5G通信原理和构架.docx
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5G通信原理和构架
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1.1从4G到5G
第一章5G简介
4G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。
1.25G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，最低空口RTT时延要求达到了1ms。
3.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层用户面数据传送量。
用户感知速率要求达到0.1Gbps。
4.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10Gbps。
5.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在线设备总和，一般不低于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。
1.35G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）。
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。
1.3.1eMBB增强型移动宽带
eMBB（EnhancedMobileBroadband），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5GeMBB（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已达到。
eMBB场景关键性指标：
峰值速率：
下行20Gbps上行10Gbps
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1GHz
1.3.2eMTC大规模移动通信
eMTC（MassiveMachineTypeCommunication，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。
mMTC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。
1.3.3uRLLC超高可靠低时延通信
uRLLC（UltraReliable&LowLatencyCommunication，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：
用户面时延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-RAN代表5G接入网，5GC代表5G核心网（5GCoreNetwork）。
它们之间的接口，就叫NG接口
2.15G核心网（5GC）构架
2.1.15G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（NetFunction）交互。
5、AN和CN之间的接口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”NF，其中“计算”资源与“存储”资源分离。
8、支持网络能力对外开放（开放接口，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SBA
SBA（ServiceBasedArchitecture:
服务化构架）：
将网络功能（NF）拆分，所有的NF
通过接口接入到系统。
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）。
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实现了标准的接口，则多个设备厂家的不通过NF可用来构建某个NFS。
SBA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.接口：
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JSON，接口描述语言采用OpenAPI3.0，API的设计方式采RESTFul。
2.1.35G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，并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，每一个虚拟网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。
NFV（NetworkFunctionVirtualization，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、
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，简化网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（SoftwareDefinedNetwork，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口上开发应用软件，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手机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（serviceDataUnit）:
服务数据单元，又叫业务数据单元，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（Protocoldataunit）:
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applicationdata（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SDU。
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PDU。
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。
如果已经由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：
ServiceLevelAgreement）管理每个用户有资格使用的切片类型和业务。
NSSAI（NetworkSliceSelectionAssistanceInformation：
网络片选择辅助信息）包括一个或多个S-NSSAI（单NSSAI）。
每个网络片由S-NSSAI唯一标识。
2.1.4SA和NSA
5G网络架构分成了SA和NSA，R15版本分成了两个阶段，第一个阶段发布的是NSA，第二阶段发布的是SA，它们的部署是不相同的。
SA即是Standalone独立组网，即一套全新的5G网络，包括全新的基站和核心网。
NSA为非独立组网，使用现有的4G网络，进行改造、升级和增加一些5G设备，使网络可以让用户体验到5G的超高网速，又不浪费现有的设备。
SA选项2：
全新的5G核心网和无线网gNB组网，优势是可以完全发挥出5G的各项性能，按照3GPP的标准推进。
缺点就需要浩大的投资。
SA选项5：
和上面的选项2相比，在这个模式下，把原来的4G基站进行升级接入，它也属于独立组网。
NSA选项3：
在LTE双连接构架中，UE（用户终端）在连接态下可同时使用至少两个不同基站的无线资源（分为主站和从站）。
5G基站可以通过4G基站接到4G核心网。
但是4G基站必须升级为增强型4G基站。
NSA选项3a：
当运营商不愿意花钱升级4G基站，5G基站的用户面直接通4G核心网，控制面继续锚定4G基站。
NSA选项3x：
把用户面数据分为两部分，会对4G基站造成瓶颈的那部分，迁移到5G
基站。
剩下的部分继续走4G基站。
NSA选项7系列：
当把4G核心网更换为5G核心网，则3系列升级为7系列。
NSA选项4系列：
当5G作为锚定站时，且核心网使用5G核心网，则升级为4系列。
4系列为用户面和数据面均走5G基站，4a系列为用户面走4G基站直达5G核心网，控制面板走5G基站到达核心网。
2.25GCNF功能说明
5G需要达到RTT为1毫秒级别的响应，需要达到每平方公里100万连接数的用户需求，决定了5GC不能在使用以往的MME+SGW的模式，5GC的主要关键技术包含：
SBA（ServiceBasedArchitecture：
基于服务式构架）、CUPS（ControlandUserPlanSeparation:
控制面板和用户面分离）、NS（NetSlicing:
网络切片）。
2.2.1接入和移动性管理AMF功能
AMF：
CoreAccessandMobilityManagementFunction，负责控制面的移动性和接入管理,4G的MME包含接入、移动性管理、会话管理、安全性管理等功能，5G中将接入、移动性管理、安全性管理归属到AMF中，将会话管理归属到SMF中，5GRAN通过N2接口和AMF连接，UE则通过虚拟端口N1和AMF连接，多个AMF之间通过N14端口连接。
AMF的单个实例中可以支持部分或全部AMF功能，无论网络功能的数量如何，UE和CN之间的每个接入网络只有一个NAS接口实例，实现NAS安全性和移动性管理的网络功能之一，即只有一个AMF为UE提供安全和移动性管理服务。
AMF的3GPP服务功能：
1.为RAN网络提供CP接口（N2接口）即控制面接入；
2.为UE提供N1接口实现加密和完整性保护；
3.为UE提供接入身份验证，接入授权，注册管理，连接管理，可达性管理，移动性管理；
4.定位服务管理和移动事件通知；
5.用于与EPS互通的EPS承载ID分配。
6.为UE和SMF之间的SM消息提供透明代理和传输；
7.为UE和SMSF之间提供SMS消息的传输；
8.为UE和LMF之间以及RAN和LMF之间的位置服务消息提供传输；
9.SEAF的安全锚功能；
10.合法拦截（AMF事件和L1系统接口）
AMF还支持安全策略的相关功能和非3GPP网络的某些功能，并非所有功能都需要在网络切片的实例中使用，支持使用部分或全部功能灵活部署。
2.2.2会话管理功能SMF
SMF：
SessionManagermentFunction,负责会话管理，在4G中MME负责ESM会话管理，在5G中SMF独立处理，专门负责会话管理。
5G的用户平面的功能是UPF,SMF通过N4接口和UPF连接控制会话管理，通过N11接口和AMF连接交互信息。
SMF的功能说明：
1.会话管理，维护UE和AN之间的通道，如会话的建立，修改，释放；
2.UE的IPV4和V6地址分配（DPCHV4和V6功能）；
3.响应IPV4ARP（AddressResolutionProtocol：
地址解析协议）和IPV6的NDP
（NeighborDiscoveryProtocol：
