《5G网络架构原理》课件

网络架构原理5G本课程将全面介绍网络的基础架构及其工作原理，深入探讨关键技术和5G5G未来发展趋势作为第五代移动通信技术，不仅代表着通信技术的重大突5G破，更是推动数字化转型和智能社会建设的重要基础设施课程目录1基本概念与发展历程5G介绍定义、特点及移动通信技术演进5G2网络架构概述5G分析整体架构设计与核心特性5G3核心网络组件详解深入讲解各核心网功能模块无线接入网络技术第一部分基本概念5G概念理解掌握基本定义5G发展历程了解通信技术演进应用场景探索核心应用5G什么是？5G技术定义核心优势5G是第五代移动通信技术的简称，具有高速率、低时延、大•极高的数据传输速率连接的显著特点相比技术，在数据传输速率方面提升4G5G•超低的网络延迟了倍，理论峰值速度可达10-10010Gbps•海量设备连接能力5G基于全新的网络架构设计，采用了更先进的无线技术和网•高可靠性通信保障络协议，为用户提供前所未有的移动通信体验•网络切片灵活部署移动通信的发展历程时代年代11G1980模拟语音通信，主要用于语音通话服务2时代年代2G1990数字语音通信，增加短信服务功能时代年代33G2000移动互联网初步应用，支持基本数据业务4时代年代4G2010高速移动互联网，实现丰富多媒体应用时代年代55G2020万物互联时代，支持垂直行业深度融合为什么需要？5G数据流量爆设备连接激垂直行业需炸增求全球移动数据预计年全智能制造、自2025流量年增长率球连接设备将动驾驶等新兴约，传统达亿台，需应用对网络性40%750网络难以满足要更强的网络能提出更高要激增的带宽需承载能力求求智能社会基础支持未来智能化社会的基础设施建设需求三大应用场景5G超高可靠低时延通信uRLLC实现超低时延通信1ms•工业自动化控制增强型移动宽带eMBB•自动驾驶汽车提供极高速率的移动宽带体验•远程医疗手术•4K/8K视频流媒体海量机器类通信mMTC•虚拟现实/增强现实每平方公里支持百万设备连接•云游戏服务•智慧城市物联网•智能农业监测•环境传感器网络关键性能指标5G20Gbps峰值下行速率理论最大下载速度1ms空口时延比4G降低90%万100连接密度每平方公里设备数10Tbps流量密度每平方公里数据容量第二部分网络架构概述5G架构分析了解网络整体架构设计理念和组成要素5G技术对比对比分析与在架构设计上的根本差异5G4G创新特性深入理解网络架构的创新技术特性5G网络基本架构5G无线接入网络核心网络虚拟化基础设施NG-RAN5GC由新一代基站组成，负责无线信采用基于服务的架构设计，实现控制基于云原生技术构建，支持网络功能gNB号的发射接收和初步处理，支持多频面与用户面分离，支持网络切片和边虚拟化和容器化部署，实现网络资源段、多技术融合，实现高效的无线资缘计算，提供灵活的网络功能部署的弹性调度和高效利用源管理与架构对比5G4G网络架构特点网络架构优势4G5G•控制面与用户面耦合•控制面与用户面完全分离•专用硬件设备部署•基于服务的体系架构•集中式核心网设计•网络功能虚拟化实现•固定的网络功能•支持网络切片技术•边缘计算能力集成架构设计更加灵活、可扩展，能够更好地适应多样化的业5G务需求三层网络架构5G核心层网络功能与业务处理中心接入层无线基站和传输网络终端层用户设备和物联网设备与核心网比较LTE EPC5G网元功能对应核心网功能主要改进EPC5G移动性管理功能细化，性能提升MME AMF鉴权管理增强安全机制AUSF会话管理支持多种会话PDN SMFPDU、统一用户面功能PDN-GW SGWUPF策略控制统一策略框架PCRF PCF用户数据库统一数据管理HSS UDM网络新特性5G软件定义网络网络功能虚拟化云原生架构SDNNFV实现网络控制与数据转发采用微服务、容器化等云分离，提供集中化、可编将传统专用硬件设备功能原生技术，实现网络功能程的网络控制能力，支持虚拟化为软件应用，运行的快速部署、弹性扩展和动态网络配置和优化在通用硬件平台上，提高高效运维管理资源利用率和部署灵活性网络切片在统一的物理网络基础设施上创建多个逻辑独立的虚拟网络，为不同业务提供定制化的网络服务第三部分核心网络组件服务化架构1基于微服务的网络功能设计功能模块2各核心网功能组件详解接口协议3组件间通信机制分析核心网概述5G基于服务的网络架构控制面与用户面分离边缘计算支持SBA采用微服务化设计理念，网络功能彻底分离控制信令处理和用户数据核心网功能可灵活部署到网络边通过标准化的服务接口相互交互，转发功能，支持独立扩展和灵活部缘，降低业务时延，提升用户体验实现松耦合的架构设计署，提高网络效率质量接入和移动性管理功能AMF终端注册管理移动性管理处理终端的网络注册、去注册和连接支持终端在不同基站间的切换和漫游管理消息转发安全管理在终端和之间转发会话管理消息负责信令的安全保护和传输SMF NAS会话管理功能SMF会话管理负责会话的建立、修改和释放，支持多种会话类型包括、以太网和非结构化数据传输PDU PDUIP地址管理IP为终端分配和管理地址，支持和双栈，确保终端能够正常接入数据网络IP IPv4IPv6控制UPF选择合适的节点并对其进行配置控制，建立用户数据传输路径和实施策略UPF