) 在ITU-R TR M.2410-0(2017) 报告中将这些需求归纳为对“IMT-2020网络”的需求，其中IMT-2020是ITU用于5G网络的正式术语。这些需求已作为3GPP中相应技术研究的输入，并体现在3GPP TR 38.913的技术报告中。

图3.43的表格中简要列出了一些最重要的5G服务需求。

图3.43 5G业务需求

由于各种用例的需求非常多样化，这就要求NR无线技术的设计足够灵活，以便可以有效地支持各种用例。

另一个重要需求是，NR应能够部署在非常宽的频带范围，即450MHz~52GHz。之前的无线接入技术(2G、3G或4G)从来没有支持过如此宽的范围。

频率范围分为两部分：

FR1：频率范围1，范围为450MHz~6GHz，通常称为“中低频段”

FR2：频率范围2，范围为24GHz~52GHz，通常称为“高频段”或“毫米波”(mm wave)

图3.44显示了FR1中支持的频段，是从3GPP TS 38.101-1中摘录的信息。可以看出，NR支持非常宽的频段。

图3.44 频率范围1中支持的NR频段

图3.45是从3GPP TS 38.101-2中摘录的信息，可以看出FR2中支持的频段要少得多。

图3.45 频率范围2中支持的NR频段

NR支持TDD和FDD双工模式。

TDD是“时分双工”的缩写，表示终端和基站在传输时使用相同的频率，但是它们通过同步使用不同的时隙以避免干扰。通常容量在DL和UL之间静态分配，但也可以选择在专用小区中进行动态调整，以帮助优化性能。

FDD是“频分双工”的缩写，表示终端和基站在各自的传输中使用不同的频率。FDD 仅在中低频段上被支持，而不用在始终使用TDD的高频段上。这是监管规则的要求，频谱许可证持有人应遵守这些规则。较低的频段在历史上是成对的，即一个频段用于上行链路，另一个频段用于下行链路。较高的频段通常是不成对出现的，因此需要使用TDD的双工方案。

SUL和SDL是“补充上行链路”和“补充下行链路”的缩写，用于补充其他频段以提高系统总容量和覆盖范围。

讨论无线网的所有详细需求超出了本书的范围，关于这些需求的信息可以在一些3GPP规范中找到，其中3GPP TS 22.261提供了概述并给出其他相关文档的链接。

3.19.4 NR无线信道概念

NR通过采用一些关键技术来满足这些广泛的要求，它建立在LTE中使用的某些技术的基础上，并有进一步的增强。

NR使用的调制技术是OFDM。OFDM与LTE使用的技术相同，但在LTE中只用于下行链路。

OFDM是一种非常灵活的调制技术，非常适合满足5G的各种要求。OFDM的基本概念是将全部可用无线频谱细分为若干个子信道，每个子信道包含一个子载波。每个终端的可用容量(来自选定的子载波)可以同时在时域和频域进行控制。图3.46中展示了一个示例，其中根据需要和可用信道，灵活地给三个终端A、B和C分配了容量。频率维度上的分配针对每个时隙而变化，因为单个终端可以使用较多或较少的子载波。注意，该图有所简化，实际上，子载波的数量可以高达3300，其中针对每个终端、每个时隙可以分配一个或多个12个子载波的集束。

图3.46 时域和频域中终端容量的调度

OFDM还具有抵抗多径衰落的极强的健壮性。多径衰落是移动通信中典型的信号强度的变化，由同时在发射机和接收机之间的多径上传播的信号引起。无线电波在各种物体上的反射意味着信号的多个副本会到达接收天线，并且由于传播距离略有不同，它们在到达的时间上是不同步的。参见图3.47。

图3.47 多径传播

得益于物理层非常灵活的结构，NR的部署可以在各种不同的频率范围内进行。如上所述，与LTE一样， NR射频载波由几个“子载波”组成。在LTE中，子载波间隔固定为15kHz，而在NR中，可以有几种选择。

如同LTE一样，最小的NR子载波间隔为15kHz，这有利于LTE和NR传输共享同一无线信道。除了15kHz， NR还定义了其他一些用于较宽子载波的选项。另一个区别是，在LTE中，最大载波带宽为20MHz，而在NR中，载波的总带宽可以高达400MHz。为了放宽对终端的要求，每个NR终端不需要支持NR无线载波的全部带宽，这不同于LTE所有终端都需要支持载波的全部带宽的要求。

