“5g移动网络运维线上师资培训”系列之 5g原理及系统架构

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“5G移动网络运维线上师资培训”系列之

5G原理及系统架构

C O N T E N T S 目录

PART 1

5G概述

PART 25G系统架构

PART 3

5G通信技术

PART 4NR空口协议栈

PART 5

帧结构

移动通信进入5G时代

− 100kbps速率

• 互联网应用− 互联网应用开始出现

2G

3G

5G

• 以语音业务核心− 移动电话业务广泛应用

• 提供低速数据业务 • 数据业务开始发展− 几十Mbps速率

• 以语音业务为主− 移动电话业务仍然应用广泛

− 百兆的用户体验

− 500km/h

− 10Gbp+速率

4G

− 几百Mbps速率

• VoLTE

− 基于IMS的全IP的语音业务− 基于VoIP的语音业务的持

续发展

• 数据业务占绝对主导

• 高速移动− 350Km/h

− uRLLC超低时延、mMTC超大连接

• 移动互联网− Mbps级别的用户体验

• eMBB

• VoNR

• 超高速移动

• 移动数据业务进一步提速

• 垂直行业

1990

2000

2010

2020

3GPP标准进展

2015 2016 2017 2018 2019 2020

R14 5G研究 R15第一阶段

R16第二阶段 5G 演进

IMT-2020 需求 IMT-2020 提案 IMT-2020 技术规范

NSA SA

R15 ( eMBB商用） R16 ( 完整业务）l 构筑NR技术框架 l 网络架构Ready

l 行业应用基础设计

l 持续提升NR竞争力 l 开创行业数字化

R15主要聚焦eMBB，2018Q2标准冻结，具备规模部署能力；R16满足所有场景（eMBB/uRLLC/mMTC），基于R15进行业务增强

• 新波形• Numerology• 帧结构• 调制编码• Massive MIMO • uRLLC

• 上下行解耦• CU-DU切分• NSA/SA

• 新多址• eMBB Sub6GHz增强• 接入回传一体化

• uRLLC增强• mMTC• D2D• V2X• 非授权频谱接入

5G三大应用场景

增强移动宽带eMBB

海量机器通信mMTC

超高可靠低时延通信

uRLLC

GB/秒移动通信

3D/超高清视频

高清语音云游戏

VR/AR

智能家居

智慧城市

工业自动化自动驾驶

高可靠应用

M2M云办公

移动医疗

智能交通

1000倍网络容量提升

10-100倍用户速率提升

每平方公里1000K连接数

10倍+电池寿命延长

1ms时延

99.999%可靠性

5G系统架构

•AMF（Access and Mobility Management

Function，接入与移动管理功能

•SMF（Session Management Function，会

话管理功能）

•UPF（User Plane Function用户平面功能）主

要功能是数据分组的路由转发

NG-RAN （5G接入网）

• gNB(NR系统基站）

• ng-eNB(可接入5G核心网的LTE演进基站）

5GC（5G核心网）

无线接入网

4G基站组成=BBU+RRU+天馈系统

• BBU主要负责基带信号处理和控制基站；

• RRU主要负责射频处理，调制和放大信号等；

• 天线主要负责线缆上导行波和空气中空间波之

间的转换，实现发射和接受信号；

• 馈线主要用于连接RRU和天线。

5G基站组成=BBU+AAU

•BBU主要负责基带信号处理和控制基站；

•AAU集成了天线和RRU的功能

核心网

• 架构设计以网元为单位• 移动性功能分离，但会话控制功能分散在MME、

S/P-GW等网元• 集中的出口网关

• 架构设计以网络功能为单位，不再严格区分网元• 基于服务化架构（SBA）的设计思路, NF进一步拆分为服务• 分布式的用户面功能UPF• 引入网络切片

4G架构

HSS

MME

SGW

PGW

eNodeB

Operator's Services

PCRF

S6a

S10

S1-MMES1-U

S5

Gx

SGi

S11

5G架构

UE RAN

AUSF AMF SMF

DNUPF

UDM

PCF

NEF NRF AF

Nudm Nnef Nnrf Naf

NpcfNsmfNamfNausf

