5G关键技术

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随着移动通信网络的演进，移动用户所能够享受到的服务也越来越丰富，业务体验也在不断提升。从1G的模拟电话、2G和2.5G的数字电话及低速数据业务、3G的多媒体通信、4G的移动互联网，每一代新的移动通信技术的产生和发展，均为移动用户提供了新的通信业务，使用户获得了更好的业务体验，带动了新的产业发展。本文将介绍如何利用5G的技术特点建设满足业务应用需求的5G网络。


2   5G的NAS与SA

2.1  5G网络的体系架构
从1G到4G，3GPP为每一代系统均仅定义了唯一的标准系统架构，但对于5G却提出了图1所示的8种可选系统架构。其中，左侧的Option1、Option2、Option5、Option6称为独立组网（SA）；右侧的Option3、Option4、Option7、Option8称为非独立组网（NSA）。



2.2  SA网络
从1G到4G采用的均是类似于图1中的Option2的SA架构，一张无线网接入对应的一张核心网。从1G到4G，每一代无线网均采用了全新的技术，而核心网则是适配无线空口的技术特点和能力，面向业务提供能力持续优化网络结构。2G采用了全数字化的电路域，2.5G增加了分组域，而3G基本沿用了2G和2.5G的网络结构并持续演进，4G优化了分组域，使之更适合IP数据的转发，并以分组域外接的IMS域替代了电路域。

5G的根本目标是使用户的数据业务在峰值速率和通信时延方面获得更好的体验（最高10 Gb/s的峰值速率和最低1 ms的空口通信时延以及最低10 ms的端到端通信时延），以满足增强移动宽带（eMBB）、超高可靠低时延通信（uRLLC）、海量机器类通信（mMTC）这三大类业务应用场景。

在移动通信系统中，业务速率和通信时延的短板显然是在无线侧，一种办法是增强LTE（eLTE），引入1024QAM、8天线技术、增强载波聚合等技术，对应图1中的Option5和Option1；另一种办法是定义新的5G NR，利用高频段的丰富频谱资源、Massive MIMO、灵活的帧结构/物理信道结构等众多新技术，来有效提升业务速率并缩短时延，对应图1中的Option2和Option6。显然5G NR更具优势。核心网5GC则是在4G核心网的基础上重新设计了网络架构和接口协议，并支持以“网络切片”为特定应用/用户提供特定的QoS服务。总体来说，5GC核心网的理念是以更加灵活的网络结构提供对用户以及业务更强大的业务管控手段，包括增强的QoS保障以及QoS限制等。

因此，以长远发展的眼光来看，采用5G NR接入5GC核心网的Option2架构对于运营商来说是一种较好的选择。

2.3  NSA网络
由于5GC核心网对现有技术的颠覆性较大，其标准化程度和设备成熟度明显落后于5G NR无线网，严重影响了5G商用时间。而利用4G在R12版本引入的“双连接”技术，由4G网为5G网提供接入服务，既能够完全适配5G NR提升的空口业务速率，又能够实现5G的快速部署，满足更高速的移动数据业务场景，这就是更具现实意义的5G NSA架构。

“双连接”技术是指在接入同一张核心网的两个无线基站共覆盖区内，终端同时接入两个无线基站，并将其中的一个基站作为主节点（MN，Master Node），将另一个基站作为辅节点（SN，Secondary Node）。主节点是用户终端接入网络的锚点，提供用户终端接入网络的信令控制功能并能够提供用户面数据转发；辅节点仅为用户终端提供额外的用户面数据转发资源。根据排列组合，5G NSA存在图1中右侧的4种组网模式。Option3和Option7是以4G LTE基站作为主节点，以5G NR基站作为辅节点；Option4和Option8是以5G NR基站作为主节点，以4G LTE基站作为辅节点；Option3和Option8，无线接入的是4G核心网EPC；Option4和Option7，无线接入的是5GC核心网。

Option4和Option7的部署前提是运营商首先需建设一张5GC核心网，在5GC核心网技术标准和设备尚不成熟的情况下，尚不具备商用部署的条件。而在5GC核心网具备商用部署条件后，5G SA的Option2更优，只有在既无4G核心网且仍需利用4G无线资源的情况下，Option4和Option7才是一种可供选择的方案。

Option3和Option8均是利用4G核心网部署5G。Option8需要5G NR向下支持S1-MME的4G接口，对5G NR基站提出了额外的功能要求，因而首先被否决。对于Option3，5G NR基站仅需额外支持S1-U的4G用户面接口和与4G LTE基站之间的X2接口，因而在5GC尚不成熟的阶段，是实现5G快速部署的一种较优选择。

Option3的具体实现又存在Option3、Option3a和Option3x共3种选择，如图2所示。

5G NSA终端在4G LTE和5G NR共覆盖区内，通过4G LTE基站接入4G核心网EPC，在用户面承载建立阶段，4G LTE基站向核心网提供无线基站的IP地址时存在以下3种选择：
（1）Option3：本端4G LTE基站的地址，建立“EPC—4G基站—5G基站—用户”和“EPC—4G基站—用户”两个承载通道，由于5G空口带宽较大，可优先选择“EPC—4G基站—5G基站—用户”通道转发用户面数据。