图3.48中的表格显示了为LTE(作为参考) 和NR定义的选项。

图3.48 NR和LTE的子载波和带宽选项

几个NR载波还可以组合在一起，以使用具有更高带宽的频谱，这一概念称为载波聚合。LTE也支持此功能。

通过了解用于传送控制信息和用户数据的不同逻辑信道和传输方案的细节，可以看到， NR的设计比LTE具有更大的灵活性，其使用的概念被称为“极简设计”，其目的是为将来的演进保持最大的灵活性，最大限度地减少干扰，最小化能耗，这样的例子包括：降低发送广播信息的频次；不使用整个信道；仅按需发送参考信号。此外，发送某些控制信息的时间不像LTE一样是固定的，而是可以更灵活地发送以优化整体资源的使用。

NR还支持更低的时延，不仅可以在专用时隙可用时发送数据，还可以在微时隙发送数据。这是促成NR低时延传输的一个因素。

描述NR无线接口的细节已远远超出本书的范围。感兴趣的读者可参阅《5G NR 标准：下一代无线通信技术》。

3.19.5 高级天线技术

为了满足5G服务在超高容量和高数据速率方面的一些要求，需要利用被称为MIMO和波束赋形(Beamforming) 的两个技术概念。这些技术也可以部署在LTE网络中，但是NR的功能更广泛，包括对处于空闲模式的终端的支持，这意味着在小区搜索以及接人请求时的信令也可以使用波束赋形和MIMO。

波束赋形意味着发送方发射的能量绝大部分都直接指向目标接收方，而不是散布在整个小区中。接收机也主要收听在发射机方向上发出的无线信号。这提高了信噪比，对于获得更高的数据吞吐量至关重要。应当注意，在典型的部署中，基站在接收方向上对波束赋形的支持，比在终端中更为普遍。

多波束技术意味着有多个天线波束，每个波束覆盖小区的一小部分。这些波束是动态可控和可操纵的，它通过优化终端的每个连接的无线链路特性，使性能最大化。

图3.49展示了单波束和多波束的概念。

图3.49 单波束和多波束

MIMO是“多输入多输出”的缩写，是一种使用多天线或波束赋形技术，同时在同一频率上，但在一条以上的传播路径上传输相同内容的技术。接收机组合接收到的不同信号或选择其中的最佳信号，以提高接收信号的整体强度。5G无线系统通常将这两种技术结合在一起使用。

单用户MIMO(SU-MIMO) 意味着在略有不同的方向上，使用波束赋形传输同一数据流的两个或更多个副本，因为无线信号在通过各种类型的材料(例如玻璃、木材等)时会遭受一些能量损耗。信号会在发射机和接收机之间的比如汽车和建筑物上反射，因此，通过在接收机中对多个信号进行组合，将实现更高的总信噪比，从而实现更高的数据吞吐量，参见图3.50。

图3.50 单用户MIMO

当使用多用户MIMO(MU-MIMO) 时，其目的不是优化单个用户的性能，而是令多个用户实现总的高吞吐量。当网络的负载很高并且需要优化整体容量的使用时，这就是必须做的。波束赋形用来在相同的频率上同时与两个或更多个用户进行通信，此时用户需要位于小区的不同位置，以允许不同的无线波束的使用，参见图3.51。

图3.51 多用户MIMO

MIMO的层分配和波束的方向不断调整以适应小区中的使用情况。由于无线信道随着终端和其他物体(例如汽车)在小区中的移动而不断变化，因而这不是静态的。为了实现这一点，基站和终端经常对无线信道特性进行估计，基站将使用该信息来控制MIMO和波束赋形的使用。更详细的对NR信道估计过程的描述超出了本书的范围。

3.19.6 NR无线网架构

3GPP定义的无线网架构包括多个无线基站，它们既连接到核心网，又彼此连接，图3.52展示了该架构。

图3.52 5G无线网架构

3GPP定义了称为“gNB”的逻辑实体或节点，这是与无线网功能关联的逻辑功能，当将其实现为可部署的网络产品时，通常称作无线基站。实际上， “gNB”仅在指代连接到5G核心网的NR基站(即3.1.2节中所述的选项2或4) 时使用，当指代LTE基站(即选项5或7) 时，使用术语“ng-eNB”。由于本章的重点是NR无线接人技术，因此在后面提及无线基站的逻辑功能时，我们仅使用gNB，不过相同的网络架构对这两种类型的接人网都适用。虽然正式名称是“gNB”，但我们在下面使用术语“无线基站”。

