5G网络基础知识

5G挑战

5G面临挑战分类：

• MBB(Mobile Broadband)数量流量雪崩式增长。

  移动设备通信所带来的流量增长。10年增长1000倍。

  MBB(Mobile Broadband)指移动宽带。

• 联网设备数量巨大增长。

  2020年预计有1000亿的联网设备。

• 应用场景和需求的多样性。

  设备与设备之间的通信，比如自动驾驶，车与车之间的通信。要求时延尽可能的小。 由于机器通信所带来的新需求新特性。

5G场景需求：

1. 高清视频带来的需求：

高清视频需要更高的速率。

2. 流媒体VR视频的带宽需求：

VR对带宽的需求更大，理想的VR需要2G bps流量，只有5G能满足。

3. 万物互联、万物互通（物联网需求）：

包括智能城市，智能建筑，智能家庭，智能交通设备等都需要连接入网络。

不同网络制式所支持的连接数：

在3G的时代每个小区支持100个连接即可，因为大部分的用户都是手机用户。

到了4G时代，每个小区需要支持上千个连接，包括手机，平板，电脑，等各种智能终端设备。

5G时代，每平方公里需要支持1百万个连接数，因为设备除了手机、平板等智能终端设备，还多了物联网设备，汽车，VR等。

自动驾驶对低时延的需求：

自动驾驶由于安全性，需要很低的时延。

当驾驶时速为120公里/小时的时候。不同网络制式的时延不同。造成制动距离相差很大。

制动距离 = 车速 * 系统时延。制动距离越小越安全。

ITU对IMT2020愿景的描述：

5G的铁三角。

1. eMBB增强型 的MBB。要求速率达到10Gbit/s.
2. mMTC（海量连接的物联网业务）。1百万连接每平方公里。
3. uRLLC（超高可靠性与超低时延业务）。时延降低到1ms。

ITU：ITU（International Telecommunication Union）国际电信联盟。

IMT2020：是5G推进组。于2013年2月由我国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架构基于原IMT-Advanced推进组，是聚合移动通信领域产学研用力量、推动第五代移动通信技术研究、开展国际交流与合作的基础工作平台。

eMMB：eMBB( Enhanced Mobile Broadband)，增强移动宽带，是指在现有移动宽带业务场景的基础上，对于用户体验等性能的进一步提升 。

mMMTC：(massive Machine Type of Communication)海量机器类通信（大规模物联网）。

URLLC（Ultra-Reliable and Low Latency Communications）,低时延高可靠连接。

5G 3GPP网络架构

5G网络设计原则：

5G网络设计的4大原则：

1. **NFV/SDN技术。**NVF（Network Function Virtual）网络功能虚拟化，使网络更具有弹性。SDN（Software Define Network）软件定义网络，通过转发与控制面的分离，通过全网的角度去看待IP网络，更好的调度网络，分配资源提高利用率。

   SDN与NFV技术简介可参考：

   SDN基本概述

   NFV基本概述

2. 控制业务分离。尽量把控制面与业务面分离，提高业务效率。

3. 网络功能切片。 通过不同的网络需求，QoS、时延需求，带宽需求等。将一个物理网络分为多个逻辑的网络。满足不同的应用需求。

4. 流程定义为业务。 将网络功能从硬件中解耦出来，变为一个个服务、业务。如QoS功能，移动性管理功能，会话管理功能等，都从硬件中分离出来，变为一个一个的服务。从而可以根据不同的业务来挑选不同的服务，整合起来。比如：水表代表对移动性管理的功能就不太需要。

