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5G系统观简介
- 1、通信演变与启发
- 移动通信面临的现实问题
- ITU在2015年发布的5G关键性能指标:
- 未来发展趋势
- 2、系统观-从生活到技术
- 开机-搜网、同步、系统消息接收
- 搜网
- 同步(下行同步)
- 系统消息接收
- NAS层确定PLMN
- 小区驻留
- 开机-随机接入
- 随机接入
- RRC建立连接
- 注册
- 玩手机
- 寻呼
- 何地
- 何时
- 何人
- 建立连接
- 数据调度
- 1. DCI(Downlink Control Information)概述
- 2. DCI中PDSCH时频资源分配信息
- 3. 从DCI解析PDSCH时频位置的步骤
- 1. **解析频域资源分配(FDRA)**
- 2. **解析时域资源分配(TDRA)**
- 3. **确定时隙(Slot)位置**
- 4. **获取调制编码方案(MCS)**
- 5. **解码PDSCH资源分配**
- 4. 形象解释
- 5. 示例
- 总结
- 3、能力核心-物理层
- 资源结构-时域
- LTE帧结构特点
- 5G的技术改进
- 示例描述:
- 情景设定:
- 具体步骤:
- 时隙内的时序安排:
- 形象解释:
- 关键点:
- 适用场景:
- 资源结构-频域
- 初始接入
- 随机接入
- 系统消息接收
- Preamble发送(Msg1)
- 随机接入响应RAR接收(Msg2)
- UL发送(Msg3)
- 竞争解决(Msg4)
- 寻呼
- 4、控制大脑-高层
- 空口协议栈
- MAC层-系统的调度师
- RLC层-系统的快递打包员
- PDCP层=系统的防火墙
- SDAP-系统的需求对接员
- 信道和承载
- 信道
- 承载
- 物理信令,RRC信令、NAS信令和MAC CE
- 物理信令
- MAC CE
- RRC信令
- NAS信令
- 关系和区别
- RRC层-系统的大脑
- 被动控制-系统消息
- on demand SI
- 主动控制-RRC流程与消息
- 新RRC状态INACTIVE
- 新的位置管理和寻呼机制
- 5 创新基地-核心网
- 从接入网走向核心网-接口与状态
- 接入网架构
- 核心网架构的演变
- 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
- 支持基于Qos flow的服务质量体系
- 网络切片技术
- 多用户面锚点
- 本地数据网络(LADN)
- 移动性限制
- 为物联网而生:MICO模式
- 移动图案
- 6 总结
- 开机,玩手机经过的过程
- 开机
- 玩手机(连接态)
- 物理层-能力核心
- 时频资源结构
- 初始接入
- 随机接入
- 寻呼
- 控制大脑-高层
- 空口协议栈
- 物理层
- MAC层-系统调度师
- RLC层-系统的快递打包员
- PDCP-系统的防火墙
- SDAP-系统的需求对接员
- 信道和承载
- 物理信令,RRC信令,NAS信令,MAC CE
- RRC层-系统的大脑
- 主要功能
- 系统消息和流程与消息
- 新RRC状态-INACTIVE
- 新的位置管理和寻呼机制
- 创新基地-核心网
- 接入网走向核心网-接口与状态
- 接入网和核心网架构演变
- 网络切片技术
- 多用户锚点
- LTE与5G NR的一些区别
1、通信演变与启发
2017年3GPP发布5G release 15
移动通信面临的现实问题
(1)信道的不确定性,导致信道传输能力可变
(2)多用户且资源受限
(3)可管可控运行需求
(4)业务的多样性
(5)移动的特征,导致位置与信号质量可变
ITU在2015年发布的5G关键性能指标:
- 用户体验速率-100Mbps
- 流量密度:10Mbit/s/m2
- 峰值速率-20Gbps
- 连接数密度-1百万/Km2
- 时延-1毫秒级
- 移动性-500Km/h
未来发展趋势
- 无处不在
- 统一与包容
- 借鉴与融合
- 垂直行业
2、系统观-从生活到技术
开机-搜网、同步、系统消息接收
开机后一个动作是搜网、同步和系统消息接收
搜网
手机开机,只知道频段,需要找到一个可能存在网络的位置,采用的方法是盲搜,搜到一段频谱发现有能量,认为这个地方可能存在一个可用的网络。
同步(下行同步)
OFDM是一个严格的同步系统,第二件事就是和网络同步,把时间对齐之后,才可能从网络接收数据。UE知道什么时候收到基站的数据。
同步步骤
步骤 | 目的 | 实现方法 |
---|---|---|
符号定界(Symbol Timing Synchronization) | 确定OFDM符号的开始位置,确保正确提取每个符号 | - 相关性检测:使用导频信号或前导符号进行自相关或交叉相关检测 - 循环前缀检测:检测符号的重复部分 |
载波频率偏移估计和校正(Carrier Frequency Offset Estimation and Correction) | 消除发射和接收端之间的频率偏移导致的信号失真 | - 前导符号法:利用前导符号中的已知频率成分估计频率偏移 - 导频子载波法:利用导频子载波估计频率偏移 |
相位同步(Phase Synchronization) | 消除相位噪声和相位误差,确保正确解调 | - 相位锁定环(PLL):追踪和校正接收信号的相位偏差 - 导频信号法:使用导频信号测量和校正相位 |
帧同步(Frame Synchronization) | 确定数据帧的边界,确保正确解码帧中的数据 | - 前导符号法:检测前导符号确定帧的起始位置 - 帧头法:检测帧头实现帧同步 |
系统消息接收
通过系统消息接收获得网络最基本的配置,接收MIB消息(最重要的系统消息,比如带宽),次重要的SIB1,SIBX等。到此物理层的动作就结束了
NAS层确定PLMN
在系统消息接收过程中触发NAS层的一个PLMN选择,PLMN(公共陆地移动网络ID)能全球唯一确定这个网络所属国家,运营商,何种网络,这样可以确定这个网络是不是可行的。
小区驻留
确定在哪个小区驻留,需要连接到哪一个基站,即选择接收到信号最好的小区进行驻留,涉及到RRC层动作,它是在进行完PLMN选择触发RRC层的cell选择,选择出一个小区进行驻留。
开机-随机接入
随机接入
随机接入作为一个载体,可以实现UE和网络的信令连接的建立,本身对于物理层来说,还有一些功能:上行同步(UE知道什么时候发送数据基站能够接收),完成上行功率控制,上行资源分配,无线临时标识分配(RNTI,基站后续的信令能以此作为标识来发送给终端)。
RRC建立连接
终端要通过基站与核心网建立连接,第一个步骤和与基站建立连接,在随机接入过程中的第三个信令Msg3中携带的一个RRC的消息即RRC连接建立请求,触发的一个UE和基站直接的RRC连接建立。
注册
接下来和核心网建立连接,并且交互消息完成注册,在RRC建立请求中的最后一个信令即RRC建立完毕其中包含NAS层的一个消息注册请求,通过这个消息,核心网为终端进行注册,验证终端可靠性,建立安全机制,并且为其建立数据面的一个通道等等。
整个开机流程
手机开机后,首先搜网,搜索有用的网络,之后进行下行同步,即手机需要知道什么时候收到基站的数据,之后进行系统消息接收,即需要知道网络基本的配置,至此物理层行为结束,在系统消息接收过程中会触发NAS层进行PLMN选择,然后触发RRC层进行小区驻留,即选择接收信号最好的小区。
之后,手机会进行随机接入,完成上行同步,上行功率控制,上行资源分配等。之后手机首先要与基站进行RRC连接,在RRC建立请求的最后一个信令,有消息注册请求,触发核心网为终端进行注册,验证终端可靠性等。
完成开机流程后,如果没有业务需求,终端会进行RRC IDLE或INACTIVE状态,如果有业务需求,终端会进入RRC CONNECTED状态进行数据传输。
有关物理信令,MAC CE,RRC信令,NAS信令和RRC INACTIVE状态在第四章。
玩手机
UE和网络都做好了接收/提供服务准备,有业务到来后,便会涉及到一系列行为,第一步就是要找到该业务服务的终端,也就是寻呼,需要三个信息何时何时何人
寻呼
何地
处于IDLE/INACTIVE态的终端没有和网络建立信令连接,网络不知道终端的准确位置,需要知道终端的一个大致位置来进行寻呼。有两种位置管理方法。
一个是LTE中的周期性更新,有固定的周期向核心网报备基站的位置信息;另一个是5G NR中的移动性更新,在RA(注册区域, 可能是许多个CELL)内部移动不需要向核心网报备,离开该RA去往另一个RA就需要进行位置更新。这两种位置更新都是NAS层的动作,和之前的过程基本一样,基于物理层的随机接入过程去发起RRC连接,在RRC连接建立的过程中再发起一个周期性/移动性注册.
