5G简介【华为ICT学堂】笔记

通信行业历经从1g-5g的发展历程，对我们的生产生活造成了巨大的影响，未来当5g全面应用时，或许会更加颠覆我们的想象。

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关于5g通信术语的全称以及含义，可以查看5G名号，供参考

通信标准的制定相关：

过程：
国际电信联盟制定新系统需求→技术标准化组织制定详细的技术标准，用来指导和约束网络设备与终端的研发与生产→各大公司研究可行性，并向技术标准化组织提交方案→选定合适技术，制定标准（通信产业制高点）→研发对应产品→销售至通信网络运营公司→网络部署

5G标准的制定：
ITU和3GPP是两个非常的重要的国际标准化组织：

**ITU：**定义5G愿景、网络关键能力指标、制定5g网络新需求

**3GPP：**负责具体标准化工作、制定并发布技术规范和技术报告

1998年成立的标准化组织
2016年起草5G标准
2017年12月发布第一个5G标准化协议版本即release 15
2018年多次修订完善：3GPPP定义了全新的5G空口（NR）及LTE演进（eLTE）

5G	标准化	进程
Rel-15	聚焦于在增强型移动带宽eMBB业务场景	已冻结
Rel-16	定义mMTC和uRLLC业务场景	计划于2019年底完成？计划在2020实现全球商用

5G的首批商用主要用于eMBB 和FWA（FixedWireless Acess）业务

eg.平昌冬奥会韩国电信公司KT用于AR（同步观看：超微型无线摄像头和电信模块，提供运动员3D视角的实时画面），VR（佩戴设备观看冰球滑雪等项目比赛）

eg.美国2018年的Verizon 5G Home，采用FWA固定无限接入服务，保证300Mbps+（最高1Gpa）互联网服务体验
芬兰运营商ELisa，UAE运营商Etisalat、意大利运营商TIm等都已小规模商用5G网络的eMBB或EWA业务
（疑惑：所以现在是2020年12月31号，5G到底算不算规模商用？）

从1G说起

现代通信网络的发展可以追溯到上世纪70年代，美国Bell实验室提出“蜂窝网络“的概念
这里涉及到了一个移动通信的知识点：需要将信息覆盖的区域，划分为若干个相邻的校区，形状类似蜂窝，以完成每个校区的无线基站对小区的信号覆盖，实现终端和网络的通信

1978年美国Bell实验室研制成功了全球第一个移动蜂窝电话系统——先进移动电话系统（AMPS， Advanced Mobile Phone System）
1983年在芝加哥正式商用并迅速在全美推广

几乎同一时期，欧洲等地区也建立了自有的第一代移动通信系统

1G特点：

基于模拟通信技术，系统容量有限
技能提供基础语音服务
安全性较差
干扰大
终端价格昂贵（大哥大）

2G诞生

1980s后期，随着大规模集成电路、微处理器和数字信号的应用更加成熟，移动通信技术主键转向数字通信，移动通信进入了2g时代
2G主流移动通信系统：

欧洲	美国
GSM	CDMA

中国三大运营商

运营商	制式
中国移动	GSM
中国电信	GSM
中国联通	CDMA

较比1g网络，2g时代的移动通信网络出除提供基础语音服务外，还可提供短消息SMS业务和低速数字服务。

3G

随着移动数据业务的兴起，21世纪初期3g逐步发展起来
较比2G’可以进行高速数据服务（由于采取了CDMA，网络容量增大，可以较好的支持数据业务）
特点：

网络容量大，更好的支持数据业务
更好的支持音乐、图片、视频等多媒体信息业务
数据业务可以达到1Mbps以上的速率
但终端网络兼容性差

运营商	制式
中国移动	TD-SCDMA
中国电信	CDMA 2000
中国联通	WCDMA

CDMA：码分多址技术。如果想了解详情，请见通信原理（复习）

4G

LTE（Long Term Evolution，长期演进），由于其采用了新的网络架构和无线技术，以OFDM(正交多任务分频技术)为核心，使得网络能力大大增强，能提供接近100Mbps的数据速率

