【大唐杯备赛笔记】5G网络架构与组网部署
课程目标
- 5G网络整体架构组成
- 主要网元功能
- 网元间接口关系
- 了解5G网络组网部署策略
目录
- 1.1 5G网络架构的演进趋势
- 1.2 5G网元功能与接口
- 1.3 5G网络组网部署
1.1 5G网络架构的演进趋势
概述
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5G通信系统包括 5GC(5G Core Network) 和 NG-RAN(Next Generation Radio Access Network)
NG接口链接核心网和接入网，实现控制面和用户面功能；
Xn接口链接接入网，实现控制面和用户面功能。
接口为逻辑接口
gNB:5G基站
ng-eNB:增强4G基站
AMF/UPF/SMF 核心网网元
4G移动通信系统包括EPC(Evolved Packet Core network),演进分组核心网和E-UTRAN(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network)演进通用陆地无线接入网络
S1 X2 接口
5G 4G系统整体架构类似，区别如下：
- RAN网络引入
CUDU组网灵活 - MEC(Multi-access Edge Connection)多接入边缘计算是5G系统运行的关键技术，可实现5GC的部分功能，可将核心网部署在靠近基站的地方，降低时延。
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- 关于前传中传回传
一个基站，通常包括BBU(Building Base band Unit，基带单元，主要负责信号调制)、RRU(Remote Radio Unit，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)。4G每个基站都有一个BBU，并通过BBU直接连到核心网。
而在5G网络中，接入网不再是由BBU、RRU、天线这些东西组成了。而是被重构为以下3个功能实体：
CU(Centralized Unit，集中单元)，DU(Distribute Unit，分布单元)，AAU(Active Antenna Unit，有源天线单元)。
原来4G的RRU和天线合并成AAU（方便大规模天线的实现），把BBU分离成CU和DU，DU下沉（见图1-3）到AAU处，一个CU可以连接多个DU。
4G只有前传和回传两部分，在5G网络中则演变为三个部分，AAU连接DU部分称为5G前传（Fronthaul），中传（Middlehaul）指DU连接CU部分，而回传（Backhaul）是CU和核心网之间的通信承载。
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1.1.1 核心网架构演进
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- 模拟通信：保密性差
- 数字通信：数字化，2.5G后可上网阶段
- 互联网：IP化，传输媒介发生改变，网线、光纤投入使用，设备围绕IP 端口进行，承载控制分离，网元功能细化。网业分离，分为控制面、用户面。3/4G阶段
- SDN/NFV
Software-defined Networking软件定义网络Network Functions Virtualization网络功能虚拟化，- 网络架构颠覆，基于服务的网络架构，网元数量大量增加，UPF只用于 处理，控制处理分离，控制和用户完全的分离，软件硬件分离架构灵活 网元虚拟化易于操作
- 总结：模块化，虚拟化
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4G核心网架构
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各模块基于NFC实现虚线框内，为控制面 UPF为用户面，实现用户面控制面分离。
各网元功能见下节
1.1.2 无线接入网演进
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“分合分”的表象
CU对实时性要求不高，实时性要求高在DU实现。
1.2 5G网元功能与接口
1.2.1 5G移动通信整体网络架构
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网络功能间的信息交互基于两种方式表示：服务表示（模块名称前+N，指对外暴露的接口，多对一接口，用到服务注册和服务发现的功能，相互之间不需要知道功能所在的地址）、点对点表示（不同功能实体之间有约定好的接口，比较简单，不考虑注册和发现，但是拓展性弱）。
点对点表示如下图1-9
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- 5GC各网元功能介绍
- AMF Access and Mobility Management Function 接入和移动性管理功能
- SMF Session Management function 会话管理功能
- AUSF Authentication Server Function 认证服务器功能
- UPF The User plane function 用户面功能
- PCF Policy Control function 策略控制功能
- UDM The Unified Data Management 统一数据管理功能
- NRF NF Repository Function 网元存储功能
- NSSF The Network Slice Selection Function 网络切片选择
- NEF Network Exposure Function 网络开放功能
CU DU分离逻辑图：
层与层之间的交互：
CU分为 CU-C C控制 CU-U U用户
内部接口： F1-C F1-U，对外接口Xn-C Xn-U
上图不代表实际连接情况，不等于gNB等于CU+DU 具体连接关系可调节。
CU DU有八种划分方式
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CU便于集中化管理，DU便于更大传输带宽，更低时延。
3GPP(3rd Generation Partnership Project)标准确定了option2
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1.2.2 5G主要网元功能
主要功能如下图：
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UPF（用户面功能）
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掌握主要功能：
- gNB切换的本地移动锚点（适用时）：在不同地方使用网络确保连接连通，切换前后保持不变
- 连接到移动通信网络的外部PDU会话点
- N接口切换过程中，数据匹配路径，路由与转发
- Uplink流量验证（SDF到QoS流映射）
SMF（会话管理功能）
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- 终端发起寻呼，接入网可以响应，进行会话的建立
- 终端IP地址的分配和管理
- 选择合适的UPF 基于策略控制用户面功能
AMF（访问和移动性管理功能）
- NAS信令的加密和保护
- 注册管理
- 在UE和SMF直接传输SM消息，透传信息
gNB/en-gNB
- CU-C (Central Unit Control plane)
- 不同接口的管理和数据处理
- 连接管理包括：单连接 双连接 多链接 和D2D
- 系统内和系统间负载均衡
- 切片资源动态管理
- CU-U
- 数据包的处理和转换
- DU
- 资源调度、传输模式的转换、信道映射
- AAU-RF(RAdio Frequency)
- 信号手法 Massive MIMO 大规模天线处理 频率时间同步 AAS实现机制
