从局部到整体：5G系统观-完整版

VR

移动通信“系统观”

vivo通信研究院

张晨璐

5G真的要来了!

3

5G来了！

正式商用！

•2019年6月6日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联

通、中国广电四家运营商发放5G商用牌照，这标志着中国正

式进入5G商用元年；

•2019年6月25日，中移动启动“中国移动5G+计划”；商用在即

•2019年6月26日，vivo在上海MWC发布5G商用终端，以及助

•2019年3月中国移动5G测试套餐出炉，50元包5000G；

力5G的120W快充和AR眼镜。

•2019年1月，第三阶段测试结束，预示国内5G网络达到预商用

水平；

紧锣密鼓•2019年1月，vivo全球第一部搭载完整5G功能手机vivoAPEX发

布

•2018年12月8日，中国移动发布了《5G终端产品白皮书》，•2018年12月，三大运营商5G频普分配方案终于落定。

提出了“5G网络领航计划”宣布全面启动17城市的5G规模

试验和应用示范；第一波刺激

•2018年9月20日，中国电信5G外场成功打通基于5G独立组网

标准的端到端呼叫。•2017年12月，中国电信公布成都、雄安、深圳、上海、苏州、兰

州六个城市为5G规模试点城市。

标准发布•2018年1月，中国联通在北京、天津、上海、深圳、杭州、南京

、雄安7城市进行5G试验；

•2018年2月，中国移动宣布武汉和杭州、上海、广州和苏州5G试

•2017年12月，3GPP完成了5G非独立组网（NSA）标准制定；验网五大城市，建设约100个5G基站；

•2018年6月，3GPP发布独立组网标准，是首个完整的5G国际•2018年2月，vivo在MWC2018发布5GAPEX概念机。

标准。

4

5G是什么？

虚拟现实/增强现实车联网/自动驾驶物联网大数据+AI

……

5G+能源5G+教育5G+医疗5G+工业5G+智慧城市

5

课程目标

我的移动通信“系统观”

