《5G移动通信技术》课件 项目二-任务一-介绍5G无线网架构

《5G移动通信技术》《5G移动通信技术》项目二5G无线网架构任务一介绍5G无线网架构回顾知识点1上节课主要学习了5G系统概念的三个一般服务/四个赋能工具，同时学习了其主要性能指标，关键能力，业务特点等回顾引入移动网络架构的设计目标是定义网元（如基站、交换机、路由器、终端），以及网元之间的互操作，并确保系统操作一致性，那么无线网究竟是怎样通过设备组建起来的呢？任务描述:本任务主要介绍学习5G网络架构。了解NFV和SDN；RAN架构基础，RAN物理架构及类型，5G的灵活性和功能架构，5G系统设计和4G-5G网络架构演变过程。任务教学目标：1、熟悉RAN架构，RAN类型及物理架构。2、了解5G的灵活性和功能架构。3、熟悉5G系统设计和4G-5G整体网络架构演变。任务概要教学内容RAN架构基础RAN物理架构及类型5G灵活性和功能架构5G系统设计和4G-5G整体网络架构演变一二三四RAN架构基础知识点一移动网络架构的设计目标是定义网元（如基站、交换机、路由器、终端），以及网元之间的互操作，并确保系统操作一致性。实现系统目标的网络架构可以从不同的角度进行思考，例如将技术元素集成为一个完整系统的角度、合理的多厂商互操作的角度或者兼顾成本和性能的物理网络设计的角度。由于5G系统必须满足多种需求，一些需求之间是互相矛盾的，为了实现未来网络的灵活性，诸如网络功能虚拟化（NFV)和软件定义网络（SDN)等赋能工具将得到应用，特别是在核心网的应用。使用这些技术需要重新考虑传统的网络架构设计。也就是RAN结构!无线网络架构（一）RAN架构基础（一）RAN架构基础RAN架构接入网，在无线通信里，一般指无线接入网，即我们通常所说的RAN（RadioAccessNetwork）。基站（BaseStation）：属于无线接入网（RAN）。（一）RAN架构基础一个基站，通常包括BBU（主要负责信号调制）、RRU（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）。RAN架构RAN物理架构及类型知识点二（二）RAN物理架构及类型D-RAN架构在1G和2G时代，BBU，RRU和供电单元等设备是放在一个柜子里的，十分臃肿。到了3G时代，提出了分布式基站，也就是将BBU和RRU分离，RRU甚至可以挂在天线下边，不必与BBU放在同一个机柜里。这就是所谓的D-RAN架构，即DistributedRAN（分布式无线接入网）。（二）RAN物理架构及类型C-RAN架构随后出现RRU拉远和BBU集中化，由多个BBU组成的基带池控制多个分布式RRU,BBU池就像一个位于中心的大脑，控制着分布的四肢（RRU），这就是C-RAN架构，即CentralizedRAN（集中化无线接入）。还是采取BBU和RRU分离的方案，但是RRU无限接近天线，这样大大减少了通过馈线（天线与RRU的连接）的衰减；同时BBU迁移并集中于CO（中心机房），形成BBU基带池；而CO与RRU通过前传网络连接。这样非常有利于小区间协同工作。

C-RAN是基于集中化处理、协作式无线电和实时云计算构架的绿色无线接入网构架。C-RAN的基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。C-RAN架构适于采用协同技术，能够减小干扰，降低功耗，提升频谱效率，同时便于实现动态使用的智能化组网，集中处理有利于降低成本，便于维护，减少运营支出。C-RAN（二）RAN物理架构及类型（二）RAN物理架构及类型C-RAN架构云架构RRU替代物理基站光纤互联中心式处理高性能多点协作接入实时信息处理低成本低建设成本低维护成本（二）RAN物理架构及类型C-RAN为运营商带来的网络运营上的开支节省体现在以下几个方面：1.降低功耗；2.降低维护成本；3.降低站址租赁费用。C-RAN与传统机房的对比C-RAN还可以通过以下几种手段来帮助运营商降低网络建设投资：

1.移动处理设备的使用率更加高效。您知道，平均来讲，基站处基带设备的利用率只有30%吗？原因是需要有足够的处理能力来处理服务区域的峰值负载。若是有了C-RAN，就可以池化这些基带设备，因此只需要处理平均的负载量的足够处理能力即可。2.减去了设备间。中国移动估计，建造一个新基站的费用大约占到总预算的8%。3.降低了空调及电源的使用。C-RAN与传统机房的对比（二）RAN物理架构及类型M-RAT

