5G 基本原理及关键技术介绍

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5G 基本原理及关键技术介 绍 2 目录 1 5G 总体介绍 2 5G 网络架构 4 网络规划 5 路测方案 3 5G 特性介绍 3 5G 总体介绍 3x Control Plane: 10ms User Plane eMBB: 4ms User Plane uRLLC: 0.5ms 1M devices/km2 100X(ITU) Peak Data Rate DL: 20Gbps UL: 10Gbps User Experienced Data Rate DL: 100Mbps UL: 50Mbps Spectrum Efficiency Mobility (500km/h) Latency Connection Density Area Traffic Capacity 10Mbps/m2 Network Energy Efficiency LTE-A 5G NR 3GPP 定义 5G 网络目标 多类型业务的网络要求 uRLLC mMTC Peak Data Rate User Experienced Data Rate Spectrum Efficiency Mobility Latency Connection Density eMBB Area Traffic Capacity Network Energy Efficiency  5G 网络将提供 20 倍于 LTE 的小区容量， 10 倍的用户体验， 10 分之 1 的空口时延  5G 网络需要同时满足 eMBB （超大带宽）， uRLLC （超高可靠性，超低时延）和 mMTC （超大连接）业务的 需求 4 标准提速，促 5G 提前商用 2016 2018 2019 2020 2017 Global Launch Phase 1 NR Framework • Waveform & Channel Coding • Frame Structure, Numerology • Native MIMO • Flexible Duplex Architecture • UL&DL Decoupling • CU-DU Split • NSA / SA Others ： uRLLC Phase 2 NR Improvement • New Multiple Access • eMBB Sub6G Enhancement • Self-Backhaul Vertical Digitalization • uRLLC Enhancement • mMTC • D2D • V2X • Unlicensed Rel-15 Rel-16 NSA NR Full IMT-2020 NR SA NR Phase1 Phase2 Rel-15 NSA 部分的协议在 2017 年 12 月完成，聚焦 eMBB, 使能 5G 的快速引入和部署 5 5G 目标网频谱分布 5G 的目标网将是多层次组网结构，包括 Sub3G ， C-band 和毫米波 Dense Urban Urban Suburban Rural mmWave(T DD) 2.6GHz (T+F) 1.8GHz / 2.1GHz (FDD) 1400MHz (SDL) 700MHz/800MHz/900MHz (FDD) C-Band (TDD) 容量补充层 基础覆盖层 基础容量覆盖层 6 目录 1 5G 总体介绍 2 5G 网络架构 4 网络规划 5 路测方案 3 5G 特性介绍 7 网络架构： NG-RAN 总体架构 5G 的主要网元 › NG-RAN( 接入网 ) ： gNB 组成 › 5GC( 核心网 ) ： AMF( 控制 面 ) ， UPF( 用户面 ) 5G 的网络接口 › Xn 接口： gNB 之间的接口，支持数据 和信令传输 › NG 接口： NG2 连接 AMF ， NG3 连 接 UPF 的接口 有两种 NG-RAN 节点 › gNB 和 UE 之间使用 NR 控制面和用 户面协议 › ng-eNB 和 UE 之间使用 e-UTRA 控制 面和用户面协议 gNB ng-eNB NG NG-RAN 5GC AMF/UPF gNB ng-eNB NG AMF/UPF Xn Xn 8 优选 3x 作为 NSA 方案，优选 2 作为 SA 方案 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 ● ● ● 初期普遍优选 3x 作为 NSA 方案，优选 2 作为 SA 方案； Option 7x/4 标准已延迟 NSA 优选 Option 3x/7x SA 优选 Option 4/2 信令锚点 数据分流点 Option 3 EPC LTE NR S1-C S1-U Option 3a EPC LTE NR S1-C S1-U S1-U Option 3x EPC LTE NR S1-C S1-U S1-U Option 7 Option 7a Option 7x 5GC 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 2 5GC NR NG-C NG-U Option 4 5GC eLTE NR NG-C NG-U Option 4a 5GC eLTE NR NG-C NG-U NG-U 9 Option3x 聚焦 eMBB ， Option7x/4/2 支持 5G 全业务 Option 3x Option 7x/4/2 eMBB URLLC mMTC Network Slicing  mMTC 标准在 R15 版本中未涉及，预 计将在 R16 版本中 考虑  eMBB 业务成熟度 高， 5G 将率先商用 部署  NSA 峰值不弱于 SA ，且能保证网络 覆盖的连续性，快 速部署  Grand-free/Mini- slot 等 NR 空口技术 标准已完成，完整 URLLC 标准还未完成  Option3x 通过 NR 支 持时延 & 可靠性要求 较低的 URLLC 业务  R15 中提供 eMBB 切片基本能力，全 业务切片由 R16 版本提供 10 NSA Option 3x 引入 NR 对现网影响最小，性能最优 Option 3 Option3a Option 3x • Avoid impact to Legacy LTE for UP data split • Dynamic UP data split in RAN at packet level provide better performance • Limited data peak rate • Necessary LTE expansion for UP data split • Static UP data split without RAN status awareness EPC LTE NR S1-C S1-U EPC LTE NR S1-C S1-U S1-U EPC LTE NR S1-C S1-U S1-U LTE 5G NR PHY MAC RLC PDCP PHY MAC RLC PDCP LTE 5G NR PHY MAC RLC PDCP PHY MAC RLC PDCP LTE 5G NR PHY MAC RLC PDCP PHY MAC RLC PDCP RAB level @ CN Option3x 对存量站点影响小，又支持灵活的分流方式，成为客户普遍选择。 11 语音： NSA 优选 VoLTE ， SA 优选 VoNR NSA 组网（ Option 3x/7x ） SA 组网 (Option 2/4)  VoLTE 承载语音： VoLTE 体验好， LTE 网 络全覆盖，接入时长 ~2s  VoLTE 承载语音：不支持 VoNR ， EPS FB 到 4G VoLTE ，接入时长 3~4s  CS 承载语音： VoLTE 未部署， 2/3G 覆盖更 大，接入时长 ~6s VoLTE NR VoLTE NR EPS FB VoLTE VoNR PS HO LTE NR CS on 2G/3G CSFB PS HO LTE CS on 2G/3G CSFB NR  VoNR 承载语音： 支持 VoNR ，接入时长 1.5~2s ，边缘 PS HO 到 4G VoLTE  CS 承载语音： 不支持 VoNR/VoLTE ，两次回 落，接入时长 ~8s 12 CU-DU 架构更好的适应 5G 业务的发展 用户面集中，更好的 DC 分 流： 4G/5G/ 其他接入方式之间的 DC ，是提升用户体验，并在 5G 部署初期保持更好的业务连续性 的重要手段。 边缘计算使能新业务的敏捷部 署： RAN 的控制面、用户面锚点可以和 分布式网关，甚至是 Application 共部署，提供更开放的接口，使能 更多的 Application 。 支持更智能的网络运维： 网络功能的管理和专用硬件解耦， 网元集中管理可以使网络的管理更 智能。 Cloud 和 NFV 使能高效的资源管 理： 通过高层切分， CU 侧主要包含的是 RAN 非实时处理部分，可以云化部署 . 通过更灵活的 Scale in / Scale out ， 以及支持和其他 VNF 共部署，提升计 算资源的利用效率 RAN-RT RAN-RT RAN-RT RAN-NRT AC LTE WiFi 5G • 避免用户面数据流在基站 之间迂回； • 避免由于数据迂回产生额 外的时延 OSS gNB eNB DU DU DU …… Logical NE management centralized in CU Hardware management • 增加、删除、更换 BBU 不再和 重新配置 eNB/gNB 网元相对 应 . • CU 部分在云上可以存储更多的 管理、测量和性能统计信息， 为后续产生更智能的运维特性 提供了条件 • 云化之后， CU 的处理能力可 以更容易的 Scale out; • 通过云化， CU 的处理和硬件 解耦，只要有足够的计算资 源， CU 的 Scale in 和 Scale out 可以自动进行 . • 通过业务边缘部署大幅缩 短 E2E 时延 ; • 通过集中和云化， RAN 方便提供开放接口 . RAN-RT RAN-RT RAN-NRT D-GW APP Server E9000 Scale Out …… 13 CloudRAN 架构遵从 3GPP 的 Option2 高层切分 5GC NG NG Xn NG-RAN gNB-DU gNB-DU gNB-CU gNB F1 F1 gNB-DU gNB-DU gNB-CU gNB F1 F1 gNB Central Unit (gNB-CU): a logical node hosting RRC, (SDAP) and PDCP protocols gNB Distributed Unit (gNB-DU): a logical node hosting RLC, MAC and PHY layers, Core MAC PHY-H RLC PHY-L RRC PDCP RF CU DU RF High Level Split 3GPP 38.401 CU-CP and CU-CP Split 3GPP 协议规范了多种 CU-DU 分离架构，华为 CloudRAN 架构 3GPP 的 Option2 高层切分方案。 