何时
同样因为IDLE/INACTIVE态特性,终端不会一直去监听寻呼消息,他只会在一个DRX周期里面,非连续的周期性去监听网络,所以网络需要知道什么时候给终端发寻呼消息能够被接收,这里涉及到寻呼系统帧(PF)和寻呼时机(PO)两个概念,PF是在大尺度上表示我们在哪个系统帧里面寻呼消息,PO告知在哪一个子帧甚至是在哪一个具体的时频资源块里面有寻呼消息。PF 和 PO 的计算同样是涉及多层合作的一个过程。
首先从物理层接收系统消息获得当前系统帧的序号SFN,通过RRC层获得系统给我配置的寻呼帧和寻呼时机相关的参数,根据NAS层获得终端的一个ID,通过这三个东西就能计算出最终的PF和PO,就能知道何时寻呼。
何人
对于物理层来说,无论是用户数据还是RRC信令还是NAS信令,对它来说都是数据,并不知道其中的内容和含义,对于网络层发来的paging,需要物理层在监听网络的时候能完成分辨是paging消息和分辨是否有paging消息,这涉及多层合作的过程。
paging消息识别:UE根据加扰DCI的特定临时标识符(P-RNTI)。首先物理层会在PO内监听调度信息,即下行物理控制信道PDCCH里面的DCI,paging的DCI会包含几个特殊的格式告诉物理层,物理层就能识别出这个paging消息。然后在PDSCH中解调出paging消息传递给高层。
UE识别:高层RRC解析这个paging消息,并且根据更高层NAS层给出的UE ID去验证该paging消息中是否有给本UE的paging消息。
此时UE已经知道网络侧有消息要发来,下一步便建立连接。
注:
在无线通信中,DCI(Downlink Control Information,下行控制信息)是由基站(gNB 或 eNodeB)在下行链路上发送的一种控制信号,用于指示用户设备(UE)如何接收和解码随后的数据传输。DCI 在物理下行控制信道(PDCCH)上传输,是一种包含调度信息的信令,用于控制资源分配、调制和编码方案等。
建立连接
建立连接的过程如下图所示:
基于物理层的随机接入过程去发起RRC连接,在RRC连接建立的过程中包含一个服务请求的过程(NAS层信令)。这个NAS信令由终端发给基站,再由基站透传给AMF,AMF收到后为终端和UPF建立PDU会话,这样就可以传输数据。
数据调度
因为基站会服务于多个终端,终端需要知道当前的数据调度是否是发给自己的,即自己的数据是放在哪一个时频资源上发送的。
首先监控物理层下行控制信道PDCCH,获得基站即将为我们发送数据的资源的位置,通过 Search Space 和 CORESET 这两个参数来联合指示监控位置,在监控位置检测到PDCCH之后,根据UE的标识符RNTI(之前所说的随机接入过程的其中一个作用就是无线临时标识分配,此处就是第二步建立连接时随机接入过程分配的标识)去解扰验证,如果解扰成功,则认为是发给自己的PDCCH。
监听到了 PDCCH,就能获得 PDSCH(承载基站发送的用户数据) 的调度信息,找到 PDSCH 的时频位置,从而完成数据接收,具体的指示方式如图10所示:
这个调度信息会指示在多少个slot之后,在哪一个时频资源中放着自己的数据,这样就完成了数据接收的全部过程。
在5G NR(新无线电)中,PDSCH(物理下行共享信道)的时频资源分配信息是由PDCCH(物理下行控制信道)上的DCI(下行控制信息)来指示的。通过PDCCH上获得的DCI,我们可以解析出PDSCH的时频位置。下面详细介绍如何从DCI中获取PDSCH的时频位置。
1. DCI(Downlink Control Information)概述
DCI是一种下行控制信息,用于指示PDSCH的资源分配、调制编码方案(MCS)、HARQ信息等。DCI有多种格式,其中常见的用于PDSCH资源分配的格式是DCI格式1_0
和DCI格式1_1
。
2. DCI中PDSCH时频资源分配信息
DCI中指示PDSCH时频资源的字段主要包括以下几项:
-
频域资源分配(Frequency Domain Resource Assignment, FDRA):
- 指示PDSCH在频域上的资源分配情况,即使用哪些资源块(RB)。
- 由RB索引和分配类型来确定。常见的两种分配类型是Type 0和Type 1:
- Type 0:通过位图指示每个子载波是否被分配。
- Type 1:通过起始RB索引和RB个数来指示分配情况。
-
时域资源分配(Time Domain Resource Assignment, TDRA):
- 指示PDSCH在时域上的资源分配,即使用哪个符号时隙。
- 通过指示相对的起始符号和分配长度来确定时域资源。
-
传输时间间隔(Transmission Time Interval, TTI):
- 指示PDSCH在哪个时隙(slot)传输。
-
HARQ进程号:
- 指示PDSCH使用的HARQ进程号,用于重传调度。
-
MCS(调制编码方案):
- 指示PDSCH数据使用的调制类型(如QPSK、16QAM、64QAM等)和编码速率。
3. 从DCI解析PDSCH时频位置的步骤
1. 解析频域资源分配(FDRA)
- 获取起始资源块(Start RB)和资源块长度(RB Length)。
- 如果是Type 0分配方式,读取位图(bitmap)来确定每个RB是否被分配。
- 如果是Type 1分配方式,通过
起始RB + 分配的RB数
来确定频域上的资源位置。
2. 解析时域资源分配(TDRA)
- 从DCI中提取时域资源分配字段,如
起始符号
和符号长度
。 - 确定PDSCH在哪些OFDM符号中进行传输。例如,如果起始符号为2,长度为12,那么PDSCH将在第2到第13个符号中进行传输。
3. 确定时隙(Slot)位置
- DCI会指示PDSCH所在的相对时隙,可以通过子帧号和时隙号来计算具体位置。
- 对于动态调度,PDCCH所在时隙和PDSCH时隙可能不一样,要根据DCI中的信息(如K0)计算PDSCH相对于PDCCH的时隙偏移量。
4. 获取调制编码方案(MCS)
- 从DCI中读取MCS字段,确定PDSCH的数据速率和调制方案。
- MCS字段通常会映射到一个MCS表,用来查找调制类型和编码速率。
5. 解码PDSCH资源分配
- 根据频域和时域资源分配信息,以及调制编码方案,解码出PDSCH的具体资源单元(Resource Element, RE)位置。
4. 形象解释
可以将DCI视为一种“资源分配表”,它告诉基站和终端如何在“时间-频率”二维平面上使用资源,就像一张“座位分配表”告诉我们在不同时间、不同区域如何安排座位。
- 频域资源分配:告诉你在哪些“座位区域”(资源块)使用。
- 时域资源分配:告诉你在什么“时间段”(OFDM符号)使用。
- 时隙信息:告诉你在哪个“时隙”进入会场。
解码这些信息后,你就知道了PDSCH在哪个“时间段”和“频率区域”内传输数据。
5. 示例
假设DCI中有如下信息:
- 频域资源分配(FDRA):起始RB = 10, RB数 = 20(即第10到第29个RB)。
- 时域资源分配(TDRA):起始符号 = 2, 长度 = 12(即第2到第13个OFDM符号)。
- 时隙偏移量(K0):3(即相对于PDCCH所在时隙后3个时隙)。
- MCS:12(查表确定使用16QAM,编码速率为0.45)。