(Multiple

Radio

Access

Technology,多无线接入技术)会在将来一个很长时间段内并存，多种技术融合、多种架构融合是必然趋势。

低能耗。未来的5G接入网必须是一种前瞻性的、

可持续性的架构，而基站能耗占通信系统总能耗的65%，所以低能耗的绿色通信在设计网络架构时是一个必须考虑的问题。

集中式接入网架构是将射频、基带、计算等资源进行“池化”，供网络进行统计复用并接受统一的资源管控，打破了传统通信系统中不同的基站间、网络间软硬件资源不能共享的瓶颈，从而为真正实现异构网络融合、技术融合奠定了基础。M-RAT架构图（二）RAN物理架构及类型（二）RAN物理架构及类型M-RAT架构图未来的无线接入网应满足以下要求：

大容量且无所不在的覆盖，容量提升是移动通信网

永远的追求。随着用户数、终端类型、大宽带业务的迅猛发展，大容量且无所不在的无限接入网是

5G的首要任务。更高速率、更低时延、更高频谱效率。视频流量大约占移动总流量的51%，未来将进一步提高占比。开放平台，易于部署和运维，支持多标准和平滑升级。网络融合，从移动网络的发展历程来看，未来的5G网络很难做到一种技术、架构全覆盖。（二）RAN物理架构及类型eC-RAN架构C-RAN完全的集中式控制不利于获得无线链路自适应性能增益，实现资源的最优利用。无线网络环境动态时变；用户行为属性复杂多变；基站负载情况随时间变化；回程链路开销增加。因此，一种基于C-RAN的演进型无线接入网架构eC-RAN应运而生。eC-RAN主要包含三大部分:

RRU部署、本地云平台和后台云服务器（二）RAN物理架构及类型智能适配的RRU部署方案RRU部署目标：通过布置大规模的RRU可以实现蜂窝网络的无缝覆盖。但考虑到实际接入网业务密度的不同，RRU部署可以采用一种新型的部署方案eRRU(增强的远端射频单元)。eRRU：eRRU在普通RRU的基础上增加了部分无线信号的处理能力。（二）RAN物理架构及类型智能适配的RRU部署方案智能适配的RRU部署：在某些网络状况变化快、业务需求量大、用户行为属性复杂和覆盖需求大的区域，预先部署一定数量的潜在的eRRU，再部署一定数量的RRU。因为其具有适应网络状态的特性，因此称为智能适配的RRU部署方案在普通区域，可以均匀部署RRU。在业务密集区城中部署的RRU不与本地云平台的基带池直接相连，而是通过光回程链路与该区域的eRRU进行互联，并且通过该区域内的潜在eRRU接入本地云平台的基带池。

eC-RAN架构RRU部署（二）RAN物理架构及类型当业务量需求低、负载少、网络性能满足要求的时候，部署了潜在的eRRU的区域，不需要增加eRRU的无线信号处理能力。当业务量需求增加、负载增多、网络性能恶化时，触发无线网络架构的自适应增强。潜在的eRRU在本地云平台的控制下。增加部分无线信号处理能力，控制该区域内相连RRU，进行无线信号处理，但是相应的无线资源管理仍然集中在本地云平台。如果eRRU到虚拟基带池的光纤回程链路上的容量超过门限值，就会触发无线信号压缩处理以适应有限的光回程链路带宽要求。eC-RAN架构RRU部署（二）RAN物理架构及类型（二）RAN物理架构及类型eC-RAN架构本地云平台本地云平台感知模块缓存模块多网络控制和融合实体所处位置：

本地云平台是RRU和后台云服务器之间的网络单元，它们之间通过光纤相互连接。（二）RAN物理架构及类型eC-RAN架构本地云平台本地云平台感知模块缓存模块多网络控制和融合实体功能作用：负责管理调度由一定数量的

