5g基礎知識介紹：5G網絡切片到底切的是什么？

5G是第五代移動通信標準，由國際電信聯盟組織（ITU）制訂，5G的正式名稱為IMT-2020。5G的愿景是實現萬物互聯，不再像之前的幾代移動通信標準在速率上做提升。

5G綜合考慮了峰值速率，用戶體驗速率，頻譜效率，移動性，時延，連接密度，網絡能效，話務密度等技術指標。從下面的雷達圖上可以看出，5G需要支持20Gbit/s的峰值數據速率，用戶可以體驗到的帶寬達100Mbit/s，端到端的連接達到1ms的時延，10Gbps的小區吞吐量，每平方公里100萬連接密度，支持500km/h的高移動性服務等。

5G NR的三大應用場景

5G考慮到這么多性能指標，并不只是為了滿足個人業務的發展，因此，也為其劃分了三大應用場景:

增強移動帶寬（eMBB）

海量連接（mMTC）

高可靠低時延（uRLLC）

增強型移動帶寬:這種應用場景下有高的數據流量需求，比如AR增強現實、VR 虛擬現實，還有4K、8K超高清的視頻，這些應用目前受流量限制，因此，還不能有很好的用戶體驗。

海量連接: 這種應用場景下有大量設備的連接需求，不再是現在的手機終端的連接，而是面向更多其他設備的連接，實現人與物的連接，物與物的連接，也就是物聯網。比如，智慧城市，智能建筑等。

高可靠低時延:這種應用場景主要體現在一些對時延要求低的特殊行業，比如，自動駕駛，工業控制，遠程醫療等。

5G NR的頻譜分布

任何無線通信業務傳輸都離不開無線頻譜，它是信息傳輸的載體，就像是我們周圍的道路，要實現之前所述的三大應用場景，就需要比以往更多的頻譜資源，然而頻譜資源確是有限的，在5G當中分配了兩個區域的頻譜資源FR1和FR2。(FR: Frequency Range)

5G NR頻譜分布

FR1: 是5G的主要頻段，因為這個頻段低于6GHz，稱為Sub6G。頻率范圍從450MHz到6000MHz，頻率低，穿透能力強，覆蓋效果更好，這個頻段是無線通信的黃金頻段。

目前中國在建的5G也是在這個頻段里，各大運營商的主要頻段分布具體可參考下圖，包括廣電在內現在也在涉足5G，其擁有700MHz的頻譜資源，可謂是黃金中的黃金頻譜。

頻段劃分

聯通電信所使用的是目前全球很多國家的5G廣泛采用的n78 3.5GHz頻段，其產業鏈條較為成熟，因此，電信聯通可以使用相對較低的成本去部署5G網絡。而移動使用的n41頻段和n79頻段不管從芯片或者設備上來說都不如n78成熟，需要花費大量的精力去推動這個頻段的產業鏈的發展。

FR2: 是5G的擴展頻段，因為這個頻段的頻率高可達到28GHz，波長達到毫米級別，稱為毫米波。其頻率范圍從24250MHz到52600MHz，這個頻段頻譜豐富，可實現超大帶寬，頻譜也較為干凈，干擾小。

5G NR頻譜分布

"NSA"和"SA"真假5G?

5G的部署是個漸進的過程，建設進度上不會那么的快完成，同時也為了利用現有4G普及的優勢，不僅可以節省成本還能快速部署，因此在5G的組網方式上有兩種:?非獨立組網（NSA）和獨立組網（SA）。

"NSA"和"SA"

NSA（Non-Standalone）:是用現有的4G網絡，進行改造、升級和增加一些5G設備，4G核心網/5G核心網+4G基站+5G基站的組合模式。對于NSA來說可有下圖這幾種組網組合模式，包括3系，4系和7系。

3系，4系和7系組網

SA（Standalone）: 是一套全新的5G網絡，包括全新的核心網和基站設備，引入了全新網元與接口，并大規模采用網絡虛擬化、軟件定義網絡等新技術。目前其主要有以下兩種組合模式，包括2系和5系。

