5G移动通信系统 课件 第9章 4G-5G融合组网

5G移动通信系统

第九章第九章4G-5G融合组网4G向5G整体演进策略

4/5G网络组网解决方案4/5G网络部署方案小结9.19.29.39.4129.1

4G向5G整体演进策略4G向5G演进路径4G向5G核心网演进发展方案研究5G技术4G网络中的应用9.1.45G标准进展9.1.19.1.29.1.39.1.439.1.14G向5G演进路径目前正值4G向5G转型的重要时期，我国5G时期的TD（TD-SCDMAIndustryAlliance，TD）产业联盟创新生态系统处于技术测试阶段，演进路径还未启动。创新协作链代际演进价值采用链代际演进1、4G网络系统引入增强技术提升容量，夯实5G系统能量基础。2、5G原创技术的研发，包含Polar短码技术、大规模阵列天线、端到端切片等核心技术。1、突破性创新驱动力2、潜在市场需求拉动力3、创新供给侧及创新环境侧政策引导力49.1

4G向5G整体演进策略4G向5G演进路径4G向5G核心网演进发展方案研究5G技术4G网络中的应用9.1.45G标准进展9.1.19.1.29.1.39.1.459.1.24G向5G核心网演进发展方案研究面临问题：4G核心网如何演进到5G核心网相比较于4G演进过程中的分组核心网（EvolvedPackedCore，EPC）组网，5G核心网独立架构的特点是更开放、更灵活以及复杂度高。在3GPP定义中，5G包括两种组网架构，分别为非独立组网(NonStandalone，NSA)和独立组网(Standalone，SA)架构，两者区分依据主要是5G控制面锚点。独立组网SA中，5G基站（NewRadio，NR）作为控制面锚点接入5G核心网（NextGenerationCore，NGC）。5GNR以LTE演进型基站（LongTermEvolutionEvolvedNodeBasesation,LTEeNB）作为控制面锚点接入EPC，或以增强LTE演进型基站（EnhancedLongTermEvolutionEvolvedNodeBasestation，eLTEeNB）作为主基站（即控制面锚点）接入NGC则为NSA。69.1.24G向5G核心网演进发展方案研究NSA网络架构演进：NSA网络架构演进包括三个阶段。初期阶段：主流的商用网络仍是4G，5G网络仅在无线侧部署，4GLTE和5GNR共享4G核心网EPC，4GLTE作为锚点，实现4G和5G互操作。中期阶段：4GLTE升级到增强型的eLTE，4G核心网EPC升级到5G核心网5GC，eLTE和5GNR共享核心网5GC，此时eLTE仍作为锚点实现eLTE与5G的互操作。长期阶段：5G成为主流商用网络，eLTE仍在使用中但开始逐步淘汰，共享5G核心网5GC，5GNR作为锚点，实现eLTE与5G互操作。9.1.24G向5G核心网演进发展方案研究7SA网络架构演进：SA网络架构演进包括两个阶段。初期阶段：直接部署5G网络，包括5GNR基站和5G的核心网5GC，但在该阶段4G网络依然占据主导地位，并且4G与5G网络彼此独立。长期阶段：5G网络在该阶段中将占据主导地位，此时与4G网络共存，包括SA和NSA两种方式的组网。4G与5G融合组网的场景主要是通过双连接来满足用户业务需求，用户支持双连接，即可接入到4G和5G网络，需注意的是5GNR将作为锚点。89.1

4G向5G整体演进策略4G向5G演进路径4G向5G核心网演进发展方案研究5G技术4G网络中的应用9.1.45G标准进展9.1.19.1.29.1.39.1.49.1.35G技术4G网络中的应用9增强的移动宽带（eMBB）5G系统三大应用场景超大连接的机器通信（mMTC）超高可靠与低时延通（uRLLC)eMBB场景旨在提供更高的带宽和网络的速率，可以理解为是对传统移动通信数据业务的增强。mMTC场景旨在提供大量连接需求，但对速率要求较低，为将来的万物互联奠定基础。uRLLC场景主要面向对可靠性和低时延要求较高的业务，例如自动控制等。9.1.35G技术4G网络中的应用10为了实现5G系统的目标，满足多场景应用的需求，运营商采用如大规模MIMO、多接入边缘计算、高阶调制、超密集组网等4G/5G通用技术。在实际部署中，目前最成熟的5G技术4G化应用包括MassiveMIMO和高阶调制传统网路覆盖v.s.Massive

