5G基础学习

5G介绍

5G 是指第五代移动网络。它旨在扩展现有的 4G LTE 蜂窝网络，甚至完全取代它们。每一代技术都是由几个因素决定的，例如所使用的技术、发送与接收信号之间的时间间隔（延迟），以及通过网络向所连设备传输数据的速度。5G 网络有望实现千兆级的速度。同时，5G 服务还大大缩短了延迟，并可将覆盖范围扩展到偏远地区。

5G常用属于及缩略语

5G应用场景

eMBB

“增强移动宽带”。就是以人为中心的应用场景，集中表现为超高的传输数据速率，广覆盖下的移动性保证等，这是最直观改善移动网速，未来更多的应用对移动网速的需求都将得到满足，从 eMBB 层面上来说，它是原来移动网络的升级，让人们体验到极致的网速。因此，增强移动宽带（eMBB）将是 5G 发展初期面向个人消费市场的核心应用场景。

uRLLC

“高可靠低时延连接”。在此场景下，连接时延要达到 1ms 级别，而且要支持高速移动（500KM/H）情况下的高可靠性（99.999%）连接。这一场景更多面向车联网、工业控制、远程医疗等特殊应用，这类应用在未来潜在的价值极高，未来社会走向智能化，就得依靠这个场景得网络，这些应用的安全性、可靠性要求极高。

mMTC

“大规模机器类型通信”，5G 强大的连接能力可以快速促进各垂直行业（智慧城市、智能家居、环境监测等）的深度融合。万物互联下，人们的生活方式也将发生颠覆性的变化。这一场景下，数据速率较低且时延不敏感，连接覆盖生活的方方面面，终端成本更低，电池寿命更长且可靠性更高，真正能实现万物互联。

如下图所示为5G不同应用场景的需求指标差异

5G网络架构

针对于上述的三大应用场景，单一的网络很难满足三种网络需求，因此我们可以设置三种网络分别是5G-eMBB网络、5G-uRLLC网络、5G-mMTC网络。这是一种解决办法，但是这样做的成本太高，非常不划算。因此这也成为了5G时代的一种挑战。

基于服务的架构SBA

AMF(Access and Mobility Management Function)：接入和移动性管理功能，类似于4G的MME

终止RAN CP接口(N2)
终止NAS(N1)，NAS加密和完整性保护
注册、连接、可达性和流动性管理
合法拦截
为UE和SMF之间的SM消息提供传输
用于路由SM消息的透明代理
接入身份验证和接入授权