因此,PDSCH将在频域上第10到第29个RB,时域上第2到第13个符号,以及PDCCH时隙后3个时隙中传输数据。
总结
通过PDCCH上的DCI,我们可以准确地获取PDSCH的时频资源分配信息,从而正确地解码和处理PDSCH上的数据。这些信息对于无线通信系统的资源调度和信道管理至关重要。
若业务由UE触发,则整个流程从随机接入开始
若业务由网络触发,则整个流程从paging开始。
若由网络触发,首先确定位置信息和PF/PO来进行CN/RAN paging;
当终端监听到paging,确定是否是发给自己的寻呼(通过解扰RNTI);
验证成功之后,RRC层会触发一个随机接入过程,触发终端与基站进行RRC连接;
基站透传NAS信令携带的服务请求,AMF收到请求后为终端和UPF建立PDU会话,就可以传输数据;
终端监听PDCCH消息,来确定PDSCH所在时频位置最后获得要发送给自己的数据。
3、能力核心-物理层
物理层是接入网的最底层,但是它是5G能力的核心,物理层和核心功能是适配传输介质的特征,对高层信令或数据实现无差别且高效的传输。
资源结构-时域
在移动通信中帧表示物理层的时域资源的调度组织单元。
LTE帧结构特点
(1)资源调度最小单位是一个子帧(1ms),无论数据多少,都以1ms为单位进行传输,灵活性差
(2)固定可选的子帧结构较少,仅支持7种标准化的上下行子帧比例,无法灵活匹配不同带宽,时延需求的业务
5G的技术改进
(1)以slot甚至是OFDM符号作为资源调度的最小单位,支持5种子载波间隔(子载波间隔与时域单位的符号长度成反比)。
(2)5G 以 Slot 甚至是 OFDM 符号为单位来分配上下行资源比例,颗粒度更小,灵活性更大。协议通过DCI信令来灵活的调整上下行资源比例并预定义了55种标准化结构(协议预留最高支持 254 种结构)。协议支持利用 Cell specific 和 UE specific 的 RRC 信令来进一步自定义UE上下行子帧比例
LTE时延的一个很重要的来源就是ACK/NACK反馈的时延,在5G中将子帧进一步划分成slot,自然出现slot based方案将这种时延降低了一个数量级,但是这仍然存在调度和传输/传输和反馈必须是错开(处在不同的slot),导致较大的时延。
为了降低调度,数据发送和ACK/NACK反馈之间的时延,可以将调度部分,数据部分和反馈信道包含在一个slot内,进而极大降低时延;
为了进一步支持小数据包的低时延传输,5G允许数据部分在slot的任意位置(任意OFDM符号编号)发起,这占用部分slot资源。
如何理解:
在5G系统中,为了减少时延,可以将数据发送和反馈信息放在同一个时隙(Slot)内。我们可以通过一个具体的例子来说明这一点。
示例描述:
假设有一个5G NR系统,时隙长度为14个OFDM符号。基站(gNB)向用户设备(UE)发送一个小数据包,并希望在同一个时隙内收到UE的反馈(ACK/NACK)。
情景设定:
- PDCCH(物理下行控制信道):用于调度信息的下行控制信道。DCI(下行控制信息)在这个信道上发送,指示UE在哪个符号接收数据。
- PDSCH(物理下行共享信道):用于实际数据传输的下行信道。
- PUCCH(物理上行控制信道):用于传输UE的控制信息,如ACK/NACK反馈。
具体步骤:
-
时隙配置:
- 假设时隙中有14个OFDM符号,编号为0到13。
-
调度信息(PDCCH):
- 基站在第0个符号通过PDCCH发送调度信息(DCI),告诉UE在第2个符号开始接收数据,数据长度为4个符号。
-
数据发送(PDSCH):
- 基站在第2到第5个符号上发送PDSCH数据给UE。
- 这个数据包可能是一些小的用户数据,比如短消息、控制命令等。
-
反馈(PUCCH):
- UE在第10个符号上通过PUCCH发送ACK(确认)或者NACK(否认)反馈,告诉基站数据是否接收成功。
时隙内的时序安排:
符号编号 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
信道 | PDCCH | - | PDSCH | PDSCH | PDSCH | PDSCH | - | - | - | - | PUCCH | - | - | - |
- 第0符号(PDCCH):基站发送DCI调度信息。
- 第2到第5符号(PDSCH):基站发送实际数据包。
- 第10符号(PUCCH):UE发送ACK/NACK反馈。
形象解释:
-
在一个“会议室”内的交流:
- “会议室”(时隙)有14个座位(OFDM符号),基站和UE在同一个“会议室”内进行交流。
- 在第0个座位上,基站说:“在第2个座位上我会给你一些数据”。
- 在第2到第5个座位上,基站交给UE一些文件(数据包)。
- 在第10个座位上,UE说:“我收到了文件”(ACK)或者“我没有收到”(NACK)。
-
传统的分离时隙方法:
- 如果不在同一个时隙中传输反馈,基站需要等到下一个“会议室”(下一个时隙)才能听到UE的回应,这就延迟了整个过程。
关键点:
- 时延减少:将数据发送和反馈放在同一个时隙中,使得基站可以在数据发送后很快得到UE的反馈,无需等待下一个时隙,大大减少了时延。
- 灵活调度:5G NR允许在时隙内灵活调度数据和反馈的位置,从而更好地适应不同类型的业务需求,特别是对低时延和高可靠性有严格要求的场景。
适用场景:
这种安排特别适用于以下情况:
- URLLC(超可靠低时延通信):工业自动化、远程医疗等需要极低时延的场景。
- 小数据包传输:如物联网设备上报状态、短消息等。
通过这个具体的例子和形象解释,相信可以更好地理解在同一个时隙中安排数据发送和反馈的策略。
资源结构-频域
5G把带宽从LTE的20MHz增加到了5G NR单载波的100MHz,这样就遇到了能耗问题,在LTE中,终端会全频带监听信道,而对于射频,能耗和通道带宽是成正比的,所以在5G中引入了部分带宽技术(Bandwidth Part,BWP)
部分带宽允许给UE配置多个DL BWP和UL BWP,所谓BWP就是当前工作的实际带宽,这个实际带宽可以小于系统带宽。用户的BWP可以根据需求进行灵活调整,5G支持使用RRC信令、PDCCH物理层信令、定制器和随机接入过程来更新BWP设置,支持不同应用场景和切换速度,这样可以灵活的调整终端监听信道的能耗。
初始接入
初始接入和用户体验是强相关的,首要的设计目标就是速度,要最快的接入网络。
在LTE FDD的初始接入中,同步信号(SSS,PSS)是分布在10ms的帧的第0个帧和第5个子帧中,接收的系统消息其中最主要的MIB消息是分布在40ms的周期内发送4次
这样的设计是串行的,要先完成同步再进行系统消息接收,这会带来一定的时延。5G中引入了SSB的结构,将物理广播信道和同步信道融合在一起发送。
SSB概述
由于高频的采用,5G NR需要采用beam forming(波束赋形)的方式来弥补高频覆盖能力的不足,然后以波束成形的方式完成360°的覆盖发送,有关SSB的发送机制如下所示:
随机接入
随机接入要保证的核心思想是随机,即提供所有用户公平的接入机会。
随机接入过程
系统消息接收
获得随机接入过程中的配置信息,比如 RACH Occasion 配置和 Preamble 序列配置,获得 SSB Index 和 RACH Occasion 的对应.
