5G 學習 - 1 - 碼上快樂

5G 學習 - 1

本文轉載自查看原文 2020-09-08 18:38 624 5G

5G
- 基站發展
  - CPRI
  - eCPRI
- 概念區別
- 5G
  - 術語相關
  - 基本架構
LTE

5G

發展
- 3G時代出現了基帶單元和射頻單元分離的基站，這種基站也被稱為分布式基站，基帶部分被稱為BBU，而射頻單元被稱為RRU。
- 基帶拉遠分為基帶部分（BBU）和射頻部分（RRU），中間采用光纖進行信號傳輸，這種方式有時也被稱為分布式基站或射頻拉遠（BBU+RRU）。
- RRU負責信號收發，BBU負責信號處理。
- BBU與RRU之間采用光纖傳輸，RRU再通過同軸電纜及功分器(耦合器)等連接至天線，即主干采用光纖，支路采用同軸電纜。
- 這種分布式架構，把粗長硬的饋線換成了細軟輕的光纖，站點功耗大幅降低，網絡運維成本自然也就降下來了。
- 這種架構就叫做C-RAN（集中式無線接入網）
- 雖然C-RAN是一個非常好的構想，在4G階段卻沒有發展起來，因為這種架構對於光纖資源的數量要求太高，每個站點都要有到BBU集中機房的光纖
AAU是RRU（5G是+Low-PHY）+天線
- 5G中RRU演變成了集成超大規模天線陣列的Massive MIMO AAU
- 在5G的整個網絡結構之中，依然會有BBU+RRU+傳統天線的組合，AAU並不是5G系統之中的唯一
- 和RRU相比，AAU多了天線的功能以及部分BBU的功能。和RRU相比，AAU體積更大，面積更大，重量更重，耗電也會更大，價格也要貴一些。
BBU是Building Baseband Unit 室內基帶處理單元（基帶）
CPRI是Common Public Radio Interface 通用公共無線電接口
- 它是用於蜂窩無線網絡的中REC（無線電設備控制）和RE（無線電設備）之間的關鍵通信接口規范。
- BBU和RRU之間的基帶信號傳輸使用光纖，之間的傳輸協議是用CPRI
- CPRI定義的是BBU與RRU/AAU之間接口的規范。
- CPRI接口速率是正比於天線數和載波帶寬的。以一個常見的4T4R RRU為例，僅建一個20M的LTE載波，不做壓縮的話需要4.9152Gbps的接口帶寬，使用一個普通的10G光模塊就足夠了
eCPRI是enhanced Common Public Radio Interface 增強通用公共無線電接口
- 把在High Phy往上的數據交給BBU處理，下面的交給RRU的DU部分去處理，這樣BBU和RRU之間的數據量就少了
- eCPRI就是通過將Low-PHY移至RRU部分的DU中，大幅度降低BBU和RRU之間的接口速率要求，達到節省光模塊成本的目的。
- 代價是RRU的復雜度提升，要耗費RRU的FPGA資源。
eMBB是Enhanced Mobile Broadband 增強移動寬帶
FR是Radio Frequency 射頻
gNB 5G基站，eNB 4G 基站
High-PHY是指L1中，與DSP沒有直接的強相關性軟件實體。Low-PHY是那些與DSP有強相關性的軟件實體。
RRU是Remote Radio Unit 遠端射頻模塊(射頻)
- RRU的工作原理是：
  基帶信號下行經變頻、濾波，經過射頻濾波、經線性功率放大器后通過發送濾波傳至天饋。
  上行將收到的移動終端上行信號進濾波、低噪聲放大、進一步的射頻小信號放大濾波和下變頻，然后完成模數轉換和數字中頻處理等。　　
  RRU同基站接口的連接接口有兩種：CPRI（Common Public Radio Interface 通用公共射頻接口）及OBSAI（Open Base Station Architecture Initiative 開放式基站架構）
Sub6G，毫米波都是指5G的頻段
- Sub6G載波需要支持100M帶寬，而毫米波需要支持400M的載波帶寬

參考文檔
https://zhuanlan.zhihu.com/p/59655867
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1659475446219589248&wfr=spider&for=pc

基站發展

2G和3G時代基站的架構:

既然基站可以分為兩個模塊：發射信號的RRU和處理信號的BBU，其中BBU小巧精致功耗低，而RRU體積龐大功耗高，何不把功耗高的RRU也掛在塔上，跟天線放一起？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。這樣一來，機房里少了RRU這個散熱大戶，空調也就可以歇歇了。
在2G時代，基站君還是一體化架構的，即把今天的RRU和BBU扔一塊放在空調房里，天線掛高塔上，中間用射頻饋線連接，之間饋線往往幾十到上百米，笨重而昂貴。有點射頻常識的人都清楚，這么長的射頻饋線意味着多大的損耗，信號沒發出去就在自家窩里損耗大半。還有機房的運維成本也是個問題。

