Zynestro
【大唐杯】5G网络架构与组网部署
2inc
  2023-02-06 22:13:59   2024-07-24 20:23:59    2.8k 字  10 分钟

课程来源：第一章-5G网络架构与组网部署-01

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


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 CU DU 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。

  • 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。

1.1.1 核心网架构演进

  • 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

4G核心网架构

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


“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


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

  • 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

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

1.2.2 5G主要网元功能

主要功能如下图：

UPF（用户面功能）

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）

  • 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

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

NG接口控制面功能流程描述

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

Xn-C接口功能流程描述

Xn-U主要功能

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

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

终端和基站之间的Uu接口
控制面：涉及终端、基站、核心网

NAS层属于控制面功能

用户面：

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

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

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

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


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5GC
  • en-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

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。

控制面协议栈

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

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

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

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

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

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

mMTC

缩略词解释


【大唐杯】5G网络架构与组网部署
2023/02/06/【大唐杯】5G网络架构与组网部署/
作者
2inc
发布于
2023-02-06 22:13
许可
 评论
评论插件加载失败
正在加载评论插件
  1. 课程目标
  2. 目录
  3. 1.1 5G网络架构的演进趋势
    1. 概述
    2. 1.1.1 核心网架构演进
    3. 1.1.2 无线接入网演进
  4. 1.2 5G网元功能与接口
    1. 1.2.1 5G移动通信整体网络架构
    2. 1.2.2 5G主要网元功能
    3. 1.2.3 接口协议及功能
  5. 1.3 5G网络组网部署
    1. 1.3.1 SA组网和NSA组网
    2. 1.3.2 MR-DC技术
    3. 1.3.3 CU/DU组网部署
      1. 缩略词解释
  1. 课程目标
  2. 目录
  3. 1.1 5G网络架构的演进趋势
    1. 概述
    2. 1.1.1 核心网架构演进
    3. 1.1.2 无线接入网演进
  4. 1.2 5G网元功能与接口
    1. 1.2.1 5G移动通信整体网络架构
    2. 1.2.2 5G主要网元功能
    3. 1.2.3 接口协议及功能
  5. 1.3 5G网络组网部署
    1. 1.3.1 SA组网和NSA组网
    2. 1.3.2 MR-DC技术
    3. 1.3.3 CU/DU组网部署
      1. 缩略词解释