5G网络

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5G网络概述

1.网络架构

5G网络的主要涵盖基站(gNB)、承载网、5G核心网(5GC)、IMS核心网(IMS)、5G消息(RCS)、边缘计算(MEC)等网络功能模块,借助上述网路功能模块，提供无线射频信号的收发、网路流量的转发、短信、音视频电话、富媒体消息、MAAP消息业务(类似微信公众号+小程序)等。下图为5G网络架构图。
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下文分别针对设备接入层、接入网、5G核心网、IMS网络、5G消息等模块进行介绍。

  • 设备接入（5G手机）：

设备网络通信模块主要是基于芯片，市面上分为高通、海思、天玑等几大类。主流手机小米10、华为P40、华为Mate、荣耀30等之后型号基本都支持。

  • 接入网（gNB）：

gNB主要分为宏基站与微基站（室内站），国内宏基站以华为、中兴、大唐为主，以华为基站为例包含AAU 、BBU，AAU负责无线信号收发，BBU与核心网联通，微基站以京信、共进、佰才邦，以共进为例，主要是以一体化基站为主。其中宏基站用于增加网路覆盖，微基站用于增强信号质量。

  • 5G核心网(5GC)：

    核心网络建设主要用于提供 5G 终端设备（如手机，车载终端，摄像头等设备）的身份鉴权、流量分发、边缘计算、网络切片等业务能力，核心网网元较多，这针对重点网元进行介绍，AMF用于提供用户接入控制，对外主要网络协议为NAS、NGAP，UDM用于提供用户信息存储，即用户开卡信息，网络认证秘钥等， SMF用于提供网络流量控制，UPF用于提供网络流量转发。

  • IMS核心网(IMS)：

主要提供短信、音视频通话、电话会议等能力，主要通信协议为SIP、RTP，音频编解码为AMR，视频编解码4G为H264,5G为H265。其中SBC/P-CSCF提供终端接入功能, CSCF提供信令路由功能，IP Centex提供会议接入等功能。

  • 5G消息(RCS)：

    5G消息主要提供富媒体通信能力，借助手机原生能力能力实现富媒体通信，主要提供单聊、群聊、MAAP等业务，对手机侧通信协议主要包含SIP、MSRP等协议，对企业接入主要提供HTTP协议。

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    通过上述业务分析，相比原有通信能力，5G网络整体趋势为网络精细化、网络开放化、通信多样化、网络智能化演进。
    下文对主要业务流程进行接入. 5G核心网文档可参考(TS 23.501, TS 23.502)

    2.5G主要网络协议栈

    2.1 4/5G协议栈对比

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    相比4G核心网来说主要是架构及内部协议层面：

  • 5G核心网架构发生比较大的变化，引入NRF设备用于网络设备的注册与发现

  • 网元间协议由原来的diamter换为http2

  • 用户面与控制面解耦，为UPF下沉提供支持

  • 控制面协议有s1-ap改为ngap

  • 用户面协议增加扩展头

    2.2 5G数据面传输协议

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    5G网络中UPF设备主要用于用户面数据的转发，主要功能是流量控制以及GTP包的拆解包。
    https://github.com/5GOpenUPF/openupf

    3.5G网络重要特性

3.1 网络切片

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5G网络基于三大业务场景的网络切片，使切片场景更加多样化。

  • eMBB，提供大带宽流量通道，主要是借助无线侧提升带宽上限。
  • uRLLC，提供低时延网络，主要借助边缘网络进行边缘计算降低端到端网络距离。
  • mMTC，提供大规模机器通信，及4G中NB-IOT规范在制定中预计R16版本制定。现在采用4G核心网eLTE增强实现。

切片实现基于核心网信令侧提供切片标识传输，用户面实现切片能力提供。切片承载标识以NSSAI，SST，SD等作为切片标识。
详细可参考：https://www.yuque.com/wuhao-bo7rr/rb9zmq/epd319

3.2 边缘计算

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  • 概述

    边缘计算在靠近数据源或用户的地方提供计算、存储等基础设施，并为边缘应用提供云服务和 IT 环境服务。相比于集中部署的云计算服务，边缘计算解决了时延过长、汇聚流量过大等问题，为实时性和带宽密集型业务提供更好的支持。随着 5G 和工业互联网的快速发展，新兴业务对边缘计算的需求十分迫切。在众多垂直行业新兴业务中，对边缘计算的需求主要体现在时延、带宽和安全三个方面。

