《现代移动通信技术与系统（第3版）》课件 项目六 5G移动通信系统

移动通信技术与系统《移动通信技术与系统》课程团队项目一移动通信认知项目二移动通信关键技术项目三移动通信工程技术项目四移动性管理课程目录项目五4G移动通信系统项目六5G移动通信系统任务6.15G概述任务6.25G系统结构任务6.35G关键技术任务6.4VONR技术项目六5G移动通信系统任务6.15G概述【重点】基本概念、5G典型业务应用【难点】5G发展驱动力【目标】掌握5G的三大场景、8个关键能力要求、5G典型业务应用。1.基本概念电磁波频谱特性频率越低，传播损耗越小，覆盖距离越大，但频率资源有限；频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越小，但频率资源丰富。1.1电磁波频谱特性1.基本概念1.2无线电应用1.基本概念1.3为什么要发展5G？1.基本概念1.3为什么要发展5G？1G-4G1G2G3G4G问题：我们还需要5G吗？1.基本概念1.3为什么需要发展5G？主要解决语音通信的问题发展了多媒体通信，并提高了安全性，最高理论速率为14.4Mbps可支持窄带的分组数据通信，最高理论速率为236kbps专为移动互联网而设计的通信技术，传输速度可达100Mbit/s，甚至更高密集人群的痛点2视频通话的痛点1自动驾驶的痛点34G技术遗留的痛点1.基本概念1.3为什么需要发展5G？5G总体愿景：“信息随心至，万物触手及”5G将渗透到未来社会的各个领域，为不同用户和场景提供灵活多变的业务体验，最终实现“信息随心至，万物触手及”的总体愿景，开启一个万物互联的时代。2.5G发展的驱动力2.15G总体愿景2.5G发展的驱动力2.2ITU对5G愿景的描述-三大场景5G将通过支持增强移动宽带（eMBB）、低时延高可靠性连接（uRLLC）和海量机器连接（mMTC）三大场景，以满足网络能力极端化、网络能力差异化以及网络融合的多样化的业务需求，开启一个万物互联的新时代。2.5G发展的驱动力2.2ITU对5G愿景的描述-关键能力要求

国际电信联盟-无线通信部（ITU-R）已于2015年6月定义了未来5G的3大应用场景，并从吞吐率、时延、连接密度和频谱效率提升等8个维度定义了对5G网络的能力要求。2.5G发展的驱动力2.2ITU对5G愿景的描述-5G业务需求差异化

网络切片技术可以让运营商在一个硬件基础设施切分出多个虚拟的网络，按需分配资源、灵活组合能力，满足各种业务的不同需求。当新需求提出而目前网络无法满足要求时，运营商只需要为此需求虚拟出一张新的切片网络，而不需要新建一张网络，以最快虚度上线业务。3.5G典型业务应用3.1三大场景的典型业务3.5G典型业务应用3.2VR/AR/MR等业务对速率提出更高需求3.5G典型业务应用3.3CloudVR需要5G高速率3.5G典型业务应用3.4新产业对时延的要求

自动驾驶、远程手术、机器人协助等低时延业务，要求响应的时长小于10ms,业务卡顿、延迟等问题讲师用户所无法接受的。3.5G典型业务应用3.5自动驾驶需要5G的超低时延3.5G典型业务应用3.6大规模物联网需要5G网络的强大连接力物联网技术的出现，实现了万物互联，海量的智能终端广泛应用在工业、农业、教育医疗、交通能源、金融信息、环境家居等领域。mMTC（大规模机器通信业务）：通过多用户共享接入，超密集异构网络等技术，5G可以支持每平方公里接入100万个设备，是4G的100倍。216.15G概述——任务小结01.要点一移动通信技术发展，4G技术遗留的痛点02.要点二5G发展的驱动力：5G的总体愿景、三大场景、8大关键性能要求。03.要点三5G典型业务应用现代通信技术专业群共享专业基础课程《移动通信技术与系统》移动通信技术与系统《移动通信技术与系统》课程团队项目一移动通信认知项目二移动通信关键技术项目三移动通信工程技术项目四移动性管理课程目录项目五4G移动通信系统项目六5G移动通信系统任务6.15G概述任务6.25G系统结构任务6.35G关键技术任务6.4VONR技术项目六5G移动通信系统任务6.25G系统结构

