5G通信网络架构

白色记忆曲线

《通信网络架构》

一：通信网络架构的接入层中，所谓的“两面三层”是指什么？

三层：物理层、数据链路层和网络层

两面：控制平面与用户平面

                                                   
       全网的网络架构如图所示，右边为无线侧网络架构，左边为固定侧网络架构。

       无线侧：手机或者集团客户通过基站接入到无线接入网，在接入网侧可以通过RTN或者IPRAN或者PTN解决方案来解决，将信号传递给BSC/RNC。在将信号传递给核心网，其中核心网内部的网元通过IP承载网来承载。

固网侧：家客和集客通过接入网接入，接入网主要是GPON，包括ONT、ODN、OLT。信号从接入网出来后进入城域网，城域网又可以分为接入层、汇聚层和核心层。BRAS为城域网的入口，主要作用是认证、鉴定、计费。信号从城域网走出来后到达骨干网，在骨干网处，又可以分为接入层和核心层。

固网侧和无线侧之间可以通过光纤进行传递，远距离传递主要是有波分产品来承担，波分产品主要是通过WDM+SDH的升级版来实现对大量信号的承载。

三层网络架构设计的网络有三个层次：核心层（网络的高速交换主干）、汇聚层（提供基于策略的连接）、接入层 （将工作站接入网络）。采用层次化设计网络架构，每个层次着重于某些特定的功能，这样就能够使一个复杂的大问题变成许多简单的小问题。

核心层：核心层是网络的高速交换主干，对整个网络的连通起到至关重要的作用。核心层应该具有如下几个特性：可靠性、高效性、冗余性、容错性、可管理性、适应性、低延时性等。在核心层中，应该采用高带宽的千兆以上交换机。因为核心层是网络的枢纽中心，重要性突出。核心层设备采用双机冗余热备份是非常必要的，也可以使用负载均衡功能，来改善网络性能。

     
汇聚层：汇聚层是网络接入层和核心层的“中介”，就是在工作站接入核心层前先做汇聚，以减轻核心层设备的负荷。汇聚层具有实施策略、安全、工作组接入、虚拟局域网（VLAN）之间的路由、源地址或目的地址过滤等多种功能。在汇聚层中，应该选用支撑三层交换技术和VLAN的交换机，以达到网络隔离和分段的目的。

接入层：接入层向本地网段提供工作站接入。在接入层中，减少同一网段的工作站数量，能够向工作组提供高速带宽。接入层可以选择不支撑VLAN和三层交换技术的普通交换机。

根据LTE网络架构中数据流和信令流的走向，将协议结构分为UE,E-NodeB，MME，SGW四个部分。同时分为控制面协议架构和用户面协议架构。

控制面协议架构包括:

NAS：（Non-access stratum 非接入层），存在于UMTS的无线通信协议栈中，作为核心网与用户设备之间的功能层。该层支撑在这两者之间的信令和数据传输。功能：认证，鉴权，安全控制，Idle模式移动性管理，Idle模式寻呼发起；

RRC：（Radio Resource Control）：无线资源控制，处理UE(User Equipment)和eNodeB(EvolvedNode-B)之间控制平面的第三层信息。 功能：广播，寻呼，链路管理，无线承载控制，移动性，UE测量上报和控制；

PDCP：(Packet Data Convergence Protocol)分组数据汇聚协议，负责将IP头压缩和解压、传输用户数据并维护为无损的无线网络服务子系统(SRNS)设置的无线承载的序列号。在接收端，PDCP协议将负责实行解密及解压缩功能。对于一个终端每个无线承载有一个PDCP实体。功能：加密和完整性保护;

RLC：(Radio Link Control)无线链路控制层协议，负责分段与连接、重传处理，以及对高层数据的顺序传送。与UMTS系统不同，LTE系统的RLC协议位于eNodeB，这是因为在LTE系统对无线接入网的架构进行了扁平化，仅仅只有一层节点eNodeB。RLC层以无线承载的方式为PDCP层提供服务，其中，每个终端的每个无线承载配置一个RLC实体。功能：PDU传输，ARQ，包的组合拆分；

MAC:媒体访问控制（MAC）层,负责处理HARQ重传与上下行调度。MAC层将以逻辑信道的方式为RLC层提供服务。功能：调度，HARQ，逻辑信道优先级处理，PDU组包和解复用。

