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1、第九章 第五代移动通信系统,目录,9.1 全球5G发展概况,9.1 全球5G发展概况 1.欧洲 2011年，欧洲第一个开展了5G研究。5G-PPP（5G公私合作研发项目）是欧盟框架7项目中5G后续项目。欧洲的ICT行业和欧洲委员会（EC）于2013年12月签署了商业协议，组建5G基础设施公私合作项目。该项目主要是技术研究，在设备制造企业、电信运营商、服务提供商和中小企业以及研究人员之间架起了桥梁。5G-PPP的第一个子项目开始于2015年7月。,9.1 全球5G发展概况,2.中国 在“十三五规划”中，中国政府将5G技术描述为“战略性新兴产业”和“新的增长点”。2018年12月7日，工业和信息化
2、部许可中国电信、中国移动、中国联通自通知日至2020年6月30日在全国开展第五代移动通信系统试验。2019年5月8日，工业和信息化部、国资委发布的关于开展深入推进宽带网络提速降费支撑经济高质量发展2019专项行动的通知中提到，重点任务之一是继续推动5G技术研发和产业化。2019年是5G网络的主建设期，包含网络架构和基站建设等。国家工信部于2019年6月6日正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，标志着中国正式进入5G商用元年。,9.1 全球5G发展概况,3.韩国 韩国的5G论坛是公私合作项目，成立于2013年5月,成员包括ETRI，SKTelecom，KT，LG-爱立信和
3、三星公司。该项目的主要目标是发展和提出国家的5G战略，并对技术创新作出战略规划。2018平昌冬季奥运会，韩国实现了5G首秀，由韩国电信运营商KT联手爱立信(基站设备等)、三星(终端设备等)、思科(数据设备等)、英特尔(芯片等)、高通(芯片等)等产业链各环节公司全程提供的5G网络服务，成为5G全球首个大范围的准商用服务。4.日本 ARIB 2020和未来专项成立于2013年9月，这个组织的目标是研究系统概念、基本功能和移动通信的分布式架构。预期输出包括白皮书，向ITU及其他5G组织提交的文件。与韩国冬奥会相似，日本2020年东京奥运会以及残奥会也成了日本发展5G的重要助力。为配合2020年东京奥
4、运会和残奥会的举办，日本各运营商将在东京都中心等部分地区启动5G的商业利用，随后逐渐扩大区域。,9.1 全球5G发展概况,5.美国 早在2016年，美国政府就对5G网络的无线电频率进行了分配，计划在2018年实现全面的商用。当时美国政府也向电信公司提供了资助，在四座城市进行5G的先期试验。2017年，美国运营商Verizon正式宣布将于2018年下半年在美国部分地区部署5G商用无线网和5G核心网。6.俄罗斯 早在2016年，俄罗斯电信运营商MTS Group宣布正在与诺基亚和爱立信合作，为2018年俄罗斯世界杯开发5G测试网络。在该5G试验期间，MTS展示了几种不同的5G用例，包括高清视频通话
5、、超低延迟视频游戏和高清视频流等。俄罗斯国有电信运营商Rostelecom还在圣彼得堡与爱立信合作进行了5G试验，并携手诺基亚进行了相关5G试点项目。,9.1 全球5G发展概况,7、巴西 当美国、中国、日本、欧盟、韩国等国家各自发力5G之际，巴西采取了不同的方针政策。2017年年中，巴西科学、技术、创新和通信部(MCTIC)指出，已经同上述国家、共同体的科技人员签订了技术发展合作协议，以期共同发展5G网络。实际上，巴西是全球第六个参与到5G信息技术开发的国家。到目前为止，巴西在全球信息和通信技术发展上已经取得了不小的成就。这也说明巴西目前已经有能力进行5G网络的投资、开发以及深层次的研究。,9
