5G-科普

通信基础

什么是通信

简单来说通信是指人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递。

通信系统一般模型

• 信源
  位于发送端，负责将原始信息转换为电信号。

• 发送设备
  发送设备对信源发出的信息进行必要的检错和纠错编码等处理后，将其转换成适合在信道上传输的信号，发送到信道上。一般要经过信源编码、信道编码、交织、脉冲成形、调制等步骤。

• 信道
  信道就是指信息的传输通道。
  可以分为：

  • 有线信道：电（双绞线/网线）和光（光纤）
  • 无线信道：电磁波 通信行业有句话说：有线的资源是无限的，无线的资源是有限的。就是讲这个信道，有线信道无论是网线还是光纤都是可以无限扩张的（碍于成本），但是无线信道电磁波的频段是有限的。

• 接收设备
  接收设备负责从信道上接收信号，进行检错和纠错处理后，将信息恢复出来发给信宿。一般要经过解调、采样判决、去交织、信道译码和信源译码等步骤。

• 信宿
  位于接收端，负责将电信号转换回原始信息。

数字通信系统模型

• 信源编码：
  模／数转换，将模拟信号数字化，再进行压缩编码，尽量剔除冗余信息，减少对信道的占用

• 加密：
  对数字信号加密，保证信息安全

• 信道编码：
  主要是增强抗干扰能力，通过添加冗余信息，以便在接收端进行纠错处理，解决信道的噪声和干扰导致的误码问题 信道编码和信源编码刚好相反，信源编码是把东西压得扁扁的，压得小小的，而信道编码是往你要寄的东西里面塞东西，塞东西是为了防止破损

• 数字调制：
  将信息承载到满足信道要求的高频载波信号上的过程就是调制。
  以无线通信为例，由电磁波理论可以知道：天线尺寸为被辐射信号波长的十分之一或更大些，信号才能被有效地辐射。用语音信号举个例子，人能听见的声音频率范围为20Hz~20kHz，假定要以无线通信方式直接发送一个频率为10kHz的单音信号出去。该单音信号的波长为： （C：光速，f: 频率）
  波长为30公里，天线是它十分之一的话也就是3公里，显然这样的天线是不存在的。所以需要通过调制将信号频谱搬移到较高的频率范围。
  另外一点调制把低频的信号变成高频信号带来了效率的提高，举个例子，假如电磁波是低频的，它传输的数据量就很小，假设一秒钟是1000HZ的，那么就是1秒中有1000个正弦波，能表示1000个字符，那如果是高频信号，1秒中是10万次的，那1秒钟就可以表示10万个字符。

所有的通信过程其实只做了三件事：编码、加密、调制

数字信号和模拟信号

• 模拟信号： 某一电参量（幅度、频率）在一定取值范围内连续变化的信号
• 数字信号： 某一电参量（幅度、频率）在一定取值范围内跳跃变化，仅有有限个取值的信号

模拟信号结构复杂，抗干扰能力差，而数字信号结构简单，抗干扰能力强，总之数字信号比模拟信号好。

模/数信号转换

模拟信号转数字信号原理就把连续的信号变成0，1，0，1，就是在一秒内对它做多次采样，然后在这个数据记录为一秒的数据，然后通过量化，编码变成数字信号。

以上图为例，模拟信号通过10次采样，然后通过量化1秒值为2，2秒值为3，3秒值为5.....，再通过编码将1秒值2编码成010，2秒值3编码为011，.....，就可以得到一个数字信号。

基带和射频

手机中有SOC芯片的东西，相当于CPU，但是比CPU更牛，它有显卡和网卡的功能，这个网卡的功能就分为基带和射频。

上图是基带和射频的工作流程

1. 声音过来之后经过转换变成数字信号
2. 然后是加密/信道编码
3. 然后通过调制将基带信号（就是频率很低的信号）变成指定的高频率信号（比如用的移动网络假如是2.6GHZ，那就要调制到2.6GHZ才可以用移动的网络发出去）
4. 通过功率放大器把信号放大
5. 通过滤波器过滤杂波的。因为功率放大器把信号放大之后正确信号和一些杂波信号都被放大
6. 三角型天线发出去
7. 基站收到信号发给手机，下面就是一个逆过程