N1 N2N3

N4N6

AFNSSF

Nnssf

5G网络功能NF和4G网元NE类比

Option 3/7/4 in NSA Option 2 in SA

CP 锚点 UP 分流

Option 3EPC

LTE NR

S1-C S1-U

Option 3aEPC

LTE NR

S1-C S1-U S1-U

Option 3xEPC

LTE NR

S1-C S1-U S1-U

Option 7 Option 7a Option 7x5GC

eLTE NR

NG-C NG-U

5GC

eLTE NR

NG-C NG-U NG-U

5GC

eLTE NR

NG-C NG-U NG-U

Option 25GC

NR

NG-C NG-U

Option 45GC

eLTE NR

NG-C NG-U

Option 4a5GC

eLTE NR

NG-C NG-UNG-U

初期普遍优选3x作为NSA方案，优选2作为SA方案

优选

5G NR组网方式：NSA信令锚点在LTE基站，SA信令锚点在NR基站

Option 3x Option 7x Option 4 Option 2

支持LTE&NR双连接 ● ● ●

LTE升级 ● ● ●

部署NGC ● ● ●

支持5G全业务 ● ● ●

SA VS NSA 优劣势分析

NSA SA

• 对4G LTE网络无影响

• 建网一步到位，无需多次改造

• 支持5G各种新业务

• 支持网络切片

• 标准冻结晚于NSA

• 终端进展稍落后于NSA

• 需要5G NR成片连续覆盖，初期

投资成本高

• 按需投资，快速建网，投资回报更快

• NSA标准冻结早，产业更成熟，业务

连续性更好

• 5G建设和4G LTE强绑定

• NSA到SA的过程需要多次升级改造

• 无法引入5G新业务

• 不支持网络切片

• 二次改造至SA目标网总投资成本高

优势

劣势

全球频谱分配情况

FR1 FR2

Sub6G以3.5GHz为主

mmWave以28/39/60/73GHz为主

频段类型频段优势频段劣势部署策略

Sub3G 频段低,覆盖性能好,小区带宽受限

可用频率资源有限大部分被当前系统占用

初期不建议部署,后续可以通过refarming和cloudair技术进行部署,作为5G的广覆盖层

C-Band NR新增频段,频谱资源丰富,小区带宽大

上行链路覆盖较差上下行不平衡问题比较明显

5G初期部署主要频段,最大可部署100Mz带宽。上下行不平衡问题可以通过上下行解耦特性来解决

毫米波 NR新增频段,小区带宽最大

覆盖能力差,对射频器件性能要求高

初期部署不作为主要选择,主要作为热点eMBB容量补充,WTTx以及D2D等特殊场景

国内5G频谱分配情况

2515MHz 2675MHz

2.6GHz 4.9GHz

3.5GHz

3.5GHz

4800MHz 4900MHz

3500MHz 3600MHz

3400MHz 3500MHz

4.9GHz

4900MHz 4960MHz

3.3GHz

3300MHz 3400MHz

室内频段

700MHz

（待定）

5G带宽

载波带宽

•载波带宽：指的是频段上的一段频谱，是在一个基站小区上分配的带宽，

覆盖范围是一个扇区

•FR1, 即Sub 6G小区最大小区带宽100M

•FR2，即毫米波最大小区带宽400M

•表现形式：用RB的个数来表示，如SCS30KHz，分配100MHz，一般表示

成载波带宽是273个RB

FR1频段

FR2频段

载波

•载波：一段空中的电磁波，承载用户信息

（语音和数据业务），基站和手机之间通过

这段载波完成相互通信

5G带宽

子载波间隔

•又称SCS，Subcarrier spacing，两个波峰之间的间隔

•FR1频段子载波间隔有15KHz、30KHz、60KHz

•FR2频段子载波间隔有60KHz、120KHz

子载波

FR1频段

如下图所示，在频域位置上有连续正交的不

同子载波，可承载用户信息

全双工

是指设备的发射机和接收机占用相同的频率资源同时进行工作，使得通信两端在上、下行可以在相同时间使用相同

的频率，突破了现有的频分双工(FDD)和时分双工(TDD)模式，这是通信节点实现双向通信的关键之一，也是5G所

需的高吞吐量和低延迟的关键技术。

全双工技术

TDD：时分双工，不同

时隙传输上下行数据

优点：节省频谱

缺点：自干扰较大

FDD：频分双工，不同频