4G时代，由3GPP主导的LTE技术成为统一标准，LTE后续又演进为LTE-A技术。而LTE-A通过多载波聚合等方法使得峰值速率接近1Gbps，真正的实现了类似有线接入的数据速率。

此外，移动宽带进入大众生活，逐步应用网络的移动互联功能。eg.金融支付、旅游购物，社交娱乐。
4G LTE则是TD-LTE（Time Division Long Term Evolution，也称LTE-TDD，分时长期演进）和FDD-LTE（Frequency Division Duplexing Long Term evolution，频分双工长期演进）等LTE网络制式的统称

中国的三家运营商使用的TD-LTE网段，划分如下

运营商	总量	范围
中国移动	130MHz	1880 -1900 MHz、2320-2370 MHz、2575-2635 MHz
中国联通	40MHz	2300-2320 MHz、2555-2575 MHz	此外也使用FDD-LTE
中国电信	40MHZ	2370-2390 MHz、2635-2655 MHz	此外也使用FDD-LTE

其中TD-LTE是大唐的技术，自主知识产权程度化高，而FDD-LTE则更加成熟，国际上绝大多数的4G网络都是采用FDD-LTE

5G

支撑更多行业应用，转型成为一个端到端、全移动、全连接的生态系统。
从吞吐率，时延，连接密度等维度对5g网络定义了新的能力要求

2012年起，国际电信联盟（ITU）组织全球业界开展5G愿景和技术趋势的研究
2015无限点通信全会上，ITU-R（国际电联无线电通信部门）正式批准了推进未来5g研究进程的决议，并正式确定了5g的法定名称“IMT-2020”

未来5G三大应用场景：

eMBB（增强移动带宽）：10Gbps的峰值吞吐率

高速率
应用：

高清视频4k→8k，分辨率提高，更佳的观看体验

挑战：以4k高清视频为例，采用H265压缩后实际上需要网络带宽大概为50Mbps

VR：视频流量增长，理想vR体验需要2Gbps
场景：娱乐、教育、医疗

  为了降低成本，视频游戏的处理放到云端，VR设备只负责视频的渲染和视觉触觉的还原

（其实VR也对时延有要求，时延长运动感知和视觉感知有差异，会有眩晕感，ms级为佳）

AR：设备将虚拟和显示结合
eg.microsoft HoloLens发布的全息眼镜
3D全息投影：利用干涉及衍射原理记录，并再现物体真实的三维图形，无需佩戴眼镜
eg：360°全息投影
MirrorSys:类似于一个超级家庭影院

当前LTE单小区的理论峰值速率为100Mbps-150Mbps，平均速率为大致30Mbps-50Mbps，当前的LTE网络无法支撑起以上业务；
而5G采用了新的空口技术，实现理论峰值速率达到10Gbps，在LTE的基础上提升了100倍。

mMTC （海量物联网通信）：每平方公里100w连接数

大连接：万事万物互联

应用：

智慧城市：通过科技技术首段，感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在诶的各种需求做出智能响应；实质是利用先进技术，实现城市智慧式管理和运行。
eg. 智能j键控、智能路灯、智能停车
智慧农业：对网络链接密度要求高

-车联网：
大量的无线接入，需要网络具备更大规模连接的能力

-智能制造
实时感知数据、采集数据、监控生产过程数据；提高工作效率，为产业升级起到桥梁作用
智能抄表
水表、电表、气表将产生大量连接

当前LTE当前网络能力可实现每平凡公里上w个接入，但这种连接能力无法支撑大规模物联网终端的连接需求；
相比之下，5G接入网能力有100w的提升，达到100w连接/平凡公里

uRLLC（极高可靠性低时延通信）：1ms超低时延

低时延

应用：

自动驾驶业务:要求毫秒级网络时延，需要未来移动网络响应速度比4G网络提高数十倍
需保障安全性
无人机
在警用、能源、物流医疗、防灾都有应用
传回高清视频需要大带宽；高空覆盖；精准控制需要低时延
配电控制
对网络低时延和可靠性要求极高
远程手术

