5G移动通信系统（新形态教材） 李晓辉 习题及答案

5G移动通信系统习题参考答案第1章主要的第三代移动通信标准有哪些？答：主要的3G标准包括WCDMA(WidebandCodeDivisionMultipleAccess，宽带CDMA)、CDMA2000和时分同步码分多址(TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess，TD-SCDMA)。什么是LTE？答：LTE是UMTS无线接入技术标准的演进，在3GPP中称为演进的通用陆地无线接入网(UniversalTerrestrialRadioAccessNetwork，EUTRAN)。试列举5G的关键指标。答：根据3GPP有关标准的规定，5G主要包括如下关键指标(KPI)：峰值速率：下行链路20Gb/s，上行链路的10Gb/s。峰值频谱：下行链路30b/s/Hz，上行链路的15b/s/Hz。控制面时延：目标为10ms。用户面时延：对于uRLLC业务，用户面时延不大于0.5ms。对于eMBB，用户面时延不大于4ms。切换中断时间：目标应为0ms，对于比较偏远的地区，可以放宽对切换中断时间的要求。系统间切换：支持在IMT-2020系统和其他系统之间的移动性的能力。可靠性：uRLLC业务的可靠性要求是在用户面时延是1ms的前提下传输32字节时的丢包率小于10-5。可移动性：5G的移动性目标为500km/h。连接密度：在城市环境中，连接密度的目标应该是百万台/平方公里。此外，5G的KPI还包括覆盖、天线的耦合损耗和电池的寿命等指标。说说6G业务的发展趋势和愿景。答：6G业务的发展趋势和愿景如下图所示。第2章简述5G网络的整体架构。答：5G网络整体架构如下图所示：什么是控制面和用户面的分离？答：5G把4G的网元功能拆分为多个网络功能服务模块，并采用虚拟化(云化)的核心网，有利于控制面与用户面的分离。例如会话管理功能在5G由SMF负责，SMF其实就是S-GW和P-GW间的控制面部分，用户面部分形成了UPF，从而实现了5G控制面和用户面分离。控制面和用户面分离可以实现两者的独立扩容，互不影响。使用户面不再受中心化的约束，既可以部署在中心，也可以部署在接入网中，实现分布式的部署，提高用户的体验。试说明5G核心网有哪些功能模块，并给出SBA服务架构的示意图。答：5G核心网架构和功能模块如下图所示：什么是CU/DU分离？为什么要引入CU/DU分离？答：CU/DU分离如下图所示：引入CU/DU分离的原因包括：首先，CU/DU分离可以实现基带资源的共享。因为各个基站所处的区域不同，用户数和业务量也不同，所以基站的忙闲程度是不同的。传统的做法是增加容量来满足用户的需求。但是对于一些实效性明显的基站，例如学校，白天教学区的业务量比较集中，但是晚上业务量就集中到宿舍区，如果给每一个基站全都增加容量，就造成了资源浪费。采用CU/DU分离可以由CU集中管控，实现基带资源的共享。其次，CU/DU有利于接入网的切片和云化。网络切片是5G的目标，但是网络切片的实现基础是虚拟化，而且5G阶段实时处理部分应用在通用服务器上的效率比较低，仍需专门的硬件，所以说很难实现虚拟化。在这种背景下，只能把专用硬件剥离出来作为AAU和DU，剩下非实时部分组成CU，运行在通用服务器上并进行虚拟化和云化，从而支持网络切片。最后就是5G多场景的协同。5G引入了毫米波，因为毫米波单基站覆盖范围小，实现一定区域覆盖所需的站点非常多，会和低频站点形成一个高低频交叠的复杂网络，如果想使这样的网络获得最大的增益，CU/DU分离有助于集中管控实现负荷分担和干扰协同。第3章为什么要进行自适应编码调制？答：自适应编码调制系统中，收发信机根据用户瞬时信道质量状况和可用资源的情况选择最合适的链路调制和编码方式，从而最大限度地提高系统吞吐率。试列出几种5G新波形，并给出各自的优缺点。