5G NR-无线接口架构

文章目录

  • 5G 核心网
    • 基于服务的架构
    • 网络切片(network slicing)
    • 用户面与控制面分离
  • 无线接入网
    • 无线协议架构
      • 服务数据适配协议(Service Data Adaptation Protocol, SDAP)
      • 分组数据汇聚协议(Packet Data Convergence Protocol, PDCP)
      • 无线链路控制(Radio-Link Control, RLC)
      • 媒体接入控制(Medium-Access Control, MAC)
        • 逻辑信道和传输信道
      • 物理层
        • 物理信道

本文对NR的无线接入网(Radio Access Network, RAN)和核心网(Core Network, CN)做一个简要介绍以及其功能划分。

  • RAN:负责网络中所有与无线相关的功能,如:调度、无线资源管理、重传协议、编码以及多天线方式。
  • CN:负责与无线接入无关但实现一个完整网络需要的功能,如:鉴权、计费以及端到端的连接。CN与RAN的解耦可以方便CN服务于多种无线接入技术

实际上,NR 的 RAN是可以连接传统的LTE核心网,即EPC(Evolved Packet Core, EPC)。实际上,NR的非独立组网就是这种方式。4G 5G的RAN和CN都是密切相关的,而4G的RAN却无法连接到3G的CN。

5G 核心网

5G的CN建立在EPC的基础上,与EPC相比有三个方面的增强:基于服务的架构 (service-based architecture)、支持网络切片、用户面与控制面分离。下面简要介绍:

基于服务的架构

基于服务的架构是5G CN的基础。3GPP侧重于描述CN的功能与服务,而不是CN节点本身。这是由于今天的CN已经高度虚拟化,CN的功能一般都运行在通用计算机上。

网络切片(network slicing)

网络切片是服务于特定业务或客户需求的一个逻辑网络。它是在基于服务的架构中选择必要功能配置组合在一起而构成的。如:可以构造一个网络切片来支持与LTE类似具有完全移动性的宽带应用,或者构造一个网络切片支持非移动但是具有低延时的工业自动化应用。网络切片将运行在共同的、基础的物理核心网和无线网上,从用户的角度来看,像是运行在各自独立的网络。总体来说,网络切片类似于在同一个物理计算上配置多个虚拟计算机。边缘计算也可以构成网络切片的一部分。

用户面与控制面分离

用户面的功能实体包括用户面功能(User Plane Function, UPF),它是RAN与诸如互联网之类的外部网络之间的网关,负责处理数据包路由和转发、数据包检测、服务质量处理和数据包过滤、流量测量等。

控制面包含多个功能实体。

  • 会话管理功能(Session Management Function, SMF):处理UE的IP地址分配、策略实施的控制以及一般会话管理功能。
  • 接入和移动性管理功能(Access and Mobility Management Function, AMF):负责核心网和终端之间的控制信令、用户数据的安全性、空闲态移动性和鉴权。AMF与终端之间运行的功能有时称为非接入层(Non-Access Stratum, NAS),以区别于接入层(Access Stratum, AS)。接入层处理终端与RAN之间的功能。

核心网还能处理其他类型的功能,如:负责策略规划、负责鉴权认证等等…

核心网功能具体实现可以是多种多样,如:所有功能可以实现在单个物理节点中,也可以分部在多个节点上,或者运行在云平台上。

无线接入网

无线接入网有两种连接到5G核心网的节点类型:

  • gNB,通过使用NR用户面和控制面协议为NR终端提供服务
  • ng-eNB,通过使用LTE用户面和控制面协议为LTE终端提供服务

gNB负责一个或多个小区中的所有无线相关的功能,如:无限资源管理、接入控制、连接建立、用户数据到UPF、控制面信息路由到AMF以及QoS流量管理等。

gNB是一个逻辑节点而非产品的物理实现。gNB的一个常见实现形态是三扇区基站(一个基站处理三个小区的发射和接收信号)。也可以是其他的实现方式,如一个基站处理单元连接几个射频拉远单元。这些射频拉远单元可以输属于同一个gNB的大量室内小区或沿告诉公路部署的若干小区。因此,基站是gNB的一个可能得实现方式,而不是一个等同的概念。

