從局部到整體：5G系統(tǒng)觀-完整版

VR

移動通信“系統(tǒng)觀”

vivo通信研究院

張晨璐

5G真的要來了!

3

5G來了！

正式商用！

?2019年6月6日，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯(lián)

通、中國廣電四家運營商發(fā)放5G商用牌照，這標(biāo)志著中國正

式進(jìn)入5G商用元年；

?2019年6月25日，中移動啟動“中國移動5G+計劃”；商用在即

?2019年6月26日，vivo在上海MWC發(fā)布5G商用終端，以及助

?2019年3月中國移動5G測試套餐出爐，50元包5000G；

力5G的120W快充和AR眼鏡。

?2019年1月，第三階段測試結(jié)束，預(yù)示國內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)達(dá)到預(yù)商用

水平；

緊鑼密鼓?2019年1月，vivo全球第一部搭載完整5G功能手機(jī)vivoAPEX發(fā)

布

?2018年12月8日，中國移動發(fā)布了《5G終端產(chǎn)品白皮書》，?2018年12月，三大運營商5G頻普分配方案終于落定。

提出了“5G網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)航計劃”宣布全面啟動17城市的5G規(guī)模

試驗和應(yīng)用示范；第一波刺激

?2018年9月20日，中國電信5G外場成功打通基于5G獨立組網(wǎng)

標(biāo)準(zhǔn)的端到端呼叫。?2017年12月，中國電信公布成都、雄安、深圳、上海、蘇州、蘭

州六個城市為5G規(guī)模試點城市。

標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布?2018年1月，中國聯(lián)通在北京、天津、上海、深圳、杭州、南京

、雄安7城市進(jìn)行5G試驗；

?2018年2月，中國移動宣布武漢和杭州、上海、廣州和蘇州5G試

?2017年12月，3GPP完成了5G非獨立組網(wǎng)（NSA）標(biāo)準(zhǔn)制定；驗網(wǎng)五大城市，建設(shè)約100個5G基站；

?2018年6月，3GPP發(fā)布獨立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，是首個完整的5G國際?2018年2月，vivo在MWC2018發(fā)布5GAPEX概念機(jī)。

標(biāo)準(zhǔn)。

4

5G是什么？

虛擬現(xiàn)實/增強(qiáng)現(xiàn)實車聯(lián)網(wǎng)/自動駕駛物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)+AI

……

5G+能源5G+教育5G+醫(yī)療5G+工業(yè)5G+智慧城市

5

課程目標(biāo)

我的移動通信“系統(tǒng)觀”

點面系統(tǒng)觀

從底層到高層、從接入網(wǎng)到從微觀到宏觀，了解移動通串講不同“層”流程，將技

核心網(wǎng)，全面了解5G網(wǎng)絡(luò)單信系統(tǒng)發(fā)展歷史、系統(tǒng)模型、術(shù)過程與用戶行為關(guān)聯(lián)，實

點技術(shù)、信令和流程架構(gòu)與演進(jìn)規(guī)律。現(xiàn)對5G系統(tǒng)的全面直觀理解

6

CONTENTS

01第一章：歷史、演變與趨勢

02第二章：系統(tǒng)觀-從生活到技術(shù)

03第三章：能力核心-物理層

04第四章：控制大腦-高層

05第五章：創(chuàng)新基地-核心網(wǎng)

7

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本PPT為人民郵電出版社出版的《從局部到整體：5G系統(tǒng)觀》配套PPT。建議讀者

結(jié)合原版書籍閱讀，效果更佳。

《從局部到整體：5G系統(tǒng)觀》書籍介紹

基于對當(dāng)前同類書籍特點的分析，實現(xiàn)作者傳播“系統(tǒng)觀”的技術(shù)意圖。作者在本書的構(gòu)思階段就確立

了本書的撰寫方式，并最終成為本書有別于其他書籍的主要特點：

特點1：系統(tǒng)整理和總結(jié)

本書最重要的技術(shù)意圖是傳播移動通信系統(tǒng)的“系統(tǒng)觀”概念。作者進(jìn)行了大量的針對不同協(xié)議層系統(tǒng)

的縱向整理和總結(jié)，并將LTE系統(tǒng)和5G系統(tǒng)進(jìn)行了橫向的比較總結(jié)，讓讀者更加清晰的理解移動通信系統(tǒng)技

術(shù)演進(jìn)的意圖、方向和結(jié)果。所有的這些“系統(tǒng)觀”的總結(jié)和整理，以穿插與全書的【系統(tǒng)觀x】章節(jié)呈現(xiàn)

