5G 学习 - 1

目录

5G

  • 发展

    • 3G时代出现了基带单元和射频单元分离的基站，这种基站也被称为分布式基站，基带部分被称为BBU，而射频单元被称为RRU。
    • 基带拉远分为基带部分（BBU）和射频部分（RRU），中间采用光纤进行信号传输，这种方式有时也被称为分布式基站或射频拉远（BBU+RRU）。
    • RRU负责信号收发，BBU负责信号处理。
    • BBU与RRU之间采用光纤传输，RRU再通过同轴电缆及功分器(耦合器)等连接至天线，即主干采用光纤，支路采用同轴电缆。
    • 这种分布式架构，把粗长硬的馈线换成了细软轻的光纤，站点功耗大幅降低，网络运维成本自然也就降下来了。
    • 这种架构就叫做C-RAN（集中式无线接入网）
    • 虽然C-RAN是一个非常好的构想，在4G阶段却没有发展起来，因为这种架构对于光纤资源的数量要求太高，每个站点都要有到BBU集中机房的光纤

  • AAU是RRU（5G是+Low-PHY）+天线

    • 5G中RRU演变成了集成超大规模天线阵列的Massive MIMO AAU
    • 在5G的整个网络结构之中，依然会有BBU+RRU+传统天线的组合，AAU并不是5G系统之中的唯一
    • 和RRU相比，AAU多了天线的功能以及部分BBU的功能。和RRU相比，AAU体积更大，面积更大，重量更重，耗电也会更大，价格也要贵一些。

  • BBU是Building Baseband Unit 室内基带处理单元（基带）

  • CPRI是Common Public Radio Interface 通用公共无线电接口

    • 它是用于蜂窝无线网络的中REC（无线电设备控制）和RE（无线电设备）之间的关键通信接口规范。
    • BBU和RRU之间的基带信号传输使用光纤，之间的传输协议是用CPRI
    • CPRI定义的是BBU与RRU/AAU之间接口的规范。
    • CPRI接口速率是正比于天线数和载波带宽的。以一个常见的4T4R RRU为例，仅建一个20M的LTE载波，不做压缩的话需要4.9152Gbps的接口带宽，使用一个普通的10G光模块就足够了

  • eCPRI是enhanced Common Public Radio Interface 增强通用公共无线电接口

    • 把在High Phy往上的数据交给BBU处理，下面的交给RRU的DU部分去处理，这样BBU和RRU之间的数据量就少了
    • eCPRI就是通过将Low-PHY移至RRU部分的DU中，大幅度降低BBU和RRU之间的接口速率要求，达到节省光模块成本的目的。
    • 代价是RRU的复杂度提升，要耗费RRU的FPGA资源。

  • eMBB是Enhanced Mobile Broadband 增强移动宽带

  • FR是Radio Frequency 射频

  • gNB 5G基站 ，eNB 4G 基站

  • High-PHY是指L1中，与DSP没有直接的强相关性软件实体。Low-PHY是那些与DSP有强相关性的软件实体。

  • RRU是Remote Radio Unit 远端射频模块(射频)

    • RRU的工作原理是：
      基带信号下行经变频、滤波，经过射频滤波、经线性功率放大器后通过发送滤波传至天馈。
      上行将收到的移动终端上行信号进滤波、低噪声放大、进一步的射频小信号放大滤波和下变频，然后完成模数转换和数字中频处理等。　　
      RRU同基站接口的连接接口有两种：CPRI（Common Public Radio Interface 通用公共射频接口）及OBSAI（Open Base Station Architecture Initiative 开放式基站架构）

  • Sub6G，毫米波都是指5G的频段

    • Sub6G载波需要支持100M带宽，而毫米波需要支持400M的载波带宽

参考文档
https://zhuanlan.zhihu.com/p/59655867
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1659475446219589248&wfr=spider&for=pc

基站发展

2G和3G时代基站的架构:

既然基站可以分为两个模块：发射信号的RRU和处理信号的BBU，其中BBU小巧精致功耗低，而RRU体积庞大功耗高，何不把功耗高的RRU也挂在塔上，跟天线放一起？这样就不用很长的馈线连接了，损耗小了功耗自然也就降下来了，自然散热就可以。这样一来，机房里少了RRU这个散热大户，空调也就可以歇歇了。
在2G时代，基站君还是一体化架构的，即把今天的RRU和BBU扔一块放在空调房里，天线挂高塔上，中间用射频馈线连接，之间馈线往往几十到上百米，笨重而昂贵。有点射频常识的人都清楚，这么长的射频馈线意味着多大的损耗，信号没发出去就在自家窝里损耗大半。还有机房的运维成本也是个问题。

