NR 5G 零基础看5G

5G概念

5G，就是5th Generation Mobile Networks（第五代移动通信网络），也可以称为5th Generation Wireless Systems（第五代无线通信系统）。
通过名字可以看出，5G是4G的下一代演进。而4G，是目前我们正在使用的主流移动通信技术标准。
5G是一个全球性的通信技术标准。它的颁布者是国际电信联盟（ITU）。ITU是联合国下属机构，专门负责信息通信技术相关事务，包括制定全球电信标准，促进全球电信发展。
ITU，International Telecommunication Union

5G只是新一代技术标准的“小名”。它也有自己的“大名（法定名称）”，叫作IMT-2020。这个名字是2015年10月在瑞士日内瓦举办的2015年无线电通信全会上，由ITU正式确定的。
5G官方LOGO

事实上，早在2013年左右，欧盟、日韩、美国和中国就已经启动了对5G标准的研究。
中国的5G技术研发试验是由IMT-2020（5G）推进组负责的。
IMT-2020（5G）推进组于2013年2月由工信部、发改委和科技部联合推动成立，涵盖国内移动通信领域产学研用主要力量，是推动国内5G技术研究及国际交流合作的主要平台。
IMT-2020（5G）推进组的机构设置

ITU启动5G标准研究，向全球征集5G的指标要求

中国提出“5G之花”

5G之花详细描述了我们对5G关键指标和特性的期望，峰值速率能达到几十Gbps，端到端时延能够达到 1ms（毫秒级），频谱利用率要高，能耗要低，等等。

韩国提出“火车头模型”

ITU综合确认5G的指标目标为“蜘蛛网模型”

模型采纳了中国“5G之花”的大部分指标

仔细观察上面的技术指标，你会发现，这些指标和通常我们认为的网络指标存在很大的不同。
作为手机用户，我们对移动通信网络的要求主要集中在网速上。手机的上网速度足够快，我们就会很满意。
而上面表格中的连接密度、时延等指标，远远超过了普通手机用户的要求。
是的，5G指标的设计之初，就不只是为了手机上网服务的。它更主要的服务对象，是物联网。

5G的三大应用场景

2015年9月，ITU正式确认了5G的三大应用场景，分别是eMMB，uRLLC和mMTC。
eMBB，就是Enhance Mobile Broadband，增强型移动宽带。
顾名思义，这种场景就是现在人们使用的移动宽带（移动上网）的升级版，主要是服务于消费互联网的需求。在这种场景下，强调的是网络的带宽（速率）。前面所说的5G指标中，速率达到10 Gbps以上，就是服务于eMBB场景的。
uRLLC，是Ultra Reliable & Low Latency Communication，低时延、高可靠通信。
这主要是服务于物联网场景的。例如车联网、无人机、工业互联网等。
在这类场景下，对网络的时延有很高的需求。例如车联网，如果时延较长，网络无法在极短时间内对数据进行响应，就有可能发生严重的交通事故，甚至危害人身安全。这类场景对网络可靠性的要求也很高，不像手机上网，如果网络不稳定，最多引起用户的不满。
mMTC，是Massive Machine Type Communication，海量物联网通信。
这个也是典型的物联网场景。例如智能井盖、智能路灯、智能水表电表等，在单位面积内有大量的终端，需要网络能够支持这些终端同时接入，指的就是mMTC场景。

这三大应用场景，只有一个是主要为人联网服务的，另外两个都是主要为物联网服务的。这就给5G做了一个定性：它的物联网属性要强于人联网属性。
需要注意的是，三大应用场景并不是指三种不同的网络。网络只有一张，技术标准只有一种，就是5G。
三大应用场景，是指5G将采用网络切片等方式，使一张网络同时为不同的用户提供服务。也就是说，5G不是多种技术标准的合集（如3G，包括了WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA），而是整合了多种关键技术于一身的、真正意义上的融合网络。