邻居发现协议）的请求和流量转发；
4.配置UPF的流量控制，将流量路由导到正确的目的地；
5.提供到策略控制功能的路径；
6.收费数据采集和计费接口提供；
7.SM消息的SM部分处理；
8.下行数据通知；
9.AN特定SM信息的发起者，通过AMF通过N2发送到AN；
10.确定会话的SSC模式；
11.合法拦截（SM事件和L1系统接口）
SMF的单个实例中可以支持部分或全部SMF功能，并非所有功能都需要在网络切片的实例中得到支持。
SMF还可以包括与安全策略相关的功能和漫游功能。
2.2.3用户平面功能UPF
UPF：
UserPlanFunction,用户平面功能，在4G中用户面由S-GW和P-GW构成，在5G中UPF负责用户面的功能。
UPF通过N3口和RAN连接，通过N4口和SMF连接，通过N6口和DN连接，UPF之间通过N9口连接。
5G会话是基于PDU（PacketDataUnit:
数据包单元）交互，PDU连接业务即UE和DN
（DataNetwork,类似4G的PDN的概念，但是DN更侧重万物互联的概念，即以前PDN网络已经扩展到了每个终端均已通过IPV6地址接入网络，即每个终端都是外网的终端，则PDN网络扩展为DN网络。
4G中APN的概念在5G中叫DNN）之间交换PDU数据包的业务；PDU连接业务通过UE发起PDU会话的建立来实现。
一个PDU会话建立即建立了一条UE和DN的数据传输通道。
UE可以建立多条通过不同的UPF连接到同一个DN的PDU会话连接，每条PDU会话对应的SMF也可以不同。
每条PDU会话的服务SMF信息会登记在UDM中。
UPF的功能说明：
1.用于RAT（RadioAccessType）内和RAT间的移动性锚定点
2.外部PDU和DN之间的会话点
3.分组路由和转发
4.数据包检查和合法拦截（UP面）
5.UP面策略规则实施和Qos处理
6.流量使用报告和上行链路流量验证
7.上行链路和下行链路中的传输级分组标记
8.下行数据包缓冲和下行数据通知触发
UPF的单个实例中可以支持部分或全部UPF功能，并非所有UPF功能都需要在网络切片的用户平面功能的实例中得到支持。
一个会话中存在多个UPF时，则UPF和UPF之间通过N9口连接，中间的UPF充当中继UPF。
2.2.4策略控制功能PCF
PCF:
PolicyControlFunction策略控制功能，类似4G的PCRF。
PCF是5G的策略整体框架。
1.AM策略：
AMF在PCF中创建和管理与接入和移动性管理策略关联，其他NF通过该关联获取UE的接入和移动性管理相关的策略。
2.Authorization策略：
鉴权AF（ApplicationFuntion）请求，并且为已鉴权的AF
绑定PDU会话创建策略。
3.SM策略：
SMF在PCF中创建和管理会话策略关联，其他NF通过该关联获取PDU会话的策略信息。
4.BDT策略：
来自开放网络的AF获取后台传输策略并且根据AF的选择更新后台传输。
5.UE策略：
NF在PCF中创建和管理UE的策略关联，其他NF通过该关联获取UE策略触发信息，PCF可以将该信息通过NAS信令发送给UE。
6.EveryExposure策略：
该策略使其他NF可以订阅和获取PCF事件。
PCF策略控制管理不仅管了UE的策略，也管理其他NF之间的访问策略，它是5G的一个整体策略框架。
2.2.5网络开放功能NEF
NEF:
NetworkExposureFunction,网络开放功能，5G网络基于服务化构架SBA，每个功能均是一个NF，当某个NF需要处理某些信息则需要调用其他NF的服务，NEF充当了重要的角色，它完成了NF的能力公开和事件公开，同时NEF也是和其他外部网络交互的重要枢纽。
NEF的功能说明：
1.NF的能力和事件公开
2.外部网络到3GPP的信息交互和安全信息控制
2.2.6网络存储库功能NRF
NRF:
NFRepositoryFunction，NF贮存功能，5G网络中NEF是完成了NF的能力和事件公开，但是NF实例的具体信息是通过NRF获取。
NRF的功能：
1.从NF实例接收NF发现请求，并将发现的NF实例（被发现）的信息提供给NF实例。
2.维护可用NF实例及其支持服务的NF配置文件。
2.2.7UDM,AUSF,AF
UDM：
UnifiedDataManagement,统一数据管理，生成3GPPAKA身份验证和用户识别。
AUSF:
AuthenticationServerFunction,身份验证服务器，支持3GPP和非3GPP的接入认证。
AF:
ApplicationFunction,应用服务，即将某些应用如腾讯QQ等应用直接归属到5G
核心网中，当然也可以是其他服务，比如网络信号的MR分析等服务。
2.35G接入网构架
5G的接入网一般叫AN，即AccessNetwork,有时候会加上Radio，即无线接入网，则简写为RAN,接入网和核心网之间的接口为NG接口，故可以写成NG-RAN表示5G接入网。
由于5G构架分为SA和NSA2种模式，在SA的情况下5G基站直接连接5G核心网相对比较简单，在NSA情况下5G基站需要和4G基站组成主从站的形式接入核心网。
目前非独立组网均使用3X模式组网，即5G基站的用户面和控制面均和4G基站连接，5G基站用户面也直接和核心网连接，把用户面数据分为两部分，会对4G基站造成瓶颈的那部分，迁移到5G基站。
剩下的部分，继续走4G基站。
NR:
5G基站和UE之间的接口，即NewRadio,新无线。
EN-DC：
E为ENB（4G基站），N为EN-GNB（5G基站），DC为DualConnectivity即双连接，则EN-DC表示
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