SMF(The Session Management Function)：会话管理功能，类似于4G的PGW

负责与分离的数据面交互，创建、更新和删除PDU会话
管理与UPF的会话环境
负责DHCP服务器和IP地址管理系统的功能

UPF(The User plane Function)：用户面功能

终端和外部数据的传输
数据包的路由转发
应用数据传输的策略
处理QOS相关功能

PCF(The Policy Control Function)：策略控制功能

给整个网络提供配置
通过访问用户数据库转发策略信息

NEF(The Network Exposure Function)：网络开放功能

给外部用户提供一些特定的服务

NRF(The Network Repository Function)：网络存储库功能

支持服务发现

UDM(The Unified Data Management)：统一数据管理

生成鉴权信息

AUSF(The Authentication Server Function)：鉴权服务功能

提供鉴权和接入

AF(The Application Function)：应用功能

提供上层的应用功能

UDR(The Unified Data Repository)：统一数据存储库

通过UDM来提取存储签约数据
通过PCF提取存储策略数据
存储一些结构化的数据

UDFS(The Unstructured Data Storage Function)：非结构化数据存储功能

存储一些非结构化的数据

SMSF(The Short Message Service Function)：短消息服务功能

短信管理，签约信息管理

NSSF(The Network Slice Selection function)：网络切片选择功能

根据UE提供的信息管理特定的网络切片

5G-EIR(The 5G-Equipment Identity Register)：5G设备认证中心

检查设备状态

LMF(The Location Management Function)：位置管理功能

支持定位相关功能的管理

SEPP(The Security Edge Protection Proxy)：安全边缘保护代理

规则定义，数据包过滤

NWDAF(The Network Data Analytics Function)：网络数据分析功能

提供基于网络切片的网络数据分析

网络功能服务框架

交互机制

服务使用者和服务提供者之间的交互基于两种机制，分别是

请求响应机制
订阅通知机制

注册、发现、授权机制

服务提供者在上线之后会进行注册，注册通过发送消息给NRF。注册之后，NRF中会存储现在的一个状态服务信息，后续假如有其他服务的使用者想使用这个服务。如下图所示，PCF想使用AMF服务的功能，那么PCF首先会给NRF发送一个服务发现消息。查询NRF中是否存有AMF服务信息，如果有的话，NRF会对PCF进行鉴权，之后PCF会获得AMF的相关服务信息，之后就可以使用请求响应机制来获取AMF相关的服务。

SBI接口协议

5G核心网与EPC交互

5G接入网架构

5G和4G接入网对比

5G接入网CU/DU

可以看到，在CU中又划分为用户面和控制面，之间通过E1接口来连接。从而形成了控制面CU-CP和用户面CU-UP。分离的好处一是可以进行集中化的控制，二是可以灵活的部署。

这里需要注意的是，一个DU只能连接到一个CU-CP，一个CU-UP也只能连接到一个CU-CP，一个DU可以连接到一个CU-CP控制下的多个CU-UP，一个CU-UP可以连接到一个CU-CP控制下的多个DU。

5G网络部署选项

5G关键技术

NFV(网络功能虚拟化)

NFV技术是一种将网络功能整合到行业标准的服务器、交换机和存储硬件上，并且提供优化的虚拟化数据平面，可通过服务器上运行的软件让管理员取代传统物理网络设备的技术。

NFV实现了软硬件的解耦，如下图所示

NFV的好处

成本低
灵活性高
部署快
开放性高
配置简单

NFV架构

VNF(Virtualized Network Function)：虚拟化的网络功能
EM(Element Management)：网元管理功能
Hardware Resources：硬件资源
Virtualisation Layer and Virtualised Resources：虚拟化层及虚拟资源
VIM(Virtualised infrastructure Managers)：虚拟化基础设施管理器
VNFM(VNF Managers)：虚拟化网络功能管理器
NFVO(NFV Orchestrator)：网络功能虚拟化编排器

NFV集成方式

NFV带来的挑战

SDN(软件定义网络)

SDN的设计思路其实和NFV一样，都是通过解耦来实现系统灵活性的提升。NFV是软硬件解耦，而SDN是控制平面和转发平面解耦。传统网络中，各个转发节点（例如路由器、交换机）都是独立工作的，内部管理命令和接口也是厂商私有的，不对外开放。而SDN网络，就是在网络之上建立了一个SDN控制器节点，统一管理和控制下层设备的数据转发。所有的下级节点，管理功能被剥离（交给了SDN控制器），只剩下转发功能。如下图对比所示

SDN架构

最底层是基础设施层，专注于数据和业务转发。中间层是控制层，集中管理网络设备，将整个网络虚拟化成一种资源池，根据用户需求灵活分配资源。最上层是应用层，可以根据各种API接口对底层设备进行编程，从而开发各种业务应用。

SDN应用场景

核心网SDN化

提升转发性能
提升网络可靠性
促进网络扁平化部署
提升业务创新能力

SDN与NFV的关系

MEC(移动边缘计算)

MEC的基本思想是把云计算平台从移动核心网络内部迁移到移动接入网边缘，通过部署具备计算、存储、通信等功能的边缘节点，使传统无线接入网具备业务本地化条件，进一步为终端用户提供更高带宽、更低时延的数据服务，并大幅度减少核心网的网络负荷，同时降低数据业务对网络回传的带宽要求。

MEC实现方式

传统的网络应用终端要通过核心网去连接，从终端到核心网到基站再到应用。引入边缘计算是通过在靠近接入网的位置加入MEC功能。其中MEC中包括接入网的CU，UPF和边缘计算的APP。因此我们可以通过边缘计算访问到我们需要的APP，可以提高用户的访问速度。因为5G采用的是SBA架构，将用户面和控制面彻底分离，因此用户面的功能完全是由UPF控制的，所以UPF可以和接入网一起部署在靠近用户的无线接入网的地方，配合MEC独立使用。