5G笔记

一、4G网络架构

开题

4G是第四代移动通信技术，该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式，严格意义上来讲LTE只是3.9G，只有升级版的LTEAdvanced才满足国际电信联盟对4G的要求。

LTE网络结构如下：
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1、4G网络总体架构

LTE的网络架构可以分为E-UTRAN和EPC两大部分。
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  • E-UTRAN（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network）

  • EPC（Evolved Packet Core）

    • EPC 核心网主要由移动性管理设备（MME）、服务网关（S-GW）、分组数据网关（P-GW）、存储用户签约信息的HSS、策略控制单元（PCRF）等组成， 其中S-GW 和P-GW可以合设，也可以分设。

  • OMC功能
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    1、OMC（Operation and Maintenance Center）：操作维护中心

    2、主要完成对网元设备的直接管理，包括对网元的告警、状态、参数、性能数据、日志等信息进行监控和处理

    3、网元及其网管设备同一厂家提供，其网管接口不开放

    4、典型网管系统自下而上分为4层：网元管理层（EM，Element Management layer）、网络管理层（NM，Network Management layer）、业务管理层（SM，Service Management layer）、商务管理层（BM，Business Management layer）。

网络总体架构如下图(*)

2、4G重要网元及功能

网元 功能
MME（Mobile management entity） 接入控制
安全控制
信令协商
S-GW（Serving gateway） 本地移动管理节点
传送数据给P-GW
P-GW（PDN gateway） ip地址分配（私有地址）
提供EPC和外部数据网的连接
HSS（Home subscribe server） 存储用户数据
存储用户的EPS位置信息和相关签约数据
鉴权中心
CPRF（Policy charging rule function） 策略控制和计费规则

3、4G各网元之间的接口

3.1 连接

eNode B之间通过X2接口进行连接，并且在需要通信的两个不同eNode B之间总是会存在x2接口，LTE接入网与核心网通过S1接口进行连接，S1接口支持多、多联系方式。

3.2 接口

3.2.1 E-Uu口

  • 终端UE与e nodeB之间

3.2.2 S2接口

  • eNode B与EPC之间
  • S1接口的控制平面提供eNode B与MME之间的控制平面功能，S1接口的用户平面提供eNode B与S-GW间的用户数据传输的功能。

3.2.3 X2接口

  • eNode B和eNode B之间

3.3 4G各接口总结

接口名称 连接网元 接口功能描述 主要协议
S1-MME eNodeB - MME 用于传送会话管理(SM)和移动性管理(MM)信息，即信令面或控制面信息 S1-AP
S1-U eNoeB - SGW 在GW与eNodeB设备间建立隧道，传送用户数据业务，即用户面数据 GTP-U
X2-C eNodeB - eNodeB 基站间控制面信息 X2-AP
X2-U eNodeB - eNodeB 基站间用户面信息 GTP-U
S3 SGSN - MME 在MME和SGSN设备间建立隧道，传送控制面信息 GTPV2-C
S4 SGSN – SGW 在S-GW和SGSN设备间建立隧道，传送用户面数据和控制面信息 GTPV2-C
GTP-U
S5 SGW – PGW 在GW设备间建立隧道，传送用户面数据和控制面信息（设备内部接口） GTPV2-C
GTP-U
S6a MME – HSS 完成用户位置信息的交换和用户签约信息的管理，传送控制面信息 Diameter
S8 SGW – PGW 漫游时，归属网络PGW和拜访网络SGW之间的接口，传送控制面和用户面数据 GTPV2-C
GTP-U
S9 PCRF-PCRF 控制面接口，传送QoS规则和计费相关的信息 Diameter
S10 MME - MME 在MME设备间建立隧道，传送信令，组成MME Pool，传送控制面数据 GTPV2-C
S11 MME – SGW 在MME和GW设备间建立隧道，传送控制面数据 GTPV2-C
S12 RNC –SGW 传送用户面数据，类似Gn/Gp SGSN控制下的UTRAN与GGSN之间的Iu-u/Gn-u接口。 GTP-U
S13 MME –EIR 用于MME和EIR中的UE认证核对过程 GTPV2-C
Gx(S7) PCRF – PGW 提供QoS策略和计费准则的传递，属于控制面信息 Diameter
Rx PCRF –IP承载网 用于AF传递应用层会话信息给PCRF，传送控制面数据 Diameter
SGi PGW – 外部互联网 建立隧道，传送用户面数据 DHCP/Radius/IPSEC/L2TP/GRE
SGs MME - MSC 传递CSFB的相关信息 SGs-AP
Sv MME - MSC 传递SRVCC的相关信息 GTPv2-C
Gy P-GW - OCS 传送在线计费的相关信息 Diameter

