【学习笔记】5g基础自学

概述：通信

现代通信的基础都是以电磁理论作为基础的。无论是有线通信还是无线通信；

> 莫尔斯发明有线电报（上帝创造了何等的奇迹）：采用电流交替地通电和切断产生的不同信号，编制代表数字和字母的电码；
> 贝尔发明有线电话（沃特森快来帮忙）：声波通过电磁感应转换为各种电振荡；
> 马尔可妮发明了无线电报（英吉利海峡的游艇比赛）：采用电磁波作为传播媒介；
.......

移动通信技术

1G

主要利用的话就是打电话，其基本原理也很简单：

说出的话转化为声波 --> 声波进入手机后变成电磁波，通过天线发射到最近的基站 --> 然后通过光缆传输到离对方最近的基站 --> 基站收到后继续发射电磁波到对方的手机 --> 手机收到后翻译成声波；

这时的电磁波为模拟信号，很容易造成丢失，而且只能用来模拟声波，也就是打电话。

2-4G

主要采取了数字信号，即将无论是文字、图像还是视频都转化为非零即一的代码；这样抗干扰能力大大提高，即使受到了干扰，也能够识别出01，大大提高了信息的准确性。

• 1G：模拟信号，只支持语音，不同国家，安全问题；打电话
• 2G：数字信号，欧洲GSW,美国高通； 发短信；
• 3G：ITO主导，无线互联网；上网
• 4G：3GPP,LTE两个标准，LTE对数据大幅提升；看视频；
  为了提高信息传递的速度，又采取了很多方法：例如不断提高频率、加宽频段等；

5G

5G应用场景

• eMMB：eMBB( Enhanced Mobile Broadband)，增强移动宽带，是指在现有移动宽带业务场景的基础上，对于用户体验等性能的进一步提升 。
• mMMTC：(massive Machine Type of Communication)海量机器类通信（大规模物联网）。
• URLLC（Ultra-Reliable and Low Latency Communications）,低时延高可靠连接。

5G 网络

• 无线接入网（Radio Access Network)RAN:将终端设备接入到通信网络； 例如基站（BaseStation）
  整个通信网络的逻辑架构，一直都是：手机→接入网→承载网→核心网→承载网→接入网→手机。

通信过程的本质，就是编码解码、调制解调、加密解密。

基站

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）。

本来BBU/RRU/供电设备都是打包放在一起的，后来RRU被拉到了天线的身边，也就是余总的分布式无线接入网，RAN变成了Distributed RAN；这样一来，简短了RRU和天线之间馈线的长度，减少信号损耗，另一方面网络规划更灵活，因为RRU+天线小；

再后来，为了减小机房的数量（机房用来摆放BBU和相关的配套设备，如电源空调等）运营商将BBU全部集中起来了，整了一个中心机房，C-RAN，形成了一个BBU基带池，这样就降低了很多的成本问题。

那么既然BBU都在中心机房了，那就可以对其进行虚拟化了，也就是网元功能虚拟化(NFV),也就是找个x86服务器，装个虚拟机，来运行具有BBU功能的软件，就 可以当BBU用了。

在5g中，接入网又被重构成了其他功能实体，CU+DU+AAU; AAU=RRU+天线；

在上图中，4G核心网，也就是EPC被分为了New core（5gc）和MEC（移动网络边界计算平台），将MEC移动到和CU一起，就是所谓的“下沉”；之所以要BBU功能拆分，核心网部分下沉，根本原因，就是为了满足5G不同场景的需要。因为需求的多样化，所以要网络多样化；因为网络多样化，所以要切片；因为要切片，所以网元要能够灵活移动，因为网元要能够灵活移动，所以网元之间的连接也要灵活变化；所以有了DU和CU这样的新架构。

在通信系统里，说白了就是两个面：用户面和控制面；

• 用户面：就是用户的实际业务数据，比如语音数据，视频数据流之类的；用户面主要负责数据包的传输；

• 控制面：是为了管理数据走向的信令、命令；控制面主要负责连接的建立和断开；

5G核心网；

5G核心网，采用的是SBA架构（Service based architecture，即基于服务的架构），SBA架构，基于云原生构架设计，借鉴了IT领域的“微服务”理念；把原来具有多个功能的整体，分拆为多个具有独自功能的个体，每个个体，实现自己的微服务；简而言之，5G核心网就是模块化、软件化。

