从局部到整体-5G系统观(vivo通信研究院)

gNB
RRC层 PDCP层 RLC层 MAC层 物理层
NG-AP SCTP层 IP层 数据链路层 物理层
SDAP层 PDCP层 RLC层 MAC层 物理层
GTP-U UDP层 IP层 数据链路层 物理层
NEF
“总线”
AUSP
AMF
NAS层
NG-AP SCTP层 IP层 数据链路层 物理层
UPF
IP层 GTP-U UDP层 IP层 数据链路层 物理层
力5G的120W快充和AR眼镜。
紧锣密鼓
• 2018年12月8日，中国移动发布了《5G终端产品白皮书》， 提出了“5G网络领航计划” 宣布全面启动17城市的5G规模 试验和应用示范；
• 2018年9月20日，中国电信5G外场成功打通基于5G独立组网 标准的端到端呼叫。
标准发布
• 2017年12月，3GPP完成了5G非独立组网（NSA）标准制定； • 2018年6月，3GPP发布独立组网标准，是首个完整的5G国际
集中式的接入网、核心网控制节点； 安全、鉴权和注册机制； 核心网签约管理和策略功能；
15
骨干的现实-移动通信 （2）
④
பைடு நூலகம்
业务多样 性
多样化的 QoS
⑤ 移动特征
位置与信号 质量可变
⑥ 能耗受限
引入Radio Beam、QoS flow以实现QoS区分控 制；
引入核心网网络切片等功能； 引入接入网信道优先级机制； 物理层各种灵活配置：多种UL\DL子帧配置
特征 支持基于QoS flow的服务质量体
系； 支持网络切片实现更具个性化的能
力提供； 提供针对物联网、车联网的专项优
业务需求的差异扩大，从技术层面看， 极限需求无法使用常规的方式满足。
采用专网的方式不利于资源利用率， 大大增加了网络成本。
大而全的后台网络，不利于新业务的 引入和编排，灵活性不够。
VR
移动通信“系统观” （预览版）
vivo 通信研究院 张晨璐
5G来了！
正式商用！
• 2019年6月6日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联 通、中国广电四家运营商发放5G商用牌照，这标志着中国正 式进入5G商用元年；
• 2019年6月25日，中移动启动“中国移动5G+计划”； • 2019年6月26日，vivo在上海MWC发布5G商用终端，以及助
近代通信
代表：电报、有线电话、 无线电广播 效率：xx bit/s~xx kbit/s
TEXT 2
1875年，贝尔发明 电话机
1843年，贝思发明 传真
摩尔发明电报
什么驱动着通信技术 的发展？
9
通信发展的基石与驱动力
？？？？
速
无线时代
？？？？
度 容
电的时代
随着物理学、数学等基 础学科的发展，人们对
……
NRF
PCF
UDM
SMF
AF
IP层
Internet
17
系统整理与理解
提供基站的控制手段，实 现各种高层功能，如连接 管理、配置管理、测量管 理、资源管理等。
gNB RRC
适配底层，提供合适的 传输格式和传输块大小 ；屏蔽高层，实现QoS flows映射
屏
蔽
L2
底
层 调度
算法
适 配 底
层 物理层
27
这些变化意味着什么？
28
移动通信的未来发展趋势
随着5G系统的商用， 速度、容量等移动通 信演进的传统动力已 不再是技术发展的唯 一的追求目标。
实现真正意义上的无 处不在的网络连接 （万物连接）是移动 通信系统追求的终极 目标。
实现全球统一的技术 标准是移动通信系统 商用的基本需求。而 接纳并融合多样化的 接入网技术是移动通 信发展的现实需要。
用户面由SGW和PGW组成， 用户面部署不够灵活
MME同时涉及移动性管理和 会话管理控制面功能
PGW同时具备用户面和控制 面功能
不利于实现SDN和NFV等技术
25
基于服务的网络架构
传统网元
网络功能
网络功能服务1 网络功能服务2
NEF AUSP
NRF AMF
PCF SMF
UDM AF
eNB
SGW
PGW
随着技术和需求的发 展，移动通信融合如 AI等新兴技术成为再 次点燃移动通信活力 的契机。
驱动力
无处不在！
统一与包容
PCRF
Service discovery Maintains the NF profile
NRF
节点2
节点1
节点3
消费者
服务2+1
服务1
服务2
服务2 服务1
生产者
特征
传统网元拆分； 网络功能服务自动化管理； 网络通信路径优化； 网元间通信机制优化
