5G笔记| 概述：5G网络架构（NSA/SA组网）、无线资源控制RRC、语音通话

名词解释

1. 新空口NR（New Radio）：指5G的无线网
   空口即空中接口，对应无线网络的概念，泛指手机和基站之间一系列传输规范，因为无线网是5G速率突破的关键，故也把5G直接叫做NR
   ps. 3G无线网为UTRAN，4G无线网为E-UTRAN
2. 5GC（5G Core）：5G的核心网
   4G的核心网叫EPC（Evolved Packet Core），而5G核心网的不同在于引入大量网络功能虚拟化NFV设备。

5G完整网络就是NR+5GC，4G完整网络就是E-UTRAN+EPC（或LTE+EPC）

3. gNB（gNodeB）：5G基站
   3G基站叫NodeB，4G基站叫eNodeB
4. 独立组网SA（Standalone）：gNB直连5GC，5G最终的网络架构
5. 非独立组网NSA：过渡的架构，由于gNB无法直接与EPC进行控制信息的交互，需要借助4G基站/锚点的帮助，帮助gNB提供控制信息（锚点与gNB可以一对多）
   NSA的组网模式有Option3/3a/3x等，下文介绍
6. n78、n79、n41：5G中的频带代码，其中n是NR中的n，移动分的是n41和n79（基本不用），联通电信分的是n78

关于5G的频率

1. 频率范围FR（Frequency Range）：FR1和FR2是5G频率划分的两个大类
2. FR1：6GHz以下的频段，所以也可以被叫做Sub6G频段
   FR1的后半段3-6GHz是5G的主力频段，这段频率较低，带宽大，拿出来100MHz频段给5G用，叫做C-band
   FR1在3GHz以下的前半段称为Sub3G，虽然频段更低，覆盖更好，但是连续带宽少，拿不出大带宽，所以用作5G的覆盖层（实现连续覆盖），热点区域再用C-Band或者毫米波
3. FR2：20GHz左右以上的频段，就是毫米波mmWave（严格说毫米波是30GHz以上的频段）

关于5G的网络架构

1. 主小区组MCG（Master Cell group）：4G基站eNodeB/锚点下的小区就是MCG
2. 辅小区组SCG（Secondary Cell group）：5G基站gNodeB的小区就是SCG
   主节点Masternode：充当MCG的节点，即4G基站
   辅节点Secondarynode：充当SCG的节点，即5G基站

为什么要说“小区组”，而不是“小区”？小区可能通过载波聚合技术聚合了好多小区，形成小区组

1. 主小区PCell（PrimaryCell）：MCG下面载波聚合的那些小区中，总指挥的4G小区
2. 主辅小区PSCell（PrimarySecondary Cell）：SCG下面载波聚合的那些小区中，总指挥的5G小区
3. 辅小区SCell（Secondary Cell）：MCG/SCG中剩下的所有4G和5G小区
4. LTE和5G双连接EN-DC（E-UTRAN NR-Dual Connection）：NSA架构的一种，即：MCG是4G且SCG是5G的NSA
   Option 3/3a/3x都是EN-DC（和分流节点无关 ）
   其余NSA双连接架构还有MR-DC（Multi-RAT Dual Connectivity）：Multi-RAT 理解为各种无线网

关于5G的核心网

注意，由于5G中核心网的网络功能虚拟化NFV，见到各种XXF，都是指功能Function
也就是说5G里所有的核心网网元，都仅仅是实现一个功能而已

1. 用户平面功能UPF（User Plane Function）：5G核心网里唯一的处理数据模块，主要负责数据从基站到网络的路由转发
   ps. 5G核心网彻底分离控制面与用户面，用户面模块仅处理数据，控制面模块仅负责实现网络管控（除了UPF外所有模块都是网络控制模块，负责处理信令）
2. 接入和移动管理功能AMF（Access and Mobility Management Function）：是核心网的“CPU”，负责控制手机接入网络、认证身份、移动性管理
3. 会话管理功能SMF（Session Management Function）： 连接UPF，负责给手机分配IP地址、在上网中管理手机与核心网间的各个通道