答：除OFDM和DFT-S-OFDM外，5G有如下候选波形：基于优化滤波器设计的滤波器组多载波(FilterBankMultipleCarrier，FBMC)、通过滤波多载波(UniversalFilteredMulti-Carrier，UFMC)和广义频分复用(GFDM)等新波形。传统OFDM频谱效率高、能够抗多径、消除符号间干扰、便于与MIMO结合。但是存在对频偏敏感、峰均比高、存在旁瓣带来的杂散泄露等问题。FBMC没有循环前缀，传输效率得到进一步提高；在频域降低了旁瓣功率，减少了带外泄露；对同步要求不是很严格，在高移动性场景性能良好。但是FBMC破坏了子载波间的正交性，滤波器长度较长，增加了实现复杂度，小包业务和时延要求较高的场景效果收到影响；难以和MIMO技术适配。UFMC对时间和频率要求不严格，不需要循环前缀，传输效率高；滤波器长度较短，可适用于小包场景；在子载波组内可动态调整子载波间隔。UFMC的不足指出是发送和接收的复杂度偏高。GFDM的优点是带外泄漏低，适合在非连续频带上传输；基于独立的块调制，具有灵活的帧结构，适用于不同的业务类型。缺点是需要复杂的接收处理算法来消除码间串扰和载波间干扰，其块处理的时延也较大。给出SC-FDMA的实现框图，并说明SC-FDMA和OFDMA的异同点。答：SC-FDMA的实现框图如下：SC-FDMA也称DFT扩展OFDM(DFT-S-OFDM)，在子载波映射前增加了DFT的操作，其发射信号具有单载波的特性，具有较低的峰均比。什么是混合波束赋形？答：在大规模天线阵列的情况下，为解决数字波束赋形的实现复杂性，将波束赋形分为模拟波束成形矩阵和数字预编码两部分，混合波束赋形如下图所示。给出同时同频全双工通信中常用的干扰消除技术。答：常见的自干扰抑制技术包括空域、射频域、数字域的自干扰抑制技术。空域自干扰抑制主要依靠天线位置优化、空间零陷波束、高隔离度收发天线等技术手段实现空间自干扰的辐射隔离；射频域自干扰抑制的核心思想是构建与接收自干扰信号幅度相反的对消信号，在射频模拟域完成抵消，达到抑制效果；数字域自干扰抑制针对残余的线性和非线性自干扰进一步进行重建消除。第4章5GNR中子载波间隔存在多种取值的原因；答：由于5G要支持更多的应用场景，例如超高可靠性(uRLLC)需要比LTE更短的帧结构。为了支持灵活的帧结构，5GNR中定义了帧结构的参数集(Numerologies)，包括子载波间隔、符号长度和CP等5GNR物理层有哪些上行物理信道和下行物理信道？答：5G下行物理信道包括物理广播信道(PBCH)，物理下行控制信道(PDCCH)以及物理下行共享信道(PDSCH)。此外还包括同步信号和下行参考信号。同步信号包括主同步信号(PSS)和辅同步信号(SSS)，下行参考信号包括解调参考信号，CSI参考信号和相位跟踪参考信号。5G上行物理信包括道PUSCH(物理上行共享信道)、PUCCH(物理上行控制信道)和PRACH(随机接入过程)。此外，还有探测参考信号、DMRS和PT-RS，这是因为上行也需要相位偏移跟踪。5GNR物理层资源包括哪些？答：物理层资源包括无线帧、子帧、时隙、OFDM符号、子载波和天线端口。5GNR为什么要引入BWP？答：5GNR的最大载波带宽远大于4G，且支持多种类型的UE，并非所有UE都能够使用完整的载波带宽，因此5GNR提出了一种终端带宽自适应的方法。为了支持终端带宽适配和无法接收全带宽两个方面的问题，引入了BWP(带宽部分)的概念。BWP在不必要使用全部带宽时可以节省能耗，还能实现灵活的调度来适应不同的业务需求。第5章给出SSB的时频结构。答：SSB的时频结构如下图所示：SIB2、SIB3、SIB4分别包含哪些重要信息？答：SIB2、SIB3、SIB4包含的信息如下：消息块对应内容SIB2同频、异频、异系统间小区重选公共参数SIB3同频小区重选的邻小区参数SIB4异频小区重选的邻小区参数试述5G随机接入过程与4G有什么不同？