【重点】5G组网架构、5G核心网架构

【难点】5G无线网架构

【目标】掌握5GNSA和SA组网架构、5G无线网和核心网架构。1.4GVs5G网络架构对比1.15G网络架构5G网络架构图1.4GVs5G网络架构对比1.24GVs5G架构对比eNBMME/

S-GWMME/

S-GWeNBeNBS1S1S1S1X2X2X2E-UTRANEPC2.NSA和SA组网模式2.1基本概念根据3GPP定义，5G标准分为非独立组网（NSA,Non-Standalone）和独立组网（SA,Standalone）两种模式NSASA从网络架构的角度看，NSA是指无线侧4G基站和5G基站并存，核心网采用4G核心网或5G核心网的组网架构。从网络架构的角度看，SA是指无线侧采用5G基站，核心网采用5G核心网的组网架构，该架构师5G组网演进的终极目标。2.NSA和SA组网模式2.2NSA和SA架构类型3GPPTSG-RAN第72次大会中，按照独立组网和非独立组网的思路，共提出从Option1～Option8，8个选项的5G网络架构，供各个国家的运营商进行选择。5G组网方案的8个选项，其中选项1，2，5，6是独立组网（SA），其中选项1早已在4G结构中实现；选项3，4，7，8是非独立组网（NSA）。选项6和选项8仅是理论存在的部署场景，不存在实际意义，已经被PASS掉。2.NSA和SA组网模式2.2NSA架构类型2.NSA和SA组网模式2.2NSA架构类型Option特点1现存EPC组网架构。无法满足未来自动驾驶和工业控制等超低时延业的需求25G网络架构的终极目标。支持三大场景，便于拓展垂直行业应用。网络简单，但全新建网周期长，且无法保护现网投资。5增强型4G基站。峰值速率、时延和容量无法与5G基站媲美，现网改造大，商用价值低。64G核心网。会限制5G基站高吞吐率和高容量等优点，商用可能性低。2.NSA和SA组网模式2.2SA架构类型Option3：运营商主推的NSA组网演进方案，终端、无线、核心网改动最小Option2：网络长期演进的最终形态Option7和Option4：可选组网方案2.35G组网架构演进2.NSA和SA组网模式2.35G组网架构演进2.NSA和SA组网模式3.5G核心网架构3.1核心网的地位和主要功能核心网的主要功能：提供用户连接；移动性管理和会话管理；用户鉴权；计费管理；提供面向外部网络的接口。3.5G核心网架构3.2核心网的演进3.5G核心网架构3.2核心网的演进2G/3G/4G核心网3.5G核心网架构3.2核心网的演进全云化网络架构3.5G核心网架构3.2核心网的演进面向业务的核心网架构3.5G核心网架构3.35G核心网架构基于服务接口的非漫游5G系统架构3.5G核心网架构3.35G核心网架构基于参考点的非漫游5G系统架构3.5G核心网架构4.5G无线接入网4.15G无线接入网架构

4GVs5G无线接入网架构4.5G无线接入网4.25G无线接入网的演进AAU：天线单元DU：分布单元CU：汇聚单元RRU：射频拉远单元BBU：基带单元4GVs5G基站系统结构图4.5G无线接入网4.25G无线接入网的演进5G的基站功能重构为CU和DU两个功能实体。CU与DU功能的切分以处理内容的实时性进行区分。5G基站CU与DU功能的切分4.5G无线接入网4.25G无线接入网的演进相比4G，5G核心网采用了网络功能虚拟化技术，5G的RAN切分后带来的5G多种部署方式。RAN切分后带来的5G多种部署方式DRAN分布式站点CRAN集中式站点4.5G无线接入网4.25G无线接入网的演进4.5G无线接入网4.25G无线接入网的演进4.5G无线接入网4.25G无线接入网的演进4.5G无线接入网4.25G无线接入网的演进526.25G系统结构——任务小结01.要点一NSA和SA的架构；从4G到5G的演进。02.要点二5G核心网架构；与4G的不同之处。03.要点三5G无线网络架构；与4G的不同之处。现代通信技术专业群共享专业基础课程《移动通信技术与系统》移动通信技术与系统《移动通信技术与系统》课程团队项目一移动通信认知项目二移动通信关键技术项目三移动通信工程技术项目四移动性管理课程目录项目五4G移动通信系统项目六5G移动通信系统任务6.15G概述任务6.25G系统结构任务6.35G关键技术任务6.4VONR技术项目六5G移动通信系统任务6.35G关键技术

