5G综述
参考文档:
5G概念白皮书
5G技术入门
5G总体白皮书2.0
5G愿景与需求
5G网络架构_顶层设计理念
5G网络架构设计白皮书
5G网络架构设计白皮书
5G安全架构白皮书
5G网络安全需求与架构白皮书-中国信通院
5G综述
- 一、5G设计框架
- 1.5G愿景：
- 2. 5G场景：
- 3.5G能力：
- 4.设计理念：
- 5. 关键技术：
- 二、5G网络架构
- 1. 系统设计：逻辑视图
- 2.系统设计：功能视图
- 3.组网设计：平台视图
- 4.核心概念一：用户中心网络UCN
- 5.核心概念二：软件定义空口SDAI
- 6.物理架构
- 三、5G网络服务
- 1.网络切片
- 2.移动边缘计算（MEC）
- 3.按需重构的移动网络
- 4.以用户为中心的无线接入网
- 5.网络能力开放
- 6.D2D
- 四、5G智能终端
一、5G设计框架
1.5G愿景：
柔性、绿色、极速
2. 5G场景：
- 增强移动带宽eMBB：对带宽有极高需求的业务，高清视频、虚拟现实、增强现实等。3D/超高清视频等大流量移动宽带业务。峰值速率是4G的10倍以上。6GHz以下和6GHz以上频段。
- 低功耗大连接mMTC：面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。要求网络满足100万/km2连接数密度指标要求，保证终端的超低功耗和超低成本。大规模物联网业务。实现从消费到生产的全环节、从人到物的全场景覆盖，万物互联。6GHz以下频段。
- uRLLC超可靠低时延通信：面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求，对时延和可靠性具有极高的指标要求，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。无人驾驶、工业自动化等。通信响应速度降至毫秒级。6GHz以下频段。
3.5G能力：
峰值速率10Gbps
100Mbps-1Gbps体验速率
频谱效率为4G的3倍？
移动性支持500km/h的高速移动
端到端最低延时1ms
百万连接/km2连接数密度
网络能效比4G提高100倍
热点区域数十Tbps/km2的流量密度
4.设计理念：
香农理论再思考
蜂窝再思考
信令控制再思考
天线再思考
频谱空口再思考
前传再思考
协议栈再思考
5. 关键技术：
- 新型无线网络架构：分布单元DU+集中单元CU+新一代前传接口。实现基带资源集中化。高层功能方案、底层功能方案。
- 超密集组网：
- 无线技术
毫米波：频率up带宽up速率up
微基站
大规模天线阵列MIMO：利用利用波束成形技术使天线能量集中在一个较窄的方向上传播，多用户传输信道趋于正交，从空间域的维度实现频谱资源复用，能够数倍提高小区容量和频谱效率
波束赋形
新型多址：基于滤波器组的多载波技术FBMC
全双工
新型调制编码
全频谱接入
C-RAN/下一代前传接口（NGFI）
无线资源调度与共享：采用分簇化集中控制、无线网络资源虚拟化和频谱共享技术实现对无线资源的高效控制和分配 - 网络技术
SDN/NFV：SDN是“控制/转发分离，简化的数据（转发）面，集中的控制面，软/硬分离，网元虚拟化及可编程的网络架构。”NFV包括虚拟的网络功能（VNF）、NFV基础设施（NFVI）和NFV管理与协同（NFV-MANO）。
云计算
网络切片：按需求构建、提供一种或多种网络服务的端到端独立逻辑网络。用户使用何种业务就接入提供相应业务的网络切片。是NFV应用于5G的关键特征。23.501。
融合多制式网络技术
无线MESH网络：应用于连续广域覆盖和超密集组网场景。
自组织网络（SON）：在5G蜂窝网络授权和控制下，在本地将基站、终端以及各种新型末端节点动态组建成网络，适用于低时延高可靠性和低功耗大连接场景。
内容分发网络（CDN）：在网络中采用缓存服务器，将缓存器分布到用户访问记中的地区或网络中，根据网络流量和服务节点的连接、负载状况以及到用户的距离和响应时间等综合信息将用户的请求重新导向到离用户最近的服务节点，解决了互联网拥挤的问题。
超密集网络技术（UDN）：站间距离缩短为几十米甚至十几米，提高频谱复用率、单位面积的网络容量、用户体验速率。解决方案包括干扰管理、小区虚拟化、接入与回程联合设计。虚拟小区技术（用户周围的接入点构成小区，保障用户处于虚拟小区中央）、干扰管理及抑制技术、虚拟分层技术（虚拟层用于广播，真实层用于传输数据）、软扇区技术（统一管理虚拟扇区和真是扇区）