，以幫助讀者對5G系統(tǒng)的理解提升一個層次；

特點2：讀者角度的描述方式

5G技術(shù)是一個龐大而復(fù)雜的專業(yè)體系，對于很多讀者來說，技術(shù)本身很難與實際用戶行為和現(xiàn)象關(guān)聯(lián)

到一起。本書在描述方式上，盡可能的站在讀者角度來進(jìn)行描述。將枯燥的技術(shù)內(nèi)容與涉及到的用戶行為結(jié)

合在一起來描述，還原技術(shù)場景，從用戶開機(jī)到業(yè)務(wù)發(fā)送接收，給讀者介紹了一個完整的業(yè)務(wù)場景，也讓讀

者可以將技術(shù)和舊知關(guān)聯(lián)到一起并加強(qiáng)理解。

特點3：以圖代文+實例分析

3GPP技術(shù)規(guī)范需要考慮協(xié)議嚴(yán)謹(jǐn)和簡潔，因此，技術(shù)規(guī)范的描述往往是非常晦澀的，這不利于讀者的

理解?！拔牟蝗绫?，表不如圖”，為了實現(xiàn)對技術(shù)內(nèi)容的深刻理解，筆者在書中原創(chuàng)性的繪制了300多個技

術(shù)插圖和100多個表格。此外，對于比較復(fù)雜的協(xié)議設(shè)計，還通過例子的方式將晦澀的文字和公式轉(zhuǎn)換成圖

形的方式來展示規(guī)范的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，以更加生動、直觀的描述技術(shù)內(nèi)容；

《從局部到整體：5G系統(tǒng)觀》-院士序

《從局部到整體：5G系統(tǒng)觀》-3GPP主席序

《從局部到整體：5G系統(tǒng)觀》-目錄

《從局部到整體：5G系統(tǒng)觀》-目錄

《從局部到整體：5G系統(tǒng)觀》-目錄

目錄

第一章

歷史、演變與趨勢

15

過去未來

從一切靠“吼”的古代通信，到從“過去”我們看到了什么？

利用電纜實現(xiàn)的有線通信，再到速度、容量還是通信技術(shù)未來發(fā)

通過無線電波傳播的移動通展的最重驅(qū)動力嗎？如果不是，

信……，通信技術(shù)是如何一步步那還會是什么？

走來的？

16

從5G的爸爸、爸爸的爸爸聊起現(xiàn)代通信

代表：AMPS、GSM、

WCDMA、LTE、5GNR

效率：xxkbit/s~xxGbit/s

近代通信

代表：電報、有線電話、

無線電廣播

效率：xxbit/s~xxkbit/s

TEXT2

古代通信1875年，貝爾發(fā)明

電話機(jī)

代表：烽火傳訊、信鴿傳

書、擊鼓傳聲、風(fēng)箏傳訊

、天燈、良馬日行千里1843年，貝思發(fā)明

傳真

效率：10bit/天？

什么驅(qū)動著通信技術(shù)

摩爾發(fā)明電報

的發(fā)展？

17

通信發(fā)展的基石與驅(qū)動力

？？？？

無線時代

速？？？？

度

電的時代隨著物理學(xué)、數(shù)學(xué)等基

容礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，人們對

量電磁輻射理論和電磁感

一切靠“吼”的時代無線通信技術(shù)賦予了更

的應(yīng)理論的發(fā)展使得通信多的期望。

追在基礎(chǔ)科學(xué)還未啟蒙的插上了電的翅膀。

求年代，信息只能靠原始

的形式低效的傳遞。啟示

基礎(chǔ)學(xué)科的進(jìn)步基礎(chǔ)學(xué)科的進(jìn)步是通信技術(shù)進(jìn)步發(fā)展

的基石！

對速度和容量的追求是通信技術(shù)發(fā)展

的最大驅(qū)動力！

18

通信系統(tǒng)如何一路走來？

19

從紙筒電話談起

環(huán)境聲

嘴巴紙筒棉線紙筒耳朵

噪聲+干擾

輸入變輸出變

信源信道信宿

換器換器

有線通信的特點

通過“看得見摸得著”的固定媒介進(jìn)行傳

輸，保密性強(qiáng)；

傳輸信道相對穩(wěn)定，干擾??；

收發(fā)端位置相對固定；

部署成本高。

20

升級后的通信系統(tǒng)