很多人把mMTC和uRLLC理解为像NB-IoT、eMTC那样的独立技术，这是不对的。场景并不等于技术，三大场景使用的是同样的硬件和软件。

5G和物联网

5G向物联网方向发展，是由时代所决定的。
人类通信技术的发展过程，实际上是供给侧不断追赶需求侧的过程。
从古代的飞鸽传书、烽火狼烟，到近代的电报、电话，再到现代的以1G、2G、3G、4G为代表的移动通信，我们都是在努力满足人们的基本通信需求。
如何更快速、更准确地传递信息，如何传递更丰富的信息，是通信技术演进的主要思路。
值得骄傲的是，在一代又一代通信人的努力下，我们取得了卓越的进步和成就。
尤其是现代移动通信技术的高速发展，从1G到4G，人类的基本通信需求早已得到满足。方便快捷的移动上网给人们的工作和生活带来了翻天覆地的变化，也彻底改变了我们的消费方式。

虽然我们已经满足了人类的通信需求，建设了美好的数字生活，但是衣食住行并不是人类发展的全部，消费互联网也不是互联网的全部。我们还有城市、农业、工业、能源、科研、教育、物流等很多产业和行业。
这些产业和行业也有数字化、网络化和智能化的需求，就是产业互联网和政企互联网。
消费互联网，加上产业互联网和政企互联网，才是真正的互联网。

随着互联网普及率的不断提升，人口红利趋近结束，消费互联网的发展已经接近饱和状态。
而产业互联网和政企互联网是一片更为广阔的市场。消费互联网的发展阶段可以称为互联网1.0时代。
从消费互联网到产业互联网，就是互联网2.0时代。我们从数字生活升级到了数字经济的更高维度，要建设数字城市、数字工业、数字农业。。。
以手机移动通信为代表的消费互联网，实际上我们可以称之为“人联网”。到了产业互联网领域，我们需要的，是“物联网”。人联网的连接对象是人，而物联网的连接对象，当然就是物。
物联网其实并不是一个新的概念。在很多年前，就出现过物联网的原始应用。
越战期间，美军为了打击胡志明小道的越方补给线，曾经在小道投放了大量的传感器，一旦有人经过，传感器就会发出信号，美军随即对可疑地点进行轰炸。这种无线传感器网络就是一种物联网的早期模型。
后来，到了1995年，比尔盖茨在《未来之路》这本书中，正式提出了物联网的概念。
虽然一直以来都有人在宣传物联网，在推动物联网落地，但事实上，物联网的发展速度非常缓慢。既没有很突出的产品出现，也没有获得用户的认可。
其中的原因是多方面的，但最主要的原因，还是物联网技术本身不够成熟，加上行业里未能形成统一的标准。
近二十年来，我们使用的物联网技术，主要是WLAN物联网技术。从名字就可以看出来了，WLAN就是Wireless LAN，无线局域网。这是一种覆盖范围较小的物联网网络。
WLAN物联网，以Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、Z-wave等技术为代表
除了覆盖范围较小之外，这类技术在功耗控制、待机时间等关键特性上也存在瓶颈。
正是这些不足，导致WLAN物联网无法真正满足行业应用的要求，也不能被市场和用户所接受。
随着移动通信技术的飞速发展，人们开始考虑将蜂窝技术引入物联网领域。（或者可以说，通信行业开始盯上了物联网这块“大蛋糕”。）
最开始的时候，通信行业是将2G GSM技术用于物联网，做了一个EC-GSM技术。因为GSM技术本身的限制，所以EC-GSM并不成熟。
后来，负责制定3G WCDMA标准的国际标准组织3GPP（第三代合作伙伴计划），在继续制定4G LTE标准的时候，把物联网给考虑进去了。
在2008年，LTE的第一个版本R8（Release 8）中，除了有满足宽带多媒体应用的Cat.3、Cat.4、Cat.5等终端等级外，也有上行峰值速率仅有5Mbit/s的终端等级Cat.1，可用于物联网等“低速率”应用。
注：这里的Cat并不是猫的意思，是Category的缩写，“种类，分类”的意思。Cat.X说的就是UE-Category，UE是用户设备（User Equipment ）。Cat.X这个值就是用来衡量用户终端设备无线性能的，说白了就是用来划分终端速率（等级）的。

