5G 和移动通信笔记

基础知识

核心网、承载网、接入网到底是啥？

• 核心网、承载网和接入网是通信网络体系结构中的三个关键组成部分。
• 这三者具体性质、功能、作用如下：
• 核心网：统管全局的中心节点，如同心脏；
• 承载网，只承载数据，不处理数据，所以有的地方也叫承载网。大承载网就相当于传输、IP、接入网的统称。
• 接入网： 接入网就是指从用户终端（如手机、电脑、平板、网络电视等）到运营商城域网之间的所有通信设备组成的网络。

核心网

• 核心网是通信网络中的主干部分，负责数据交换、路由和传输。它连接着不同的接入网和其他的通信网络，扮演着数据流向和控制的中枢角色。在移动通信网络中，核心网通常由移动核心网和 IP 核心网组成。移动核心网负责移动用户的认证、授权和连接管理，而 IP 核心网则负责数据的转发和路由。

承载网

• 承载网是指通信网络中负责承载数据传输的网络，它提供了传输层的功能。承载网扮演着将数据从源节点传输到目标节点的角色，通过物理传输介质（如光纤、电缆等）传递数据。承载网可以包括传输网络设备、传输协议和传输技术等。它提供高带宽、低延迟和可靠性较高的数据传输能力，为核心网和接入网之间的数据交换提供支持。

接入网

• 接入网是通信网络中与终端用户直接相连的部分，目的是将用户设备连接到核心网。它提供了不同的接入技术和协议，根据用户的需求和位置，以提供可靠的连接和高速的数据传输。常见的接入技术包括无线接入（如 4 G、5 G 等移动网络）、有线接入（如光纤、DSL 等）、以太网接入等。

总结

• 总结来说，承载网负责数据传输，提供传输层功能；核心网负责数据交换和路由，连接不同的接入网；接入网负责将用户设备连接到核心网，提供用户与核心网之间的连接通道。这三者共同构成了通信网络体系结构，实现了用户设备与全球通信网络之间的互联互通。

5G 基本场景和需求（38.913）

• TR 38.913里面描述了针对下一代无线接入（即 5 G）的典型部署场景和关键性能指标，图示如下：
• 备注 1：图中 1ms 时延是指空口单向时延，即基站/手机发送出去到手机/基站接收到达的时间延迟。实际上我们想要的最终目的是端到端的时延尽可能低，站在无线侧的角度空口时延不应该成为瓶颈。
• 备注2：频谱效率的计算单位是bps/Hz，5G的目标是下行30bps/Hz，上行15bps/Hz。

• 另外，在该文档的第 8 章中，提出了 RAN 的架构设计应该满足以下需求（可以认为是设计指南）：
  • RAN 的架构应该支持和 LTE 之间的紧密协作(支持双连接)
  • RAN的架构应该支持多点传输
  • RAN的架构应该具备可选性和弹性
  • RAN的架构应该具备部署的灵活性
  • RAN的架构应该允许控制面和用户面分离
  • RAN的架构应该允许使用网络功能虚拟化进行部署(Network Function Virtualization, a.k.a. NFV)
  • RAN的架构应该允许RAN和CN独立演进
  • RAN的架构应该允许网络切片(Network Slicing)
  • RAN的架构应该允许多个运营商之间的RAN共享
  • RAN的架构应该允许快速和高效地部署新的服务Service
  • RAN的架构应该允许支持3GPP 定义的服务类别(比如交互型，后台型，流类型，会话型)
  • RAN的架构应该允许降低/更低的CAPEX/OPEX
  • RAN的架构应该保持RAN-CN接口和RAN内部接口的开放以便多厂商之间的互操作
  • RAN 的架构应该…

5G无线接入网描述（38.300）

无线接入网总体架构

• TS 38.300 里面描述了 5G 无线接入网的总体架构，如下图所示：

• gNB(全称 the next Generation Node B, 下一代基站)：向 UE(全称 User Equipment, 用户终端) 提供 NR (全称 5G New Radio ,5G NR 是基于 OFDM 的全新空口设计的全球性 5G 标准, 也是下一代非常重要的蜂窝移动技术基础) 用户面和控制面协议终结的节点，并且经由 NG 接口 (全称 Next Generation ,NG 接口用于连接核心网和基站的)连接到5GC(全称 5G core, 5G 核心网)
• ng-eNB(和 5G 核心网对接, 升级之后的 4G 基站就叫 ng-eNB)：向UE提供E-UTRA(全称为 Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network，是一种用于长期演进（LTE）网络的无线接入技术。)用户面和控制面协议终结的节点，并且经由NG接口连接到5GC。
• gNB和ng-eNB通过Xn接口相互连接。
• gNB 和 ng-eNB 通过 NG 接口连接到 5GC, 更具体地说：
  • 通过 NG-C 连接到 AMF (接入和移动管理功能)
  • 通过 NG-U 连接到 UPF (用户面功能)