移动通信网络基础

移动通信网络可以分为接入网、核心网和承载网3个部分

• 接入网
  接入网是通信网络最靠近用户终端（例如手机、可穿戴设备、物联网设备）的部分，负责将用户终端都连接上。无线通信里的接入网又称为RAN（Radio AccessNetwork，无线接入网）。基站（Base Station）就是RAN的主要组成部分。

• 核心网
  核心网（Core Network），缩写为CN。目前行业内外对核心网并没有一个准确的定义。简单来说，可以理解为是一个“非常复杂的加强版路由器”。它负责对基站收集上来的数据进行处理，然后发送到外部网络（例如互联网）。同样，它也负责将外部网络的数据传输给基站。所有手机终端的网络使用权限都归核心网管理。它是整个移动通信网络的“管理中枢”。需要注意的是，核心网并不是某种特定的设备，它是很多种设备网元（网络单元）的统称。不同的核心网网元有不同的功能，不同通信网络的核心网网元数量和架构也大不相同。

• 承载网
  如果说接入网是一个人的四肢，核心网是大脑，那么，承载网（BearerNetwork）就是这个人的血管和神经。它专门负责传输网元之间的数据，包括接入网和核心网之间的数据，以及接入网、核心网内部网元之间的数据。

5G

什么是5G

• 法定名称
  5G，第五代移动通信技术（5th-Generation），法定名称是 IMT-2020

• 标准制定和颁布
  谁有资格颁布5G标准：ITU（国际电信联盟）
  谁负责5G标准的具体研究和制定：3GPP组织（第三代合作伙伴计划）

  
  3GPP将5G标准制定分为两个阶段：

  • 第一个阶段
    发布的是3GPPR15（ Release 15）版本，重点是确定eMBB场景的相关技术标准。也就是说，先重点满足带宽提升的要求。2019年上半年，这个阶段已经成功完成。

  • 第二个阶段
    发布的是3GPP R16（Release 16）版本，也就是完整的5G标准，包括与uRLLC和mMTC场景相关的技术规范。

1G-5G发展

自20世纪70年代末以来，移动通信经历了第一代模拟蜂窝网电话系统（可语音通话）、第二代数字蜂窝网电话系统（10kbit/s～200kbit/s语言和低速数据业务）、第三代移动通信系统（300kbit/s～50Mbit/s移动多媒体业务）、第四代移动通信系统（100Mbit/s～1Gbit/s移动带宽业务）。目前，第五代移动通信系统（多样化关键能力指标，从移动互联网到物联网）的规模部署已经迎来关键时期。

从1G到4G，人类的基本通信需求已经得到了很大程度上的满足。虽然我们已经满足了人与人之间的通信需求，建设了美好的数字生活，但是工业、农业、能源、科研、教育、医疗、物流、城市管理等领域都有数字化、信息化和网络化的需求。这就引出了一个重要的新概念——工业互联网（Industrial Internet）。消费互联网加上工业互联网，才是完整的互联网。

5G指标

ITU综合各国意见，确认了正式的5G指标要求。这一指标要求也被业界称为“蜘蛛网模型
这个图中，浅绿色的标记为 TMT-Advanced 的代表4G的关键性指标。而深绿色的标记为 IMT-2020 的代表着5G的关键性指标。与4G网络主要追求速率相比，5G网络主要关注三大关键性能指标，即体验速率更快、连接数密度更高、空口时延更低。

5G应用类型

2015年9月，ITU正式确认了5G的三大应用类型

• eMBB（enhancedMobile Broadband，增强型移动宽带）
  eMBB是现在的移动宽带的升级版，主要服务于消费互联网，主要场景包括4K/8K超高清视频随时随地直播和分享、虚拟现实（VR）/增强现实（AR）、随时随地云存储、高速移动上网等大流量移动宽带业务。在这种场景下，强调的是网络的带宽/速率。

• uRLLC（ultra-Reliable& Low-Latency Communication，低时延高可靠通信）
  uRLLC主要服务于物联网场景，例如车联网、无人机、工业互联网等。这种场景对网络的时延和可靠性有很高的要求。

• mMTC（massive Machine-Type Communication，海量机器类通信）。
  mMTC也被称为大规模物联网、大连接物联网，主要应对以传感和数据采集为目标的应用场景，是典型的物联网应用场景，例如智能井盖、智能路灯、智能水表、智能电表等设备的连接场景。mMTC具有小数据包、低功耗、海量连接等特点

