5G简介--From RF wireless world

5G NR简介

什么是5G新无线电（5G NR）：
它是向LTE Advanced和LTE Advanced Pro无线技术的演进。它支持多种频谱，多样化服务和多样化部署。它提供了先前无线技术的主要性能，成本和效率改进。此外，它还为下一代无线设备提供了向后兼容的增强功能。5G NR标准发布于R15及更高版本。

与4G相比，5G技术可以处理1000倍的流量，速度提高10倍。五种技术合并在一起，使5G达到这些规格。它们是毫米波，小型蜂窝，大规模MIMO，波束成形和全双工。

5G是第五代的缩写。它用于指定第五代移动技术。5G使得可以使用具有更大带宽的移动电话。它是一种分组交换无线系统。它用于覆盖广泛区域并用于提供更高的吞吐量。它使用CDMA，BDMA和毫米波（用于回程无线连接）。它使用改进的先进数据编码/调制技术。它在完全移动性时提供大约100 Mbps，在低移动性时提供1 Gbps。它使用智能天线技术来支持更高的数据速率和覆盖范围。

5G技术的特点或优势

5G技术利用了所有现有的蜂窝无线技术（2G，3G和4G）。除了高吞吐量之外，它还为该技术的用户和提供商提供了以下功能。
?为服务提供商带来更高的收入。
?互操作性将变得可行且更容易。
?电池电量低。
?更好的覆盖范围和单元边缘的高数据速率。
?同时存在多个数据传输路径。
?更安全
?基于SDR（软件定义无线电）的灵活架构。
?更高的系统频谱效率
?对人类健康无害
?由于部署基础设施成本降低，费用更低
?更好的QoS（服务质量）
?终极下载和上传速度为用户提供了良好的体验，如宽带有线互联网
?大多数设备（如5G加密狗）都可以使用USB电源，因此在电力切断非常普遍的发展中国家更好。

4G和5G差异

基于5G的重点研究项目

基于5G的各种项目正在进行中，由5G-PPP管理和管理。这些项目包括5G-NORMA，5G-ENSURE，CHARISMA，COGNET，XHAUL，mmMAGIC，SPEED-5G，Flex5Gware，FANTASTIC 5G等。

5G-PPP是5G基础设施公私合作伙伴关系的缩写。它由欧盟委员会，制造商，运营商，研究人员和中小企业发起。5G-PPP将提供用于电信的下一代解决方案，技术，标准和架构。

5G频段

5G无线技术中使用的频率分为三个部分即。低于1 GHz，1-6 GHz和高于6 GHz频段。

低于6GHz的低5G频段

下表1列出了全世界的国家5G频段划分。这些是在6 GHz以下使用的较低5G频段。

印度的5G频段由政府拍卖，供电信运营商收购，以便提供服务。

更高的5G频段，以毫米波为单位

下表2列出了全世界的国家5G频段划分。这些是在6 GHz以上使用的更高的5G毫米波段。

当时（即2017年4月25日）编写此页面时，试用和测试正在进行中，然后商业推出5G无线技术。除上述5G频段外，其他提供5G业务的频率还包括600MHz，700MHz，800MHz，900MHz，1.5GHz，2.1GHz，2.3GHz，2.6GHz等。这些频率用于各种应用，包括家庭和工业自动化，IoT（物联网）等。请参阅以下教程链接，了解5G和5G毫米波技术。

5G网络架构

5G网络架构由所有RAN，聚合器，IP网络，纳米核等组成.5G协议栈由开放式无线架构，低层和高层网络层，开放传输协议和应用层组成。这些已在下面用附图解释。该教程还根据12月发布的3GPP文档提供5G NR（新无线电）架构。2017年。

5G网络架构

图-1描绘了5G网络架构。这是通用架构。如图所示，5G网络使用平坦IP概念，使得不同的RAN（无线电接入网络）可以使用相同的单个Nanocore进行通信。5G架构支持的RAN包括GSM，GPRS / EDGE，UMTS，LTE，LTE-advanced，WiMAX，WiFi，CDMA2000，EV-DO，CDMA One，IS-95等。

