5G笔记| 概述:5G网络架构(NSA/SA组网)、无线资源控制RRC、语音通话

名词解释

  1. 新空口NR(New Radio):指5G的无线网
    空口即空中接口,对应无线网络的概念,泛指手机和基站之间一系列传输规范,因为无线网是5G速率突破的关键,故也把5G直接叫做NR
    ps. 3G无线网为UTRAN,4G无线网为E-UTRAN
  2. 5GC(5G Core):5G的核心网
    4G的核心网叫EPC(Evolved Packet Core),而5G核心网的不同在于引入大量网络功能虚拟化NFV设备。

5G完整网络就是NR+5GC,4G完整网络就是E-UTRAN+EPC(或LTE+EPC)

  1. gNB(gNodeB):5G基站
    3G基站叫NodeB,4G基站叫eNodeB
  2. 独立组网SA(Standalone):gNB直连5GC,5G最终的网络架构
  3. 非独立组网NSA:过渡的架构,由于gNB无法直接与EPC进行控制信息的交互,需要借助4G基站/锚点的帮助,帮助gNB提供控制信息(锚点与gNB可以一对多)
    NSA的组网模式有Option3/3a/3x等,下文介绍
  4. n78、n79、n41:5G中的频带代码,其中n是NR中的n,移动分的是n41和n79(基本不用),联通电信分的是n78

关于5G的频率
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  1. 频率范围FR(Frequency Range):FR1和FR2是5G频率划分的两个大类
  2. FR1:6GHz以下的频段,所以也可以被叫做Sub6G频段
    FR1的后半段3-6GHz是5G的主力频段,这段频率较低,带宽大,拿出来100MHz频段给5G用,叫做C-band
    FR1在3GHz以下的前半段称为Sub3G,虽然频段更低,覆盖更好,但是连续带宽少,拿不出大带宽,所以用作5G的覆盖层(实现连续覆盖),热点区域再用C-Band或者毫米波
  3. FR2:20GHz左右以上的频段,就是毫米波mmWave(严格说毫米波是30GHz以上的频段)

关于5G的网络架构

  1. 主小区组MCG(Master Cell group):4G基站eNodeB/锚点下的小区就是MCG
  2. 辅小区组SCG(Secondary Cell group):5G基站gNodeB的小区就是SCG
    主节点Masternode:充当MCG的节点,即4G基站
    辅节点Secondarynode:充当SCG的节点,即5G基站

为什么要说“小区组”,而不是“小区”?小区可能通过载波聚合技术聚合了好多小区,形成小区组

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  1. 主小区PCell(PrimaryCell):MCG下面载波聚合的那些小区中,总指挥的4G小区
  2. 主辅小区PSCell(PrimarySecondary Cell):SCG下面载波聚合的那些小区中,总指挥的5G小区
  3. 辅小区SCell(Secondary Cell):MCG/SCG中剩下的所有4G和5G小区
  4. LTE和5G双连接EN-DC(E-UTRAN NR-Dual Connection):NSA架构的一种,即:MCG是4G且SCG是5G的NSA
    Option 3/3a/3x都是EN-DC(和分流节点无关 )
    其余NSA双连接架构还有MR-DC(Multi-RAT Dual Connectivity):Multi-RAT 理解为各种无线网

关于5G的核心网

注意,由于5G中核心网的网络功能虚拟化NFV,见到各种XXF,都是指功能Function
也就是说5G里所有的核心网网元,都仅仅是实现一个功能而已

  1. 用户平面功能UPF(User Plane Function):5G核心网里唯一的处理数据模块,主要负责数据从基站到网络的路由转发
    ps. 5G核心网彻底分离控制面与用户面,用户面模块仅处理数据,控制面模块仅负责实现网络管控(除了UPF外所有模块都是网络控制模块,负责处理信令)
  2. 接入和移动管理功能AMF(Access and Mobility Management Function):是核心网的“CPU”,负责控制手机接入网络、认证身份、移动性管理
  3. 会话管理功能SMF(Session Management Function): 连接UPF,负责给手机分配IP地址、在上网中管理手机与核心网间的各个通道

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如图,其中UE就是手机,DN是移动通信网外部的网络
灰色虚线框里全是核心网的控制功能
手机上网的数据通过基站转发至UPF,再通过UPF转发后,发送到外部网络,

