5G原理概述及关键技术课件

1、5G原理概述及关键技术5G无线网络优化基础1Chapter15G网络概述Chapter25G系统架构Chapter35G关键技术Chapter45G信道与信号5G网络概述2移动通信技术演进5G应用场景5G频谱资源分配移动通信技术演进移动通信技术具有代际演进的规律-全球移动通信经过1G、2G和3G三个发展阶段，正从4G向5G演进-当前各国已开始5G的商业化进程1990s短信2000s社交应用2010在线、互动、游戏1980s语音2020虚拟现实、“零”时延感知有好强爽悦3移动通信技术演进GPRS/EDGE峰值速率(UL:DL) 0.47/0.47Mbps3GPP阵营(GSM)WCDMA峰值速率H

2、SPA5.76/14.4MbpsTD-SCDMATD-HSPA峰值速率0.55/1.68MbpsEV-DORel.0峰值速率：1.8/3.1MbpsD0 Rel .ACDMA2000 1x3GPP2阵营(CDMA)LTE FDD峰值速率(20MHz)50M/150MbpsLTE TDD峰值速率(20MHz)10M/110MbpsLTE-A峰值速率500M1GbpsMobile WiMAX 802.16e峰值速率75MbpsMobile WiMAX 802.16m峰值速率500M1GbpsWiMAX阵营CDMA2GTDMA+FDMA3G4GOFDMANR峰值速率 1Gbps20Gbp s5GF-

3、OFDMA45G应用场景5增强移动宽带(EMBB)： 体验速率，峰值速率，频谱效率，流量密度大容量物联网(Massive MTC)：连接数目，低成本，设备功耗低时延高可靠通信(Critical MTC)： 低时延， 可靠性其中，增强移动宽带场景分为广域覆盖和热点覆盖。5G频谱分为6GHz以下和6GHz以上频段，命名FR1和FR2，频谱范围如下表：6Frequency range 1（FR1）：就是我们通常讲的6GHz以下频段频率范围：450MHz - 6.0GHz最大信道带宽100MHzFrequency range 2（FR2）：就是毫米波频段频率范围：24.25GHz - 52.6GHz最

4、大信道带宽400MHz5G NR支持16CC载波聚合Frequency range designationCorresponding frequency rangeFR1450 MHz 6000 MHzFR224250 MHz 52600 MHz5G频谱分配5G频谱分配中国5G中低频段实验频率分配：工信部确定了中国三大运营商和广电的5G中低频段实验频率使用许可：中国电信获得3400-3500MHz：100MHz 5G频率资源 中国联通获得3500-3600MHz： 100MHz 5G频率资源中国移动获得2515-2675MHz和4800-4900MHz； 260MHz 5G频率资源电信100M

5、联通100M3400M3500M3600M60M TD-LTE2515M移动160M2675M2575M2635M移动100M4800M74900M5G系统架构85G 网络架构5G 主要网元功能5G 组网模式5G 空口协议栈5G 网络架构5G网络架构：Copyrights EFLAG Communications Confidential and proprietary.9网元和接口5G 核心网：5GC三个主要功能模块：AMF，UPF和SMF（SessionManagement Function）。NG-RAN无线接入网包括：gNB或ng-eNB节点接口Xn: gNB和ng-eNB通过Xn接口

6、相互连接NG: gNB和ng-eNB通过NG接口连接到5GCNG-C: gNB和ng-eNB通过 NG-C接口连接到AMF NG-U：gNB和ng-eNB通过 NG-U接口连接到UPF E1: CU-C与CU-U之间的信令F1-C: gNB-DU和gNB-CU之间的信令 F1-U: gNB-DU和gNB-CU之间数据流5GCNG-RANAMF/UPF/SMFAMF/UPF/SMF5G 主要网元功能gNodeB：向UE提供NR用户面和控制面协议终端的节点，并且经由 NG接口连接到5GC无线资源管理的功能：无线承载控制，无线接纳控制，连接移动性控制， 在上行链路和下行链路中向 UE的动态资源分配I

7、P报头压缩，加密和数据完整性保护;用户面数据向UPF的路由;控制面信息向AMF的路由;调度和传输寻呼消息用于移动性和调度的测量和测量报告配置;支持处于RRC_INACTIVE状态的UE双连接技术UugNBgNBNGAMF/UPFXnSMFCN10RAN5G 主要网元功能AMF（The Access and Mobility Management function）：接入和 移动管理功能模块上行NAS信令的终结点NAS层加密与完整性保护接入鉴权与授权安全性锚点注册管理（AMF保存UE的上下文信息，接受或拒绝UE的注册）移动性管理及移动性事件报告合法监听提供UE与SMF之间传输SM message