5G典型应用场景的关键通信需求及其与5G场景的相关性

5G发展与应用趋势

• 云计算和云存储成为普适
  5G以高速率、大容量、低时延的特点，将改变现有互联网在手机登录设备终端计算的模式，将存储和计算都拉到“云”上，云计算和云存储将成为普遍的计算模式。

• 智能终端将发生变化
  智能终端的形态等也将向多样化发展。尤其是未来智能终端在人机交互中执行显示结果和数据采集的功能，逐渐只需要保留显示屏、摄像头、网卡、电池等必要的元器件，以轻便舒适的穿戴设备（VR眼镜等）的形态存在，VR智能终端将迎来大规模爆发。

• 互联网将向“3.0”进化
  互联网1.0，即“个人计算机+网线”，互联网的形态以单向的信息传输为主，即用户基本都是被动地接受互联网中的内容（像网络新闻、门户网站等等，网站做信息发布告诉网民，网民被动接受）。
  互联网2.0，即“移动互联网”，人们通过手机等智能终端即时双向传输信息，互联网社交成为主流，让互联网真正服务社会（社交网络、直播、短视频等等）。
  互联网3.0，借助5G网络进入未来AR/ VR，人们通过本能感官直接与虚拟世界交互，人沉浸在互联网中，变成互联网的一部分。

• 信息媒介将会发生巨大的变化
  5G时代，人机交互的方式将逐渐演变为虚拟世界和现实世界叠加在一起的“虚实相间、时空穿越”的新形态。由原来的 “事件信息—媒介—人” 传播形式改变为 “事件信息—人”，人们通过虚拟世界直接“沉浸在现场”。

• VR和物联网将全面融合
  “万物互联”将与VR界面全面融合，人类在虚拟世界中与虚拟对象互动，通过物联网（Internet of Thing，IOT）直接操控真实世界，做到足不出户而决胜千里。

5G 产业链

5G时代挑战

5G不仅考虑人与人，而且也考虑人与物、物与物。更快的体验速率、接近零延时、海量设备连接、高流量密度、更高速移动等性能挑战，以及更高的频谱效率、更低单位比特成本、更高效能等效率挑战，是未来5G面临的主要挑战。

5G 关键技术

无线空口

空口，就是空中接口。具体来说，就是手机终端和基站之间这个无线传输的部分。在5G中，这个部分被称为5G NR（New Radio，新空中接口）。
虽然通常把移动通信归类为无线通信，但事实上，整个移动通信系统中，真正通过无线信号进行数据传输的，只有接入网的空口部分，以及少量的承载网场景（在条件有限的地区，会用到微波和卫星传输）。
大部分的承载网以及整个核心网，是使用同轴电缆、双绞线（网线）、光纤光缆等实体线缆进行数据传输的。这些都属于有线通信。

无线空口关键技术

其实在有线介质上传播数据，想要高速很容易，在实验室中，单条光纤最大速度已达到26Tbps，是传统网线的两万六千倍。

而空中传播这部分，才是移动通信的瓶颈所在，所以提升无线空口性能是5G性能指标的重中之重，那无线技术是怎么助力 5G 关键性能指标的实现呢？
如果把无线空口看成是一个公路的话，想要让公路尽可能多地容纳和保障车辆的通行。而这个目标进一步拆解，就是两关键点就是提高车流量和提高峰值车流量。那最简单的就是加大公路路面。
5G也是如此，需要增加5G频谱资源，但是这个资源是有限的，所以还需要通过各种手段提高频谱效率，所以提升无线空口性能的关键点就可以归纳为：

• 如何增加频谱资源
  • 动态频谱共享
  • 毫米波
• 如何提高频谱效率
  • Massive MIMO（大规模天线阵列）
  • 波束赋形
• 如何增加流量密度，也就是流量通行效率
  • 部署多个微基站增加基站密度
  • D2D（Device to Device，设备到设备）

动态频谱共享

动态频谱共享指的是，5G 网络和现有的系统（比如说 4G）共用分配给现有系统（4G）的一段频谱。

就和潮汐车道很像，在有些地方，早晚交通高峰时段私家车不能占用这个公交专用车道，而在非高峰时段，私家车可以在这个公交专用道上行驶。

动态频谱共享也是这样，在 4G 网络有空闲的情况下，我们通过软件动态的方式把 4G 剩余的部分频谱资源分配给 5G 使用；在 4G 网络繁忙的时候，再把分配给 5G 的频谱资源释放出来供 4G 使用。