启示 移动通信网络从“专用网络 ”向开放的网络发展。从“ 提供什么你用什么”向“你 需要什么我提供什么”转变 。
频域
导频
信
调度
道 特
MCS（编码、调制） 映射
征
反馈
导频测量
数据
配置与控 制
gNB
干扰
UE RRC
L2
核U心PF网
提供后台网络对接入网 和用户的控制手段，实 现上层功能，如位置管 理、切换、寻呼与业务 请求、会话管理等。
导频
测量反馈
物理层
反馈
结合信道特征、干扰特征、运 用香农信息论等最新理论和技 术，考虑频谱效率需求、设计 目标，构建一个鲁棒的，高效 率的，物理传输信道
未来
从“过去”我们看到了什么？ 速度、容量还是通信技术未来发 展的最重驱动力吗？如果不是， 那还会是什么？
8
从5G的爸爸、爸爸的爸爸聊起
现代通信
代表：AMPS、GSM、 WCDMA、LTE、5GNR 效率：xx kbit/s~xxGbit/s
古代通信
代表：烽火传讯、信鸽传 书、击鼓传声、风筝传讯 、天灯、良马日行千里 效率：10bit/天？
11
从纸筒电话谈起
嘴巴
纸筒
环境声
棉线
纸筒
耳朵
噪声+干扰
信源
输入变 换器
信道
输出变 换器
信宿
有线通信的特点
通过“看得见摸得着”的固定媒介进行传 输，保密性强；
传输信道相对稳定，干扰小； 收发端位置相对固定； 部署成本高。
12
升级后的通信系统
想传输的更远
噪声+干扰
信源
输入变 换器
调制
信道
解调
量 的 追
一切靠“吼”的时代
在基础科学还未启蒙的
电磁辐射理论和电磁感 应理论的发展使得通信 插上了电的翅膀。
无线通信技术赋予了更 多的期望。
求
年代，信息只能靠原始
的形式低效的传递。
启示
基础学科的进步
基础学科的进步是通信技术进步发展 的基石！
对速度和容量的追求是通信技术发展 的最大驱动力！ 10
通信系统如何一路走来？
面
从微观到宏观，了解移动通 信系统发展历史、系统模型、 架构与演进规律。
系统观
串讲不同“层”流程，将技 术过程与用户行为关联，实 现对5G系统的全面直观理解
4
预览版
本PPT为人民邮电出版社出版的《从局部到整体：5G系统观》配套PPT的预览版本 ，完整版共计236页PPT。建议读者结合原版书籍，配合阅读效果更佳。 购买书籍后可联系作者索取PPT完整版！书籍介绍请参考末页
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核心网接入网解耦
启示 我们的移动通信技术，也许 并不适用于所有应用场景。 而美好的未来，需要我们开 放、包容。
特征 支持多种类型的接入网系统； 接入网提供独立的接入能力； 核心网提供统一的汇聚和编排能力； 支持非3GPP系统。
适用于短距离覆盖和室内覆 盖场景 适用于低速移动，高速连接 场景
标准。
商用在即
• 2019年3月中国移动5G测试套餐出炉，50元包5000G； • 2019年1月，第三阶段测试结束，预示国内5G网络达到预商用
水平； • 2019年1月，vivo全球第一部搭载完整5G功能手机vivo APEX发
布 • 2018年12月，三大运营商5G频普分配方案终于落定。
第一波刺激
①
信道不确 定性
信道传输 能力可变
②
多用户且资 源受限
③
可管可控运 营需求
引入导频进行信道估计； 引入MCS应对传输能力变化； 引入高层拆包组包组装合适的TB；
引入各种多址方式提高频谱效率； 引入随机接入机制提高系统容量； 引入动态调度和资源分配机制；
物理层、MAC层、RRC层、NAS层等信令 体系；
• 2018年2月，vivo在MWC2018发布5G APEX概念机。
2
5G是什么？
虚拟现实/增强现实
车联网/自动驾驶
物联网
大数据+AI
5G+能源
5G+教育 5G+医疗
……
5G+工业 5G+智慧城市
3
课程目标
我的移动通信“系统观”
点
从底层到高层、从接入网到 核心网，全面了解5G网络单 点技术、信令和流程
能耗 成本
效率
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网络架构的演变
4G网络架构
HSS
MME
PCRF
LTE RAN
UE
SGW
S5/S8
PGW
5G网络架构
LTE核心网 NG-RAN
5G核心网
NEF
NRF
PCF
UDM
LTE RAN
AUSP
AMF
SMF
AF
“总线”
Internet
UE
5G RAN
UPF
Internet