因為把基站拆成了兩塊分開工作，這樣的站點也叫分布式站點。這樣就涉及到了BBU和RRU的連接問題。到底BBU和RRU它們可以離得多遠，之間的數據怎么傳，總得有個標准才行。

CPRI

於是，在2003年，愛立信，諾西，阿朗，NEC，還有華為這幾個廠家一合計，搞出來了個叫做CPRI（通用公共無線電接口）的協議，大家都按着這個來搞。

CU Central Unit 集中單元
DU Distributed Unit 分布單元

5G時代，不僅僅是RRU和天線集成到了一起變成了AAU，而且BBU的物理結構也由於5G改變的網絡框架而演變成了CU(集中單元）和DU（分布單元）。

其中BBU的實時性比較強的部分，變成了DU(分布單元），而BBU的非實時性功能則演變為了CU(集中單元），此外5G核心網功能下沉到邊緣，CU還將承載部分核心網的功能。

BBU的部分物理層功能，被設計到了AAU之中，因此和RRU相比，AAU不僅僅是多集成天線部分的功能，還多了部分BBU物理層的功能。

CPRI接口速率是正比於天線數和載波帶寬的。以一個常見的4T4R RRU為例，僅建一個20M的LTE載波，不做壓縮的話需要4.9152Gbps的接口帶寬，使用一個普通的10G光模塊就足夠了
然而到了5G時代，我們的一個核心的場景是eMBB，天線數目加了，原先的2T、4T一下子變成了32T、64T，帶寬也加寬了很多，到了5G時代，單個NR載波可能就高達100M帶寬，對於sub6G就有200M帶寬需求，對於毫米波頻段，更是400M起步。這么一算，對CPRI接口速率的要求提高了幾十倍，如對64T MM，僅建一個100M NR載波，就需要驚人的172.8Gbps的速率要求，也就是建一個載波就要用到2個100G的光模塊，即便結合壓縮技術壓縮到1/3，也需要至少1個100G的光模塊! 這帶來的成本是非常高的。

我們知道數據通過通信協議棧，各層會在上一層的基礎之上附加本層的功能，這樣層層加碼下來，數據量急劇增加。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，並這些信息分到了各個天線之上，數據量非常巨大。如下圖所示，就是最為普通的20MHz帶寬的LTE載波，支持2x2MIMO，可支持150Mbps速率的數據流，處理到了CPRI這里，帶寬需求竟然達到了驚人的2.5Gbps！

其實，上面例子中的的CPRI速率，在CPRI的世界中還算是很小的。在CPRI協議的6.1版本中，定義了9個選項，最大速率可達12Gbps。

eCPRI

那么可以大幅度降低前傳速率要求的eCPRI就來了。eCPRI的思路是這樣的，通信協議棧上傳輸的數據會層層加碼，越到底層數據量越大，那如下圖所示，把在High Phy往上的數據交給BBU處理，下面的交給RRU的DU部分去處理，這樣BBU和RRU之間的數據量就少了，代價是RRU的復雜度提升，要耗費RRU的FPGA資源。
我們再來看一下eCPRI的效果，以前面64T MM建100M NR載波為例，對CPRI速率要求是172.8Gbps，對eCPRI的要求僅為24.3Gbps，降到了原先的14%，這對於光模塊的要求大幅度下降，5G前傳的壓力也小了很多。

概念區別

基站：
基站就是由天線和RRU組成的無線電收發裝置
扇區：
扇區是地理上的定義，一個宏站基站通常會打出三片扇區
扇區和載波：
每個扇區使用一個或多個無線載波完成無線覆蓋，每個無線載波使用某一載波頻點
小區：
小區是為用戶提供無線通信業務的一片區域，是無線網絡的基本組成單位。基站支持的小區數由“扇區數×每扇區載頻數”確定

5G

術語相關

nrarfcn （Absolute Radio Frequency Channel Number - ARFCN）對應LTE是earfcn

基本架構

5G 頻率范圍

LTE

LTE無線架構

上下行無線協議架構

eNodeB（Evolved Node B），即演進型Node B，簡稱eNB，LTE中基站的名稱。eNodeB相比現有3G中的Node B，集成了部分RNC的功能，減少了通信時協議的層次。
CQI-Channel Quality Indication，信道質量指示，CQI由UE測量所得（周期性上報使用的是PMI用push信道（業務信道），非周期性是RI上報使用pucch信道（控制信道））