噪聲+干擾

輸入變輸出變

想傳輸?shù)母h(yuǎn)信源調(diào)制信道解調(diào)信宿

換器換器

噪聲+干擾

更可靠，更高效

輸入變輸出變

信源編碼調(diào)制信道解調(diào)譯碼信宿

換器換器

原始模擬信號

采樣與量化

采樣分段采樣分段采樣分段

信源編碼壓縮數(shù)據(jù)減少信源冗余，提高通信有效性

信道編碼人為增加冗余，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性

射頻發(fā)射

物理信道21

移動通面臨的問題更多、

更復(fù)雜！

22

骨干的現(xiàn)實-移動通信（1）

引入導(dǎo)頻進(jìn)行信道估計；

信道不確信道傳輸

①引入MCS應(yīng)對傳輸能力變化；

定性能力可變引入高層拆包組包組裝合適的TB；

引入各種多址方式提高頻譜效率；

多用戶且資

②引入隨機(jī)接入機(jī)制提高系統(tǒng)容量；

源受限引入動態(tài)調(diào)度和資源分配機(jī)制；

物理層、MAC層、RRC層、NAS層等信令

體系；

可管可控運

③集中式的接入網(wǎng)、核心網(wǎng)控制節(jié)點；

營需求安全、鑒權(quán)和注冊機(jī)制；

核心網(wǎng)簽約管理和策略功能；

23

骨干的現(xiàn)實-移動通信（2）

引入RadioBeam、QoSflow以實現(xiàn)QoS區(qū)分控

制；

業(yè)務(wù)多樣多樣化的引入核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片等功能；

④性QoS引入接入網(wǎng)信道優(yōu)先級機(jī)制；

物理層各種靈活配置：多種UL\DL子幀配置

、子載波間隔配置、BWP配置等；

引入切換、位置管理、尋呼機(jī)制；

位置與信號

引入移動性測量、上報機(jī)制；

⑤移動特征質(zhì)量可變

引入同步機(jī)制；

引入高層RRC多狀態(tài)機(jī)制和DRX、DTX機(jī)制；

引入BWP機(jī)制和PDCCH非連續(xù)監(jiān)控；

能耗受限

⑥引入核心網(wǎng)MICO機(jī)制；

引入功率控制機(jī)制；

24

復(fù)雜的移動通信系統(tǒng)

HSS

MMEPCRFNEFNRFPCFUDM

“總線”

LTEAUSPSMFAF

UEgNBAMF

核

LTERANSGWPGWInternet

心NAS層NAS層

網(wǎng)

UERRC層RRC層NG-APNG-AP

5GPDCP層PDCP層SCTP層SCTP層

5G核心網(wǎng)

核LTE核心網(wǎng)“總線”RLC層RLC層IP層IP層

心NEFNRFPCFUDMMAC層MAC層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層

網(wǎng)物理層物理層物理層物理層

NG-RAN信令面

AUSPAMFSMFAFUPF

LTERAN用戶面IP層IP層IP層

SDAP層SDAP層GTP-UGTP-U

……

PDCP層PDCP層UDP層UDP層Internet

RLC層RLC層IP層IP層

MAC層MAC層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層

物理層物理層物理層物理層

5GRANUPFInternet

UE

25

系統(tǒng)整理與理解

配置與控

制核心網(wǎng)UPF

提供基站的控制手段，實gNBUE

現(xiàn)各種高層功能，如連接

提供后臺網(wǎng)絡(luò)對接入網(wǎng)

管理、配置管理、測量管RRC

RRC和用戶的控制手段，實

理、資源管理等。

現(xiàn)上層功能，如位置管

理、切換、尋呼與業(yè)務(wù)

屏請求、會話管理等。

適配底層，提供合適的蔽L2gNB

傳輸格式和傳輸塊大小底L2

層調(diào)度

干擾

；屏蔽高層，實現(xiàn)QoS算法

flows映射

適

配

底

導(dǎo)頻

層物理層物理層

結(jié)合信道特征、干擾特征、運

用香農(nóng)信息論等最新理論和技

信調(diào)度

道MCS（編碼、調(diào)制）術(shù)，考慮頻譜效率需求、設(shè)計

頻域特映射

征目標(biāo)，構(gòu)建一個魯棒的，高效

導(dǎo)頻

反饋測量反饋反饋率的，物理傳輸信道

導(dǎo)頻測量

數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)

時域26

速度和容量是移動通信從1G

到4G的絕對驅(qū)動力！

27

技術(shù)推動應(yīng)用，應(yīng)用影響生活！

從1G到5G的蛻變！

1973年1991年2000年2008年2018年

1G2G3G4G5G

應(yīng)用：模擬語音應(yīng)用：數(shù)字語音+文字應(yīng)用：多媒體應(yīng)用：多媒體+寬帶應(yīng)用：V2X，VR/AR，AI