无线协议架构

下图描述了RAN的协议架构(注:AMF不是RAN的一部分,但是为了提供一个完整的描述,AMF被包含在下图中
5G NR-无线接口架构_第1张图片
可以看出许多协议实体对于用户面和控制面是共享的(如:PHY、MAC、RLC和PDCP)。以用户面为例进行描述。

5G NR-无线接口架构_第2张图片NR的很多协议层与LTE类似。

服务数据适配协议(Service Data Adaptation Protocol, SDAP)

SDAP负责来自5G核心网的QoS流到数据无线之间的映射,以及对上下行链路中的数据包做QoS流标识符(QFI)的标记。

通常,来自或去往更高协议层的数据实体被称为服务数据单元(Service Data Unit, SDU),而来自或去往较低协议层的数据实体被称为协议数据单元(Protocol Data Unit, PDU)。因此,SDAP输出的是SDAP PDU,等价于PDCP SDU。

注:此时SDAP协议层支持一个或多个QoS流,每个流承载具有不同QoS要求的IP数据包。而用户连接到EPC核心网时,则不需要使用SDAP。

分组数据汇聚协议(Packet Data Convergence Protocol, PDCP)

PDCP实现IP数据包的头压缩、加密和完整性保护。切换是,PDCP执行数据包的重传、按序递交和删除重复数据等操作,等功能·具体如下:

  • PDCP执行IP报头压缩以减少通过无线接口传输的比特数,PDCP还负责加密以防止窃听,在接收端PDCP执行相应的解密和解压缩。

  • PDCP负责重传数据包的删除和(可选的)对数据包的按序递交和删除重复数据,用于如gNB内切换的场景。

  • PDCP中的重负数据包处理功能也可以用于提供额外的分集增益。

  • 双连接是PDCP发挥作用的另一个领域。PDCP负责双连接时,主小区(Master Cell Group, MCG)和辅小区组(Secondary Cell Group, SCG)之间数据分配。(注:两个小区组可以分属于不同的gNB)。
    5G NR-无线接口架构_第3张图片

无线链路控制(Radio-Link Control, RLC)

NR的RLC与LTE的RLC相比的一个主要差异是不保证向上层按序递交SDU,有助于减小时延,另一个是NR的RLC去掉了SDU级联,从而在收到上行调度授权之前可以预先组长RLC PDU,有助于减小时延

  • RLC负责将来自PDCP的RLC SDU分割为适当大小的RLC PDU
  • RLC还可以误接收的PDU进行重传处理,以及删除重复的PDU。(在接收方和发射方的RLC实体之间运行着重传协议,通过监测接收到的PDU报头所指示的序列号,接收方RLC实体可以识别丢失的PDU(RLC序列号独立于PDCP序列号))

媒体接入控制(Medium-Access Control, MAC)

MAC负责逻辑信道复用、HARQ重传,以及调度及其相关功能,也对不同的参数集进行处理。当使用载波聚合时,MAC还负责跨多个分量载波的数据复用和解复用。

逻辑信道和传输信道

MAC以逻辑信道的形式向RLC提供服务。

逻辑信道按携带信息可以分为控制信道(用于传输NR运行所需的控制和配置信息)和业务信道(用于传输用户信息),具体如下:

  • 广播控制信道(Broadcast Control CHannel, BCCH):用于从网络向小区终端发送系统信息。在接入系统之前,终端需要获取系统信息以了解系统的配置方式以及在小区内正常运行所需遵守的规则。非独立组网时,系统信息是由LTE系统提供,NR侧不使用BCCH
  • 寻呼控制信道(Paging Contral CHannel, PCCH):用于在网络中寻呼小区位置信息的终端。因此,寻呼消息需要在多个小区中发送。非独立组网时,系统信息是由LTE系统提供,NR侧不使用PCCH
  • 公共控制信道(Common Control CHannel, CCCH):用于随机接入过程中的控制信息。
  • 专用控制信道(Dedicated Control CHannel, DCCH):用于在网络和终端之间传输控制信息。
  • 专用业务信道(Dedicated Traffic CHannel, DTCH):用于在网络和终端之间传输用户数据。

物理层以传输信道的形式向MAC层提供服务。传输信道的定义:信息如何通过无线接口以何种方式传输。传输信道上的数据被组织成传输快,在每个传输时间间隔(Transmission Time Interval, TTI)内,最多有一个大小不等的传输块通过无线接口发送或来自终端。(对于四层的空分复用时,每个TTI两个传输块。)

每个传输块有自己关联的传输格式(Transport Format, TF),它指定了无线接口传送传输块,传输格式包括:传输块大小、调制编码方式以及天线映射的信息。改变TF,可以在MAC层实现不同的数据速率。

NR定义的传输信道:

  • 广播信道(Broadcast CHannel, BCH):其有由3GPP规范指定的固定传输格式。BCH用于传输部分BCCH系统信息(主信息块,Master Information Block, MIB)
  • 寻呼信道(Paging CHannel, PCH):用于传输PCCH逻辑信道的寻呼消息。PCH运行不连续接收(Discontinuous Reception, DRX),运行终端只在预先定义的时刻接收PCH,从而节省电量。
  • 下行共享信道(DownLink Shared CHannel, DL-SCH):用于NR中传输下行数据的主要传输信道
  • 上行共享信道(UpLink Shared CHannel, UL-SCH):用于NR中传输上行数据的主要传输信道。

注:随机加入信道不承载传输块,但是也被定义为传输信道。

MAC的一部分功能是对不同逻辑信道的复用以及逻辑信道到相应的传输信道的映射。具体的映射如下:

5G NR-无线接口架构_第4张图片

物理层

物理层的功能包括:编码、调制、物理层HARQ处理、多天线处理以及将信号映射到相应的物理时频资源上。物理层还负责传输信道到物理信道的映射。

物理层以传输信道的形式向MAC层服务。上下行数据分别使用UL-SCH和DL-SCH。每个终端的DL-SCH或UL-SCH上,每个TTI上最多有一个传输块(下行四层复用有两个)。在载波聚合时,终端运行每个分量载波上有一个DL-SCH(或UL-SCH)。

一个物理信道对应一组用于传送一个特定传输信道的时频资源,每个信道映射到相应的物理信道上。,如上图所示,有的物理信道有对应的传输信道,有的物理信道则没有(被称为L1/L2控制信道)

物理信道

NR的物理信道类型:

  • 物理下行共享信道(Physical Downlink Shared CHannel, PDSCH):用于单播数据传输的主要物理信道,也用于传输如寻呼信息、随机接入响应消息和部分系统信息。
  • 物理广播信道(Physical Broadcast CHannel, PBCH):承载终端接入网络所需的部分系统信息
  • 物理下行控制信道(Physical Downlink Control CHannel, PDCCH):用于传输下行控制信息,主要是调度决策、用于接收PDSCH的必要信息以及用于启用PUSCH上行传输的调度授权。
  • 物理上行共享信道(Physical Uplink Shared CHannel, PUSCH):是PDSCH的上行对应信道。每个终端的每个上行分量载波最多有一个PUSCH。
  • 物理上行控制信道(Physical Uplink Control CHannel, PUCCH):终端使用它来发送HARQ确认以便向gNB指示是否成功接收到下行传输块,发送信道状态报告以协助下行信道相关的调度,以及请求资源来发送上行数据。
  • 物理随机接入信道(Physical Random-Access CHannel, PRACH):用于随机接入

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