而当前，3G时延大致为100ms，4G为50ms。

网络运维的挑战

网络运维现状：

运营商收入增长正在下滑，而复杂的网络也导致运维成本逐渐攀升：

全球通信基站份额一览：

未来网络将为多制式（GSM/UMTS/LTE/5G共存）、多频段的网络

华为提供：宏基站（整个区域连续覆盖）、小基站、微基站（热点区域、盲点区域的无缝覆盖）全面覆盖

高频超密集组网、大规模多输入多输出（Massive MIMO）的引入，站点运维与优化难度增大

而Missive MIMO技术（相控阵雷达技术）则是军用技术在民用领域的应用；现多由算法配置

网络运维的变化：业务多样化，管理变得更复杂

5G的不同业务对网络要求的差异十分巨大：
解决方法：进行多个切片管理，云化网络基础设施

如何保障不同业务切片的QOS？
使用端到端网络切片，打通逻辑上端对端的业务场景

根据具体业务场景对网络切片做进一步的性能调优：自动化性能调优

云化网络运维：

   网络分层运维挑战；对维护人员IT能力挑战；智能化运维挑战解决方法：结合大数据和人工智能

带宽资源

根据香农公式，若需要增加信号带宽（频谱带宽），可以通过增强载波带宽或者信噪比来实现

以下是各频段表：

而5G想要拥有大带宽，必须向高频发展。此前使用频段的多为中频段至超高频段，而超高频和极高频则可供给5G网络使用。

根据已冻结的Rel-15标准，5G的总体频谱资源可以分为两个FR（Frequency Range）：

FR1：是5G主频段
在<3GHZ的部分称为sub 3G
在3G<x<6G部分称为C-Band
可提供多达连续200MHZ的频谱资源
FR2： 5G扩展频段
毫米波，有更丰富的频谱资源

3GPP规定FR1和FR2支持不同的最大载波带宽：
并且可以发现，5G相比4G取消了1.4\3M的载波带宽，而保留的4G的5\10\15\20M带宽方便LTE向5G演进

全球频谱分布情况：
中国有：sub6G内：2.515-2.675GHZ；3.3-3.6GHZ；4.8-5.0GMHZ；共660MHZ
mmWAVE：24.75-27.5GHZ；37-42.5GHZ；共8.25GHZ

运营商	总量	波段范围
中国移动	260M	2515MHz-2675MHz、4800MHz-4900MHz
中国电信	100M	3400MHz-3500MHz
中国联通	100M	3500MHz-3600MHz

Sub 3G频段退出之后，仍然可以方便5G频段部署：

但是，频段越高，覆盖效果就越差；频段越低，覆盖效果就越好
所以不同区域需要部署不同波段

so，5G频谱规划及部署和优缺点可以这样总结

频段类型	频段优势	频段劣势	部署
Sub 3G	频段地、覆盖性能好	可用频率资源有限，大部分被当前系统占用	基础覆盖层
C-Band	频谱资源丰富，小区带宽大	上行链路覆盖较差，上下行不平衡问题比较明显	城区广覆盖
毫米波	小区宽带最大	覆盖能力差，对射频器件性能要求高	话务热点区域的容量补充

综上，对于Sub3G频段而言，由于现在被2/3/4G频段占用，当该段频谱资源重新分配后，可通过refarming技术，用于5G部署；
而对于C-Band频段，相比sub3G更为丰富，覆盖效果比mmwave更好，所以C波段是一个兼容额容量和覆盖的频段，所以称为5G建设初期的主力频段。
而mmWAVE频段，拥有最丰富的频谱资源，但覆盖能力最差，不适合覆盖，将聚焦于高话务场景，解决高容量需求

ps.关于ms波：因为绕射能力弱信号覆盖大幅缩减随着距离增加的损耗如下:

高频段上下行覆盖不均衡，且频段越高这种差异越明显，上行发射功率远小于发射功率，以至于用户在小区边缘发送的信号无法正常被基站正确接收

5G空口关键技术

1.针对高频的两种问题（HUAWEI）提出：上下行解耦的技术方案，并写入3Gpp协议中
作为一种标准技术，一般TDD系统上下行通信都会采用相同的频率，即上下频点耦合
解耦：NR中基站下行使用高频段进行通信，U上行个根据UE覆盖情况选择，暂时占用LTE上行的部分低频资源进行通信，在校区边缘位置的时候进行解耦

2. 速率提升技术：5G速率较比4G提高很多，是因为有新信道编码技术、Massive MIMO技术

（1）. 新信道编码技术
克服无限信道可靠性差的问题，在原始信息之外，增加一定比例的冗余比特，用于保护有用信息比特，提高信息传递的可靠性。

eg. Rel-15 5G eMBB场景控制信道采用Polar码，业务信道采用 LDPC码（4G使用Turbo码：误码率高，其它性能也不如Polor码）

LDPC和Polor拥有很高的编码效率（添加最少的冗余信息保护信息，保证信息的可靠发送和接收，提高信息传送效率，进而提升用户的峰值速率）

（2）. MAssive MIMO（大规模天线阵列）
通常有16根天线构成，而5G可有64根天线（64T64R：64发64收），天线↑，实现更灵活准确的三维立体载波载波束缚型，使更多用户复用无限时频资源，取得提升覆盖能力和系统容量并降低系统干扰的一种大规模的一种大规阵列天线方案.
而 4G采用8T8R天线，Massive MIMO相比数据流低，通常只能发送两个数据流，而64T64R的MAssiveMIMO由于波束更窄，通过空分复用下行可以达到16个数据流（也即在同一时间内，基站可以将相同的时频资源分发给16个不同的用户使用），从而大幅提升小区的整体容量，并且降低小区内用户间的干扰
eg.高校、城区CBD等高话务场景非常适用
与4G对比：

	4G	5G
天线	8T8R天线	64T64R天线
数据流	4	16

 对于用户而言，4G终端的默认两天线配置（1发2收），5G终端默认具备4天线配置（2发4收），结合Massive MIMO的下行多流特特征，5G手机下行的峰值速率将至少翻倍，用户速率会有所提升。MAssive IMMO的束波还可以实现3D立体覆盖（水平波束和垂直波束）而传统的8T8R只能做到水平波束赋型水平波束：基站赋型后的而信号只能在水平面上扫描，不能在垂直面扫描，信号覆盖不理想甚至无覆盖，影响上网
eg.改善高层居名小区、高层酒店的信号覆盖eg.可用无线路由器天线类比

低时延降低技术
（1）. 免授权调度技术：主要用于uRLL场景（预计将在Rel-16版本中冻结）
发送调度申请
最后通过基站授权的资源块发送给基站

将要发送的信息通过预先预留的资源块发送给基站：减少申请和授权流程，降低空口时延

（2） D2D（Device to Device）技术：设备与设备直接通信（预计在Rel-16中版本中冻结）
eg.类比于现有的技术

但是这里所指的是通过基站分配频谱，用于终端与终端直接互联进行用户而数据传输的一种技术

优点：传输距离远（可达1km以上）、传输时延小（不需要基站中转，直接互通）、
频谱效率高（复用校区的频谱资源，提升校区频谱使用效率）

（3）MEC技术（移动边缘计算）
完整的业务时延=空口传输时延+地面接口传输时延（MAX）+设备处理时延
方法：缩短地面传输距离

4G网络核心网在省会城市，而5G时代采用了分层核心网部署，在网络不通位置，分别设施Edge DC（可设置在本地市）、Regional Dc（设置在区域中心城市）和Core DC多级数据中心（视需求部署在全网的中心城市）

eg.低时延的车辆网服务，可以在edge DC部署核心网网关及车联网业务服务器功能，由于
Edge DC距离接入基站只有几公里到十几公里，车辆终端可以通过移动网络与业务服务器的数传距离大幅缩短；此外部署在移动网络边缘的业务服务器能对流量数据进行本地卸载，从而极大地降低对传输网和核心网的带宽的要求