无线接入网功能划分

• NG-RAN 和 5GC 之间的功能划分 (1)：gNB / ng-eNB

• 无线资源管理: 无线承载控制, 无线接入控制, 连接移动性控制, UE 动态资源分配(调度)
• IP 包头压缩, 加密和完整性保护
• 当不能从UE提供的信息确定到AMF的路由时，在UE附着的时候选择AMF
• 用户面数据向UPF路由
• 控制面数据向AMF路由
• 连接建立和释放
• 调度和发送寻呼消息
• 调度和发送系统广播消息
• 测量和测量报告配置
• 上层传输级别的数据包标记
• 会话管理
• 支持网络切片
• QoS 流管理和映射到数据无线承载
• 支持 RRC_INACTIVE 状态的 UE
• NAS 消息的分发
• 无线接入网共享
• 双连接
• NR 和 E-UTRA 紧密互通

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• NG-RAN 和 5GC 之间的功能划分 (2)：AMF

• NAS 信令终止
• NAS信令安全
• AS安全控制
• 3gpp接入网间移动性的网间信令
• 空闲模式UE可达性（包括寻呼重传的控制和执行）
• 注册区域管理
• 支持系统内和系统间移动性
• 接入认证
• 接入授权，包括检查漫游权
• 移动性管理控制（订阅和策略）
• 支持网络切片
• SMF 选择

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• NG-RAN 和 5GC 之间的功能划分 (3)：UPF

• 相同 RAT 内/不同 RAT 间的移动性锚点（适用时）
• 与数据网络互连的外部PDU会话点
• 分组路由和转发
• 数据包检查和用户面部分的策略规则实施
• 话务量(流量)使用报告
• 上行链路分类，支持将流量路由到数据网络
• 支持多宿主PDU会话的分支点
• 用户面的QoS处理，例如包过滤，门控，UL / DL速率执行
• 上行链路流量验证（SDF到QoS流量映射）
• 下行数据包缓冲和下行数据通知的触发

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• NG-RAN 和 5GC 之间的功能划分 (4)：SMF

• 会话管理
• UE IP地址分配和管理
• UP功能的选择和控制
• 配置UPF的流量导向，将流量路由到正确的目的地
• 策略执行和QoS的控制部分
• 下行数据通知

5G 有线接口协议栈

NG 接口

Xn 接口

无线协议栈分层分面

• 无线协议栈：用户面和控制面 （水平分层，垂直分面）
  
  
  
  
  
  

5G 引入的新型 QoS 架构

5G 引入的网络切片需求

5G 无线接入网架构（38.401）

• TS 38.401 里面描述了 CU/DU 分离的架构以及由此引入的新接口，这正好满足了 TR 38.913 的设计指南中的控制面与用户面分离以及 RAN 接口开放的要求。

• CU 和 DU 虽然可以在逻辑上分离，但物理上是不是要分开部署，还要看具体业务的需求才行。比如网元的增加和传输接口带来的时延，对 uRLLC 业务会带来很大的影响，所以最好是 CU/DU 合设，而对于 eMBB 或者 mMTC 业务则可以考虑分离。
• 所以对于 5G 的终极网络，CU 和 DU 必然是合设与分离这两种架构共存的。

5G 基站组成

• 接入网一般指无线接入网（RAN，Radio Access Network），一般由基站组成（Base Station）。

• 5G RAN 的部署方式分为分布式无线接入网（CRAN）和集中式无线接入网（DRAN），5G 接入网云化将推动 CU、DU 和 AAU 分离的大规模 CRAN 部署，此时，DU 堆叠在中心机房（如 4G 的 BBU 集中机房），AAU 分布在远端，如下图所示。
  

• 基带处理单元 BBU：完成信道编解码、基带信号的调制解调、协议处理等功能，同时需要提供与上层网元的接口功能。

• 射频处理单元 RRU：是天线系统和基带处理单元沟通的中间桥梁：接收信号时，RRU 将天线传来的射频信号经滤波、低噪声放大、转化成光信号，传输给 BBU；发送信号时，RRU 将从 BBU 传来的光信号转成射频信号通过天线放大发送出去。