5G网络架构特点：

一、为分布式的用户带来满足极致的体验：

通过分布式的用户面来满足极致的体验和极低的体验。

5G网核心网会分为两个部分：

• 一部分为CP（Control Plane），控制面
• 一部分为UP(User Plane)，业务面。

控制面可以放在*的机房里，因为它对时延处理要求不是太高。

而业务面则不断下沉至边缘数据中心，离基站非常近。此时时延非常小。

• 安装业务QoS来把控制面和用户面灵活部署在不同级别的DC上。
• 边缘DC离基站小于20公里。

二、用SOA重构控制面，缩短上市时间：

面向服务的架构(SOA):service-oriented architecture

将原有网络功能和设备解耦，变为单个的服务，将服务软件化。每个切片根据自己的情况和实际需求来动态选取编排不同的服务。同时也有第三方功能模块开发，能迅速和第三方对接。从而缩短业务上市时间。

UDM：（Unified Device Management）统一设备管理

QoS：（Quality of Service）服务质量

MM：（Mobile Management）移动性管理

Charging：计费管理

5G网络架构介绍：

5G网络名称：

• 核心网：NG（Next Generation）Core
• 无线网络: NR(New RAN) 无线接入网（Radio Access Network）

5G网络架构分为两部分，NGC：核心网。 NG-RAN，下一代无线接入网。

• NG-RAN：由若干GNB组成。

• gNB指的是5G的基站设备。3G基站叫NodeB（NB），4G基站叫eNB。

  gNB之间的接口叫做Xn接口，和4G的Xr接口类似。

  同时gNB和核心网的连线：NG-C代表控制面的接口，NG-U代表业务面的接口。

• NG-C：（Next Generation Core）下一代核心网（包括AMF、UPF功能模块）。

• AMF：（Access Management Function），接入管理功能。

• UPF：(User Plane Function) 用户面功能。主要进行用户面数据的存储和转发。

  因为AMF和UPF都为功能模块，所以硬件设备可能为同一种形态。

5G时代NG-RAN的关键特性—集中式部署:

集中式部署：部分上层协议栈功能集中部署，底层功能分布式部署。

所谓集中式：是指将RAM无线接入测的协议栈功能进行分类，分为两大类。

第一层是上层协议级的功能，它们对应时延的要求不高，可以进行协议栈的集中部署。变为资源池，离用户较远。而底层协议对时延要求高，可以进行分布式部署。可以有效降低时延。

5G cloud RAN网络

背景：统一架构的网络需求：

• 业务场景：mMTC，eMBB，uRLLC，On-demand，IoT
• 商业模式：Slicing，Open API，Fast TTM。
• 技术演进：Multi-RAT，Nulti-layer，Unlicensed，Multi-band，Mutil-antenna。
• 效率提升：Hot Spot，Unbalanced Traffic，Tidal Effect。

实现：网络功能虚拟化及云化：

传统的网络是烟筒式的，各种功能需要专用的硬件。虚拟化的时代，需要将软件硬件解耦。

SingleRAN到CloudRAN的演进：

SingleRAN：

SingleRAN： 指的是2G，3G，4G尽可能利用原有的物理资源，通过在原有的物理资源之上，进行不同的软件资源的叠加，就可以实现GSM、UMTS、LTE，2G，3G，4G的功能。可以使得2/3/4G共用一个无线的机柜，共用一个基带单元，共用一个传输系统，共用一个OM系统。

但是到了5G时代，原来的架构远远不能满足现在的需求。需要向CloudRAN演进。

什么是Cloud RAN？

CloudRAN云化架构分为两部分：

• RAN集中式单元（CU）concentrate unit：指的是把各个基站功能相同的单元合并起来，统一部署，变为一个资源池。不同基站之间可以共享这些资源。
• RAN分布式单元（DU）distribut unit：部署在各个基站处，更靠近用户。

CloudRAN协议栈切分：

从资源利用角度看，可以把更多协议划分到CU。

从时延角度看，又需要把更多协议划分到DU.

