蜂窝移动通信系统简介

美国的贝尔实验室最早在1947年就提出了蜂窝无线移动通信（Cellular Radio Mobile Communication）的概念，1978年完成了芝加哥先进移动电话系统 AMPS（Advanced Mobile Phone System）的试验，并且在1983年正式投入运营。由于微电子学与VLSI技术的发展，促进了蜂窝移动通信的迅速发展。

早期的移动通信系统采用大区制的强覆盖区，即建立一个无线电台基站，架设很高的天线塔(一般高于 30 m),使用很大的发射功率(一般在 50W-200W)，覆盖范围可以达到 30 km-50 km。大区制的优点是结构简单，不需要交换，但频道数量较少，覆盖范围有限。为了提高覆盖区域的系统容量与充分利用频率资源，人们提出了小区制的概念。
蜂窝网络图
如果将一个大区制覆盖的区域划分成多个小区，每个小区(cell)中设立一个基站(BS),通过基站在用户的移动台（MS）之间建立通信。小区覆盖的半径较小，一般为 1km-20 km，因此可以用较小的发射功率实现双向通信。如果每个基站提供一到几个频道，可容纳的移动用户数就可以有几十到几百个。这样，由多个小区构成的通信系统的总容量将大大提高。由若干小区构成的覆盖区叫做区群。由于小区通常呈现六边形，区群的结构酷似蜂窝，因此人们将小区制移动通信系统叫做蜂窝移动通信系统。在每个小区设立一个（或多个）基站，它与若干个移动站建立无线通信链路。区群中各小区的基站之间可以通过电缆、光缆或微波链路与移动交换中心（MSC)连接。移动交换中心通过PCM电路与市话交换局连接，从而构成了一个完整的蜂窝移动通信的网络结构。

5G网络架构

5G总体架构

蜂窝通信系统的网络可以划分成核心网（CN）和接入网（RAN）两部分，核心网主要由基站管理器、网关网关(Gateway)又称网间连接器、协议转换器。默认网关在网络层以上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关的结构也和路由器类似，不同的是互连层。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连。、计费系统组成，主要为用户提供网络接入服务和管理功能;接入网主要由基站（一种网元网元是网络中的基本元素，是网络管理和监视的最小单位，基站就是一种网元，其与网元关系就是苹果与水果的关系，除此之外，网元还有MME）组成，为用户提供无线接入功能。
5G网络架构图
那么5G系统的总体架构是由5G核心网（5GC）和5G接入网（NG-RAN）构成的。对于非独立组网（NSA）来说，5G接入网的网元有4G增强型基站（ng-eNB）,其可以实现部分5G功能，还有5G基站（gNB）;对于独立组网（SA)来说，接入网网元全部为5G基站，接入网各网元之间由Xn接口完成控制面和用户面的实现，即可传递信令和用户数据。核心网的网元很多，主要有AMF,UPF,SMF等，核心网网元通过NG接口实现与接入网各网元的通信。

4G与5G移动通信系统整体架构对比

与4G的网络架构对比，4G中接入网的基带处理单元（BBU）分离成为5G接入网的集中单元（CU）和分布单元（DU）,这两个模块既可以合设也可将多个DU挂载到CU上，这样便于基站间的协同管理和集中处理；4G中的射频拉远模块（RRU）和天线重构成为5G中的有源天线单元（AAU），利于5G中大规模天线场景的实现。也可看到，5G核心网的功能可下放到多接入边缘计算单元（MEC），使其靠近接入网基站，便于时延的减小控制。

5G核心网架构

5G核心网架构
5G核心网通过以下技术的应用，完全实现了控制与用户面的分离（CUPS)。

NFV技术 -> 灵活重构网络功能
SDN技术 -> 灵活构建数据转发通道
切片技术 -> 业务保障与资源利用率最大化

5G主要网元功能

  • 用户面功能（UPF）

    • 用于 RATRAT适用于无线通信网络的基础物理连接方法。现代手机可以在一个设备中支持多种无线接入技术（RAT），例如蓝牙、Wi-Fi、 NFC（近场通信）以及 3G、4G 或 LTE 和 5G。 内/ RAT间移动性的锚点（适用时）。支持将用户业务铆钉在某一核心网锚点（anchor）（即用户从不同接入系统接入时，用户的业务数据流都从某个CN网元出去。当用户在不同接入系统之间移动时，可以保证该网元分配的用户地址保持不变），以支持计费和其他业务需求。
    • 连接到移动通信网络的外部PDU会话点。关于什么是PDU会话，可参考这篇博客，讲解的很详细，推荐。
    • 数据包路由及转发。

  • 会话管理功能（SMF）

    • 会话建立修改和删除。（注意：在5G网络中建立PDU会话只能由终端发起，但这并不意味着终端不发起会话外部数据就无法发送给终端，在这种情况下网络会对终端进行寻呼，终端接收到寻呼进行响应，再申请PDU会话的建立即可。）