答：5G随机接入过程与4G不同的是，5G随机接入中包括了从RRC_INACTIVE到RRC连接态的切换以及对波束的管理。为什么会产生随机接入冲突？产生随机接入冲突之后如何解决？答：如果在同一个PRACH上不同的UE使用了相同的RAPID(随机接入前导码)，则存在冲突。如果发生冲突，则基站会在向UE发送的RAR(随机接入响应)中发送唯一的标识符(如RA-RNTI)，用于区分各个UE。UE根据这个标识符发送消息3（Msg3），并携带一个独特的标识符（如S-TMSI或随机数）。基站收到Msg3后，通过消息4（Msg4）返回一个包含唯一标识符的响应，实现竞争解决(竞争分解)。在功率控制过程中，损耗补偿因子α取值大小会造成什么影响？路径补偿因子用于调整上行传输功率，以补偿实际的路径损耗，以确保上行传输的功率足够覆盖所需的距离。损耗补偿因子α的取值小于等于1，从而可以分为全路径损耗补偿和部分路径损耗补偿。‌全路径损耗补偿(α‌=1)：这种方式完全补偿路径损耗，确保从小区边缘的UE接收到的功率与从小区中心的UE接收到的功率相当，有助于提高小区边缘用户的性能，但可能会在小区中心造成功率冗余。PUCCH采用全路径损耗补偿。‌部分路径损耗补偿(α‌<1)‌：这种方式只补偿部分路径损耗，使得小区中心的UE接收功率较高，而小区边缘的UE接收功率较低。通过调整其他功率参数或偏移，可以进一步补偿小区边缘UE的路径损耗，从而更好地控制接收功率‌。PUSCH常采用部分路径损耗补偿。为什么要进行波束管理？波束管理包括哪些主要过程。答：为了满足整个小区的覆盖，5G支持大规模天线，形成很多波束，不同的波束在不同的时间朝着不同的方向进行辐射。由于5G中不同时段的波束位置不同，因此要进行波束管理。波束管理过程可分成几种类型，包括波束测量、波束上报、波束选择、波束指示、波束恢复几个步骤。试述HARQ的基本流程。答：HARQ的基本流程如下图所示。第6章什么是SDN？答：软件定义网络(SDN)通过将控制层与数据转发层分离，实现了对网络流量的集中式管理和动态调度。SDN使得网络管理更加智能化和自动化，能够根据实时需求快速调整网络配置，优化数据传输路径。什么是网络功能虚拟化？答：网络功能虚拟化(NFV)通过使用标准的商用服务器硬件替代传统的专用网络设备，将网络功能如路由器、交换机等转变为软件形式的虚拟网络功能(VNF)，从而大幅降低硬件成本，提高网络服务的部署速度和灵活性。试述云原生的特点和优势，以及云原生和DevOps的关系。答：云原生(CloudNative)是一个组合词，Cloud+Native，由Pivotal的MattStine于2013年首次提出。Cloud表示应用程序位于云中，而不是传统的数据中心；Native表示应用程序从设计之初即考虑到云的环境，原生为云而设计，在云上以最佳姿势运行，充分利用和发挥云平台的弹性+分布式优势。云原生和DevOps之间存在着密切的关系：①云原生是的一种实现方式，云原生应用的容器化和微服务架构可以提高应用程序的可伸缩性和弹性，而DevOps的自动化工具和流程可以实现快速、高质量的软件交付。②DevOps提供了一系列的工具和流程，可以帮助云原生应用的开发、测试、部署和运维，自动化部署和运维可以提高系统的稳定性和可靠性，持续集成和持续交付可以提高开发效率和质量。③云原生和DevOps的结合可以促进软件交付的质量和效率。云原生应用的容器化和微服务架构可以提供更灵活、可伸缩的应用程序，而DevOps的自动化工具和流程可以加速软件的开发、测试和部署。什么是网络切片？答：网络切片技术能够在一个通用的物理网络之上构建多个逻辑上隔离的网络切片，每个切片都能提供特定的服务质量(QoS)和网络安全等级。这使得不同业务或应用能够在同一网络基础设施上获得定制化的网络服务，满足其独特的性能和安全要求。