浅谈5G网络
浅谈5G网络
移动通信发展历程
5G的定义
5G:第五代移动通信技术
5G的技术指标
5G关键技术
（1）超密集组网----满足热点高容量场景：大量增加小基站，以空间换性能；
宏基站：数千米
小基站（家庭基站；室内基站；个人基站；微基站；微微基站）：10米到200米SDN
（2）大规模天线阵列—提升了信号可靠性；提升了基站吞吐率；大幅降低对周边基站的干扰；服务更多的移动终端
（3）动态自组织网络（SON)----部署灵活；支持多跳；超可靠性；支持超高带宽
（4）软件定义网络（SDN)----物理上分为控制平面和转发平面；控制器集中管理多台转发设备；服务和程序都部署在控制器上
（5）网络功能虚拟化（NFV)----软硬件解耦，虚拟化；通用功能实现网络功能
5G面临的挑战
（1）频谱资源的挑战
5GHz以下频段已经非常拥挤；
解决办法： 使用高频段，超高频段；
（2）新业务的挑战
eMBB:3D/超高清等大流浪移动宽带业务；
挑战：AR/VR等对传输速率的要求高；
nMTC:大规模物联网业务;
挑战：对连接数，待机，耗电等要求高；
uRLLC:无人驾驶，工业自动化等高可靠，低时延业务；
挑战：对时延，可靠性要求极高；
（3）新场景挑战
移动热点：大量热点带来的超密集组网；
物联网：物联新业务远超人的活动范围；
低空/高空覆盖：无人机，飞机航线覆盖；
（4）安全挑战
三大场景安全： eMBB：安全处理性能，二次认证，已知漏洞；
mMTC:轻量化安全，海量连接信令风暴；
uRLLC：低时延的安全算法，边缘计算，隐私
保护。
新架构安全： SDN,NFV等新安全挑战
5G场景需求
1.高清视频的需求
高清视频需要更高的速率
2.流媒体VR视频的带宽需求
VR对带宽的需求更大，理想的VR需要2G bps流量，只有5G能满足。
3.万物互联、万物互通（物联网需求）：
包括智能城市，智能建筑，智能家庭，智能交通设备等都需要连接入网络。
不同网络制式所支持的连接数：
在3G的时代每个小区支持100个连接即可，因为大部分的用户都是手机用户。
到了4G时代，在每个小区必须能够支撑成千上万的连接请求。这些连接请求涵盖了手机、平板电脑、各种智能终端设备等多种类型。
在5G时代运行时,每个平方公里内可支撑一百万个网络连接.其中不仅包括智能手机和平板电脑等传统终端设备
自动驾驶对低时延的需求：
自动驾驶因安全性能要求极高，在车速达到每小时120公里的情况下尤其需要注意极低的系统延迟。各网络制式间存在不同的系统延迟设置，导致各车辆的制动距离差异显著。
而制动距离等于车速乘以系统延迟值。
较低的制动距离意味着更高的安全性。
ITU对IMT2020愿景的描述：
5G的铁三角：
- eMBB增强版 的MBB系统。该系统需达到10Gbit/s的速度。
- mMTC（支持多达每平方公里一百万连接的物联网应用）。该技术可实现高达每平方公里一百万连接。
- uRLLC（专注于提供极低延迟和高可靠性的通信服务）。该业务需确保通信时延小于等于一毫秒。
5G 3GPP网络架构
5G网络架构介绍
5G网络名称：
核心网：NG（Next Generation）Core
无线网络: NR(New RAN) 无线接入网（Radio Access Network）
5G网络架构分为两部分，NGC：核心网。 NG-RAN：下一代无线接入网。
NG-RAN：由若干GNB组成。
gNB指的是5G的基站设备。3G基站叫NodeB（NB），4G基站叫eNB。
NG-C：（Next Generation Core）下一代核心网（包括AMF、UPF功能模块）。
AMF：（Access Management Function），接入管理功能。
UPF：(User Plane Function) 用户面功能。主要进行用户面数据的存储和转发。
5G时代NG-RAN的关键特性—集中式部署:
集中式部署：部分上层协议栈功能集中部署，底层功能分布式部署。
所谓集中式：是指将RAM无线接入测的协议栈功能进行分类，分为两大类。
第1层是上层协议级的功能,这些功能对时延的要求较低,可实现协议栈的集中部署.这些功能将转换为资源池,并远离用户.底层协议则对时延有较高要求,可采用分布式部署方式.这种设计能够显著降低网络延迟水平.