通过这样动态的方式，同一段频谱资源能够分别分配给 4G 系统和 5G 系统使用，这样也能增加总体的数据流量。

毫米波

无线通信的基础是电磁波。利用电磁波可以在空气甚至真空中自由传播的特性，将信息加载在电磁波上，就实现了信息的无线传输。电磁波的物理特性是由它自身的频率决定的。
为了避免干扰和冲突，将不同频率范围的波分配不同的用途

一直以来，公共移动通信（1G-4G）一直用的是高频到超高频段。原因有两个方面，一是因为低频段的频率资源过于稀缺，高频段的频率资源更为丰富；二是因为高频段通信能实现更高的传输速率。

5G时代，无线通信使用的电磁波频率就更高了。
5G的频率范围分为两种：
一种是FR1频段，工作频率在6 GHz以下（后来3GPP将该频段改成7.125 GHz以下），这个频段也叫Sub-6 GHz频段，它和4G工作频率的差别不算太大；
另一种是FR2频段，工作频率高出很多，在24 GHz以上

我国已完成5G FR1频率分配，三大运营商频段分配如下：
中国移动：2515MHz-2675MHz共160MHz，频段号为n41，以及4800MHz-4900MHz共100MHz，频段号为n79；
中国电信：3400MHz-3500MHz共100MHz，频段号为n78；
中国联通：3500MHz-3600MHz共100MHz，频段号为n78；

高频率能带来更高的网速，为什么之前我们不用高频率呢？原因很简单，不是不想用，而是用不起。电磁波有个重要公式：光速=波长×频率。以 5G FR2频段为例，国际上使用 28GHZ计算，波长为10.7mm
这就是5G的第一大撒手锏——毫米波，而电磁波波长越短，绕障碍物越差，这就意味着基站信号的传输距离大幅缩短、覆盖能力大幅减弱的后果。因此，要让信号覆盖同一个区域，5G网络需要的基站数量将远远超过4G网络。

微基站

为了尽可能减轻网络建设方面的成本压力，5G使用了微基站。 基站按大小和天线发射功率，通常分为宏基站、微基站、皮基站和飞基站。微基站、皮基站和飞基站都很小，所以后两者通常也被笼统地归为微基站。

微基站此前已被广泛使用会不会对人体造成影响？回答是不会的。 就比如一个寒冷的教室里，采用一个大取暖器，离取暖器近的同学会很热，离取暖器远的同学会很冷。如果采用多个小取暖器，各个位置的同学获得的热量会比较均衡，大家都会比较舒服。
同样的道理，如果只采用一个大基站，离得近、辐射大，离得远、没信号，反而不好。5G基站的信号覆盖范围比较小，大量采用微基站是必然的选择。

5G 组网搭配 ———— 宏微结合，深度覆盖

Massive MIMO（大规模天线阵列）

天线长度为波长的1/10～1/4。5G的波长达到毫米级，那么天线长度也是毫米级，可以藏在手机内部，甚至可以藏多根，这也是为什么1G时代大哥大天线很长，而现在手机看不到天线的原因。
Massive MIMO（大规模天线阵列）。MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）就是多根天线发送，多根天线接收。采用天线阵列技术除了增加速率、带宽之外，还可以有效提升无线信号的覆盖效果。

研究发现：多天线通信可以提高无线信号的传输质量。无线信号在空间传播如同船在水中行驶，路损（在空间传播过程中，无线信号的质量会出现衰减，这种被称之为“路损”）就相当于水对船产生的阻力；天线以一定功率发送无线信号，如同船桨克服水阻推动船前行。

波束赋形

基站发射信号的时候，比较像灯泡发光。然后我们不需要照亮整个房间，只想照亮某一块区域，这样的话，其实大部分的光都被浪费了。基站发射信号也是一样的。所以就有了5G的撒手锏——波束赋形（Beamforming）

简单了解一下原理：
波束赋形的物理学原理，其实就是波的干涉现象。即频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。
比如你在水面距离较近两点扔块石子，两点激起水波，两朵涟漪不断散开，然后交叠起来，形成了下面的图样。