RRU组成的“小区簇(

Cell

Cluster)”,如用户移动性管理、异构网络融合、热点缓存内容分发等。降低C-RAN网络架构和调度过程的复杂度。负责与其他相邻本地云平台之间的信息交互。（二）RAN物理架构及类型eC-RAN架构本地云平台多网络控制和融合实体“情景感知”是通过获取接入方式、用户位置、优先级、应用类型等信息，从而准确判断用户需求，同时根据用户行为偏好分配网络资源，提高用户满意度，自适应网络资源，使网络趋向智能化。缓存模块感知模块移动多媒体流量的很大部是流行内容的重复下载；用新兴的缓存和交付技术，把流行的内容存储在中间服务器。更容易满足用户，不再从远程服务器重复地传输，可以减少冗余流量，缓解核心网的压力。网络融合可以增加运营高对多个网络的运维能力和管控能力，最终提升用户体验和网络性能。在本地云平台中增加网络融合控制实体来管理和协调各个网络，达到网络融合效果，从而达到整体最优（二）RAN物理架构及类型eC-RAN架构本地云平台

网络融合可以增加运营高对多个网络的运维能力和管控能力，最终提升用户体验和网络性能。在本地云平台中增加网络融合控制实体来管理和协调各个网络，达到网络融合效果，从而达到整体最优。多网络融合控制实体框架后台云服务器其实是一个庞大的服务器数据中心，将这些服务器划分为不同的专用虚报网，负责特定的业务，如虚拟物联网、虚拟OTT

(Over

The

Top)网、虚拟运营商A网，虚拟运营商B网等。对服务器进行划分的目的是为了更好地利用业务特性，开发不同的管理系统，从而更好地满足业务需求。后台云服务器（二）RAN物理架构及类型为了实现5G的性能目标要求，需要从组网架构上进行改进，打破传统规则蜂窝组网架构，提出新型5G和后5G的无线接入网架构和先进的信号处理技术。异构网络（HetNet）在后4G时代已经被提出，是指利用现有的多种无线通信系统，通过系统间融合的方式，使多系统之间取长补短是满足未来移动通信业务需求一种有效手段，能够综合发挥各自的优势。结合HetNet和C-RAN各自优点，充分利用大规模实时云计算处理能力，提出了异构云无线接入网（H-CRAN）

可以作为5G无线接入网络的解决方案。H-CRAN架构（二）RAN物理架构及类型为了提高H-CRAN的网络能量效率性能，采用RRU的开关与业务量自适应匹配。当业务负载较低时，一些RRU在BBU池的集中自优化处理下进人睡眠模式；当业务负载较高时，可以自适应激活睡眠的RRU。此外，根据UE承载业务和传输性能等要求，一个或者多个RRU自适应为其服务，如果UE业务量较少，同一个RRU的单资源可以为多个UE共享使用。H-CRAN除了能显著提高网络的谱效率和能量效率性能，还能大幅度改善移动性能。H-CRAN架构（二）RAN物理架构及类型为了发挥H-CRAN的性能优势，需要充分挖掘基于大规模云计算处理的优势，对传统的物理层、媒体接入控制层和网络层进行增强。这样就会涉及到H-CRAN的几种关键技术：

1.基于云计算的大规模多点协作

2.大规模集中式多天线协作处理

3.基于云计算的协作无线资源管理

4.基于云计算的网络自组织H-CRAN的关键技术（二）RAN物理架构及类型H-CRAN作为对HetNet和C-RAN的增强演进，虽然已经提出了清晰的系统架构和关键技术，但仍有技术挑战亟须解决，才能推进其成熟和未来应用。

1.理论组网性能分析

2.回程链路受限的性能优化

3.H-CRAN未来标准化工作H-CRAN的未来技术挑战（二）RAN物理架构及类型5G灵活性和功能架构知识点三在传统的网络中，如何将NF和NE分拆到物理节点是针对特定的部署进行的。

SDN和NFV技术使新的网络架构成为可能，允许以新的方式部署移动网络。除了空中接口，出于显而易见的原因，近来5G研究突出了基于NF定义和功能之间接口的逻辑架构，而不是基于NE定义和节点之间接口的架构，这一方案的优势如下：1.参考传输网络的能力和制约因素，灵活优化地布置NF；

2.避免冗余，仅采用必要的NF；

3.

