工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 課件 18 了解5G通信

了解5G通信一、5G時(shí)代——新空口(NR)二、5G通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一、5G時(shí)代——新空口(NR)與3G相比，4G傳輸速率更快，網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬，通信靈活度更高并且兼容性更好。但是隨著科技的不斷發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率也有了更高的要求。無(wú)論是無(wú)人駕駛汽車，還是更高清的影視資源的下載，4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率在飛速發(fā)展的需求面前還是顯得有些捉襟見(jiàn)肘。這個(gè)時(shí)候，具有更高傳輸速率的5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。從傳輸速率來(lái)看，5G可以達(dá)到10Gbit/s,是4G傳輸速率的100倍，能夠在頃刻之間完成一部高清電影的下載，流暢地觀看8K視頻；從傳輸容量來(lái)看，5G的容量可以達(dá)到4G的1000倍。這些特征使得5G很貼合物聯(lián)網(wǎng)和智慧家庭的應(yīng)用，能讓更多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備同時(shí)實(shí)現(xiàn)在線連接。一、5G時(shí)代——新空口(NR)5G通信的模式是NR(NewRadio,新空口），這是3GPP組織大會(huì)通過(guò)的正式名稱。NR是基于OFDM的全新空口設(shè)計(jì)的全球性5G標(biāo)準(zhǔn)，也是下一代非常重要的蜂窩移動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)。5G核心指的是核心編碼，5G的核心編碼標(biāo)準(zhǔn)有4個(gè)：長(zhǎng)碼編碼－控制信道、長(zhǎng)碼編碼－數(shù)據(jù)信道、短碼編碼－控制信道、短碼編碼－數(shù)據(jù)信道。NSA（非獨(dú)立組網(wǎng)）和SA（獨(dú)立組網(wǎng)）是5G的兩種組網(wǎng)方式。根據(jù)目前發(fā)展的清況，NSA技術(shù)成熟，已實(shí)現(xiàn)商用，SA還處于實(shí)驗(yàn)階段，但是未來(lái)必然是以SA為發(fā)展趨勢(shì)。一、5G時(shí)代——新空口(NR)與原有的通信手段相比，5G通信最為突出的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在數(shù)據(jù)通信的高傳輸帶寬以及低時(shí)延上。5G具體的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)有以下幾個(gè)方面：①更低的延遲：5G網(wǎng)絡(luò)的延遲比4G低1/10，因此可以實(shí)現(xiàn)更短的數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間。②更高的傳輸速度：5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度比4G快10~100倍，最高速率可達(dá)10Gbit/s。③更大的網(wǎng)絡(luò)容量：5G網(wǎng)絡(luò)可以連接更多的設(shè)備，并且可以同時(shí)處理大量的數(shù)據(jù)，從而提高網(wǎng)絡(luò)容量和效率。④更好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋：5G網(wǎng)絡(luò)使用了更多的頻段，使得網(wǎng)絡(luò)信號(hào)更容易傳播，從而實(shí)現(xiàn)更廣泛的覆蓋范圍。⑤更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接：5G網(wǎng)絡(luò)采用了更高級(jí)的信號(hào)處理技術(shù)，從而可以降低信號(hào)噪聲，提高網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定性和可靠性。二、5G通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5G又稱為第五代移動(dòng)通信技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)定位于速率高、時(shí)延低、容量大的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)支持100Mbit/s的用戶體驗(yàn)速率，106個(gè)／km2的連接密度，毫秒級(jí)的端到端時(shí)延，面向行業(yè)客戶提供物與物之間的連接，加快智能化進(jìn)程。三大應(yīng)用場(chǎng)景：eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）、mMTC（萬(wàn)物互聯(lián)）、uRLLC（高可靠低時(shí)延通信）。