可以看出，如果波峰和波峰，或者波谷和波谷相遇，则能量相加。这种情况叫做相长干涉。反之，如果波峰和波谷相遇，两者则相互抵消。这种情况叫做相消干涉。
其实天线就在做这样的事情。天线内部排布着一系列的电磁波源，称作振子，或者天线单元。这些天线单元也利用干涉原理来形成定向的波束。

D2D（Device to Device，设备到设备）

在目前的移动通信网络中，如果两个终端之间通信，信号（包括控制信令和数据包）是通过基站进行中转的。即便两个终端离得很近，甚至面对面，也是如此。而在5G时代，出现了 D2D（Device to Device，设备到设备），同一基站覆盖范围内的两个终端，如果在相互之间距离满足条件的情况下进行通信，它们的数据将不再通过基站转发，而是直接从终端到终端。节约了空口资源，也减轻了基站的压力，有利于降低成本和提升效率。

5G网络架构革新

网络切片

5G的业务范围非常宽泛，不同的业务场景对带宽等网络资源的需求是完全不同的。5G网络不可能根据每个业务来配置各自独立的物理设施，而是在物理网络中通过逻辑控制来划分不同用途的逻辑网络，支撑不同的应用，这就是网络切片。其实就是为了让资源更好的利用。

NFV（Network Functions Virtualization，网络功能虚拟化）

5G之所以能够实现网络切片，离不开NFV技术和SDN技术的帮助。NFV是虚拟化技术，虚拟化是云计算技术的核心。所谓云计算，就是将计算资源从本地迁移到云端，实现“云化”。主要应用于核心网和接入网。

移动通信网络，尤其是核心网，是由很多网元组成的。这些网元本身就是一台定制化的“服务器”。
以前，这些网元都是各个厂商自行设计制造的专用设备。现在，随着x86通用服务器硬件能力的不断增强，通信行业开始学习IT行业，引入云计算技术，使用x86通用服务器替换厂商专用服务器，将核心网“云化”。核心网的架构设计也借鉴了IT行业的微服务理念，演进为SBA（Service-BasedArchitecture，基于服务的架构）。

采用NFV技术，将通信设备网元云化，可以实现软件和硬件的彻底解耦。运营商不再需要购买专用硬件设备，大幅降低了对硬件的资金投入。NFV技术还具备自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等优点，可以大幅提升网络运维效率、降低风险和能耗

SDN（Software Defined Network，软件定义网络）

SDN的设计思路其实和NFV一样，都是通过解耦来实现系统灵活性的提升，SDN用于承载网，是控制面和转发面解耦。 承载网的核心功能就是传输数据。传输的过程就是不断路由和转发数据报文。

传统网络中，各个路由转发节点（路由器）都是独立工作的，内部管理命令和接口也是厂商自己定制的，不对外开放。需要对每个网络设备单独进行配置。

而SDN就是在网络之上建立一个SDN控制器节点，统一管理和控制下层设备的数据转发。所有下级节点的管理功能被剥离（交给SDN控制器），这些节点只剩下转发功能。整个传输网络的灵活性和可扩展性大大增加，非常有利于5G网络切片的快速部署。

MEC（Mobile EdgeComputing，移动边缘计算）

MEC是移动通信技术与云计算技术深度融合的产物。
前面曾提到云计算是将计算资源集中到云端，进行集中管理调配的一种方式。
这种方式也有缺点：
首先是上层网络的数据流量太大。随着智能手机和传感器数量的增长，终端每天产生的数据量大幅增加。如果采用云计算的方式，这些海量的数据都将从终端传送到云端。城域网和骨干网将承受巨大的带宽压力，增加了运营商和服务提供商的运营成本。
其次是时延问题，时延是由电磁波传输速率的物理限制造成的。如果终端和云端之间的距离较远，将不可避免地产生较高的传输时延。对时延敏感型应用场景（例如车联网）来说，这是不可接受的。

MEC就是在整个移动通信网络靠近终端的地方，部署一个轻量级的电信级计算中心节点来提供计算服务。MEC将云计算从云端拉到了离用户更近的位置。

5G接入网

所谓接入网，就是把所有终端（例如手机）都连接到通信网络里面的这个功能性网络。无线通信里的接入网又被称为无线接入网，也就是通常所说的RAN。
本质上无线接入网的作用就是完成有线信号和无线信号之间的转换，通过电磁波，让手机和网络建立联系。基站是RAN的主要组成部分，必须完成的工作包括编码解码、调制解调、加密解密、发射无线信号、接收无线信号等。

