5G网络建设与维护 课件 项目1 5G无线网络原理

项目1

5G无线网络原理人类对通信需求的不断提升和通信技术的突破创新，推动着移动通信系统的快速演进。5G不再只是从2G到3G再到4G的网络传输速率的提升，而是将“人-人”之间的通信扩展到“人-网-物”３个维度的万物互联，打造全移动和全连接的数字化社会。目标：掌握移动通信的发展与演进；掌握MassiveMIMO的定义与原理；了解5G物理层的知识；掌握5G网络的组网架构。1.1移动通信网络演进历程1.25G无线网络架构1.35G无线网络特征1.1移动通信网络演进历程移动通信的特点-可移动性▍什么是可移动性？它是移动通信区别于固定通信的根本特征，指用户在保持通信连接不中断的前提下，能够在广阔的地理区域内自由移动的能力。这种“无缝连接”的体验，不仅是用户对网络的基本诉求，更是现代移动通信网络架构设计的核心目标与技术基石。01切换(Handover/Handoff)当用户设备(UE)从一个基站（小区）的覆盖范围移动到另一个基站时，网络自动将通信链路从“源基站”平滑转移至“目标基站”的过程。它是保障用户在移动中通话、视频或数据业务不中断的关键技术，实现了“边走边聊”的连续体验。02漫游(Roaming)当用户离开归属网络(HPLMN)的覆盖区域，进入其他运营商的拜访网络(VPLMN)时，依然能接入网络并享受服务的能力。它打破了地域和网络的边界限制，实现了“一机在手，走遍全球”的跨网互联，是移动通信全球化服务的重要保障。1.1移动通信网络演进历程移动通信的特点-电波传播条件复杂看不见的信号旅程：无线信号并非直线传播，而是在建筑、地形、植被构成的复杂环境中穿梭。传播过程中会因反射、折射、绕射和遮挡产生强度、相位、时延的随机变化，形成了移动通信中“不确定性”的物理基础。▍四大核心传播效应：决定信号的“命运”01路径损耗信号强度随传输距离增加而自然衰减，是最基础的传播损耗，距离越远，衰减越显著。02阴影衰落受高楼、山体等大型障碍物遮挡，造成的“慢衰落”，导致局部区域信号强度整体偏低。03多径效应信号经多条反射路径到达终端，波形叠加引发“快衰落”和干扰，是影响信号质量的关键。04多普勒频移终端高速移动时，接收信号频率发生偏移，影响解调精度，在高铁、车联网场景尤为明显。1.1移动通信网络演进历程移动通信的特点-噪声和干扰严重01核心定义：无线环境的“信号污染”在开放的无线空间中，有用信号常被各类无用的噪声与干扰淹没。它们直接降低信噪比（SNR），导致数据传输速率下降、误码率飙升，严重时甚至会造成通信链路中断，是影响5G网络质量的核心挑战之一。02内部干扰：网络自身的“邻里矛盾”同频干扰：相邻小区复用相同频率导致的干扰，是蜂窝网络最主要的干扰源。

导频污染：多个基站的导频信号强度相近，终端无法准确锁定服务小区，降低信道估计精度。03外部干扰：环境中的“不速之客”杂散干扰：Wi-Fi、雷达、微波炉等其他电子设备的信号“窜入”5G接收频段。