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4、E-UTRAN内部组成

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二、5G网络架构

1、5G网络架构

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注意：4G无线接入网为 eNode B（eNB）

对gNB、en-gNB、ng-eNB、eNB的解释？

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1、en-gNB：在Option3系列的非独立（NSA）组网架构下，和4G核心网对接的5G基站，就叫en-gNB
2、ng-eNB：在Option4系列的非独立（NSA）组网架构下，4G基站必须升级支持eLTE，和5G核心网对接，这种升级之后的4G基站就叫ng-eNB

2、5G核心网架构特性

核心网四大特性技术：CUPS（控制与用户面相分离）、SBA（基于服务化架构）、控制面重构、网络切片

2.1 CUPS

目的：让网络用户面的功能即可灵活部署于核心网（中心数据中心），也可部署于接入网（边缘数据中心），最终实现可分布式部署
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2.2 SBA

  1. 将各种网元虚拟化，搭载到X86架构服务器上实现其功能
  2. 一个包括技术和管理的思想集合
  3. 不是将传统网络功能软件简单移植虚拟化平台，其架构业务逻辑、系统组织和管理方式将发生变化。

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SAAS：软件即服务

PAAS：平台即服务

IAAS：基础设施即服务

三种服务—理解如下图吃披萨
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2.3 控制面重构

  1. 通过软件定义网元的网络功能和网络连接，实现4G“网元”——>5G“网络功能”
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2.4 网络切片

三种场景切片：eMBB切片、mMTC切片、uRLLC切片
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3、 5G核心网架构

3.1 基于服务的架构

基于服务体系的网络功能之两种交互表示方式
1. 基于服务表示
   控制平面内的网络功能（AMF）使其他授权的网络功能能够访问服务
2. 用户面
   主要是AMF和SMf:AMF终端的移动性和接入管理，SMF对话管理功能。与AMF与SMF配合的有UDM、AUSF、PCF执行用户数据管理、鉴权、策略控制等，NEF和NRF支持功能节点

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3.2 基于点对点的架构

网元名称 功能
AMF 注册管理
连接管理
移动管理
SMF 会话建立、修改和释放
UE IP地址分配和管理
配置UPF的分流
UPF 分组路由和转发
PCF 应用和业务数据流检测规则
基于流的计费规则

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3.3 5G核心网接口协议栈

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4、 5G接入网架构

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接入网接口模型：

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三、5G网络组网部署

关于5G组网方案，在3GPP TSG-RAN第72次全体大会上，共提出了8个选项Option。即5G核心网5GC，5G无线网NR，4G核心网EPC，4G无线网LTE之间的不同排列方式
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NSA非独立组网要决定以下三个问题？
  • 基站连接4G核心网还是5G核心网？
  • 控制面信令走4G基站还是5G基站？
  • 用户面数据在哪里分流，4G基站，5G基站还是核心网？

1.NAS组网

1.1 option3系列

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从上图可以看到该系列的基站连接的核心网都是4G核心网，控制面消息都从4G基站走，根据用户面数据分流点不同，又分成3个小项。

  • "option3系列"用户面数据在4G基站处分流，核心网来的流量不管是给4G还是5G的都要先到4G基站，再由4G基站分配到5G基站。4G基站既要负责控制面，还要负责用户面，难免力不从心，所以4G基站需要升级成增强型基站eLTE，这样一来，运营商就不乐意了，毕竟4G是老旧设备了，迟早会被淘汰掉。
  • “option3a”是改进型的基站，用户面数据在核心网侧进行分流，4G、5G数据找各自的基站，减轻了4G基站的负担。
  • "选项3x"：既然数据处理瓶颈在4G基站，5G基站年富力强，性能更高，那就让5G基站来分流用户面数据。这样一来，选项3x避免了对现有4G基站和4G核心网做过多的改动，又利用了5G基站的速度快能力强的优势，因此得到了业界的广泛青睐，成为了5G非独立组网部署的首选。

1.2 Option7系列

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运营商建成了5G核心网后，基站就可以挂接在5GC下。所以把3系列中的4G核心网改成5G核心网，其他结构不变，就变成了选项7系列了。