不同的Category的速率

后来，3GPP在Cat.1的基础上，不断发展和演进，推出了Cat.M1和Cat.NB-1。这两个物联网技术标准，就是现在我们经常看到的eMTC和NB-IoT。
简而言之，eMTC和NB-IoT都是4G LTE衍生出的蜂窝物联网技术。这类蜂窝物联网技术也被称为LPWAN技术（Low Power Wide Area Network，低功耗广域网）。它们的特点就是覆盖距离更远，功耗更低，安全性和可靠性更高。
这类新型物联网技术的出现，极大地丰富了物联网的应用场景，也满足了越来越多行业用户的需求，给物联网的爆发式发展提供了机遇。
正如前文所说，人类在消费互联网和满足人与人之间通信需求方面，已经取得了巨大的进展，目前，我们把发展的目光放在了产业互联网和政企互联网上。
我们希望通过先进的物联网技术、通信技术、IT技术，帮助传统产业进行数字化、网络化、智能化的改造，从而实现整个产业链的转型升级。这也就是我们经常所说的“互联网+”“互联网赋能”。
一方面，4G LTE要继续往前演进，另一方面，传统产业需要“互联网+”升级。于是，4G的接班人，5G，就顺理成章地承担了这个历史使命。物联网，成了5G的主要应用方向和发展领域。

5G网络整体架构

移动通信网络主要包括无线接入网，承载网络，以及核心网络，从而完成对于业务的接入，传输以及控制，5G通信网络当然也不例外。

5G的核心网简称NGC，主要包括信令控制平面功能网元，和用户转发平面功能网元，以及一些配套的核心网功能网元。
gNodeB分别通过NG-C和NG-U接口对接核心网的控制面和用户面。
5G的无线网络简称NG-RAN，只有基站一种设备。5G基站简称为gNodeB，gNodeB通过Xn接口互联
位于无线网络和核心网络中间的这段承载网络，就是5G承载网，组要负责传输无线和核心网交互的数据。
5G终端通过新的空中接口NR（New Radio）接入5G网络，从而实现各种业务的接入。

为能够灵活适配客户差异化的业务场景和需求，对5G网络架构将提出新的要求及挑战。对于不同的行业需求，5G一张网络需要支持多种业务场景下的差异化服务质量需求，所以5G网络需要非常强的灵活性。
不同的垂直行业需要安全性的保证，所以5G网络各业务之间需要良好的隔离性。
另外，作为5G网络运营商，要求5G网络易于部署和维护，并进一步实现基于互联网架构的自动化运维和运营，所以5G网络还需要具有统一性和开放性。
要同时满足上述要求，5G网络架构必须实现云化，于是基于云的网络架构应运而生。基于云的5G移动通信网络，分别在核心网引入网络功能虚拟化(NFV)架构，承载网引入软件定义网络（SDN）架构，无线接入网引入云化无线接入网（Cloud RAN）架构，重构5G网络架构，灵活适配5G网络的各种业务场景和需求，以实现“一个物理网络，承载千百行业”的目标。

5G网络的全云化趋势和技术

核心网架构

架构特性一：NFV（网络功能虚拟化）

传统的核心网呈现烟囱式结构，各厂商采用专用硬件，成本高，资源无法共享，同时软硬件合一，扩容复杂，新业务部署周期长

而5G网络要求实现多场景业务的灵活部署，不同垂直行业用户对于端到端网络资源的差异化逻辑切分，都是目前烟囱式结构无法解决的。
面对5G网络的业务需求，以及网络运营商降低设备采购成本，提升资源利用率，新业务敏捷上线等要求，核心网云化是必由之路

NFV（Network Functions Virtualization）网络功能虚拟化：通过虚拟化技术把网络设备的软件和硬件解耦，设备功能以软件形式部署在统一通用的基础设施上，从而实现网络功能，提升运维效率，增强系统灵活性。

架构特性二：CPUS（控制面用户面分离）

传统的核心网设备，控制面（CP）和用户面（UP）没有做到完全分离，比如3G时代，核心网PS域主要由SGSN和GGSN设备构成，但是这两个设备同时都处理控制信令和业务数据，根本没有做控制面与业务面的分离。

4G时代核心网EPC主要由MME SGW和PGW等设备构成，相对比3G，4G核心网出现了纯控制面设备MME，但是SGW和PGW不是纯用户面设备，比如PGW同时还要给手机分配IP地址，而这个动作就属于控制面功能，也就是说4G时代的核心网也没有真正做到控制面和用户面完全分离。

5G核心网设备实现控制面和用户面分离是为了把用户面分离出来，可以部署在更加靠近用户的接入节点，从而改善用户面时延。
传统的核心网设备，控制面和用户面功能没有分离，所以核心网设备只能放在省会级城市，这样就造成了基站距离核心网设备很远，有些省份这个距离甚至会超过500km，从而造成了很大的传输时延。而这一点是完全不符合5G低时延业务场景的需求，不然uRLLC业务。