平面IP架构使用符号名称识别设备，而不像使用普通IP地址的分层架构。这种架构减少了数据路径中的网络元素数量，从而更大程度地降低了成本。它还最小化延迟。

5G聚合器聚合所有RAN流量并将其路由到网关。5G聚合器位于BSC / RNC位置。5G移动终端为每个RAT提供不同的无线电接口，以便为所有频谱接入和无线技术提供支持。

5G网络架构中的另一个组件是5G纳米核心。它由纳米技术，云计算，全IP架构组成。

云计算利用互联网以及中央远程服务器来维护用户的数据和应用。它允许消费者在没有任何安装的情况下使用应用程序，并使用互联网从全球任何计算机访问其文件。

全球内容服务提供商支持以下应用：
?搜索引擎?教育?公共门户?私人门户?政府?医疗?运输?银行等

5G NR（新无线电）架构

5G NR整体架构如下图-2所示。这如3GPP TS 38.300规范中所定义。

如图所示，gNB节点向UE（即智能手机，平板电脑，笔记本电脑等5G终端设备）提供NR用户平面和控制平面协议终端，并通过NG接口连接到5GC。ng-eNB节点向UE提供E-UTRA（即LTE）用户平面和控制平面协议终端，并且经由NG接口连接到5GC。
这里AMF代表访问和移动管理功能，UPF代表用户平面功能。

3GPP TS 38.401描述了5G NR用户平面和控制平面以及具有各种接口（NG，Xn和F1）的5G NR RAN架构以及它们与无线电接口（Uu）的交互。在下图-3和图4中描述了相同的情况。5G智能手机通过Uu无线接口与5G-RAN交互。5G RAN与5GC（5G核心网络）进行交互。

Uu和NG接口上的协议分为用户平面协议和控制平面协议。用户平面协议实现实际的PDU会话服务，该服务通过接入层承载用户数据。控制平面协议从各个方面控制PDU会话和UE与网络之间的连接，包括请求服务，控制不同的传输资源，切换等。还包括用于透明传输NAS消息的机制。

NG-RAN由一组通过NG接口连接到5GC的gNB组成。gNB可以支持FDD模式，TDD模式或双模式操作。gNB可以通过Xn接口互连。gNB可以由gNB-CU和一个或多个gNB-DU组成。gNB-CU和gNB-DU通过F1接口连接。NG，Xn和F1是逻辑接口。

5GC（5G核心）网络架构具有高度灵活性，模块化和可扩展性。它提供许多功能，包括网络切片，以满足客户的生动要求。它提供分布式云，NFV（网络功能虚拟化）和SDN（软件定义网络）。

以下是接口和节点，如图1和图2所示。
?NG-C：NG-RAN和5GC之间的控制平面接口。
?NG-U：NG-RAN和5GC之间的用户平面接口。
?gNB：节点向UE提供NR用户平面和控制平面协议终端，并通过NG接口连接到5GC。5G NR（新无线电）gNB连接到5GC（5G核心网络）中的AMF（接入和移动性管理功能）和UPF（用户平面功能）。协议层映射为三个单元即。RRH（远程无线电头端），DU（分布式单元）和CU（中央单元）如图2所示。 
·ng-eNB：节点向UE提供E-UTRA用户平面和控制平面协议终端，并通过NG接口连接到5GC。

如图2所示，存在朝向5G核心网络（5GC）的控制平面和用户平面接口。以下是5G NR接口的位置和功能。

5G NR Xn接口

?位置：Xn接口位于NG-RAN节点之间。gNB和ng-eNB。
?控制平面功能如下： - 接口
管理和错误处理（例如，建立，重置，删除，配置更新）
- 连接模式移动性管理（切换过程，序列号状态转移，UE上下文检索）
- 支持RAN分页 - 
双向连接功能（辅助节点添加，重新配置，修改，释放等）
?用户平面功能如下：
- 数据转发 - 流量
控制
?参考：TS 38.420至TS 38.424