MIMO天线网络覆盖大规模MIMOMassiveMIMO的优势是可以支持更高阶多用户多收多发系统，支持同时传输数据的用户数远超8个，并且3D立体覆盖、范围更广；在降低基站能耗方面，通过较大的阵列增益能提高发射功率的效率，从而实现绿色通信。MassiveMIMO适合于包括宏覆盖和中小面积热区覆盖在内的开阔空间覆盖。119.1.35G技术4G网络中的应用中兴64T／64R5G基站天线实物范例（外观尺寸大概在800*400mm）在TDD系统中，由于存在信道本身的互易性优势，实现起来较为简单，技术产品也相对成熟，目前市场中较为成熟的产品是由中兴研发的TDD系统下的64T／64R天线阵列，其实物范例如图所示。中兴通过部署64T／64R的大规模MIMO基站，可以在完全兼容4G终端的情况下，得到网络流量4-6倍的增益。对于FDD系统MassiveMIMO，需克服上下行信道不互易难点，利用算法进行用户位置及信道状况估计。当前设备是32T／32R，支持单小区8用户，频谱效率可提升4倍。中兴通讯与中国联通、中国电信等运营商联合试验了基于FDD的MassiveMIMO解决方案，受到了国际运营商的关注。MassiveMIMO在技术体制上可以分为时分双工（TDD）系统和频分双工（FDD）系统。129.1.35G技术4G网络中的应用256QAM高阶调制技术IQ调制16QAM、64QAM以及256QAM星座图正交幅度调制（QAM）是现代电信中广泛用于信息传输的数字调制方法，通过将信号加载到两个正交载波上。通常这两个载波为正弦波，通过对这两个载波进行幅度调制来传送符号信息。这两个载波一般被称为同相信号I路（In-phase，I）和正交信号Q路（Quadrature，Q），因此这种调制方法也被称为IQ调制。QAM调制技术优势主要体现为能充分利用带宽、抗噪声能力强等。为了进一步提高频谱效率和系统容量，在相同带宽下提升传输速率，在升级的长期演进技术和5G中引入了更高阶的调制方案256QAM。对于满足该调制技术条件的用户，其下行业务信道中可实现传输8bit/符号，相比较于64QAM调制技术，频谱效率在理论上提高了约33%。139.1