14 目录 1 5G 总体介绍 2 5G 网络架构 4 网络规划 5 路测方案 3 5G 特性介绍 15 5G 特性介绍 --Massive MIMO 2T2R 4T4R 8T8R Massive MIMO: 64T64R 基站侧天线数显著提升 传统基站“ BBU+RRU+ 天线”演变为 MM 基站“ BBU+AAU” 传统基站示意图： BBU + RRU + 天线 Massive MIMO 基站示意图： BBU + AAU Massive MIMO 是更大规模天线阵列的多天线形态，天线通道数显著提升、并与中射频处理单元一起集成为有源 天线处理单元 AAU 16 Massive MIMO 基础 Massive MIMO 更大规模天线阵列可显著提升上行接收合并能力、下行波束成型能力、以及上行空分复用和下行 空分复用能力 大规模 MIMO 基站多用户 MIMO 传统基站单用户 MIMO 基站天线数较少 （ 4/8 天线），波 束成型效果不够好 • 优势 1 ：借助大阵列波束成型，大幅提升单用户 SINR • 优势 2 ：多用户空分复用，提供多用户复用增益 X 方位角 =0 User0 方位角 =64 度 User1 方位角 =70 度 Y User3 方位角 =135 度 Z User2 方位角 =125 度 大规模 MIMO 天线阵列可有效抑制复用多用户间干 扰，提高多流传输能力 17 Massive MIMO 下单用户体验增益 阵列增益 干扰抑制增益 空分复用增益 天线越多，同向叠加，接收信号 强度越高 TX RX 8 Antennas Pattern beamforming 1 Antenna Pattern 天线越多，波束越窄，相关性低 的流数越多 Beams have lower correlation 天线越多，波束越窄，干扰更 小，且通过协同，干扰可控 8TRX 16TRX 32TRX 64TRX Coordination 18 5G 特性介绍 -- 上下行解耦 UL & DL Decoupling is using sub3G spectrum as NR SUL (Supplemental Uplink) to improve 3.5GHz UL coverage NR SUL (Sub3G) NR DL (3.5GHz) NR DL & UL (3.5GHz) 1 2 3 1 2 In 3.5GHz UL coverage, all NR UL channels are carried in 3.5GHz 3 When UL & DL Decoupling enabled: • NR PRACH, PUCCH & PUSCH carried in NR SUL(Sub3G) spectrum • NR 3.5GHz SRS still carried in 3.5GHz • NR Sub3G SRS still carried in NR Sub3G spectrum 19 5G 特性— DC 双连接 LTE 与 5G 联合组网 (Non-standalone ，简称 NSA), 5G 18B 支持 NSA 组网的 Option3/Option3X ， LTE eNB 为主站， NR gNB 为辅站。 5G 基站没有 S1-C ，信令面承载在 LTE ，用户面分流走 4G （ MCG split bearer ）或 者 5G （ SCG split bearer ）。 Option 3 S1 X2 EPC NGC LTE NR X2 EPC NGC LTE NR Option 3X S1-C S1-U 4G-5G DC 是终端与 4G 基站和 5G 基站做双连接，数据在站间分流传输，能够满足以下需求： 4G-5G DC 能充分利用 4G 网络覆盖好以及 5G 频谱资源充裕的特点，使运营商能在现有 4G 网络上快速叠加 5G ，满足快速商用 5G 的需求； 4G-5G DC 能提升宏微组网在理想或非理想传输下用户的性能，满足提升用户峰值吞吐率的需求； 4G-5G DC 能避免宏微、微微间移动时导致的频繁切换及切换时的业务中断，满足提升用户体验的需求。 MeNB (LTE) PDCPLTE RLCLTE MACLTE SgNB (NR) PDCPLTE RLCNR MACNR S1-U or NG-U Xx RLCLTE MeNB (LTE) PDCPLTE RLCLTE MACLTE SgNB (NR) PDCPNR RLCNR MACNR S1-U or NG-U Xx RLCLTE 20 5G 特性— DC 双连接 LTE Anchor ， EPC eLTE Anchor ， New Core NR Anchor ， New Core Option 3[18B] S1 X2 NR Non-StandAlone EPC NC LTE NR EPC NC LTE X2 EPC NC LTE NR Option 3a Option 3X[18B] S1 S1 EPC NR EPC NR NC NC Option 7 Option 7a eLTE EPC NC NR eLTE Option 4 S1-U EPC NC NR eLTE Option 4a eLTE S1-U Ng Xn Ng Ng-U NR StandAlone X2-C NR phase 1.1 Legend User Plane Control Plane phase 1.2 (new core) EPC NR NC Option 7X eLTE Ng Xn Xn-C Ng-U 5G NSA gNB would support 5G SA without any H/W changing. 21 目录 1 5G 总体介绍 2 5G 网络架构 4 网络规划 5 路测方案 3 5G 特性介绍 22 5G 网络规划和 4G 网络规划的差异、面临的挑战 Massive MIMO 和 Flexible Duplex 将改变 传统网络规划方法  Massive MIMO  MM 覆盖 / 容量仿 真建模  场景化 MM 波束 设计