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5G,转载

【转载】5G知识总结(关键技术、网络架构、无线网络优化与覆盖、业务测试与验证等)

原文 范飓飞 范飓飞 2020-08-22

1. 理论知识

1.1 基站、核心网

5G核心网:5GC,5G基站:gNB

4G核心网:EPC,4G基站:eNB

如果把5G的基站接入到4G的核心网中,则构成核心网:EPC,基站:en-gNB

如果把4G的基站接入到5G的核心网中,则构成核心网:5GC,基站:ng-eNB

上行速率:是指移动终端给基站发送信息时的数据传输速率,比如手机、笔记本等无线终端给基站传输数据速率;

下行速率:是指基站向移动终端发送信息时的传输速率,比如手机或笔记本等无线终端从基站或者网络下载数据的速率。

1.2 5G三大场景:eMBB、uRLLC、mMTC
  1. 超可靠低延迟通信(缩写URLLC),是3GPP定义的一种5G特性标准。该特性将被用于对时延和可靠性具有极高指标要求的工业、物联网应用场景。例如自动驾驶、智能电网、VR、工厂自动化等领域。5G技术中的 URLLC 特性还未实现商用。
  2. eMBB,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。在3GPP RAN187次会议的5G短码方案讨论中,中国华为公司主推的Polar Code(极化码)方案,成为5G控制信道eMBB场景编码最终方案。
  3. mMTC,海量机器类通信(大规模物联网),主要用于人和物之间的信息交互。
  4. 5G八大关键能力:
  • 流量密度、连接数密度、时延、移动性、能效、用户体验速率、频谱效率、峰值效率
1.3 速率
C=B\ast log_{2}(1+\frac{S}{N})
  • C:信道容量    
  • B:带宽
  • :信噪比
  • C是数据速率的极限值,单位bit/s;B为信道带宽,单位Hz;S是信号功率(瓦),N是噪声功率(瓦)。
  • 当讨论信噪比时,常以分贝(dB)为单位。公式如下:SNR(信噪比,单位为dB)=10 lg(S/N)。
1.4 时延
  1. 网站/应用的所在机房的网络质量;
  2. 本地宽带的网络质量;
  3. 从本地访问至网站所经过的节点数量;

2. 5G关键技术

2.1 5G信道编码LDPC码和Polar码
  • 空间调制:SM
  • 频率正交幅度调制:FQAM
  • 5G信道编码LDPC码和Polar码
  • LDPC码:应用于大数据方面,相比于turbo码更优。一种具有稀疏校验矩阵的分组纠错码。几乎适用于所有的信道。
  • Polar码:控制消息与广播信道。
  • 新型编码技术:LDPC编码和polar码,纠错性能高;
2.2 5G调制
  •  上行调制 :π/2-BPSK, QPSK(正交相移键控),16QAM, 64QAM,256QAM(正交振幅调制)

    载波的相位变化,幅度不变化:π/2-BPSK, QPSK。这就是前面说的PSK(Phase-Shift keying相移键控)。

    载波的相位和幅度都变化:16QAM, 64QAM,256QAM。这一类专业名词叫做QAM(Quadrature Amplitude Modulation,正交振幅调制),调制方式通常有二进制QAM(4QAM)、四进制QAM(l6QAM)、八进制QAM(64QAM)对应的空间信号矢量端点分布图称为星座图,分别有4、16、64个矢量端点。

  • 下行调制:QPSK(正交相移键控),16QAM, 64QAM,256QAM(正交振幅调制),1024QAM。

   高阶调制技术:1024QAM调制,提升频谱效率。

   新型调制技术:滤波器组正交频分复用,支持灵活的参数配置,根据需要配置不同的载波间隔,适应不同传输场景;

2.3 5G-Massive MIMO:多输入多输出

 Massive MIMO:大规模天线,被公认的5G关键技术之一。

大规模MIMO技术:基站使用几十上百根天线,波束窄,指向性传输,高增益,抗干扰,提高频谱效率;

  多进多出(MIMO)是为极大地提高信道容量,在发送端和接收端都使用多根天线,在收发之间构成多个信道的天线系统。MIMO系统的一个明显特点就是具有极高的频谱利用效率,在对现有频谱资源充分利用的基础上通过利用空间资源来获取可靠性与有效性两方面增益,其代价是增加了发送端与接收端的处理复杂度。

