5G 技术详解
2022-12-15 10:12:00 1 举报5G相关技术分析，5G关键名词解析，5G网络架构分析，5G发展历程
作者其他创作
大纲/内容
移动网络的演进
第一代：1G，1980年代：1G提供了模拟语音
第二代：2G，1990年代初期：2G引入了数字语音（例如CDMA-码分多址
衔接：2.5G
第三代：3G，2000年代初期：3G带来了移动数据（例如CDMA2000）
第四代：4G，2010年代：4G LTE迎来了移动宽带时代
第五代：5G，2020年代：5G开始普及
核心技术
毫米波(分米波、厘米波)
光速(C=30万公里/s=300兆米/s)=波长(λ)*频率(f)
2G，3G，4G主要使用分米波/5G主要是厘米波和毫米波
波长越短，频率越大，带宽越高，穿透力越弱
微基站
基站分为微基站和宏基站
5G微基站更多，对人类影响远＜宏基站的影响
天线尺寸
天线的长度和波长成正比
天线长度要求＞波长，3G→4G→5G天线越来越短
大规模MIMO(Massive MIMO)
增加天线的数量增加信道
D2D(Device to Device)
4G时代：两人通信必须经过基站的控制信令和数据包
5G时代：同一基站下的用户可以直接通信，不需经基站
网络架构
4G：核心网EPC
5G：核心网5GC，接入网NG-RAN
特性：控制和转发分离
5G：5GC核心组件
AMF：接入和移动管理功能，直接管理5G无线接入的请求，进行注册管理，连接管理，可达性管理，移动性管理等功能
SMF：会话管理功能，会话建立，修改和释放，包括UPF和AN节点之间的通道维护，UEIP地址分配和管理等
UPF：用户面的管理功能，分组路由和转发，数据包检查，用户平面部分策略规则实施，例如门控，重定向，流量转向等
PCF：策略控制功能，是使用统一的策略框架来管理网络行为，并协同UDR中的用户信息，来执行相关的策略
UDR：统一数据存储库，通过UDM存储和检索用户数据，由PCF存储和检索策略数据，存储和检索用于开放的结构化数据
UDM：统一数据管理，通过生成3GPPAKA身份验证凭据，通过对SUPI的存储和管理，对用户进行识别处理，对用户进行合法性验证
NRF：网络存储库功能，支持服务发现功能，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
NEF：网络开放功能，是5G对外开放和提供标准接口的网络功能。基于3GPP网络功能通过NEF向其他系统公开功能和事件，既提供开放性，又能保障系统的安全
DNN：数据网络名称，DNN在5G中的定义等同于以往定义的APN。两个标识符具有相同的含义并且具有相同的信息
APN决定了手机通过哪种接入方式来访问网络，用来标识GPRS的业务种类
UCMF：UE无线能力管理功能，用于存储与PLMN分配或制造商分配的UE无线功能ID对应的字段条目
SMSF：短信网络功能，支持基于NAS的SMS，主用用于管理用户数据检查并相应地进行SMS传递
NSSF：网络切片选择功能，是5G支持网络切片网络功能。选择为UE提供服务的网络切片实例集，以为用户提供个性化的网络服务
NWDAF：网络数据分析功能，是运营管理的网络分析逻辑功能。NWDAF为NF提供特定于网络切片的网络数据分析
AP：应用功能，指应用层的各种服务，可以是运营商内部的应用如Volte AF(类似4G的Volte As）、也可以是第三方的AF（如视频服务器、游戏服务器）
DN: 数据网络Data Network (DN), 比如运营商业务，互联网或者第三方业务等
5G部署三种方式
非独立部署(NSA)：LTE + 5G NR毫米波
非独立部署(NSA)：LTE + 小于6GHz NR频段
独立部署SA
5G NR 频谱
FR1：Frequency 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100MHz
FR2：Frequency range 2 （FR2）：就是毫米波频段
频率范围：24.25GHz - 52.6GHz
最大信道带宽400MHz
频段标识
5G NR频段号标识以“n”开头，比如LTE的B20（Band 20），5G NR称为n20
5G NR支持16CC载波聚合
载波聚合(Carrier Aggregation, CA)技术的思想是将多个分量载波(Component Carrier，CC)聚合起来之后
UE可享受的带宽是多个载波的带宽之和，其峰值速率也能获得几乎成比例的提升
UE可享受的带宽是多个载波的带宽之和，其峰值速率也能获得几乎成比例的提升
多个载波中，有一个载波称之为PCC(Primary Carrier,主载波)，对应小区称为PCell
另外的载波称之为SCC(Secondary Carrier,辅载波)，对应小区称为SCell
另外的载波称之为SCC(Secondary Carrier,辅载波)，对应小区称为SCell
CA规格
最多支持16个载波形成NR CA规格，每个载波400MHz，最大聚合带宽6.4GHz
CA分类
频段内连续CA，频段内连续载波聚合CC同属一个频段，且在频域上连续
频段内非连线CA，频段内连续载波聚合CC同属一个频段，但在频域上不连续
频段间CA，频段间载波聚合CC属于不同的频段，多个CC之间在频域上基本都是不连续的
天线技术
基站天线概念：从理论上来说，天线的理想长度通常是电磁波波长λ的 1/4
天线长度：
波长λ和频率f成反比λ=v/f
频率（Hz）：
周期的倒数叫做频率，用符号f表示，f = 1/T
是单位时间内完成周期性变化的次数，是描述周期运动频繁程度的量，常用符号f或ν表示
抗干扰
波长越短：工作频率越高，波长越短，抗干扰能力和绕射能力越弱
技术演进