    • 终端IP地址的分配和管理。因为PDU会话的建立是基于IP化的。

    • 选择控制UPF。

  • 访问和移动性管理功能（AMF）

    • 非接入层（NAS）信令和信令的加密与完整性保护，以及 用户鉴权一种用于在通信网络中对试图访问来自服务提供商的服务的用户进行鉴权的方法。用于用户登陆到DSMP或使用数据业务时，业务网关或Portal发送此消息到DSMP，对该用户使用数据业务的合法性和有效性（状态是否为激活）进行检查。 和秘钥管理。
    • 初始接入使得注册与连接管理。
    • NAS的移动性管理。
    • 作为终端与SMF连接的桥梁，进行消息的透传。

  • 控制面的集中单元（CU-C）

    • 接口管理。
    • 连接管理：单连接、双连接、多连接和D2D。
    • 负载均衡和切片资源动态管理。

  • 用户面的集中单元（CU-U）

    数据包处理和转换。

  • 分布单元（DU）

    mac层的资源调度、模式转换和信道映射。

  • 有源天线单元（AAU）

    信号收发等。

网元间的接口

5G主要网元接口

下面主要讲解Uu空口，它是终端和基站间的接口，其协议栈及功能如下图。至于网络协议为什么要分层，以及分层的好处，请点击 这里 快速阅读。我们通常用“三层两面”来描述协议栈的特点，其中PHY层为第一层，MAC层和RLC层为第二层，PDCP层、RRC层和NAS层为第三层，两面即指控制面和用户面。
空口控制面协议栈
上图为空口控制面的协议栈，其用户面协议栈如下图，5G用户面新增一个协议层——SDAP层，以完成 QoSQoS流是PDU会话中最精细的QoS区分粒度，这就是说两个PDU会话的区别就在于它们的QoS流不一样（具体一般就是QoS流的TFT参数不同）；在5G系统中一个QoS流ID（QFI）用于标识一条QoS流；PDU会话中具有相同QFI的用户平面数据会获得相同的转发处理（如相同的调度、相同的准入门限等）；QFI在一个PDU会话内要唯一，也就是说一个PDU会话可以有多条（最多64条）QoS流，但每条QoS流的QFI都是不同的（取值范围0~63），UE的两条PDU会话的QFI是可能会重复的；QFI可以动态配置或等于5QI。 映射功能。
空口用户面协议栈

网络协议分层

在计算机网络中，人们往往进行分层处理，OSI、TCP/IP都是将这个网络体系工作的流程进行了层次化的划分，按照分层的思想把网络协议栈进行分层主要有以下好处：

  • 各层之间是独立的。某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务。这样，整个问题的复杂程度就下降了。也就是说上一层的工作如何进行并不影响下一层的工作，这样我们在进行每一层的工作设计时只要保证接口不变可以随意调整层内的工作方式。

  • 灵活性好。当任何一层发生变化时，只要层间接口关系保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。当某一层出现技术革新或者某一层在工作中出现问题时不会连累到其他层的工作，排除问题时也只需要考虑这一层单独的问题即可。

  • 结构上可分割开。各层都可以采用最合适的技术来实现。技术的发展往往是不对称的，层次化的划分有效避免了木桶效应，不会因为某一方面技术的不完善而影响整体的工作效率。

  • 易于实现和维护。这种结构使得实现和调试一个庞大又复杂的系统变得易于处理，因为整个的系统已被分解为若干个相对独立的子系统。进行调试和维护时，可以对每一层进行单独的调试，避免了出现找不到问题、解决错问题的情况。

  • 能促进标准化工作。因为每一层的功能及其所提供的服务都已有了精确的说明。标准化的好处就是可以随意替换其中的某几层，对于使用和科研来说十分方便。

细嗦

BBU与RRU

BBU(Building Baseband Unite室内基带处理单元)集中放置在机房，RRU(Rerate Radio Unite远端射频模块)可安装至楼层，BBU与RRU之间采用光纤传输，RRU再通过同轴电缆（大物电磁学噩梦）及功分器(耦合器)等连接至天线，即主干采用光纤，支路采用同轴电缆。

  • 对于下行方向：光纤从BBU直接连到RRU，BBU和RRU之间传输的是基带数字信号，这样基站可以控制某个用户的信号从指定的RRU通道发射出去，这样可以大大降低对本小区其他通道上用户的干扰。

  • 对于上行方向：用户手机信号被距离最近的通道收到，然后从这个通道经过光纤传到基站，这样也可以大大降低不同通道上用户之间的干扰。BBU+RRU方案对于容量配置非常灵活，可按容量需求，在不改变RRU和室内分布系统的前提下，通过配置BBU来支持每通道从1／6载波到3载波的扩容。

理论与实践证实该方案具有下列特点：独特的多通道算法实现空间隔离，可以降低干扰；覆盖和容量可独立规划；降低对干线放大器的依赖；基带容量可实现共享，扩容能力大；光纤无损耗，主干布放简便，RRU部署灵活。但是缺点是需增加光电转换单元，且光纤较容易损坏，需要采用铠装。

参考资料