6、.1 全球5G发展概况,8、澳大利亚 澳大利亚电信公司表示，将加速推动全球5G网络标准的建立和澳大利亚网络系统的升级，并计划于2018年澳大利亚举行的英联邦运动会期间试用。此外，澳电信公司正在同谷歌、微软和高通等多家顶级科技公司沟通，希望参与和推动全球5G网络标准的制定和技术开发，对拟议中的5G标准作出修改，以保证新标准适用于澳大利亚。,9.2 5G的标准化活动,9.2.1 ITU-R 2012年ITU无线通信部分（ITU-R）在5D工作组（WP5D）的领导下启动了“面向2020和未来IMT”的项目，提出了5G移动通信空中接口的要求。WP5D制定了工作计划、时间表、流程和交付内容。WP5D暂时
7、使用“IMT-2020”来代表5G。根据时间表的要求，需要在2020年完成“IMT-2020技术规范”。至2015年9月，已经完成了下列三个报告：1、未来陆地IMT系统的技术趋势：这个报告介绍了2015-2020年陆地IMT系统的技术趋势，包括一系列可能被用于未来系统设计的技术。2、超越2020的IMT建议和愿景：该报告描述了2020年和未来的长期愿景，并对未来IMT的开发提出了框架建议和总体目标。3、高于6GHz的IMT可行性分析：这份报告提供了IMT在高于6GHz频段部署的可行性。,9.2 5G的标准化活动,9.2.2 3GPP 2018年6月13日，3GPP确认并冻结了5G独立组网标准。
8、这意味着，首个独立可用的5G方案初步确定，不管是设备厂商还是电信运营商，都可以根据标准加快网络设备的设计和完善。不过这只是第一阶段，根据3GPP确定的5G标准化进程，预计在2019年12月，将完成满足ITU全部要求的完整5G标准。此外，3GPP在LTE和GSM引入了海量机器类通信的有关需求，即增强覆盖、低功耗和低成本终端。在LTE系统中，机器类通信被称作LTE-M和NB-IoT，在GSM系统中被称为增强覆盖的GSM物联网（EC-GSM-IoT）。,9.2 5G的标准化活动,9.2.3 IEEE 在国际电气和电子工程师协会（IEEE）中，主要负责局域网和城域网的是IEEE 802标准委员会。特别
9、是负责无线个人区域网络的IEEE 802.15项目（WPAN）和无线局域网（WLAN）的IEEE 802.11项目。IEEE 802.11p是针对车辆应用的技术，预计会在车联网V2V通信领域得到广泛应用。在物联网领域IEEE也表现活跃。IEEE 802.11ah支持在1GHz以下频段部署覆盖增强的Wi-Fi。IEEE 802.15.4标准在低速个人通信网络（LR-WPAN）较为领先。这一标准被Zigbee联盟进一步拓展为专用网络连接技术，并被国际自动化协会（ISA）采纳，用于协同和同步操作，即ISA100.11a规范。,9.3 5G架构,以前的网络部署严重依赖于网元，层级结构严格。由于5G系统
10、必须满足多种需求，为了实现未来网络的灵活性，要求投入和撤出某些网络功能时，网络不受影响。因此，网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）等将得到应用。使用这些技术需要重新考虑传统的网络架构设计。9.3.1 NFV和SDN 当前运营商的网络包括了大量硬件设备，引入新业务往往需要集成复杂的专用硬件，而且硬件的生命周期由于技术和服务加速创新而变短。2012年年底，网络运营商发起了NFV倡议。NFV的目标是将不同网络设备整合到工业标准的大量服务器上。这些服务器可以位于不同的网络节点，也可以部署在用户办公地点。这里的NFV与传统的服务器虚拟化的区别在于：虚拟网络功能（VNF）可能由一个或多个虚拟机
11、组成，为了取代定制的硬件设备，虚拟机需要运行不同的软件和进程。一般来说，通常多个VNF需要依次使用，才能够为用户提供有用的服务。,9.3 5G架构,图9-1 NFV参考架构,9.3 5G架构,OSS（Operation Support System）：运营支撑系统。BSS（Business Support System）：业务支撑系统。EM(Element Manager,网元管理)系统，提供对虚拟网元的业务和资源管理,可对应于边缘计算架构中的边缘平台。VNF（Virtualised Network Function）：虚拟化的网络功能。NFVI（Network Functions Virtu