4G向5G整体演进策略4G向5G演进路径4G向5G核心网演进发展方案研究5G技术4G网络中的应用9.1.45G标准进展9.1.19.1.29.1.39.1.4149.1.45G标准进展3GPPRelease153个5G标准：3GPPRelease15、16、173GPP5G标准R15版本时间表按照时间先后分为3个部分：(1)Earlydrop（早期交付）：即支持5GNSA模式，系统架构选项采用Option3，对应的规范及ASN.1在2018年第一季度已经冻结。(2)Maindrop（主交付）：即支持5GSA模式，系统架构选项采用Option2，对应规范及ASN.1分别在2018年6月及9月已经冻结。(3)Latedrop（延迟交付）：是2018年3月在原有的R15NSA与SA的基础上进一步拆分出的第三部分，包含了考虑部分运营商升级5G需要的系统架构选项Option4与7、5GNR新空口双连接等。3GPPRelease15是首个版本的5G标准，该版本的标准主要支持eMBB场景。9.1.45G标准进展3GPPRelease163GPP5G标准R16版本时间表153GPPRelease16中垂直行业的应用和业务提升成为关注的重点，例如自动驾驶领域的基于5G蜂窝网络的车联网通信以及在工业物联网和uRLLC应用场景以5G无线接口代替有线以太网的能力。其标准的重点方向有：1）52.6GHz以上的5G新空口;2）uRLLC场景的普及应用;3）基于LTE和5G的车联网通V2X;4）未授权频谱接入;5）接入回传一体化;6）干扰抑制;7）功耗改进;8）双连接增强;9）设备功能交换9.1.45G标准进展3GPPRelease173GPP5G标准R17版本时间表163GPPRelease17标准工作于2019年已开始启动，预计2022年6月将完成冻结，该版本的标准将增强Release15及16标准中的定义的功能，并增加新特性，服务于更多的行业及业务。目前在讨论中的潜在方向包括：1）NRLight：针对中档NR设备（例如MTC、可穿戴等）运作进行优化设计；2）小数据传输优化：小数据包/非活动数据传输优化；3）直通链路增强：SL是端到端直联通信采用的技术，R17会进一步探索其在V2X、商用终端、紧急通信领域的使用案例，实现这几个应用中的最大共性；4）多用户识别模块卡操作：研究采用多SIM卡操作时对无线接入网的影响及规范的影响；5）覆盖增强：明确所有相关场景的要求，重点是实现全覆盖；6）非陆地网络NR：NR支持卫星通信相关标准化；7）定位增强：实现低延时、高可靠以及厘米级别精度的覆盖，包括工厂、校园定位，IoT以及V2X定位；8)无线接入网RAN数据收集增强：采集数据以实现智能运营，包括自组织网络和驾驶测试最小化；9)窄带物联网和eMTC场景的增强；11)MIMO增强技术；12)系统综合接入与回传增强；13)非授权频谱NR增强；14)节能增强。第九章4G-5G融合组网4G向5G整体演进策略