2系

5系

NSA和SA兩組組網方式，也使得5G網絡有更豐富的網絡構架。

總體上來說，非獨立組網比獨立組網更加快速并且更節省部署成本，能為運營商更快的搶占市場。但是非獨立組網要比獨立組網復雜得多，在NSA組網下，5G與4G在接入網級互通，組網復雜度大大增加，在NR-NR，NR-LTE切換時延上也會高于SA這種獨立組網，這也將使5G的應用將會有一定的限制。

但是NSA也并不是我們平時所說的假5G，不過，最終還是向SA組網方式發展，我們也將會感受到這個漸變的過程中給我們的生活所帶來的變化。

5G幀結構

5G NR與LTE相同，無線幀和子幀的長度固定，幀（Frame）的時間仍然是10ms; 每幀從0~9有10個子幀（Subframe），每個子幀時間為1ms; 每幀有兩個半幀，0~4為1個半幀，5~9為1個半幀。但是，同時又為了能夠使得5G滿足更多的應用場景，5G NR定義了更加靈活的其子構架，即時隙和字符長度可根據子載波間隔靈活定義。

5G幀結構

從子載波間隔上看，LTE只支持15KHz一種子載波間隔，5G NR支持多種子載波間隔，有15KHz ，30KHz，60KHz，120KHz，240KHz，可參考下圖所示。

另外，1個RB由12個子載波間隔組成。不同子載波間隔，支持RB數量如下表:

5G NR的中不同的子載波間隔，其對應子幀的時隙（slot）長度也不同。隨著子載波間隔變大，時隙長度變小。

在LTE中，上下行的配置是以時隙也就是子幀為單位，包含上行子幀，下行子幀和特殊子幀，特殊子幀包含上下行轉換點，轉換周期是5ms或10ms。在5G NR中，上下行配置是以符號為粒度，配置更加靈活。

在正常CP的情況下，每個時隙（slot）卻有相同的OFDM符號（symbol）數，都為14個。每個時隙可以為下行符號D，上行符號U和靈活符號X這三種符號。以15kHz為例，OFDM符號長度為66.67微秒，14個OFDM符號總共14*66.67=0.93338ms，1個時隙長1ms，所以剩下的時間就是CP的時間。

在擴展CP情況下，每個slot的symbol數是12個。

對于5G NR幀結構而言，還有以下幾點:

相位噪聲和多普勒頻移決定了15kHz作為下限，過小的子載波間隔會對頻偏過于敏感，會對不同子載波之間的正交性有一定影響。

在5種不同的子載波間隔中，60kHz不用于同步，240kHz不用于數據傳輸。60KHz有正常CP和擴展CP兩種配置。

對于6GHz以下頻段，采用15k、30k、60kHz子載波間隔配置。

對于6GHz以下頻段，采用120k、240kHz子載波間隔配置。

循環前綴CP決定了子載波間隔的最大值，因為子載波間隔越大，OFDM符號時長越短，CP也就越短，CP的作用之一是抵抗多徑時延，CP要大于最大多徑時延，所以過短的CP會無法克服多徑時延。

不同的子載波間隔支持物理信道的能力不同。談談5G幀結構

5G NR定義了許多不同的時隙格式，后續章節再進一步展開

5G調制方式

調制是將信源產生的信號轉換為適應于無線傳輸的形式的過程，是無線通信業務的一個重要流程。

調制解調

在無線通信中，信號是以電磁波的形式發送到接收端，那么電磁波是如何傳遞信息的呢？

電磁波可以用正弦波來描述，一個正弦波有3大特征，幅度，相位，頻率。可以利用電磁波的這3大特征來傳遞信息。

正弦波

所以這里的調制就是用基帶信號去控制載波信號的幅度，頻率，相位這幾個參量的變化，將信息荷載在到載波上形成已調信號。因此，在數字信號調制中有三種最基本的調制方式:

調幅（ASK）:載波幅度是隨著調制信號而變化的。

調頻（FSK）:用數字信號去調制載波的頻率。

調相（PSK）:根據數字基帶信號的兩個電平使載波相位在兩個不同的數值之間切換的一種相位調制方法。

調制方式

對于其他各種調制方法其實都是以上方法的改進或組合，例如:

正交振幅調制QAM就是一種幅度、相位聯合調制的技術，同時使用載波的幅度和相位來傳遞信息比特，將一個比特映射為具有實部和虛部的矢量，然后調制到時域上正交的兩個載波上，然后進行傳輸。每次在載波上利用幅度和相位表示的比特位越多，則其傳輸的效率越高。通常有4QAM，16QAM，64QAM，256QAM等。