PHY物理层，负责处理编译码、调制解调、多天线映射以及其它电信物理层功能。物理层以传输信道的方式为MAC层提供服务。功能：无线接入，功率控制，MIMO。

与控制面协议架构相比，用户面协议架构在MME侧是SAE Gateway，而控制面协议架构MME是NAS,且用户面协议架构UE侧和eNodeB侧无NAS和RRC。

而在3G（The 3rd Generation Mobile Communications，第三代移动通信）网络中，接入网部分UTRAN（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UMTS陆地无线接入网）UTRAN接口的通用协议模型如下图：

       通讯网络由终端(terminal)、连接(links)、网络节点(nodes)组成, links将nodes 关联起来。源终端(MO)发送的消息经过links 和nodes,直至到达MT。传送的消息中必须包含“用户想传递的内容”(sms/email/someencoded speech)（由用户面处理）和“这些数据怎么通过网络到达对方(route) ”（由控制面处理）。

     
       无线网络层和传输网络层是从上到下的层次来划分，可以参照TCP网络或者OSI网络层次来理解（物理层—>传输层—>应用层）。对应于此，无线网络层可以看做是UTRAN系统的应用层，传输网络层就是传输层（包括最底层的物理层）。

至于用户面和控制面嘛，这个其实是按照数据的类型划分的。通信系统中，一般都存在用户面和控制面之分。用户面就是真正的业务数据，比如语音数据或者分组业务数据。控制面就是走信令的，用来控制一个呼叫流程建立、维护及释放。

无线网络层的用户面就是语音编码（CS业务）或者分组数据包（PS业务），即真正的用户数据；无线网络层的控制面就是控制信令协议：RANAP、RNSAP及NBAP，用来控制呼叫流程的信令。

传输网络层是底层承载，通俗讲就相当于道路，因此上它的用户面既包括用户数据也包括信令数据，也就是说无线网络层（控制面和用户面）下来的东西都是它的用户面，由它承载，进行发送/接收。那传输网络层的控制面呢，它是单独的一个控制面，只位于传输网络层，与无线网络层没有任何关系，用来为无线网络层的用户面数据建立传输承载（AAL2连接的创建维护及释放）。

二：5G中将中心频点为24G-100G的传输系统称为什么？

毫米波通信系统

根据3GPP 38.101协议的规定，5G NR主要使用两段频率：FR1频段和FR2频段。FR1频段的频率范围是450MHz——6GHz，又叫sub 6GHz频段；FR2频段的频率范围是24.25GHz——52.6GHz，人们通常叫它毫米波（mmWave）。毫米波只是个约定俗成的名称，没有哪个组织对其有过严格的定义。有人认为，频率范围在20GHz（波长15毫米）——300GHz之间的电磁波都可以算毫米波。目前主要受关注的频段为28-30GHz，38GHz，45GHz，57-71GHz，71-76GHz，81-86GHz，100GHz等频段。

开发利用毫米波频谱资源是第五代移动通信技术的重点，因毫米波段拥有巨大的频谱资源开发空间所以成为 Massive MIMO 通信系统的首要选择。毫米波的波长较短，在 Massive MIMO 系统中可以在系统基站端实现大规模天线阵列的设计，从而使毫米波应用结合在波束成形技术上，这样可以有效的提升天线增益，但也是由于毫米波的波长较短，所以在毫米波通信中，传输信号以毫米波为载体时容易受到外界噪声等因素的干扰和不同程度的衰减。

毫米波由于其频率高、波长短，具有如下特点：

频谱宽，配合各种多址复用技术的使用可以极大提升信道容量，适用于高速多媒体传输业务；可靠性高，较高的频率使其受干扰很少，能较好抵抗雨水天气的影响，提供稳定的传输信道；方向性好，毫米波受空气中各种悬浮颗粒物的吸取较大，使得传输波束较窄，增大了窃听难度，适合短距离点对点通信；波长极短，所需的天线尺寸很小，易于在较小的空间内集成大规模天线阵。也正是上述的特点，使得毫米波在自由空间中传播时具有很大的路径损耗，而且反射之后的能量急剧衰减，导致毫米波通信主要是视距传播和少量的一次反射的非视距传播，导致其稀疏的信道特性。