具體應(yīng)用場(chǎng)景：超高清視頻、AR、VR、智慧城市、工業(yè)智能化、自動(dòng)駕駛等。5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與4G類似，都分為核心網(wǎng)和接入網(wǎng)兩部分。5G核心網(wǎng)被稱為5GC,5G接入網(wǎng)被稱為NG-RAN。二、5G通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)1.5G網(wǎng)絡(luò)層級(jí)5G接入網(wǎng)(gNB基站）將BBU分割成CU（集中單元）和DU（分布單元），通過(guò)光纖與AAU（有源天線單元，RRU＋天線）連接。CU主要負(fù)責(zé)統(tǒng)—控制，—個(gè)CU可以控制多個(gè)DU。5G核心網(wǎng)由AMF控制面、UPF用戶面和SMF會(huì)話面組成。2.5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5G系統(tǒng)由5G核心網(wǎng)(5GC)和5G無(wú)線接入網(wǎng)(RAN)構(gòu)成，如圖1所示。3GPP制定了NR無(wú)線網(wǎng)的接入關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也重新考慮了無(wú)線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)之間的系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)兩者之間的功能進(jìn)行了重新定義和劃分。無(wú)線接入網(wǎng)由用于NR的gNB和E-UTRAN使用的ng-eNB兩種無(wú)線接入節(jié)點(diǎn)組成。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)采用雙鏈接架構(gòu)時(shí)，終端將同時(shí)連接兩種節(jié)點(diǎn)。二、5G通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)gNB和ng-eNB直接通過(guò)Xn接口互相連接。Xn接口是由一系列協(xié)議結(jié)構(gòu)組成的邏輯接口。運(yùn)營(yíng)商和制造商根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)條件將邏輯Xn接口映射到光纖、銅纜、微波等物理接口，實(shí)現(xiàn)物理層的連通。gNB和ng-eNB主要負(fù)責(zé)終端與5G網(wǎng)絡(luò)的空口交互及連接，從協(xié)議高層視角看，主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：①無(wú)線連接移動(dòng)性管理：支持終端在空閑模式下的重選和連接模式下的切換。②測(cè)星控制：針對(duì)網(wǎng)絡(luò)配置情況對(duì)終端下發(fā)測(cè)量控制指令，通過(guò)終端提供的測(cè)量報(bào)酶行無(wú)線資源管理，通過(guò)終端的測(cè)量反饋提供切換控制和干擾協(xié)調(diào)規(guī)避。③資源動(dòng)態(tài)分配和調(diào)度：通過(guò)無(wú)線承載的QoS配置規(guī)則在上行和下行無(wú)線鏈路中調(diào)度分配無(wú)線資源。二、5G通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)④無(wú)線接入控制和系統(tǒng)消息廣播：進(jìn)行小區(qū)接入控制管理，如小區(qū)廣播接入禁止、系統(tǒng)消息、隨機(jī)接入配置等功能。⑤無(wú)線連接控制：對(duì)終端的連接建立、釋放及連接狀態(tài)（連接態(tài)、空閑態(tài)、非激活態(tài)）進(jìn)行管理。⑥無(wú)線承載控制：處理終端的無(wú)線連接安全性，不同服務(wù)質(zhì)量的上行鏈路和下行鏈路的建立，對(duì)終端的無(wú)線承載通道進(jìn)行管理。圖15G系統(tǒng)構(gòu)成示意圖二、5G通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)3.核心網(wǎng)功能組件核心網(wǎng)主要包含三大功能組件：用于認(rèn)證和移動(dòng)性功能的AMF、用于用戶面功能的UPF,以及用千服務(wù)會(huì)話管理功能的SMF。(1)AMF核心網(wǎng)中的控制面數(shù)據(jù)管理功能主要由AMF實(shí)現(xiàn)，AMF負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)以下功能：①網(wǎng)絡(luò)信令：網(wǎng)絡(luò)控制面信令的處理，用千終端的接入和尋呼。保證控制面數(shù)據(jù)流的安全，是5G網(wǎng)絡(luò)信令的終結(jié)點(diǎn)。②安全管理：終端接入網(wǎng)絡(luò)的鑒權(quán)、授權(quán)、加密的處理。對(duì)用戶進(jìn)行接入鑒權(quán)和漫游權(quán)限檢查，同時(shí)支持網(wǎng)絡(luò)安全管理控制，負(fù)責(zé)注冊(cè)區(qū)管理，并負(fù)責(zé)SMF的選擇。