高职《5G移动通信技术》课程“5G网络架构”单元教学设计（教案）

高职《5G移动通信技术》课程“5G网络架构”单元教学设计（教案）一、教学基本信息【课程名称】5G移动通信技术【授课单元】5G网络架构【授课对象】高职现代通信技术专业二年级学生【授课时长】2课时（90分钟）【基础】前导课程：移动通信原理、4G网络技术基础【重要】后续支撑：5G基站建设与维护、5G网络规划优化二、教学目标设计（一）知识目标1、掌握5G网络端到端架构的组成，包括5G核心网（5GC）、下一代无线接入网（NGRAN）及承载网的基本功能与逻辑界面。2、理解5G架构的关键技术特征，包括服务化架构（SBA）、控制与转发分离、网络切片、边缘计算（MEC）的基本概念。3、熟悉5G组网架构的演进，特别是非独立组网（NSA）与独立组网（SA）的本质区别与网络构型。4、了解NGRAN的内部重构，即集中单元（CU）与分布单元（DU）分离的逻辑架构及功能划分。（二）能力目标1、能够运用Visio或在线绘图工具，绘制5GSA模式的简略拓扑图，标注N1至N6等关键参考点。2、能够通过对比分析法，总结NSA与SA在业务能力、覆盖连续性及对核心网依赖度上的差异。3、初步具备根据典型应用场景（如eMBB、uRLLC、mMTC）推断其对网络架构潜在需求的分析思维。4、能够通过虚拟仿真平台，识别5G网元设备的图标并在拓扑中正确连接。（三）素质目标1、通过解析我国主导的5G独立组网（SA）全球标准，增强学生在通信技术领域的民族自豪感与行业自信。2、培养学生在网络技术学习中严谨的逻辑思维与系统观念，理解“架构决定性能”的工程哲学。3、树立学生对网络强国战略的认同感，激发其投身新一代信息基础设施建设、解决“卡脖子”技术的责任担当。4、【高频考点】强化学生对行业术语（如：gNB、AMF、UPF、F1接口）的规范使用意识，提升职业素养。三、教学重点与难点（一）教学重点1、【重要】5GSA模式的网络架构及核心网控制面网元（AMF，SMF，AUSF等）的服务化接口交互逻辑。2、【基础】5GNR（新空口）接入网中CU与DU的分离架构及其带来的灵活性优势。3、【高频考点】NSA与SA两种组网模式的结构区别、业务支撑能力对比及技术演进路径。（二）教学难点1、【难点】服务化架构（SBA）与传统点对点接口的本质不同，以及如何实现“微服务”式的网元注册、发现与调用。2、【难点】网络切片技术在逻辑上如何通过网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）实现端到端的资源隔离。3、【难点】CU/DU功能切分中，对实时性要求不同的协议层（RRC/PDCP/RLC/MAC/PHY）如何在物理实体上合理分布。四、教学方法与资源（一）教学方法1、案例教学法：以华为、中兴等设备商的真实网络拓扑案例为切入点，引入课堂。2、对比教学法：利用4GEPC与5G5GC的架构演进对比，引导学生理解变革动因。3、虚拟仿真法：依托5G全网建设实训平台，让学生在虚拟环境中进行网元连线与配置。4、问题驱动法：围绕“5G如何实现1ms空口时延”、“如何承载百万连接”等工程问题展开讨论。（二）教学资源1、硬件环境：多媒体教室、5G虚拟仿真实训平台（服务器端及学生终端）。2、软件资源：3GPPTS23.501（系统架构）规范摘要、5G网络拓扑Flash动画、主流设备商网元实物图片、在线教学平台（如学习通）。五、教学实施过程（一）课前准备教师活动：在学习通发布预习任务：观看微课视频“从大哥大到5G，手机网络是如何工作的？”，并阅读课件中关于4GEPC（演进分组核心网）的基本框图。设置讨论题：“你目前手机信号栏显示的是4G还是5G？你知道这背后网络设备有何不同吗？”学生活动：观看视频，回顾4G网络知识，参与线上讨论，带着问题进入课堂。（二）课中实施【导入环节】创设情境，引出课题（5分钟）教师活动：播放一段基于5GSA网络进行的远程手术或云化机器人工厂的高清视频片段。提问：“要实现这种低时延、高可靠的操作，传统4G的‘核心网+基站’模式够用吗？5G的网络大脑和神经末梢究竟发生了怎样的革命性变化？”引出本节课主题——5G网络架构。【新知讲授1】从4G到5G：网络架构的演进动因与逻辑（15分钟）1、【基础】回顾4G网络架构：简单的扁平的EPC（MME/SGW/PGW）+eNB（演进型基站）结构。2、教师总结4G架构痛点：（1）网元功能耦合紧，升级难（牵一发而动全身）。（2）转发面与控制面未彻底分离，不利于灵活部署。（3）对工业互联网、车联网等新业务支撑能力弱。3、引出5G架构设计目标：柔性、开放、高效、智能。4、简述5G端到端架构全景图：5G终端（UE）>5G接入网（NGRAN）>5G承载网（前传/中传/回传）>5G核心网（5GC）>数据网络（DN，如Internet）。【新知讲授2】核心网重构：服务化架构（SBA）（20分钟）1、【重要】概念引入：介绍5G核心网不再使用4G中网元对网元的点对点通信，而是采用基于服务的架构（SBA）。