5G NR NG接口

?位置：5G RAN和5G核心网之间。控制平面和用户平面都位于它们之间，因此在NG接口下有两个接口即。NG-C和NG-U。它类似于LTE接口即。分别为S1-C和S1-U。
?功能/目标：
-NG接口支持NG-RAN和5GC之间的信令信息交换。
- 它定义NG-RAN节点与不同制造商提供的AMF的互连。
- 它指定了NG接口无线网络功能和传输网络功能的分离，以便于引入未来的技术。
?功能：
- 用于建立，维护和释放PDU会话的NG-RAN部分的过程
- 用于执行RAT内切换和RAT间切换的过程
- 用于用户特定信令管理的协议级别上的每个UE的分离
- UE和AMF之间的NAS信令消息的传送

- 用于分组数据流的资源预留的机制
?参考：从TS 38.410到TS 38.414

5G NR E1接口

?位置：从逻辑角度来看，E1接口是gNB-CU-CP和gNB-CU-UP之间的点对点接口，如图2所示。
?功能： 
-E1接口支持端点之间的信令信息交换。
- 它分离无线电网络层和传输网络层。
- 使得能够交换UE相关信息和非UE相关信息。
?参考文献：从TS 38.460到TS 38.463

5G NR F1接口

?位置：gNB-CU和gNB-DU之间。它还根据控制平面和用户平面功能分为F1-C和F1-U。 
?功能：
-F1接口定义由不同制造商提供的gNB-CU和gNB-DU的互连。
- 支持控制平面和用户平面分离。
- 它分离无线电网络层和传输网络层。
-F1接口使得能够交换UE相关信息和非UE相关信息。
?参考文献：从TS 38.470到TS 38.475

5G NR F2接口

该界面位于5G NR物理层的下部和上部之间。它还根据控制平面和用户平面功能分为F2-C和F2-U。

5G协议栈

下面的图5描述了5G协议栈，提到了用OSI栈映射的5G协议层。当前的5G协议栈由OWA层，网络层，开放传输层和应用层组成。

OWA层： OWA层是开放无线架构层的缩写形式。它用作OSI堆栈的物理层和数据链路层。 
网络层：用于将数据从源IP设备路由到目标IP设备/系统。它分为下层和上层网络层。 
开放传输层：它结合了传输层和会话层的功能。 
应用层：它根据所需的适当格式标记数据。它还对数据进行加密和解密。它为给定的服务选择最佳的无线连接。

5G NR无线电协议架构

图6描绘了3GPP TS 38.300中定义的5G NR（新无线电）的无线电协议架构。

UE和gNB侧的协议层在图中示出用于用户平面和控制平面功能。

5G协议栈，即第1层，第2层和第3层. 5G第1层是物理层。5G层-2包括MAC，RLC和PDCP。5G层-3是RRC层，如5G协议栈所示。

图1描绘了由用户平面和控制平面协议层组成的5G协议栈。

5G Layer 1 | 5G物理层

以下是5G第1层的功能，即物理（PHY）层。
?传输信道上的错误检测和更高层的指示
? 传输信道的FEC编码/解码
?混合ARQ软组合
?编码传输信道与物理信道的速率匹配?编码传输信道到物理信道的映射
?功率物理信道的加权
? 物理信道的 调制和解调
?频率和时间同步
?无线电特性测量和对更高层的指示
?多输入多输出（MIMO）天线处理
?发送分集（TX分集）
?数字和模拟波束成形
?RF处理

5G Layer 2 | 5G MAC，RLC，PDCP层

以下是5G第2层即MAC子层的功能。
?波束管理
?随机接入过程
?逻辑信道和传输信道之间的映射
?属于一个逻辑信道的多个MAC SDU与传输块（TB）的串联
?属于一个或不同逻辑信道的5G-MAC SDU的复用/解复用/传输到/来自传输信道上物理层的传输块（TB）
?调度信息报告
?通过HARQ进行纠错
?一个UE的逻辑信道之间的优先级处理