基站变化

早期基站编码调制的功能都被“打包”塞在一个柜子或一个机房里。负责收发无线信号的天线被挂在室外高处。机柜和天线之间，通过馈线进行连接。

后来，为了让功能的使用更加灵活，也为了产业生态更加开放，柜子被拆分。负责信号调制的部分变成了BBU（Baseband Unit，基带处理单元）；负责射频处理的部分变成了RRU（Remote Radio Unit，射频拉远单元）。于是，基站变为以下4个部分：BBU（主要负责信号调制）；RRU（主要负责射频处理）；馈线（连接RRU和天线）；天线（主要负责线缆上的导行波和空气中的空间波之间的转换）。

基带处理单元BBU： 完成信道编解码、基带信号的调制解调、协议处理等功能，同时需要提供与上层网元的接口功能。

射频处理单元RRU： 是天线系统和基带处理单元沟通的中间桥梁：接收信号时，RRU将天线传来的射频信号经滤波、低噪声放大、转化成光信号，传输给BBU；发送信号时，RRU将从BBU传来的光信号转成射频信号通过天线放大发送出去。

天线系统： 主要进行信号的接受和发送，是基站设备与终端用户之间的信息能量转换器。

RRU和BBU分离后，RRU的位置变得更加灵活。后来RRU被搬到了天线的身边。这也被称为“RRU拉远”。 “RRU拉远”优点是：

• 大大缩短了RRU和天线之间馈线的长度，可以减少信号损耗，也可以降低馈线的成本。
• 可以让网络规划更加灵活。毕竟RRU加天线的体积比较小，可以想怎么放就怎么放。

RRU拉远之后的RAN，我们称之为D-RAN（Distributed RAN，分布式无线接入网）。

为了摆放BBU和相关的配套设备（电源、空调等），运营商需要租赁和建设很多的室内机房或方舱。这带来了很高的使用成本和维护成本，为了节约成本，又把BBU进行了改造，运营商就想出了C-RAN（Centralized RAN，集中化无线接入网）

相对于 D-RAN ，C-RAN 把BBU全部放在中心机房里。 一大堆原本分布于各处的BBU变成了一个集中的BBU基带池。运营商租赁的接入站点机房数量大幅减少，成本也随之大幅下降。
根据统计，整个移动通信网络中，基站的能耗占比大约是72%。而基站中，空调的能耗占比大约是56%。也就是说，运营商的钱大部分都花在基站的机房建设和电费上了。

C-RAN的优势

• 通过集中化的方式，可以大幅减少基站机房数量，减少配套设备（特别是空调）的能耗。机房少了，租金就少了，维护费用也少了，人工费用也跟着减少了。
• BBU变成BBU基带池之后，性能更强大了，可以进行统一管理和调度，资源调配更加灵活。
• C-RAN模式，实体基站变成了虚拟基站（BBU是专门的硬件设备，非常昂贵。现在找个x86服务器，装上VM（Virtual Machine，虚拟机），运行具备BBU功能的软件，就能把它当作BBU用）。所有的虚拟基站在BBU基带池中共享用户的数据收发、信道质量等信息。强化的协作关系使联合调度得以实现。这被称作多点协作传输。

5G时代，需要很多基站，为了成本更低的支持分片，接入网发了变化，接入网不再由BBU、RRU、天线等组成，而是被重构为以下3个功能实体：

• CU（Centralized Unit，集中单元）：原BBU的非实时部分被分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务。
• DU（Distributed Unit，分布单元）：BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务。
• AAU（Active Antenna Unit，有源天线单元）：BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为AAU（注意：有源是需要供电，无源不需要，传统天线是不需要供电的）

注意： 5G接入网的网元即AAU、DU、CU之间，是由5G承载网负责连接的。不同的连接位置有自己的名字，分别叫作前传、中传、回传。

5G 新架构，将会更有利于部署接入网的网络切片，满足5G差异化服务的需求。

依据5G标准，CU、DU、AAU可以采取分离或合设的方式，所以会出现多种网络部署形态。
下面介绍4种较常见的网络部署形态，依次如下：

1. 与传统4G宏基站一致，CU与DU共硬件部署，构成BBU单元；这种方案的优点是传输时延小。对于5G的URLLC业务，适合采用此方式，因其要求极低的时延（如自动驾驶）。