第7章SBA架构给5G核心网带来了哪些改变？答：5G的SBA架构是基于服务的，这意味着系统架构中的网元被定义为一些由服务组成的网络功能。这些功能通过统一框架的接口为任何许可的其他网络功能提供服务。这种设计有助于网络快速升级、提升资源利用率、加速新能力的引入、便于网内和网外的能力开放，使得5G系统从架构上全面云化，利于快速扩缩容。简述AMF、SMF和NRF的主要功能。答：AMF是访问和移动性管理的功能，接入网的控制面消息到这里就结束了，由AMF跟核心网的其他功能服务模块进行交互。AMF还进行NAS信令的加密和完整性的保护。此外，AMF还有一些其他的功能，包括终端的注册管理、连接管理、NAS移动性管理、访问验证、用户鉴权及密钥管理等。SMF会话管理主要负责用户会话的建立、修改和删除，还有终端IP地址的分配和管理，以及DHCP功能。此外，还包括ARP（地址解析协议)请求或IPv6邻居请求和响应、QoS流的策略和控制、终止策略控制等功能。NRF网络存储功能用来进行NF登记、管理、状态检测，实现所有NF的自动化管理，建立服务使用者和服务提供者之间的桥梁。每个NF启动时，必须要到NRF进行注册登记才能提供服务。简述5G的基本注册流程。答：5G的基本注册流程如下图所示：为什么要引入反射QoS控制？答：反射QoS控制指的是UE可以根据网络下发的数据包自行生成对应的上行数据包的QoS规则，并使用对应的QoS规则执行上行数据的QoS控制。引入反射QoS控制的目的是在实现差异化QoS的同时，减少UE与SMF之间的信令开销。SMF在建立/修改QoS流时只需要通过控制面向RAN、UPF发送相应QoS信息，并指示对目标业务启用反射QoS控制，而不需要通过空口信令向UE显式发送QoS规则及QoS流级参数信息。第8章5G承载网有哪些新的需求。答：针对5G的三大业务类型，5G承载网需要满足以下几方面需求：(1)超大带宽：eMBB场景要求5G的峰值速率比4G至少提升10～20倍，达到10～20Gbit/s，流量密度达到10Mbit/s每平方米；mMTC场景要求5G的连接密度达到每平方千米100万个。通过估算，5G承载网接入层必须具备10Gbit/s到站、50Gbit/s成环的带宽能力；汇聚层具备100/400Gbit/s、核心层具备400Gbit/s的带宽能力。(2)超低时延：eMBB场景要求用户面时延小于4ms，控制面时延小于10ms；uRLLC场景要求用户面时延小于0.5ms，控制面时延小于10ms。所以，5G承载网端到端的时延需要控制在2ms～4ms。对于时延要求严格的uRLLC业务，还需要通过网络结构的调整来实现，如无线接入网中CU(集中单元，CentralizedUnit)和DU(分布单元，DistributedUnit)合设、核心网用户面下沉至无线接入网等。(3)灵活智能：承载网服务于5G三类场景，必须具备网络切片功能，让不同场景或业务拥有自己独立的逻辑网络。除此之外，网络的演进并不是一蹴而就的，5G承载网还需要同时支持4G、5G、专线等多种综合业务，需要通过SDN(软件定义网络，softwaredefinednetworking)来进行端到端的灵活管控和智能运维。此外，5G对承载网在时钟同步精度、可靠性、安全性等方面也提出了一些新的要求，这些都是5G承载网在规划和部署时需要考虑的。5G承载网有哪些层面的关键技术。答：5G承载网的关键技术如下表所示：分类关键技术物理技术WDM、PAM4隧道技术MPLS(多协议标签交换)、SR-MPLS、SRv6、VXLAN路由技术OSPF(开放式最短路径优先)、IS-IS(中间系统到中间系统)、BGP(边界网关协议)VPN技术L2VPN(2层虚拟私有网),L3VPN(3层虚拟私有网)、EVPN(以太网虚拟私有网)同步技术同步以太、IEEE1588v2、ITU-TG.8275.1、AtomGPSSDN技术OpenFlow、BGP-LS、PCEP、NETCONF、YANG切片技术OTNODUk、HQoS、信道化子接口、FlexE可靠性技术IFIT、MPLSTE快速重路由、IP/VPNFRR、TL-LFAFRR(拓扑无关的无环路备份路径)什么是SRv6，并说明其主要优点。