技术路线：
新空口：全新的空口设计
4G演进路线：兼容4G - 下一代WLAN标准（802.11ax）于2019年完成。
- ITU的IMT-2020(5G)工作2020年底完成标准制定。
- 3GPP承担5G国际标准技术内容的制定。
二、5G网络架构
1. 系统设计：逻辑视图
- 接入云：多站点协作、多连接机制、多制式融合技术
- 控制云：控制逻辑、按需编排、网络能力开放
- 转发云：网关位置下沉，分布式数据转发和处理功能，提供动态锚点设置，丰富的业务链处理能力
2.系统设计：功能视图
- 管理编排层：能力开放（提供对网络信息的统一收集和封装，通过API开放给第三方）、管理编排（网络功能和网络切片按需编排，实现对网络切片的创建、管理和撤销）、用户数据（存储用户签约、业务策略、网络状态）
- 网络控制层：无限资源集中分配、移动性管理、安全管理、会话管理、流量疏导。
- 网络资源层：业务汇聚、为终端提供数据接入点、数据转发、数据处理（如深度包检测、内容计费、流量压缩）
3.组网设计：平台视图
5G网络将呈现“一个逻辑架构，多种组网架构”的形态。以网络切片为实例，实现移动网络的定制化部署。NFV实现底层物理资源到虚拟化资源的映射，构造虚拟机（VM），加载网络逻辑功能（VNF）。SDN实现虚拟机间的逻辑连接，构建承载信令和数据流的通路。
5G组网功能元素可分为四层：
- 中心级：控制、管理、调度（虚拟化功能编排、广域数据中心互连、BOSS系统）国家级
- 汇聚级：控制面网络功能（移动性管理、会话管理、用户数据和策略）省级
- 区域级：数据面网关功能，承载业务数据流（移动边缘计算功能、业务链功能）市级
- 接入级：无线接入网的CU和DU功能
4.核心概念一：用户中心网络UCN
无线接入网框架：
- RAN重构：引入CloudRAN，全面云化。多连接技术是使能告诉传输与高可靠性的关键，多连接能力在统一的架构下无缝部署。移动云引擎（MCE）是CloudRAN的集中控制管理逻辑实体，保安和你了RAN的非实时功能、Wifi的AC、下移的GW、与业务相关的应用分发实体和Cache。MCE可以运行在专用平台和COTS专用平台上，具备电信级容灾能力，具备原生云架构的按需部署、灵活扩容、特性独立升级等特点。
- 边缘提升：部署边缘数据中心以及边缘控制器，实现有效的数据分流、分发及本地移动性支持，边缘服务还包括RAN上下文信息以及RAN能力开放。
- CN-RAN再划分：重新划分核心网（CN）和接入网（RAN）的功能、接口、协议。用户面/控制面分离简化核心网，两者之间的接口采用GTP增强型协议。
- 网络切片即服务：面向不同服务场景提供定制化网络服务
5.核心概念二：软件定义空口SDAI
- 总体目标：可针对部署场景、业务需求、性能指标、可用频谱和终端能力等具体情况，灵活地技术选择和参数配置，实现对场景和业务的“量体裁衣”
- 总体框架：包含帧结构、双工、波形、多址、调制编码、天线等模块，遵循“共性最大化”原则，整合共性内容，协同工作。软件定义空口能够提供一个足够多样性的技术集合，使得候选技术集合中的技术能够支撑不同场景和业务的需求，候选技术方案应尽量使用统一的实现结构，复用相关实现模块。要具备自适应机制。空口在承载不同业务时可以具有不同的传输特征以最佳匹配业务的需求
6.物理架构
协议文档：38.300
5G整体结构如下图所示。
NR：新空口。3G使用CDMA，4G使用OFDM，5G使用F-OFDM。
各部分功能如下图所示。
- NG-RAN无线接入网
| gNB | ng-eNB |
|---|---|
| 向UE提供NR用户面和控制面协议终端的节点，经由NG接口连接到5GC | 向UE提供E-UTRA用户面和控制面协议终端的节点，经由NG接口连接到5GC |
- 5GC核心网
| AMF | SMF | UPF |
|---|---|---|
| 终端的移动性和接入管理，控制面 | 对话管理功能功能，控制面 | 用户平面功能，代替了SGW和PGW |
3GPP定义的基于服务化架构（Service Based Architecture，简称SBA）的5G核心网如下图。协议文档23.501.