如图，其中UE就是手机，DN是移动通信网外部的网络
灰色虚线框里全是核心网的控制功能
手机上网的数据通过基站转发至UPF，再通过UPF转发后，发送到外部网络，

5G网络架构

对于移动通信，无论4G还是5G，都遵循 无线接入网–承载网–核心网 的三级网络架构
其中，承载网类似于接入网和核心网之前的高速通道，常常被忽略，于是 5G 网络可以简化成手机终端–无线接入网–核心网–外部网络的模型

常见缩写：gNB表示5G基站节点，ng-eNB表示可接入5GC的4G基站节点

5G网络架构主要分为5G核心网5GC和无线网NG-RAN两大部分

• 无线网主要有gNB和ng-eNB两种网元
• 核心网的功能主要有AMF、SMF和UPF三个功能性逻辑网元或虚拟网元承接

NG和Xn是两大主要接口

• NG：无线网和核心网的接口
• Xn：无线网节点之间的接口

基站与MIMO天线

4G基站

基站是一个完整的系统，由BBU、RRU和天线（天馈）组成

• 基站处理单元BBU：真正意义上的基站设备，位于机房中，一般看不到，调制/编码/OFDM处理/Massive MIMO处理，大部分都在BBU完成，少量由RRU完成
• 远程射频单元RRU：能将 BBU 处理完的基带信号转化成一定频段上的频带无线电信号，并给无线电加上足够大的功率（从而信号才能传播的足够远）并经过馈线，将信号拉远传输到天线，因此RRU消耗大部分功耗
• 天线：发射信号

BBU和RRU之间用光纤连接，传输基带信号，并且损耗小
RRU和天线之间用馈线连接，传输高频信号，损耗较大，因此RRU一般要和天线放在一起
注意，天线之间并行收发数据，则每一根天线与 RRU 之间都要通过一根独立的馈线连接

5G基站

应用MassiveMIMO后，基站的天线配置达到64T64R，相当于基站机房需要拉64根馈线到天线，这样则只能将RRU和天线合并，这就是5G的有源天线单元AAU(Active Antenna Unit)，正是由于RRU需要电源供电，故称“有源”

ps. 上图的 BBU 变成 CU 与 DU 暂未实现，目前5G基站仍然用BBU

基站如何获取下行信道的质量

基站可以通过获取上行数据，来实时判断上行信道质量；然而却无法直接获取下行信道的质量
两种解决方法：

• 手机上报信道状态指示CSI（hannel Status Indication），报告下行信道质量
• 利用信道的互易性，基站评估上行信道的质量，认为下行信道具有同样的质量，做法是手机额外上行传输一个信道探测参考信号SRS（Sounding Reference Signal），专门供基站评估信道质量，这种方法对下行信道质量的评估更加准确

但是注意，第二种方法更准确，但需要保证信道有互易性，例如：

对于TDD制式（如TD-LTE），上下行的传输频带一样，信道质量也就一样
对于FDD制式（如FDD-LTE），上下行的传输频带不同，信道没有互易性

因此，5G网络中，大多使用TDD双工
然而，这导致的问题是，不同小区的用户会采用同样的导频，导致基站无法区分，这成为“导频污染”，是Massive MIMO的主要性能瓶颈

5G NSA与SA组网

• 5G的无线接入网和核心网与4G完全不同，因为目前制约移动通信网络速度、时延的主要瓶颈就在无线网络中
• 5G的承载网可以认为没有很大的变化，因为承载网作为无线网到核心网的“高速公路”，技术没有巨大更新

在5G商业前期，若仅需要实现高速率业务，那么仅需要将基站和手机终端换为5G设备（更新无线接入网部分），承载网和核心网可沿用4G网络，因此产生了作为过渡的非独立组网NSA（Non-Standalone）和独立组网SA

• 非独立组网NSA下，手机需要双连接，即同时与 4G 基站和 5G 基站连接，同时接收两者的数据
  

实际上， SA、NSA还要细分为多种核心网与基站的组网方式，称为option 1/2/3…
目前各大运营商使用的是option 3，对应一种5G 基站连接 4G 核心网的NSA组网