NF可以通过特殊实现方式进行优化。

5G灵活性和功能架构（三）5G灵活性和功能架构这个方式需要定义大量的接口，从而实现多厂商互操作。因此，根据功能使用的情况，运营商必须能够灵活地定义和配置自己的接口。对运营商潜在的挑战是系统的复杂性，其中有大量的接口需要管理。

5G的架构设计需要平衡复杂性和灵活性。下面主要介绍功能分拆的准则、功能分拆的方法、特定应用的功能优化。

5G灵活性和功能架构（三）5G灵活性和功能架构在逻辑架构设计时，“功能分拆”允许将网络功能映射到协议层，同时将这些协议层分配到不同的网络单元中。在5G中有不同的功能分拆的可能性。主要是由下面的两个因素决定的。

把网络功能按照相对于无线帧需要同步和不需要同步加以区分。基于这一原则，接口可以分为严格时间限制和松散时间限制。回传（BH)或者用于5G的前传技术，这些技术给接口带来时延和带宽的限制。功能分拆准则（三）5G灵活性和功能架构（三）5G灵活性和功能架构功能分拆方法:分拆方法A:较低物理层分拆。类似于现有的基于CPRI/ORI接口的功能分拆。最高集中化增益需要付出昂贵的前传的代价。（三）5G灵活性和功能架构功能分拆方法:分拆方法B：较高物理层分拆。类似于前一种分拆方式，但仅对基于用户的网络功能进行集中化，而小区特定的功能实施远程管理。例如，前向纠错（FEC)编码/解码或许是集中的。这种分拆的处理能力和前传要求随着用户数、占用资源和数据速率改变。因此，在前传链路可能获得集合（MUX)增益，而集中增益略有损失。（三）5G灵活性和功能架构功能分拆方法:分拆方法C：MAC层集中化。关键时间集中化处理不是必需的，且集中化增益较小。意味着调度和链路自适应（LA)必须区别为关键时间部分（本地操作）和非关键时间部分（集中操作）。（三）5G灵活性和功能架构功能分拆方法:分拆方法D：分组数据融合协议（PDCP)集中化。类似于现有的3GPPLTE的双连接机制。不需要和空中接口帧同步的功能通常是集中化和虚拟化中要求最少的。这些功能通常位于PDCP和RRC协议层。前面提到位于低层的功能必须和空中接口帧同步，例如，分拆方式A和B中的部分功能。这对他们之间的接口提出很高的要求，使集中化和虚拟化极具挑战。（三）5G灵活性和功能架构特定应用的功能优化：5G网络将会为无线网络运营的优化提供更多的自由度，例如，针对特定的目的，可能部署专用软件，其中只包括部分协议栈。功能构成的影响因素将新的空中接口和原有系统集成，一直是移动网络引入新一代技术过程中的重要组成部分。直到引入4G阶段，这一工作的主要目标是实现全网无缝的移动管理。实现在特定区域平滑引入新一代技术新业务的同时，保证原有业务的平稳运行。在不同的3GPP系统之间，集成一般是通过不同系统核心网节点之间的接口来实现。向5G演进的过程中，新空中接口和LTE的紧密集成,从第一时间起就是5GRAN架构必不可少的组成部分。紧密集成的要求来自于5G(高达10Gbit/s)的速率以及低时延，一起推动了在较高的6GHz之上的频段设计新空中接口。在这些频段，传播特性更具有挑战性，覆盖呈点状覆盖。集成LTE和新的空中接口（三）5G灵活性和功能架构（三）5G灵活性和功能架构LTE的PDCP层同时用于控制面和用户面；与PHY、MAC和RLC层的功能相比，PDCP功能对于下层的同步没有严格的要求；PDCP的集成可以在共址和非共址的场景使用，使其更具有面向未来的一般性特征。无线资源控制（RRC）RRC层在LTE中负责控制面功能；RRC功能不需要较低层的同步，从而有可能对多个空中接口采用公共的控制面实现协作增益。公共PDCP（分组数据控制层）（三）5G灵活性和功能架构LTE中的PHY（物理层）、RLC（无线链路层）、MAC（媒体接入层），不适合于5G空口集成。（三）5G灵活性和功能架构多RAT协作功能：得益于公共PDPC/RRC协议架构的紧密集成，网络可以实现不同的RAT协作功能，一些不同的选项如图：（三）5G灵活性和功能架构LTE和新空中接口的公共控制面允许具有双射频终端，在单个控制点拥有对两个空中接口专有信令的连接。在LTERelease12中，为了提升移动的顽健性，开发了一个类似的双连接概念。在这个功能中，不需要明确的信令来变换连接，接收机需要具备接收任意连接上任意信息的能力，包括在两个空中接口上的相同信息。这或许是这一功能的主要优点，即在传播困难的场景中，满足某些重要的超可靠通信需求。（三）5G灵活性和功能架构这个基于公共控制面的功能，使得终端能够通过任一空中接口连接到一个控制点，并且不需要密集的连接信令，就可以快速从一个链接变换到另一个链接（无需核心网信令、上下文传输等）。其可靠性不如采用控制面分集高，因此进一步提高可靠性还需要其他的信令支持。（三）5G灵活性和功能架构用户面聚合的一个变化形式叫作流聚合，它允许在多个空中接口聚合单一数据流。另一个变化形式叫作流路由，这个功能是指一个给定的用户数据流被映射到单一空中接口。这样来自同一个UE的每一个流可以被映射到不同的空中接口。这个功能的优点是提升速率，形成资源池和支持无缝移动性。当空中接口的时延和速率不同时，流聚合的变化形式可能带来的好处十分有限。（三）5G灵活性和功能架构这里不同于用户面聚合，终端的用户面在任一时间仅使用一个空中接口，但是提供了在多个空中接口之间快速变换机制。这就要求具有一个稳健的控制面。快速用户面切换提供了资源池、无缝移动，并提升可靠性。（三）5G灵活性和功能架构这个功能依赖于公共控制面，基本的想法是利用LTE来发送所有的控制信息，这样可以简化5G设计。为了达到后向兼容的目的，这一点非常重要。例如系统信息，发送给处于休眠模式的终端的信息可以通过LTE发送，这样做主要的好处是减少了5G总体网络能源消耗和“休眠”干扰。尽管发送的能量仅仅是从一个发射机转移到另一个发射机，但是发射机的电路处于关闭状态可以节省大量的能源。5G系统设计和4G-5G整体网络架构演变知识点四（四）5G系统设计和4G-5G整体网络架构演变5G网络逻辑视图：由3个功能平面构成：接入平面，控制平面和转发平面。接入平面：引入多站点协作、多连接机制和多制式融合技术，构建更灵活的接入网拓扑。控制平面：基于可重构的集中的网络控制功能，提供按需的接入、移动性和会话管理，支持精细化资源管控和全面能力开放。转发平面：具备分布式的数据转发和处理功能，提供更动态的锚点设置，以及更丰富的业务链处理能力。在整体逻辑架构基础上，5G网络采用模块化功能设计模式，并通过“功能组件”的组合，构建满足不同应用场景需求的专用逻辑网络。5G网络以控制功能为核心，以网络接入和转发功能为基础资源，向上提供管理编排和网络开放的服务，形成了管理编排层、网络控制层、网络资源层的三层网络功能视图。