5G核心网架构与传统核心网架构的显著区别在于：
- 传统网元被逐渐拆分
伴随着虚拟化技术运用在电信领域，传统意义上的核心网网元实现了软硬件解耦，软件部分被称为网络功能（Network Function）。3GPP定义的服务化结构将一个网络功能进一步拆分成若干个自包含、自管理、可重用的网络功能服务（NF Service），这些网络功能相互之间解耦，具备独立升级、独立弹性的能力，具备标准接口与其他网络功能服务互通，并且可通过编排工具根据不同的需求进行编排和实例化部署。这种网元拆分与我们经常谈论的云原生或微服务架构有着相似的理念，而3GPP进行了标准化定义，并为每个5G网络功能定义了一组具备对外互通标准接口的网络功能服务。 - 网络功能服务管理自动化
网络功能被拆分成多个网络功能服务后，工程师会从面对几个网元改变为面对几十个网络功能服务，如果仍然依靠手工维护方式则困难极大。因此，5G核心网的网络功能服务需要能够做到自动化管理，NRF就是这样的一个网络功能。NRF支持几个主要功能为：
- 网络功能服务的自动注册，更新或去注册。每个网络功能服务在上电时会自动向NRF注册本服务的IP地址，域名，支持的能力等相关信息，在信息变更后自动同步到NRF，在下电时向NRF进行去注册。NRF需要维护整个网络内所有网络功能服务的实时信息，类似一个网络功能服务实时仓库。
- 网络功能服务的自动发现和选择。在5G核心网中，每个网络功能服务都会通过NRF来寻找合适的对端服务，而不是依赖于本地配置方式固化通讯对端。NRF会根据当前信息向请求者返回对应的响应者网络功能服务列表，供请求者进行选择。这种方式一定程度上类似于DNS机制，从而实现网络功能服务的自动发现和选择。
- 网络功能服务的状态检测。NRF可以与各网络功能服务之间进行双向定期状态检测，当某个网络功能服务异常，NRF将异常状态通知到与其相关的网络功能服务。
- 网络功能服务的认证授权。NRF作为管理类网络功能，需要考虑网络安全机制，以防止被非法网络功能服务劫持业务。
- 网络通信路径优化
传统核心网的网元之间有着固定的通讯链路和通讯路径。例如在4G网络中，用户的位置信息必须从无线基站上报给MME，然后由MME通过S-GW传递给P-GW，最终传递给PCRF进行策略的更新。而在5G核心网服务化架构下，各网络功能服务之间可以根据需求任意通讯，极大地优化了通讯路径。同样的以用户位置信息策略为例，PCF可以提前订阅用户位置信息变更事件，当AMF中的网络服务功能检测到用户发生位置变更时，发布用户位置信息变更事件，PCF可直接实时接收到该事件，无需其他网络功能服务进行中转。 - 网络功能服务间的交互解耦
传统核心网网元之间的通讯遵循请求者和响应者的点对点模式，这是一种相互耦合的传统模式。5G核心网架构下的网络功能服务间通讯机制进一步解耦为生产者和消费者模式，生产者发布相关能力，并不关注消费者是谁，在什么地方。消费者订阅相关能力，并不关注生产者是谁，在什么地方。这是一种从IT业借鉴过来的通讯模式，非常适用于通讯双方的接口解耦。
三、5G网络服务
1.网络切片
网络切片是利用虚拟化技术将5G网络物理基础设施资源根据场景需求虚拟化为多个相互独立的平行的二虚拟网络切片，每个网络切片按照业务场景需要话务模型进行网络功能的定制剪裁和相应的编排管理。一个网络切片可以视为一个实例化的5G核心网架构。网络切片划分和网络资源分配是否合理可通过大数据驱动的网络优化来解决，从而实现自动化运维。