1.2.3 接口协议及功能
数据传输需遵循各个协议的要求，下面是主要接口
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NG接口是接入网和核心网之间的接口，控制面和用户面分离
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NG接口控制面功能流程描述
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NG-U接口主要功能：用户面数据传送
Xn接口是基站之间的接口，分为控制面用户面 Xn-C是CU-C之间的接口，Xn-U是CU-U之间的接口
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Xn-C接口功能流程描述
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Xn-U主要功能
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E1接口指CU-C与CU-U接口，只有控制面接口，支持信令信息的交换
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F1接口是CU与DU之间的接口，支持信令交互，包括不同eNB-point的数据发送，包括控制面用户面
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终端和基站之间的Uu接口
控制面：涉及终端、基站、核心网
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NAS层属于控制面功能
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用户面：
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新的协议层SDAP层：业务适配层，完成流到无线承载的QoS映射，为每个报文打上流表示
1.3 5G网络组网部署
1.3.1 SA组网和NSA组网
NSA(Not standalon)：非独立：终端同一时间同时连接4g 5g基站 接入4g或5g的核心网
SA(standalone)：独立
区分根本不同：同一时间5g基站能否单独提供服务
原因：5g在刚刚引入时基站数量不足
SA组网方案：option2/5
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option2:5gc–gNB option5:5gc–ng-eNB
NAS组网部署：
option3:4g 5g 基站合用4g核心网，控制面仅经由enb连接到epc，优势在于不必新增5G核心网，缺点是4g核心网有信令过载风险，该阶段主要解决初期的5g覆盖
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option7:核心网变为5g核心网，控制网由ngenb连接到5gc，解决了4g核心网信令过载风险，主要面向5g容量需求 基站间接口变为Xn
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option4:控制面由gnb连接到5gc，该阶段不仅面向5g的增强型移动带宽场景（eMBB） 大规模物联网（mMTC）和低时延高可靠连接（URLLC），是面向万物连接时代5G的多样化业务
Ultra-Reliable and Low Latency Communications–URLLC
Massive MachineType Communication–mMTC
Enhanced Mobile Broadband–eMBB
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option4/7 不常用 5G核心网主要使用独立组网
3GPP协议下对基站定义：
eNB面向终端提供 E-UTRAN用户面控制面协议，通过S1接口连接EPC（4g核心网）ng-eNB面向终端提供 E-UTRAN用户面控制面协议，通过NG接口连接5GC（5G核心网）gNB面向终端提供NR用户面和控制面协议，通过NG接口连接到5GCen-gNB面向终端提供NR用户面和控制面协议，通过S1-U接口连接到EPC的网络节点
SA NSA组网方案对比
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1.3.2 MR-DC技术
Multi-RAT Dual Connectivity 多接入网技术双连接
一部终端可以同时连接4G 5G网络，同时使用两个网络进行业务，此时终端需要具备至少两个MAC实体，支持双发双收。
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控制面协议栈
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MN为主节点，SN辅节点，各自有RRC实体，可以生成要发送到终端的PDU，只有主节点才能连接到核心网
用户面承载概念
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MCG(Master Cell Group):主小区组，和主节点相关呃校区
MCG承载的RLC实体一定落在主节点
SCG(Secondary Cell Group):辅小区组，和辅节点相关
SCG承载的RLC实体落在辅节点
分离承载：RLC实体既可以存在于主节点也可以存在于辅节点
承载可理解为用户面传递数据概念，从核心网数据经用户面传递的路径
有了双连接的概念，就有了MCG和SCG的概念。从信令交互角度来看，UE首先发起随机接入过程的小区（Cell）所在的组（Group）就是MCG。假若5G NR基站和LTE基站一起给UE提供双连接服务，LTE作主基站，5G NR基站作辅基站，那么LTE所提供的多个小区就是MCG（Master CellGroup，主小区组），5G NR提供的多个小区就是SCG（Secondary Cell Group，辅小区组）。MCG的小区和SCG的小区应该配置成邻小区关系。
5G组网MCG与SCG
CA(Carrier Aggregation) 载波聚合
终端也与多个接入网网元连接，但是控制面连接仅有一个
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5G NR协议栈
1.3.3 CU/DU组网部署
CU DU AAU三级配置可搭配处不同网络结构
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为支持eMBB的覆盖和容量需求，CU DU 分离部署，分为Macro(宏)和Micro(微)方式
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分离部署 两种方式相同
合设部署 DU+RRU-微组网部署
在密集部署条件下，联合多个DU形成基带池（时效性好），提高网络覆盖和容量，组网方式如下图
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DU CU一起部署->大带宽低时延：视频、虚拟现实
DU CU分离->对带宽时延要求不高：语音业务
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mMTC
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缩略词解释
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-d8pgV3qr-1675927567447)(null)]
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-pecj9glF-1675927567078)(null)]