互调干扰：多个强信号通过器件非线性特性，产生新的干扰频率分量，影响正常解调。1.1移动通信网络演进历程移动通信的特点-系统和网络结构复杂01多用户并发通信的资源博弈移动通信是典型的多用户共享系统，需通过FDMA、TDMA、CDMA等多址技术，解决成千上万个用户同时接入时的干扰问题。系统必须动态协调频率、时隙与码道资源，确保在有限的频谱带宽内，实现高并发、低干扰的稳定通信，这是网络设计的基础难点。02异构网络的无缝融合与互通移动通信网并非孤立存在，它需要与固定电话网（PSTN）、卫星通信网、互联网及各类专用网络实现物理与逻辑层面的深度互联。这不仅涉及硬件设备的对接，更包含信令协议的转换、数据格式的适配以及跨网业务的协同，形成了纵横交错的复杂网络拓扑结构。结构复杂性带来的技术挑战与价值这种复杂性要求网络具备极强的鲁棒性和扩展性。从接入网的基站协同，到核心网的路由调度，再到与外部网络的协议转换，每一层都需要精密设计。正是这种复杂的结构，支撑起了全球无缝覆盖、万物互联的通信愿景，成为数字经济时代的信息高速公路基石。1.1移动通信网络演进历程移动通信的特点-频谱利用率高且设备性能力好01频谱复用技术：资源效能最大化移动通信系统通过时分、频分或空分复用技术，让多个用户或小区在不同维度共享同一频谱资源。这一技术突破了频谱资源稀缺的瓶颈，大幅提升了单位频带内的用户接入量与数据传输效率，是支撑海量连接的核心技术手段。02环境适应性：全天候稳定运行无论是基站还是终端设备，均需在高温、高湿、沙尘、严寒等极端户外环境下保持稳定。工业级的硬件防护设计与智能温控技术，确保了通信设备在复杂气候与物理条件下持续可靠工作，保障网络服务的连续性。核心价值总结：频带利用率的提升直接决定了通信网络的容量上限，是降低运营成本、支撑业务增长的关键；而设备的高可靠性则是移动通信“随时随地、永不掉线”承诺的物理基础。二者结合，构建了移动通信网络高效、稳定、广覆盖的坚实底座，为移动互联网的普及与发展提供了不可或缺的技术保障。1.1移动通信网络演进历程移动通信系统的发展-1G

此时中国的通信服务，仍然是以固定电话系统的建设为主，各地大力发展固网建设，却还是难以满足广大人民群众安装电话的热情。

虽然此时国外已经开始建设移动通信网络系统，但是国内主流观点认为，移动通信系统耗资巨大，是发达国家的”洋玩具“，不适合我们国家的国情。直到1984年，一个关键人物做出了一个关键决定，改变了中国现代通信的历史，这个人就是时任广州市市长的叶选平。1.1移动通信网络演进历程移动通信系统的发展-2GGSM（GlobalSystemforMobileCommunications）；D-AMPS（Digital-AdvancedMobilePhoneService）；PDC（PersonalDigitalCellular）；基于CDMA技术的IS-95等。特点采用频分多址，时分多址及码分多址（CDMA技术）相结合的通信方式。改善了语音通话质量，提高了保密性，有效防止了并机盗打，而且为移动用户提供了无缝的国际漫游。为了适应数据业务的发展需要，在第二代技术中还诞生了2.5G、2.75G，也就是GSM系统的GPRS、EDGE和CDMA系统的IS-95B、1x等技术，提高了数据传送能力。1994年9月，广东省首先建成了GSM数字移动通信网，初期容量为5万户，于同年10月试运行。1996年，我国研制出自己的数字蜂窝系统全套样机，完成了接入公众网的运行试验，并逐步实现了产业化开发。1996年12月，广州建起我国第一个CDMA试验网。1997年10月，广州、上海、西安、北京4个城市通过了CDMA试验网漫游测试，同年11月，北京试验点向社会开放。1.1移动通信网络演进历程移动通信系统的发展-3G

第三代移动通信技术也就是IMT-2000（InternationalMobileTelecommunications-2000），也称为3G（3rd-Generation）。相比第二代移动通信系统，它能提供高的速率、更好的移动性和更丰富的多媒体综合业务。美国提出的cdma2000；欧洲提出的WCDMA；中国提出的TD-SCDMA。2001年3月由中国电信科学技术研究院与西门子合作提出的TD-SCDMA正式被接纳为第三代移动通信的标准。TD-SCDMA也是中国几千年以来通信行业第一个完整的国际技术标准。1.1移动通信网络演进历程移动通信系统的发展-4G

业界对新一代移动通信核心技术的界定则主要是指采用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，即正交频分复用）调制技术的OFDMA多址技术。ITU在IMT-2000标准中要求，3G必须满足传输速率在移动状态144kbps、步行状态384kbps、室内2Mbps，而ITU的IMT-Advanced标准中则要求4G在使用100M信道带宽时，频谱利用率达10bps/Hz，理论传输速率达到1000Mbps。1.1移动通信网络演进历程移动通信系统的发展-4GLTE分为TDD（时分双工）和FDD（频分双工）两种双工方式，其中TDD双工方式更适用于非对称频谱。2010年10月的ITU-RWP5D会议上，LTE-Advanced技术和802.16m技术被确定为最终的IMT-Advanced阶段国际无线通信标准。