综合考虑：将RRC，PDCP划分到CU，RLC，MAC。PHY划分到DU。

CloudRAN价值：

• 灵活组网。

可以根据不同的业务需求，灵活部署。

• 弹性扩展。

  

CloudRAN的部署场景：

• 一体化部署场景。

传统网络，不引入MCE。实时部分和非实时部分融合为一体。

MCE(Moblie Cloud Engine):移动云引擎。

• 分离部署场景。可能是将来非常重要的一个场景。

  

  引入MCE，部署RAN-NRT（RAN非实时部分），传统基站只部署RAN-RT（实时部分）。

• 混合部署场景。

不引入MCE，小站实现SuperSite架构，RAN-NRT部署在宏站（实现eNodeB的S1汇聚），RAN-RT扔部署在小站。宏站充当小站MCE的角色。宏站自身也包含实时部分和非实时部分。

5G空口关键技术

全新的空口技术：

在5G时代，空口的速率的会高达10Gbit/s，因此需要采取各种新技术来提示空口频谱的效率。目前常用的有5中新技术用于空口。

1. 全双工，全双工模式提升吞吐率。
2. SCMA：多址接入提升连接数，缩短时延。
3. F-OFDM：灵活的波形，灵活应对不同业务。
4. Polar编码：信道编码，提升可靠性，降低功耗。
5. Massive MIMO，空间复用，提升吞吐率。

新空口可以灵活适配众多业务，频谱效率至少提升3倍。

F-OFDM：非常灵活的空中接口的自适应波形：

4G（OFDM）:子载波带宽是固定的，15kHz。

5G（F-OFDM）：子载波带宽不是固定的，可以灵活针对不同的QoE应用的报文大小。提高资源利用率。有效提升频谱效率。

SCMA（稀疏码多址接入）：

• 1G是采用：FDMA，频分多址接入。

• 2G采用：TDMA + FDMA，时分多址接入 + 频分多址接入。

• 3G采用：CDMA，码分多址接入。

• 4G采用：OFDMA，正交频分多址接入。

• 5G采用了，SCMA，稀疏码分多址接入。实质是，CDMA+OFDMA。

  在正交频分之后，每个子载波可以根据码分的技术来区分不同的用户。从而使频谱效率大幅度提升。在同一个子载波中，码分的用户数越多，容量就会越高，但是干扰也会越大。目前，一般在4个子载波中，容纳6个用户，也就是1.5倍的容量提升。

5G的信道编码-Polar码和LDPC码：

信道编码：在信道中加了保护和冗余bit，以实现更高的解码以及提高系统的可靠性。5G时代有连个重要的编码：Polar码和LDPC码。

编码算法的选择原则：纠错性能，时延，实现效率。

• Turbo编码：成熟，但在高速路和低时延处理有劣势。
• LDPC编码：实现复杂度低，适用于高度及大数据块。并行处理有优势。
• Polar编码：小数据块传输时，性能优于其他编码。成熟度低。

对于eMBB场景，初步结论：

• 控制信道：Polor码。
• 大数据块业务信道：LDPC码

5G的多天线技术Massive MIMO：

原来的天线一般都是两T两R，两发送两接收。

到了Massive MIMO，5G时代，高达64T，64R或者128T，128R。

Massive MIMO的优势：

• 更多的天线实现更好的覆盖。

• 多天线赋形，实现更灵活的3D覆盖。

  同时覆盖高层，中层，底层等位置的信号。

• 多层发射实现更高的容量。

  MUBF，将多个手机的波束捆绑为一个波束。有效提升小区的容量。 可以更精准的控制波束的大学，降低干扰，提升性能。

  宽波束到窄波束成型。

全双工：

全双工：指在同一频率，同时进行收发。实际是半双工，通过时分复用或频分复用。

半双工导致频谱损失。

全双工系统允许在同样的时隙和频率资源上进行发送和接收。全双工最大的问题是，干扰大。

全双工要解决的第一大问题就是要降低干扰。

目前一般采用的技术。因为发射端的信息是已知的，可以把发射端认为是一个已知的干扰，在接收的时候通过去除干扰的手段，把发射端带来的干扰尽可能降低。

频谱分配及5G核心频谱

5G频谱方案：

5G之路上的重要关注：关键指标。

估计到2020年的业务需要20GHz频谱。

因为业务、客户需求越来越高，预计到2020年有20倍容量的提升。

为了增加20倍的需求，站点数可以增加1.4倍，频谱效率增加5倍，还是不满足。另外需要频谱带宽增长3倍。大约需要2000M的带宽。中国目前有（687MHz），各国均有一千多MHz带宽的短缺。

解决频谱差距的方案：

• 释放成熟的WRC-7/12频段：700/800/2300/2600/3500.