2、核心网网元角色扮演：（1）AMF（接入与移动性管理功能）：相当于“门卫+楼管”，负责接入控制与移动注册。【高频考点】（2）SMF（会话管理功能）：相当于“路由调度员”，负责为UE建立、调整、拆除PDU会话。【高频考点】（3）UPF（用户面功能）：相当于“数据快递员”，负责具体数据包的转发与策略执行。【高频考点】（4）其他网元简介：AUSF（认证服务器）、PCF（策略控制）、UDM（统一数据管理）等。3、【难点剖析】SBA的精髓——服务化接口：（1）教师比喻：将传统“大块头”网元拆解成众多“微服务”模块。每个网元（NF）既提供API服务，也通过API调用其他网元的服务。（2）流程图演示：以UE注册流程为例，展示AMF如何通过服务化接口向AUSF请求认证服务，向UDM请求签约数据。强调这是“服务调用”，而非“消息传输”。（3）引入网络功能虚拟化（NFV）：解释这些服务化网元不再依赖专有硬件，而是作为软件部署在通用上，实现资源的弹性伸缩。【新知讲授3】接入网重构：CU/DU分离与前传（15分钟）1、【基础】传统4G基站（eNB）是一体化的黑盒子，部署不灵活。2、【重要】5GgNB的革新：（1）CU（集中单元）：处理非实时的无线高层协议栈（RRC，PDCP），相当于基站的“指挥部”和“大脑”，可集中部署，支持池化。（2）DU（分布单元）：处理物理层及实时性要求的协议（RLC，MAC，部分PHY），相当于基站的“前线执行部队”，靠近RRU（远端射频单元）部署。（3）RRU（远端射频单元）+天线：负责射频信号的收发。3、CU/DU分离的优势分析：（1）通过前传接口（如eCPRI，增强型通用公共射频接口）连接，降低馈线损耗，提升覆盖。（2）利于实现P（协作多点传输）、负载均衡等复杂算法。（3）适应不同业务场景：uRLLC业务可将DU下沉，减少时延；eMBB业务可将CU集中，提升资源利用率。【互动探究】5G组网模式：NSA与SA的巅峰对决（15分钟）1、【高频考点】教师以“手机升级”为喻：（1）NSA（非独立组网）：旧房子（4G核心网）上挂了个新窗户（5G基站）。UE同时连接4G基站和5G基站，利用4G核心网实现控制，5G通道负责数据（主要为eMBB服务）。（2）SA（独立组网）：推倒重建，全新的5G核心网+全新的5G基站。拥有完整独立的5G控制面和用户面。2、分组讨论：（1）组1：分析NSA模式对运营商快速建网的优势。（2）组2：分析SA模式对实现网络切片、uRLLC、MEC等5G核心能力的必要性。3、教师点评并总结：（1）NSA是过渡方案，投资回报快；SA是终极目标，是5G真正价值的体现。（2）明确我国5G网络建设以SA为目标，展现技术自主性与前瞻性。【新知讲授4】端到端的网络切片（15分钟）1、【难点】引入“虚拟专网”概念：解释网络切片是在同一物理基础设施上，为不同行业用户（如自动驾驶、智能电网）逻辑上划分出的专用虚拟网络。2、切片架构图讲解：（1）核心网切片：通过NFV部署独立的AMF/SMF/UPF实例。（2）承载网切片：通过FlexE、VPN等技术实现带宽隔离。（3）接入网切片：通过CU/DU的资源预留和调度策略实现。3、案例链接：以智慧工厂为例，建立三个切片——eMBB切片用于视频监控，uRLLC切片用于机器人控制，mMTC切片用于环境传感器数据采集。【技能实训】虚拟仿真平台下的网络拓扑搭建（5分钟）教师演示：打开5G仿真软件，从网元库中拖出AMF，SMF，UPF，gNB（CU/DU一体简化图标），并按照N1、N2、N3、N4、N6接口规范进行连线，完成一个简单的SA模式组网拓扑。学生活动：学生在各自终端上跟随教师操作，完成至少5个网元的连线与基础IP配置（此步重在识图与连线，不涉及深度配置）。【课堂小结与作业布置】（5分钟）1、教师总结：（1）一张图（5GSA总体架构）。（2）两个重构（核心网SBA、接入网CU/DU分离）。（3）两种模式（NSA与SA）。（4）一大创新（网络切片）。2、【重要】强调：5G不再仅仅是“基站+手机”，而是一个云网融合、算力感知的分布式系统。六、课后作业与拓展1、基础作业：绘制一张5GSA模式下，UE发起一次PDU会话建立的信令流程简图，标注出涉及的网元（AMF/SMF/UPF）及关键接口。要求手绘后拍照上传至学习通。【基础】2、拓展作业：【热点】查阅资料，分析MEC（多接入边缘计算）在5G网络架构中的位置及其对降低时延的作用机制。撰写300字左右的短文，发布在课程讨论区。【难点】3、团队任务：以45人小组为单位，利用课余时间登录虚拟仿真实训平台，完成一个包含基础数据配置的5GSA站点开通实验（如某赛项的基础模块），下周课上分享搭建心得。七、教学评价设计1、过程性评价（占40%）：课堂提问回答情况、虚拟仿真连线操作的准确性、学习通讨论区参与度。2、终结性评价（占60%）：单元测验（涵盖SBA网元功能、接口名称、NSA/SA判断）；小组实训任务完成度报告。3、【非常重要】增值评价：关注学生对网络拓扑从“看不懂”到“会连线”的进步幅度，特别是对高职学生动手