因为把基站拆成了两块分开工作，这样的站点也叫分布式站点。这样就涉及到了BBU和RRU的连接问题。到底BBU和RRU它们可以离得多远，之间的数据怎么传，总得有个标准才行。
CPRI

于是，在2003年，爱立信，诺西，阿朗，NEC，还有华为这几个厂家一合计，搞出来了个叫做CPRI（通用公共无线电接口）的协议，大家都按着这个来搞。

  • CU Central Unit 集中单元
  • DU Distributed Unit 分布单元

5G时代，不仅仅是RRU和天线集成到了一起变成了AAU，而且BBU的物理结构也由于5G改变的网络框架而演变成了CU(集中单元）和DU（分布单元）。

其中BBU的实时性比较强的部分，变成了DU(分布单元），而BBU的非实时性功能则演变为了CU(集中单元），此外5G核心网功能下沉到边缘，CU还将承载部分核心网的功能。

BBU的部分物理层功能，被设计到了AAU之中，因此和RRU相比，AAU不仅仅是多集成天线部分的功能，还多了部分BBU物理层的功能。

CPRI接口速率是正比于天线数和载波带宽的。以一个常见的4T4R RRU为例，仅建一个20M的LTE载波，不做压缩的话需要4.9152Gbps的接口带宽，使用一个普通的10G光模块就足够了
然而到了5G时代，我们的一个核心的场景是eMBB，天线数目加了，原先的2T、4T一下子变成了32T、64T，带宽也加宽了很多，到了5G时代，单个NR载波可能就高达100M带宽，对于sub6G就有200M带宽需求，对于毫米波频段，更是400M起步。这么一算，对CPRI接口速率的要求提高了几十倍，如对64T MM，仅建一个100M NR载波，就需要惊人的172.8Gbps的速率要求，也就是建一个载波就要用到2个100G的光模块，即便结合压缩技术压缩到1/3，也需要至少1个100G的光模块! 这带来的成本是非常高的。

我们知道数据通过通信协议栈，各层会在上一层的基础之上附加本层的功能，这样层层加码下来，数据量急剧增加。CPRI协议在BBU和RRU之间传输的物理层数据，不但包含了承载的数据，还含有大量物理层信息，并这些信息分到了各个天线之上，数据量非常巨大。如下图所示，就是最为普通的20MHz带宽的LTE载波，支持2x2MIMO，可支持150Mbps速率的数据流，处理到了CPRI这里，带宽需求竟然达到了惊人的2.5Gbps！

其实，上面例子中的的CPRI速率，在CPRI的世界中还算是很小的。在CPRI协议的6.1版本中，定义了9个选项，最大速率可达12Gbps。
eCPRI

那么可以大幅度降低前传速率要求的eCPRI就来了。eCPRI的思路是这样的，通信协议栈上传输的数据会层层加码，越到底层数据量越大，那如下图所示，把在High Phy往上的数据交给BBU处理，下面的交给RRU的DU部分去处理，这样BBU和RRU之间的数据量就少了，代价是RRU的复杂度提升，要耗费RRU的FPGA资源。
我们再来看一下eCPRI的效果，以前面64T MM建100M NR载波为例，对CPRI速率要求是172.8Gbps，对eCPRI的要求仅为24.3Gbps，降到了原先的14%，这对于光模块的要求大幅度下降，5G前传的压力也小了很多。

概念区别

  • 基站：
    基站就是由天线和RRU组成的无线电收发装置
  • 扇区：
    扇区是地理上的定义，一个宏站基站通常会打出三片扇区
  • 扇区和载波：
    每个扇区使用一个或多个无线载波完成无线覆盖，每个无线载波使用某一载波频点
  • 小区：
    小区是为用户提供无线通信业务的一片区域，是无线网络的基本组成单位。基站支持的小区数由“扇区数×每扇区载频数”确定

5G

术语相关

nrarfcn （Absolute Radio Frequency Channel Number - ARFCN）对应LTE是earfcn

基本架构

5G 频率范围

LTE

LTE无线架构

上下行无线协议架构

eNodeB（Evolved Node B），即演进型Node B，简称eNB，LTE中基站的名称。eNodeB相比现有3G中的Node B，集成了部分RNC的功能，减少了通信时协议的层次。
CQI-Channel Quality Indication，信道质量指示，CQI由UE测量所得（周期性上报使用的是PMI用push信道（业务信道），非周期性是RI上报使用pucch信道（控制信道））