我国主导发展的TD-LTE-Advanced技术通过了所有国际评估组织的评估，被确定为IMT-Advanced国际无线通信标准之一。

截止2019年12月，全球791个运营商已经建立了LTE网络，其中有236个LTE-TDD(TD-LTE)networks，中国标准TD-LTE已经成为名副其实的国际标准。1.1移动通信网络演进历程移动通信系统的发展-5G2015年10月26日至30日，在瑞士日内瓦召开的2015无线电通信全会上，国际电联无线电通信部门(ITU-R)正式批准了三项有利于推进未来5G研究进程的决议，并正式确定了5G的法定名称是“IMT-2020”伴随着ITU5G计划的推出和实施，中国推进5G网络的步伐明显加速。中国5G技术研发试验在政府的领导下，依托国家科技重大专项，由IMT-2020（5G）推进组负责，正在积极实施。1.1移动通信网络演进历程移动通信系统的发展-5GITU对IMT2020愿景的描述Source:ITUR.M.[IMT.VISION]10Gbit/s1百万连接每平方公里1mseMBB（增强型MBB）uRLLC（超高可靠性与超低时延业务）mMTC（海量连接的物联网业务）IMT-2020vs.IMT-Advanced在关键性能指标上的对比3x1ms1Mdevices/km210Gbit/s100X峰值速率(Gbit/s)用户体验速率(100Mbit/s)频谱效率移动性(500km/h)时延连接数密度(设备/平方公里)区域流量能力(10Mbps/m2

)网络功耗效率IMT-AdvancedIMT-20201.1移动通信网络演进历程3GPP协议标准发展与演进ITUITU（InternationalTelecommunicationUnion），简称“国际电联”、“电联”或“ITU”。它是联合国的一个专门机构，也是联合国机构中历史最长的一个国际组织。1865年5月17日由法、德、俄、意、奥等20个欧洲国家的代表在巴黎签订《国际电报公约》宣告成立。随着电话与无线电的应用与发展，ITU的职权不断扩大。ITU负责主管信息通信技术事务的联合国机构，负责分配和管理全球无线电频谱与卫星轨道资源，制定全球电信标准，向发展中国家提供电信援助，促进全球电信发展。

2012年ITU无线通信部分（ITU-R)在5D工作组（WP5D)的领导下启动了“面向2020和未来IMT”的项目，提出5G移动通信空中接口的要求。WP5D制定了工作计划、时间表、流程和交付内容。需要强调的是WP5D暂时使用“IMT-2020”这一术语代表5G。根据时间表的要求，需要在2020年完成“IMT-2020技术规范”。1.1移动通信网络演进历程3GPP最初的工作范围是为第三代移动通信系统制定全球适用技术规范和技术报告。第三代移动通信系统基于的是发展的GSM核心网络和它们所支持的无线接入技术，主要是UMTS。随后3GPP的工作范围得到了改进，增加了对UTRA长期演进系统的研究和标准制定。3GPP3GPP协议标准发展与演进1.1移动通信网络演进历程3GPP协议标准发展与演进5G从3GPPRelease15开始LTE-APro20165G

NewRATRel-152017201820195GPhase1.15GPhase1.25GPhase2Rel-16Rel-14NRNSA（非独立RAT）NRSA（独立RAT）Full-IMT2020NR

NGCN和NRNAS定义，SA架构（eMBB/uRLLC）Full5G标准，mMTC能力定义；SoftAI/D2D/D-TDD/FlexibleDuplex增强能力定义