  • 实现

    • UPF 地址下发可采用 NRF(5G 网络注册设备)获取或 OAM(系统配置)配置
    • 通过 5G 核心网配置及 SMF 下发 UPF 地址实现 UPF 地址的下沉

  • 示例

     以移动边缘计算平台为例主要涵盖
    • 边缘设备管理

支持纳管不同算力、不同平台的边缘节点，实现对边缘节点和终端设备进行管理，如：状态监控、资源调度、日志查询等

  • 边缘协议适配

边缘计算通过驱动方式灵活支持多种工业协议设备接入，原生支持MQTT、OPC-UA、Modbus协议设备接入

  • 边缘应用管理

边缘应用市场提供预置边缘容器应用，也可进行自定义应用开发，并支持下发至边缘节点运行，云端可对应用进行全生命周期管理

  • 边缘数据路由

支持将边缘节点数据通过灵活的方式路由到OneNET云端。并可以通过云端再分发到其他PaaS服务或客户自有应用

  • 边缘规则计算

支持在边缘节点进行规则引擎计算，按照既定规则进行匹配，若匹配成功后则按照相关预定动作执行

  • 边缘数据存储

支持在边缘节点进行多并发的海量时序列数据库存储，并在断网的情况自动实现离线存储

  • 边缘数据分析

基于flink计算引擎，实现在云端通过可视化的方式配置计算任务，再下发到边缘节点执行

  • 边缘智能推理

通过预置应用方式，将针对特定行业和场景的AI模型下发至边缘节点进行推理

4.1 无线侧增强

各网络速率对比

网络制式 2G 3G 4G 5G
下行速率 150K 2.8Mbps 100Mbps 1.54Gbps
上行速率 40K 384Kbps 50Mbps 308Mbps

  • 5G网速计算公式

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△ 5G载波的峰值计算公式

  • MIMO层数：下行4层，上行2层。
  • 调制阶数：下行8阶（256QAM），上行6阶（64QAM）。
  • 编码码率：948/1024≈0.926。
  • PRB个数：273，公式里面的12代表每个PRB包含12个子载波。
  • 资源开销占比意为无线资源中用作控制，不能用来发送数据的比例，协议给出了典型的数据：下行14%，上行8%。
  • 符号数意为每秒可实际传送数据的符号个数，因不同的TDD帧结构而异，具体可参考前面第二部分的表格。现取2.5毫秒双周期帧结构的值：下行18400，上行9200。

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△ 5G载波的峰值计算因素图示
把上述数据代入前面的公式，可得：

  • 下行峰值速率为：1.54Gbps
  • 上行峰值速率为：308Mbps

现在电信和联通正在共享3.5GHz频段上的100MHz的带宽，单个手机能达到的理论速率就是上述的两个值。如果这两家后续开通200MHz的话，因为带宽翻倍，速率也将翻倍，下行速率可以高达3.08Gbps！
详细可参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/108553808
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  • 4G理论网速

** LTE-Advanced（长期演进技术升级版）：**
LTE的升级演进，由3GPP所主导制定，完全向后兼容LTE，通常通过在LTE上通过软件升级即可，升级过程类似于从W-CDMA升级到HSPA。峰值速率：下行1Gbps，上行500Mbps。是第一批被国际电信联盟承认的4G标准，也是事实上的唯一主流4G标准。另有TD-LTE的升级演进TD-LTE-Advanced（TD-LTE-A）。
** LTE FDD（频分双工长期演进技术）：**
最早提出的LTE制式，目前该技术最成熟，全球应用最广泛，终端种类最多[5]。峰值速率：下行150Mbps，上行40Mbps。
** LTE TDD（时分双工长期演进技术）：**
又称TD-LTE，是LTE的另一个分支。峰值速率：下行100Mbps，上行50Mbps。由上海贝尔、诺基亚西门子通信、大唐电信、华为技术、中兴通信、中国移动、高通、ST-Ericsson等业者共同开发。
** WirelessMAN-Advanced（无线城域网升级版）：**
又称WiMAX-Advanced、WiMAX 2，即IEEE 802.16m是WiMAX的升级演进，由IEEE所主导制定，接收下行与上行最高速率可达到100Mbps，在静止定点接收可高达1Gbps。也是国际电信联盟承认的4G标准，不过随着Intel于2010年退出，WiMAX技术也已经被运营商放弃，并开始将设备升级为TD-LTE。