2. CU/DU分离，CU集中部署在综合接入机房，DU部署于基站机房。CU和DU按1:N比例配置。此方案的优点是可以共享基带资源，节省了CU的设备投资，并利于基站间的干扰协调。对于eMBB和mMTC业务适合采用此种方式。
   

3. CU/DU分离，CU集中部署在汇聚机房，DU部署于综合接入机房。CU和DU按1:N比例配置。与方案2相比，此方案的优势在于无需新建基站机房，适用于5G高密度组网

4. CU/DU合设，集中部署在综合接入机房。CU和DU可按1:1比例配置，也可按1:N比例配置。此方案也不需建设基站机房，与方案3相比，具有更低的时延

另注：综合机房和汇聚机房区别，综合机房可以看做普通的机房，汇聚机房可以看做班组长，汇聚机房的设备高于综合接入机房，表面上看，汇聚机房的走线架较多，电池组会增多，比一般的机房多很多设备，直观感受就是大，汇聚下挂1个到多个综合接入站点，最多能到7个。

5G承载网

承载网是专门负责承载数据传输的网络。如果说核心网是大脑，接入网是四肢，那么承载网就是连接大脑和四肢的神经网络，负责传递信息和指令。

从1G到4G，承载网经历了从低带宽到高带宽、从小规模到大规模、从高时延到低时延的巨大变化。到了5G时代，现有承载网工作起来仍然有些力不从心，所以承载网需要做几下几个方面革新：

• 大带宽
• 低时延、高可靠
• 高精度同步能力
  5G对承载网的频率同步和时间同步能力提出了很高的要求。
• 易于运维
  5G承载网将会无比巨大，设备数量多，网络架构复杂
• 低能耗
  网络既要足够强大，又要尽量省电。省电就是省钱
• 支持网络切片

承载网结构

从整体上来看，除了前传，承载网主要由城域网和骨干网组成。而城域网又分为接入层、汇聚层和核心层。接入网传过来的所有数据，最终通过逐层汇聚，到达顶层骨干网。

5G核心网

核心网是一个集合，是很多“具有特定功能的设备”的统称。
通信网络中，接入网是“窗口”，负责把数据收上来；
承载网是“卡车”，负责把数据送来送去；
核心网就是“管理中枢”，负责管理这些数据，对数据进行分拣，然后告诉它该去何方。
而对数据的处理和分发，其实就是“路由交换”，这是核心网的本质。

核心网架构演进

1. 最早的时候，固定电话网的核心网就是把电线两头的电话连接起来，这种交换非常简单。

2. 随着用户增多，网络范围越大，网络开始分层，出现了网元（Net Element，缩写为NE，是具有某种功能的网络单元实体。）
   这个时候需要识别和管理用户，即只有授权的用户才能使用，所以出现了和用户相关的网元，它们核心任务就是：认证、授权和记账（记录做了哪些事，然后收钱）

3. 后来有了无线通信，于是从电话线变成了无线电波，无线接入网诞生，核心网也发生了变化。2G时期的网络架构如下图，MSC（MobileSwitching Center, 移动交换中心） 就是2G核心网的最主要设备。HLR（HomeLocation Register，归属位置寄存器）、EIR（Equipment Identity Register，设备标识寄存器） 用于鉴权用户身份。 请注意，VLR（VisitorLocation Register，漫游位置寄存器，也称访问位置寄存器） 是一个功能实体，VLR和MSC是同一个硬件设备，相当于一个设备“扮演”了两个角色。HLR/AUC（Authentication Center，鉴权中心） 也是如此，HLR和AUC是一个硬件设备，它具备两种功能。

4. 2G和3G之间有个2.5G，出现了GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务），2G 只能打电话和发短信，有了GPRS后，开始提供数据（上网）业务。核心网发生了变化，出现了PS（Packet Switch，分组交换，也称包交换） 核心网。

5. 到了3G，基站首先发生了变化，3G基站由RNC（Radio Network Controller，无线网络控制器） 和NodeB 组成。 然后，3G时期，设备商硬件平台进行了升级。除此之外，还有两个很重要的思路变化。