  如2,3G业务少了，可以将用的少的频段释放出来供5G使用。

• 开发WRC-15频段：C频段、L频段的频谱，IMT在6GHz以下定义的500MHz~1000MHz。

  中国确定了3.4-3.5GHz作为5G的测试使用。

• 开发WRC-19频段：候选的UHF/C频段，更高频段>6GHz.

5G核心频段介绍：

5G将聚合所有的频段频谱：

6GHz以上主要集中在6-90GHz，再往上就是可见光。

比较热门的网段：28GHz。

6GHz以下作为覆盖层，毫米波作为容量层

频率越高，覆盖越弱。毫米波，以及28GHz的覆盖都是比较弱的。

基站和手机之间不能由遮挡物。 覆盖范文600m

基站和手机之间有遮挡物。覆盖范围 40m

所以毫米波，28GHz等主要用于容量场景，室内覆盖，回传。

• 3GHz以下：提供基础接入，覆盖以及移动性。
• C-Band：Massive MIMO部署提升容量和覆盖。
• 毫米波：容量提升，家庭宽带接入，自回传，有电即有站。

频谱可怜的3UK，是英国的运营商。在4G时代只有20MHz，2017年1月，3UK收购了一个小型运营商UKBB，获得了该运营商的频谱资源，增加了432MHz资源。由并购UKBB前四加M频谱份额为6.9%，增长到了57.6%，远远超过了其他运营商。因此3UK可以迅速部署Massive MIMO和5G建设。

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华为5G低频200MHz带宽，32T 32R，测试小区吞吐率,Sub6G,为10.32Gbps。

华为5G高频，9.6GHz带宽，2T 2R，测试速率为115.20Gbps。

5G网络切片

什么是网络切片：

”网络切片“是利用虚拟化技术，将运营商网络物理基础设施资源根据场景需求虚拟化为多个相互独立的端到端网络。每个网络切片从设备到接入网传输网再到核心网在逻辑上隔离。

为什么5G需要网络切片？

主要是因为在5g的时代是一个万物互联的时代，万物互联也就意味着有多种多样的终端，也需要提供多种多样的服务，比方说VR和清视频对带宽的需求很高，可能要在20Gb/s。而车联网对于低时延、高可靠性，要求非常高，需要时延低于一毫秒，但是家里面的水表电表等等，他们对于带宽和实验没有太多要求，而是需要大的连接。针对不同的业务不同的需求，如果还像两三四G一样提供同样的服务，同样的网络资源，那就不行了，5g的网络切片可以把一个完整的物理网络根据需求切成多个虚拟化的切片，网络每一个切片都是一个单独的逻辑网络，可以根据用户的需求提供不同的网络资源和服务。

如何进行网络分片：

当前网络基于专用设备。而5G网络需要创建虚拟化网络，网络虚拟化是前提。

5G采用新架构来支撑分片.