4/5G网络组网解决方案4/5G网络部署方案小结9.19.29.39.4179.24/5G网络组网解决方案传统核心网向虚拟化核心网演进核心网的演进18传统核心网主要是基于传统的平台，各网元之间完全相互独立。这种情况下的劣势是资源利用率低，高度依赖设备供应商。在核心网虚拟化的初级阶段，传统核心网与虚拟化核心网共存。9.24/5G网络组网解决方案4G/5G融合组网架构4G/5G融合组网架构图194G和5G组网融合：包括三个方面，即网络、数据和业务的融合。对从目前演进过程来看，最优先考虑的三个融合问题是用户签约数据融合、业务策略数据融合以及业务连续性。典型的4G与5G融合组网架构：归属签约用户服务器（HSS）+通用数据管理(UDM)、策略和计费规则功能网元（PCRF）+策略管控功能（PCF)、分组数据网关控制面功能（PGW-C）+会话管理功能（SMF）和分组数据网关用户面功能（PGW-U）+用户面功能(UPF)。需注意的是接口N26是否被采用应视运营商的实际情况而定。9.24/5G网络组网解决方案4G/5G融合组网架构20通过部署融合网元，4G和5G可以通过内部已有的接口实现主要交互，无需再单独定义新的接口；另外，可实现数据和用户的状态的统一管理。统一的流量管理可以通过PCF与PCRF融合部署来实现，用户流量可实现不同接入方式下的统一控制，另外，可对用户服务质量（QoS）进行实际、同步映射，以确保用户体验和监管。若不采用PCF与PCRF融合部署，则对于同一用户接入多个设备的情况无法实现流量累积管理，难以同步用户流量数据，因此会造成业务处理的难度增加。4G和5G在更新换代的过程中，其业务的连续性主要依赖于UPF+PGW-U、SMF+PGW-C的融合部署。一方面可实现无缝切换确保用户体验不被技术的更新影响；另一方面这种融合部署对接入制式不敏感，用户在切换过程中不需要更改锚点，因此大大节省业务处理资源。如果不采用这种融合部署方式，则由网络切换带来的用户IP地址的改变，可能会影响用户体验和业务的连续性，并且多次业务处理增加了网络负担。UDM+HSS融合部署使用统一的鉴权中心(AUC)，鉴权标识向量无需二次获取。这种融合方式便于在业务运营支撑系统（BOSS）进行统一管理，大大减少了维护的难度。若不采用融合部署模式，则双方需要通过对应的接口进行鉴权，并且还需要考虑不同网元间数据与操作是否一致，这大大增加了流程复杂度。9.24/5G网络组网解决方案方案一：独立叠加21优势：AMF频繁的升级不会影响4G网络的稳定性运行缺点：MME与AMF分开部署，导致了4G与5G互操作网元间信令交互多及互操作时延较大，同时4G/5G两套网络独立维护，节点管理的工作量也较大MME的演进主要有保持MME继续独立部署与MME/AMF合设两种思路，具体来说有以下三种可能的方案：1）独立叠加；2）合设叠加；3）合设融合。新建MME（或vMME），新建的MME与传统MME混合组Pool，MMEPool与AMFPool之间继续通过N26接口实现4G/5G互操作。9.24/5G网络组网解决方案方案二：合设叠加22优势：可实现虚拟机、内存等资源的共享，较非融合方式资源利用率有所提升，同时减少了网元类型，简化了运维。缺点：(1）AMF频繁升级可能影响4G网络的稳定运行。(2）规划困难。(3）传统MMEPool与AMF/MMEPool间负载不均衡。现网AMF升级为AMF/MME融合网元，AMF/MME融合网元单独组MMEPool，与现网MMEPool分开，同时LTE基站需要升级或配置支持同时连接多个MMEPool。9.24/5G网络组网解决方案方案三：合设融合23优势：基本同方案二。缺点：Pool内传统MME与AMF/MME融合网元间的负载不均衡。AMF/MME融合网元在现网AMF基础上升级，AMF/MME融合网元与现网MME在相同厂家的条件下共同组Pool。9.24/5G网络组网解决方案4G/5G互操作处理流程N26接口未部署时的互操作244G/5G融合组网两种4G/5G互操作N26接口部署时的互操作假如未部署N26接口，网络侧的双注册能力将在UE的初始过程中被指示，该指示功能可以帮助UE决定目标网络注册是否在互操作功能之前触发。若用户以双注册模式注册到网络后发生移动，可借助于N26接口和重注册指示功能（网络层）进行重新注册请求，并且将使用单注册模式而非双注册模式。在N26接口部署的情况下，无需双注册模式，仅单注册模式即可。这是因为N26接口可以实现会话管理状态和移动性管理状态在两种通信网络间的传送，即户在两种通信网络下的无缝切换可以实现。9.24/5G网络组网解决方案双注册与单注册单注册模式在同一时间内用户只保持EPC或者5GC注册管理状态中的一种。双注册模式用户可同时保持EPC和5GC这两种注册管理状态。25第九章4G-5G融合组网4G向5G整体演进策略

4/5G网络组网解决方案4/5G网络部署方案小结9.19.29.39.426279.34/5G网络部署方案网络部署策略整体建议基于多级DC的核心侧部署策略网络接入侧部署模式9.3.19.3.29.3.39.3.1网络部署策略整体建议网络部署策略的三个阶段部署策略整体建议28伴随着虚拟化技术的逐步演进，核心网虚拟化过成为一个必然的趋势。在其虚拟化的过程中，引入了管理自动化及网络编排功能（MANO），该功能使得网络管理、运营和维护逐渐趋于融合与统一。在4G演进到5G的进程中，网络的运营管理也随之演进。包括以下三个阶段：初期阶段：虚拟化网络与传统网络并存，此时两套分割的网管运维系统并存。中期阶段：出现对新旧网络协同管理的需求于是在引入新的协同编排器统一对新旧网络进行管理，但是新旧网络仍然是分开实施。后期阶段：新旧网络完全融合，并且其运营管理已经成熟，不再区分新旧网络，编排器功能按统一的策略进行编排管理。299.34/5G网络部署方案网络部署策略整体建议基于多级DC的核心侧部署策略网络接入侧部署模式9.3.19.3.29.3.39.3.2基于多级DC的核心侧部署策略多级DC的核心侧部署策略30多级DC部署规划示意图多级DC部署是5G时代应对低时延、大带宽业务需求的方案，一般5G网络我们规划2-3级DC，分别是中心DC、区域DC和边缘DC。对于垂直行业应用的专网UPF和MEC，规划部署在边缘DC；公网UPF以及针对垂直行业的控制面网元规划部署在区域DC；其余控制面网元、用户数据平台、IP多媒体系统（IMS）等部署在中心DC。多级DC也是按需分阶段部署，首先部署中心DC然后是区域DC，而边缘DC按需部署。在实际多级DC部署中，通常考虑基本原则：1)多级DC设置主要是为了满足不同业务续期需求，例如低时延高可靠业务尽量靠近用户侧，而控制面和管理功能尽量集中在中心DC；2)多级DC根据实际网络规模设置，中小规模网络可以设置两级DC，大规模网络设置三级DC；3)DCI（DataCenterInterconnect）是DC间的承载管道，随着DC机房改造承，载网作相应的升级改造。319.34/5G网络部署方案网络部署策略整体建议基于多级DC的核心侧部署策略网络接入侧部署模式9.3.19.3.29.3.39.3.3