5G网络设计原则：
5G网络设计的4大原则：
- NFV/SDN技术 NVF（Network Function Virtual）技术实现了网络功能的虚拟化配置使得网络架构更加灵活可扩展性增强而SDN（Software Defined Network）技术则通过将转发与控制面完全分离实现了对整个IP网的全局视角从而提升了资源调度能力优化了带宽利用率。
- 最好能做到控制面与业务面的最佳分离这样不仅有利于提升业务运行效率还能让管理层专注于核心战略决策。
- 网络功能切片技术基于不同的应用场景如QoS时延要求以及带宽分配需求能够将一个物理存在的网络划分为多个独立的功能单元每个单元都可以服务于特定的应用类型从而最大化资源利用率。
- 在流程设计阶段应当明确哪些是真正的业务核心事务应当将其独立出来形成一个个可扩展的服务或者功能性模块例如QoS相关的管理功能移动性相关的管理功能以及会话相关的管理模块都应当作为独立的服务提供给各应用系统选择使用从而实现最优的服务整合效果。
5G网络架构特点：
一、为分布式的用户带来满足极致的体验：
以分布式用户体验方案实现最佳使用体验与最低使用时延需求的基础上构建核心网系统架构
二、用SOA重构控制面，缩短上市时间：
实现原有网络功能与设备的分离，并将其转换为单一的服务；使这些服务程序化以便于管理与应用。各个切片依据自身状况与实际需求自主选择编排不同服务；同时还有第三方功能模块开发能够快速连接至第三方系统以实现对外协作；从而大大缩短业务发布周期
面向服务的架构(SOA)：以服务为导向的体系结构
统一设备管理(UDM)：统一设备管理方案
服务质量(QoS)：服务质量保障措施
移动性管理(MM)：移动设备管理策略
计费管理(Charging)：费用控制机制
5G cloud RAN网络
背景：统一架构的网络需求：
业务场景
实现：网络功能虚拟化及云化：
传统网络采用stack-organized架构，在设计上考虑了多种功能需求；在虚拟化时代，则要求实现软件与硬件的分离以提高资源利用率
SingleRAN到CloudRAN的演进：
SingleRAN：
SingleRAN代表2/3/4代移动通信系统的全称，在这一技术框架下旨在充分利用现有的物理基础设施，在原有网络架构基础上进行软硬件协同优化以提升系统性能和功能覆盖范围。该技术方案能够通过整合软硬件资源实现对 GSM/UMTS/LTE 等不同制式的无缝兼容与服务延伸，并通过共享同一个无线机柜、同一个基带处理器单元以及同一个传输系统等关键设备来最大化网络资源利用率
随着5G时代的到来,现有架构已无法支撑当前需求；此时应当转向CloudRAN
什么是Cloud RAN？
CloudRAN云化架构分为两部分：
RAN集中式单元（CU）：指将所有功能相同的设备进行整合并形成一个集中管理单元（CUnit），通过统一规划和布置构成一个资源池，在此过程中实现不同基站间的资源共享使用。
RAN分布式单元（DU）：指将功能相同的设备分别部署于各基站位置，并便于用户进行使用。
CloudRAN协议栈切分：
从资源利用角度看，可以把更多协议划分到CU。
从时延角度看，又需要把更多协议划分到DU.
综合考虑：将RRC，PDCP划分到CU，RLC，MAC。PHY划分到DU。
CloudRAN价值：
灵活组网：可以根据不同的业务需求，灵活部署。
弹性扩展。
CloudRAN的部署场景：
一体化部署场景。
传统网络，不引入MCE。实时部分和非实时部分融合为一体。
分离部署场景。可能是将来非常重要的一个场景。
引入MCE，部署RAN-NRT（RAN非实时部分），传统基站只部署RAN-RT（实时部分）。
混合部署场景
不采用MCE方案的小站点能够有效地构建SuperSite架构体系。通过这一架构设计，在宏站点中实现了eNodeB设备的S1信号汇聚功能。与此同时，在小型站点中部署了RAN-RT模块，并负责处理相应的网络控制功能。值得注意的是，在宏站点内部设置了模拟MCE角色的功能模块。此外，在整个网络架构中还划分了实时处理区和非实时处理区以提高系统的整体运行效率
5G空口关键技术
全新的空口技术：
在5G时代运行时, 空信道速率将能达到10 Gbps, 因此促使采用多种新型技术以提升空信道频谱效率. 当前广泛采用的有五类新型技术应用于空信道.