?通过动态调度在UE之间进行优先级处理
?传输格式选择
?填充

以下是5G第2层即RLC子层的功能。
?上层PDU的传输
?通过ARQ进行纠错（仅适用于AM数据传输）
?5G-RLC数据PDU的重新排序（仅适用于UM和AM数据传输）
?重复检测（仅适用于UM和AM数据传输）
?协议错误检测（仅适用于AM数据传输）
?5G-RLC SDU丢弃（仅适用于UM和AM数据传输）
?分段（仅适用于UM和AM数据传输）
?重新分配（仅适用于AM数据传输）
?5G-RLC重建

以下是用户平面中的5G第2层即PDCP子层的功能。
?用户数据的传输
?5G-RLC AM的5G-PDCP重建过程的上层PDU的按顺序传送?5G-RCP AM的5G-PDCP重建过程中重复检测低层SDU 
?重传5G-PDCP SDU在连接模式下的移动性，用于5G-RLC AM 
?加密和解密（注意：只有AES必须是必须的）
?上行链路中基于定时器的SDU丢弃

以下是用户平面中的5G第2层即PDCP子层的功能。
?加密和完整性保护（注意：只应强制使用AES） 
?传输控制平面数据

5G Layer 3 | 5G RRC层

以下是5G层3即RRC层的功能。
?向NAS和AS广播系统信息。
?建立，维护和释放RRC连接。 
?安全性，包括密钥管理
?点对点无线电承载的建立，配置，维护和释放。 
?移动功能沿着小区添加和小区释放
?UE测量报告，UE报告的控制，基于UE的移动性
?NAS从/向UE的NAS直接消息传输到NAS

5G NR部署场景或模式

根据2017年12月发布的3GPP规范，将部署5G NR（新无线电）的不同阶段。我们知道LTE已经部署了全球吞吐量，即4G（第四代）技术。为了快速部署5G NR，最初它将与LTE共存。稍后，一旦技术成熟并且所有3GPP规范都得到批准，它将被部署为独立的RAT。根据各种蜂窝网络位置的RAT可用性，5G NR智能手机还可以在这两种模式（一次一个）上运行。

为了支持RAT（即LTE和5G NR），移动电话或智能手机应该同时支持RAT。只有LTE支持的智能手机才能在5G NR网络中运行。同样，如果支持LTE RAT，5G NR支持的智能手机将无法在LTE网络中运行。

5G NR架构

?图1描绘了5G NR整体架构。这如3GPP TS 38.300规范中所定义。
?gNB节点向UE提供NR用户平面和控制平面协议终端，并通过NG接口连接到5GC。
?ng-eNB节点向UE提供E-UTRA用户平面和控制平面协议终端，并且经由NG接口连接到5GC。

5G NR非独立（NSA）模式| 5G NR独立（SA）模式

主要有两种模式。非独立（NSA）和独立（SA）基于单个或组合的RAT操作。这显示在图-2中。以下部分提到了5G非独立UE模式和独立UE模式之间的差异。

5G NR非独立（NSA）模式

?在此模式下，必须连接到LTE小区和5G小区。
?在此非独立模式下，LTE用于控制（C平面）功能，例如呼叫始发，呼叫终止，位置登记等，其中5G NR将仅关注U平面。 
?在此模式下，通过LTE RAT交换5G无线电控制参数。为此，应将功能添加到eNB。 
?UE监视LTE RAT上的寻呼信道。

5G NR独立（SA）模式

?在此模式下，UE仅通过5G RAT工作，不需要LTE RAT。
?在此模式下，5G单元用于C平面（控制平面）和U平面（用户平面），以处理信令和信息传输。
?在此模式下，通过5G NR RAT交换5G无线电控制参数。
?UE监控5G小区上的寻呼信道。

如图3所示，非独立模式UE需要LTE eNB小区和EPC用于信令和信息传输在5G NR小区上进行。独立模式UE需要5G NR小区和5G CN（核心网络）用于信令和信息传输。

5G NR同构模式| 5G NR异构模式

有两种模式即。基于LTE和5G RAT中的覆盖或容量要求的同构和非同构（即异构）。
?  同构模式：在该模式中，LTE基站（即ng-eNB）和5G NR基站（即gNB）都提供相同的覆盖范围。
?  异构模式：在此模式下，LTE和5G NR基站都服务于不同的覆盖区域。覆盖范围较小的小区将支持更高的容量，反之亦然。因此，LTE和5G NR小区既可用作小型小区，也可用作宏小区，反之亦然。