AMC 自適應調試標編碼技術
HARQ 重傳
ICIC小區抗干擾

一個時隙包含7個連續的OFDM符號

LTE術語

AS 接入層
beamforming 波束賦型，波束賦型可以刪除同一個時間頻率資源分配給不同用戶的干擾
BSR（Buffer Status Report）UE需要通過BSR來告訴eNodeB自己有多少數據需要發送
CA(Carrier Aggregation，載波聚合)LTE-Advanced系統引入一項增加傳輸帶寬的技術
CRS（Cell-specific reference signal）小區特定的參考信號
C-RNTI(Cell 小區 RNTI無線網絡臨時標識符)
CP(Cyclic prefix )循環前綴
CQI 信道質量標識
CSI （Channel State Information）,UE可以通過CSI將下行信道質量信息上報給eNodeB
假設在信道質量很好的情況下，下行使用了QPSK而不是更高階的調制方式（16QAM/64QAM）進行傳輸的話，對頻譜的利用率就會變低，並造成吞吐量的下降。
而假設在信道質量很差的情況下，使用了高階調制（16QAM/64QAM）而不是QPSK調制的話，就會造成過多的重傳。無論是哪種情況，都沒能有效地利用無線資源。
CSFB （Circuit Switched Fallback）電路域回落Lte與2,3G的互操作
DC子載波（DC-subcarrier）是LTE下行載波中心位置的一個未被使用的子載波
是為了避免本地晶振可能泄露等原因導致高干擾而設置的，這也就是一些資料中提到如PSS和SSS占用載波中心62個子載波（不含DC子載波）的由來。
DCI （Downlink Control Infomation 下行控制信息，由PDCCH承載）
EPC （evolution packet core）
IMS （IP Muti-media Subsystem）Lte的語音業務是要基於IMS的VolTE
MIB （maste information block）和SIB1 （system information block type1）
MCS （Modulation and Coding Scheme）調制和編碼方案，自適應的，MCS25一般就是有問題了，DL最高MCS27，UL最高28，
MME (management entity)
Msg3根據UE狀態的不同和應用場景的不同，這條消息也可能不同，因此就稱為Msg3，即隨機接入過程的第3條消息
其在不同場景下的Msg3如下所描述：
- RRC_IDLE態下初始接入，通過RRCSetupRequest；
- RRC_INACTIVE態下恢復接入，通過RRCRRequest；
- RRC連接重建，通過RRCReestablishmentRequest；
- 上行失步，上行數據到達，下行數據到達(競爭)，通過CRNTI；
- 其他SI請求，通過RRCSystemInfoRequest；
- 切換(競爭)，通過CRNTI + RRCReconfigurationComplete；
NAS 非接入層
PHICH（Physical Hybrid-ARQ Indicator CHannel）用於對上行PUSCH傳輸的數據回應HARQ ACK/NACK。
PDCCH（Physical Downlink Control CHannel）
PDSCH（Physical Downlink shared CHannel）
paging 尋呼消息
PCI（physical-layer Cell identity 物理小區ID）是由主同步信號（PSS）與輔同步信號（SSS）通過簡單運算獲得（PCI=PSS+3*SSS）
PSS（Primary Synchronization Signal，主同步信號）
PDSCH Physical Downlink Shared Channel 物理下行共享信道（數據業務）
PRACH （隨機接入信道）在頻域上占6個連續的RB，正好等於LTE支持的最小上行帶寬
RB(resource block)每個RB專用帶寬（每個RE為15KHz，12個子載波組成1RB，即15KHz*12=180KHz=0.18MHz）
- LTE帶寬配置20MHz留出總帶寬的10%作為保護帶用，即20MHz的帶寬實際RB占用18MHz ( 100個RB )
PBCH:phisical broadcast CHannel：物理廣播信道
RA preamble ,隨機接入過程的步驟一就是UE發送random access preamble
RAR ,隨機接入響應
RRC radio resource control 無線資源控制：連接態（RRC_CONNECTED）和 RRC_IDLE
- RRC_IDLE態，並每隔一段時間“醒來”一次，去接收Paging消息，以確定是否有呼叫請求
rrm 無線資源管理
RS參考信號（Reference Signal，）就是“導頻”信號
RLF（Radio Link Failure）會觸發重建（Re-establishment）流程
RAN （radio access network）
RAR （random access response）
RA-RNTI(隨機接入 RNTI無線網絡臨時標識符 )
RACH (Random AccessChannel 隨機接入信道)
RNTI (Radio Network Tempory Identity 無線網絡臨時標識符），在UE和eNB之間的信號信息內部的作為不同UE的標識。
RSRP、RSRQ (reference signal receive power /quality )參考信號接收功率，參考型號接收質量
SFN（System Frame Number系統幀號）
SFBC（空頻塊編碼）
SID 沉默指示幀，每160ms產生一個sid
SSS（Secondary Synchronization Signal，輔同步信號）
SI-RNTI （System Information RNTI（系統信息-無線網絡臨時標識符）），用於系統信息的傳輸，對應於BCCH；
SRS:Sounding Reference Signal(上行探測參考信號)
SR:（Scheduling Request）UE會通過發送SR告訴eNodeB有數據要發
TAU：Tracking Area Update (TAU)
TA tracking area
UCI （上行控制信息，包括CSI和ACK/NACK）會在PUSCH上傳輸，否則UCI在PUCCH上傳輸。