基站通过Xn接口互连，该接口由信令部分Xn-C和数据传输部分Xn-U组成。所有基站都连接到核心网中的一个或多个AMF以及UPF。在3GPP无线技术工作组制定的规范中，无线和核心网之间的接口称为NG-C和NG-U，但是在本书中，我们使用3GPP核心网规范中定义的名称N2和N3，以使架构描述与本书的其余部分保持一致。

有关3GPP 5G无线网架构的更多详细信息，请参见3GPP TS 38.300。

用户数据通过IP网络在基站之间以及在基站和UPF之间传输。用户面的协议栈如图3.53所示，同时适用于Xn-U和N3接口。

用户数据(通常是IP数据包) 使用3GPP GTP-U协议进行封装和传输。GTP-U已在之前的移动系统中使用，提供了可靠的数据通信服务，因此已得到充分验证。GTP-U承载在标准的UDP/IP栈上，并在可用的网络层2协议(通常为以太网) 上工作。但是3GPP并未定义IP网络解决方案的较低层的细节。

无线网中的基站之间以及无线网中的基站与核心网中的AMF之间的信令也依赖于IP 传输，但协议栈的上层是不同的，参见图3.54。

图3.53 用于用户数据传输的5G无线网协议栈图

3.54 用于网络内部信令的5G无线网协议栈

如图3.54所示，两个协议栈都依赖于SCTP的使用，而不是像用户数据传输一样使用UDP。SCTP是一种IETF协议，与标准TCP协议相比，它提供了可靠的消息传递以及更高的安全性。

NG-AP上支持的功能包括，移动性管理、在终端与核心网之间传送NAS消息，以及寻呼处于空闲模式的终端。

Xn-AP的功能主要包括移动性管理和双连接的管理。后一种概念允许组合两种无线接人技术，以提供增强的服务能力和特性，例如，在一个频段上使用NR，在另一频段上使用LTE，并进行组合。第12章进一步讲述了双连接。

3.19.7 NR空口

终端和基站之间的NR空口建立在协议栈上，如图3.55所示。

图3.55 5G NR空口协议栈

PHY是“物理层”，是协议栈中的最底层，由使用OFDM调制方式和TDD/FDD复用概念的无线信道上的实际的无线传输组成。PHY层的基本服务是在终端和无线基站之间提供数据比特的传输。MAC层协议将使用这些传输服务。

MAC是“媒体接人控制层”，可提供信令信息和用户数据的传输。MAC层在逻辑上细分为用于多种目的多个逻辑信道，例如接人请求、信息广播和数据传输。MAC层支持将多个逻辑信道中的数据复用到物理层的单个传输服务上。但是，我们不会在本书中描述逻辑信道的集合。感兴趣的读者可以参考有关NR的书目，例如(Dahlman etal.， 2018) 。

MAC层使用数据传输的动态调度来实现不同数据流之间的优先级划分，并且还基于来自接收机的报告，对不完整接收的数据包进行一些纠错和重传。

RLC是“无线链路控制”协议层，可以为选定的传输提供完全可靠的传输服务，它支持使用以下三种模式中的任何一种来传输信令信息或用户数据：

透明模式(TM)，基本上只在发送缓冲区中提供数据包的缓冲，无论对方是否收到数据包，都不会收到反馈。

未确认模式(UM)，类似于TM，但也提供了在传输之前对数据包进行分段，然后接收端重新进行组装的可能性。

确认模式(AM)，接收机提供是否正确接收到数据包的反馈，并在需要时触发重传。

在RLC之上，是“分组数据汇聚协议”(PDCP) 层。它提供用户数据和信令信息的加密，以及可选的用户数据报头压缩，以提高信道效率。PDCP还基于用序列号标记数据包的方法，来处理可能错序到达的数据包的重排。

在PDCP之上的协议栈，对于用户数据和信令而言是不同的。空口上的最高信令层是“无线资源控制”(RRC) 协议层，它支持网络和终端之间的与最高级别的信令过程相关的各种功能，包括系统信息的广播、加密密钥的传递、移动性信令、无线承载的管理以及处于空闲模式的终端的寻呼。RRC还在核心网与终端之间透明地传送NAS信令，在5G核心网架构中标记为N1。

服务数据适配协议(SDAP) 用于承载用户数据的数据包，其主要功能是将标记有不同QoS流标识的下行数据包映射到正确的无线承载上，以确保适当的OoS处理。另一方面，在通过N3接口将这些数据包发送到核心网的UPF之前， SDAP确保对从终端接收的数据包进行正确的QoS标记。