毫米波频段用于移动通信网络小站回传主要具有四点优势

第一、频谱资源纯净，电磁干扰少，部署时候无需扫频；

第二、频谱资源丰富，足够分配使用；

第三，适合分配较大的信道带宽（1GHz）；

第四、使用高增益天线获得极窄波束，降低旁瓣同时减少相邻干扰，利于频率复用。典型应用场景包括室内热点回传场景、街道热点回传场景、小站与基站数据回传、城市热点补盲回传等。从以上场景可知，传统毫米波回传场景特点为：高传输速率，高可靠，低传输时延、同时连接数较低。

除了优点之外，毫米波也有一个主要缺点，那就是不容易穿过建筑物或者障碍物，并且可以被叶子和雨水吸取。这也是为什么5G网络将会采用小基站的方式来加强传统的蜂窝塔。毫米波通信系统中，信号的空间选择性和分散性被毫米波高自由空间损耗和弱反射能力所限制，又由于配置了大规模天线阵，很难保证各天线之间的独立性，因此，在毫米波系统中天线的数量要远远高于传播路径的数量，所以传统的 MIMO 系统中独立同分布的瑞利衰落信道模型不再适用于描述毫米波信道特性。已经有大量的文献研究小尺度衰落的场景，在实际通信过程中，多径传播效应造成的多径散射簇现象和时间扩散和角度扩散之间的关系也应当被综合考虑。

毫米波通信系统具有独特的信道传播特性，相对于低频段信道特性，具有更大的自由空间路径衰减，同时受到氧气和雨水影响，体现出几个典型的“大气窗口”频率和衰减峰。在35GHz、94GHz、220GHz频段，毫米波受到衰减较小，为典型的“大气窗口”，这些频段比较适合用于点对点通信，已经被低空空地导弹和地基雷达采用。而在60GHz、180GHz等频段，信道特性体现出极大的衰减值，高达15dB/km 以上，为衰减峰，比较利于应用在抗干扰和保密通信中。同时，毫米波频段也受到雨水衰落的影响，随着降雨量的增加呈现衰减加大的趋势。

毫米波在空气中衰减非常大这一特点也注定了毫米波技术不太适合使用在室外手机终端和基站距离很远的场合。各大厂商对5G频段使用的规划是在户外开阔地带使用较传统的6GHz以下频段以保证信号覆盖率，而在室内则使用微型基站加上毫米波技术实现超高速数据传输。

5G其它新技术的引入，比如massive MIMO、新的numerology(子载波间隔等)、LDPC/Polar码等等，都与毫米波密切相关，都是为了让OFDM技术能更好地扩展到毫米波段。为了适应毫米波的大带宽特征，5G定义了多个子载波间隔，其中较大的子载波间隔(60KHz和120KHz)就是专门为毫米波设计的。前面提到过的massive MIMO技术也是为毫米波而量身定制。因此，5G 也可以被称为“扩展到毫米波的增强型4G”或者“扩展到毫米波的增强型LTE”。

MilliLabs基于其专利架构开发了一套全新的适用于5G毫米波系统的信道模拟仿真系统。该模拟器集成了毫米波信道传输特性模拟和系统对应的RF前端（相控阵天线）的模拟。可以广泛的用于5G CPE和基站的开发测试。包括基于5G平台的应用程序开发，车联网，低延时，超大带宽和超密集的网络测试。从物理层到全堆栈的范围内，完成对5G毫米波系统的研发，原型机，验证，性能的测试解决方案。

目前毫米波天线阵列的实现的方式可分为AoC （Antenna on Chip)、AiP （Antenna in Package，封装天线)两种。其中AoC天线将辐射原件直接集成到射频芯片栈的后端，该方案的优点在于，在一个面积仅几平方毫米的单一模块上，没有任何射频互连和射频与基带功能的相互集成。考虑到成本和性能，AoC技术更适用于较毫米波频段更高频率的太赫兹频段（300GHz-3000GHz）。

5G毫米波技术也在逐渐发展完善之中，各大运营商积极进行毫米波频段相关测试和应用。包括美国Verizon、日本NTT、英国Arqiva、中国移动、加拿大Telus、韩国KT在内的运营商已经开始测试和应用毫米波5G系统，取得积极进展。

随着未来虚拟/增强现实、三维视频、交互式游戏和全息图像等高宽带新兴业务的快速普及，未来5G/6G网络传输容量进一步的提升仍任重道远。通过利用毫米波频段波长短易配置多天线的优点，大家可以在个人移动终端放置天线阵列，同时使用毫米波频段接入基站提高网络传输容量，例如图9(a)中显示了手机端天线阵列的大小，可见毫米波阵列天线可以很好嵌入终端中，而图9(b)显示了典型的个人移动设备接入无线网络的场景。