  • “7系列”控制面还是走4G基站，因为核心网变成了5G，4G基站为了接入5G必须升级为增强型基站。

2.3 Option4系列

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基站连接5G核心网，控制面也从5G基站走。

  • “Option4”基站都接5G核心网，4G基站升级为增强型，控制面锚点在5G基站，用户面分流点是在5G基站。Option4A用户面分流点放在核心网。

2.SA组网

2.1 Option2系列

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2.2 Option5系列

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五、5G接口协议与信令

5.1 5G网络基本架构

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5.2 Ng接口

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功能：

1、 建立、维护和发布NG-RAN部分会话
2、 提供同RAT系统之间的移动性过程
3、 为用户特定的信号管理提供协议级别上的每一项分离
4、 传输UE和AMF之间的NAS消息
5、 提供数据包及数据流的资源保留机制

5.3 Xn接口

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功能：

1、 提供双连接性支持
2、 节能功能
3、 Xn接口管理
4、 传输gNB之间的数据包

5.4 F1接口

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功能：

1、 系统消息管理
2、 上下文管理
3、 F1接口管理
4、 RRC消息传递

5.5 E1接口

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功能：

1、 E1承载上下文管理功能
2、 E1承载上下文的建立由gNB-CU-CP（控制面）发起，并且基于准入控制标准由gNB-CU-UP（用户面）接受或拒绝
3、 E1承载上下文的修改可以由gNB-CU-CP或gNB-CU-UP发起
4、 配置和修改QoS流到DRB映射配置

5.6 Uu接口

无线接口协议主要分为三层两面：

  • 三层：物理层、数据链路层和网络层
  • 两面：用户面和控制面

数据链路层：

  • 媒体访问控制（Medium AccessControl，MAC）层
  • 无线链路控制（Radio Link Control，RLC）层
  • 分组数据汇聚协议（PacketData Convergence Protocol，PDCP）层
  • 服务数据自适应协议（Service Data AdaptationProtocol，SDAP）层
    其中：SDAP层只位于用户平面，负责完成从QoS流到数据无线承载（Data RadioBearer，DRB）的映射；其他数据链路层的3个子层同时位于控制平面和用户平面，在控制平面负责无线承载信令的传输、加密和完整性保护，在用户平面负责用户业务数据的传输和加密。

网络层:

  • 指无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）层
  • 位于接入网的控制平面，负责完成接入网和终端之间交互的所有信令处理

物理层：

  • 物理层位于无线接口协议栈的最底层，提供了物理介质中比特流传输所需要的所有功能。
  • 物理层为MAC层和更高层提供信息传输的服务
  • 物理层提供的服务通过传输信道来描述
本接口协议主要针对着三层两面展开

5.6.1用户面和控制面

1、 用户面协议栈
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  • 主要为数据链路层协议（MAC、RLC、PDCP、SDAP）和物理层协议
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  • 物理层为数据链路层提供数据传输功能

  • 物理层通过传输信道为MAC子层提供相应的服务

  • MAC子层通过逻辑信道为RLC子层提供相应的服务

2、 控制面协议栈

  • 负责对无线接口的管理和控制，包括RRC协议、MAC/RLC/PDCP和物理层协议
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3、 物理层协议

物理层为MAC层和更高层提供信息传输的服务，其提供的服务通过传输信道来描述。

  • 1、下行传输信道类型

    • 1.1广播信道（broadcast channel ，BCH）
    • 1.2下行共享信道（downlink shared channel，DL-SCH）
    • 1.3传呼信道（Paging Channel，PCH）

  • 2、上行传输信道类型

    • 2.1上行共享信道（Uplink shared Channel，UL-SCH）
    • 2.2随机接入信道（random access channel，RACH）

  • 3、传输信道到物理信道的映射

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4、 数据链路层协议

数据链路层一个实例传输如下图
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  • 数据链路层包括MAC层、RLC层、PDCP层、SDAP层四个子层
  • 上行架构和下行架构的区别：
    • 下行反映网络侧的情况，需要进行多个用户的调度优先级处理
    • 上行反映终端侧的情况，只进行单个终端的多个逻辑信道的优先级处理

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  • 逻辑信道到传输信道的映射关系

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5、RRC层协议

功能包括：发送系统信息广播（非接入层和接入层）相关消息，发送由核心网5GC和接入网NG-RAN发起的寻呼消息，UE和NG-RAN之间的RRC建立、维护和释放、移动性管理、QoS管理。