12、alisation Infrastructure）：网络功能虚拟化基础设施,是用来托管和连接虚拟功能的一组资源，包含所有硬件设备与软件组件。VIM（Virtualised Infrastructure Manager）：虚拟化基础设施管理器,负责对NFVI的计算资源、存储资源以及网络资源进行控制与管理的功能模块。VIM可被部署于基础网络运营商的基础设施域（例如：NFVI接入点/服务提供点）。,9.3 5G架构,VNFM（Virtualised Network Function Manager）：虚拟化的网络功能模块管理器，用于网络功能模块的生命周期管理。NFVO（Network Functio
13、ns Virtualisation Orchestrator）:网络功能虚拟化编排器，可用于管理NS（Network Service，网络业务）生命周期，并协调NS生命周期的管理、协调VNF生命周期的管理（需要得到VNFM的支持）、协调NFVI各类资源的管理（需要得到VIM的支持），以此确保所需各类资源与连接的优化配置。一个虚拟网元由虚拟资源与网元逻辑功能APP两部分组成。相应部分的管理则分别由原来管理网元逻辑功能的NM/EM功能架构变成了NM-EM/NFVO-VNFM的类网状架构，从标准接口上新增了三个跨两个标准化组织（3GPP SA5和ETSI NFV）定义的水平向标准化接口（Os-Ma-
14、nfvo，Ve-Vnfm-em和Ve-Vnfm-VNF），以及三个在ETSI NFV中定义的垂直向标准化接口（Or-Vnfm，Or-Vi和Vi-Vnfm）。,9.3 5G架构,1）基础架构层在基础架构层，需要基于最新科技的商业通用计算、存储和网络资源，这些基础架构资源可以部署hypervisor层以便运行虚拟化，可以为ISV和电信运营商们的虚拟网络功能在标准服务器上提供线速的网络性能，同时，还可以结合实时Linux操作系统、SR-IOV、DPDK、vSwitch、KVM等技术，确保电信级网络运行的性能和可靠性。最终达到网络功能虚拟化NFV的终极目标：在标准商用IT硬件资源上运行网络。,9.3
15、5G架构,2）资源管理层 由于在基础设施层使用了大量标准商用IT硬件，因此对这些硬件的管理便显得极为重要。尽管在ETSI参考架构中并未对硬件管理工具做出详细说明，但这个问题显然不容忽视。在NFV参考架构的底层，需要一个统一的、全面的基础架构平台管理工具，这个管理工具允许IT/网络运维团队采用更加简单、自动化的方式去管理、配置、协作NFV的基础设施。管理软件应当基于RESTAPI等通用接口设计，易于扩展到整个数据中心的设备管理甚至云管理，以便大大降低设备运营成本，同样也降低为NFV网络功能提供快速运行平台服务的时间。,9.3 5G架构,3）业务流程编排层 最后，在管理层还需要编排器，用于实现NF
16、V网络功能的组织和编排，以及全局资源的管理和监控。这个模块的功能与NFVO功能相同，是NFV网络功能运营的关键组件。由此可见，运营商在这一层上需要一个第三方的、独立于设备制造商的编排器，可以和来自不同设备制造商或者软件开发商的网元进行对接，这是开放NFV生态系统的关键，让运营商不再被厂商锁定。NFV的最终目标是，通过基于行业标准的x86服务器、存储和交换设备，来取代通信网的那些私有专用的网元设备。由此带来的好处是，一方面基于x86标准的IT设备成本低廉，能够为运营商节省巨大的投资成本，另一方面开放的API接口，也能帮助运营商获得更多、更灵活的网络能力。可以通过软硬件解耦及功能抽象，使网络设备功
