工业网络技术 课件 18 了解5G通信

了解5G通信一、5G时代——新空口(NR)二、5G通信的网络架构一、5G时代——新空口(NR)与3G相比，4G传输速率更快，网络频谱更宽，通信灵活度更高并且兼容性更好。但是随着科技的不断发展，消费者对于网络的传输速率也有了更高的要求。无论是无人驾驶汽车，还是更高清的影视资源的下载，4G网络的传输速率在飞速发展的需求面前还是显得有些捉襟见肘。这个时候，具有更高传输速率的5G网络应运而生。从传输速率来看，5G可以达到10Gbit/s,是4G传输速率的100倍，能够在顷刻之间完成一部高清电影的下载，流畅地观看8K视频；从传输容量来看，5G的容量可以达到4G的1000倍。这些特征使得5G很贴合物联网和智慧家庭的应用，能让更多物联网设备同时实现在线连接。一、5G时代——新空口(NR)5G通信的模式是NR(NewRadio,新空口），这是3GPP组织大会通过的正式名称。NR是基于OFDM的全新空口设计的全球性5G标准，也是下一代非常重要的蜂窝移动技术基础。5G核心指的是核心编码，5G的核心编码标准有4个：长码编码－控制信道、长码编码－数据信道、短码编码－控制信道、短码编码－数据信道。NSA（非独立组网）和SA（独立组网）是5G的两种组网方式。根据目前发展的清况，NSA技术成熟，已实现商用，SA还处于实验阶段，但是未来必然是以SA为发展趋势。一、5G时代——新空口(NR)与原有的通信手段相比，5G通信最为突出的优势体现在数据通信的高传输带宽以及低时延上。5G具体的应用优势有以下几个方面：①更低的延迟：5G网络的延迟比4G低1/10，因此可以实现更短的数据响应时间。②更高的传输速度：5G网络的传输速度比4G快10~100倍，最高速率可达10Gbit/s。③更大的网络容量：5G网络可以连接更多的设备，并且可以同时处理大量的数据，从而提高网络容量和效率。④更好的网络覆盖：5G网络使用了更多的频段，使得网络信号更容易传播，从而实现更广泛的覆盖范围。⑤更稳定的网络连接：5G网络采用了更高级的信号处理技术，从而可以降低信号噪声，提高网络连接稳定性和可靠性。二、5G通信的网络架构5G又称为第五代移动通信技术，5G网络定位于速率高、时延低、容量大的无线网络。5G网络支持100Mbit/s的用户体验速率，106个／km2的连接密度，毫秒级的端到端时延，面向行业客户提供物与物之间的连接，加快智能化进程。三大应用场景：eMBB（增强移动宽带）、mMTC（万物互联）、uRLLC（高可靠低时延通信）。具体应用场景：超高清视频、AR、VR、智慧城市、工业智能化、自动驾驶等。5G的网络架构与4G类似，都分为核心网和接入网两部分。5G核心网被称为5GC,5G接入网被称为NG-RAN。二、5G通信的网络架构1.5G网络层级5G接入网(gNB基站）将BBU分割成CU（集中单元）和DU（分布单元），通过光纤与AAU（有源天线单元，RRU＋天线）连接。CU主要负责统—控制，—个CU可以控制多个DU。5G核心网由AMF控制面、UPF用户面和SMF会话面组成。2.5G网络架构5G系统由5G核心网(5GC)和5G无线接入网(RAN)构成，如图1所示。3GPP制定了NR无线网的接入关键技术，同时也重新考虑了无线接入网和核心网之间的系统架构，对两者之间的功能进行了重新定义和划分。无线接入网由用于NR的gNB和E-UTRAN使用的ng-eNB两种无线接入节点组成。当网络采用双链接架构时，终端将同时连接两种节点。二、5G通信的网络架构gNB和ng-eNB直接通过Xn接口互相连接。Xn接口是由一系列协议结构组成的逻辑接口。运营商和制造商根据现场的实际运营条件将逻辑Xn接口映射到光纤、铜缆、微波等物理接口，实现物理层的连通。gNB和ng-eNB主要负责终端与5G网络的空口交互及连接，从协议高层视角看，主要实现了以下功能：①无线连接移动性管理：支持终端在空闲模式下的重选和连接模式下的切换。②测星控制：针对网络配置情况对终端下发测量控制指令，通过终端提供的测量报酶行无线资源管理，通过终端的测量反馈提供切换控制和干扰协调规避。③资源动态分配和调度：通过无线承载的QoS配置规则在上行和下行无线链路中调度分配无线资源。二、5G通信的网络架构④无线接入控制和系统消息广播：进行小区接入控制管理，如小区广播接入禁止、系统消息、随机接入配置等功能。⑤无线连接控制：对终端的连接建立、释放及连接状态（连接态、空闲态、非激活态）进行管理。⑥无线承载控制：处理终端的无线连接安全性，不同服务质量的上行链路和下行链路的建立，对终端的无线承载通道进行管理。图15G系统构成示意图二、5G通信的网络架构3.核心网功能组件核心网主要包含三大功能组件：用于认证和移动性功能的AMF、用于用户面功能的UPF,以及用千服务会话管理功能的SMF。(1)AMF核心网中的控制面数据管理功能主要由AMF实现，AMF负责实现以下功能：①网络信令：网络控制面信令的处理，用千终端的接入和寻呼。保证控制面数据流的安全，是5G网络信令的终结点。②安全管理：终端接入网络的鉴权、授权、加密的处理。