第一代1G时代
天线多是全向360°
第二代2G时代
定向天线120°
一个小区需要三个扇区覆盖，蜂窝通信
第三代3G时代
MIMO 多天线
模式一：传输分级
分散发射、集中处理
缓解信道质量不稳定带来的性能下降，从而增强覆盖
模式二：空间复用
提升小区容量
将要传送的数据分成几个数据流，
然后在不同的天线上进行传输，
从而提高系统的传输速率
然后在不同的天线上进行传输，
从而提高系统的传输速率
第四，五代4G/5G时代
传统MIMO
通常是2 天线、4 天线、8 天线
大规模 MIMO，也即是Massive MIMO
可超过100个天线
每一天线单元可单独控制发射(接收)
波束赋型
将分集和复用的优点集于一身
秘笈：能够打破空间的限制
16T16R 以下的 Massive MIMO 天线阵列，只能提供水平维度的 2D 波束赋型
32T32R 的 Massive MIMO 天线阵列，可以实现水平和垂直方向上的 3D 波束赋型
64T64R 的 Massive MIMO 天线阵列，可以实现水平和垂直方向上的 3D 波束赋型（高阶厂商才有，如华为）
核心网
关键技术
SDN:软件定义网络
NFV:网络功能虚拟化
Network Slicing:网络切片
切片的特性：例如低延迟、高吞吐量、连接密度、频谱效率、流量容量和网络效率切片
每个网络切片至少包括无线子切片、承载子切片和核心网子切片，以适配各类业务与应用
MEC:多接入边缘计算
Fronthaul:前传
Backhaul:回传
C-RAN:云无线接入网
SDR:软件定义无线电
CR:认知无线电
Small Cells:小基站
D2D:设备到设备通信
mmWave:毫米波
低时延技术
术语名词
NR：New Radio新空口，5G专属频段；基于5G基站
终端连接5G基站用新空口，连接4G基站用旧空口
VoNR：Voice Over NR，5G语音通话，基于5G基站
LTE：LTE空口，基于4G基站，演进的4G基站
5G新空口图
5G非独立组网的架构图
5G组网模型
5G接口类型
N1接口：为UE和AMF间的信令面接口。N1是逻辑概念的接口，不存在物理口
N2接口：为(R)AN和AMF间的信令面接口。类似于4G中的s1-mme接口。
N3接口：是5G (R)AN（Radio Access Network ）与UPF（User Plane Function）间的接口，主要用于传递5G (R)AN与UPF间的上下行用户面数据
N4接口：为SMF和UPF间的接口，用于传输SMF和UPF间的控制面信息
N5接口：策略控制功能PCF与应用功能AF间接口
N6接口：是 UPF（User Plane Function）与DN（Data Network）的接口，用于传递UPF与DN之间的上下行用户数据流，基于IP和路由协议与DN网络通信
N7接口：进程管理单元SMF和策略控制功能PCF接口
N8接口：统一数据管理UDM和移动性管理单元AMF间接口
N9接口为：UPF（User Plane Function）和UPF之间的用户面接口，用于传递UPF间的上行、下行用户数据流。用于单会话，多锚点。漫游的时候也通过N9连接
N10接口：统一数据管理UDM和进程管理单元SMF间接口
N11接口：接入与移动性管理功能AMF和进程管理单元SMF间接口
N12接口：接入与移动性管理功能AMF和鉴权服务功能AUSF间接口
N13接口：统一数据管理UDM和鉴权服务功能AUSF间接口
N14接口：移动性管理单元AMF之间接口
N15接口：在非漫游情况下，策略控制功能PCF和接入和移动性管理AMF间接口，在漫游情况下，在v-PCF和AMF间接口
N22接口：网络切片选择功能
N26接口：为MME和AMF间的信令面接口
三大应用场景
eMBB切片：满足高带宽需求
3D/超高清视频
高清语音
云办公
云游戏
mMTC切片：满足高用数需求
智能家居
AR/VR
M2M
智慧城市
uRLLC切片：超可靠低延迟需求
工业自动化
自动驾驶
高可靠应用
移动医疗
智慧交通
5G基站
关键名词
BBU
Building Base band Unit，基带处理单元；主要负责信号调制
BBU分离成CU和DU，DU下沉到AAU处，一个CU可以连接多个DU
BBU分离成CU和DU，DU下沉到AAU处，一个CU可以连接多个DU
RRU
射频拉远单元；主要负责射频处理
馈线
连接RRU和天线
天线
主要负责线缆上导行波和空气中空间波之间的转换
CU
Centralized Unit，集中单元
DU
Distribute Unit，分布单元
AAU
Active Antenna Unit，有源天线单元
把RRU和天线融合在一起的设备
把RRU和天线融合在一起的设备
Fronthaul
前传：指AAU连接DU部分
Middlehaul
中传：指DU连接CU部分
Backhaul
回传：是CU和核心网之间的通信承载
基站架构模型
5G应用
5G+卫星网络
打造一个将地面无线和卫星通信集成的全连接世界，将传统地面通信与卫星通信的融合，形成“天地互联”的效果，以实现更高的传输速度和更全面的覆盖
5G+远程遥控驾驶
利用5G网络保证车端和平台端之间的紧密协作和信息交互（矿山，港口，园区，城市等）
5G+AR/VR
中央智慧工艺感知控制系统+增强现实，为工厂安上“千里眼”
5G+机器视觉
从分析、预警、管控、预测和决策全面智能化质量监控点进行实时质量检测
5G+实景视频分析/三维扫描
真正提供人工智能、机器视觉、AI视觉应用
5G+AGV/移动终端平台
智能物流调度系统，设备点检、保养维修打造节能减排“新标尺”
基站架构模型
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