NSA定义，eMBBNumerology、帧结构NativeM-MIMO&波形NR业务目标eMBBuRLLCmMTC18年H2预期NSA终端面世19年H1预期SA终端面世011.1移动通信网络演进历程R17▍标准化里程碑：从功能定义到协议定稿01功能冻结·2022年3月锁定RedCap、NTN等关键技术的功能框架与特性集，完成技术方案的最终确认，为后续协议文本编写划定边界。02协议冻结·2022年6月完成3GPPR17全套协议文本的最终定稿与发布，标志着标准正式成熟，产业链启动芯片、终端及基站的产品研发。▍四大核心升级：拓展5G应用新边界RedCap(NR-Light)—轻量级物联网引擎专为中低速IoT设计，降低终端成本与功耗约50%，平衡速率与覆盖，是工业物联网与消费级IoT规模化部署的关键。NTN非地面网络—天地一体化覆盖首次将卫星作为5G官方接入网节点，突破地面基站的地理限制，实现海洋、荒漠等偏远区域的无缝连接。高精度定位—厘米级空间感知利用增强型参考信号与多天线算法，实现20-30厘米级定位精度，赋能自动驾驶、智慧仓储与精准导航。Sidelink侧链路—设备直连增强强化终端间直接通信能力，支持更高吞吐量与更低时延，助力V2X车路协同、公共安全应急通信与近场数据共享。031.1移动通信网络演进历程R18(5G-Advanced)▍2024年6月18日正式冻结——标志着5G从“规模建设”迈向“深度智能化与场景化”的关键升级，开启万物智联新时代。01.AI原生：网络智能化重构将AI/ML深度植入协议栈，实现网络的自配置、自优化与自愈愈。不再是外挂式应用，而是网络内生的“大脑”，大幅提升资源利用率与服务质量，为自动驾驶、工业控制提供低时延保障。02.ISAC：通信感知一体化革命性突破！同一套硬件同时实现无线通信与雷达感知功能。基站不仅能传数据，还能“看见”周围环境，赋能智慧交通（车路协同）、安防监控、智能家居等全新场景，实现“感知即服务”。03.NTN增强：天地一体化覆盖进一步优化非地面网络架构，实现卫星与地面5G网络的无缝融合。解决偏远地区、海洋、航空等传统网络覆盖盲区，提供高可靠的广域连接，是实现全球无缝通信的关键一步。04.侧链路扩展：免授权直连通信突破传统蜂窝网限制，支持在非授权频谱上实现设备间直接通信（D2D）。大幅降低时延与成本，广泛应用于工业自动化、无人机编队、应急救灾及车联网V2X等场景。1.1移动通信网络演进历程1.25G无线网络架构1.35G无线网络特征1.25G无线网络架构移动通信网络的拓扑结构📡接入网(AccessNetwork)用户侧的“快递站”，即基站系统。负责与手机等终端直接通信，是连接用户与网络的“最后一公里”，保障信号的接入与传输。🛣️承载网(TransportNetwork)连接基站与核心网的“高速公路”。负责海量数据的高速转发与传输，是保障网络通畅、低时延的关键通道。🧠核心网(CoreNetwork)整个网络的“调度指挥中心”。负责用户身份鉴权、移动性管理、会话控制及业务数据的智能路由与分发。1.25G无线网络架构基站的结构接入网包括无线接入和有线接入。在现代移动通信网络架构中，接入网是指无线接入网，它是离用户最近的子网。无线接入网通常指的是基站系统，它一般由基站设备和天馈系统组成BBU(BuildingBasebandUnit）基带单元：主要负责信号调制RRU(RemoteRadioUnit）射频拉远单元：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1.25G无线网络架构5G组网架构01非独立组网(NSA)—过渡式部署方案核心逻辑：锚定4G核心网(EPC)与基站，5G仅作为“高速数据通道”，信令控制仍依赖4G网络。核心优势：复用现有4G基础设施，部署速度快、成本低，能快速实现5G的广覆盖与体验升级。典型架构：Option3x（当前主流），主要面向增强型移动宽带(eMBB)场景。02独立组网(SA)—5G终极目标架构核心逻辑：基于全新的5G核心网(5GC)，基站独立运行，彻底摆脱对4G网络的依赖，重构端到端架构。核心优势：支持网络切片、超低时延(uRLLC)与海量连接(mMTC)，是赋能工业互联网等垂直行业的关键。典型架构：Option2，是实现5G万物互联愿景与商业价值的必经之路。1.25G无线网络架构5G组网架构选项-Option2