5G网络架构

对于移动通信,无论4G还是5G,都遵循 无线接入网–承载网–核心网 的三级网络架构
其中,承载网类似于接入网和核心网之前的高速通道,常常被忽略,于是 5G 网络可以简化成手机终端–无线接入网–核心网–外部网络的模型

常见缩写:gNB表示5G基站节点,ng-eNB表示可接入5GC的4G基站节点

5G网络架构主要分为5G核心网5GC无线网NG-RAN两大部分

  • 无线网主要有gNB和ng-eNB两种网元
  • 核心网的功能主要有AMF、SMF和UPF三个功能性逻辑网元或虚拟网元承接

NG和Xn是两大主要接口

  • NG:无线网和核心网的接口
  • Xn:无线网节点之间的接口

基站与MIMO天线

4G基站

基站是一个完整的系统,由BBU、RRU和天线(天馈)组成
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  • 基站处理单元BBU:真正意义上的基站设备,位于机房中,一般看不到,调制/编码/OFDM处理/Massive MIMO处理,大部分都在BBU完成,少量由RRU完成
  • 远程射频单元RRU:能将 BBU 处理完的基带信号转化成一定频段上的频带无线电信号,并给无线电加上足够大的功率(从而信号才能传播的足够远)并经过馈线,将信号拉远传输到天线,因此RRU消耗大部分功耗
  • 天线:发射信号

BBU和RRU之间用光纤连接,传输基带信号,并且损耗小
RRU和天线之间用馈线连接,传输高频信号,损耗较大,因此RRU一般要和天线放在一起
注意,天线之间并行收发数据,则每一根天线与 RRU 之间都要通过一根独立的馈线连接

5G基站

应用MassiveMIMO后,基站的天线配置达到64T64R,相当于基站机房需要拉64根馈线到天线,这样则只能将RRU和天线合并,这就是5G的有源天线单元AAU(Active Antenna Unit),正是由于RRU需要电源供电,故称“有源”
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ps. 上图的 BBU 变成 CU 与 DU 暂未实现,目前5G基站仍然用BBU

基站如何获取下行信道的质量

基站可以通过获取上行数据,来实时判断上行信道质量;然而却无法直接获取下行信道的质量
两种解决方法:

  • 手机上报信道状态指示CSI(hannel Status Indication),报告下行信道质量
  • 利用信道的互易性,基站评估上行信道的质量,认为下行信道具有同样的质量,做法是手机额外上行传输一个信道探测参考信号SRS(Sounding Reference Signal),专门供基站评估信道质量,这种方法对下行信道质量的评估更加准确

但是注意,第二种方法更准确,但需要保证信道有互易性,例如:

对于TDD制式(如TD-LTE),上下行的传输频带一样,信道质量也就一样
对于FDD制式(如FDD-LTE),上下行的传输频带不同,信道没有互易性

因此,5G网络中,大多使用TDD双工
然而,这导致的问题是,不同小区的用户会采用同样的导频,导致基站无法区分,这成为“导频污染”,是Massive MIMO的主要性能瓶颈

5G NSA与SA组网

  • 5G的无线接入网和核心网与4G完全不同,因为目前制约移动通信网络速度、时延的主要瓶颈就在无线网络
  • 5G的承载网可以认为没有很大的变化,因为承载网作为无线网到核心网的“高速公路”,技术没有巨大更新

在5G商业前期,若仅需要实现高速率业务,那么仅需要将基站和手机终端换为5G设备(更新无线接入网部分),承载网和核心网可沿用4G网络,因此产生了作为过渡的非独立组网NSA(Non-Standalone)和独立组网SA

  • 非独立组网NSA下,手机需要双连接,即同时与 4G 基站和 5G 基站连接,同时接收两者的数据
    在这里插入图片描述

实际上, SA、NSA还要细分为多种核心网与基站的组网方式,称为option 1/2/3…
目前各大运营商使用的是option 3,对应一种5G 基站连接 4G 核心网的NSA组网