答：SRv6(基于IPv6转发平面的段路由)是基于源路由理念而设计的在网络上转发数据包的一种协议。其核心思想是将报文转发路径切割成不同的段，再为其分配SID(段标识符)进行标识从而以段指导报文转发。SRv6是继MPLS之后的新一代IP承载网核心协议，简化和统一承载网络的架构，推动了5G云网融合的发展。SRv6的一个重要特点是不再使用LDP/RSVP-TE协议，也不需要MPLS标签，简化了协议。SRv6不仅像SR-MPLS一样，具有简单高效、易扩展、兼容SDN网络等特点。SRv6的优点都是基于技术的，它简单高效，而且具备可网络可编程能力。SDN借助SRv6，可以驱动数据网络，按需求进行运作。SRv6还具有纯IP化的优势。SRv6报文依然是IPv6报文，仅通过引入SDH扩展报文头来实现，不改变原有IPv6报文的封装结构。SRv6基于原生的IPv6(NativeIPv6)进行转发，普通的IPv6设备也可以识别SRv6报文。SRv6设备能够和普通IPv6设备共同部署。FlexE由哪三部分组成，并说明各自的功能。答：FlexE主要包括FlexEClient、FlexEGroup和FlexEShim三部分，多个不同的子接口(FlexEClient)可以映射到FlexEGroup的一个或多个PHY上进行报文传输。FlexEShim将多个FlexEClient接口的数据，按照时隙方式调度并分发至多个不同的子通道(FlexEGroup)。简单地说，FlexE向下对PHY层进行分割，将其化作资源池，向上将MAC层进行重新编码以适配PHY层，实现了上层和下层的数据流速率不再强制绑定。简述什么是IFIT以及其主要作用。答：IFIT(随流信息检测)是一种通过对网络真实业务流进行特征标记，以直接检测网络的时延、丢包、抖动等性能指标的检测技术。IFIT的主要作用：(1)扩展功能：IFIT检测精度高，部署简单，具有未来的扩展能力。(2)故障快速定位功能：IFIT提供了随流检测功能，可以真正实时地检测用户流的时延、丢包情况。(3)可视化功能：IFIT通过可视化界面展示性能数据，并具备快速发现故障点的能力。第9章5G-Advanced有哪些应用场景？答：5G-A面向六大主要应用场景，包括沉浸实时、智能上行、工业互联、通感一体、千亿物联和天地一体。实现上行超宽带有哪些具体的方法？答：为应对上述各种场景和业务需求，5G-A上行演进引入了多个潜在的增强方向以实现上行超宽带网络。这些技术可以分为频域、时域、空域和功率域。频域主要是灵活上行频谱接入技术；时域主要是全双工技术；空域技术包括多TRP联合接收、高分辨率预编码和高阶空分复用；功率域主要是用户聚合等。实现空天地一体化需要通过哪两个方面的关键能力提升？答：实现空天地一体化，主要通过两方面关键能力的建设与提升。一方面，为了在全球覆盖场景下，保证空天地通信服务一致性，需持续提升非地面网络的功能与性能，例如天线能力、覆盖水平、接入用户数、波束间干扰、一星多用等，实现用户速率、时延和系统容量等空口性能的成倍优化与改善。另一方面，为了统一设计空天地各层网络，实现一体化的频谱、空口和架构，需要在星地干扰协调、移动管理、多层网络规划与接入馈电一体等方向着重发力。这对于非地面网络的系统干扰水平、切换和路由时延，以及可用馈电容量等性能指标上提出了要求。5G-Advanced对RedCap做了哪些演进？答：5G-Advanced在复杂度和节能两个方面对RedCap进行演进。5G-A主要在降低终端带宽、降低峰值速率、放松终端处理时间和引入更低功率等级等