5G通信原理和构架(1).docx

5G通信原理和构架第一章5G简介1.1从4G至I」5G4G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1.2 5G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 RTT时延要求达到了 1mso3. 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层用户而数据传送量用户感知速率要求达到0. lGbpso4. 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lOGbpso5. 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设备总和，一般不低丁- 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4G与5G对比延迟好倩数据速率移动连接数通道带宽频段上行链路波形用户设寄(UE)发射功率4G （现今.进一步发展前）10 ms1 Gbps80亿个（2016年）20MHz200kHz （适用于 Cat-NBI loT）600MHZ 至 5.925 GHz单载波频分多址(SC-FDMA),23 分！ UM 瓦(dBm),允许♦26dBm HPUE 的 2 5GHz 的分双工(TDD)频段41除外lol在*20d8m时具有金玄低功率皱选项5G I小于1 ms20 Gbps110亿个(2021年)100MHz(6GHz 以下)4OOMHZ(6GHZ 以上)600MHZ-®米波(例 fiO, 28GHZ,39GHZ,乃至 80GHz)循环前缀正交频分绿用(CP OFDM)选项6GHz以下的5G频启攵在2.5GHz及以上时为+ 26dBm4G参夸值IGbps10Mbps0.lTbp$/km?10m$10Vkm?升If1(85G目做10-20GbpsO.l-lOGbps10Tbps/kmA1ms106/kmL43倍100倍AHM10-20S10-100®100(5lOfgZ10倍L3 5G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) o 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1.3.1 eMBB增强型移动宽带eNffiB( Enhanced Mobile Broadband).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5G eMBB (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己达到eMBB场景关键性指标：峰值速率：下行20Gbps上行lOGbps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1GHz1.3.2 eMTC大规模移动通信eMTC （Massive Machine Type Communication.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。

inMTC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1.3.3 uRLLC超高可靠低时延通信uRLLC （Ultra Reliable&Low Latency Communication* 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：用户而时延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-RAX代表56接入网，5GC代表5G核心网（5G Core Network） 0它们之间的接，就叫拓 接2.1 56核心网（5GC）构架2.1.1 56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 （Net Function）交互。

5、AN和CN之间的接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” XF,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，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SBASBA（Service Based Architecture:服务化构架）：将网络功能（NF）拆分，所有的NF通过接接入到系统服务化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 （网络功能服务九2. 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，则多个设备厂家的不通过NF可用来构建某个NFSSBA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：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JS0N，接描述语言采用0penAPI3.0, API的设计方式采RESTFulB2.1.3 5G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，弁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，每一个虚拟问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XFV （Network Function Virtualization,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、6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，简化问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 (Software Defined Network,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 (service Data Unit):服务数据单元，乂叫业务数据单元，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 (Protocol data unit):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application data (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SDUo 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PDUo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 同的网络切片如果己经由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： Servi。