- 全双工技术通过高效利用时间资源实现更高的数据传输速率。
- SCMA协议通过多址接入技术实现更多终端设备的同时互联，并有效降低通信延迟。
- F-OFDM技术基于高效的波形设计，在多种业务场景中展现出良好的适应性。
- Polar码作为信道编码方案，在确保数据传输可靠性的同时实现了能量效率的最大化。
- Massive MIMO技术通过大规模阵列和空间分集实现更高效的信号分离与管理，在大容量无线系统中发挥重要作用。
新空口可以灵活适配众多业务，频谱效率至少提升3倍。
F-OFDM：非常灵活的空中接口的自适应波形：
4G（OFDM）:子载波带宽是固定的，15kHz。
5G（F-OFDM）：子载波宽度并非固定不变，在不同QoE场景下可依据需求调整报文尺寸以实现最优配置。通过优化资源利用效率从而显著提升了频谱效率
SCMA（稀疏码多址接入）：
1G是采用：FDMA，频分多址接入。
2G采用：TDMA + FDMA，时分多址接入 + 频分多址接入。
3G采用：CDMA，码分多址接入。
4G采用：OFDMA，正交频分多址接入。
5G采用了，SCMA，稀疏码分多址接入。实质是，CDMA+OFDMA。
通过正交频分技术后, 每个子载波均能利用码分技术来识别不同用户, 从而显著提升了频谱效率. 在一个子载波内, 采用码分技术的用户数量越多, 系统承载能力也随之提高, 然而, 在实际应用中会面临干扰问题. 当前实践中, 在每4个子载波配置下最多支持6个活跃用户, 即较之单个子载波提升了1.5倍的承载能力.
5G的信道编码-Polar码和LDPC码：
信道编码：在信道中增加了冗余二进制位以显著提升系统的可靠性，并且实现了更精确的解码过程。5G时代有两个最重要的编码：Polar码和LDPC码。
编码算法的选择原则：纠错性能，时延，实现效率。
Turbo编码较为成熟，在高速道路和低时延环境下存在一定的不足；LDPC编码实现复杂度较低，并主要应用于高度密集及大数据块场景。其并行处理能力较强；Polar编码在小数据块传输过程中表现出色，在小数据块传输过程中其性能优于其他编码；其成熟度较低；对于eMBB场景的初步分析结果表明
控制信道：Polor码。
大数据块业务信道：LDPC码
5G的多天线技术Massive MIMO：
原来的天线一般都是两T两R，两发送两接收。
到了Massive MIMO，5G时代，高达64T，64R或者128T，128R。
Massive MIMO的优势：
更多的天线实现更好的覆盖。
多天线赋形，实现更灵活的3D覆盖。
同时覆盖高层，中层，底层等位置的信号。
多层发射实现更高的容量。
MUBF是一种技术方案，在无线网络中通过融合多个手机端接收器到同一个方向进行信号处理，并将这些信号合并生成一个统一方向传播的主波束。该方案显著提升了小区承载用户数量的同时能够更加精准地调控各方向之间的关系，并减少了系统运行中的干扰源
宽波束到窄波束成型。
全双工：
全双工：在同一个频率上实现双向通信，在实际应用中采用的是半双工技术
半双工导致频谱损失。
全双工系统支持在同一时隙和频率资源上实现发送与接收。全双工系统的主要缺点是会产生显著的干扰。
全双工要解决的第一大问题就是要降低干扰。
目前普遍采用的技术为：由于发射端的信息为已知信息量有限，在接收阶段通过去噪处理实现对干扰源的有效抑制，并最大限度地抑制来自发射端的影响。
频谱分配及5G核心频谱
5G频谱方案：
5G之路上的重要关注：关键指标。
估计到2020年的业务需要20GHz频谱。
因为业务、客户需求越来越高，预计到2020年有20倍容量的提升。
为满足需求的20倍增长目标，在现有基础上相应地提升站点数量至原来的1.4倍，并将频谱效率提升至原来的5倍仍显不足。此外，在频谱带宽方面仍需进一步扩展3倍以上。约需2,000MHz的频率资源才能达到预期目标。中国目前拥有687MHz的可用频率资源储备，并且各国在频率资源储备上仍存在显著缺口。
解决频谱差距的方案：
- 释放成熟的WRC-7/12频段：700/800/2300/2600/3500.