配置 | 作用 |
---|---|
RACH Occasion | 指RACH信道可用于发送随机接入前导(Preamble)的时间和频率资源。网络(gNB)通过广播或专门的RRC(Radio Resource Control)信令告诉UE在哪些时隙和子载波上可以发送随机接入请求。 |
Preamble 序列配置 | Preamble 是UE发送到网络的一个特殊信号,用于开始随机接入过程。Preamble是一个已知的短序列,网络通过检测这些序列来识别并响应UE的接入请求。网络配置并向UE指示了哪些Preamble序列可以用于随机接入。这些配置包括Preamble的长度、格式、以及可用的Preamble索引范围。 |
SSB Index 和 RACH Occasion 的对应 | RACH Occasion 与 SSB Index 的对应关系 是指每个SSB Index(即每个同步信号块)与特定的RACH Occasion(随机接入机会)之间的映射关系。通过这种映射,UE可以知道它应该在特定的SSB Index下使用哪个RACH Occasion来发送Preamble。 |
Preamble发送(Msg1)
根据配置,找到与自己接收的SSB Index对应的发送Preamble资源,并发送随机接入前导,发送的Preamble隐式的包含特性的RA-RNTI。
随机接入响应RAR接收(Msg2)
基站用RA-RNTI加扰发送的PDCCH,UE盲检PDCCH获得PDSCH调度信息,成功解码随机接入响应RAR(Random Access Response),并验证Preamble index的一致性。RAR中包含TA,功控指令Msg3资源,Preamble index,MCS及 Temporary C-RNTI。
RAR 是基站(gNB)在接收到UE发起的随机接入请求(Preamble)后,通过下行链路发送给UE的响应消息。RAR 包含了 UE 继续接入网络所需的关键参数。
内容 | 含义 |
---|---|
TA时间提前 | TA 指令用于调整 UE 的上行传输时间,以确保 UE 的上行信号能够在正确的时间到达基站。这对于同步是至关重要的,特别是在TDD(时分双工)系统中。 |
功率控制指令 | 基站会在RAR中给出功控指令,指导UE调整发射功率,确保上行链路的信号质量合适,不会过高(干扰其他UE)或过低(无法被基站正确解码) |
Msg3资源 | UE 用于发送初始RRC连接请求的消息。RAR 为 Msg3 的传输提供了资源分配信息,包括时间和频率资源,以及上行调度信息。 |
Preamble Index | 基站在RAR中包含这个索引,以便UE能够确认该响应是对其请求的响应。UE通过验证这个索引的一致性,确保自己接收到的是正确的RAR。 |
MCS | RAR 中还包含了 Msg3 使用的调制和编码方案(MCS),指示 UE 应使用的调制方式(如 QPSK、16QAM 等)和编码率。 |
临时C-RNTI(Temporary C-RNTI) | 用于区分小区内不同的UE。RAR中分配的临时C-RNTI用于在随机接入过程中标识UE,直到UE获得一个永久的C-RNTI。 |
UL发送(Msg3)
用Msg2中指示的资源发送Msg3,其中包括此次随机接入的高层消息,比如RRC连接建立请求。
竞争解决(Msg4)
如果两个终端发送同样一个随机接入前导就有可能发生碰撞,UE用Temporary C-RNTI(用临时分配的身份标识符去区分冲突的终端)监控PDCCH,若检测到PDCCH,成功解码对应的PDSCH,并存在匹配的MAC CE,则成功接入。
随机性体现在哪些方面
- 终端发起随机接入的时间是随机的
- 基站会在系统消息中为每一个终端配置一系列可以用作发送Msg1的时频资源,发送时终端会随机选择一个进行发送
- 随机接入前导是终端随机选择的
只有当随机接入时机一样,使用的接入Occasion一样(意味着RA-RNTI一样),而且选择的Preamble一样,才会发生冲突。冲突发生则需利用Msg4来解决。
寻呼
寻呼过程的设计目标:结合UE的DRX配置提供匹配的寻呼时刻;
考虑省电,不要监控过多资源给所有UE提供均匀,公平的寻呼机会。
寻呼时机的计算:不需要基站和网络间实时信息交互(自助的形式)
下面是PF和PO的具体计算方法
两个公式分别的作用是:
(1)将不同 UE 的 PF 均匀的分布在 N 个 PF 中,且 N 个 PF 也均匀的分布在 DRX 周期 T 内。
(2) 不同 UE 的 PO 被均匀的分布到不同的 PO 中。
这就导致终端不需要太频繁去监听网络,所有终端监听 PO 的时机都是均匀的,要在这些 PO 上发送
寻呼消息的负载也是均匀的。
注:
DRX(Discontinuous Reception,非连续接收) 是移动通信系统中用于节省用户设备(UE)电池电量的一种节电机制。通过DRX机制,UE可以在不需要频繁监听网络下行信号的情况下节省电力,仅在特定的时间间隔内(即DRX周期)监听网络的下行控制信道,以接收可能的寻呼信息或其他调度信息。
4、控制大脑-高层
空口协议栈
分为用户面和控制面
层2的整体功能是适配,对下:适配物理层的传输介质,物理信道发生变化,层2需要根据变化给物理层映射合适大小的数据块,调整调制编码格式。对上:适配更高层协议栈,屏蔽高层的特征,专注为底层提供服务。
层3的整体功能是控制,即控制面的RRC层(无线资源控制),作用就是控制基站用作控制终端的一个行为,并且协助核心网对终端进行控制。
MAC层-系统的调度师
核心作用是将来自高层多个信道(应用)的数据复用,并映射到物理层传输
RLC层-系统的快递打包员
将高层的数据包处理成MAC层需要的大小
PDCP层=系统的防火墙
总的来说,PDCP层一方面屏蔽了空口协议对高层的影响(可靠性,安全性,保密性),另一方面也屏蔽了高层对空口的影响(头开销),所以说起到了两个体系直接防火墙的作用。
SDAP-系统的需求对接员
SDAP层是5G NR新加入用户侧的一层,在终端和核心网有部署,基站层没有这一层,将核心网的Qos特征转化并映射到空口。
将核心网传过来的Qos flow映射成为空口上传输的无线承载
信道和承载
信道
发射端和接收端的物理层之间的信道 | 物理信道 |
---|---|
物理层到MAC层 | 传输信道 |
MAC层到RLC层 | 逻辑信道 |
PDCP层到SDAP层 | 无线承载 |
信道分为:物理信道、传输信道和逻辑信道
逻辑信道关注的是传输的内容和类别,可分为控制逻辑信道和业务逻辑信道。
- PCCH(Paging Control CHannel, 寻呼控制信道):承载寻呼信息
- BCCH(Broadcast Control CHannel, 广播控制信道):承载所有的广播信息
- CCCH(Common Control CHannel, 公共控制信道):承载公共的控制信令
- DCCH(Dedicated Control CHannel, 专用控制信道):承载特定的控制信令
- DTCH(Dedicated Traffc Channel, 专用业务信道):就是用户的数据
传输信道:MAC层会把逻辑信道映射到物理层,这个就是传输信道。比如PCCH在MAC的控制下映射到PCH上。传输信道关注数据如何传输的问题,定义了空口中数据传输的方式和特征。通过形成传输块,不同类型的传输信道对应空中接口上不同信号的基带处理方式:比如调制编码方式,交织方式,冗余校验方式,空间复用方式等。
物理信道:物理信道关注高层信息在无线环境中实际传输的方式。比如时隙、子帧、时间、子载波、频率、天线端口、空间等,即怎么在物理的时频资源上传输,怎么去映射的问题。物理信道和信号有很多,比如SSB是一个物理信号,PDCCH是下行物理信道,PDSCH是下行的共享信道。
承载
承载其实就是“用于传输具有某相似Qos特征的一个或多个业务数据流的逻辑通路”,将类似特征的Qos(吞吐量、延迟抖动、延迟、丢包率等方面获得预期服务水平所采取的一系列技术的集合)据归为一类(一个承载),从而使用一致的处理策略。
NR中唯一有一个承载概念就是指空口,基站与终端之间的这个通道是用承载的概念去表示的,即SDAP层到PDCP层之间的通道
无线侧的承载就称为无线承载,它分为 SRB(Signalling Radio Bearers, 控制无线承载)和DRB(Data Radio Bearers, 数据无线承载),SRB承载的是传输的信令,DRB承载的是传输用户的数据。
SRB 又分为 SRB0、 SRB1、 SRB2、 SRB3,分别会传输不同的内容。
物理信令,RRC信令、NAS信令和MAC CE
物理信令
物理层之间传输的信令,发射端物理层产生,映射到物理时频资源上,PDCCH中承载的是DCI(Downlink Control Information),包含一个或多个UE上的资源分配和其他的控制信息,由物理层产生DCI,映射到物理信道PDCCH上去,传输到对端,对端物理层解析内部的内容,就可以直接使用了。
总结:物理层信令由基站侧或是终端侧物理层产生完成编码,PDCCH/PUCCH直接映射到由 CORESET 和 Search Space 联合定义的物理资源。UE侧物理层盲检PDCCH解析后获得DCI.
