5G(IMT

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5G(IMT

2024-07-13 14:38:41| 来源: 网络整理| 查看: 265

目录 1. 5G相关概念1.1 ITU对IMT2020愿景的描述1.2 5G的性能1.3 5G的频谱1.4 5G的主要频段之毫米波1.5 5G 协议标准的发展 2. 新架构——5G接入网2.1 传统基站系统2.2 5G基站2.3 5G切片2.4 5G对承载网带宽需求分析 3. 新架构——5G承载网3.1 承载网带宽3.2 **承载网带宽解决方案**3.3 MEC(移动边缘计算)3.4 5G中回传L3到边缘,使能灵活连接3.5 GPU+15883.6 Flex-Eth实现网络切片3.7 敏捷运营 4. 新架构——5G核心网4.1 面向业务的核心网网络架构4.2 基于服务的架构4.3 CUPS提升用户体验和网络效率 5. 新架构-5G架构5.1 5G组网方式5.2 SA组网 6. 新空口6.1 新空口主要技术6.2 5G空口频谱6.3 大带宽6.4 C波段的覆盖性能6.5 上下行解耦(SUL)6.6 毫米波部署的挑战6.7 调制技术-QAM调制6.8 MIMO原理6.9 信道编码技术6.10 频率利用率提升技术– F-OFDM6.11 灵活帧结构配置 - Numerology6.12 自包含时隙 7. 5G网络安全7.1 3GPP协议保障网络安全7.2 用户标识加密,增强型密钥7.3 完整性:用户面增加完整性保护,防篡改

1. 5G相关概念

第五代移动通信技术(5th Generation Mobile Communication Technology,简称5G)是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术,是实现人机物互联的网络基础设施。

1.1 ITU对IMT2020愿景的描述

在这里插入图片描述

超高速率(eMBB)

增强移动宽带:以人为中心的应用场景,集中表现为超高的传输数据速率,广覆盖下的移动性保证等,这是最直观改善移动网速,未来更多的应用对移动网速的需求都将得到满足

超大连接(mMTC)

海量物联:5G 强大的连接能力可以快速促进各垂直行业(智慧城市、智能家居、环境监测等)的深度融合,从而实现万物互联(面向车联网、工业控制、远程医疗等特殊应用)

超低时延(uRLLC)

高可靠低时延连接:在此场景下,连接时延要达到 1ms 级别,而且要支持高速移动(500KM/H)情况下的高可靠性(99.999%)连接

IMT-2020 vs. IMT-Advanced 在关键性能指标上的对比: 在这里插入图片描述

1.2 5G的性能

5G技术包括:

新空口关键使能技术

5G NR中新的关键空口技术

Massive MIMO:配对算法优化,DMRS增强新的物理信号设计:CRS-Free,DM-RSFlexible:灵活Numerology新频谱:引入C-band,毫米波频段 LTE Advanced Pro演进

作为LTE和LTE-A系列技术的一个独特标识,这是4.5G在标准上的正式命名

下一代核心网NextGenEPC演进

5G性能主要指标:

在这里插入图片描述

5G安全性更高:

5G网络安全将保护用户数据,构筑网络韧性 在这里插入图片描述

机密性和完整性 保护用户隐私信息(签约信息和位置信息等)、用户通信数据、运营商关键数据(比如报表、话单等)。可用性 识别非法攻击并削减攻击带来的影响可追溯性 记录操作便于安全审计、问题定界等密码算法增强 256bit加密算法(4G为126bit)用户永久身份加密 用户IMSI加密发送(4GIMSI明文发送)对接安全性 PLMN间的端到端安全保护(4G有类似于SS7攻击)空口保护措施 空口用户面完整性保护(4G用户面变更攻击)

5G网络演进的路线: 在这里插入图片描述

5G重点关注对象: 在这里插入图片描述

1.3 5G的频谱

5G将聚合所有的频段频谱: 在这里插入图片描述 C-band 和高频G30/G40将成为5G的可获得频谱: 在这里插入图片描述

首频:首选3.5GHz,因为它是6GHz以下可以获取最宽的连续频谱 ,覆盖和容量综合考虑,全球完善生态系统。 C-band不可用时,选择2.6GHz 作为eMBB首频,还可以通过与LTE 2.1GHz/1.8GHz 双连接,提升5G用户体验。热点补充:mmWave作为热点补充频段。 1.4 5G的主要频段之毫米波

毫米波简介:

毫米波:波长1-10毫米的电磁波(频率在30GHz-300GHz之间的电磁波),5G通讯中所使用的主要频段之一

优点 1.1 极宽的带宽:毫米波频率范围为26.5~300GHz,带宽高达273.5GHz,配合各种多址复用技术的使用可以极大提升信道容量,适用于高速多媒体传输业务 1.2 波束窄:可以分辨相距更近的小目标或者更为清晰地观察目标的细节 1.3 较高的频率:受干扰很少,可靠性高 1.4 方向性好:毫米波受空气中各种悬浮颗粒物的吸收较大,使得传输波束较窄,增大了窃听难度,适合短距离点对点通信 1.5 波长极短:所需的天线尺寸很小,易于在较小的空间内集成大规模天线阵缺点 2.1 大气中传播衰减严重 2.2 器件加工精度要求高

毫米波覆盖: 在这里插入图片描述

毫米波应用- WTTx,热点eMBB,自回传:

毫米波用于热点eMBB 1.1 室内外热点,视距场景 1.2 C-Band和毫米波双连接毫米波用于WTTx 2.1 郊区WTTx接入 2.2 CPE可以室外或者室内安装毫米波用于无线回传 3.1 集成5G接入和回传功能,基于时间、频率、 空间等维度进行动态调度 3.2 通过自回传,站点部署更方便 在这里插入图片描述 1.5 5G 协议标准的发展

5G 从3GPP Release 15 开始: 在这里插入图片描述

日韩5G最激进的运营商与Verizon结成联盟 四家最激进的运营商成立OTSA,旨在加速5G标准化和商用进程

共同制定5G试验的统一规格,高效推进5G开发(2016年7月,Verizon宣布完成5G无 线标准的制定。)除运营商参加外,后续会加入网络、芯片、终端、仪器厂家推动28GHz频谱发放加速商用解决方案,推动5G产业发展共同开发和讨论5G use cases

3GPP加速5G标准进程 在这里插入图片描述

Polar Code入选R15 eMBB短码,边缘化OTSA,初步维护了全球统一标准。Phase I:预期2018年6月份/Rel-15完成,解决部分迫切的运营商市场需求,优先eMBB和uRLLC业务

R15 Ph1 NSA标准(eMBB)在17.12冻结 在这里插入图片描述

所谓冻结是后续不能有新的特性增加到这个版本里,通俗的说,就是定稿了,定了的东西咱不能去改了,大家才敢都按这个标准制造产品。

2. 新架构——5G接入网

无线通信网络架构: 请添加图片描述

通信流程: 请添加图片描述

通信网络的逻辑架构,一直都是:手机→接入网→承载网→核心网→承载网→接入网→手机。通信过程的本质,就是:编码解码、调制解调、加密解密。 2.1 传统基站系统

在这里插入图片描述 一个基站通常包括:

BBU(主要负责信号调制)RRU(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)。

早期基站系统进化-RAN:

RRU和BBU先给拆分

在这里插入图片描述

BBU和RRU挂墙上 在这里插入图片描述

机柜中的BBU 在这里插入图片描述

早期基站系统进化D-RAN(分布式无线接入网)

RRU不再放在室内,而 是被搬到了天线的身边 (所谓的“RRU拉远”),也就是分布式 基站DBS3900 在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

D-RAN优点:

大大缩短了RRU和天线之间馈线的长 度,可以减少信号损耗,也可以降低馈线的成本。以让网络规划更加灵活。RRU加天线比较小,想怎么放,就怎么放。

D-RAN到C-RAN(集中化无线接入网)

在D-RAN的架构下,运营商仍然要承担非常 巨大的成本。因为为了摆放BBU和相关的配套设备(电源、空调等),运营商还是需要租赁 和建设很多的室内机房或方舱。 在这里插入图片描述

2.2 5G基站

在这里插入图片描述

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。简而言之,CU和DU,以处理内 容的实时性进行区分

CU部署方案: 在这里插入图片描述

承载结构变化 在这里插入图片描述 在图中,EPC(就是4G核心网)被分为New Core(5GC,5G核心网)和MEC(移动网络边界计算平台)两部分。MEC移动到和CU一起,就是所谓的“下沉”(离基站更近)。 在这里插入图片描述

无线网络云化演进概述 在这里插入图片描述

2.3 5G切片

切片图示 在这里插入图片描述

用切片来满足多样的商业需求 在这里插入图片描述

5G灵活的架构 请添加图片描述

2.4 5G对承载网带宽需求分析

在这里插入图片描述

5G承载技术新需求分析:主要体现在带宽和未来垂直行业分片两方面。车辆网等低时延需求,主要通过核心网网关下沉缩短传输距离来解决。 在这里插入图片描述

5G频谱资源和频谱效率大幅提升 在这里插入图片描述 5G基站带宽计算:5G频谱100M+4G频谱60M

在这里插入图片描述

5G对承载网时延需求

E2E 5ms时延进行分解,承载网时延要求2ms

请添加图片描述

C-Band和毫米波是5G的主力波段,都采用TDD模式,时间同步是必须要求。

在这里插入图片描述

5G对承载网切片技术需求

在这里插入图片描述

承载网切片关键点:

需要保证不同分片对承载的带宽、时延、和可靠性不同的带宽需求。分片的灵活创建和删除。分片的灵活调整。各分片间需要完全隔离,分片的调整不 会影响其他分片。

5G对承载网自动化需求

按需的连接分片全生命周期自动管理业务跨域快速布放 3. 新架构——5G承载网 3.1 承载网带宽

请添加图片描述

总体建议

纵向自上而下 1.1 汇聚核心搭平台,能力提前构建 1.2 接入提带宽,大端口按需引入横向带宽升级:发展期 成熟期,热点区域 普通区域

建网原则 网络流量随着业务发展逐步提升,充分利旧现网,原则如下:

接入环带宽规划: 1.1 10GE到站成为必须 1.2 已有10GE环,网络实际流量 < 20%场景,可满足5G初 期 应用 1.3 已有10GE环,网络实际流量 > 20%场景,升级到50GE汇聚核心带宽规划: 侧重容量平台提前构建,100GE/200GE端口按需引入 3.2 承载网带宽解决方案

X-HAUL: 在这里插入图片描述

前传:

在这里插入图片描述

回传有光纤:

在这里插入图片描述

回传协议简化: 在这里插入图片描述 4.1 当前的问题:协议众多,配置复杂;运维人员要求高;自动化能力差 4.2 目标协议价值:设备配置简化;业务自动下发,缩短 TTM;降低运维人员能力要求,提升运维效率 3.3 MEC(移动边缘计算)

MEC七大场景 (ETSI定义)

应用本地化:

企业分流:将用户面流量分流到企业网络

内容区域化:

2.1 视频流分析:在边缘对视频分析处理,降低视频采集设备的成本、减少发给核心网的流量 2.2 视频优化:在边缘部署无线分析应用,辅助TCP拥塞控制和码率适配

计算边缘化:

3.1 增强现实:边缘应用快速处理用户位置和摄像 头图像,给用户实时提供辅助信息 3.2 车联网:MEC分析车及路侧传感器的数据,将危险等时延敏感信息发送给周边车辆 3.3 物联网:MEC应用聚合、分析设备产生的消 息并及时产生决策 3.4 辅助敏感计算:MEC提供高性能计算,执行时延敏感的数据处理,将结果反馈给端设备

MEC组网架构: 请添加图片描述

3.4 5G中回传L3到边缘,使能灵活连接

在这里插入图片描述

3.5 GPU+1588

在这里插入图片描述 1588V2可以满足5G初期部署的时间同步要求,后续基于1588V2.1新标准提供更高精度时钟满足协同特性要求

3.6 Flex-Eth实现网络切片

在这里插入图片描述

3.7 敏捷运营

“云化+大数据分析”,分阶段使能网络智能化

在这里插入图片描述

4. 新架构——5G核心网 4.1 面向业务的核心网网络架构

在这里插入图片描述 NGC Vs EPC: 在这里插入图片描述

4.2 基于服务的架构

在这里插入图片描述

大规模网络,网元间耦合功能。新功能标准化时间长。减少接口,极简网络。功能解耦,开放架构。独立服务,快速创新。 4.3 CUPS提升用户体验和网络效率

在这里插入图片描述

5. 新架构-5G架构 5.1 5G组网方式 NSA (Non-Standalone,非独立组网) Phase1.1 推出5G非独立组网架构(NSA,NR+EPC),结合MSA技术实现两个制式的协同。 在这里插入图片描述 支持eMBBLTE为锚点,复用4G核心网,快速引入5G NR5G叠加于4G网络上,无需提供连续覆盖 SA (Standalone, 独立组网) Phase1.2 推出5G独立组网架构(SA,NR+NG CORE)。 在这里插入图片描述 支持eMBB/uRLLC/mMTC及网络切片需要新建5G Core对5G的连续覆盖有较高要求 5.2 SA组网

在这里插入图片描述

5G网络组成包括: 1.1 无线网络:NR (New RAN) 1.2 核心网:NGC (Next Generation Core)5G无线网络接口包括 2.1 Xn 2.2 NG-C(控制面板) 2.3 NG-U(用户面) 2.4 Uu(无线空口) 6. 新空口 6.1 新空口主要技术