AMC 自适应调试标编码技术
HARQ 重传
ICIC小区抗干扰

一个时隙包含7个连续的OFDM符号

LTE术语

  • AMF Access and Mobility Management Function (AMF)
  • AS 接入层
  • beamforming 波束赋型，波束赋型可以删除同一个时间频率资源分配给不同用户的干扰
  • BSR（Buffer Status Report）UE需要通过BSR来告诉eNodeB自己有多少数据需要发送
  • CA(Carrier Aggregation，载波聚合)LTE-Advanced系统引入一项增加传输带宽的技术
  • CRS（Cell-specific reference signal）小区特定的参考信号
  • C-RNTI(Cell 小区 RNTI无线网络临时标识符)
  • CP(Cyclic prefix )循环前缀
  • CQI 信道质量标识
  • CSI （Channel State Information）,UE可以通过CSI将下行信道质量信息上报给eNodeB
    假设在信道质量很好的情况下，下行使用了QPSK而不是更高阶的调制方式（16QAM/64QAM）进行传输的话，对频谱的利用率就会变低，并造成吞吐量的下降。
    而假设在信道质量很差的情况下，使用了高阶调制（16QAM/64QAM）而不是QPSK调制的话，就会造成过多的重传。无论是哪种情况，都没能有效地利用无线资源。
  • CSFB （Circuit Switched Fallback）电路域回落Lte与2,3G的互操作
  • DC子载波（DC-subcarrier）是LTE下行载波中心位置的一个未被使用的子载波
    是为了避免本地晶振可能泄露等原因导致高干扰而设置的，这也就是一些资料中提到如PSS和SSS占用载波中心62个子载波（不含DC子载波）的由来。
  • DCI （Downlink Control Infomation 下行控制信息，由PDCCH承载）
  • EPC （evolution packet core）
  • IMS （IP Muti-media Subsystem）Lte的语音业务是要基于IMS的VolTE
  • MIB （maste information block）和SIB1 （system information block type1）
  • MCS （Modulation and Coding Scheme）调制和编码方案，自适应的，MCS25一般就是有问题了，DL最高MCS27，UL最高28，
  • MME (management entity)
  • Msg3根据UE状态的不同和应用场景的不同，这条消息也可能不同，因此就称为Msg3，即随机接入过程的第3条消息
    其在不同场景下的Msg3如下所描述：
    - RRC_IDLE态下初始接入，通过RRCSetupRequest；
    - RRC_INACTIVE态下恢复接入，通过RRCRRequest；
    - RRC连接重建，通过RRCReestablishmentRequest；
    - 上行失步，上行数据到达，下行数据到达(竞争)，通过CRNTI；
    - 其他SI请求，通过RRCSystemInfoRequest；
    - 切换(竞争)，通过CRNTI + RRCReconfigurationComplete；
  • NAS 非接入层
  • PHICH（Physical Hybrid-ARQ Indicator CHannel）用于对上行PUSCH传输的数据回应HARQ ACK/NACK。
  • PDCCH（Physical Downlink Control CHannel）
  • PDSCH（Physical Downlink shared CHannel）
  • paging 寻呼消息
  • PCI（physical-layer Cell identity 物理小区ID）是由主同步信号（PSS）与辅同步信号（SSS）通过简单运算获得（PCI=PSS+3*SSS）
  • PSS（Primary Synchronization Signal，主同步信号）
  • PDSCH Physical Downlink Shared Channel 物理下行共享信道 （数据业务）
  • PRACH （随机接入信道）在频域上占6个连续的RB，正好等于LTE支持的最小上行带宽
  • RB(resource block)每个RB专用带宽（每个RE为15KHz，12个子载波组成1RB，即15KHz*12=180KHz=0.18MHz）
    • LTE带宽配置20MHz留出总带宽的10%作为保护带用，即20MHz的带宽实际RB占用18MHz ( 100个RB )
  • PBCH:phisical broadcast CHannel：物理广播信道
  • RA preamble ,随机接入过程的步骤一就是UE发送random access preamble
  • RAR ,随机接入响应
  • RRC radio resource control 无线资源控制 ：连接态（RRC_CONNECTED）和 RRC_IDLE
    • RRC_IDLE态，并每隔一段时间“醒来”一次，去接收Paging消息，以确定是否有呼叫请求
  • rrm 无线资源管理
  • RS参考信号（Reference Signal，）就是“导频”信号
  • RLF（Radio Link Failure）会触发重建（Re-establishment）流程
  • RAN （radio access network）
  • RAR （random access response）
  • RA-RNTI(随机接入 RNTI无线网络临时标识符 )
  • RACH (Random AccessChannel 随机接入信道)
  • RNTI (Radio Network Tempory Identity 无线网络临时标识符），在UE和eNB之间的信号信息内部的作为不同UE的标识。
  • RSRP、RSRQ (reference signal receive power /quality )参考信号接收功率，参考型号接收质量
  • SFN（System Frame Number系统帧号）
  • SFBC（空频块编码）
  • SID 沉默指示帧，每160ms产生一个sid
  • SSS（Secondary Synchronization Signal，辅同步信号）
  • SI-RNTI （System Information RNTI（系统信息-无线网络临时标识符）），用于系统信息的传输，对应于BCCH；
  • SRS:Sounding Reference Signal(上行探测参考信号)
  • SR:（Scheduling Request）UE会通过发送SR告诉eNodeB有数据要发
  • TAU：Tracking Area Update (TAU)
  • TA tracking area
  • UCI （上行控制信息，包括CSI和ACK/NACK）会在PUSCH上传输，否则UCI在PUCCH上传输。