为了降低这个时延，我们就想到了把核心网的控制面设备和用户面设备分开，进而把核心网用户面网关设备下沉到各个地市的DC机房安装，这样一来，基站到核心网网关的距离就大幅缩短了，从而大幅降低端到端业务时延。
比如针对车联网V2X业务，我们会把5G核心网用户网关UPF下沉到地市Edge DC机房进行安装部署，让车辆到服务器的距离缩短到10公里范围，从而降低车辆网的时延到毫秒级，这样自动驾驶才更安全。

架构特性三：SBA（基于服务的架构）

5G核心网还有一个特点，SBA，即网络功能模块化，每个网元只干一样事情，不同的业务可以按需选择不同的网络功能

5G核心网采用这种模块化设计设计最大的好处是方便功能裁剪，比如在设计物联网功能切片的时候，由于大部分物联网终端都是静止不动的，所以“移动性”这个功能就不需要，而且大部分物联网业务对网络带宽和时延都没有特殊要求，即不需要QoS保障，所以“策略控制”和“QoS执行”功能也不需要，最后所有这些不需要的功能网元都可以做裁剪

有了SBA特性可以做到基于业务的需求灵活进行功能裁剪，快速实现网络部署。

承载网架构SDN（软件定义网络）

随着IT技术的发展，传统的大型机软硬件一体化逐渐演化到今天的硬件/操作系统/应用的分层结构，在IP传输网络上，SDN也在进行着同样的工作，把网络分层/虚拟化，更重要的是让它越来越简单。
SDN核心思想“控制和转发分离”/“软件应用灵活/可编程”正源于PC手机领域的变革，也必将在IP传输网络领域掀起更大风暴。

5G核心网和5G无线网络云化，主要是基于业务驱动，而5G承载网的云化主要是基于技术驱动。

SDN的核心技术是将网络设备控制面与数据面分离，并把控制面集中部署到一套服务器中，称为SDN控制器，所以SDN的本质是给网络构建一个集中的大脑，通过全局视图和集中控制，实现全局流量和整体最优，是网络架构的变革。

SDN网络基于集中控制可以简化运维，实现网络流量自动化调度，提高网络利用率，通过API接口提供网络开放能力，大幅降低业务部署上线时间，为5G网络的各种业务场景提供基于差异化QoS的IP传输网络切片能力。

无线网架构- Cloud RAN（云化无线接入网）

随着5G的快速发展，以及NFV技术的使能，无线网路进入全面云化时代，在传统网络中，我们会在无线站点上部署一个基带处理设备BBU，而5G时代，无线基站BBU在目标架构中将分为两部分：
CU集中单元（Centralized baseband units）和DU分布式单元（Distributed radio units）；
分离后，DU将仍然放在无线站点上，CU设备会集中部署到数据中心，CU部分处理对时间不敏感的非实时（NRT）基带数字信号，比如小区负载的控制；
DU部分处理对时间敏感的实时（RT）基带数字信号，比如无线资源的分配；
CU和DU通过标准化F1接口实现传输互通。

HW基于5G无线网络CU/DU分离思想，提出Cloud RAN解决方案。
CU部分采用X86通用服务器E9000，提供5G基站的非实时基带数据处理，并且基于虚拟化技术，可以灵活支持多种业务以及网络切片；

DU部分适配各种覆盖和安装场景，提供宏基站/微站以及室内分布等产品。完成实时信号处理。

基于Cloud RAN方案，实现按需部署，智能切片，适配多样性业务，适应大带宽/低时延/超大连接等业务，同时实现了资源池化，资源利用效率提升，网络弹性扩容。

端到端网络切片

5G网络将应“云”而生，基于同一个物理网络，采用云计算技术按需定义网络资源，快速实现基于业务QoS的网络切片Slicing，在保证安全隔离的前提下支持各种垂直行业的应用，链接前百行业，促进物理世界与数字世界的全面融合。

未来的SDN将是基于SDN，NFV和切片技术的，更加灵活/智能/高效和开发的网络系统。
总结：5G网络整体架构，物理上是由无线基站和各级数据中心通过承载网互联构成，在此物理架构之上，可以灵活部署核心网架构和无线网络，并提供适配何种业务需求的端到端网络切片。