5G网络功能视图（四）5G系统设计和4G-5G整体网络架构演变（四）5G系统设计和4G-5G整体网络架构演变5G网络功能视图

SDN/NFV技术融合将提升5G进一步组网的能力：

SDN技术实现虚拟机间的逻辑连接，构建承载信令和数据流的通路，最终实现接入网和核心网功能单元动态连接，配置端到端的业务链，实现灵活组网。

NFV技术则实现底层物理资源到虚拟化资源的映射，构造虚拟机（VM），加载网络逻辑功能（VNF）；虚拟化系统实现对虚拟化基础设施平台的统一管理和资源的动态重配置。

5G网络平台视图（四）5G系统设计和4G-5G整体网络架构演变（四）5G系统设计和4G-5G整体网络架构演变5G网络功能视图一般来说，5G组网功能元素可分为四个层次：中心级：以控制、管理和调度职能为核心，例如虚拟化功能编排、广域数据中心互连和BOSS系统等，可按需部署于全国节点，实现网络总体的监控和维护。汇聚级：主要负责控制面网络功能，例如移动性管理、会话管理、用户数据和策略等。可按需部署于省一级网络。5G组网设计（四）5G系统设计和4G-5G整体网络架构演变区域级：主要功能包括数据面网关功能，重点承载业务数据流，可部署于地市一级。移动边缘计算功能、业务链功能和部分控制面网络功能也可以下沉到这一级。接入级：包含无线接入网的CU和DU功能，CU可部署在回传网络的接入层或者汇聚层；DU部署在用户近端。CU和DU间通过增强的低时延传输网络实现多点协作化功能，支持分离或一体化站点的灵活组网。5G组网设计（四）5G系统设计和4G-5G整体网络架构演变（四）5G系统设计和4G-5G整体网络架构演变5G组网设计

借助于模块化的功能设计和高效的NFV/SDN平台。在5G组网实现中，上述组网功能元素部署位置无需与实际地理位置严格绑定，而是可以根据每个运营商的网络规划、业务需求、流量优化、用户体验和传输成本等因素综合考虑，对不同层级的功能加以灵活整合，实现多数据中心和跨地理区域的功能部署。5G组