点面系统观

从底层到高层、从接入网到从微观到宏观，了解移动通串讲不同“层”流程，将技

核心网，全面了解5G网络单信系统发展历史、系统模型、术过程与用户行为关联，实

点技术、信令和流程架构与演进规律。现对5G系统的全面直观理解

6

CONTENTS

01第一章：历史、演变与趋势

02第二章：系统观-从生活到技术

03第三章：能力核心-物理层

04第四章：控制大脑-高层

05第五章：创新基地-核心网

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植入广告

本PPT为人民邮电出版社出版的《从局部到整体：5G系统观》配套PPT。建议读者

结合原版书籍阅读，效果更佳。

《从局部到整体：5G系统观》书籍介绍

基于对当前同类书籍特点的分析，实现作者传播“系统观”的技术意图。作者在本书的构思阶段就确立

了本书的撰写方式，并最终成为本书有别于其他书籍的主要特点：

特点1：系统整理和总结

本书最重要的技术意图是传播移动通信系统的“系统观”概念。作者进行了大量的针对不同协议层系统

的纵向整理和总结，并将LTE系统和5G系统进行了横向的比较总结，让读者更加清晰的理解移动通信系统技

术演进的意图、方向和结果。所有的这些“系统观”的总结和整理，以穿插与全书的【系统观x】章节呈现

，以帮助读者对5G系统的理解提升一个层次；

特点2：读者角度的描述方式

5G技术是一个庞大而复杂的专业体系，对于很多读者来说，技术本身很难与实际用户行为和现象关联

到一起。本书在描述方式上，尽可能的站在读者角度来进行描述。将枯燥的技术内容与涉及到的用户行为结

合在一起来描述，还原技术场景，从用户开机到业务发送接收，给读者介绍了一个完整的业务场景，也让读

者可以将技术和旧知关联到一起并加强理解。

特点3：以图代文+实例分析

3GPP技术规范需要考虑协议严谨和简洁，因此，技术规范的描述往往是非常晦涩的，这不利于读者的

理解。“文不如表，表不如图”，为了实现对技术内容的深刻理解，笔者在书中原创性的绘制了300多个技

术插图和100多个表格。此外，对于比较复杂的协议设计，还通过例子的方式将晦涩的文字和公式转换成图

形的方式来展示规范的实现细节，以更加生动、直观的描述技术内容；

《从局部到整体：5G系统观》-院士序

《从局部到整体：5G系统观》-3GPP主席序

《从局部到整体：5G系统观》-目录

《从局部到整体：5G系统观》-目录

《从局部到整体：5G系统观》-目录

目录

第一章

历史、演变与趋势

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过去未来

从一切靠“吼”的古代通信，到从“过去”我们看到了什么？

利用电缆实现的有线通信，再到速度、容量还是通信技术未来发

通过无线电波传播的移动通展的最重驱动力吗？如果不是，

信……，通信技术是如何一步步那还会是什么？

走来的？

16

从5G的爸爸、爸爸的爸爸聊起现代通信

代表：AMPS、GSM、

WCDMA、LTE、5GNR

效率：xxkbit/s~xxGbit/s

近代通信

代表：电报、有线电话、

无线电广播

效率：xxbit/s~xxkbit/s

TEXT2

古代通信1875年，贝尔发明

电话机

代表：烽火传讯、信鸽传

书、击鼓传声、风筝传讯

、天灯、良马日行千里1843年，贝思发明

传真

效率：10bit/天？

什么驱动着通信技术

摩尔发明电报

的发展？

17

通信发展的基石与驱动力

？？？？

无线时代

速？？？？

度

电的时代随着物理学、数学等基

容础学科的发展，人们对

量电磁辐射理论和电磁感

一切靠“吼”的时代无线通信技术赋予了更

的应理论的发展使得通信多的期望。

追在基础科学还未启蒙的插上了电的翅膀。

求年代，信息只能靠原始

的形式低效的传递。启示

基础学科的进步基础学科的进步是通信技术进步发展

的基石！

对速度和容量的追求是通信技术发展

的最大驱动力！

18

通信系统如何一路走来？

19

从纸筒电话谈起

环境声

嘴巴纸筒棉线纸筒耳朵

噪声+干扰

输入变输出变

信源信道信宿

换器换器

有线通信的特点

通过“看得见摸得着”的固定媒介进行传

输，保密性强；

传输信道相对稳定，干扰小；

收发端位置相对固定；

部署成本高。

20

升级后的通信系统

噪声+干扰

输入变输出变

想传输的更远信源调制信道解调信宿

换器换器

噪声+干扰

更可靠，更高效

输入变输出变

信源编码调制信道解调译码信宿

换器换器

原始模拟信号

采样与量化

采样分段采样分段采样分段

信源编码压缩数据减少信源冗余，提高通信有效性

信道编码人为增加冗余，提高数据传输可靠性

射频发射

物理信道21

移动通面临的问题更多、

更复杂！

22

骨干的现实-移动通信（1）

引入导频进行信道估计；

信道不确信道传输

①引入MCS应对传输能力变化；

定性能力可变引入高层拆包组包组装合适的TB；

引入各种多址方式提高频谱效率；

多用户且资

②引入随机接入机制提高系统容量；

源受限引入动态调度和资源分配机制；

物理层、MAC层、RRC层、NAS层等信令

体系；

可管可控运

③集中式的接入网、核心网控制节点；

营需求安全、鉴权和注册机制；

核心网签约管理和策略功能；

23

骨干的现实-移动通信（2）

引入RadioBeam、QoSflow以实现QoS区分控

制；

业务多样多样化的引入核心网网络切片等功能；

④性QoS引入接入网信道优先级机制；

物理层各种灵活配置：多种UL\DL子帧配置

、子载波间隔配置、BWP配置等；

引入切换、位置管理、寻呼机制；

位置与信号

引入移动性测量、上报机制；

⑤移动特征质量可变

引入同步机制；

引入高层RRC多状态机制和DRX、DTX机制；

引入BWP机制和PDCCH非连续监控；

能耗受限

⑥引入核心网MICO机制；

引入功率控制机制；

24

复杂的移动通信系统

HSS

MMEPCRFNEFNRFPCFUDM

“总线”