该架构很简单，就是5G基站连接5G核心网，这是5G网络架构的终极形态，简单的代价就是，要建成这样一张5G网络，需要新建大量的基站和核心网，代价不菲。想想看，光中国移动就有将近230万个4G站点，要是再同样大的一张5G网络得花多少钱？1.25G无线网络架构5G组网架构选项-Option3术语解释:双连接：顾名思义,就是手机能同时跟4G和5G都进行通信,能同时下载数据、一般情况下,会有一个主连接和从连接；控制面锚点：双连接中的负责控制面的基站就叫做控制面锚点；分流控制点：用户的数据需要分到双连接的两条路径上独立传送，这个分流的位置就叫分流控制点。非独立组网要比独立组网复杂得多,这也是省钱所必须要付出的代价。1.25G无线网络架构5G组网架构选项-Option3

该系列的基站连接的核心网是4G核心网,控制面锚点都在4G,适用于5G部署初期，覆盖不连续，也没太多业务，纯粹是作为4G无线宽带的补充而存在。3系列分为3,3a和3x这3个选项，关键在于数据分流控制点的不同。

从图中可以看出,选项3的数据分流控制点在4G基站上,也就是说,4G不但要负责控制管理,还要负责把从核心网下来的数据分为两路,一路自已发给手机,另一路分流到5G去发给手机。4G基站必须要软件升级才能其备这样的能力。1.25G无线网络架构5G组网架构选项-Option33a做了一些改进，把数据分流控制点放在4G核心网上，由核心网向4G和5G基站分发用户面数据。虽说这样要比选项3好得多，但4G核心网也要来个大的升级才行。1.25G无线网络架构5G组网架构选项-Option3优势1.标准化完成时间最早，有利于市场宣传；2.对5G的覆盖没有要求，支持双连接来进行分流，用户体验好；3.网络改动小，建网速度快，投资相对少劣势1.5G基站跟现有4G基站必须搭配干活，需要来自同一个厂商，灵活性低。2无法支持5G核心网引入的相关新功能和新业务。适用场景：5G商用初期热点覆盖，能够实现5G快速商用，推荐适用选项3X3GPP还定义了Option1、4、5、6、7等类型的5G组网架构，但是一般无运营商大规模采用。1.25G无线网络架构5G网络架构及网络接口从宏观上5G网络架构可分为5G核心网(NGC)和无线接入网(NG-RAN)两大部分。AMF·接入与移动性管理定位：5G核心网的“门卫”与“交通警察”，掌控用户接入的第一道关卡与移动秩序。01接入鉴权：负责终端身份核验、安全认证与接入授权，筑牢网络安全防线。02移动性管理：实时追踪终端位置，管控基站间切换，保障通信不中断。03信令枢纽：处理所有控制面信令交互，协调核心网与基站的指令传达。SMF·会话管理功能定位：5G核心网的“会话管家”，全权负责数据连接的建立、维护与资源调度。01会话全控：建立、修改和释放PDU会话，打通用户数据传输的核心通道。02地址分配：动态分配IP地址与DNS配置，实现终端的网络身份标识。03QoS保障：精准调度网络资源，为高清视频、云游戏等业务保障服务质量。1.25G无线网络架构5G网络架构及网络接口从宏观上5G网络架构可分为5G核心网(NGC)和无线接入网(NG-RAN)两大部分。UPF(UserPlaneFunction)——5G核心网的“数据搬运工”01数据路由与转发：作为用户面数据的核心枢纽，负责终端与外部数据网络（如互联网）之间的数据包高速转发，是承载视频、下载、IoT等所有业务数据流的“传输大动脉”。02流量管控与计费：实时统计用户数据用量，为运营商计费系统提供精准依据；同时支持流量整形、QoS流映射与速率限制，保障高优先级业务（如通话、直播）的体验。AUSF·鉴权服务器功能专注于用户身份的安全校验，存储并管理鉴权密钥与安全参数。在终端接入网络时执行双向鉴权，防止非法设备接入，是保障5G网络接入安全的第一道防线。PCF·策略与计费控制充当网络的“策略大脑”，基于用户套餐、业务需求和网络负载，动态制定QoS策略（如速率保障）与计费规则，实现差异化服务管理，平衡资源利用与用户体验。UDM·统一数据管理5G核心网的“用户数据中枢”，集中存储用户签约信息（套餐权限、业务开通状态）与身份标识。为全网元提供数据查询与同步服务，确保业务开通与鉴权的准确性。1.25G无线网络架构5G网络架构及网络接口从宏观上5G网络架构可分为5G核心网(NGC)和无线接入网(NG-RAN)两大部分。01服务化架构(SBA)核心理念：将传统一体化的网络节点，拆解为一系列独立、可互操作的“网络功能服务”，实现控制面与用户面的彻底解耦。形象比喻：如同“乐高积木”，每个功能模块独立存在，可按需灵活组合、替换或升级，不再受限于硬件整机的迭代周期。核心优势：架构开放灵活，支持快速引入第三方应用；部署升级高效，大幅降低运维成本，加速新业务上线。02云原生设计(Cloud-Native)核心理念：5G核心网深度融合云计算技术，基于通用硬件构建，充分利用虚拟化、分布式架构的优势，实现资源的池化管理。关键技术：采用容器化部署与微服务架构，结合编排技术实现网络功能的弹性伸缩，根据流量负载自动调度计算资源。核心价值：资源利用率最大化，从容应对突发流量高峰（如演唱会、节假日）；支持业务快速部署与弹性扩缩容。1.1移动通信网络演进历程1.25G无线网络架构1.35G无线网络特征1.35G无线网络特征5G移动性管理通过合理的功率分配，可以实现一定的小区覆盖。但是用户在移动过程中，超出小区的合理覆盖范围时，就需要考虑切换覆盖。移动性管理是移动网络下的一项基本功能，主要用于保证手机能够在移动的情况下享受无中断的业务服务。5G的移动性管理根据网络架构的不同可以分为以下2种（1）NSA场景移动性管理此场景主要为主辅小区