正交調制

MSK是FSK的改進，GMSK又是MSK的一種改進，是在MSK（最小頻移鍵控）調制器之前插入了高斯低通預調制濾波器，從而可以提高頻譜利用率和通信質量；

OFDM是采用正交頻分復用技術對多載波的一種調制方法，將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到在每個子信道上進行傳輸。

OFDM調制

我們知道在GSM采用GSMK信號調制技術；3G、4G系統采用QAM、QPSK調制技術；那么5G采用什么調制技術，較之前的調制技術有哪些變化？

對比

從圖上可以看出，5G支持的調制更加豐富，主要有載波的相位變化，幅度不變化π/2-BPSK和QPSK的PSK調制方式，還有載波的相位和幅度都變化的16QAM, 64QAM和256QAM等QAM調制方式。

不過問題來了，有這么多種調制方式，我們怎么用圖形直觀的表示它們呢？其實，我們有個星座圖這個圖形工具可以用。

星座圖中的點，可以指示調制信號的幅度和相位的可能狀態，尤其當我們使用兩個載波(一個同相，而另一個正交)時。對于多電平ASK,PSK或QAM時，星座圖很有用。

星座圖

如上圖所示，在星座圖中，水平X軸與同相載波相關，垂直Y軸與正交載波相關。圖中每個點，可以包含4條信息。點在X軸的投影定義了同相成分的峰值振幅，點在Y軸的投影定義了正交成分的峰值振幅。點到原點的連線(向量)長度是該信號元素的峰值振幅(X成分和Y成分的組合)，連線和X軸之間的角度是信號元素的相位。所有需要的信息都可以從星座圖中得到。

下面是幾種調制方式的星座圖：

5G 波束賦形

波束賦形（Beamforming）又叫波束成型、空域濾波，是一種陣列定向發送和接收信號的信號處理技術，它既可以用于信號發射端，又可以用于信號接收端。波束賦形技術通過調整相位陣列的基本單元的參數，使得某些角度的信號獲得相長干涉，而另一些角度的信號獲得相消干涉，從而產生波束。其原理就是利用波的干涉，我們曾經物理中也學過波的干涉，當波峰和波峰，或者波谷和波谷相遇，則能量相加，波峰更高，波谷更深; 當波峰和波谷相遇，兩者則相互抵消。

基站發出的電磁波同樣也是波，通過干涉之后也會是類似的現象。

因此對于基站來說，如果天線的信號全向發射的話，基站周圍的手機只能收到有限的信號，大部分能量都會浪費掉。而如果能通過波束賦形把信號聚焦成幾個波束，專門指向各個手機發射的話，承載信號的電磁能量就能傳播地更遠，而且手機收到的信號也就會更強。5G頻段更高，尤其是毫米波頻段，覆蓋范圍更小，為了增強5G覆蓋，波束賦形應運而生。

為了獲得更加集中的信號，兩個天線對往往是不夠的，天線個數越多，電磁波傳播方向越集中，實現電磁波單方向傳播，在5G中我們通常會使用多天線矩陣。

關于多天線矩陣就要談到外一個概念Massive MIMO（大規模天線技術），是第五代移動通信（5G）中提高系統容量和頻譜利用率的關鍵技術。它最早由美國貝爾實驗室研究人員提出，研究發現，當小區的基站天線數目趨于無窮大時，加性高斯白噪聲和瑞利衰落等負面影響全都可以忽略不計，數據傳輸速率能得到極大提高。尤其是毫米波頻段，載波頻率的提高顯著加大了無線信號的傳播損耗，減少了天線的覆蓋面積，也大大減小了天線單元的物理尺寸，使得在相同的物理空間里能夠安裝更多的天線單元，從而可以使用天線陣列、波束賦形等技術加大無線信號的覆蓋范圍，補償路徑損耗。

波束賦形可分為兩種:?數字式波束賦形和模擬式波束賦形。

數字式波束賦形vs模擬式波束賦形

數字式波束賦形由于處理的是數字信號，因為傳播的電磁波是是模擬信號。所以對于下行鏈路其工作在DAC之前和上行鏈路工作在ADC之后，調整數字信號的幅度和相位權值，從而可以明確區分不同的波形，因此可以支持多通道多用戶的不同傳輸模式，可以并行獲得很多路不同的輸出信號，同時測量來自不同方向的信號。但是因此每條RF鏈路都需要一套獨立的DAC、ADC、混頻器、濾波器和功放器等。