优势:

  • 系统容量和能量效率大幅度提升。
  • 上行和下行发射能量将减少。
  • 用户间信道正交,干扰和噪声将会被消除。
  • 信道统计特性将会趋于稳定。

挑战:

  • 信道状态信息获取
  • 信道测量与建模
  • 发射机与接收机设计
  • 天线单元及阵列设计
2.4 5G-多址方式

     非正交多址技术:NOMA、MUSA、PDMA、SCMA等非正交多址技术,进一步提升系统容量。支持上行非调度传输,减少空口时延,适应低时延要求;

     在无线接入网覆盖范围内,建立多个用户无线信道连接时所使用的方法,就是多址技术。

     目前的多址接入技术主要包括:PNMA(功率域非正交多址接入)、华为的SCMA(稀疏码本多址接入技术)、高通的RSMA(资源扩展多址接入)、中兴的MUSA(多用户共享接入技术)等。

  • 基于多位调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址(SCMA)技术;(华为)
  • 基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入(MUSA)技术;(中兴)
  • 基于非正交特征图样的图样分隔多址(PDMA)技术;(大唐)
  • 基于功率叠加的非正交多址(NOMA)技术;(日本NTT)
  • FDMA(频分多址)、TDMA(时分多址)、CDMA(码分多址)、OFDMA(正交多址)
  • 优势:
  1. 可以避免用户干扰。
  2. 系统容易实现。

(1)新型多址

  •   非正交多址(NOMA)

        优势:NOMA技术接收端和发送端处理过程简单可观、易于实现、是其最大优点。

        缺点:功率域的用户层不宜过多,否则系统复杂性将徒然增加,系统性能下降比较快。

  •   PDMA(大唐提出):寻址能力比较强,信道容量大,频谱利用率高。系统比较复杂。

        功率域、空间域、码域。

  •   MUSA(中兴提出)

        非线性SIC接收机。

(2)新型多载波

  OFDM传输波形技术:OFDM是当前WiFi和LTE标准中高速无线通信的主要传信模式。

  5G候选新波形:F-OFDM、FBMC(滤波器组多载波)、UFMC

2.5 5G-灵活双工技术
  • 通过多重干扰消除实现信息同时同频双向传输的物理层技术,有望成倍提升无线网络容量;
  • CCFD:同频同时全双工。CCFD无线通信设备使用相同的时间、相同的频率,同时发射和接收无线信号,使得无线通信链路的频谱效率提高了一倍。
2.6 UDN技术

  (1)UDN(超密集组网部署)

  • 技术原理

    增加单位面积小基站的密度,通过在异构网络中引入超大规模低功率节点实现热点增强、消除盲点、增强网络覆盖、提高系统容量。

  • 功能优势

    满足热点地区500-1000的流量增长的需求。

  • 技术方案

    干扰管理、5G高密度小区的网络架构、移动性管理、连接管理、节能、SON。

   (2)降低干扰措施

  • 有选择关闭无用户小小簇
  • D-MIMO(分布式MIMO)多天线联合发送
  • 集中控制和C-RAN技术
  • 多小区帧资源协调
2.7 全频谱接入技术

    全频谱接入涉及6GHz以下低频段和6GHz以上高频段,其中低频段是5G的核心频段,用于无缝覆盖;高频段作为辅助频段,用于热点区域的速率提升。

    (1)毫米波通信

          mmWave,30-300GHZ,1-10mm,毫米波可用于室内短距离通信。

    (2)高频主要技术

  • 高频信道测量与建模
  • 高频新空口
  • 组网技术
  • 器件
2.8 终端直通技术

技术原理:满足移动互联网和物联网应用场景扩大对于时延、高可靠的要求。

D2D技术:引入副链路,数据传输经过宏基站。

优势:

  • 拓展网络范围。
  • 无线P2P功能。
  • 终端近距离通信,高速率低时延低功耗。

    在该技术的应用下,用户通过D2D 进行通信连接,避开了使用蜂窝无线通信,因此不使用频带资源。而且,D2D 所连接的用户设备可以共享蜂窝网络的资源,提高资源利用率。