【重点】D2D通信、MEC

【难点】NFV/SDN、网络切片

【目标】掌握5G网络中的关键技术。1.NFV1.1为什么要发展NFV技术？纵观移动通信网络发展历程，在经历了模拟通信、数字通信、端到端IP化后，当前通信网正逐步迈向基于虚拟化、软件化等ICT融合技术的通信4.0时代通信1.0：模拟化2G为代表，数字化通信3G/4G逐渐发展，从软交换到IMS，最后到VoLTE完成彻底IP化NFV/SDN是ICT化的催化剂，驱动IT/CT走向融合1G为代表，模拟化通信通信2.0：数字化通信3.0：IP化（CTover

IP）通信4.0：IT化（虚拟化，ICT融合）IP承载（BICC/SIP）通信网硬件软件转发控制

分离解耦• 电信网络过去十年的变革核心是IP化，其特征是CT的设备形态及网络实质，IP化承载的外在通信方式• 电信网络下一步变革的核心是IT化，采用IT化的内在实现形式及设备形态，保留CT的网络内涵和品质1.NFV1.2什么是网络功能虚拟化（NFV）?NFV（网络功能虚拟化）：是采用虚拟化技术、基于通用硬件实现电信功能节点软件化通信网络的基础技术。NFV基本特点：基于通用硬件基础设施、采用虚拟层将电信网元软件化、基于MANO（ManagementandOrchestration管理编排）的云化管理、网络自动化配置。

NFV技术核心理念：把逻辑上的网络功能从实体硬件中解耦出去，降低网络建设成本与运营成本。NFV结构的变化1.NFV1.3网络功能虚拟化（NFV）的架构NFV本质：重新定义网络设备架构在NFV架构中，底层为具体物理设备，如服务器、存储设备、网络设备。

计算虚拟化：即虚拟机，在一台服务器上创建多个虚拟系统。

存储虚拟化：即多个存储设备虚拟化为一台逻辑上的存储设备。

网络虚拟化：即网络设备的控制平面与底层硬件分离，将设备的控制平面安装在服务器虚拟机。在虚拟化的设备层面上可以安装各种服务软件。

NFV网络与传统电信网络相比：更灵活和快速的业务提供能力。NFV结构的变化1.NFV1.3网络功能虚拟化（NFV）的架构NFV的结构2.SDN2.1为什么要发展SDN技术？2.SDN2.2什么是软件定义网络（SDN）?SDN(SoftwareDefinedNetwork，软件定义网络)是一种新型网络架构，核心思想是将网络的控制平面与数据平面分离，通过集中的控制器软件来管理网络流量和配置。2.SDN2.2SDN的特点SDN有三个特征，“转控分离”、“集中控制”和“开放可编程接口”2.SDN2.2SDN的工作原理①分离控制平面和数据平面‌：将控制逻辑从网络设备中抽象出来，集中到控制器上。‌②控制器与网络设备的通信‌：通过南向接口（如OpenFlow）进行通信，控制器根据全局视图和预定义的策略，决定数据包的最佳路径。‌③数据包转发‌：网络设备根据控制器的指令进行数据包的转发。‌SDN的挑战‌：①‌安全性问题‌：集中化的控制可能导致单点故障，影响整个网络的稳定性。②‌兼容性问题‌：不同厂商的设备在实现上可能存在差异，需要标准化工作。‌2.SDN2.3SDN的架构‌①‌控制器‌：作为SDN的大脑，负责管理网络的全局视图，并向各个网络设备下发指令。‌②南向接口‌：如OpenFlow，是控制器与网络设备之间的通信协议。‌③北向接口‌：允许应用程序通过API与网络设备交互。‌④数据平面‌：由交换机和路由器等传统网络设备构成，负责数据包的转发。SDN与NFV的关系3.网络切片3.1为什么5G需要网络切片？