• NSSF（网络切片选择功能）
管理网络切片相关信息，比如负责为终端选择网络切片
• AUSF（认证服务器功能）
完成用户接入的身份认证功能，对应4G MME中鉴权功能
• UDM（统一数据管理）
管理和存储签约数据、鉴权数据
• AMF（接入和移动性管理功能）
完成移动性管理、NAS MM信令处理、NAS SM信令路由、安全锚点和安全上下文管理等
• SMF（会话管理功能）
完成会话管理、UE IP地址分配和管理、UP选择和控制等
• PCF（策略控制功能）
支持统一策略框架，提供策略规则
• AF（应用程序功能）
外部应用程序服务器
• UPF（用户面功能）
负责用户面处理，比如在无线接入网和Internet之间转发流量、报告流量使用情况、QoS策略实施等，对应4G EPC中的S/PGW的用户面
• DN（数据网络）
5GC外部数据网络（Internet等）

5GC六大关键能力

• 用户面和控制面分离

这种控制面与用户面分离的架构，允许分别增强控制面功能和用户面（UPF）功能，更重要的是，可以将用户面（UPF）下沉到离用户更近的地方，从而大幅降低网络时延。

• 不依赖于接入网的统一架构
  在4G时代，3GPP接入网（比如LTE、WCDMA）与非3GPP接入网（比如Wi-Fi）以不同的方式连接到EPC。但5G时代，不管是“3GPP接入网”（比如5G NR、LTE），还是其他“非3GPP接入网”都使用相同的接口连接到5GC。
• 基于服务的架构（SBA）

就像上图一样，每个NF并非一对一的点连接，而是所有NF共享一条通信通道，每个NF都可以与任何NF进行通信。任何一个NF都采用相同的协议（htptp/2)，这样NF之间的连接就会更具有弹性，增强了灵活扩展性。为了解决这种架构下，一个NF如何知道另一个NF提供的什么服务，提供了哪些服务，在5GC控制面引入了NRF（网络存储库功能），负责对网络功能服务注册登记、状态监测等。此外还引入了NEF
NF

功能简介

类比EPC网元

AMF(Access and Mobility Management Function)

接入和移动性管理功能，执行注册、连接、可达性、移动性管理。为UE和SMF提供会话管理消息传输通道，为用户接入时提供认证、鉴权功能，终端和无线的核心网控制面接入点。

MME中移动性管理

SMF(Session Management function)

会话管理功能，负责隧道维护、IP地址分配和管理、UP功能选择、策略实施和QoS中的控制、计费数据采集、漫游等

MME+SGW+PGW中会话管理等控制面功能

AUSF (Authentication Server Function)

认证服务器功能，实现3GPP和非3GPP的接入认证

MME中鉴权功能+HSS鉴权数据管理

UPF（The User plane function）

用户面功能，分组路由转发，策略实施，流量报告，Qos处理。

S-GW-U/P-GW-U

PCF(Policy Control function)

策略控制功能，统一的政策框架，提供控制平面功能的策略规则

PCRF

UDM(The Unified Data Management)

统一数据管理功能，3GPP AKA认证、用户识别、访问授权、注册、移动、订阅、短信管理等

HSS+

NRF(NF Repository Function)

该功能是一个提供注册和发现功能的新功能，可以使网络功能（NF）相互发现并通过API接口进行通信。

无

NSSF(The Network Slice Selection Function)

网络切片选择，根据UE的切片选择辅助信息、签约信息等确定UE允许接入的网络切片实例。

无

NEF (Network Exposure Function)

网络开放功能，开放各NF的能力，转换内外部信息。

无

• 网络数据分析功能（NWDAF)
  提供网络分析，实现网络自动化；
• 分布式UPF
  只有UPF负责用户面，不再有SGW和PGW，减少网络节点降低网络延迟；
• 网络切片
  一个终端可以使用多个切片，共用一个AMF负责终端级的处理，每个切片有单独SMF和UPF，终端上运行的多个应用可以通过各自的切片来保障网络能力，互不影响；