8、的通道支持SMF选择UugNBgNBNGAMF/UPFXnSMFCN11RAN5G 主要网元功能SMF（The Session Management function）会话管理功能模块：会话管理，例如会话建立，修改和释放，包括 UPF 和 AN 节点之间 的通道维护UE 的IP地址分配和管理配置 UPF 的流量控制，将流量路由到正确的目的地支持计费接口和计费数据收集控制和调整计费策略NAS消息在SMF部分的终结点漫游功能从UPF获取下行数据到达通知UugNBgNBNGAMF/UPFXnSMFCN12RAN5G 主要网元功能UPF（TheUserplane function）：用户面功能模块用于

9、系统内/系统间移动性的锚点外部 PDU 与数据网络互连的会话点。下行数据分组路由和转发数据包检查用户平面部分策略规则实（例如重选、流量转发）流量使用报告用户平面的 QoS 处理（例如 UL / DL 速率实施）UugNBgNBNGAMF/UPFXnSMFCN13RAN4/5G 主要网元功能对比网络功能：NGC VS EPC14MME/SGWgNBgNBeNBX2X2eNBS1-UCNRANUuS1X2S1S1-U接口名称描述Uu终端同接入网之间的无线接口X2eNB与eNB之间的接口S1eNB与EPC之间的接口，分为用户面接 口S1-U和控制面接口S1-MME15NSA：非独立组网，有多种组网方

10、案。5G接入网和4G接入网共用4G核心网EPC，由eNB作为锚点提供控 制面，gNB作为辅站只有用户面。用户数据在gNB 进行分流。5G 组网模式一MME/SGWAMF/UPFNG gNBXngNBeNBX2eNBCNRANUuSMFCN16RANS1接口名称描述NGgNB与CN之间的接口，类似于LTE的S1接口XngNB与gNB之间的接口，类似于LTE的X2接口5G 组网模式二SA：独立组网，具有独立的接入网和核心网的组网方案。5G接入网和核心网全部新建，或者升级4G接入网，或者 升级4G核心网。AMF：接入与移动性管理功能 UPF：用户面功能SMF：会话管理功能5G组网模式NSA的优势主要

11、包括：1 借助目前成熟的4G网络扩大5G 覆盖范 围，通过与4G联合组网的方式（NSA）可 以实现5G单站覆盖范围的扩大。2NSA相较SA标准敲定的时间更早，因此 相应的产品和测试工作基本已经完成，理 论上产品更成熟。3在NSA组网下，5G基站将利用现有4G核心网，省去5G核心网络的建设。SA的优势主要包括：1 在SA组网下，NR到NR切换独立于LTE切换，切换时延大大降低。2 在NSA组网下，终端天线要双连接 LTE和NR两种无线接入技术；在SA组网 下，终端天线仅连接NR一种无线接入技 术。3 独立组网则具备更强的业务能力，可 支持网络切片、边缘计算等5G新特性， 能同时满足所有5G业务应

12、用场景。SA才是5G最终的发展形态，但是在5G发展的初期，硬着头皮上SA是不现实的，因为这要付出更大的时间成本和金钱 成本，很有可能错失5G发展的黄金时机。175G 空口协议栈4/5G空口用户面协议栈对比：5G用户面新增了一个新的SDAP协议栈SDAPPDCPMACPHYRLCSDAPPDCPMACPHYRLCUEgNBPDCPMACPHYRLCPDCPMACPHYRLCUEeNB因为5G网络中无线侧依然沿用来4G网络中的无线承载的的概念，但5G中的核心网为了更 加精细化业务实现，其基本的业务通道从4G时代的承载（Bearer）的概念细化到以QoS Flow 为基本业务传输单位。那么在无线侧的

13、承载（DRB）就需要与5GC中的QoS Flow进行映射，这 便是SDAP协议栈的主要功能。Copyrights EFLAG Communications Confidential and proprietary.185G 空口协议栈SDAP架构：SDAP子层是通过RRC信令来配置的，SDAP子层负责将QoS流映射到对应的DRB上。Copyrights EFLAG Communications Confidential and proprietary.195G关键技术20覆盖增强技术速率提升技术覆盖增强技术-上下行解耦215G网络频谱增加带宽是增加容量和传输速率最直接的方法，5G最大的带宽将会