  • option 3的特点:5G 基站时必须配置一个 4G 基站作为“锚点”(从而将 5G 基站固定在 4G 核心网)。具体而言,核心网下发的主要的控制信令由4G 基站传递给 5G 基站/手机,从而控制5G基站的工作。

option 3还要再细分 3 种架构:option 3、option 3a、option 3x
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  • 3、3a、3x 的区别在于分流控制点的位置不同:option 3 下,分流节点在 4G 基站;option 3a 下,分流节点在 4G 核心网; option 3x 下(而目前所有运营商实际商用的模式),分流节点则在 5G 基站
  • 分流节点,就是决定数据如何下发给用户的网元(多少数据走 4G 基站下发给用户,多少数据走 5G 基站下发给用户)

注意,SA 组网下,用户同时只能连接一个网络(4G / 5G),不存在分流节点的概念

用户在5G NSA网络中的体验

前面 说过,当前option 3的NSA组网,要求5G 基站时必须配置一个 4G 基站作为“锚点”,且手机同时与 4G 基站和 5G 基站连接,即双连接

然而,当前大量的4G基站不满足锚点频段(目前只有 F 频段和FDD1800 频段),大量小区是非锚点小区(无法使用5G);

此时,对于5G用户,有一种技术称为定向切换,可将5G用户从非锚点小区定向切换到信号强度(参考信号接收功率RSRP)最好的一个锚点小区(这对应A4切换事件
5G用户处于锚点小区内,手机上就会显示“5G”标识;然而此时用户不一定能真正与5G基站连接,这是由于5G频段更小,基站覆盖范围更小,故此时大概率用户仅仅连接到了NSA中的4G基站
(注:事实上,NSA组网下,“5G”标识如何显示有ABCD四种config,有些只要连入4G锚点就显示5G信号,有些与5G基站连接后并传输业务才显示5G信号)

如果5G用户处于 5G 基站覆盖范围内( 5G 小区的RSRP 大于一定门限值),手机将其到含有 5G 小区 RSRP 的测量报告MR(Measurement Report)上传到4G锚点,4G 基站就会开始添加辅小区(主小区即锚点 4G 小区,辅小区即5G 小区),对应B1切换事件,从而实现 NSA 网络下的双连接

在双连接下:

  • 4G 锚点小区负责接收核心网的控制信令,向 5G 手机与 5G 小区转发;
  • 5G 小区负责将从核心网接收来的数据向 4G 小区进行分流(option 3x下,分流节点位于5G基站,控制数据向用户的的下发过程)
  • 最后,4G和5G 小区同时给 5G 手机传输数据

5G移动通信的无线资源控制RRC

无线资源控制RRC(Radio Resource Control)是指移动通信中基站与手机直接交互各种控制信息,从而手机才知道何时收发信息

小区切换

测量报告MR(Measurement Report)就是一种重要的RRC信令,手机通过MR上报自己测量的参考信号强度RSRP,从而基站获取手机的位置信息,最终完成小区切换(由信号强度更好的小区来提供服务)
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LTE和5G定义的七种切换事件:

  • A1:基站得知手机在当前服务小区内信号很强,告诉手机无须耗电别的小区的信号强度
  • A2:服务小区告诉手机你测量别的小区的信号强度,尝试切换小区
  • A3:服务小区得知手机逐渐进入另一小区,这是最主要的切换事件
  • A4:不再是当前小区和邻区比较信号强度,只要邻区质量高于门限就让手机切换(即使邻区质量不如服务小区)着主要用于邻区级别更高(比如是一个更好的频段,即:从非锚点小区切换到锚点小区)的情况
  • A5:相较于A4事件,限制条件更多,这主要用于服务小区的级别更高,邻区级别比较低(不希望手机切换到邻区)
  • B1/B2:B1 类似 A1,B2 类似 A5,区别仅在于此时邻区和服务小区不是一个系统的,比如服务小区是 4G,邻区是 5G(例如上面的B1,就是由于5G小区的信号强度足够好,4G锚点把5G小区拉入,一同为用户提供服务)

举例分析:下图中,5G基站覆盖范围更小,标为黄色;4G锚点覆盖范围为蓝色;在NSA下,5G用户必须借助锚点才能接入5G网络,因此4G锚点称为主站,5G基站为辅站
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  • 在1处:纯粹使用4G
  • 在2处:进入5G覆盖范围,B1切换事件,4G主站添加5辅站一同服务
  • 在3处:锚点小区 2 的信号更强,A3切换事件,锚点切换为4G基站2
  • 在4处: 5G 小区 1 的强度低于门限,A2切换事件,锚点小区进行了辅站删除,纯粹使用4G
  • 在5处:进入5G覆盖范围,B1切换事件
  • 在6处:5G 小区 3 的强度大于5G 小区 2,A3切换事件,辅站变更