   • 第一个思路变化是IP化
     3G之前采用的是TDM（时分复用）电路，使用E1线缆和中继电路。而IP化的“IP”指的是TCP/ IP，使用以太网。这一思路的转变表现在开始大量使用网线、光纤，设备的外部接口和内部通信都开始围绕IP地址和端口号进行改造。

   • 第二个思路变化是分离
     具体来说，就是网元设备的功能开始细化，不再是一个设备集成多个功能，而是拆分开，各司其职。

     拆分的第一步叫作承载和控制分离。通信系统中存在用户面和控制面；用户面是用户的实际业务数据，诸如语音数据和视频流数据。而控制面是用于管理数据走向的信令、命令。在通信设备内部，这两个面就相当于两个不同的系统。
     

6. 3G发展到4G，硬件平台又一次升级，出现了ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture，先进电信计算架构）/ ETCA（EnhancedATCA，增强型ATCA） 。ATCA平台使用了 IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统），它的出现了，取代传统电路域核心网（也就是MSC），提供了更强大的多媒体服务（语音、图片短信、视频电话等）。

7. 5G核心网采用的是基于服务的架构。这种架构是基于云原生构架设计的，借鉴了IT领域的“微服务”理念，把原来具有多个功能的整体分拆为多个具有独立功能的个体，每个个体实现自己的微服务。这样的变化导致网元的数量大增，但是5G使用虚拟化技术，硬件都是虚拟化的，所以，网络容易扩缩容。

   简而言之，5G核心网就是进行了模块化、软件化。5G核心网之所以要模块化，还有一个主要原因是为了进行“切片”。

以上就是5G的演进过程，简单概括就是拆分、软件化。

5G手机和4G手机

想要使用5G，必须要5G手机，那么4G手机和5G手机有什么区别呢？
其实4G手机和5G手机除了通信模块有区别之外，其他的并没有区别。

从通信目的来看，智能手机通常由两大部分电路组成：一部分是负责高层处理的AP（Application Processor，应用芯片），相当于计算机；另一部分就是BP（Baseband Processor，基带芯片）

我们用手机打电话、上网、发短信等，都是通过上层处理系统下发指令给基带部分，并由基带部分处理执行的。基带部分完成处理后，会在手机和无线网络间建立一条通道，我们的语音、短信或上网数据包都是通过这个通道传送出去的。
基带芯片并不仅仅是基带部分，它还包括射频部分。基带部分负责信号处理和协议处理，射频部分负责信号的收发。厂商通常直接把射频芯片和基带芯片放在一起，统称其为基带芯片。

所以，我们现在的手机的芯片都是高度集成化的，通常被称为SoC（System on a Chip，单片系统）芯片。例如，高通的骁龙芯片、华为海思的麒麟芯片，以及联发科技的天玑芯片等，都属于SoC芯片。

通信模块除了 基带芯片和射频芯片之外，还有一个小玩意就是天线，现在手机看不到天线了，前面也说过由于频率越高，波长越小，而天线是波长的1/10 - 1/4，所以天线就越来越小，隐藏在手机里面了。

所以区别在于：

• 天线方面
  4G手机和5G手机天线的长度有区别，而前面说过为了进一步增加空口速率，引进了Massive MIMO天线阵列技术，这样5G手机里面的天线数量会有所增加。

• 接受频段的数量
  4G和5G手机接受频段的数量不同，5G需要支持2G的GSM和CDMA，3G的EVDO和WCDMA，4G的TD-LTE和FDD-LTE，还需要支持5GNR，一共7种手机制式（手机制式就是指手机支持使用的运营商的网络类型），而且由于三大运营商的制式不同，还需要支持多个频段（从1G到5G的频段）。

• 辐射控制
  5G手机要控制自身电磁辐射对用户的影响，为此，采取智能SAR（Specific Absorption Rate，即电磁波比吸收率）解决方案。采用这种方案，手机将会对天线的收发功率进行灵活控制，以降低电磁辐射。

• 其他方面
  另外5G手机在空间布局方面、电磁兼容方面、存储速度方面、外壳材料方面相对于4G手机都有改进。

5G网络建设的困难和顾虑

参考资料： 《5G通识讲义》、《一本书读懂5G》