③終端移動(dòng)性管理：通過(guò)記錄終端的位置信息和用戶網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)尋呼，管理終端注冊(cè)數(shù)據(jù)。二、5G通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(2)UPF核心網(wǎng)中的用戶面數(shù)據(jù)管理主要由UPF實(shí)現(xiàn)，UPF負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)一下功能：①數(shù)據(jù)包處理：5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)全部以數(shù)據(jù)包分組交換的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，并沒(méi)有電路域(CS域），因此所有的用戶數(shù)據(jù)都封裝為數(shù)據(jù)包的POU。用戶面的所有數(shù)據(jù)包均由UPF進(jìn)行數(shù)據(jù)包的路由、轉(zhuǎn)發(fā)和QoS處理。UPF支持用戶面數(shù)據(jù)包檢查和策略規(guī)則的實(shí)施，如合法的用戶面數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)，并提供用戶面數(shù)據(jù)包的緩沖和下行數(shù)據(jù)通知的觸發(fā)功能。②用戶數(shù)據(jù)描定功能：終端可能會(huì)發(fā)生系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)外的切換，UPF可以在終端移動(dòng)過(guò)程中提供用戶面數(shù)據(jù)描定功能，確保不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的清況。二、5G通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(3)SMF核心網(wǎng)中的SMF負(fù)責(zé)對(duì)用戶進(jìn)行會(huì)話管理，SMF負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)以下功能：①數(shù)據(jù)包會(huì)話控制：通過(guò)與UPF的配合使用，SMF負(fù)責(zé)建立、維護(hù)和釋放用千用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅?huì)話。SMF負(fù)責(zé)用戶面功能的選擇和控制，并承擔(dān)部分QoS策略的實(shí)施，協(xié)助UPF將數(shù)據(jù)包路由至正確目的地。②終端IP地址分配：通過(guò)分配IP地址保證數(shù)據(jù)包可以在5G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)實(shí)現(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)支持外部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)。二、5G通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5G時(shí)代對(duì)基站架構(gòu)進(jìn)行了重構(gòu)，如圖2所示。在4G時(shí)代，每個(gè)基站都有一套BBU下掛RRU連接天線，并通過(guò)BBU連接至核心網(wǎng)。而到了5G時(shí)代，每個(gè)站點(diǎn)都有一套CU，多個(gè)站點(diǎn)使用同—個(gè)CU進(jìn)行集中式管理。5G基站把原先BBU的—部分物理層處理功能歸入RRU,原先的RRU和天線結(jié)合成AAU,原來(lái)的BBU拆分成CU和DU，并在CU中融合了一部分從核心網(wǎng)下沉的功能，作為集中管理節(jié)克使用。圖24G與5G基站構(gòu)架的比較二、5G通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5G基站的重構(gòu)是根據(jù)不同協(xié)議層的實(shí)時(shí)性要求來(lái)進(jìn)行切分的，BBU中的低層物理底層下沉到AAU中進(jìn)行處理，對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的MAC層和RLC層放到DU中進(jìn)行處理，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的PDCP層和RRC層則放到CU中進(jìn)行處理。注意：NodeB、eNB、gNB和ng-eNB代表—種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的描點(diǎn)，需要從協(xié)議層的角度進(jìn)行理解，基站是與無(wú)線連接相關(guān)的RF硬件資源。二、5G通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5G時(shí)代通過(guò)對(duì)基站的重構(gòu)實(shí)現(xiàn)了以下幾大功能：①基帶資源共享?