三：通过4G网络完成接入流程的5G网络架构称为什么？

NSA（非独立组网）架构

5G NR架构演进分为：NSA（非独立组网）和SA（独立组网）。

独立组网模式（SA）：指的是新建5G网络，包括新基站、回程链路以及核心网。SA引入了全新网元与接口的同时，还将大规模采用网络虚拟化、App定义网络等新技术，并与5GNR结合，同时其协议开发、网络规划部署及互通互操作所面临的技术挑战将超越3G和4G系统。

非独立组网模式（NSA）：非独立组网是指使用现有的4G基础设施，进行5G网络的部署。基于NSA架构的5G载波仅承载用户数据，其控制信令仍通过4G网络传输。

3GPP对5G的架构标准化的进程上, 在最早冻结的5G NSA（非独立组网）下，5G无法单独工作，仅仅是作为4G的补充，分担4G的流量。5G SA（独立组网）的标准化足足比非独立组网迟了半年之久。

在2016年3GPP釜山会议上，德国电信提出了12种组网选项。其中选项3/3a/3x、7/7a/7x、4/4a为非独立组网构架，选项2、5为独立组网构架。

对于NSA部署，可以选择共站部署和非共站部署两种方式。

5G基站和4G基站共站与非共站部署方式包括5G基站（gNB）可作为宏站，与现有的LTE基站（eNB）共站部署，提供重叠覆盖；5G基站（gNB）也可作为微站，与现有的LTE基站（eNB）共站或非共站部署，解决室内或热点覆盖。

NSA非独立组网分为三个阶段：

(1) 4G基站（eNB）和5G基站（gNB）共用4G核心网（EPC），eNB为主站，gNB为从站，控制面信令走4G通道至EPC。其优势是不必新增5G核心网（NGCN），利于运营商利用现有4G网络基础设施快速部署5G，抢占覆盖和热点。不过，由于5G信令全走4G通道，有4G核心网信令过载的风险，因此，该阶段主要解决初期的5G覆盖。本方案核心标准已于2017年12月冻结。

(2) 4G基站（eNB）和5G基站（gNB）共用5G核心网（NGCN），eNB仍然为主站，gNB为从站，控制面信令走4G基站至5G核心网. 该阶段5G核心网替代了4G核心网，解决了核心网信令过载的风险，因此，主要面向解决5G容量需求。

(3) 4G基站（eNB）和5G基站（gNB）共用5G核心网（NGCN），gNB为主站，eNB为从站。该阶段不仅面向5G的增强型移动宽带场景，还面向大规模物联网和低时延高可靠物联网，总之，是面向万物连接时代5G的多样化业务。

在NSA架构中，LTE/5G双连接等关键技术是核心。双连接（DC,Dual-Connectivity）是3GPP Release-12版本引入的重要技术。通过双连接技术，LTE宏站和小站可以利用现有的非理想回传（non-idealbackhaul）X2接口来实现载波聚合，从而为用户提供更高的速率，以及利用宏/微组网提高频谱效率和负载平衡。支撑双连接的终端可以同时连接两个LTE基站，增加单用户的吞吐量。3GPPRelease-14在LTE双连接技术基础上，定义了LTE和5G的双连接技术。LTE/5G双连接是运营商实现LTE和5G融合组网、灵活部署场景的关键技术。在5G早期可以基于现有的LTE核心网实现快速部署，后期可以通过LTE和5G的联合组网来实现全面的网络覆盖，提高整个网络系统的无线资源利用率、降低系统切换时延以及提高用户和系统性能。3GPPRelease-14针对同构网络（HomogeneousNetwork）和异构网络（HeterogeneousNetwork），定义了两种典型的LTE和5GNR部署场景。同构网络场景下，LTE和5GNR基站共址并提供相同的重叠覆盖。这种场景下，LTE和5GNR全部是宏站或者全部是小站。异构网络场景下，LTE和5GNR的部署方案。这种场景下，宏站和小站同时混合部署。LTE可以提供宏覆盖，5GNR作为小站进行覆盖和热点容量增强。LTE宏站和5G小站可以共址，也可以非共址，共址的情况下，小站一般是通过长光纤拉远低功率RRH来实现。两种部署场景下，都可以通过双连接技术实现LTE和5G互连，提高整个无线网络系统的无线资源利用率，降低切换时延，提高用户和系统性能。