网络接入侧部署模式无线接入网的概念及演进无线接入网：交换机与用户之间以无线电技术为传输手段的通信网络。它可以用无线传播的方式来代替部分甚至全部的接入网来为用户终端提供服务，其优势是灵活性高、成本较低以及传输距离较大。通常情况下，无线接入网用基站来指代。329.3.3

网络接入侧部署模式无线接入网的概念及演进基站示意图33基站设备和配套设备是一个基站的基本配置。这其中，基站设备中有基带单元（BBU），射频单元（

RRU）和天线；配套设备有传输设备、电源、备用电池、空调、监控系统和铁塔（抱杆）等。基站设备负责通过无线电波连接手机，并通过传输设备连接到核心网络和互联网；而电源、备用电池、空调和监控系统负责保障基站设备稳定运行。对于4G基站和5G基站来说，在基站设备组成上是有差异的，但它们的配套设备基本一致。9.3.3

网络接入侧部署模式无线接入网的概念及演进传统RANvs.C-RANC-RAN架构优势：降低功率，减少干扰，提升频谱效率34在C-RAN架构下，BBU和RRU彼此分离的方式将继续被使用，不过由于RRU与天线距离无限缩小，信号通过馈线的衰减也大幅度降低；与此同时，BBU被迁移到中心机房（CO），并集中在一起形成BBU基带池。9.3.3

网络接入侧部署模式无线接入网的概念及演进5G时代基站形态演进在5G时代，为了满足5G场景的需求，接入网方式有了很大变化。5G基站设备被重构为3个功能实体：集中单元（CentralizedUnit，CU）和分布单元（DistributedUnit，DU），并通过光纤与有源天线单元（ActiveAntennaUnit，AAU）连接。35其中重新定义的CU是由原BBU的非实时部分将分割出来，负责处理非实时协议和服务；原BBU的剩余功能来定义了DU，主要负责物理层协议和实时服务；AAU是由BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并完成。拆分BBU功能、下沉核心网可以满足5G不同场景的需求，因为在不同的场景对网络特性的需求是不一样的，包括网速、时延、连接密度、能耗等。9.3.3

网络接入侧部署模式接入侧网络部署模式不同频段下组网架构选项和典型组网模式选项4G和5G网络接入侧有很多种部署模式，涉及到频段特性、带宽、时延、传输条件等。在组网架构方面涉及到SA和NSA；在组网模式（即无线接入网模式）方面由涉及到D-RAN，C-RAN和CU集中。369.3.3

网络接入侧部署模式一些典型组的部署模式NSA&D-RAN模式：承载eMBB业务，Backhaul带宽需求一般在5-10Gbps，时延在10ms以内。其部署方案如下：4GBBU升级做5G锚点，后期可切换到与5G共ITBBU；5G新建，AAU、CU、DU共站点，采用ITBBU；4G/5G之间、基站与微波间采用10G接口；站点微波改造为高宽带的E-Band或Multi-Band微波；PTN（PacketTransportNetwork,传送网）RAN与IPRAN承载利旧扩容，4G与5G共承载；弹性的以太网（Fl