2.9 网络技术
  • 网络切片技术:基于NFV和SDN技术,网络资源虚拟化,对不同用户不同业务打包提供资源,优化端到端服务体验,具备更好的安全隔离特性。
  • 边缘计算技术:在网络边缘提供电信级的运算和存储资源,业务处理本地化,降低回传链路符合,减小业务传输时延。
  • 面向服务的网络体系架构:5G的核心网采用面向服务的架构构建,资源粒度更小,更适合虚拟化。同时,基于服务的接口定义,更加开放,易于融合更多的业务。

3. 5G帧结构

  • 层结构:无线帧(1024)10ms — 子帧(1ms)— 时隙(n u,n值不确定)— OFDM符号(14个) 

4. 5G频谱划分

(1)5G支持的频段

  5G NR中,3GPP主要指定了两个频率范围,一个6GHz以下,另一个是毫米波,分别称为FR1和FR2。

FR1450MHz—600MHz
FR224250MHz—52600MHz

(2)5G支持带宽

Sub6G毫米波
5M50M
10M100M
15M150M
20M200M
40M400M
50M 
60M 
80M 
100M 

(3)运营商5G频率分配情况

  3.5G频段:

  4.9G频段:

  2.6G频段:

  覆盖能力优于3.5G。

5. 5G NR时频资源

(1)5G 基本时频资源

T_{c}

  物理资源:无线帧、子帧、时隙-slot、基本时间单位、RE,RB,REG,CCE、OFDM符号。

  CP:循环前缀,用于多径干扰。

  RE:资源单元,对于每个天线端口p,一个OFDM符号上的一个子载波对应资源单元。

  RB:资源块,一个时隙中,频域上连续的12个RE为一个资源块。

  RG:物理资源组。

6. 5G系统物理信道与信号

简称下行物理信道与信号名称功能简介
SS同步信号用于时频同步和小区搜索
PBCH广播信道用于承载系统广播消息
PDCCH下行控制信道用于上下行调度,功控等控制信令的传输
PDSCH下行共享数据信道用于承载下行用户数据
DMRS解调参考信号用于下行数据解调、时频同步等
PT-RS相噪跟踪参考信号用于下行相位噪声跟踪和补偿
CSI-RS信道状态信息参考信号用于下行信道测量,波束管理,RRM/RLM测量和精细化时频跟踪等

  PBCH:物理广播信道,调制方式:QPSK

  PDCCH:物理下行控制信道,调制方式:QPSK

  PDSCH:物理下行共享数据信道,调制方式:QPSK、16QAM、64QAM、256QAM、1024QAM

名称上行物理信道与信号名称功能简介
PRACH随机接入信道用于用户随机接入请求消息
PUCCH上行公共控制信道用于HARQ反馈,CQI反馈,调度请求指示等L1/L2控制信令
PUSCH上行共享数据信道用于承载上行用户数据
DMRS解调参考信号用于上行数据解调,时频同步等
PT-RS相噪跟踪参考信号用于上行相位噪声跟踪和补偿
SRS测量参考信号用于上行信道测量,时频同步,波束管理

  PRACH:随机接入信道,调制方式:QPSK

  PUCCH:上行公共控制信道,调制方式:QPSK

  PUSCH:上行共享数据信道,调制方式:QPSK、16QAM、64QAM、256QAM、1024QAM

7. 5G网络架构

7.1 独立子网概念
  • 5G网络基本架构—SA

  SA即独立组网,是一套全新的5G网络,包括全新的基站和核心网。

独立子网简单的来说就是4G核心网对应与4G基站(选项5),5G核心网对应与5G基站(选项2),这样需要大量的资金费用,所以会推出非独立子网的概念。

7.2 5G网络逻辑架构
  • 接入平面:统一多无线接入技术的融合,无限资源调度与共享
  • 控制平面:控制集中化、简单化、服务差异化、开放化
  • 转发平面:用户面下沉分布式网关,移动边缘内容与计算
  • 用户面协议
  • NR控制面协议
7.3 网元与接口
  • 5G核心网(5GC)