MAC CE
MAC CE即MAC Control Element,MAC 层控制元素,它是由MAC层来编码产生的,需要注意的是,MAC CE层的控制信令传输给物理层的时候,物理层会把它当做是用户数据映射到PDSCH传输,它不会解析里面的内容,只负责传输,依据 PDCCH的调度计划映射到PDSCH的时频资源上去传输,对端监听PDCCH的调度信息,获得PDSCH的具体时频域位置,解调下来递交给MAC层解析
可以看成是发送端和接收端的MAC层之间直接的信令交互,当然是通过物理层透传的。
RRC信令
处理方式与MAC CE类似,由高层RRC产生,产生之后通过L2的所有子层进行处理,比如无线承载,RLC层分段拆成合适的大小等,给MAC层进行复用,最终映射到物理层,同理,物理层也把其当做用户的数据映射到PDSCH,最终接收端上交RRC层进行解析处理。
NAS信令
NAS层叫做非接入层,基站层其实并不存在NAS层,NAS层是核心网和用户之间信令交互的一个协议层。
如果是下行NAS信令,由核心网控制面节点AMF产生,然后通过核心网与RRC层的信令通道传给基站层的RRC层,然后由RRC层透传给终端,基站把NAS层的信息打包到RRC信令中,经过L2传输给物理层,同样当做用户数据映射到PDSCH中传递给对端,然后接收端上交给NAS层进行解析。
关系和区别
对物理层来说,会把用户的数据和用户的信令分开去映射,但所有的高层信令(RRC信令,NAS信令,MAC CE)物理层会将其当做用户数据映射到PDSCH中。NAS信令是嵌套在RRC信令内部传输给UE的,RRC信令和MAC CE分开被物理层映射到PDSCH中。
信令 | 物理信令 | MAC CE信令 | RRC信令 | NAS信令 |
---|---|---|---|---|
定义 | 基站与UE之间,透过物理层直接交互的信令。 | 基站与UE之间,透过MAC层交互的信令。 | 基站与UE之间,透过RRC层交互的信令。 | 核心网与UE之间,透过NAS层交互的信令。 |
承载信道 | PDCCH/PUSCH | PDSCH/PUSCH | PDSCH/PUSCH | PDSCH/PUSCH |
资源位置 | 根据CORESET和Search Space定义的位置,直接映射到物理资源。 | 以MAC-PDU形式,直接映射到PUSCH上的物理资源。 | 和用户数据一起映射到PDSCH和PUSCH上的物理资源。 | 包含在RRC信令中通过基站发送的NAS层信令。在接入网络时映射到PDSCH上的物理资源。 |
作用 | 资源分配、功率控制、MCS等。 | 上行同步调整、DRX周期调整、SCell激活/去激活、Bitmap形式等。 | 无线资源管理、连接管理、移动性管理、等多种参数的配置。 | NAS层程序控制,采用ASN.1编码。 |
特点 | 物理层解析,微秒级、Bitmap形式。 | MAC解析,毫秒级、Bitmap形式。 | RRC层解析,数十毫秒级,采用ASN.1编码。 | NAS层解析,采用ASN.1编码。 |
举例 | DCI、UCI | Timing Advance Command、MAC CE | RRC Connection Establishment | Service Request |
物理层信令传输时延是微秒级,它是由物理层产生,传输并解析,因为物理层信令能够传输的量是有限的,所以用bitmap的形式去发送。MAC CE是由MAC产生并解析,传输时延是毫秒级,同样是以bitmap的形式去映射。RRC信令是由RRC解析,传输时延是数十/数百毫秒级,采用的是ASN.1编码。NAS层信令是NAS层解析,采用的同样是ASN.1编码。
不同信令的承载能力不同,物理层和MAC CE信令,以bitmap形式呈现,能传输的数据量相对少一些,所以相对能实现的功能较少一些。RRC信令和NAS信令是以ASN.1的形式去呈现,可以发送,传输大量的控制信令。
其他,传输时延不同,物理层信令和MAC CE的时延都是毫秒级以下的,而RRC信令和NAS信令就会大一到两个数量级。
RRC层-系统的大脑
RRC层(Radio Resource Control)无线资源控制层,负责UE和基站间的信令交互以实现根据信道状况和需求进行配置调整和合理的资源分配。RRC层是空口协议栈的L3,位于控制面的L2的PDCP子层之上,非接入层NAS层之下。
功能如下:
- 系统广播
- paging
- 连接建立(RRC建立,维护和释放)
- 安全功能(如秘钥管理)
- 承载管理(SRB、DRB的建立、配置、维护和释放)
- 移动性管理(切换、小区选择/重选)
- Qos管理
- UE测量和上报
- 监测和恢复无线链路失败
- NAS消息传递
RRC层协议是整个空中接口的控制大脑,承担了UE和基站之间大部分的控制和反馈工作。我们可以简单的将RRC层协议分成两大部分
首先是系统消息,分为MIB,SIB1和SIBx,其重要性和内容都不一样,无论是什么系统消息,它的作用范围都是cell specific的,即对于整个cell内部所有的UE都是可用的,可以将系统消息看成一种初始配置,针对整个小区内部所有终端的初始配置,以系统消息的形式,在**UE连接到网络前(RRC连接建立前)**通过基站为UE配置的小区级别的公共初始配置来实现对UE行为的间接控制,这种控制没有反馈。
然后是流程与消息,它是动态配置与控制,是当终端连接到网络之后,以RRC消息(RRC流程串联起来的)为形式通过流程中的请求、拒绝、命令,以UE specific配置的方式给UE动态的配置参数来直接控制UE行为。
被动控制-系统消息
系统信息 | 内容 |
---|---|
MIB | 包含 Cell-Barred 状态信息和接收其它系统信息所必需的物理层信息。 |
SIB1 | 定义其它系统信息块的调度信息和初始接入信息。 |
SIB2 | 包含针对 Serving-Cell 的小区重选相关信息。 |
SIB3 | 包含用于 Serving-Frequency 和 Intra-Frequency Neighbouring-cells 的小区重选信息。 |
SIB4 | 包含用于 Other-NR-Frequencies 和 Inter-Frequency-neighbouring-cells 的小区重选信息。 |
SIB5 | 包含用于 E-UTRA-Frequencies 和 E-UTRA Neighbouring-cells 的小区重选信息。 |
SIB6 | 包含 ETWS (Earthquake-and-Tsunami-Warning-System, 地震和海啸预警系统) 主通知。 |
SIB7 | 包含 ETWS 细播通知。 |
SIB8 | 包含 CMAS (Commercial-Mobile-Alert-Service, 商用移动报警服务) 警报通知。 |
SIB9 | 包含有关 GPS 时间和 Coordinated-Universal-Time(UTC) 的信息。 |
MIB消息会包含很多最重要的一些系统消息,会在终端的初始接入时期通过SSB发送给终端。MIB总会映射到BCH上,MIB包含用于获取SIB1的参数。
SIB1也较为重要,会定义除了MIB消息以外最重要的一些列的一些参数,其中就有SIBx的调度消息,SIB1被映射到DL-SCH上。SIB1包含了其他系统消息SIBx是否发送的指示以及调度信息并且指示了SIBx以on-demand的方式还是广播的方式发送。