模擬式波束賦形處理的是模擬信號，它是在發射端DAC之后完成波束賦形的信號處理，接收端ADC之前完成波束賦形。

如果5G NR的天線數量進一步增加，使用數字式波束賦形，那么每個天線單元上都必須有一個DAC或者ADC。如果有100個天線單元，那么就要有100個DAC或者ADC；這就讓天線變得非常臃腫復雜，功耗也大大增加。如果使用模擬式波束賦形，由于多路信號其實是對一個輸入信號的相位或者振幅調整，只需要在波束賦形處理矩陣之前有1個DAC或者ADC即可，因此硬件設計非常的簡單。

5G新接口協議

在2G和3G早期基站的架構，處理射頻信號的RRU和處理數字基帶信號的BBU都放在室內。因為天線是掛在塔上，由于鐵塔一般情況下有個幾十米到100米高，所以饋線也得幾十到100米長。然而信號的傳送是有損耗的，饋線越長損耗越大，從基站到天線信號還沒發出去就已經損耗掉了一多半。因此塔下的基站必須加大功率發射才能彌補這個損耗。這種架構最顯著的特點就是復雜，功耗大。

早期架構

在3G時代便誕生了一種新的構架，就是分布式站點，在4G時代分布式站點的普及才使得問題有了徹底的改觀。BBU小巧精致功耗低，而RRU體積龐大功耗高，把功耗高的RRU也掛在塔上和天線放一起，這樣就不用很長的饋線連接了，損耗小了功耗自然也就降下來了，自然散熱就可以。這就是新的分布式站點架構。

新架構

由于RRU和BBU分開離的很遠，連接和數據傳遞也會出現一定的問題。在2003年，由愛立信，諾西，阿朗，NEC，還有華為這幾個廠家發起，定義了通用公共無線電接口（CPRI）的協議，CPRI對其它組織和廠家開放。

CPRI是一種標準化協議，定義了無線基礎設施基站的射頻設備控制（REC）和射頻設備（RE）之間的數字接口。這實現了不同供應商設備的互操作性，保護了無線服務提供商的軟件投入。

CPRI接口

CPRI協議在BBU和RRU之間傳輸的物理層數據，不但包含了承載的數據，還含有大量物理層信息，并使這些信息分到了各個天線之上，數據量非常巨大。

在CPRI協議中定義了9中選項，最大速率可以達到12Gbps。

但是來到5G時代，新的應用場景需要，出現了Massive MIMO?AAU，載波帶寬大幅度增加，對CPRI提出了更高的要求。如下100M 64天線的就需要速率高達172.8Gbps，這還只是Sub6G頻段。

對于毫米波段則有著更大的帶寬，這勢必要需要對CPRI進行升級，這就是eCPRI。在通信協議棧上傳輸的數據會層層加碼，越到物理層數據量越大，那就如下圖所示，把在BBU上處理的數據上移一層（High Phy往上的BBU處理），下面的交給RRU去處理（Low Phy往下的RRU處理），這樣BBU和RRU之間的數據量就少了，能大幅降低前傳帶寬，但是RRU的復雜度也會提高。

ECPRI接口

按照前面所說的100M載波帶寬加64天線為例，采用CPRI協議需要172.8Gbps的光口速率，而如果是eCPRI的話，僅需要24.3Gbps的光口速率，帶寬也僅為原先的14%。

在未來的5G發展進程中，eCPRI將會是主流，讓我們期待更多的應用的出現。

5G如何建立連接？

UE為了與網絡取得連接，需要使UE和網絡取得上下行同步，當UE解碼出SSB，就已經取得了下行同步，為了建立上行同步和RRC連接，需要UE發起隨機接入，獲得上行授權（UL Grant），請求接入資源。這個過程我們叫做隨機接入，隨機接入是移動通信系統中非常重要的流程，也叫做RACH（Random Access Channel）。在5G NR中和LTE一樣同樣有兩種接入方式:

基于競爭的隨機接入（Contention Based Random Access）

基于競爭的隨機接入（Contention Free Random Access）

這里的“競爭”是什么意思呢？UE會以特定的模式發送PRACH Preamble，UE會隨機選擇其中的一個前導碼，當有多個UE的時候就會有可能出現多個UE選擇相同的前導碼，多個UE發送相同的前導碼同時到達基站的情況。這種沖突就是這里的所指的“競爭”。gNodeB使用競爭解決機制來處理這種類型的接入請求。

競爭隨機接入主要有四個流程，包括:

Random Access Preamble（MSG1）

Random Access Response（MSG2）

Scheduled Transmission（MSG3）

Contention Resolution（MSG4）

CBRA：基于競爭的隨機接入

步驟一：隨機接入前導碼傳輸（MSG1）

UE向基站發送前導碼

步驟二：隨機接入響應（MSG2）

基站在收到前導碼后，為TC-RNTI、上行鏈路和下行鏈路調度資源；然后，通過PDSCH發送隨機接入響應。

步驟三：調度上行傳輸（MSG3）

UE通過PUSCH發送上行鏈路調度信息。

步驟四：競爭解決（MSG4）

基站使用PDCCH上的C-RNTI或PDSCH上的UE競爭解決標識IE來幫助UE解決競爭的問題。

但是在某些情況下，競爭是不可接受的，基站會給UE分配前導碼，這樣就避免了競爭。這就是非競爭隨機接入。在基于非競爭的隨機接入中，基站分配的前導碼又稱為專用隨機接入前導碼。專用前導碼通過RRC信令（可以在RRC消息中指定分配前導碼）或PHY層信令（PDCCH上的DCI）提供給UE，不存在前導碼沖突。當專用資源不足時，基站指示UE啟動基于競爭的隨機接入。

非競爭隨機接入包括下面三個步驟：

Random Access Preamble Assignment

Random Access Preamble（MSG1）

Random Access Response（MSG2）

步驟一：隨機接入前導碼分配

基站向UE分配隨機接入前導碼。

步驟二：隨機接入前導碼傳輸（MSG1）

步驟三：隨機接入響應（MSG2）

基站發送隨機接入響應。

隨機接入會應用到多個場景中，尤其是切換過程，RRC連接重建等流程中，下面是隨機接入的一些應用場景：

初始RRC連接和RRC連接重建：基于競爭的隨機接入；

切換過程：優先選擇基于非競爭的隨機接入。如果所有專用資源都已經使用，可以選擇基于競爭隨機接入；

下行數據到達：優先選擇基于非競爭的隨機接入。如果所有專用資源都已經使用，可以選擇基于競爭隨機接入；

上行數據到達：基于競爭的隨機接入；

當沒有SR的PUCCH資源可用時，RRC連接期間的上行數據到達：基于競爭的隨機接入；

調度請求失敗：基于競爭的隨機接入；

從RRC-Inactive到RRC-Connected：優先選擇基于非競爭的隨機接入，如果專用資源都已經使用，則選擇基于競爭的隨機接入；

請求其他SI：基于非競爭的隨機接入；

波束失敗恢復：優先選擇基于非競爭的隨機接入，如果專用資源都已經使用，則選擇基于競爭的隨機接入。

5G網絡切片

什么是網絡切片？它是一種按需組網的方式，可以讓運營商在統一的基礎設施上分離出多個虛擬的端到端網絡，每個網絡切片從無線接入網承載網再到核心網上進行邏輯隔離，以適配各種各樣類型的應用。在一個網絡切片中，至少可分為無線網子切片、承載網子切片和核心網子切片三部分。

我們知道5G主要有三大應用場景，其服務是多種多樣的，比如，車聯網，工業自動化，遠程醫療，VR/AR等，這些不同的服務對網絡的要求不盡相同，有的需要低時延高可靠，有的需要高速率，有的需要多連接低移動性。5G網絡為了滿足這種多樣化的業務需求，就需要能夠將網絡劃分多個邏輯獨立的虛擬網絡，每個網絡具備不同的功能特點。可以靈活的不同的服務，靈活部署不同的服務，這些虛擬網絡相互隔離，一旦發生故障不會影響其他虛擬網絡。因此，網絡切片就需要有以下特性：

端到端的完整性

按需定制的靈活性

安全性隔離性