    三个主要功能模块:AMF、UPF、SMF。

  • 无线接入网

    gNB或者ng-eNB

  • 接口
  1. Xn接口:gNB和ng-eNB通过Xn接口相互连接。
  • 提供双连接性支持
  • 节能功能
  • Xn接口管理
  • 传输gNB之间的数据包

     2. NG接口:gNB和ng-eNB通过NG接口连接到5GC。

  • 建立维护发布NG-RAN部分回话
  • 提供数据包数据流资源保留机制
  • 传输UE和AMF之间的NAS消息

     3. NG-C接口:gNB和ng-eNB通过NG-C接口连接到AMF。

     4. NG-U接口:gNB和ng-eNB通过NG-U接口连接到UPF。

     5. F1-C接口:gNB-DU和gNB-CU之间的信令。

     6. F1-U接口:gNB-DU和gNB-CU之间的数据流。

  CU:中心单元

  DU:分布单元

5G基站部署方案

  • 传统BBU+RRU方案
  • 一体化基站方案
  • CU-DU分离
7.4 5G协议栈架构

(1)层次结构

(2)SDAP层

  • SDAP子层由RRC配置

(3)PDCH层

  • 数据传输
  • PDCH SN的维护
  • 加密与解密
  • 完整性保密和验证
  • 重复丢弃

(4)RLC层

  • 传输上层PDU
  • 重复监测
  • RLC重建
  • 协议错误监测

    NR RLC三种模式:TM(透明模式)、UM(非确认模式)、AM(确认模式)

(5)MAC层

  • 调度信息报告
  • 逻辑通道优先级
7.5 5G网络状态与转换

(1)RRC重建的原因

  • 检测到RLF
  • 重配置失败
  • 完保检测失败
  • 切换失败

(2)注册与连接管理

  RM(注册管理)

  • 描述在网络中注册或者注销一个UE并在网络中建立该用户的上下文。

  CM(连接管理)

  • 描述UE与AMF之间的建立和释放信令的连接。

(3)5G无线承载控制

  • 5G Qos参数分为A-Type和B-Type两种
  • 5G Qos管理最小粒度为Qos flow
7.6 5G测量与移动性管理
  • NR测量
  1. LTE网络中,按照扇区进行覆盖。
  2. 在NR/5G中,广播信号可以在波束中传播,SSB可以使用4、8、64个波速。
  3. 在5G中不仅有小区间切换,而且也存在小区内的波束切换。
  • NR测量配置
  • NR测量报告触发类型
  • 站间切换基本流程
  1. 测量配置
  2. 测量上报
  3. 切换执行

8. 5G无线网络优化覆盖

8.1 覆盖优化

(1)覆盖率测试法

  • 路测覆盖率
  • MR覆盖率

(2)波束

  • 波束管理

    通常波束越窄,信号增益越大,但副作用是一旦波束偏离用户,用户反而接受不到高质量的无线信号。

  • 波束管理过程
  • 控制信道设置
  • 5G覆盖增强—SUL

    在第三代合作伙伴计划(3rd generation partnership project,3GPP)新空口(new radio,NR)协议中引入了SUL。SUL主要用来承载NR覆盖边缘的用户,引入SUL可以补充高频NR的上行覆盖。终端可以通过正常上行链路(normal uplink,NUL)或SUL进行上行传输。当上行载波的覆盖变差时,终端可以从NUL切换到SUL。

8.2 天线基础及参数

(1)天线基本概念

  • 收集无线电波并产生电信号
  • 把从传输线上传下来的电信号转化为无线电波发射到空间

(2)MIMO演进

3G:WCDMA HSPA标准只能使用SISO,下行峰值速率7.2Mb/s
3G:WCDMA HSPA+标准支持2x2MIMO,下行峰值速率42Mb/s
4G:3GPP LTE标准支持SISO、2x2MIMO、4x4MIMO,下行峰值速率100Mb/s
4G:3GPP LTE-A标准最多支持8x8MIMO,下行峰值速率1Gb/s
5G大规模天线:基站使用大规模天线阵列

(3)AAU基本概念

  • AAU:移动网络创始于宏基站,随后发展到分布式基站节省了馈损,大大提高网络覆盖。
  • AAU的优势:缓解站点空间小问题

(4)天线类型

  • 全向天线

    全向天线,即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射,也就是平常所说的无方向性,在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束,一般情况下波瓣宽度越小,增益越大。全向天线在移动通信系统中一般应用于郊县大区制的站型,覆盖范围大。