段传输上下行数据

优点：干扰小，易于部署

缺点：上行频段利用率低

全双工：

同时同频

多址技术

FDMA、OFDMA

FDMA：频分多址，不同用

户占用不同频率

制式：GSM、WCDMA

OFDMA：正交频分多址，不同用户

占用不同频率，并且子载波正交重叠

优点：提高频谱使用效率

制式：LTE

多址技术

F-OFDM

对于5G我们希望座位和空间都能够根据乘客的

高矮胖瘦灵活定制：硬座、软座、卧铺、包厢

F-OFDM：Filtered-Orthogonal Frequency

Division Multiplexing

F-OFDM能为不同业务提供不同的子载波带宽

和CP配置，以满足不同业务的时频资源需求

制式：5G

5G新空口协议栈

空中接口：终端和接入网之间的接口，也称为Uu接口

手机和基站之间的通信需要遵循空口协议栈来实现信息的交互。

NR

5G 无线接入网

手机和基站之间的通信数据有两种类型：信令面：传控制信息用户面：传用户数据信息


用户面协议栈控制面协议栈

5G控制面协议栈与4G一样，完成空口信令连接的管理、空口安全、承载管理和移动性管理等功能


空口协议栈

与4G相比，5G用户面协议栈增加新的

协议层SDAP，能完成QoS映射功能，

提供精细的业务差异化保障。

层三：空中接口服务的使用者，即RRC信令及用户面数据

层二：对不同的层三数据进行区分标示，并提供不同的服务

层一：物理层为高层的数据提供无线资源及物理层的处理


层和层之间通过信道进行传输，如图所示，分三类信道：有逻辑信道、传输信道和物理信道，

打个比方，某人写信给朋友，逻辑信道＝信的内容

传输信道＝平信、挂号信、航空快件等等

物理信道＝写上地址，贴好邮票后的信件

三类信道


存在于MAC层和RLC层之间。根据消息的类型定义每个逻辑信道类型。一般分为两种类型：控制信道和业务信道。

控制信道包括： BCCH（Broadcast Control Channel）广播控制信道，为系统广播信息传输使用的下行信道;PCCH（Paging Control Channel）寻呼控制信道，为传输寻呼信息、系统信息改变通知消息,以及指示是否有正在广播的公共告警系统信息的下行信道CCCH（Common Control Channel）通用控制信道，用于当终端和网络之间没有RRC时,传输终端和网络之间的控制信息DCCH（Dedicated Control Channel）专用控制信道，为点对点的双向信道,用于终端侧和网络侧存在RRC时的专用控制信息的传输

业务信道包括： DTCH（Dedicated Traffic Channel）专用数据信道，只有一种且只用于传输用户平面的信息，为针对单个用户的点到点的业务信道,可以是单向的也可以是双向的。

逻辑信道：


存在于MAC层和物理层PHY之间，根据消息类型和空口上的数据传输方法进行定义。具体来说,就是信号的信道编码、选择的交织方式(交织周期、块内块间交织方式等)、CRC冗余校验的选择以及块的分段等过程的不同,而定义了不同类别的传输信道。

下行传输信道分成如下类型： BCH（Broadcast Channel）广播信道

DL-SCH（Downlink Shared Channel）下行共享信道

PCH（Paging Channel）寻呼信道

上行传输信道分成如下类型： UL-SCH（Uplink Shared Channel）上行共享信道

RACH（Random Access Channel）随机接入信道

传输信道：


就是在特定的频域与时域乃至于码域上采用特定的调制编码等方式发送数据的通道,物理信道就是空中接口的承载媒体,根据它所承载的上层信息的不同定义了不同的物理信道。

下行物理信道分成如下类型： PBCH（Physical Broadcast Channel）物理广播信道，用于系统消息MIB的广播

PDCCH（Physical Downlink Control Channel）物理下行控制信道，承载调度及传输格式，HARQ信息等

PDSCH（Physical Downlink Shared Channel）物理下行共享信道，用于承载用户专用数据

上行物理信道分成如下类型： PUCCH（Physical Uplink Control Channel）物理上行控制信道，承载ACK/NACK（确认/非确认）, SR（调

度请求），CSI-Report（PMI:Precoding Matrix Indicator预编码矩阵指示，CQI:Channel Quality Indicator

