【大唐杯备考】——5G网络组网部署(学习笔记)

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📖 前言:本期介绍5G网络组网部署。

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🕒 1. SA组网和NSA组网

根据3GPP定义,5G标准分为SA组网(Standalone,5G独立组网)与NSA组网(Non-Standalone,5G非独立组网)。其中SA组网就是全新的5G核心网+全新的5G基站,和4G完全分隔开,你建设起来会很爽,维护起来也很爽。用户用起来也是爽。

但是,5G并不是人人的刚需,况且开通初期那高昂的价格无论是用户还是运营商都难以承担。于是,为了方便大家逐步享受5G,在独立组网方式之外,还提供了非独立组网的方式,即把现有的4G基站升级一下,变成增强型4G基站,然后把它们接入5G核心网,这种就是我们国内的主流NSA组网方式。其中使能5G网络需要其他移动通信系统的辅助(4G网络),如果辅助缺失,那么5G网络就无法独立进行工作。

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🕘 1.1 SA组网

SA组网有两种方案:Option 2和Option 5,如下图所示。
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其中Option 2的方案是我们的最终目标,但是其造价高昂不可能一蹴而就。于是我们需要NSA的方式作为普及5G的过渡方式。

🕘 1.2 NSA组网

较之于SA组网,NSA组网架构下的5G接入网不能独立承担与核心网用户面和控制面的连接,需要借助4G移动通信系统完成连接。此时,与核心网之间具有控制面连接的接入网网元称为MN(Master Node,主节点);与核心网之间没有直接的控制面连接的接入网网元称为SN(Secondary Node,辅节点)。针对5G移动通信系统,3GPP确定的NSA方案共包括三个系列:Option3系列,Option7系列和Option4系列。

🕤 1.2.1 Option 3系列

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2017年12月制定:4G基站(eNB)和5G基站(gNB)共用4G核心网(EPC),LTE eNB和5G gNB用户面可以直接连接到EPC,控制面则仅经由LTE eNB连接到EPC。用户面可以分别经由LTE eNB(Option 3)、EPC(Option 3a)或者gNB(Option 3X)进行分流。优势在于不必新增5G核心网,利用运营商现有4G网络基础设施快速部署5G,抢占覆盖和热点。但是5G信令全走4G通道,有4G核心网信令过载风险,因此该阶段主要解决初期的5G覆盖

🕤 1.2.2 Option 7系列

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2018年12月确定:增强型4G基站(ng-eNB)与5G基站(gNB)共用5G核心网(5GC),该阶段5G核心网替代了4G核心网,控制面则仅经由ng-eNB连接到5GC,用户面可以分别经由ng-eNB、5GC或者gNB进行分流,解决了4G核心网信令过载风险,主要面向5G容量需求
数据锚点:5G NR接入网做数据锚点支持X架构(LTE设备处理能力弱于NR,不适合做锚点)

🕤 1.2.3 Option 4系列

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2019年12月确定:增强型4G基站(ng-eNB)与5G基站(gNB)共用5G核心网(5GC),该阶段5G核心网替代了4G核心网,控制面则仅经由5G gNB连接到5GC,用户面可以分别经由gNB或者5GC进行分流。该阶段不仅面向5G的增强型移动带宽场景(eMBB),还面向大规模网联网(mMTC)和低时延高可靠物联网(uRLLC)。是面向万物连接时代5G的多样化业务。

🕘 1.3 组网方案对比

分类 非独立NR(NSA)架构 独立NR(SA)架构
支持功能 仅支持eMBB 全部5G功能
LTE现网 需要升级LTE基站以及核心网支持NSA 不影响现网LTE
终端 5G NR下需要提供Customized 4G NAS UE with 5G RRC;eLTE理论支持LTE 终端 5G NR下使用5G UE;LTE终端继续使用在LTE网络下
5G新频NR以及天线 全部新加,不管高低频 全部新加,不管高低频
核心网 初期(3系)只需要升级现网EPC,后期(7系、4系)可以选择新建5G核心网支持eLTE 新加5G核心网
初期成本
后期维护成本 高(升级软件需要升级LTE基站)
组网 复杂(需要考虑到LTE的链路) 简单
IOT对接 不需要5GNR接入与核心网跨异厂家IOT测试LTE或eLTE跟升级后的EPC IOT需要对接验证 需要5G NR与5G核心网跨异厂家IOT测试成熟loT需要很长时间
演进 可以通过升级与网络调整变成SA SA是最终模式