新空口可以灵活适配众多业务,支撑更高的速率,更高的频谱效率 在这里插入图片描述

6.2 5G空口频谱

“Sub 6G”与“毫米波”

在这里插入图片描述 在3GPP协议中,5G的总体频谱资源可以分为以下两个频谱范围FR(Frequency Range):

FR1:Sub 6G频段,也就是我们说的低频频段,是5G的主用频段;其中3GHz以下的频率我们称 之为sub3G,其余频段称为C-band。FR2: 6G以上的毫米波,也就是我们说的高频频段,为5G的扩展频段,频谱资源丰富。 6.3 大带宽

在这里插入图片描述

大带宽是5G的典型特征:

Sub 6G小区最大小区带宽100MHz毫米波最大小区带宽400MHz20MHz以下带宽定义主要是满足既有频谱演进需求 6.4 C波段的覆盖性能

在这里插入图片描述

6.5 上下行解耦(SUL)

在这里插入图片描述

SUL是弥补C-Band上行覆盖短板的重要技术相比下行覆盖,C波段上行有13.7dB的 覆盖差距通过将上行的发送切换到1.8G, 可以有效补偿 上行覆盖问题 6.6 毫米波部署的挑战

在这里插入图片描述

6.7 调制技术-QAM调制

在这里插入图片描述

6.8 MIMO原理

传统MIMO: 在这里插入图片描述

Massive MIMO(multiple-input multiple-output): 大规模的天线形成阵列。 通过对每个天线进行加权,控制大规模的天线阵列,进一步提升无线覆盖。

Massive MIMO天馈结构: 在这里插入图片描述

Massive MIMO增益: 在这里插入图片描述

阵列增益:通过增加天线数量,获得更高阵列增益,提升覆盖。赋型增益:水平和垂直两个方向同时波束赋型,提升系统覆盖和用户数。复用增益:最多支持16个数据流,提升系统吞吐率;空分复用,支持更多用户。分集增益:通过增加天线数量,从而形成更多的数据空间传输路径,提升数据传输可靠性。

Massive MIMO—增强覆盖:

业务信道: 1.1 高增益窄波束 1.2 赋形方向动态调整 在这里插入图片描述

广播信道: 2.1 高增益窄波束 2.2 场景化的波束扫描 请添加图片描述

6.9 信道编码技术 信道编码的选择的基本原则: 1.1 编码性能:纠错能力以及编码冗余率 1.2 编码效率:复杂程度及能效 1.3 灵活性:编码的数据块大小,能否支持IR-HARQ(增量冗余的混合自动重传)Turbo编码: 性能好,随着速率的增加,编码的运算量会线性增加, 能效成为挑战LDPC -Low Density Parity Check Code(用于大包业务信道): 性能好,复杂度低,通过并行计算,对高速业务支持好Polar码(用于控制信道) 对小包业务编码性能突出 在这里插入图片描述 6.10 频率利用率提升技术– F-OFDM

在这里插入图片描述

6.11 灵活帧结构配置 - Numerology

在这里插入图片描述 Numerology:即灵活帧格式,指NR中的SCS(SubCarrier Spacing,子载波间隔),以及与之对应的符号长度,CP长 度等参数的灵活配置 在这里插入图片描述

6.12 自包含时隙

在NR的slot结构中,有两种特殊的Slot结构,我们称之为自包含时隙,其设计目标是为了缩短上下行 数传的RTT时延,分别包含以下两种场景。

下行自包含时隙: 同一个时隙中包含下行数传以及对应的HARQ反馈 在这里插入图片描述上行自包含时隙: 同一个时隙包含上行调度信息以及上行数传 在这里插入图片描述 7. 5G网络安全

运营商网络域外关键安全威胁: 在这里插入图片描述

7.1 3GPP协议保障网络安全

3GPP标准安全目标:

确保合法接入网络: 1.1 UE与网络间进行双向认证,防范伪基站 1.2 UE由高制式网络回落到低制式保障空口的机密性、完整性: 2.1 加密算法秘钥使用256bit秘钥 2.2 新增IMSI加密保护用户隐私 2.3 用户面新增完整性保护确保3GPP网元间连接安全: 3.1 3GPP各网元间使用IPSec保护传递信息安全 3.2 5GC归属域与漫游域之间通过SEPP保证安全 3.3 5GC服务功能间使用HTTPS

5G UE和核心网互相认证鉴权

2G网络单向认证导致2G伪基站问题难以解决3/4/5G均采用双向认证鉴权 在这里插入图片描述 7.2 用户标识加密,增强型密钥

在这里插入图片描述

7.3 完整性:用户面增加完整性保护,防篡改

在这里插入图片描述



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