对用户进行接入鉴权和漫游权限检查，同时支持网络安全管理控制，负责注册区管理，并负责SMF的选择。③终端移动性管理：通过记录终端的位置信息和用户网络标识实现网络寻呼，管理终端注册数据。二、5G通信的网络架构(2)UPF核心网中的用户面数据管理主要由UPF实现，UPF负责实现一下功能：①数据包处理：5G网络系统是一个全部以数据包分组交换的数据网络，并没有电路域(CS域），因此所有的用户数据都封装为数据包的POU。用户面的所有数据包均由UPF进行数据包的路由、转发和QoS处理。UPF支持用户面数据包检查和策略规则的实施，如合法的用户面数据监听，并提供用户面数据包的缓冲和下行数据通知的触发功能。②用户数据描定功能：终端可能会发生系统内或系统外的切换，UPF可以在终端移动过程中提供用户面数据描定功能，确保不会出现数据丢失的清况。二、5G通信的网络架构(3)SMF核心网中的SMF负责对用户进行会话管理，SMF负责实现以下功能：①数据包会话控制：通过与UPF的配合使用，SMF负责建立、维护和释放用千用户数据传输的会话。SMF负责用户面功能的选择和控制，并承担部分QoS策略的实施，协助UPF将数据包路由至正确目的地。②终端IP地址分配：通过分配IP地址保证数据包可以在5G网络内实现路由转发，同时支持外部网络数据的接收和转发。二、5G通信的网络架构5G时代对基站架构进行了重构，如图2所示。在4G时代，每个基站都有一套BBU下挂RRU连接天线，并通过BBU连接至核心网。而到了5G时代，每个站点都有一套CU，多个站点使用同—个CU进行集中式管理。5G基站把原先BBU的—部分物理层处理功能归入RRU,原先的RRU和天线结合成AAU,原来的BBU拆分成CU和DU，并在CU中融合了一部分从核心网下沉的功能，作为集中管理节克使用。图24G与5G基站构架的比较二、5G通信的网络架构5G基站的重构是根据不同协议层的实时性要求来进行切分的，BBU中的低层物理底层下沉到AAU中进行处理，对实时性要求比较高的MAC层和RLC层放到DU中进行处理，对于实时性要求不高的PDCP层和RRC层则放到CU中进行处理。注意：NodeB、eNB、gNB和ng-eNB代表—种网络协议的描点，需要从协议层的角度进行理解，基站是与无线连接相关的RF硬件资源。二、5G通信的网络架构5G时代通过对基站的重构实现了以下几大功能：①基带资源共享。基站在各个时段的业务量都不样，传统基站中，每个站都要配置最大容星的基带资源，而这个最大容量的资源通常是达不到的。例如，城市的商圈区域在白天话务量很高，而到了晚上商铺闭门停止营业后业务量就会很空闲，居民区的情况则正好相反。传统基站对于这两种区域要按最大容量设计，否则高峰期时会出现资源不足的情况，造成了很大的资源浪费。5G时代，处理基带资泪的DU集中部署于中心机房，并由CU统调度，能够节省大量基带资源。二、5G通信的网络架构②无线接入的切片和云化。网络切片是5G网络的新功能特性之，新的基站架构能够更好适配eMMB、mMTC和uRLLC三大场景对网络能力的不同要求。网络切片的实现基础是虚拟化，在5G的实时处理方面，通用服务器的效率还太低，无法满足业务需求，因此需要采用专用硬件设计，而专用硬件又难以实现虚拟化。这样来，就只好把需要专用硬件处理的协议层剥离出来交由AAU和CU处理。非实时部分的协议层组成cu,运行在通用服务器上，经过虚拟化技术处理就可以支持网络切片和云化了。③实现复杂组网情况下的小区协同。5G网络将大量使用高频毫米波，毫米波的频段高、衰减大、覆盖范围小，因此5G小区数量将会是4G网络的数倍。5G网络通过强大的中心节点CU统一进行干扰协同管理及业务聚合，从而获得更大的网络性能增益。二、5G通信的网络架构5G时代DU和CU的拆分在带来好处的同时，也产生了一些不利的影响，具体如下：①数据传输时延增加。DU和CU网元架构会带来相应的处理时延，在CU和DU进行物理分布部署时，通常一个RRC信令的往返时延将增加2ms,一个完整的附着流程将增加7ms，此类时延的增加对uRLLC业务带来很大的影响。②网络管理复杂度增加。CU和DU之间对接的参数、配置、版本兼容性等问题都将引入新的管理难度。CU和DU虽然在逻辑上可以分离，但实际运营中在物理上要不要分开部署还要看具体业务需求清况。在5G网络中，CU和DU合设与分离这两种架构将长期共存，因此网络管理的复杂度也会成倍提高。③可用性要求变高。当CU采用云化部署时，单个CU物理机房将会下带大量小区，对可用性的要求很高，需要考虑CUPool或异地容灾方案。二、5G通信的网络架构5G不同业务对千网络的时延要求不同，eMBB对时延不是特别敏感，如用户下载大文件数据或观看高清视频时，网络延迟多几毫秒是完全感受不到的；mMTC对时延的要求更低，智能电表、燃气表上报数据，有延迟都可以接受；而uRLLC对时延的要求极高，像工业控制、自动驾驶、远程医疗等业务中，数据传输的延迟通常会造成灾难性后果。对千eMBB和eMTC等场景，因为其业务需求对时延不是特别敏感，可以把CU和DU分开在不同的物理机房部署，而要支