切片架构如下
- 切片管理功能：有机串联商务运营、虚拟化资源平台和网管系统，为不同切片需求方提供安全隔离、高度自控的专用逻辑网络。三个阶段1）商务设计阶段，设定切片的相关参数；2）实例编排阶段，将切片描述文件发送到NFV实现实例化，并发起连通信测试；3）运行管理阶段，切片所有者对己方切片进行实时监控和动态维护。
- 切片选择功能：实现用户终端与网络切片的接入映射，用户终端可以分别接入或同时接入多个切片。同时接入多切片有两种架构1）独立架构，不同切片物理资源共享，逻辑资源隔离；2）共享架构，多个切片共享部分网络功能。
2.移动边缘计算（MEC）
业务平台下沉到网络边缘，在靠近移动用户的位置上提供信息技术服务环境和云计算能力。
核心功能包括：
- 应用和内容进管道？
- 动态业务链：灵活控制业务数据流在应用间路由。
- 控制平面辅助功能：MEC和移动性管理、会话管理等控制功能结合。
部署方式有：
- 集中部署：与用户面设备耦合，提供增强型网管功能
- 分布式部署：部署在不同位置，通过集中调度实现服务能力
3.按需重构的移动网络
- 按需的会话管理：根据不同终端属性、用户类别和业务特征，灵活配置连接类型（支持互联网业务的IP连接、利用信令面通道实现无连接的物联网小数据传输、为特定业务定制Non-IP的专用会话类型）、锚点位置和业务连续性能力（若移动性和业务连续性要求高则选择网络中心位置的锚点和隧道机制，若实时性要求高则选择锚点下沉、就近转发，若转发路径动态性强则引入SDN机制实现连接的灵活编排）等参数。
- 按需的移动性管理：统一的移动性管理协议是5G网络设计的重要目标。5G是多种接入技术融合的网络，因此移动性管理要能独立于各种接入技术，实现异构网络的无缝切换。要能提供“移动即服务”的按需实现的移动性管理能力，根据终端的移动模型和其所用业务特征，有针对性地为终端提供相应的移动性管理机制（针对物联网传感器终端无移动性、成本敏感、高节能，网络选择不检测空闲态传感器终端是否可达，只在终端主动结束休眠和网络联系时才发送上下行数据，从而节约电量），网络还按照条件变化动态调整终端的移动性管理等级。
- 按需的安全功能：5G要提供满足各项差异化安全要求的完整性安全方案（对移动互联网，提供高效统一兼容的移动性安全管理机制；对物联网，提供更加灵活开放的认证架构和认证方式；对多切片共享的网络，提供安全隔离和防护功能）
- 控制面按需重构：控制功能模块化，优化控制面处理逻辑，状态与逻辑处理分离，实现自动化的发现和连接，通过网络功能按需配置和定制。控制面按需重构具备以下功能特征1）接口中立，网络功能中的接口和消息尽量重用，多个耦合接口转变为单一接口；2）融合网络数据库，用户签约数据、网络配置数据、运营商策略等需要集中存储；3）控制面交互功能，实现与外部网元或功能间的信息交互；4）网络组件集中管理，负责网络功能部署后的网络功能注册，网络功能发现和网络功能自动检测。
4.以用户为中心的无线接入网
5G网络将是多种无线接入技术融合的网络，要求“网随人动”。
