5G通信原理和通信框架
5G通信原理和通信框架
5G通信技术作为新一代移动通信技术，其原理和架构与4G相比发生了重大变化。本文将详细介绍5G通信的核心网络演变、架构组成、频谱划分以及控制平面和数据平面的工作原理，帮助读者全面了解5G通信技术的底层逻辑。
4G TO 5G
Core Networks：from EPC to 5GC
Base Station：from eNB to gNB
eNB:Evolved Node B，是LTE（Long-Term Evolution）网络中的基站设备。eNB是无线电接入网络的一部分，负责处理无线信号的传输和接收，以及与移动终端设备之间的通信。它提供无线覆盖和接入功能，与移动终端设备建立和管理无线连接。eNB还负责调度无线资源、处理通信协议、管理移动终端的移动性以及处理安全性和鉴权等功能。eNB在LTE和LTE-Advanced网络中起着关键的作用，是实现高速数据传输和较低延迟的关键组件。
5G Architecture
具体来说，5G服务架构分为几个部分：
1. Control plane function group
在5G通信架构中，控制面功能组（Control Plane Function Group）是负责处理网络控制和管理任务的一组功能单元。它包括以下几个主要组件：
1.1 AMF（Access and Mobility Management Function）：负责移动性管理和访问控制，处理与用户设备的注册、鉴权、位置跟踪和移动性管理等功能。
1.2 SMF（Session Management Function）：负责会话管理和策略控制，处理用户数据传输的会话管理、策略控制和 QoS（Quality of Service）管理等任务。
1.3 UPF（User Plane Function）：负责用户面数据传输，处理用户数据的转发和路由功能。
1.4 PCF（Policy Control Function）：负责策略控制和流量管理，根据策略规则对用户流量进行控制和管理。
1.5 UDM（Unified Data Management）：负责用户数据管理，包括用户配置信息、策略信息和鉴权数据的存储和管理。
1.6 NEF（Network Exposure Function）：提供开放的API接口，允许第三方应用程序访问和利用网络资源。
2. User plane function
在5G通信架构中，用户面功能（User Plane Function，UPF）是负责处理用户数据传输的关键组件。它在用户数据平面上执行以下主要功能：
2.1 用户数据转发：UPF负责将用户数据从用户设备（如手机、物联网设备）转发到目标网络或服务，并从目标网络或服务接收返回的数据。
2.2 路由和转发：UPF根据网络策略和路由规则，决定用户数据的最佳路径，并将数据转发到指定的目的地。
2.3 流量控制和管理：UPF监测和管理用户数据流量，根据网络策略和服务质量要求（QoS），进行流量控制、优先级管理和流量分配等操作。
2.4 数据解密和加密：UPF负责对用户数据进行解密和加密，以确保数据的安全性和保密性。
2.5 数据优化和加速：UPF可以进行数据压缩、缓存和优化等操作，以提高数据传输的效率和性能。
2.6 数据计费和统计：UPF记录用户数据的使用情况，并提供相关的计费和统计信息，用于运营商进行计费和网络优化分析。
3. Data Network
在5G中，数据网络由以下几个关键组件组成：
3.1 5G核心网络（5G Core Network）：它是5G通信架构的核心部分，负责处理用户数据的传输和管理。核心网络包括多个功能单元，如AMF、SMF、UPF等，协同工作以提供高效的数据传输和服务管理。
3.2 UPF（User Plane Function）：作为数据网络的一部分，UPF负责用户数据的转发和路由。它处理从用户设备到目标网络或服务的数据传输，并从目标网络或服务接收返回的数据。
3.3 Transport Network：数据网络所依赖的传输网络，包括光纤、以太网、IP网络等。它提供高带宽、低延迟和高可靠性的传输能力，确保用户数据能够快速、可靠地传输。
3,4 Data Centers：数据中心是存储和处理大量用户数据的关键设施。它们承载各种应用和服务，提供云计算、大数据分析和存储等功能，以支持5G网络中的数据传输和处理需求。
5G Spectrum
5G频率基带划分主要包括以下几个部分：
1. 子载波划分：5G使用正交频分多址（OFDM）技术，将频谱划分为一系列子载波，每个子载波具有固定的带宽。不同频段的5G网络可以使用不同数量的子载波。
2. 频带划分：5G的频谱资源在不同的频段上进行划分，包括低频、中频和高频段(Low band, Mid band 以及 High band)。不同频段的5G网络具有不同的传输性能和覆盖范围。一般来说，覆盖度（coverage）越高，吞吐量（throughput）越低。
3. 频域资源划分：在每个子载波中，进一步将频域资源划分为资源块（Resource Blocks，RBs），每个RB包含一定数量的子载波和时域资源。如下图所示，一个RB包含12个子载波（subcarries），时域资源在第四点介绍。
4. 时域资源划分：时域资源划分包括帧、子帧和时隙的划分。一个帧通常由10个子帧组成，每个子帧又由10个时隙组成，如下图左边所示，横轴对时域进行划分，部分时隙完全分配给5G，部分时隙完全分配给4G。纵轴表示对频域进行划分，防止4G和5G通信之间产生冲突。
下图右边表示5G资源块RB的结构，和上图表示一致。其中纵轴表示12个子载波（subcarrier），每个子载波对应一个频率基带。横轴表示对时域的划分。
Control Plane && Data Plane
Data Plane
介绍数据平面之前，我们先了解移动端连接到基站的过程
建立到基站的链接之后，仍然需要认证，建立状态和数据平面。下面介绍Data Plane的组成结构，其中链路层使用三层协议，PDCP, RLC 以及MAC协议。
链路层协议和下层物理层协议结构，包括上传（Uplink）和下载（Downlink）链路的通信方式。
Base Station < – > S-GW < – > P-GW
S-GW（Serving Gateway）：S-GW是一个位于移动核心网络中的关键节点，负责连接无线访问网（如eNodeB或gNodeB）和外部数据网络（如互联网）。它处理用户数据的转发和路由，将数据从无线访问网转发到适当的目的地。S-GW还负责移动性管理，例如用户从一个基站切换到另一个基站时，S-GW负责处理这个切换过程。
P-GW（Packet Data Network Gateway）：P-GW是另一个位于移动核心网络中的关键节点，主要用于连接移动网络和外部数据网络，例如互联网。P-GW是用户设备（如手机）与外部网络之间的网关，负责处理数据包的转发、路由和策略控制。它还执行移动IP（Internet Protocol）地址分配和管理，为用户设备提供唯一的公网IP地址。
Control Plane
Control Plane procedures: mobility management
控制平面协议栈包括SM, MM, RRC
Control Plane procedures: session management
4G/5G enforces QoS and billing on the per-session/flow level