• option 3的特点：5G 基站时必须配置一个 4G 基站作为“锚点”（从而将 5G 基站固定在 4G 核心网）。具体而言，核心网下发的主要的控制信令由4G 基站传递给 5G 基站/手机，从而控制5G基站的工作。

option 3还要再细分 3 种架构：option 3、option 3a、option 3x

• 3、3a、3x 的区别在于分流控制点的位置不同：option 3 下，分流节点在 4G 基站；option 3a 下，分流节点在 4G 核心网； option 3x 下（而目前所有运营商实际商用的模式），分流节点则在 5G 基站
• 分流节点，就是决定数据如何下发给用户的网元（多少数据走 4G 基站下发给用户，多少数据走 5G 基站下发给用户）

注意，SA 组网下，用户同时只能连接一个网络（4G / 5G），不存在分流节点的概念

用户在5G NSA网络中的体验

前面 说过，当前option 3的NSA组网，要求5G 基站时必须配置一个 4G 基站作为“锚点”，且手机同时与 4G 基站和 5G 基站连接，即双连接

然而，当前大量的4G基站不满足锚点频段（目前只有 F 频段和FDD1800 频段），大量小区是非锚点小区（无法使用5G）；

此时，对于5G用户，有一种技术称为定向切换，可将5G用户从非锚点小区定向切换到信号强度（参考信号接收功率RSRP）最好的一个锚点小区（这对应A4切换事件）
5G用户处于锚点小区内，手机上就会显示“5G”标识；然而此时用户不一定能真正与5G基站连接，这是由于5G频段更小，基站覆盖范围更小，故此时大概率用户仅仅连接到了NSA中的4G基站
（注：事实上，NSA组网下，“5G”标识如何显示有ABCD四种config，有些只要连入4G锚点就显示5G信号，有些与5G基站连接后并传输业务才显示5G信号）

如果5G用户处于 5G 基站覆盖范围内（ 5G 小区的RSRP 大于一定门限值），手机将其到含有 5G 小区 RSRP 的测量报告MR（Measurement Report）上传到4G锚点，4G 基站就会开始添加辅小区（主小区即锚点 4G 小区，辅小区即5G 小区），对应B1切换事件，从而实现 NSA 网络下的双连接

在双连接下：

• 4G 锚点小区负责接收核心网的控制信令，向 5G 手机与 5G 小区转发；
• 5G 小区负责将从核心网接收来的数据向 4G 小区进行分流（option 3x下，分流节点位于5G基站，控制数据向用户的的下发过程）
• 最后，4G和5G 小区同时给 5G 手机传输数据

5G移动通信的无线资源控制RRC

无线资源控制RRC（Radio Resource Control）是指移动通信中基站与手机直接交互各种控制信息，从而手机才知道何时收发信息

小区切换

测量报告MR（Measurement Report）就是一种重要的RRC信令，手机通过MR上报自己测量的参考信号强度RSRP，从而基站获取手机的位置信息，最终完成小区切换（由信号强度更好的小区来提供服务）

LTE和5G定义的七种切换事件：

• A1：基站得知手机在当前服务小区内信号很强，告诉手机无须耗电别的小区的信号强度
• A2：服务小区告诉手机你测量别的小区的信号强度，尝试切换小区
• A3：服务小区得知手机逐渐进入另一小区，这是最主要的切换事件
• A4：不再是当前小区和邻区比较信号强度，只要邻区质量高于门限就让手机切换（即使邻区质量不如服务小区）着主要用于邻区级别更高（比如是一个更好的频段，即：从非锚点小区切换到锚点小区）的情况
• A5：相较于A4事件，限制条件更多，这主要用于服务小区的级别更高，邻区级别比较低（不希望手机切换到邻区）
• B1/B2：B1 类似 A1，B2 类似 A5，区别仅在于此时邻区和服务小区不是一个系统的，比如服务小区是 4G，邻区是 5G（例如上面的B1，就是由于5G小区的信号强度足够好，4G锚点把5G小区拉入，一同为用户提供服务）

举例分析：下图中，5G基站覆盖范围更小，标为黄色；4G锚点覆盖范围为蓝色；在NSA下，5G用户必须借助锚点才能接入5G网络，因此4G锚点称为主站，5G基站为辅站

• 在1处：纯粹使用4G
• 在2处：进入5G覆盖范围，B1切换事件，4G主站添加5辅站一同服务
• 在3处：锚点小区 2 的信号更强，A3切换事件，锚点切换为4G基站2
• 在4处： 5G 小区 1 的强度低于门限，A2切换事件，锚点小区进行了辅站删除，纯粹使用4G
• 在5处：进入5G覆盖范围，B1切换事件
• 在6处：5G 小区 3 的强度大于5G 小区 2，A3切换事件，辅站变更