RRC3种协议状态：

RRC_IDLE、RRC_INACTIVE、RRC_CONNECTED

RRC3种状态转换如下图：

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六、车联网技术

1、自动驾驶

1.1自动驾驶产业链

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2、车联网

2.1自动驾驶与车联网的关系？

车联网实现自动驾驶的必要条件，自动驾驶是车联网的终极目标。

2.2车联网的定义？

根据车联网产业技术创新战略联盟的定义，车联网是以车内网、车际网和车云网为基础，按照约定的通信协议和数据交互标准，在车与车、车与路、车与行人之间，进行无线通信和信息交换的大系统网络。

 解释：
* 基础：车内网、车际网和车云网
* 规定：约定的通信协议和数据交互标准
* 对象：车与车、车与路和车与人
* 目的：进行无线通信和信息交换
* 性质：大系统网络

2.3车联网的两种技术路线

  • DSRC（专用短距离无线通信--IEEE美国主导）
  • C-V2X（蜂窝车联网--3GPP）

2.4车联网的解释说明

  • V2X：V代表车辆(vehicle)，X代表任何与车交互信息的对象，当前X主要是车、人、交通路侧基础设施和网络。

  • V2V：车车之间（Vehicle to Vehicle）

  • V2I：车路之间（Vehicle to Infrastructure）

  • V2P：车与人之间（Vehicle to Pedestrian）

  • V2N：车与网络之间（Vehicle to Network）

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4、C-V2X

3.1特点

  1. 基于成熟的4G，及复用5G网络
  2. 蜂窝网络覆盖广
  3. 5G通信延迟低、大带宽、海量连接
  4. 将Uu口与PC5接口结合

3.2C-V2X的3GPP标准化进展

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  • Phase 1：LTE-V2X （R14）和 LTE-eV2X （R15），主要是针对 V2X 进行安全增强
  • Phase 2：NR-V2X （R16 及其演进版本）, 聚焦自动驾驶场景

3.3C-V2X关键技术

C-V2X技术，构建车路协同体系，车车、车路、路路信息。**交通大脑**采集、利用丰富的车、路数据，进行实时、动态、精准的分析；结合**车载感知+路侧感知**，形成完整的车辆与车辆、车辆与路侧设施、车辆与行人、车辆与云平台之间的系统架构，完成信息共享和数据交流。

交通大脑：V2X Application Server
车载感知：OBU（车载单元）
路侧感知：RSU（路侧单元）
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3.3.1总体架构

5G 支持 V2X 的架构如下图所示：

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3.3.2 支持V2X架构的接口

1、 Rel. 14 中，LTE-V2X 主要两种操作模式：

  • 通过 PC5 接口点对点通信（V2V）
  • 通过 LTE-Uu 接口与网络通信（V2N）

1.1、 Uu 接口主要是用来实现时延不敏感业务，进行信息共享和提前预测
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1.2、 PC5 接口主要是用来实现低时延的业务，提高非视距条件下的可靠性
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2、基于 PC5 接口的 V2V 通信也包括两种模式：

  • 管理模式（PC5 Mode 3）
  • 非管理模式（PC5 Mode 4）

当网络参与车辆调度时称为管理模式（Mode 3） 当车辆独立于网络时称为非管理模式（Mode 4）

以下的Mode 3与Mode4 是对接口的联合应用，车与车、车与路侧是通过PC5接口进行无网络的通信，车与基站是通过LTE-Uu接口进行有网络的数据传输。

3、管理模式（Mode 3——有网络参与）

在管理模式下，通过 Uu 接口的控制信令由基站（eNB）辅助进行流量调度和干扰管理。
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4、 非管理模式（Mode 4——无网络参与）

在非管理模式下，基于车辆间的分布式算法来进行流量调度和干扰管理；
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3.3.3控制功能、边缘应用功能和应用服务功能

除了 PC5 和 Uu 接口，C-V2X 技术构架还包括 V2X 控制功能、边缘应用服务器和 V2X 应用服务器。

  • V2X控制功能：位于核心网，实现 V2X 通信向 UE 提供必要的参数以执行相关网络动作
  • 边缘应用服务器靠近数据源部署，解决时延和网络负荷问题
  • V2X 应用服务器部署于网络之外

3.4接口协议栈

3.4.1基于 Uu 接口的协议栈

基于 Uu 接口的协议栈和传统的 5G 协议栈一样

3.4.2基于PC5接口的协议栈

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练习

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posted @ 2021-06-19 16:46  登云上人间  阅读(58)  评论(0)  编辑  收藏  举报