运营商 上行(MHz) 下行(MHz) 上行速率(bps) 下行速率(bps)
中国电信 2370～2390 2635～2655 50M 100M
中国移动 2300～2320 2555～2575 50M 100M
中国联通 1880～1900、2320～2370 2575～2635 50M 100M

详细可参考：https://zh.wikipedia.org/wiki/4G

  • 3G理论网速

    3G理论网速为1-6Mbps，折合下载速度120K/s-600K/s；是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技 术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上；

运营商 上行(MHz) 下行(MHz) 上行速率(bps) 下行速率(bps) 调制方式
CDMA2000
(中国电信) 825～835 870～880 1.8M 3.1M FDD
TD-SCDMA
(中国移动) 1880～1920 2010～2025 384K 2.8M TDD
WCDMA
(中国联通) 1920-1980 2110～2170 5.76M 7.2M FDD

详细可参考：https://zh.wikipedia.org/wiki/3G

  • 2G理论网速

    2G理论网速是150Kbps，折合下载速度15-20K/s；2G是第二代手机通信技术规格，以数字语音传输技术为核心。一般定义为无法直接传送如电子邮件、软件等信息；只具有通话和一些如时间日期等传送的手机通信技术规格；

运营商 制式 上行速率(bps) 下载速率(bps) 理论峰值(bps) 带宽
移动 GPRS 21.4K 85.6K 171.2K 150K
EDGE 45K 90K 384K 200K
联通 GPRS 21.4K 85.6K 171.2K 150K
EDGE 45K 90K 384K 200K 
详细可参考：[https://jingyan.baidu.com/article/9158e0009e4708e2541228b4.html](https://jingyan.baidu.com/article/9158e0009e4708e2541228b4.html)
其他参考：[https://blog.csdn.net/mao834099514/article/details/79456881](https://blog.csdn.net/mao834099514/article/details/79456881)

4.2 控制面SCTP协议

  • UDP

用户数据报协议（_UDP_，User Datagram Protocol）

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User Datagram Protocol, Src Port: 5060, Dst Port: 5060
    Source Port: 5060
    Destination Port: 5060
    Length: 356
    Checksum: 0xf8a5 [unverified]
    [Checksum Status: Unverified]
    [Stream index: 0]
    [Timestamps]
        [Time since first frame: 0.007303000 seconds]
        [Time since previous frame: 0.007303000 seconds]
    UDP payload (348 bytes)

  • TCP

传输控制协议（_TCP_，Transmission Control Protocol）

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Transmission Control Protocol, Src Port: 54872, Dst Port: 6070, Seq: 1, Ack: 1, Len: 3294
    Source Port: 54872
    Destination Port: 6070
    [Stream index: 84]
    [TCP Segment Len: 3294]
    Sequence Number: 1    (relative sequence number)
    Sequence Number (raw): 1324026701
    [Next Sequence Number: 3295    (relative sequence number)]
    Acknowledgment Number: 1    (relative ack number)
    Acknowledgment number (raw): 3153941596
    1000 .... = Header Length: 32 bytes (8)
    Flags: 0x018 (PSH, ACK)
        000. .... .... = Reserved: Not set
        ...0 .... .... = Nonce: Not set
        .... 0... .... = Congestion Window Reduced (CWR): Not set
        .... .0.. .... = ECN-Echo: Not set
        .... ..0. .... = Urgent: Not set
        .... ...1 .... = Acknowledgment: Set
        .... .... 1... = Push: Set
        .... .... .0.. = Reset: Not set
        .... .... ..0. = Syn: Not set
        .... .... ...0 = Fin: Not set
        [TCP Flags: ·······AP···]
    Window: 32748
    [Calculated window size: 32748]
    [Window size scaling factor: -1 (unknown)]
    Checksum: 0x3972 [unverified]
    [Checksum Status: Unverified]
    Urgent Pointer: 0
    Options: (12 bytes), No-Operation (NOP), No-Operation (NOP), Timestamps
        TCP Option - No-Operation (NOP)
            Kind: No-Operation (1)
        TCP Option - No-Operation (NOP)
            Kind: No-Operation (1)
        TCP Option - Timestamps: TSval 919902009, TSecr 919895231
            Kind: Time Stamp Option (8)
            Length: 10
            Timestamp value: 919902009
            Timestamp echo reply: 919895231
    [SEQ/ACK analysis]
        [Bytes in flight: 3294]
        [Bytes sent since last PSH flag: 3294]
    [Timestamps]
        [Time since first frame in this TCP stream: 0.000000000 seconds]
        [Time since previous frame in this TCP stream: 0.000000000 seconds]
    TCP payload (3294 bytes)