LTEAUSPSMFAF

UEgNBAMF

核

LTERANSGWPGWInternet

心NAS层NAS层

网

UERRC层RRC层NG-APNG-AP

5GPDCP层PDCP层SCTP层SCTP层

5G核心网

核LTE核心网“总线”RLC层RLC层IP层IP层

心NEFNRFPCFUDMMAC层MAC层数据链路层数据链路层

网物理层物理层物理层物理层

NG-RAN信令面

AUSPAMFSMFAFUPF

LTERAN用户面IP层IP层IP层

SDAP层SDAP层GTP-UGTP-U

……

PDCP层PDCP层UDP层UDP层Internet

RLC层RLC层IP层IP层

MAC层MAC层数据链路层数据链路层

物理层物理层物理层物理层

5GRANUPFInternet

UE

25

系统整理与理解

配置与控

制核心网UPF

提供基站的控制手段，实gNBUE

现各种高层功能，如连接

提供后台网络对接入网

管理、配置管理、测量管RRC

RRC和用户的控制手段，实

理、资源管理等。

现上层功能，如位置管

理、切换、寻呼与业务

屏请求、会话管理等。

适配底层，提供合适的蔽L2gNB

传输格式和传输块大小底L2

层调度

干扰

；屏蔽高层，实现QoS算法

flows映射

适

配

底

导频

层物理层物理层

结合信道特征、干扰特征、运

用香农信息论等最新理论和技

信调度

道MCS（编码、调制）术，考虑频谱效率需求、设计

频域特映射

征目标，构建一个鲁棒的，高效

导频

反馈测量反馈反馈率的，物理传输信道

导频测量

数据数据

时域26

速度和容量是移动通信从1G

到4G的绝对驱动力！

27

技术推动应用，应用影响生活！

从1G到5G的蜕变！

1973年1991年2000年2008年2018年

1G2G3G4G5G

应用：模拟语音应用：数字语音+文字应用：多媒体应用：多媒体+宽带应用：V2X，VR/AR，AI

速率：？速率：数十~数百Kbps速率：2~数十Mbps速率：100M~1Gbps速率：>Gbps

未来又会怎样？

28

过去未来

从一切靠“吼”的古代通信，到从“过去”我们看到了什么？

利用电缆实现的有线通信，再到速度、容量还是通信技术未来发

通过无线电波传播的移动通展的最重驱动力吗？如果不是，

信……，通信技术是如何一步步那还会是什么？

走来的？

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5G关键性能指标（ITU-2015年）

用户体验速率连接数密度

0104

100Mbps甚至G级1百万/Km2

10Mbps10万/Km2

能耗

流量密度

0205时延成本

10Mbit/s/m2

1毫秒级

0.1Mbit/s/m2

10ms效率

峰值速率

0306

20Gbps移动性

1Gbps500Km/h

350Km/h

30

网络架构的演变

4G网络架构5G网络架构

HSS5G核心网

LTE核心网“总线”

NEFNRFPCFUDM

NG-RAN

MMEPCRF

AUSPAMFSMFAF

LTERAN

LTERANSGWS5/S8PGWInternet

5GRANUPFInternet

UE

UE

核心网和接入网解耦

用户面和控制面分离

基于服务的网络架构

业务多样性能力增强

31

核心网接入网解耦

启示

我们的移动通信技术，也许

并不适用于所有应用场景。

而美好的未来，需要我们开

放、包容。

适用于短距离覆盖和室内覆

盖场景

适用于低速移动，高速连接

场景

特征

支持多种类型的接入网系统；相对低廉的部署和使用成本

接入网提供独立的接入能力；

核心网提供统一的汇聚和编排能力；

被广泛的应用和接纳

支持非3GPP系统。

32

用户面和控制面分离

启示

移动通信系统特别是用户面

向更加“专业”计算机网络

发展，将有利于吸收和融合

计算机网络新技术，并最终

与之融合。

用户面由SGW和PGW组成，

用户面部署不够灵活

MME同时涉及移动性管理和

特征会话管理控制面功能

MME中会话管理相关控制面功能迁PGW同时具备用户面和控制

移到SMF中；面功能

PGW中策略管理等相关控制面功能

迁移到SMF中；不利于实现SDN和NFV等技术

UPF独立承担用户面功能

33

基于服务的网络架构启示

移动通信网络从“专用网络

”向开放的网络发展。从“

传统网元网络功能Servicediscovery提供什么你用什么”向“你

MaintainstheNFprofile需要什么我提供什么”转变

NRF。

网络功能服务2

网络功能服务1

传统的通信网络

NEFNRFPCFUDM消费者

AUSPAMFSMFAF节点1

服务2+1服务1服务2

节点2服务2服务1

传统网元功能大而全，导致硬件专

eNBSGWPGWPCRF节点3生产者用性强，成本昂贵

传统网元属于专用硬件，功能与硬件耦

特征

合，无法实现独立升级和演进

传统网元拆分；传统网元间的信令/数据路径复杂，

网络功能服务自动化管理；不利于降低处理时延

网络通信路径优化；

网元间通信机制优化传统网元间采用专用接口，兼容性和

扩展性不强

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业务多样性能力增强

启示

“一网多用”、“专网专用

”的思路已经不再适用于差

异化巨大的业务需求

业务需求的差异扩大，从技术层面看，

特征