SIBx:除SIB1之外的其它SIB被映射到DL-SCH上用SI Message的形式传输,只有周期一样的SIBx可以放到同一个SI Message(SI Message由一个或多个SIB组成)上传输。每个SI Message关联一个SI Window。
on demand SI
在LTE中,网络周期性广播系统消息,会造成不必要的信令开销,且会对邻小区产生干扰。
部分5G小区覆盖区域小,大部分时间没有需要读取小区系统消息的UE。
基于这两种原因,5G引入了on-demand的方式,提供单播、广播、单播+广播的形式进行消息发送,并在NR中定义了两种方式可以向网络请求系统消息。
(1)Msg1 请求:当 si-SchedulingInfo 中包含了 si-RequestConfig IE,则 UE 通过在 si RequestConfig 中
配置的 RACH 参数和资源利用 RACH 过程的 Msg1 来请求系统信息。
(2)Msg3 请求:当 si SchedulingInfo 中没有包含了 si RequestConfigIE 时, UE 在 RACH 过程的 Msg3
中携带 RRC 消息 RRCSystemInfoReques 来请求系统消息。
可以看到在 SIBx 周期 1 中前方指示 0,表示没有请求系统消息,所以在发送窗口中就没有发送系统消
息;在 SIBx 周期 2 中通过 Msg1/Msg3 请求了某一个系统消息块,在广播消息中对应于某一个系统消息块
的一个标识符中就指 1 了,然后在发送窗口中就发送了对应的系统消息,终端监听广播消息,发现此标识
符指 1,那就知道了能在对应的窗口中接收到系统消息,这就是 on-demand 的思想。
主动控制-RRC流程与消息
RRC流程可以分三步:请求,流程的主体,以及完成,即Msg1、Msg2、Msg3
在流程的每一个步骤里面都包含了很多IE,这些IE就是基站为终端实现具体的RRC配置,可以实现一些直接的控制,比如通过RRC消息实现RRC连接的建立、修改和释放
基站还可以通过RRC这些消息设置UE specific的IE传输UE特定的配置信息以取代广播信息中相应的配置,在原先的广播配置中配置的是Cell specific,这是一个大而全的配置,没有考虑每一个UE个性的特征,通过RRC连接的这些消息,可以重置部分的配置信息以实现对UE行为进一步的优化。
给出了一些RRC连接控制流程如图:
新RRC状态INACTIVE
在5G NR中引入了一个新的概念叫做INACTIVE状态,这是一个RRC状态,定义了终端的一个行为模式。LTE中定义了两个状态,分别的RRC IDLE和RRC激活态,可以把IDLE状态想象成一个睡觉状态,在这种状态终端可以最大程序减小能耗;激活状态就是工作状态,不去太多考虑太多能耗这个因素,在LTE中这两个状态之间的转换时延是比较大的,通过计算和统计得出这大概是一个50ms左右的时延。
可以将INACTIVE态比作打瞌睡,通俗的想,如果从睡觉状态直接进入工作状态,消耗的时延就会相对较大,如果增加一个打瞌睡状态,从打瞌睡状态进入工作状态时延就会大大降低,这种时延的降低就是进入INCATIVE状态一个很大的因素。
INACTIVE状态兼具IDLE态和激活状态的一些特征:
总体来说,引入INACTIVE的三个好处
- 时延:降低从非激活态到激活态的所需转换时间,并将部分数据发送业务放在非激活态实现,避免状态转换
- 节能:让小数据终端更多得呆在长DRX周期的非激活态从而实现长时间的低能耗状态。在这种能耗下它又有DRX周期可以休眠,又可以很快速的发送数据包。
- 扩容:让小数据终端尽可能呆在非激活态,释放激活态资源。比如物联网终端的特性就可以放在这种状态。
新的位置管理和寻呼机制
RA配置的大,信令开销小,paging寻呼效率低
RA配置的小,信令开销大,paging寻呼效率高
引入新的状态后,配置的位置管理和寻呼机制发生一些相应的变化。在核心网有RA的概念,针对INACTIVE状态在接入网引入新的概念RNA(RANbased Notification Area, 即接入网通知区
域),概念和作用于RA类似,都可能包含一个或多个小区的区域,都可以通过移动性/周期性注册,它只是把注册区域进行了细节的划分,这也是一种位置管理,只不过部署区域是在接入网的基站侧,基于RNA的位置管理是接入网的基站去做的,基于RA的位置管理是核心网AMF去做的
核心网并不会区分终端在RRC的哪一个状态,它只会认为终端在某一基站下面,而如果终端在INACTIVE状态,接入网的基站就会知道UE处于这个状态,从而知道UE在某一个RNA区域。所以在5G NR中对一个处于INACTIVE状态的终端进行寻呼,核心网只会下一个paging消息给这个基站,然后这个基站会根据其对UE位置RNA的掌握把这个消息分发给相对比较少的基站继续寻呼,这样就减少了寻呼的难度。这里牵扯到了两种paging。
-
CN Paging
由AMF发起,它根据其理解终端所在RA的区域,比如RA所在的区域可能有三个基站,它就会把这个paging全部发送给这三个基站,这三个基站就会分别在他们的管辖区域中寻找这个终端,这是LTE中只有的寻呼方式。
-
RAN Paging(Radio Access Network Paging,即接入网寻呼),在NR中,终端如果处于INACTIVE状态,核心网并不区别终端在什么状态,仍然把终端当做IDLE状态,它会把这个paging发给其认为UE所在的基站(这个基站称之为锚基站,Last Serving gNB),锚基站对INACTIVE状态的终端进行位置管理(RNA管理),锚基站再把paging只发送给可能得RNA所在的基站1和2。通过这种方法,寻呼量是减小了的。
两种寻呼的差异
5 创新基地-核心网
5G时代,速度和容量的驱动力在未来发展中的重要性减弱,整个网络会向业务多样性,向垂直行业,向类似AI大数据这种新兴技术融合的这些方向去发展。在这个融合发展的趋势里面,核心网承载着业务编排能力的角色,很多技术都需要核心网进行演进和增强。
从接入网走向核心网-接口与状态
核心网部分指的是运营商后台运营的一些网络,三个重要的核心网节点。AMF是控制面的一个核心节点,SMF是控制用户面的一个控制节点。UPF是用作传递用户数据的用户面节点。
AMF, (Access and Mobility Management Function,接入和移动性管理功能):作为 NGRAN(接入网) 接入 NG-Core(核心网) 的门户,提取了 4G EPC 中分散在 MME、 SGW-C、 PGW-C 提供
的接入控制和移动性管理功能。一些核心功能如下
功能 | 介绍 |
---|---|
移动性管理(MM) | 移动性限制、时间订阅和通知,系统内移动新更新和gNB之间的切换 |
注册管理(RM) | 初始注册、注册更新、去注册、注册区管理、5G-GUTI分配等 |
连接管理(CM) | NAS链接管理、业务请求、寻呼、可达性管理、RRC-Inactive |
用户可达性管理 | 空闲模式UE的可达性,包括:寻呼重传的控制和执行 |
接入管理 | 接入鉴权、接入授权、接入优先级 |
网络切片管理 | 初始AMF选择、AMF重定向、切片修改、会话多切片 |
用户数据管理 | UDM签约 |
核心网和接入网之间会有一些接口进行传输,交互数据或是用户信令。
基站和AMF之间的接口为N2接口
基站和UPF之间的接口为N3接口