E2E网络切片：

根据不同的网络切片需求，将CP，UP，DU放到不同的位置。

网络切片业务模型设计举例：

网络切片的价值：

• 商业价值：网路切片可以帮助运营商快速进入垂直行业领域，获取更大的商业机会。
• 技术价值: 通过网络切片，一个网络便可以很好的服务于各类新的业务，极大的减少了运营商的网络投资成本。
• TTM（Time to market ）: 网络切片对资源和业务逻辑隔离，降低了技术实现复杂度，缩短TTM，刺激业务创新。

5G关键技术及部署

什么是Massive MIMO：

Massive MIMO：大规模天线阵列的多天线形态。

和4G时代的Massive MIMO相比，5g时代的天线数量远大于g时的。

Massive MIMO增益—3D赋型。

所谓3D赋型指的是在垂直面上，3D面上多处赋型。而在4g是的大多MIMO技术都是平面上的赋型。5g时代MIMO可以做到在3D垂直面上，多个波束同时覆盖。对高层建筑有很好的覆盖效果。

三维波束赋型简称3D BF，增强用户的覆盖。

Massive MIMO的第二个技术分两个层面：

第一：是立体16流更窄的波束。指的是可以在同一时间形成16个独立的流。使得速率有大幅度的提升。而在4G时一般都是两流或者4流。在5G可以做到16流。同时波束更窄可以覆盖范围更广，干扰更小。

第二点：MU BF，多用户的波束赋型。对应Massive MIMO来说，它的速率决定于发射端和接收端最小的天线速率。所以即使在基站有16根天线，但是接收端有2根天线，最终也只能形成两流。峰值速率也只能是两倍。

例如：手机有两根天线，可以将8个用户的手机组成一个组，就是16根天线。这样发射端和接收端都是16根天线。可以大大提高小区的峰值速率。

虽然可以使用64T 64R，但是考虑到干扰等因素，现在一般只使用16流。将来随着技术的发展可能会使用更多流。

Massive MIMO天线阵子设计：

对于64TR的来说，因为垂直分为了4层，所以叫也叫4V。而水平分为了8列，又因为每列的每个点有正交的两根天线组成，所以水平是16H。同时垂直的3个阵子又组成了1T。

Massive MIMO天线硬件的变化：

传统的MIMO天线形态是由 BBU + RRU + 天线组成，使用了Massive MIMO后，成为了BBU + AAU有源天线（包含了RRU + 天线）。

上下行解耦可以提升C-Band的覆盖：

C-Band上行覆盖提升。

上下行解耦：指的是在近处的时候使用的是c波段，上下行都使用的c波段也就3.5GHz，而随着手机用户不断的远离基站，那么这个时候，上行就受限，而下行由于采用大功率的天线以及Massive MIMO的技术，所以下行没有太大问题，但上行由于手机的限制，所以上行链路会受限。

解决办法：就是当手机用户远离基站的时候那么下行还是采用3.5GHz C波段，而上行会动态的调整到跟它同站的LTE的1.8GHz的频率。当然这个1.8GHz的频率是5g跟4g采用动态共享的方式，同时呢一段 是变成了5g的使用，那么这个上行虽然用的是1.8GHz的频率，但是空口技术实际上使用的是5g的空口技术。通过这样的方式，使得手机在基站的远处，也能达到上下行平衡。同时使得5g的覆盖范围和4g的基本持平。这就是上下行解耦的技术。

注意：首先，5g和4g的小区，如果使用上下行解耦，那么它们必须是共站的，其次5g和4g的小区必须通过一定的方式连接起来，使他们资源变成资源池，这样才能互相进行通信和有效的资源调度。也就是说如果我们采用上下行解耦这种方式的话呢，将来4g和5g的基站必须要考虑他们之间的一个融合度和配合。

那目前来说呢，上下行解耦里面的上行频段，协议中已经定义了以下这些频段，包括1.8GHz和800兆以及700M赫兹，将来会有更多的频率定义为上下行解耦的频率。

5G的天线解决方案：

目前,经常会谈到的是1+1的天线解决方案。那么1+1的天线解决方案呢，其实指的是把Sub-3GHz，也就是低于三GHz下的所有的制式和频率都合1同一根天线，也就是两三四g都会统一合并起来，放在一个单杆的单天线里面，其次呢，毫米波及3.5GHz的Massive MIMO共一根杆，从而形成1+1的方案。