核心网和接入网解耦 用户面和控制面分离 基于服务的网络架构 业务多样性能力增强
相对低廉的部署和使用成本
被广泛的应用和接纳
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用户面和控制面分离
启示 移动通信系统特别是用户面 向更加“专业”计算机网络 发展，将有利于吸收和融合 计算机网络新技术，并最终 与之融合。
特征
MME中会话管理相关控制面功能迁 移到SMF中；
PGW中策略管理等相关控制面功能 迁移到SMF中；
UPF独立承担用户面功能
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5G关键性能指标（ITU-2015年）
用户体验速率 100Mbps甚至G级 01 10Mbps
流量密度
02
10Mbit/s/m2
0.1Mbit/s/m2
峰值速率
03
20Gbps
1Gbps
连接数密度
04 1百万/Km2 10万/Km2
05 时延
1毫秒级
10ms
06 移动性
500Km/h
350Km/h
数据
时域
18
速度和容量是移动通信从1G 到4G的绝对驱动力！
19
技术推动应用，应用影响生活！
从1G到5G的蜕变！
1973年
1991年
2000年
2008年
2018年
1G
应用：模拟语音 速率：？
2G
应用：数字语音+文字 速率：数十~数百Kbps
3G
应用：多媒体 速率：2~数十Mbps
4G
应用：多媒体+宽带 速率：100M~1Gbps
输出变 换器
信宿
更可靠，更高效
噪声+干扰
信源
输入变 换器
原始模拟信号
编码
调制
采样与量化
信道
采样分段
采样分段
采样分段
信源编码
压缩数据减少信源冗余，提高通信有效性
信道编码
射频发射
人为增加冗余，提高数据传输可靠性
物理信道
解调
译码
输出变 换器
信宿
13
移动通面临的问题更多、 更复杂！
14
骨干的现实-移动通信（1）
、子载波间隔配置、BWP配置等；
引入切换、位置管理、寻呼机制； 引入移动性测量、上报机制； 引入同步机制；
引入高层RRC多状态机制和DRX、DTX机制； 引入BWP机制和PDCCH非连续监控； 引入核心网MICO机制； 引入功率控制机制；
16
复杂的移动通信系统
LTE 核 心 网 UE
5G
应用：V2X，VR/AR，AI 速率：>Gbps
未来又会怎样？
20
过去
从一切靠“吼”的古代通信，到 利用电缆实现的有线通信，再到 通过无线电波传播的移动通 信……，通信技术是如何一步步 走来的？
未来
从“过去”我们看到了什么？ 速度、容量还是通信技术未来发 展的最重驱动力吗？如果不是， 那还会是什么？
• 2017年12月，中国电信公布成都、雄安、深圳、上海、苏州、兰 州六个城市为5G规模试点城市。
• 2018年1月，中国联通在北京、天津、上海、深圳、杭州、南京 、雄安 7 城市进行 5G 试验；
• 2018年2月，中国移动宣布武汉和杭州、上海、广州和苏州5G试 验网五大城市，建设约100个5G基站；
传统的通信网络
传统网元功能大而全，导致硬件专 用性强，成本昂贵
传统网元属于专用硬件，功能与硬件耦 合，无法实现独立升级和演进
传统网元间的信令/数据路径复杂， 不利于降低处理时延
传统网元间采用专用接口，兼容性和 扩展性不强
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业务多样性能力增强
启示 “一网多用”、“专网专用 ”的思路已经不再适用于差 异化巨大的业务需求
CONTENTS
01
第一章：历史、演变与趋势
02
第二章：系统观-从生活到技术
03
第三章：能力核心-物理层
04
第四章：控制大脑-高层
05
第五章：创新基地-核心网
6
目录
第一章
历史、演变与趋势
7
过去
从一切靠“吼”的古代通信，到 利用电缆实现的有线通信，再到 通过无线电波传播的移动通 信……，通信技术是如何一步步 走来的？
5G 核 心 网
LTE RAN LTE核心网 NG-RAN
LTE RAN
5G RAN
UE
HSS
MME
PCRF
SGW
PGW
Internet
5G核心网
NEF
NRF
PCF
UDM
“总线”
AUSP
AMF
SMF
AF
UPF
Internet
信令面
UE
NAS层
RRC层 PDCP层 RLC层 MAC层 物理层
用户面
IP层 SDAP层 PDCP层 RLC层 MAC层 物理层