业务需求的多样性为运营商带来了巨大的挑战，无法通过一张网络来满足彼此之间差异巨大的业务需求。拥堵、混乱高效、有序在同一个物理网络上构建端到端、按需定制和隔离的逻辑网络，为不同的业务和用户群体提供差异化的网络服务。3.网络切片3.2什么是网络切片？

3.网络切片3.2什么是网络切片？

5G三大场景对于网络需求：1.增强型移动宽带(eMBB)：需要关注峰值速率，容量，频谱效率，移动性，网络能效等这些指标，和传统的3G和4G类似;

2.海量机器通信(mMTC)：主要关注连接数，对下载速率，移动性等指标不太关心;3.高可靠低时延通信(uRLLC)：主要关注高可靠性，移动性和超低时延，对连接数，峰值速率，容量，频谱效率，网络能效等指标都没有太大需求。3.网络切片3.3网络切片的架构网络切片允许共享同一基础设施的运营者为切片配置网络功能以及定义具体功能，并且可以根据运营商的策略通过SDN、NFV灵活地动态创造以及撤销切片。这样可以灵活地管理网络资源，通过提供必要的网络资源以满足服务需求来极大地提高网络资源的利用率。4.MEC移动边缘计算4.1云计算背景：移动设备的普及，各类新兴应用的普及需要消耗大量计算资源，满足低时延要求。然而有限资源的移动设备很难满足以上需求，因此出现了云计算这种计算卸载模式，然而将计算任务卸载到空间上远离移动设备的云服务器上会造成较高的传输时延，增加能量消耗。边缘计算（Edgecomputing）是一种在物理上靠近数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台，就近提供边缘智能服务的计算模式。边缘计算发生的位置称为边缘节点，它可以是数据产生的源头和云中心之间任一具有计算资源和网络资源节点。4.MEC移动边缘计算4.2移动边缘计算云中心节点边缘节点4.MEC移动边缘计算4.3边缘计算基本框架4.MEC移动边缘计算4.4MEC的应用场景MEC组网架构接入核心/区域InternetSMF/AMF/UDM/NRF/PCF…UPF-AnchorMECUPFULCLMEPMEC-APP视频优化：在边缘部署无线分析应用，辅助TCP拥塞控制和码率适配视频流分析：在边缘对视频分析处理，降低视频采集设备的成本、减少发给核心网的流量增强现实：边缘应用快速处理用户位置和摄像头图像，给用户实时提供辅助信息辅助敏感计算：MEC提供高性能计算，执行时延敏感的数据处理，将结果反馈给端设备企业分流：将用户面流量分流到企业网络车联网：MEC分析车及路侧传感器的数据，将危险等时延敏感信息发送给周边车辆物联网：MEC应用聚合、分析设备产生的消息并及时产生决策汇聚MECUPFULCLMEPMEC-APP3164572MEC七大场景(ETSI定义)123应用本地化内容区域化计算边缘化5.D2D通信