RRC状态

4G中的RRC,手机和基站之间有两种状态:

  • RRC 连接态(RRC CONNECTED):只要手机和基站有 RRC 信令的传递,就是连接态(一般还伴随数据的传输)
  • RRC空闲态(RRC IDLE):手机一段时间没有数据收发,就自动给断开无线通道,进入“睡眠模式”,有利于手机省电,此时基站不知道手机的位置,有电话业务时,需要在跟踪区TA(Tracking Area)的一批基站下,寻呼定位手机

手机即使在空闲态,只要移动出 TA, 就会主动与基站连接,向核心网报备新的所属TA,从而基站不会和手机“失联”

5G新增了一种状态:

  • RRC非激活态(RRC INACTIVE):使得手机从空闲态到连接态的转换更快,即“半睡半醒”,这样兼顾省电和快速唤醒
    该技术的问题是手机后台程序会给服务器回传一些小包数据,从而难以进入INACTIVE态,由此R17则开发了INACTIVE态下传输小包数据的场景

语音通话

语音压缩编码算法AMR

2G/3G/4G中采用的语音压缩编码算法为 自适应多速率AMR(Adaptive Multi Rate),它可以根据用户无线环境的好坏,自适应采用不同的编码速率

AMR分为窄带的AMR-NB和宽带的AMR-WB,AMR-WB的采样频率更高,压缩算法更好,支持的最高编码速率也更高,因此AMR-WB语音编码质量更好

  • 在 2G 下的语音,由于硬件限制,只能使用AMR-NB或低阶AMR-WB
  • 4G 下的语音 VoLTE(Voice over LTE),采用23.85bps 的 AMR-WB 的语音编码速率,语音质量明显提升

2G、4G、5G下的语音通话

2G网络主要就是为实现语音通话,使用电路交换 CS(Circuit Switched)的网络,通话期间始终占用资源(2G网络下打电话,无法同时上网)

4G网络使用分组交换 PS(Packet Switch),然而如果仅依靠IP数据包传输语音业务,无法没法保证业务质量(IP网络尽力而为),因此当前仍然保留2G网络,而不是直接废除(在 4G 网络覆盖不足/4G 手机不支持 VoLTE时,就会切换到2G网络,保障基础的话音业务)

  • 要真正用 4G 网络承载语音业务,必须将语音包区别于一般的数据包,实现更高的质量保障,这需要对整个核心网和基站进行改造,新建一套 IP多媒体子系统 IMS(IP Multimedia Subsystem)核心网
  • 对于初期没有建IMS的运营商,其4G 网络不能实现语言业务,通话时手机的4G 网络都会变成 2G,并且不能上网,这种回落到 2G 的 CS 网络的 4G 语音方式,就是电路域回落CSFB(CS Fallback),并且这种方式需要手机从 4G 网络主动掉线,再重新接入 2G 网络,接通时间长

实际上, 5G NSA下的语音通话时,也有类似的“回落”,即NSA 下并没有 5G 语音,语音是要走 4G 网络( VoLTE)

后来4G建成IMS,实现了真正的4G话音,称为VoLTE,支持前述的高码率的 AMR-WB 编码,并且由于话音也走IP包,与数据包无差异,故支持通话同时上网

问题:VoLTE用IP包传输语言,如何提供比普通数据包更高的质量保证?VoLTE 与微信语音通话有什么区别?

QoS等级标识 ,即QCI(QoS Class Identifier),不同的QCI决定了:传输时延/丢包率/最低速率不同
QCI分为1~9级,但QCI数字与优先级无关,因为不同 QCI 对应的优先级(priority)也不同,priority越小优先级越高

用户终端UE经过4G 基站(eNB)到PGW(把数据传递至互联网的设备,运营商移动网络基本管到PGW 就停止了)的这段逻辑数据通道,称为EPS承载(EPS Bearer,其中EPS指演进的分组系统),EPS 承载的等级,就是 QCI

VoLTE的语言,使用QCI=1,这对应低时延和较高的丢包(语音对丢包不敏感),从而VoLTE 电话质量比微信语音更好,因为微信语音和其他网络数据一同在 QCI=9 等级下传输

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