5G逻辑信道

上行链路和下行链路中使用的逻辑信道和传输信道以及它们之间的映 5G逻辑信道包括xBCCH，xCCCH，xDCCH，xDTCH等.5G传输信道包括xBCH，xDL-SCH，xRACH，xUL-SCH等。

这些5G信道用于通过5G协议栈中的MAC层提供不同种类的数据传输服务。

5G逻辑通道| xBCCH，xCCCH，xDCCH，xDTCH

5G逻辑信道根据其功能进一步划分为控制信道和业务信道。它们如下所述。

每个5G逻辑信道由它们传输的信息类型定义。逻辑信道分为如下两组。
?  控制通道：用于传输控制平面相关信息。
?  流量通道：用于传输用户平面相关信息。

5G控制通道

在表1之后提到仅用于传输控制平面信息的5G控制信道。5G-MAC提供的控制信道是xBCCH，xCCCH和xDCCH。

5G业务信道| XDTCH

?5G流量信道仅用于传输用户平面信息。
?xDTCH是5G无线技术中唯一使用的专用流量信道。
?它是专用于单个UE的点对点信道。
?它包含用户信息。
?它存在于下行链路（从5G-NB到UE）和上行链路（从UE到5G-NB）。

逻辑信道和传输信道之间的映射

该图描绘了上行链路和下行链路中的逻辑信道和传输信道之间的映射。 
如下所示是上行链路侧的映射。
?xCCCH信道可以映射到信道
xUL -SCH ?xDCCH信道可以映射到信道
xUL -SCH ?xDTCH信道可以映射到信道xUL-SCH

如下所示是下行链路侧的映射。
?xBCCH信道可以映射到信道xBCH
?xCCCH信道可以映射到信道xDL-SCH 
?xDCCH信道可以映射到信道xDL-SCH
?xDTCH信道可以映射到信道xDL-SCH

5G传输信道| xBCH，xDL-SCH，xRACH，xUL-SCH

5G传输信道由5G物理层（即第1层）基于其功能使用。它们如下所述。

5G TDD和FDD

比较了5G FDD与5G TDD，并描述了5G无线网络中FDD与TDD 之间的差异。FDD代表频分双工，TDD代表时分双工。

简介：
?FDD和TDD都是移动通信网络中使用的两种频谱使用技术，如移动WiMax，LTE，5G等。
?在FDD模式下，上行链路和下行链路都可以在不同的频谱频率上同时传输。
?在TDD模式下，上行链路和下行链路在不同时间使用相同的频谱频率。
? 在LTE无线网络中使用FDD与TDD >>。

?图1描绘了TDD和FDD拓扑。
·如图所示，两个不同的载波频率"Fc1"和"Fc2"分别在同一时间"t1"用于上行链路和下行链路。下行链路与频谱的上部相关，而上行链路与频谱的下部相关，在这些部分之间具有保护频带（即双工间隙）。
·在上行链路和下行链路传输目的的不同时刻"t1"和"t2"使用相同的载波频率"Fc"。

在28 GHz TDD模式下，5G-TF使用的频率范围从27500.5（低）到28349.5 MHz（高），中心频率为27925 MHz，带宽为850 MHz。该5G频带用于下行链路和上行链路。下行链路是指从5G基站（或NB）到5G UE或移动电话的传输。上行链路是指从5G UE到5G NB的传输。

5G FDD

图2描述了5G FDD场景。如图所示，相同的天线阵元与双工器接口。器件RF双工器分别为PA（功率放大器）和LNA（低噪声放大器）分离发送和接收频率。如上所述，FDD使用两个唯一频率，一个用于下行链路，另一个用于上行 因此，通信在两个方向上同时发生。

5G波束成形模块中的本地振荡器使用23.2至23.9 GHz范围内的频率。这种LO频率与接收到的RF频率相比，在下变频时将产生大约4.4GHz的IF频率。该下变频频率提供给LNA模块。这种LO频率与IF频率相比将在上变频中产生28 GHz频段的RF频率。该上转换频率被提供给PA模块。