信道映射

逻辑信道

上行 下行
CCCH，DCCH，DTCH PCCH，BCCH，CCCH

传输信道

上行 下行
UL-SCH，RACH PCH，BCH，DL-SCH，MCH

物理信道

上行 下行
PUSCH，PUCCH，PRACH 控制 PBCH，PDCCH
PUSCH，PUCCH，PRACH 业务 PDSCH

BCCH - Broadcast Control Channel
CCCH - Common Control Channel
DCCH - Downlink Control CHannel
DSCH - Downlink shared CHannel
PCCH - Paging Control Channel 即寻呼控制信道

LTE协议栈和接口

主要接口

S1AP 协议
SCTP 协议
GTP-U 协议
X2 接口

overall

  1. L1

    • PBCH，PDSCH

  2. L2

    • PDCP（Packet data convergence protocol 分组数据汇聚协议）
    • RLC （ Radio Link Control 无线链路控制层协议 ）
    • mac层

  3. L3

    • 一般指rrc （radio resource control 无线资源控制）
上行

RRC：radio resource control 无线资源控制
PDCP：packet data convergence protocol 分组数据汇聚协议
RLC：radio link control 无线链路控制
MAC：medium access control 媒体接入控制

下行控制
  • BCCH (Broadcast Control Channel )

  1. PCFICH（Physical Control Format Indicator CHannel）

    • 通知UE对应下行子帧的控制区域的大小，即控制区域所占的OFDM符号（OFDM symbol）的个数。或者说，PCFICH用于指示一个下行子帧中用于传输PDCCH的OFDM符号的个数。

  2. PDCCH（Physical Downlink Control CHannel）

  3. PHICH（Physical Hybrid-ARQ Indicator CHannel）

    • 用于对上行PUSCH传输的数据回应HARQ ACK/NACK。每个TTI中的每个上行TB对应一个PHICH，也就是说，当UE在某小区配置了上行空分复用时，需要2个PHICH

  4. PDCCH（Physical Uplink Control CHannel）

下行业务

1.PDSCH（Physical Downlink shared CHannel）

  • PDSCH主要用于传输来自DL-SCH和PCH的数据，更确切地说，RAR、Paging、SIB、RRC消息（不包括MIB）和用户数据等最终会在PDSCH上传输。

承载

系统消息

  1. eNodeB通过广播SIB2发送prach-ConfigIndex和prach-FrequencyOffset，从而确定该小区可用于传输preamble的时频资源集合。
  2. UE至少要在接收到MIB、SIB1和SIB2（不一定要接收SIB3~SIB13）后，才能发起随机接入过程。

LTE系统系统消息包括MIB和12种SIB。
MIB：下行链路带宽，SFN和PHICH信道配置信息。在PBCH上发送。调度周期为40ms。
SIB1：包含调度信息和小区的接入相关信息。在PDSCH上发送。调度的周期固定为80ms。
SIR2：携带所有UE无线资源配置信息（公共参数）如：Cell-specific Reference Signals Power。
SIB3：携带同频、异频和 异系统的小区重选信息（重选参数）。
SIB4：携带相邻小区相关的仅同频邻小区的重选信息（同频邻区参数）。
SIB5：携带异频E-UTRAN网络重选信息（异频邻区参数）。
SIB6：携带异系统UTRAN网络重选信息（UTRAN邻区参数）。
SIB7：携带异系统GSM网络重选信息（GERAN邻区参数）。
SIB8：携带异系统CDMA2000网络重选参数（CDMA2000邻区参数）。
剩下的4种SIB包含了家庭基站的信息、一些辅通知的信息。

LTE 小区搜索

  • LTE 时频概念
    • MIB会在物理信道PBCH上传输。PBCH时域上位于每个系统帧的子帧0的第2个slot的前4个OFDM符号上，并在频域上占据72个中心子载波（不含DC）
  • MIB在物理层的编码处理和映射流程
  • LTE 小区选择
  • LTE 系统信息
  • LTE 随机接入
    1.目的（1.获得上行同步 2.为UE分配一个唯一的标识C-RNTI ）

文章末尾

参考
https://www.cnblogs.com/kkdd-2013/p/3866235.html

kankan

kankan1

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