详细参考：https://segmentfault.com/a/1190000022410446
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  • SCTP

流控制传输协议SCTP(Stream Control Transmission Protocol)

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Stream Control Transmission Protocol, Src Port: 38412 (38412), Dst Port: 38412 (38412)
    Source port: 38412
    Destination port: 38412
    Verification tag: 0x0491fd24
    [Association index: 65535]
    Checksum: 0xc759d633 [unverified]
    [Checksum Status: Unverified]
    DATA chunk(ordered, complete segment, TSN: 39, SID: 1, SSN: 33, PPID: 60, payload length: 67 bytes)
        Chunk type: DATA (0)
        Chunk flags: 0x03
            .... 0... = I-Bit: Possibly delay SACK
            .... .0.. = U-Bit: Ordered delivery
            .... ..1. = B-Bit: First segment
            .... ...1 = E-Bit: Last segment
        Chunk length: 83
        Transmission sequence number: 39
        Stream identifier: 0x0001
        Stream sequence number: 33
        Payload protocol identifier: NGAP (60)
        Chunk padding: 00

详细参考：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/67819220

协议 安全可靠 小包传输 大包传输 生态健全 成熟度
UDP * *** *** *** ***
TCP ** ** * *** ***
SCTP *** * ** * **

4.3 网络转发

常见的网路转发技术分为用户态转发技术、内核态转发技术、UIO旁路转发技术，之外还有交换芯片之类的这里不做过多介绍，下面主要介绍用户态、内核态、UIO旁路转发。
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在转发速率，难度及趋势上做了相关对比

类型 用户态 内核态 DPDK
速度 * ** ***
开发难度 * ***(不小心把内核态搞崩) **
周边工具 *** *** (借助VPP可以达到**)
社区趋势 * * ***

综上所述DPDK基本是网络转发技术主流。
https://www.yuque.com/wuhao-bo7rr/rb9zmq/ak1moi

5.主要业务流程

 商用手机终端入网，基站握手、核心网注册、IMS注册为必须项，只完成核心网注册，未完成IMS注册手机会自动掉线。

5.1 基站建联

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手机与基站建联主要流程可以归结为：

  • 小区搜索与选择

UE开机选网，小区搜索并完成下行同步。

  • 系统消息广播

UE读取广播信息，选择合适小区进行驻留。

  • 随机接入

UE与gNB建立上行同步。

  • RRC连接建立

UE与gNB建立RRC连接。

  • 注册过程

UE注册到5G网络，网络侧开始维护该UE的上下文。
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5.2 核心网注册

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整体可归纳为：

  • 注册请求

终端携带SIM信息进行注册，核心网通过用户信息在UDM查询数据，以此判断是否需要identity request

  • 鉴权处理

    核心网查询到用户信息后，发起Authentication request，终端收到请求后进行校验，回复Authentication response
此时双方共同进行双向鉴权。

  • 加密协商

    终端与网络双方为选择加密算法，可选类型为4种，其中第一种为不加密，其余三种为加密算法，加密算法包含完整性保护算法和报文加密算法，分别是为了保护报文的安全性与正确性

  • 注册完成

    网络侧返回注册完成，网络侧会携带网络能力告知终端。比如4G回落，IP短信能力。

  • 无线能力上报

    终端上报无线能力，终端上报无线能力至服务端，此信令为非必须应答信令

  • 会话创建

    终端创建流量传输通道，核心网在网络侧分配网络资源，此处一般会创建两个会话通道一个是IMS用来发短信打电话，一个是internet用来上网。由于IMS网络与Internet网络隔离这就是为什么在人多的地方有的时候网速慢打电话确没有影响。

  • IMS注册

    终端完成会话通道创建后，会发起sip注册，商用终端必须完成sip注册后才可进行上网，这个原因大概是上网功能与ims功能为运营商基础能力，都需要完成后才算入网完成，手机层面表现为，出现HD为IMS网络注册完成。

    详细可参考：https://www.yuque.com/wuhao-bo7rr/rb9zmq/gv4tpd

    5.3 IMS注册

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    5.4 短信发送

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    5.5 语音呼叫

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