背景在现有的移动通信系统中，手机用户之间的通信大多是由基站进行控制的。一直以来，我们希望能够只占用少部分或者不占用基站资源直接进行通信，目前也有一些终端设备直接通信的方式。比如，通过蓝牙进行近距离数据交互。但是目前这些技术的总体传输速率较低，覆盖距离较近，无法满足5G时代万物互联、大规模数据传输的应用场景，而D2D的出现则有望解决这个问题。5.D2D通信5.1D2D通信的定义在通信网络中，一旦D2D通信链路建立起来，传输语音或数据消息就无需基站的干预，这样可减轻通信系统中基站及核心网的数据压力，大幅提升频谱资源利用效率和吞吐量，增大网络容量，保证通信网络更为灵活、智能、高效地运行。D2D(Device-to-Device，设备到设备），即邻近终端设备之间直接进行通信的技术。5.D2D通信5.2D2D与蓝牙的区别蓝牙的工作频段为2.4GHz，通信覆盖范围只有10米左右，且数据传输速率很慢，通常小于1Mb/s。而D2D使用通信运营商授权频段，干扰可控，直接通信覆盖范围可达100米，信道质量更高，传输速率更快，更能够满足5G的超低时延通信特点。蓝牙需要用户手动配对，D2D则可以通过终端设备智能识别，无需用户动手配置连接对象或网络。D2D既可以在基站控制下进行连接及资源分配，也可以在无网络基础设施的时候进行信息交互，应用场景更加广泛。1235.D2D通信5.3D2D通信存在的问题频谱资源共享造成的干扰；通信高峰引起的通信问题；移动性引起的D2D链路建立、蜂窝用户的分流与干扰管理问题；D2D同步技术；无线资源管理；功率控制和干扰协调。5.D2D通信5.4D2D的三种应用场景蜂窝网络覆盖下的D2D通信部分蜂窝网络覆盖下的D2D通信完全没有蜂窝网络覆盖下的D2D通信5.D2D通信5.5D2D通信的应用范围826.35G关键技术——任务小结01.要点一NFV/SDN技术、关联及应用。02.要点二5G端到端网络切片03.要点三MEC移动边缘计算04.要点四D2D通信现代通信技术专业群共享专业基础课程《移动通信技术与系统》移动通信技术与系统《移动通信技术与系统》课程团队项目一移动通信认知项目二移动通信关键技术项目三移动通信工程技术项目四移动性管理课程目录项目五4G移动通信系统项目六5G移动通信系统任务6.15G概述任务6.25G系统结构任务6.35G关键技术任务6.4VONR技术项目六5G移动通信系统任务6.4VONR技术【重点】语音实现的演进、VONR的好处【难点】VONR的定义及实现【目标】掌握5G网络中的VONR技术。1.语音业务演进史2G、3G时代，语音业务采用CS（CircuitedSwitched，电路交换）技术，即手机在通话前需在网络中建立一条独占资源的线路，直到通话结束才拆除。这种古老的技术存在耗资源、组网复杂、效率低等缺点。1.12G、3G时代的语音技术1.语音业务演进史CSFB，即CSFallBack，指当手机在4G网络中发起语音呼叫时从LTE网络回落到2/3G网络，借助2/3G网络的CS电路域来完成语音通话，通话结束后再返回4GLTE。VoLTE，即VoiceoverLTE，指通过引入IMS，LTE网络直接提供基于IP的语音业务。VoLTE也被称为由IMS管理的、承载于4GLTE网络上的VoIP。1.24G时代的语音技术1.35G时代的语音技术在这样的架构下，语音服务依然由现有的4GIMS/VoLTE网络提供，只需非常小的更改或无需更改；仍然可以通过SRVCC在VoLTE和2G/3GCS网络之间实现语音呼叫的无缝切换；如果运营商未部署IMS，仍然可以通过CSFallback的方式回落到2G或3G网络提供语音服务。1.语音业务演进史CSFB（NSA）语音实现在EPSFallback方案下，5G网络不提供PS语音业务，当手机尝试在5G网络中使用语音服务时，会通过重定向或切换的方式回落到4G网络，由4G网络提供VoLTE语音业务，并在通话结束后再返回到5G网络。在通话期间，由于手机已经回落到4G网络，数据业务也被迫与语音业务一起经过4GLTE传输，直到通话结束。1.35G时代的语音技术1.语音业务演进史EPSFallback（SA）语音实现2.什么是VoNR？5G时代的语音再也不会像VoLTE那样发生革命性变化了。事实上，5G系统并没有为语音服务提供单独的技术解决方案，其设计目标主要是为了支持VoLTE持续演进。众所周知，IMS是VoLTE的“大脑”，VoLTE实际上就是由IMS核心网控制和管理的端到端VoIP连接。正是因为IMS可对语音实现端到端的QoS管理，使得VoLTE的语音质量远远强于“尽力而为”的互联网VoIP。

5G依然基于IMS提供语音业务，并确定了5G部署应最小化影响现有IMS的设计原则进入5G时代，3GPP在R15版本定义5G时，就明确了。基于以上原则，根据5GNSA和SA两大