5G TDD

图-3描述了5G TDD场景。如图所示，相同的天线阵元与SPDT开关/滤波器接口。它在不同的时刻仅使用一个RF频率进行发送/接收操作。如图所示，SPDT（单刀双掷）开关用于在相同频率下一个接一个地将单个天线元件与PA / LNA接口。在与SPDT开关连接之前，PA输出被过滤。在与LNA连接之前，类似地接收的RF信号被滤波。图2和图3都是5G手机或5G智能手机中使用的波束形成模块的一部分。

下表总结了5G FDD和5G TDD版本。

图像2和图像3的参考：
关于"5G蜂窝用户设备：从理论到实际硬件设计"的论文，于1717年7月18日在IEEE Access上发表，由YIMING HUO1，XIAODAI DONG1和WEI XU2发表

5G网络切片

什么是网络切片？
网络切片有各种定义。从移动运营商的角度来看，它可以定义为独立的端到端逻辑网络，它运行在共享的物理基础设施上，提供协商的服务质量。实现网络切片的技术对其业务客户是透明的。

例如，5G网络切片跨越5G网络的多个部分，包括5G终端，5G RAN（无线接入网络），5GC（核心网络）。5G网络切片也可以部署在多个运营商之间。网络片由专用和/或共享资源组成，例如在存储，处理能力和带宽方面。一个网络片与系统中的其他网络片隔离。

以下是领域专家关于网络切片的引用。
?BrunoJacobfeuerborn（德国电信首席技术官）："网络切片被认为是支持5G时代多种服务的关键推动因素......" 
?ChaobinTang（Presient，5G产品线，华为）："5G网络切片可以启用基于移动网络的逻辑隔离网络......运营商，供应商和垂直行业参与者应该合作，为5G切片网络的商业化铺平道路。" 
?UlfEwaldsson（爱立信高级副总裁兼首席技术官）："......网络切片技术对于网络成为新型应用的创新平台至关重要，从而满足人们，企业和社会的未来期望。"

网络切片口味和类型

网络切片类型是基于功能或行为角度定义的。因此，移动网络运营商可以部署满足多个垂直需求的单一网络片类型，或者可以部署多个不同的网络片类型，这些类型被打包为单个产品以满足不同的业务客户。以下是网络切片的不同风格。
?  垂直切片：这种类型以行业为重点，旨在整体服务于垂直。如图1所示。这些应用包括公共安全，物联网，IPTV等。
?  水平切片：此类型是用户，设备和应用程序专注于服务大量用例。这显示在图-2中。这些应用程序包括下载，上传以及BE，延迟敏感，容量敏感，对称流量类型等。
?  静态切片：这些是永久使用的固定切片，例如M2M和IoT。 
?  动态切片：这是一种实时传送切片的演进方法。

网络切片可广泛应用于汽车，公用事业，物流，媒体娱乐，工业互联网，金融，健康，智能城市等行业。网络切片可定制。以下网络功能和网络服务是定制的。
?网络能力参数，如延迟，安全性，能效，大规模连接，移动性，可达性，吞吐量，保证QoS等。
?网络服务参数，如大数据，本地化，边缘计算，云存储，动态计费，平台安全，ID管理等

5G网络切片功能

以下是5G网络切片的功能。
?4G网络无法实现未来所需的各种服务。5G网络的灵活性和快速性在网络切片的帮助下满足了这些要求。
?5G网络切片使服务提供商或运营商能够构建虚拟端到端网络，以满足广泛的应用需求。移动宽带（用于娱乐），M2M / Massive IoT（用于零售运输制造），低延迟关键物联网（用于汽车医疗）等。
?它有助于针对不同用例进行网络优化。它有助于降低运营商的CAPEX / OPEX。 
?它有助于自动化和可编程性。
?它隔离了控制平面和数据平面，因此可以有效地利用共享资源。

原文地址：https://www.cnblogs.com/LearnFromNow/p/10078053.html