14、达到1GHz。考虑到目前频率的占用情况，5G将不得不使用高频进行通信。覆盖增强技术-上下行解耦5G网络频谱策略22高频通信挑战挑战：上下行覆盖不均衡，频段越高，上下行差异越明显；导致上行覆盖受限；TDD3.5G 64T64R23FDD1.8G2T2R3.5GHz VS 1.8GHz Gap = 11.3dB覆盖增强技术-上下行解耦覆盖增强技术-上下行解耦上下行解耦设计思路：NR中基站下行使用高频段通信，上行根据UE的覆盖情况，可以暂时占用LTE上行的部分频率资源进行通信。无需解耦24上下行解耦速率提升技术-新波形F-OFDM新波形F-OFDMF-OFDM，即Filtered-OFDM，是一项基

15、础的波形，通过优化滤波器、DPD数据预失真、射频通道处理等技术，有效的提高系统带宽的频谱利用率及峰值吞吐量。与传统的OFDM最大的区别就是“子载波带宽”可以根据需求进行调整，以适应不同业务的需求。4G(OFDM)：子载波带宽固定为15KHz5G(F-OFDM)：子载波带宽不固定，可灵活 针对不同的QoS(服务质量等级)应用25速率提升技术-新编码LDPC & Polar新编码 LDPC & Polar信道编码技术，就是为了克服无线信道可靠性差的问题，在原始有用信息比特之外，增加一定比例的冗余比特，用于保护有用信息比特，提高信息传递的可靠性。5G eMBB业务信道：LDPC控制信道：Polar2

16、6256QAM64QAM速率提升技术-新调制256QAM新调制 256QAM256QAM，即256阶正交振幅调制，相对4G的64QAM承载6bit，采用256QAM可承载8bit，同样的时频资源块上能容纳更多数据，提升了空口吞吐量。256QAM理论峰值的频谱效率比64QAM提升33%，相同频谱效率下256QAM码率更低。27Massive MIMO概念即大规模天线阵列，当前5G使用的是64T64R，通过更多的天线数量，可以实现灵活精准的 三维立体窄波束赋型，使得更多用户复用无线时频资源，达到提升覆盖能力、系统容量、降 低系统干扰的一种大规模阵列天线方案。速率提升技术-Massive MIMO8

17、T8R64T64R28速率提升技术-Massive MIMOMassive MIMO增益2864T64R/192阵子/垂直扫描35度以上速率提升技术-Massive MIMOMassive MIMO 三维波束传统BF波束只能在水平方向跟随目标UE调整方向；3D BF窄波束在水平和垂直方向都能随着目标UE调整位置；水平波束赋型三维波束赋型29速率提升技术-Massive MIMOMassive MIMO应用场景话务热点区域、密集城区、CBD场景、大型场馆、高楼场景；Copyrights EFLAG Communications Confidential and proprietary.30速率提

18、升技术-Massive MIMO单用户结合Massive MIMO下行速率翻倍4G终端1T2R；5G终端2T4R。315G关键技术-总结325G关键技术上下行解耦、新波形、新编码、新调制、Massive MIMO频域资源-BWP33BWP基本定义- BWP(Bandwidth part)；网络侧给UE分配，是对应特定载波和特定参数集的一组连续的CRB；- UE级概念，不同UE可配置不同BWP，UE的所有信道资源配置均在BWP内进行分配和调度；- UE可以配置多个BWP，但同时只能激活一个；不同BWP可以采用不同的参数集(SCS和CP)；BWP配置分类- Initial BWP：UE初始接入阶段

19、使用的BWP(通过系统消息获取)- Dedicated BWP：UE在RRC连接状态配置的BWP；协议规定1个UE最多4个(RRC信令)；- Active BWP ：某一时刻只能激活1个配置的dedicated BWP ；- Default BWP ：BWP inactivity timer超时后UE使用的BWP。若网络未配置Default BWP，则使用Initial BWP作为Default BWP ；5G信道与信号345G 逻辑信道5G 传输信道5G 物理信道5G 逻辑信道35逻辑信道根据发送消息类型的不同，总体上可以分为两大类：控制信道和业务信道控制信道BCCH(Broadcast C

20、ontrol Channel ): 用于广播系统消息。PCCH(Paging Control Channel ): 用于发送寻呼消息、系统消息改变通知以及公共告警广播指示 信息。CCCH(Common Control Channel ): 用于在UE和网络之间没有RRC连接时传送控制信息。DCCH(Dedicated Control Channel ): 用于建立了RRC连接的UE和网络之间传送点对点的专用控 制信息。业务信道DTCH(Dedicated Traffic Channel ): 用于传送点对点的用户业务信息。5G 传输信道36传输信道用于定义不同的传输格式和传输特性，这些不同的传输信道最终影响物理层对数据的 处理过程：下行传输信道BCH(broadcast channel): 广播信道DL-SCH(downlink shared channel): 下行共享信道PCH(paging channel): 寻呼信道上行