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🕒 2. MR-DC技术

MR-DC(Multi-RAT Dual Connectivity,多接入网技术双连接)是指一部终端可以同时连接4G网络和5G网络,同时使用两个网络进行业务,此时终端需要具备至少两个MAC实体,支持双发双收。对应不同的网络架构,DC(Dual Connectivity,双连接)有不同的名称。值得注意的是,DC是LTE时代引入的。

核心网 主节点 辅节点 名称
EPC E-UTRA E-UTRA DC
EPC E-UTRA NR EN-DC
5GC NG-RAN E-UTRA(即ng-eNB) NR NGEN-DC
5GC NR E-UTRA NE-DC
5GC NR NR NR-DC

以Option 3x组网场景为例,从控制面看:MN(eNB)和终端之间会建立面向核心网的控制面连接,维护唯一的RRC状态。RRC信令无线承载包括SRB0、SRB1和SRB2。此时终端与SN(gNB)之间可以建立另外一个基于NR的信令面连接(SRB3),但是对于终端来说,RRC连接只存在于终端和MN之间,RRC的状态转换只有一个。MN(eNB)和SN(gNB)具有各自的RRC实体,可以生成要发送到终端的RRC PDU(Protocol Data Unit,协议数据单元)。NSA Option3x控制面协议栈如下图所示。

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从用户面看:在DC场景下,UE和网络可能建立MCG(Master Cell Group,主小区组)承载、SCG(Secondary Cell Group,辅小区组)承载和分离承载。NSA Option3x用户面承载概念如下图所示。

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DC与CA(Carrier Aggregation,载波聚合)是一对极易混淆的概念。3GPP在R10版本引入CA这一概念。CA技术中终端也会与多个接入网网元建立连接,但是控制面连接仅有一个。DC与CA的对比如下表所示。

项目 MR-DC CA
本质 聚合协议层是PDCP层,时延宽松 聚合协议层是MAC层,对时延要求严格
实现 异系统或同系统的不同基站资源 多为同系统,异系统实现复杂;同站的不同小区CC(Component Carrier,分量载波)实现容易,不同站不同小区CC实现困难
机制 对数据可以分流;不同节点使用不同的TA(Time Advance,时间提前量)做时间同步;每个终端的主节点配置固定;上下行节点数相同 资源不够的情况下,才考虑添加CC;不同小区共用TA;每个终端的主小区配置可以不同;上下行可以聚合不同载波
对终端 两个MAC实体(控制面协议栈) 一个MAC实体,支持CA

🕒 3. CU/DU组网部署

根据不同的业务和部署场景,NR架构总体可以分为CU和DU两级,但是实际部署可以出现CU、DU和AAU分离的三级配置,也可以出现AAU直接连入中心结点。NR的不同网络结构示意图如下所示。目前主流场景是第三种。
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🕘 3.1 eMBB 业务(了解)

为了支持eMBB业务的覆盖和容量需求,CU和DU需要进行分离部署,分为两种形式:Macro(宏)方式和Micro(微)方式。CU/DU分离Macro和Micro组网部署如下图所示。
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当业务容量需求变高,在密集部署情况下,基于理想前传条件,多个DU可以联合部署,形成基带池,提高基站资源池的利用率,并且可以利用多小区协作传输和协作处理以提高网络的覆盖和容量。CU/DU分离DU资源池组网方式如下图所示。

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🕘 3.2 URLLC业务(了解)

语音业务对带宽和时延要求不高,此时DU可以部署在基站侧;对于大带宽低时延业务(如视频或者虚拟现实),一般需要高速传输网络或者光纤直接连接中心机房,并在中心机房部署缓存服务器,以降低时延并提升用户体验。CU/DU分离针对高时延和低时延部署方式如下图所示。

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🕘 3.3 mMTC 业务(了解)

对于面向垂直行业的机器通信业务,在建设5G网络时,需要考虑机器通信的特点。大规模机器通信普遍对时延要求较低,其特点有2个;数据量少而且站点稀疏;站点数量多,且分布密集。CU/DU分离针对mMTC的部署方式如下图所示。

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参考资料
🔎 关于5G的NSA和SA,看完秒懂!
🔎 5G中的多制式双连接是怎样的?
🔎 大唐杯学习笔记(1)—— 5G网络架构与组网部署
🔎 《5G系统技术原理与实现》——人民邮电


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作者:HinsCoder
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