RRC状态

4G中的RRC，手机和基站之间有两种状态：

• RRC 连接态(RRC CONNECTED)：只要手机和基站有 RRC 信令的传递，就是连接态（一般还伴随数据的传输）
• RRC空闲态(RRC IDLE)：手机一段时间没有数据收发，就自动给断开无线通道，进入“睡眠模式”，有利于手机省电，此时基站不知道手机的位置，有电话业务时，需要在跟踪区TA（Tracking Area）的一批基站下，寻呼定位手机

手机即使在空闲态，只要移动出 TA， 就会主动与基站连接，向核心网报备新的所属TA，从而基站不会和手机“失联”

5G新增了一种状态：

• RRC非激活态(RRC INACTIVE)：使得手机从空闲态到连接态的转换更快，即“半睡半醒”，这样兼顾省电和快速唤醒
  该技术的问题是手机后台程序会给服务器回传一些小包数据，从而难以进入INACTIVE态，由此R17则开发了INACTIVE态下传输小包数据的场景

语音通话

语音压缩编码算法AMR

2G/3G/4G中采用的语音压缩编码算法为 自适应多速率AMR（Adaptive Multi Rate），它可以根据用户无线环境的好坏，自适应采用不同的编码速率

AMR分为窄带的AMR-NB和宽带的AMR-WB，AMR-WB的采样频率更高，压缩算法更好，支持的最高编码速率也更高，因此AMR-WB语音编码质量更好

• 在 2G 下的语音，由于硬件限制，只能使用AMR-NB或低阶AMR-WB
• 4G 下的语音 VoLTE（Voice over LTE），采用23.85bps 的 AMR-WB 的语音编码速率，语音质量明显提升

2G、4G、5G下的语音通话

2G网络主要就是为实现语音通话，使用电路交换 CS（Circuit Switched）的网络，通话期间始终占用资源（2G网络下打电话，无法同时上网）

4G网络使用分组交换 PS（Packet Switch），然而如果仅依靠IP数据包传输语音业务，无法没法保证业务质量（IP网络尽力而为），因此当前仍然保留2G网络，而不是直接废除（在 4G 网络覆盖不足/4G 手机不支持 VoLTE时，就会切换到2G网络，保障基础的话音业务）

• 要真正用 4G 网络承载语音业务，必须将语音包区别于一般的数据包，实现更高的质量保障，这需要对整个核心网和基站进行改造，新建一套 IP多媒体子系统 IMS（IP Multimedia Subsystem）核心网
• 对于初期没有建IMS的运营商，其4G 网络不能实现语言业务，通话时手机的4G 网络都会变成 2G，并且不能上网，这种回落到 2G 的 CS 网络的 4G 语音方式，就是电路域回落CSFB（CS Fallback），并且这种方式需要手机从 4G 网络主动掉线，再重新接入 2G 网络，接通时间长

实际上， 5G NSA下的语音通话时，也有类似的“回落”，即NSA 下并没有 5G 语音，语音是要走 4G 网络（ VoLTE）

后来4G建成IMS，实现了真正的4G话音，称为VoLTE，支持前述的高码率的 AMR-WB 编码，并且由于话音也走IP包，与数据包无差异，故支持通话同时上网

问题：VoLTE用IP包传输语言，如何提供比普通数据包更高的质量保证？VoLTE 与微信语音通话有什么区别？

QoS等级标识 ，即QCI（QoS Class Identifier），不同的QCI决定了：传输时延/丢包率/最低速率不同
QCI分为1~9级，但QCI数字与优先级无关，因为不同 QCI 对应的优先级（priority）也不同，priority越小优先级越高

用户终端UE经过4G 基站(eNB)到PGW（把数据传递至互联网的设备，运营商移动网络基本管到PGW 就停止了）的这段逻辑数据通道，称为EPS承载（EPS Bearer，其中EPS指演进的分组系统），EPS 承载的等级，就是 QCI

VoLTE的语言，使用QCI=1，这对应低时延和较高的丢包（语音对丢包不敏感），从而VoLTE 电话质量比微信语音更好，因为微信语音和其他网络数据一同在 QCI=9 等级下传输