17、能不再依赖于专用硬件，资源可以充分灵活共享，实现新业务的快速开发和部署，并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。,9.3 5G架构,NFV最为重要的优势是在降低资产和运营开销的同时，缩短功能发布时间。但是，获得这些优势的前提条件是不同厂商的VNF是可移植的，并且可以在网络硬件平台共存。除了NFV，SDN也是网络虚拟化的一种实现方式，是另一个重要的新型网络架构。SDN由美国斯坦福大学提出，其核心技术OpenFlow通过将网络设备的控制面与数据面分离开来（也称为基础设施层和用户面），实现了网络流量的灵活控制，网络更加智能化。不仅如此，网络控制集中到控制面，而网络设备（例如处理数
18、据的交换机和路由器）则分布在基础设施层的拓扑结构中。,9.3 5G架构,图9-2描述了SDN 架构的逻辑视图。SDN采用了集中式的控制平面和分布式的转发平面，两个平面相互分离，控制平面利用控制-转发通信接口对转发平面上的网络设备进行集中式控制。,图9-2 SDN架构,9.3 5G架构,SDN 的基本网络要素包括：1）逻辑上集中的SDN 控制器。它是基于软件的控制器，负责维护全局网络视图，并且向上层应用提供用于实现网络服务的可编程接口(通常也称为“北向接口”)；2）控制应用程序。该程序运行在控制器之上，通过控制器提供的全局网络视图，控制应用程序可以把整个网络定义成为一个逻辑的交换机，同时，利用控
19、制器提供的应用编程接口，网络人员能够灵活地编写多种网络应用，如路由、多播、安全、接入控制、带宽管理、流量工程、服务质量等;3）转发抽象。转发抽象通常称为“南向接口”，SDN 控制器通过利用SDN提供的转发平面的网络抽象来构建全局网络视图。,9.3 5G架构,控制层北向接口通过标准化的应用编程接口（API）与应用和服务互动，南向接口通过标准化的OpenFlow指令集与物理网络互操作。API实现路由器、安全性和带宽管理等服务。OpenFlow允许直接接入网络设备面，例如多厂商交换机和路由器。基于每一个线程的网络可编程能力，提供了极端颗粒控制，能够响应不断变化的应用层实时需求，从而避免缓慢复杂的人工
20、网元配置。从拓扑结构的角度，属于控制和基础设施层的NF可以被集中化部署，也可以根据需要进行分布式部署。,9.3 5G架构,SDN 的基本特征是：控制与转发分离。转发平面由受控转发的设备组成，转发方式以及业务逻辑由运行在分离出去的控制面上的控制应用所控制。控制平面与转发平面之间的开放接口。SDN 为控制平面提供开放的网络操作接口，也称为可编程接口。通过这种方式，控制应用只需要关注自身逻辑，而不需要关注底层更多的实现细节。逻辑上的集中控制。逻辑上集中的控制平面可以控制多个转发面设备，也就是控制整个物理网络，因而可以获得全局的网络状态视图，并根据该全局网络状态视图实现对网络的优化控制。NFV和SDN
21、并非互相依存。但是由于NFV提供了灵活的基础设施，SDN软件可以运行其上，反之亦然，即SDN概念使基于线程的网络功能配置成为可能，因此两个概念高度互相补充。,9.3 5G架构,9.3.2 5G无线接入网络架构 5G无线接入网络架构，主要包括 5G 接入网和 5G 核心网，其中 NG-RAN 代表 5G 接入网，5GC 代表 5G 核心网，如图9-3所示。,图9-3 5G无线接入网络架构,9.3 5G架构,5G核心网的主要网元如下：AMF：全称 Access and Mobility Management Function，接入和移动管理功能，终端接入权限和切换等由它来负责。SMF：全称 Ses
22、sion Management Function，会话管理功能，提供服务连续性，服务的不间断用户体验，包括IP地址和/或锚点变化的情况。UPF：全称 User Plane Function，用户面管理功能，与UPF关联的PDU会话可以由(R)AN节点通过(R)AN和UPF之间的N3接口服务的区域，而无需在其间添加新的UPF或移除/重新-分配UPF。,9.3 5G架构,网元的主要功能如下：1、AMF承载以下主要功能终止RAN CP接口(N2)。终止NAS(N1)，NAS加密和完整性保护。注册管理。连接管理。可达性管理。流动性管理。合法拦截(适用于AMF事件和LI系统的接口)。为UE和SMF之间的