  • 定向天线

    定向天线,在水平方向图上表现为一定角度范围辐射,也就是平常所说的有方向性。同全向天线一样,波瓣宽度越小,增益越大。定向天线在通信系统中一般应用于通信距离远,覆盖范围小,目标密度大,频率利用率高的环境。

(5)天线参数

8.3 5G覆盖优化流程

(1)覆盖优化流程

  • 数据采集

    通过不同的数据采集系统进行覆盖相关数据采集。

  • 覆盖评估
8.4 5G覆盖问题及优化方案

(1)覆盖问题概述

  • 弱覆盖
  • 越区覆盖
  • 覆盖不均衡
  • 重复覆盖

(2)弱覆盖

  站点中间出现完全没有NR信号区域。

  • 弱覆盖原因及优化方案

(3)越区覆盖

  越区覆盖:由于基站天线挂高过高或者俯仰角过小引起的该小区覆盖距离过远,从而越区覆盖到其他站点覆盖的区域,并且在该区域手机接收到的信号电平较好

  • 越区覆盖原因及优化方案

(4)重叠覆盖

  每个小区内的终端用户都会受到来自其他小区的同频干扰。通常把受到较多的同频邻区干扰影响且干扰较大的区域称之为重叠覆盖区域。

(5)覆盖不均衡

“上下行不平衡一般是指下行覆盖大于上行覆盖。在只有下行覆盖的区域,当用户因为检测到了基站信号,想要接入或者切换时,因为上行达不到覆盖要求,也就是手机以最大功率发射基站也收不到,就会造成接入失败或切换失败。另外如果上行覆盖是连续的,那么下行信号因为覆盖大于上行,会对邻区造成干扰。”

9. 5G业务测试方法与验证

9.1 概述

(1)无线网络性能测试分类

  • DT车载测试

    开着车在路上测试,在室外进行。

  • CQT通信质量测试

    定点测试

(2)测试主要工具

硬件工具: 

  • 笔记本

    USB接口、硬板读写速率。

  • GPS

    外用USB的GSP。

  • 测试终端

分析工具:

  • LMT:本地维护终端

    LMT是一个逻辑概念。LMT连接到RNC外网,提供NODE B操作维护的用户界面。在NODE B操作维护子系统中,是用户对NODE B进行操作维护的终端。LMT 提供图形化用户界面,使用户可以通过Web 页面对BSC6900 进行操作和维护,实现MML 命令的输入、命令执行结果的显示、告警显示、消息跟踪、性能监测和设备维护等功能。

  • OMC:操作维护中心
  • ATP:自动测试平台
  • 扫频仪

    对网络的阻抗特性、传输特性进行测量的问题。

应用软件:

  • OMT:操作维护工具
  • Mapinfo:桌面地理信息系统
  • FTP:文件传输协议
  • Dumeter:提供直观的速率呈现

调整工具:

  • 使用坡度仪测量天线下倾角、使用罗盘测量天线方位角

(3)测试验证的流程

  • 获取测试任务
  • 工具设备准备
  • 设备连接
  • 数据采集记录观察
  • 数据统计报表输出

(4)测试验证组织框架

9.2 测试验证的基本要求

(1)加扰方式

  • 窄波束模拟扫描
  • 宽波束随机模拟

(2)测试场景

  • 单站
  • 多站

(3)关键指标

  • RSRP:参考信号接收频率
  • SS-PSRP:承载同步信号RE的功率平均值
  • RSSI:接收信号强度指示
  • RSPQ:参考信号接收质量
  • SINR:信干噪比
9.3 报表输出方法

(1)终端参数

(2)EN-DC参数

(3)测量参数

9.4 天线系统及参数调整

(1)常用天线类型

  • 全向天线
  • 定向天线
  • 双极化天线

(2)天线挂高

  • 不同环境下,天线挂高不同。

(3)天线方位角

  • 取值0到360度

(4)天线隔离度

  • 天线隔离度是指一个天线发射的信号与另一个天线所接收的信号功率的比值。

(5)天线下倾角

  • 天线垂直面最大增益处与水平方向的夹角。

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