（PrimarySecondaryCell，PSCell）变更。根据目标小区与源小区是否同站，分为站内PSCell变更和站间PSCell变更。（2）SA场景移动性管理根据UE的状态可以分为连接态的移动性管理、Inactive态和空闲态的移动性管理。对于连接态移动性管理，根据执行的流程可以分为切换和重定向；对于Inactive态和空闲态的移动性管理，称为小区重选。1.35G无线网络特征NSA场景移动性管理NSA组网时EN-DC场景是指：主站为LTE基站，即MastereNodeB（简称MeNB）；辅站为5G基站，即SecondarygNodeB（简称SgNB）。NR的所有信令通过eNodeB下发。gNodeB的测量控制模块产生的测量控制消息通过X2口传递给eNodeB，由eNodeB下发给UE。UE将测量结果上报给eNodeB，eNodeB通过X2口将测量报告传递给gNodeB进行PSCell变更流程。1.35G无线网络特征NSA场景移动性管理NSA场景下，当终端从一个NR小区移动到另一个NR小区时，为了保证业务的连续性，触发UE进行PSCell变更1.35G无线网络特征NSA场景移动性管理-PSCell变更1.35G无线网络特征SA场景移动性管理连接态移动性管理通常简称为切换，它是指对于在小区间移动的同步态的RRC连接态的UE，为了保障移动过程中的UE能够持续的接受网络服务，gNodeB对UE的空口状态保持监控，判断是否需要变更服务小区的过程。基于连续覆盖网络，当UE移动到小区覆盖边缘时，服务小区信号质量变差，邻区信号质量变好时，则触发基于覆盖的切换，有效地防止了由于小区的信号质量变差而造成的掉话，如下图所示。基于覆盖的切换示意图1.35G无线网络特征RRC状态模型图示为5GNRRRC状态转换机制。RRC_INACTIVE作为5G新增的核心状态，在基站侧保留上下文，实现了从“休眠”到“唤醒”的毫秒级快速切换，是平衡功耗与速率的关键设计。01RRC_IDLE（空闲状态）UE已完成网络注册，但基站与核心网均不保留用户上下文。此状态下终端功耗最低，适合待机场景，但因需重建信令连接，业务接入延迟相对较长。02RRC_CONNECTED（连接状态）UE与基站建立活跃信令连接，支持高速率、低时延的数据传输，是语音与数据业务的承载状态。由于需维持持续连接，此状态下终端功耗最高。03RRC_INACTIVE（非激活状态·5G核心创新）介于空闲与连接之间的轻量化状态。基站保留UE上下文但释放核心网连接，实现了<100ms的快速业务恢复，完美平衡了终端低功耗与业务低时延的需求。1.35G无线网络特征MassiveMIMO大规