5G新架构

一、5G网络整体架构

物理上：无线基站和各级数据中心
移动接入网络：无线接入网络+承载网络+核心网络完成业务传输控制

NGC（网络功能虚拟化）：主要=xx 控制平面功能网元+用户转发平面功能网元+一些配套的核心网功能网元

5G无线接入网(NG-RAN，Next Generation Radio Access Network)的节点:

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,独立组网需要使用
*由于下一代无线网络中只有一种设备，所以5G基站简称GNodeB
（从前的NGC是烟囱结构、使用专用硬件（EPC IMS）成本高、资源无法共享，软硬合一、扩容复杂、新业务周期长）
NG-eNB：向UE提供E-UTRA用户面和控制面协议终端的节点，并且经由NG接口连接到5GC；向下兼容4G网络，为了不同核心网而生

对于GNodeB 和 NG-eNB，详情可见5G 无线接入网(NG-RAN) 的一些基础概念

承载网络：主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

服务于个人消费者，也服务于各垂直行业客户：有差异场景和需求

满足：5G网络各领域之间应该存在良好的隔离性；5G网络要抑郁部署和维护，并进一步实现基于互联网架构的自动化运营和运维，所以产生云5G移动通信网络

二、核心网架构 NGC

特点：从前的NGC为烟囱结构、使用专用硬件（EPC IMS）成本高、资源无法共享，软硬合一、扩容复杂、新业务周期长）

NFV（network Function是Virtualization）网络功能虚拟化：
NFV网络设备：软件和硬件解耦，设备功能以软件形式部署在同意通用的基础设施上

eg.类比智能手机的底层架构都是ARM，基于该通用硬件用户安装不同的app

CUPS（控制面用户面分离）
传统的核心网控制面和用户面未完全分离
eg.同时处里信令和用户数据

eg.4G核心网EPC主要由MME SGW和PGW等设备构成，MME是纯控制面板设备；PGW要给用户分配IP地址（这是控制面板的功能）

eg.分离可控制面用户面，可以将线部署到用户更近的额、地方降低时延
将核心网用户面网关设备下沉到各个地市的DC机房安装
SBA(基于服务的架构)：网络功能模块化
每个网元只用于一种服务，不同业务选择不同网络功能
好处：方便功能裁剪。快速实现网络部署

三、承载网架构-SDN（软件定义网络）

核心思想：控制和转发分离；软件应用灵活/可编，（源于PC手机领域的变革）
核心技术：网络设备控制码与数据面分离开，并将控制码面集中部署到一套服务器，成为SND控制器
本质：为网络部署一个集中的大脑，实现全局流量和整体最优（使用控制器全局调度算法），完美解决了传统网络路径单一、协议复杂、缺少全局视图的缺点
SDN网络基于集中控制，可以简化运维、实现网络流量自动调度、提高网络利用率

四、无线网架构-Cloud RAN（云化无线接入网）

Cloud RAN实时、非实时拆分、非实时部分云化，提供5G基站的非实时基带数据处理

产品要求：

4G等：采用无线基站BBU

五、端到端切片

采用云计算技术按需定义网络资源，快速时间基于业务的切片slicing，保证安全隔离的前提下支持各种垂直行业的应用

未来移动网络运维特点

5G网络特点

运营商未来将以”业务”为中心：

在5G技术成熟之后，eMBB，uRLL，mMTC将常态化

而运维将逐步迈向自动化、智能化

今后，规则清晰、确定性的工作将会自动化：工具平台云化、断点打通；此外，作业工序简化、工种会进行重整。
而规则不清晰，不确定性的工作，将由“”机器辅助“（人工智能）：需进行数据标注、算法匹配及使用平台实现

智能化的典型应用场景有：故障和性能问题的根因分析；网络性能劣化的预测等。