信道质量指示）

PUSCH（Physical Uplink Shared Channel）物理上行共享信道，承载用户专用数据

PRACH（Physical Random Access Channel）物理随机接入信道，承载随机接入前导

物理信道：


上下行信道及映射关系


上行信号：SRS、DMRS、PT-RS DMRS：PUSCH、PUCCH的解调参考信号

SRS：提供给基站作为下行MIMO预编码的输入；用于估计上行信道频域信息，做频率选择性调度；用于估

计上行信道，做下行波束赋形

PT-RS ：相位跟踪参考信号

信号：下行信号：PSS、SSS、DMRS、CSI-RS、PT-RS

PSS: Primary synchronization signal 主同步信号

SSS: Secondary synchronization signal 辅同步信号

DMRS: PDSCH、PDCCH、PBCH信道的解调参考信号

CSI-RS：channel state information信道状态指示参考信号,用于RSRP、SINR和PMI/CQI/RI测量

SSB-RS：用于RSRP、SINR测量

PT-RS：相位跟踪参考信号, 用于高频场景

帧结构-时域资源

无线帧、子帧

•无线帧frame：1个无线帧为10ms,被分为10

个子帧

•子帧subframe：每个子帧为1ms,包含的时隙

个数取决于子载波间隔


时隙、符号

•时隙slot：调度的最小单位，每个时隙包含14个符号

•符号symbol：一个OFDM符号包含4096个采样点，也

是调制的基本单位，比如16QAM，表示的是2的4次方，

指的是一个符号可以承载4个比特位数据。每个符号的

时长如下表所示


CP、采样点

•CP：Cyclic Prefix循坏前缀，在符号之间，起到降低干扰的作用。不同的子载波间隔的CP长度不同。CP包括

Normal CP和Extended CP两种类型，其中Extended CP只有子载波间隔为60kHz的时候可以支持，抗干扰力

更强。CP所在位置如下图所示深灰色和红色部分。

•采样点：在NR中，一个OFDM符号包含4096个采样点，如果使用常规CP，CP包含288个采样点。


时隙格式

•在每个时隙内的OFDM符号可能包括3种类型：D : Downlink用于下行传输, U : Uplink用于上行传输, F :

Flexible灵活，可用于下行传输，上行传输以及GP保护间隔。


时隙格式

•例如：2.5ms 双周期帧结构

•每 5ms 里面包含 5 个全下行时隙，三个全上行时隙和两个特殊时隙: DDDSUDDSUU

S表示：特殊时隙（Slot3 和 SLot7 ）

特殊时隙配比为 10:2:2（可调整）

帧结构-频域资源

•RB: Resource Block，资源块

•含义：数据信道资源分配频域基本调度单位

•频域：12个连续子载波

RE

•RE: Resource Element 资源粒子

•含义：物理层资源的最小粒度

•频域:1个子载波

•时域:1个OFDM符号

RB

帧结构-频域资源

•PBCH和PSS/SSS作为一个整体出现，统称为

SSB

•时域上,PBCH和PSS/SSS共占用4个符号,

•频域上，PBCH和PSS/SSS共占用了240个子载

波

•SSB是5G设计使用的导频信号之一，UE只有通

过SSB与小区同步才能完成小区搜索操作

SSB

帧结构-时频分布

•PDCCH:时域占用Slot的1~3符号,频域使用资

源可配置:支持 PDCCH和 PDSCH相同符号上

FDM资源共享

•DMRS for PDSCH: 时域位置可配置; 频域密

度和使用资源可配置:支持DMRS和PDSCH相同

符号上FDM资源共享

•SSB:时域位置固定；频域占用20RB,频域位置

可配置:支持SSB和 PDSCH相同符号上FDM终

源共享

•CSI-RS:时域位置可配置,频域位置和带宽可配

置；支持 CSI-RS和 PDSCH相同符O上FDM资

源共享

下行时频分布

北京华晟经世

帧结构-时频分布

•Long PUCCH:时域占用4-14个符号,时频

域位置和使用资源可配置

•Short PUCCH:时域占用1-2个符号,时频

域位置和使用资源可配置

•DMRS for PUSCH:时域位置可配置:频域

密度和使用资源可配置;支持DMRS和

PUSCH相同符号上FDM资源共享

•PRACH:时频域位置和使用资源可配置

•SRS:时域位置可配置,频域位置和带宽可

配置

上行时频分布

帧结构

系统参数

5G原理总结

5G概述 5G系统架构通信技术帧结构

移动通信发展

3GPP标准进展

三大应用场景

无线接入网

核心网

NSA Option3x

SA Option2

频谱带宽

全双工

时域资源

频域资源

时频分布

知识回顾

多址技术

NR空口协议栈

空口协议栈

三类信道

上下行信号

关键性能指标

THANKS!

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