• CU：原 BBU 的非实时部分将分割出来，重新定义为 CU，负责处理非实时协议和服务。

• AAU：BBU 的部分物理层处理功能与原 RRU 及无源天线合并为 AAU。

• DU：BBU 的剩余功能重新定义为 DU，负责处理物理层协议和实时服务。

• 那么前传回传就是：

• 前传（fronthaul）指 AAU 连接 DU 部分

• 中传（middlethaul）指 DU 连接 CU 部分

• 回传（backhaul）: CU 以上部分

5G 前传特点及趋势

• 具有距离短，成本敏感的特点，不同组网中光模块和光纤用量都会在 5G 前传中均会增加，目前 5G 应用以灰光模块为主，但 CRAN 架构中彩光模块波分复用技术逐年提高，波分厂家和光模块行业整体发展势头良好。

5G 组网的两种不同形式

• 目前基站的组网分为 DRAN 和 CRAN 两种模式
• DRAN 指的是 AAU 和 BBU 均分散分布 AAU 位于楼顶天线 BBU 位于楼内机房；
• CRAN 指的是 BBU 堆叠在某个机房内 AAU 则分散位于数公里之外的屋顶，本质是以更多的光纤资源换取租赁更少的机房，由此 CRAN 成本更低，其在 4G 时代比例便逐步提高。

C-RAN 相关描述

• C-RAN 具有一个虚拟的基带资源池管理结构，主要包括三部分：1)由远端无线射频单元 (Remote Radio Unit，RRU)和天线组成的分布式无线网络；2)由高带宽低延迟的光传输网连接远端无线射频单元；3)由高性能通用处理器和实时虚拟技术组成的集中式基带处理池。
• 集中化基带处理可以保证资源共享，即虚拟基站可以在基带处理单元 (Baseband Unit, BBU)中共享所有用户发送和接受的信息、业务数据和信道质量等信息，从而实现联合处理和动态调度，增强了 BBU 整体运行的可靠性。在一个 BBU 池内，BBU 之间合理的动态资源分配具有非常重要的意义。例如，对于具备“潮汐效应”的业务量分布场景，可根据不同区域周期性的业务量变化，分别为其配置较少的静态资源以保证基本覆盖，剩余资源形成动态载波池，通过灵活的虚拟化系统来实时动态分配剩余资源，在不同业务时段根据各小区业务负荷的需求灵活调度。通过利用联合处理和宏分集，无小区大规模 MIMO 减少了覆盖区域内的大数据速率变化，从而解决了当前蜂窝网络的主要缺点之一。

OFDM 基础知识

基本概念

何为正交

• $\Delta f$ 等于符号率，符号率等于符号时长，积分区间必须是一个符号时长。

正交在通信中怎么用？

OFDM 的时域实现

导频插入

导频

保护间隔（循环前缀）

MIMO 空时处理技术

多天线信息论简介

• 信号向量的能量归一化为 1

• 奇异值应当是特征值的开方

主攻论文相关名词释义

• 图 1：

• ONU：光纤网络单元（Optical Network Unit）。ONU 属于接入网的用户侧设备，为用户提供电话、数据通信、图像等各种 UNI 接口。
• Non-RT RIC（non-real time RIC）和准实时 Near-RT RIC（near-real time RIC）：RIC分为非实时Non-RT RIC（non-real time RIC）和准实时Near-RT RIC（near-real time RIC）。准实时 RIC 下沉在无线接入网侧通过 E2 接口与CU/DU相连。准实时RIC的功能包括利用AI的能力进行无线资源管理、移动性管理、无线连接管理、切换管理以及无线QoS管理等。非实时RIC则定义在核心网MANO体系中，通过A1接口与准实时RIC连接。其主要功能在于基于AI的业务与策略管理，高层业务流程优化以及帮助准实时RIC离线训练AI模型等。O-RAN的RIC目前还正在标准完善和早期试验中。相对于 3GPP NWDAF，O-RAN RIC离成熟商用还有较大差距。
• 块衰落 (block fading)与快、慢 (slow or fast fading)是不同概念。在现代无线通信中，发送数据通常分割成数据块进行传送。当假定信道在该数据块内部不发生变化时，即：若信道传输特性在固定个字符周期上保持不变，但保持时间比总发送时间要小得多，则可称信道是块衰落的。显然 block fading 可以认为是一种特殊的 slow fading。