QoS用户面功能UPF核心功能技术特点•分组路由与转发处理UPF作为用户面锚点，负责所有用户数据的处理和转发它支持灵活的部署方式，可以部署在网络边缘以降低时延，也可以•QoS策略执行与流量控制集中部署以提高资源利用率•上行数据分类与标记•数据缓冲与下行通知通过与SMF的N4接口交互，UPF能够动态调整数据转发策略和参数，为不同业务提供差异化的服务质量保障QoS统一数据管理UDM用户标识管理订阅数据管理处理用户永久标识与临时标识存储和管理用户的订阅信息、的映射关系，支持用户隐私保服务配置文件和网络接入权限护和网络安全需求等关键数据认证凭证处理生成和管理用户认证所需的各种安全凭证，支持多种认证机制和密钥管理认证服务功能AUSF终端认证执行终端的身份认证流程，验证终端的合法性卡鉴权SIM与协作完成卡的认证和授权过程UDM SIM密钥分发生成和分发认证过程中需要的各种安全密钥安全上下文维护和管理终端的安全上下文信息策略控制功能PCF统一策略框架管理控制QoS策略制定质量保障30%25%•网络资源分配策略•带宽分配管理•业务优先级控制•时延控制策略计费控制业务流检测计费管理流量分析20%25%•使用量统计•数据流识别•费用控制策略•应用感知控制应用功能AF业务信息提供需求指示媒体流处理第三方接入QoS向提供应用业务的根据应用的实时需求向支持实时媒体流的处理为第三方应用提供标准PCF特征信息和需求，网络发送调整请和优化，为视频、语音化的网络能力开放接QoS QoS帮助网络做出最优的资求，确保关键业务获得等多媒体应用提供专业口，促进生态合作发源分配决策优先保障支持展网络仓库功能NRF服务注册发现提供网络功能服务的注册、发现和选择机制，支持动态服务部署和负载均衡各网络功能启动时向注册自身服务信息NRF服务授权管理控制网络功能间的服务访问权限，确保只有授权的网络功能才能访问特定服务，维护网络安全服务状态维护实时监控各网络功能的服务状态，及时更新服务目录，支持故障检测和服务版本管理网络切片选择功能NSSF切片实例选择切片资源分配漫游切片映射根据终端的服务需求和网络策略，协调网络资源在不同切片间的分支持用户在不同网络间漫游时的切为终端选择最合适的网络切片实配，实现资源的高效利用和隔离保片映射和服务连续性保障，确保跨例，确保业务获得所需的网络服务护，避免切片间的相互干扰网络的业务体验一致性质量第四部分无线接入网络架构NG-RAN新型无线接入网络设计基站技术gNB基站核心技术5G频谱与协议无线资源管理无线接入网概述5G NG-RAN技术特征核心优势NG-RAN由新一代基站gNB组成，支持Sub-6GHz和毫米波•支持多频段融合组网频段的双频部署采用大规模天线技术，显著提升频谱MIMO•大规模MIMO增强性能效率和网络容量•智能波束管理技术集成先进的波束赋形技术，能够实现精确的信号覆盖和干扰抑•超密集网络部署制，同时支持超密集组网部署，满足高流量密度区域的覆盖需•灵活的网络架构设计求基站架构gNB集中式单元CU非实时处理与控制分布式单元DU实时基带信号处理射频单元RU射频信号发射接收功能分离设计实现了处理能力的灵活分布，负责非实时的高层协议处理，处理实时性要求高的物理层和低层协议，CU-DU CU DU专门负责射频信号的处理和天线接口RU无线接入网关键接口接口接口Xn NG-C/NG-U基站之间的通信接口，支与核心网的连接接口，gNB gNB持切换管理、负载信息交换和连接处理控制信NG-C AMF干扰协调等功能，确保基站间令，连接处理用户NG-U UPF的高效协作数据传输接口F1与之间的内部接口，支持基站内部功能单元间的协调控制和CUDU数据交换空口协议栈NR层RRC连接控制与移动性管理层PDCP加密、压缩与重复检测层RLC重传与数据分段ARQ层MAC调度、与随机接入HARQ层PHY调制与信道编码OFDM频段规划5G毫米波频段FR2高速传输30%•极高的数据传输速率频段Sub-6GHz FR1•大带宽资源可用覆盖优势45%•热点区域深度覆盖•优秀的信号穿透能力载波聚合技术•广域连续覆盖性能提升25%•现有站点改造便利•多频段协同工作•带宽资源整合•网络容量扩展波束管理5G波束扫描波束成形系统性扫描覆盖区域，识别最优的信根据用户位置动态调整天线阵列，形号传输方向和用户分布情况成指向性波束提高信号强度波束切换波束追踪在用户移动过程中平滑切换到更合适实时跟踪移动用户的位置变化，动态的波束，确保通信连续性调整波束指向保持最佳信号质量第五部分关键技术与创新128天线单元大规模MIMO最大配置8数据流并行传输能力10x容量提升相比传统技术50%功耗降低智能功率控制大规模技术MIMO技术原理应用优势大规模MIMO技术通过在基站配置数百个天线单元，实现多用•空间复用大幅增强系统容量户的并行服务每个天线单元都能独立控制信号的幅度和相•波束赋形技术提高信号覆盖质量位，通过智能的信号处理算法，系统能够同时为多个用户提供•智能功率控制降低设备能耗专用的信号波束•多用户并行服务提升网络效率这种技术不仅显著提升了频谱效率，还能够有效抑制同频干•自适应算法优化网络性能扰，在相同的频谱资源下为更多用户提供高质量的通信服务通过精确的波束控制和空间分集技术，大规模为网MIMO5G络的高容量、低延迟目标提供了关键的技术支撑。