信道映射

邏輯信道

上行下行

CCCH，DCCH，DTCH PCCH，BCCH，CCCH

傳輸信道

上行下行

UL-SCH，RACH PCH，BCH，DL-SCH，MCH

物理信道

上行下行

PUSCH，PUCCH，PRACH 控制 PBCH，PDCCH

PUSCH，PUCCH，PRACH 業務 PDSCH

上行	下行
CCCH，DCCH，DTCH	PCCH，BCCH，CCCH

上行	下行
UL-SCH，RACH	PCH，BCH，DL-SCH，MCH

上行	下行
PUSCH，PUCCH，PRACH	控制 PBCH，PDCCH
PUSCH，PUCCH，PRACH	業務 PDSCH

BCCH - Broadcast Control Channel
CCCH - Common Control Channel
DCCH - Downlink Control CHannel
DSCH - Downlink shared CHannel
PCCH - Paging Control Channel 即尋呼控制信道

LTE協議棧和接口

主要接口

S1AP 協議
SCTP 協議
GTP-U 協議
X2 接口

overall

L1
- PBCH，PDSCH
L2
- PDCP（Packet data convergence protocol 分組數據匯聚協議）
- RLC （ Radio Link Control 無線鏈路控制層協議）
- mac層
L3
- 一般指rrc （radio resource control 無線資源控制）

上行

RRC：radio resource control 無線資源控制
PDCP：packet data convergence protocol 分組數據匯聚協議
RLC：radio link control 無線鏈路控制
MAC：medium access control 媒體接入控制

下行控制

BCCH (Broadcast Control Channel )

PCFICH（Physical Control Format Indicator CHannel）
- 通知UE對應下行子幀的控制區域的大小，即控制區域所占的OFDM符號（OFDM symbol）的個數。或者說，PCFICH用於指示一個下行子幀中用於傳輸PDCCH的OFDM符號的個數。
PDCCH（Physical Downlink Control CHannel）
PHICH（Physical Hybrid-ARQ Indicator CHannel）
- 用於對上行PUSCH傳輸的數據回應HARQ ACK/NACK。每個TTI中的每個上行TB對應一個PHICH，也就是說，當UE在某小區配置了上行空分復用時，需要2個PHICH
PDCCH（Physical Uplink Control CHannel）

下行業務

1.PDSCH（Physical Downlink shared CHannel）

PDSCH主要用於傳輸來自DL-SCH和PCH的數據，更確切地說，RAR、Paging、SIB、RRC消息（不包括MIB）和用戶數據等最終會在PDSCH上傳輸。

承載

系統消息

eNodeB通過廣播SIB2發送prach-ConfigIndex和prach-FrequencyOffset，從而確定該小區可用於傳輸preamble的時頻資源集合。
UE至少要在接收到MIB、SIB1和SIB2（不一定要接收SIB3~SIB13）后，才能發起隨機接入過程。

LTE系統系統消息包括MIB和12種SIB。
MIB：下行鏈路帶寬，SFN和PHICH信道配置信息。在PBCH上發送。調度周期為40ms。
SIB1：包含調度信息和小區的接入相關信息。在PDSCH上發送。調度的周期固定為80ms。
SIR2：攜帶所有UE無線資源配置信息（公共參數）如：Cell-specific Reference Signals Power。
SIB3：攜帶同頻、異頻和異系統的小區重選信息（重選參數）。
SIB4：攜帶相鄰小區相關的僅同頻鄰小區的重選信息（同頻鄰區參數）。
SIB5：攜帶異頻E-UTRAN網絡重選信息（異頻鄰區參數）。
SIB6：攜帶異系統UTRAN網絡重選信息（UTRAN鄰區參數）。
SIB7：攜帶異系統GSM網絡重選信息（GERAN鄰區參數）。
SIB8：攜帶異系統CDMA2000網絡重選參數（CDMA2000鄰區參數）。
剩下的4種SIB包含了家庭基站的信息、一些輔通知的信息。