23、SM消息提供传输。用于路由SM消息的透明代理。接入身份验证。接入授权。在UE和SMSF之间提供SMS消息的传输。安全锚功能(SEAF)。监管服务的定位服务管理。为UE和LMF之间以及RAN和LMF之间的位置服务消息提供传输。用于与EPS互通的EPS 承载 ID分配。UE移动事件通知。,9.3 5G架构,2、UPF承载以下主要功能 在UPF的单个实例中可以支持部分或全部UPF功能：用于RAT内/RAT间移动性的锚点(适用时)。外部PDU与数据网络互连的会话点。分组路由和转发(例如，支持上行链路分类器以将业务流路由到数据网络的实例，支持分支点以支持多宿主PDU会话)。数据包检查(例如，基于服务数据
24、流模板的应用程序检测以及从SMF接收的可选PFD)。用户平面部分策略规则实施，例如门控，重定向，流量转向)。合法拦截(UP收集)。流量使用报告。用户平面的QoS处理，例如UL/DL速率实施，DL中的反射QoS标记。上行链路流量验证(SDF到QoS流量映射)。上行链路和下行链路中的传输级分组标记。下行数据包缓冲和下行数据通知触发。将一个或多个“结束标记”发送和转发到源NG-RAN节点。ARP代理和/或以太网PDU的IPv6 Neighbor Solicitation Proxying。UPF通过提供与请求中发送的IP地址相对应的MAC地址来响应ARP和/或IPv6邻居请求请求。,9.3 5G架构
25、,3、SMF承载以下主要功能 在SMF的单个实例中可以支持部分或全部SMF功能：会话管理，例如会话建立，修改和释放，包括UPF和AN节点之间的隧道维护。UE IP地址分配和管理(包括可选的授权)。DHCPv4(服务器和客户端)和DHCPv6(服务器和客户端)功能。ARP代理和/或以太网PDU的IPv6 Neighbor Solicitation Proxying。SMF通过提供与请求中发送的IP地址相对应的MAC地址来响应ARP和/或IPv6邻居请求请求。选择和控制UP功能，包括控制UPF代理ARP或IPv6邻居发现，或将所有ARP/IPv6邻居请求流量转发到SMF，用于以太网PDU会话。配置
26、UPF的流量控制，将流量路由到正确的目的地。终止接口到策略控制功能。合法拦截(用于SM事件和LI系统的接口)。收费数据收集和支持计费接口。控制和协调UPF的收费数据收集。终止SM消息的SM部分。下行数据通知。AN特定SM信息的发起者，通过AMF通过N2发送到AN。确定会话的SSC模式。,9.4 5G关键技术,5G作为新一代的移动通信技术，它的网络结构、网络能力和要求都与过去有很大不同，其核心技术简述如下：高效非正交多址接入灵活的框架设计先进的新型无线技术超密集异构网络网络的自组织网络切片内容分发网络设备到设备通信边缘计算软件定义网络和网络虚拟化,9.5 5G的特点,5G的三大场景显然对通信提出
27、了更高的要求，不仅要解决一直需要解决的速度问题，把更高的速率提供给用户；而且对功耗、时延等提出了更高的要求，一些方面已经完全超出了我们对传统通信的理解，把更多的应用能力整合到5G中。这就对通信技术提出了更高要求。在这三大场景下，5G具有六大基本特点。高速度 泛在网 低功耗 低时延 万物互联 重构安全,9.6 小结,2G时代，中国只有基站几万，处于落后状态；3G时代，TD-SCDMA技术瑕疵大，中国移动硬着头皮靠多造基站的方式弥补，勉强跟上移动通信的发展步伐；等到了4G时代，全球700万基站，中国基站占了400万个，移动通信技术已与各国并驾齐驱；而到了5G时代，中国以华为公司为代表，已成为5G标准制定者，领跑全球。5G时代已经来临，它将应用场景从人与人的通信扩大到人与物/物与物的通信，并将以万物互联为目标打造未来通信新世界。未来5G将给人类生活带来怎样的巨变，我们都拭目以待。,习题 9-1 什么是网络功能虚拟化（NFV）？9-2 什么是软件定义网络（SDN）？9-3 5G的关键技术有哪些？9-4 5G的特点是什么？,