如2,3G业务少了，可以将用的少的频段释放出来供5G使用。
- 开发WRC-15频段：C频段、L频段的频谱，IMT在6GHz以下定义的500MHz~1000MHz。
中国确定了3.4-3.5GHz作为5G的测试使用。
- 开发WRC-19频段：候选的UHF/C频段，更高频段>6GHz.
5G核心频段介绍：
5G将聚合所有的频段频谱：
6GHz以上主要集中在6-90GHz，再往上就是可见光。
比较热门的网段：28GHz。
6GHz以下作为覆盖层，毫米波作为容量层
频率越高，则信号衰减越显著。对于毫米波段以及28GHz频段而言，其覆盖范围相对较为有限。当基站与移动设备之间存在障碍物时，在该区域内的信号接收效果会受到影响；反之，在无遮挡的情况下则能够获得更好的信号质量。因此，在容量密集型场景中以及室内环境中进行信号覆盖时，通常优先选择毫米波、28GHz等频段。
支持低于3GHz频段的无线接入需求的同时实现网络覆盖与移动性优化。
采用大规模多输入多输出技术可显著提升网络容量与覆盖范围。
毫米波频段不仅提升了网络容量还能实现家庭宽带接入自回传以及随时可用的站点连接。
在低频段（200MHz）下使用32个天线对端（T）和32个天线对端（R）配置可达到测试小区的吞吐率上限为10.32Gbps。
在高频段（9.6GHz）采用双输入双输出配置能够实现高达115.20Gbps的传输速率。
5G网络切片
什么是网络切片：
"网络切片（NCS）是一种基于虚拟化技术的应用模式，在运营商的实际运营中通过将物理基础设施资源灵活划分为多个独立的端到端虚拟网络来满足不同业务场景的需求。
每个NCS从设备层至接入层至核心层依次构建，并通过功能分离实现了对各业务的支持。
"
为什么5G需要网络切片？
由于进入5G时代后万物互联成为可能，这也带来了各种各样的终端设备，并且同样需要提供多样化的服务和支持。例如VR和高清视频等应用对于带宽的要求较高，在这种情况下通常需要20Gb/s以上的带宽。与之相比的是车联网系统对低时延和高可靠性的要求极高，并且必须保证时延在1ms以内。相比之下，在家庭中使用的水表、电表等设备对网络性能的要求则相对较低，并且它们更关注大连接的需求。为了满足不同业务的具体需求，在过去传统的两三四G网络架构已经无法满足现代企业或个人用户的各种场景化需求。因此，在这种情况下就需要利用到5G的网络切片功能——通过这一技术可以把一个完整的物理网络划分为多个虚拟化的切片，并且每个切片都可以作为一个独立的逻辑网络运行起来。这样一来企业或个人用户可以根据自身需求灵活地获取所需的各种网络资源和服务支持
如何进行网络分片：
当前基于专用设备的网络。与此同时，在构建5G网络时，必须先实现虚拟化。
当前基于专用设备的网络。与此同时，在构建5G网络时,必须先实现虚拟化
5G采用新架构来支撑分片
E2E网络切片：
网络切片业务模型设计举例：
网络切片的价值：
商业价值：网络切片能够有效支持运营商迅速拓展至垂直行业领域，并获取更多的市场机会。
技术价值: 借助网络切片技术,一个统一的网络系统便能高效支持各类新兴业务,显著降低了运营方的投资成本。
TTM（Time to market ）: 网络切片实现了资源和服务的独立运营,简化了系统架构设计,缩短了市场推广周期,从而推动了业务创新。
5G关键技术及部署
请解释Massive MIMO是什么：在通信领域中，Massive MIMO被视为一种大规模多输入多输出技术。相较于4G时代的大规模MIMO技术，在5G时代其所需的天线数量发生了显著增加。
Massive MIMO技术带来的增益主要体现在其在三维空间中的赋型能力上。所谓的3D赋型是指在垂直平面内多点同时进行信号赋型。相比之下，在4G时期大多数MIMO技术仅局限于二维平面内的信号处理。而到了5G时代Massive MIMO可以通过三维垂直面实现多个波束的同时覆盖效果特别是在高层建筑等复杂地形中展现出良好的覆盖效果。三维波束赋型被简称为3D BF技术。