；驹诟鱾€(gè)時(shí)段的業(yè)務(wù)量都不樣，傳統(tǒng)基站中，每個(gè)站都要配置最大容星的基帶資源，而這個(gè)最大容量的資源通常是達(dá)不到的。例如，城市的商圈區(qū)域在白天話務(wù)量很高，而到了晚上商鋪閉門停止?fàn)I業(yè)后業(yè)務(wù)量就會(huì)很空閑，居民區(qū)的情況則正好相反。傳統(tǒng)基站對(duì)于這兩種區(qū)域要按最大容量設(shè)計(jì)，否則高峰期時(shí)會(huì)出現(xiàn)資源不足的情況，造成了很大的資源浪費(fèi)。5G時(shí)代，處理基帶資淚的DU集中部署于中心機(jī)房，并由CU統(tǒng)調(diào)度，能夠節(jié)省大量基帶資源。二、5G通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)②無(wú)線接入的切片和云化。網(wǎng)絡(luò)切片是5G網(wǎng)絡(luò)的新功能特性之，新的基站架構(gòu)能夠更好適配eMMB、mMTC和uRLLC三大場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的不同要求。網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是虛擬化，在5G的實(shí)時(shí)處理方面，通用服務(wù)器的效率還太低，無(wú)法滿足業(yè)務(wù)需求，因此需要采用專用硬件設(shè)計(jì)，而專用硬件又難以實(shí)現(xiàn)虛擬化。這樣來(lái)，就只好把需要專用硬件處理的協(xié)議層剝離出來(lái)交由AAU和CU處理。非實(shí)時(shí)部分的協(xié)議層組成cu,運(yùn)行在通用服務(wù)器上，經(jīng)過(guò)虛擬化技術(shù)處理就可以支持網(wǎng)絡(luò)切片和云化了。③實(shí)現(xiàn)復(fù)雜組網(wǎng)情況下的小區(qū)協(xié)同。5G網(wǎng)絡(luò)將大量使用高頻毫米波，毫米波的頻段高、衰減大、覆蓋范圍小，因此5G小區(qū)數(shù)量將會(huì)是4G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)倍。5G網(wǎng)絡(luò)通過(guò)強(qiáng)大的中心節(jié)點(diǎn)CU統(tǒng)一進(jìn)行干擾協(xié)同管理及業(yè)務(wù)聚合，從而獲得更大的網(wǎng)絡(luò)性能增益。二、5G通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5G時(shí)代DU和CU的拆分在帶來(lái)好處的同時(shí)，也產(chǎn)生了一些不利的影響，具體如下：①數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延增加。DU和CU網(wǎng)元架構(gòu)會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的處理時(shí)延，在CU和DU進(jìn)行物理分布部署時(shí)，通常一個(gè)RRC信令的往返時(shí)延將增加2ms,一個(gè)完整的附著流程將增加7ms，此類時(shí)延的增加對(duì)uRLLC業(yè)務(wù)帶來(lái)很大的影響。②網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜度增加。CU和DU之間對(duì)接的參數(shù)、配置、版本兼容性等問(wèn)題都將引入新的管理難度。CU和DU雖然在邏輯上可以分離，但實(shí)際運(yùn)營(yíng)中在物理上要不要分開(kāi)部署還要看具體業(yè)務(wù)需求清況。在5G網(wǎng)絡(luò)中，CU和DU合設(shè)與分離這兩種架構(gòu)將長(zhǎng)期共存，因此網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜度也會(huì)成倍提高。③可用性要求變高。當(dāng)CU采用云化部署時(shí)，單個(gè)CU物理機(jī)房將會(huì)下帶大量小區(qū)，對(duì)可用性的要求很高，需要考慮CUPool或異地容災(zāi)方案。二、5G通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5G不同業(yè)務(wù)對(duì)千網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延要求不同，eMBB對(duì)時(shí)延不是特別敏感，如用戶下載大文件數(shù)據(jù)或觀看高清視頻時(shí)，網(wǎng)絡(luò)延遲多幾毫秒是完全感受不到的；mMTC對(duì)時(shí)延的要求更低，智能電表、燃?xì)獗砩蠄?bào)數(shù)據(jù)，有延遲都可以接受；而uRLLC對(duì)時(shí)延的要求極高，像工業(yè)控制、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等業(yè)務(wù)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t通常會(huì)造成災(zāi)難性后果。對(duì)千eMBB和eMTC等場(chǎng)景，因?yàn)槠錁I(yè)務(wù)需求對(duì)時(shí)延不是特別敏感，可以把CU和DU分開(kāi)在不同的物理機(jī)房部署，而要支