速率：？速率：數(shù)十~數(shù)百Kbps速率：2~數(shù)十Mbps速率：100M~1Gbps速率：>Gbps

未來又會怎樣？

28

過去未來

從一切靠“吼”的古代通信，到從“過去”我們看到了什么？

利用電纜實現(xiàn)的有線通信，再到速度、容量還是通信技術(shù)未來發(fā)

通過無線電波傳播的移動通展的最重驅(qū)動力嗎？如果不是，

信……，通信技術(shù)是如何一步步那還會是什么？

走來的？

29

5G關(guān)鍵性能指標(biāo)（ITU-2015年）

用戶體驗速率連接數(shù)密度

0104

100Mbps甚至G級1百萬/Km2

10Mbps10萬/Km2

能耗

流量密度

0205時延成本

10Mbit/s/m2

1毫秒級

0.1Mbit/s/m2

10ms效率

峰值速率

0306

20Gbps移動性

1Gbps500Km/h

350Km/h

30

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演變

4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

HSS5G核心網(wǎng)

LTE核心網(wǎng)“總線”

NEFNRFPCFUDM

NG-RAN

MMEPCRF

AUSPAMFSMFAF

LTERAN

LTERANSGWS5/S8PGWInternet

5GRANUPFInternet

UE

UE

核心網(wǎng)和接入網(wǎng)解耦

用戶面和控制面分離

基于服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

業(yè)務(wù)多樣性能力增強(qiáng)

31

核心網(wǎng)接入網(wǎng)解耦

啟示

我們的移動通信技術(shù)，也許

并不適用于所有應(yīng)用場景。

而美好的未來，需要我們開

放、包容。

適用于短距離覆蓋和室內(nèi)覆

蓋場景

適用于低速移動，高速連接

場景

特征

支持多種類型的接入網(wǎng)系統(tǒng)；相對低廉的部署和使用成本

接入網(wǎng)提供獨立的接入能力；

核心網(wǎng)提供統(tǒng)一的匯聚和編排能力；

被廣泛的應(yīng)用和接納

支持非3GPP系統(tǒng)。

32

用戶面和控制面分離

啟示

移動通信系統(tǒng)特別是用戶面

向更加“專業(yè)”計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

發(fā)展，將有利于吸收和融合

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)，并最終

與之融合。

用戶面由SGW和PGW組成，

用戶面部署不夠靈活

MME同時涉及移動性管理和

特征會話管理控制面功能

MME中會話管理相關(guān)控制面功能遷PGW同時具備用戶面和控制

移到SMF中；面功能

PGW中策略管理等相關(guān)控制面功能

遷移到SMF中；不利于實現(xiàn)SDN和NFV等技術(shù)

UPF獨立承擔(dān)用戶面功能

33

基于服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)啟示

移動通信網(wǎng)絡(luò)從“專用網(wǎng)絡(luò)

”向開放的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。從“

傳統(tǒng)網(wǎng)元網(wǎng)絡(luò)功能Servicediscovery提供什么你用什么”向“你

MaintainstheNFprofile需要什么我提供什么”轉(zhuǎn)變

NRF。

網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)2

網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)1

傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)

NEFNRFPCFUDM消費者

AUSPAMFSMFAF節(jié)點1

服務(wù)2+1服務(wù)1服務(wù)2

節(jié)點2服務(wù)2服務(wù)1

傳統(tǒng)網(wǎng)元功能大而全，導(dǎo)致硬件專

eNBSGWPGWPCRF節(jié)點3生產(chǎn)者用性強(qiáng)，成本昂貴

傳統(tǒng)網(wǎng)元屬于專用硬件，功能與硬件耦

特征

合，無法實現(xiàn)獨立升級和演進(jìn)

傳統(tǒng)網(wǎng)元拆分；傳統(tǒng)網(wǎng)元間的信令/數(shù)據(jù)路徑復(fù)雜，

網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)自動化管理；不利于降低處理時延

網(wǎng)絡(luò)通信路徑優(yōu)化；

網(wǎng)元間通信機(jī)制優(yōu)化傳統(tǒng)網(wǎng)元間采用專用接口，兼容性和

擴(kuò)展性不強(qiáng)

34

業(yè)務(wù)多樣性能力增強(qiáng)

啟示

“一網(wǎng)多用”、“專網(wǎng)專用

”的思路已經(jīng)不再適用于差

異化巨大的業(yè)務(wù)需求

業(yè)務(wù)需求的差異擴(kuò)大，從技術(shù)層面看，

特征