Massive MIMO的第二个技术分两个层面：
第一：是立体16流更窄的波束。指的是可以在同一时间形成16个独立的流。使得速率有大幅度的提升。而在4G时一般都是两流或者4流。在5G可以做到16流。同时波束更窄可以覆盖范围更广，干扰更小。
第二点：MU BF，多用户的波束赋型。对应Massive MIMO来说，它的速率决定于发射端和接收端最小的天线速率。所以即使在基站有16根天线，但是接收端有2根天线，最终也只能形成两流。峰值速率也只能是两倍。
例如：手机有两根天线，可以将8个用户的手机组成一个组，就是16根天线。这样发射端和接收端都是16根天线。可以大大提高小区的峰值速率。
虽然可以使用64T 64R，但是考虑到干扰等因素，现在一般只使用16流。将来随着技术的发展可能会使用更多流。
Massive MIMO天线阵子设计：
在64TR配置中，在垂直方向上布置了一个四层结构, 因此被称为4V. 水平方向则分为八列, 由于每一列中的每个点都由两根正交天线构成, 因此形成了16H. 同时，在垂直方向上布置了三个阵子组成了一个完整的单元体结构.
Massive MIMO天线硬件的变化：
现有MIMO天线形态通常由BBU、RRU以及独立的天线组件构成。借助Massive MIMO技术发展出了一种新型的有源天线系统，在这种架构中增加了AAU设备作为核心单元，并将原有的RRU和天线整合到该系统中。
上下行解耦可以提升C-Band的覆盖：C-Band上行覆盖提升。
该系统采用了上行与下行分离的机制，在近端场景下主要依赖c波段信号（对应3.5GHz频段）。当手机用户逐渐远离基站时，在Massive MIMO技术的支持下理论上理论上理论上理论上理论上理论上理论上理论上理论上理论上理论上理论地而言话话话话话话话话话话地而言地而言地而言地而言地而言地而言地而言地而言地而言地而言的话话话话的话话的话的话的话的话的话的话的话的话的话说话语语语语语语语语语语语语语
解决办法主要是当手机用户离开基站时 所谓下行链路仍然继续采用3.5GHz C波段频段 而上行链路则会根据需求自动切换至与之共用频段 LTE网络下的1.8GHz频段这一做法 并非单纯地将4G网络延伸至远端区域 更重要的是实现了5G与4G之间的动态资源分配 与此同时 这种技术措施能够实现从基站内部到外部区域的整体平衡 从而保证了5G覆盖范围与现有4G网络相当程度上的重合 这正是所谓的下行-上行解耦技术
注意：在使用上下行解耦的情况下，在开始之前（即首先），它们必须共享同一个站点。为了实现高效的通信与资源调度，在使用特定的方式建立连接的同时（即其次），4G和5G小区需要使得小区间的资源共享更加便捷，并且能够形成一个统一的资源池。也就是说，在这种情况下（即如果我们采用上下行解耦这种方式的话），将来4G与5G基站之间必须要具备较高的融合度以及良好的协作能力。
就目前而言，在上下行解耦机制中的上行频段部分，协议已经明确了这些频率范围：1.8 GHz、800 MHz以及700 MHz等。未来还将引入更多频率用于上下行解耦。
5G的天线解决方案：
目前,这一领域中常被提及的方案是基于Sub-3GHz频段下的综合集成设计。然而,具体而言,所谓的"1+1"型天线解决方案实际上是指将Sub-3GHz频段内所有制式和频率进行整合到同一根天线上,即实现了2G、3G、4G等多制式的统一合并。此外,毫米波频段以及3.5GHz频段下的Massive MIMO技术则通常采用共用一根杆的设计方案,这种设计思路能够进一步优化系统性能并提升覆盖范围。因此,这种双模组设计思路便形成了经典的"1+1"型解决方案框架