（2）Option3a：本端4G LTE基站或对应5G NR基站的地址，建立“EPC—4G基站—用户”或“EPC—5G基站—用户”承载通道。

（3）Option3x：对应5G NR基站的地址，建立“EPC—5G基站—用户”和可选的“EPC—5G基站—4G基站—用户”承载通道。优先选择“EPC—5G基站—用户”承载通道转发用户面数据，并以“EPC—5G基站—4G基站—用户”承载通道增加用户数据业务的业务速率和吞吐量，能够为用户提供高于Option2 SA的用户业务速率。

显然，Option3对4G LTE基站吞吐量以及4G LTE基站与5G NR基站之间的传输要求较高；Option3a对4G LTE基站的要求较高，需要具备较为灵活的机制选择用户承载面的锚点，并动态调整，但对X2接口的传输要求较低；Option3x较能够发挥5G NR的优势，且实现起来并不复杂；另外，对于5G NAS用户的语音业务，由于4G的无线频段低于5G，具有更好的语音业务体验，因此，可要求4G LTE基站对于非IMS APN的数据业务，为用户建立“EPC—5G基站—用户”和可选的“EPC—5G基站—4G基站—用户”承载通道，传送数据业务；而对于IMS APN的语音和IP短信业务，为用户建立“EPC—4G基站—用户”承载通道，传送语音及IP短信业务。

对于Option3x，当5G NSA终端移动到仅有4G无线覆盖的区域时，则4G LTE基站可向4G核心网发送请求，将用户承载迁移至“EPC—4G基站—用户”承载通道。


3   5G NSA（Option3系列）核心网组网关键技术

5G NSA Option3系列需4G核心网EPC改造支持EN-DC（E-UTRA NR Dual Connectivity）相关功能，具体体现在：

（1）MME需支持DCNR（Dual Connectivity E-UTRAN and NR）功能、承载迁移（在用户承载建立过程中，根据4G LTE基站提供的5G NR基站地址，通过5G NR基站建立用户承载）以及支持新增相关安全参数的传递。在MME组POOL的情况下，应将覆盖5G NSA基站范围的POOL内的所有MME进行改造，以保证与5G NR基站共覆盖的4G LTE基站接入的MME均支持5G NSA功能。

（2）在仅选择部分SGW和PGW提供5G NSA业务的情况下，MME需改造支持SGW+和PGW+的选择。

（3）5G NSA提供5G流量上报功能，5G NR基站可周期性地统计每用户的5G空口流量，并通过5G NR基站→4G LTE基站→MME→SGW(→PGW)的路径上报核心网，并在核心网设备最终生成的用户计费详单中呈现。

（4）MME和SGW能够与4G LTE基站配合实现对于承载语音和IP短信业务的IMS APN与承载数据业务的非IMS APN分别建立“EPC—4G基站—用户”承载通道和“EPC—5G基站—用户”+可选的“EPC—5G基站—4G基站—用户”承载通道。

（5）HSS中保存用户的鉴权和签约数据，5G NSA重用4G核心网，包括HSS中的用户签约数据，因此，可以不必为用户进行5G签约，即用户“不换号、不换卡、不向运营商进行5G业务开通申请”，更换为5G NSA终端后即可使用5G无线网。运营商可以通过在HSS中为用户签约的ARD（Access Restriction Data）限制用户接入（使用）特定的无线网络，若运营商需要对用户的5G接入进行限制，则需要使全网HSS支持ARD的5G限制接入，相应的MME也需要支持根据ARD的5G接入限制来限制用户的5G接入。

（6）4G核心网中的用户MBR（Maximum Bit Rate）限制最大为4 Gb/s，鉴于5G NR的目标是10 Gb/s，为避免核心网成为用户业务速率的瓶颈，可以将MBR扩展到最大4 Tb/s，改造范围涉及：全网HSS、全网PCRF/SPR以及MME、SGW、PGW和CG。

（7）另外，若运营商未部署上述（5）和（6）的功能，从而避免了全网HSS的改造，则HSS在向MME返回的ULA消息中会返回不支持DCNR能力，此时需要MME本地配置不限制用户的NSA 5G接入。


4   5G SA（Option2）核心网组网关键技术

4.1  系统架构
5GC核心网对4G核心网EPC进行了完全重构，如图3所示。


图3中的左侧为4G网络架构，将4G网络中的各网元中相同颜色的功能部分抽离出来作为独立网元组成网络即构成了图3中右侧的5G网络架构。主要体现在：
（1）将HSS中的用户签约数据功能抽离出来，作为UDM。
（2）将HSS和MME中的用户鉴权功能抽离出来，合并构成了AUSF。
（3）将MME中用户移动性管理功能抽离出来，作为AMF。
（4）将MME、SGW、PGW中用户承载控制面建立功能抽离出来，合并构成了SMF。
（5）将SGW、PGW中用户承载用户面转发功能抽离出来，合并构成了UPF。
（6）PCRF继承为PCF，SPR用户策略数据继承为UDR中的一部分（图中未画出）。
（7）SCEF能力开放网元继承为NEF。
（8）新增NSSF网元，用于支持5GC新增的“网络切片”功能。
（9）新增NRF网元，替代4G网络中的Diameter信令网寻址和DNS的IP地址解析功能。
（10）新增了AMF与PCF之间的接口，增加了基于用户移动性的PCC管控功能。
（11）4G网络中MME从HSS获得用户的移动性管理相关签约数据和PDP承载相关签约数据。5GC中，分别由AMF从UDM获得用户的移动性管理相关签约数据，SMF从UDM获得用户的PDU会话相关数据。
（12）5G网络仅支持与4G网络的互操作，不支持与2G、3G网络的互操作。