- 灵活的无线控制：将UE上下文和无线通信链路与为该UE提供无线传输资源的小区解耦，5G接入网协议栈以UE为单位管理无线通信链路和上下文。系统进行资源授权时，确定UE可用的空口传输时间–>确定UE可用小区–>确定频率域/码域/功率域–>确定空间域无限资源。
- 用户和业务的智能感知与处理：接入网和应用服务器双向交互，实现无线信道与业务动态匹配。终端首先进行相关信息的获取与上报，基站收集到信息后建立业务流量模型、信令开销与资源占用方式库，形成以用户为中心以服务为导向的资源配置策略来管理和控制接入网资源。
- 定制化部署和服务：软件定义拓扑（SDT，虚拟化的数据面将根据业务特征和流量分布部署虚拟功能网元，各个宏微小区不再具有固定的拓扑结构）；软件定义协议技术（SDP，在无线只能感知的基础上，接入网协议可以针对业务需求类型提供差异化的配置）（针对自动驾驶高实时性和高移动性，西医站要支持专用的移动性管理功能和承载管理功能，同时简化部分协议栈以减少时延）和软件定义资源分配（SDRA，根据业务要求对逻辑拓扑中大哥逻辑连接分配网络资源）。
5.网络能力开放
实现向第三方应用服务提供商提供所需的网络能力。主要特性包括
- 网络及用户信息开放，基于控制转发功能分离的架构原则，5G网络控制功能逻辑集中并中心部署，与能力开放平台间实现简单化的统一接口，实现第三方对网络功能（移动性、会话、QoS、计费 ）统一调用。
- 无线业务及网络资源开放，基于虚拟化的基础设施平台，5G网络将虚拟化管理和编排能力等新型网络能力对外开放，允许第三方动态定制网络，实现网络虚拟化资源与硬件资源的统一调度。
- 网络计算资源开放，基于网络边缘计算平台，提供第三方业务运营的管控能力，可以更便捷的获取并利用网络运行信息
能力开放平台与大数据分析中心进行对接与联动，对5G网络数据进行更详细的分析，充分挖掘价值。鉴于目前移动应用大部分基于web方式，可考虑将网络能力拆分为可通过HTTP操作的逻辑资源，并嵌入特定的HTTP会话内随业务数据一起交付，实现方式有HTTP头改写、HTTP头识别、URL改写、URL识别。
6.D2D
可实现
- 车联网：车辆可能成为采用无线回传的微基站，建立车辆之间（V2V）、车辆和网络之间（V2I）通信，为自动驾驶助力。汽车提供硬盘存储，形成车队内容分发网络（V-CDN），车辆可以在停车场和道路上在经过时交换存储的内容。
- 多跳无线边缘网络：可以为边缘节点和固定网络基础设施之间提供更多的连接，从而增加在覆盖延伸区域连接的鲁棒性。无线边缘域可以提供更多直接访问本地内容和服务的机会。
- 网络密集化和毫米波网络：网络密集化指包括路灯、建筑幕墙和电线杆等位置部署微型基站。
- MTC和IoT：更好地支持物联网。
四、5G智能终端
智能终端通信能力
- 个人信息中心
手机、平板、个人电脑的眼神，侧重信息处理、交互以及对连接设备的管理，对应增强型移动带宽的应用场景。能力：同时与多个基站连接、离散频谱资源、更强大的可重配置能力 - 可穿戴设备
个人信息中心的延展，承担了信息收集、显示，对应增强型移动带宽的应用场景。能力：近距离低功耗通信、告诉云存取、预警信息通知。 - 智能机器设备
车联网、过程自动化、工厂自动化、医疗自动化等先进控制、制造流程的必要组成，对应高可靠低延时的应用场景。能力：高可靠连接、低时延连接、分布式自组织网络。 - 微型传感器
物联网的组成，对应大规模机器通信的场景。能力：自组织网络、低功耗传输、预警广播。