RRC 连接有三种状态, IDLE 状态、 CONNECTED 状态和 INACTIVE 状态,其中 INACTIVE 状态是 5G NR 中引入的一种新的类似于打瞌睡的状态,它会带来一些好处和一些随之而来的改动比如 RAN Paging 和 CN Paging 等等。当然 NAS 连接也有两种状态,分别是 CM-IDLE 和CM-CONNECTED 状态,它表述的是终端和核心网 (AMF) 之间的连接是否是断开的。 CM(Connection Management, 连接管理) 状态和 RRC 状态是有一定联系的,当处于 CM-CONNECTED 状态时, RRC 连接要么是 CONNECTED 状态要么是 INACTIVE 状态,也就是说当核心网 NAS 连接处于激活态时,不会区分终端处于CONNECTED 状态还是 INACTIVE 状态,都当作同等情况去对待。
接入网架构
3GPP发布的第一个版本的接入网架构就是NSA(non-standalone, 非独立组网)的版本,后面又陆陆续续发布了SA(standalone,独立组网),这两个概念指的是 5G 的接入网 (支持 5G NR 新功能的接入网被称为 gNB) 和 4G 演进之后接入到 5G 网络的接入网 (NG-eNB)是否可以独立,不彼此依赖而实现独立部署的技术
3GPP在最初定义接入网架构的时候共有7种架构
其中有三种主要的部署场景:
Option3:非独立组网场景,场景适用于还未部署 5G 核心网的网络部署前期;
Option7:非独立组网场景,场景可作为 option3 的后续演进;
Option2:独立组网场景,场景适用于运营商已经完成 5G 核心网部署的网络部署后期;
核心网架构的演变
5G的接入网不再只有一个接入网,在5G NR中通过演进之后的4G基站LTE-RAN 和 NR 技术 5G
RAN 这两个网络统称为 NG-RAN,当然通过 wifi 也可以接入 5G 的核心网,所以也可以看作是 NG-RAN中的一部分。
核心网从4G演进到5G大概有四个重要的变化:
(1)核心网和接入网解耦
(2)用户面和控制面分离
(3)基于服务的网络架构
(4)业务多样性能力增强
核心网和接入网解耦
移动通信技术也许不适用于所有的应用场景,要实现真正的万物互联,需要将技术融合到一起,这就是所谓的接入网和核心网解耦的思想,将所有的通信技术统一到一个技术框架内是通信的一个终极追求。
变化的特征表现在如下几个方面:
(1)移动通信系统支持多种类型的接入网系统,比如支持LTE演进的NG-eNB和5G NR以及WiFi接入到核心网。
(2)接入网提供独立的接入能力
(3)核心网提供统一的汇聚和编排能力
这样就实现接入网和核心网真正的解耦。
用户面和控制面分离
在LTE中,控制面就是MME和PGW的部分功能,用户面就是SGW和PGW的部分功能,显然PGW是同时具备用户面和控制面两个角色的。这样有一些问题
- PGW同时具备用户面和控制面功能
- 用户面有SGW和PGW组成,用户面部署不厚灵活
- MME同时涉及移动性管理和会话管理
- 不利于 SDN(Software Defined Network,软件定义网络)和 NFV(Network Functions Virtualization, 网络功能虚拟化) 等技术
基于上述问题,5G实现用户面和控制面分离,让UPF独立承担用户面功能。SMF专注与用户面UPF一些规则的管理
基于服务的网络架构
农贸市场类似于一个基于服务的网络,里面每个店面都专注于提供某一种服务,也就是提供网元分服务,那么饭店就可能需要几个店面提供的服务来一起支持,也就是接受服务的对象只需要告诉 “总线” 它需要这些服务 (同样通过总线来提供) 来完成一些行为。基于服务的网络架构有着专业,灵活,快速,低成本和可扩展的特性,这个架构为核心网业务提供灵活性
业务多样性能力增强
移动通信网络提供的一个最大的服务就是通信服务,提供人与人之间的通信,随着技术的发展,引入了许多面向机器的服务,比如人与机器、机器与机器之间的服务,类似车联网、物联网、工业制造等等。
支持基于Qos flow的服务质量体系
给不同的业务标记出不同的标签
Qos定义很多指标:资源类型,优先级水平,包延时预算,误包率,平均窗口,最大数据突发量。这些特定的参数组合成各种各样业务需求的一个分类
通过预定义或者自定义的标签,可以将某一种业务划归到某一种类型去(QFI),在转发的过程中针对QFI来进行性能的保护(如承载)就可以了,比如对业务需求为资源类型为 GBR,优先级水平 20,包延时预算 100ms,误包率 10−3,平均窗口 2000ms 这类的业务就可以给一个 1 的 QFI。
用户的数据包从互联网传入移动通信网络后,它会在各个节点之间进行处理,每一个节点处理的时候,都会在各个节点的协议栈中进行打包、加包头和减包头的操作,在5G网络中,数据包在进入核心网后将在多个UPF进行传输,最红用过基站,经过空口发送给用户。在这个过程中,前面提到的QFI(数据包从互联网进入到核心网)将一直伴随着这个数据包,通过QFI,在各个节点传输的时候它会给到相应的合适的处理。
腾讯和爱奇艺时频的IP数据流不同,但对网络的需求一样,指标要求类似,会把他们聚合成同一个Qos flow1去传输,分配QFI = 6。同样地,基站把这个Qos Flow映射到DRB上的时候也是遵循相同的映射方式,这个数据流就一直传送到手机的应用上去。
第二类业务就是微信和 QQ, IP 数据流分别是 3 和 4,可能在运营商 UPF 的过滤规则中,会发现这两
个业务都是腾讯的,例如计费策略相关的都是类似的,就可能会把这两个 IP 数据流分类成一个 SDF3,同
样因为都是即时通讯业务,对技术网络的要求也都是一致的,也会映射到同一个 QoS Flow2 中去传输,分
配 QFI=8,后面同理
运营商有一一系列的过滤机制,这些过滤机制有很大的灵活性,通过这些过滤机制可以实现一些后台的管理比如计费和策略方面的统一处理。另外,通过把类似的业务聚合在同一个Qos Flow中去实现对类似技术需求数据流的统一处理,这就是数据在网络中传输时节点是如何去保障它的。
网络切片技术
网络切片是一个从物理网络到逻辑网络的技术,是在同一个物理网络上面虚拟化多个业务专网,在这个专网上提供差异化服务。
(1) 虚拟化:网络切片是基于 NFV/SDN 的通用基础设施来构建的,就是说基础设施是共用的,可能就
是一个普通的服务器、高性能的服务器,在上面进行这种软件定义去实现专用的功能,它可以实现灵活可配
置的网络。
(2) 按需定制:每个网络切片要适配各种类型服务,不同特征需求可按业务需求提供定制。
(3) 端到端:网络切片可从设备到接入网,从接入网到核心网再到传输网提供端到端服务。
(4) 隔离性:网络切换间实现虚拟服务器、网络带宽、服务质量的隔离,保障服务效果和稳定性。切片
之间虽然是虚拟的,但是它们相互之间也能够保证这种基本的隔离性
可以看出我们共用的是同一张 5G 网络,但是应用部分可以把同一张网络虚拟化成不同的业务子网,通过对这些业务子网专门的优化而实现这种业务子网的需求
比如计算机中的虚拟机,可以在电脑上安装多个虚拟机,这些虚拟机使用的资源即硬件都是同一台电脑,但是它对于上层的应用即给用户的体验是完全不同的操作系统,这其实就是网络切片大致特征的体现,对于应用来说体现是不同的业务子网,但是使用的实际资源还是同一张物理网络。
核心网通过定义 S-NSSAI(Single Network Slice Selection Assistance Information)进行网络切片标识,S-NSSAI 由 SST 和 SD 这两个标识符组成,如图36所示
SST(Slice/Service type),切片/服务类型,它指的是在功能和服务方面的预期网络切片行为,可以通
过标准定义和预定义,如图37:
SD(Slice Differentiator),切片微分标识, SD 是可选信息,用来补充 SST,以区分相同 SST 的多个
网络切片,可以通过运营商自定义。
根据这两个标识用户就可以知道这个网络具体是干什么用的,比如汽车连上网之后,用户注册了eMBB和URLLC业务,那么它就可以根据SST和SD选择性的在公网和车联网自动驾车的切片中进行工作。
Qos和网络切片技术的差异
多用户面锚点
用户面和控制面的分离,这个结果会带来一些列的其他可能性,比如如下提到两个技术:多用户面锚点技术和本地数据网络技术。
所谓的多用户锚点就是允许用户通过多个不同的用户面传输路径将数据传输到不同或者相同的外部网络。可以通过这种方式降低数据在网络中传输的冗余。
在 5G NR 中有两个属于多用户面锚点技术的概念,一个是上行分类器,一个是多宿主。
如图39, 上行分类器(Uplink Classifier)可以支持它的终端的上行数据在某一个 UPF 中分成两个不同的路径去传输给两个不同的外部网络。
如图40,多宿主(Multi-Homing)允许通过两个路径传过来的统一发送给一个外部网络。
本地数据网络(LADN)
终端在一定的区域之外,是无法接入到本地网络的,当其移动进入某一个区域内,就能连接到本地网络,它就会挂起或者断开和本地网络的连接。它允许用户在特定的区域内,直接接入到本地
网络获得服务。它可以应用到企业园区本地网络和自动驾驶等应用场景。
移动性限制
无人机在某些区域是禁止飞行的,在以往的技术中,只能把这个限制下载到用户本地,通过定位发现进入某个位置之后就要限制它的飞行。如果有了 5G 移动性限制之后,就能直接禁止其进入某些区域或者限制其进入某些区域的某些行为。如果细分移动性限制的话有如下图42:
为物联网而生:MICO模式
在物联网场景下有一类物联网终端比如水表电表,有一个共同的特征就是希望超长的待机时间,并且几乎不移动,绝大部分业务都属于上行业务,下行业务极少。
当 UE 启用 MICO 模式后,网络(AMF)将不会在 CM-IDLE 状态下寻呼该 UE。而只会在 UE 由上行数据发送并因此而连接网络后,再将缓存的 UE 下行数据转发给 UE。也就是说终端不需要去监听网络的寻呼消息,这个功能可以最大程度的降低物联网 UE 的能耗,并实现设备复杂度的降低,也有利于降低网络信令开销。
移动图案
所谓的移动图案就是利用大数据手段掌握用户的移动喜好,定制UE专属的移动性规则,实现用户针对性的移动性能优化,比如在立交桥或者环路形式的过程中,可能会有很多不必要的反复切换,那么通过移动图案大数据的手段可以去避免这种不必要的切换。
6 总结
开机,玩手机经过的过程
开机
- 搜网
- 同步(下行)
- 系统消息接收(5G(SSB),LTE(同步和系统消息接收分离))
- PLMN选择
- 小区驻留(涉及波束管理,移动性管理)
NR小区选择和重选总结(一)
波束管理简介
移动性管理 - 随机接入(msg1-msg4)
- RRC连接建立
- 注册
玩手机(连接态)
- 寻呼(何时,何地,何人)
- 随机接入
- RRC连接建立
- 服务请求
- PDU会话建立
- PDCCH监听->数据接收/发送
物理层-能力核心
时频资源结构
关注LTE与5G NR的区别
- 时域(调度基本单位和上下行子帧比例)
- 频域(带宽和部分带宽技术)
初始接入
- 速度要快,5G NR引入SSB(物理广播信道和同步信道融合在一起发送)
SSB概述 - 波束赋形弥补高频覆盖能力不足,完成360°覆盖发送
波束管理简介
随机接入
随机,公平!
- 系统消息接收
- Msg1(preamble(包含RA-RNTI))
- Msg2(RAR(TA,功控,Msg3资源,preamble index,MCS,C-RNTI))
- Msg3(RRC连接建立)
- Msg4(竞争解决)
寻呼
- 何时(PF和PO)
- 何地(周期性注册和移动性注册)
- 何人
PHY监听PDCCH(DCI)里的调度信息,解调PDSCH里的paging消息,RRC解析这个消息,NAS给出UE ID验证这个消息
控制大脑-高层
空口协议栈
- 用户面(L1,L2,L3)
- 控制面(L1,L2)
L1-适配传输介质,对信令和用户数据进行无差别且高效的传输
L2-适配:对上适配物理层的传输介质,对下适配高层协议栈
L3-控制,协助核心网对终端进行控制
物理层
关注数据在无线信道中的实际传输方式(时隙,子帧,子载波,频率,天线端口,空间复用方式)
MAC层-系统调度师
不同信道(控制逻辑信道和业务逻辑信道)数据汇聚在一起,通过复用技术,合理安排它们在物理层传输。
发端-调度
首端-轻量化的HARQ
RLC层-系统的快递打包员
将高层的数据处理成MAC需要的大小
PDCP-系统的防火墙
- 屏蔽空口对高层协议栈的影响(可靠性,安全性,保密性)
- 屏蔽高层对空口的影响
SDAP-系统的需求对接员
将核心网的Qos flow(服务质量流)映射为空口的无线承载
信道和承载
- 物理信道(PHY-PHY)
- 传输信道(PHY-MAC):数据如何传输(MCS,冗余校验方式,交织方式)
- 逻辑信道(MAC-RLC):
- 无线承载(PDCP-SDAP)
物理信令,RRC信令,NAS信令,MAC CE
- 物理信令包含在PDCCH里的DCI-指示资源信息和控制信息
- RRC信令,NAS信令,MAC CE通过PDDCH的调度计划映射到PSDCH中传输,RRC信令中包含NAS信令
- NAS层为接入网,基站侧不存在NAS层,和核心网和终端之间交互信令的协议层。
- 物理信令,MAC CE以bitmap形式传输,时延小,信息量小
- RRC信令,NAS信令以ASN.1形式传输,时延大,信息量大
RRC层-系统的大脑
无线资源控制,负责UE和gNB之间的信令交互
主要功能
- 系统消息广播
SSB概述 - 移动性管理(小区选择/重选,切换)
移动性测量 - UE测量和上报
UE上报CSI过程 - 监测和恢复无线链路失败
CSI-RS在信道中传输过程 - 连接建立(RRC连接建立,维护和释放)
- 寻呼
- Qos管理
- 承载管理(SRB,DRB建立,配置,维护和释放)
系统消息和流程与消息
- 被动接收-系统消息(MIB,SIBx)
- 主动控制-RRC流程与消息
RRC流程与消息可以分为请求,流程的主题以及完成,即Msg1,Msg2,Msg3
新RRC状态-INACTIVE
兼具IDLE态和激活态特征
新的位置管理和寻呼机制
创新基地-核心网
5G时代,速度,容量驱动力下降,网络朝着业务多样性,垂直行业,AI大数据方向发展
核心网承载着业务编排能力
接入网走向核心网-接口与状态
核心网是运营商后台运营的一些网络(AMF,SMF,UPF,UDM,AUSF,IMS,CHF)
- gNB与AMF:N2接口,N3连接
- gNB与UPF:N3接口,N3连接
- 这部分涉及到TCP/IP协议
TCP/IP协议
接入网和核心网架构演变
- 接入网-LTE非独立组网演进到5G独立组网
- 核心网从4G-5G有四个变化
(1)核心网和接入网解耦
(2)用户面和控制面分离
(3)基于服务的网络架构
(4)业务多样性能力增强
网络切片技术
将物理网络虚拟为多个业务网络
多用户锚点
允许用户通过多个不同的用户面传输路径将数据传输到不同或者相同的外部网络
LTE与5G NR的一些区别
- 核心网与接入网架构
- 时频资源结构
- 参考信号与信道测量
- 寻呼与位置管理机制
- 系统消息接收
- 多波束
…
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