5G、切片、MEC[通俗易懂]

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1、移动通信网络构成

网络构成可以简单的分为接入网、承载网、核心网。

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 Access Network,无线接入网)。大家耳熟能详的基站(Base Station)就是RAN的主要组成部分。
核心网,英文为Core Network,缩写为CN。移动通信系统中的核心网又被称为“移动核心网”。我们可以把它理解为一个“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,并最终送达手机终端。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(Bearer Network)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。

如果说接入网是一个人的四肢,核心网是大脑,承载网就是血管和神经。

接入网:

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。想要实现这个目标,基站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。

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)。虽然我们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。目前而言,有线通信的传输速率和可靠性远远超过无线通信。

基站:基站可以大致分为四类。宏基站、微基站、皮基站、飞基站。5G、切片、MEC[通俗易懂]

室分:室分即室内分布系统,是信号的二次中继和增强覆盖。从信源(例如微基站或直放站)接出馈线,然后到各个房间或通道,再利用天线发出信号。

基站的变化:

初期:这些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就是天线,它被挂在室外高处。机柜和天线之间,通过馈线进行连接。

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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,通信厂商对这个柜子进行了拆分。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,基站逐渐演变为以下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)。

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在硬件上将RRU和BBU分离后,RRU的位置变得更加灵活。有时候,它会被摆放在机柜里,有时候,它会被挂在机房的墙上。BBU的位置相对较为固定,一般就是在机柜里“老老实实”待着。再到后来,RRU不再被放在室内,而是被搬到了天线的身边。这也被称为“RRU拉远”。

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 RRU被放在天线旁,一方面,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。另一方面,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)。

运营商想出了C-RAN(Centralized RAN,集中化无线接入网)这个解决方案。这个C,不仅代表集中化,还代表了其他的含义。相比于D-RAN,C-RAN做得更绝。它把BBU全部都集中“关押”了起来。“关”在哪了?“关”在了CO(Central Office,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。

 采用C-RAN之后,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。这笔开支的节省,对饱受经营压力之苦的运营商来说,简直是久旱逢甘霖。另外,拉远之后的RRU搭配天线,可以安装在更合理的位置。天线的发射功率也随之降低。低发射功率意味着用户终端电池使用时间的延长和无线接入网络功耗的降低。说白了,你的手机会更省电,待机时间会更长,运营商的网络也更省电、省钱。

在C-RAN中,基站实际上“不见了”,所有的实体基站变成了虚拟基站。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。小区之间的干扰就变成了小区之间的协作,大幅提高了频谱使用效率。这被称作多点协作传输。

此外,BBU基带池既然都部署在CO中,那么也就可以对它们进行虚拟化了!简单来说,以前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用啦!

到了5G时代,接入网又发生了很大的变化。在5G网络中,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/DU分离)
◎ 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。

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简而言之,CU和DU可以通过处理内容的实时性进行区分。采用新架构,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。 

核心网:

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。

网元就是Net Element,缩写为NE,是具有某种功能的网络单元实体。

网元的三大核心任务:AAA 

authentication认证、authorization授权、accounting记账。

认证,就是看你是不是合法用户,有没有密钥。授权,就是看你有权限做什么事,哪些服务可以用,哪些不能用。记账,就是看你做了哪些事,然后记录下来,收你的钱。

2G到3G的变化:3G除了硬件变化和网元变化之外,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。

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。在通信系统里面,简单来说存在两个面—用户面和控制面。如果不能理解这两个面,就无法理解通信系统。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。然后是硬件网元的分离。

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。这样的变化会有一个明显的外部表现,就是网元数量大量增加。这些网元看上去很多,实际上,硬件都是在虚拟化平台里虚拟出来的。这样一来,网络非常容易扩容、缩容,也非常容易升级、割接,业务相互之间不会造成太大影响。

4G核心网主要网元的功能在5G核心网中都能找到对应的网络功能(Network Function,NF)。但5G核心网对网络功能进行了细化,形成了各个NF,原来4G核心网一个网元设备的多个功能在5G阶段分解为相对独立的NF。5G网络的组网架构按照标准的不同可分为非独立组网NSA和独立组网SA,NSA和SA各自进一步细分为多个组网选项。

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1.NSSF:Network Slice Selection Function      网络切片选择功能
2.NEF:Network Exposure Function        网络能力开放功能
3.NRF:Network Repository Function        网络存储功能
4.PCF:Policy Control Function          策略控制功能
5.UDM:Unified Data Management        通用数据管理
6.AF:Application Function           应用功能
7.AUSF:Authentication Server Function       鉴权服务功能
8.AMF:Access and Mobility Management Function   接入与移动性管理功能
9.SMF:Session Management Function       会话管理功能

10.SCP:Service Communication Proxy       服务通信代理
11.UE:User Equipment            用户设备(如手持终端)
12.(R)AN:RadioAccess Network        无线接入网
13.UPF:User Plane Function          用户面功能
14.DN:Data Network             运营商数据网络

除了11、12、14外,其余的网元均为核心网部分。

DNN 

APN (Access Point Name,接入点名称)是目标网络的唯一标识,4G APN通过4G TD-LTE网络将终端接入专用APN标识的客户内网,并将访问通道与公网隔离,从而确保网络访问的安全性及数据传输的私密性。

对APN的描述、定义和使用同样适用于5G DNN(Data Network Name)。 5G DNN支持部分CN(如UPF)独立部署和选择,同时也提供用户级的QoS控制, 但它并不是端到端的,可以认为是部分核心网到专网的“切片”技术 。
 

服务化架构(SBA:Service-based Architecture)

在SBA架构中,每个核心网网元的接口统一命名为“N +小写英文功能名缩写”。例如,网络切片选择功能NSSF的接口为Nnssf;5G核心网网元的服务操作名称以接口名开始,例如,Nnssf_NSSelection表示NSSF的网络切片选择操作。除了统一的服务化接口外,5G网络仍然保留了少量的参考点接口,主要是5G核心网与无线网之间的接口(例如,N1、N2、N3接口)以及核心网与外部数据网络的N6接口。N4接口是控制面SMF和用户面UPF分离的设备接口(N4接口一般不开放,属于设备内部接口)

NSA与SA

NSA是指使用现有的4G基础设施(主要是无线网及核心网)进行5G网络的部署。运营商可根据业务需求确定4G升级基站和区域,不一定需要完整的5G连片覆盖。基于NSA架构(主要是Option3系列)的5G基站载波仅承载用户数据,其控制信令仍通过4G网络传输,系统级的业务控制仍然由4G网络负责。这种方式相当于是在现有的4G网络上增加新型载波来进行容量扩容。        

与4G组网相比,5G的SA组网是全新的网络。SA组网采用端到端的5G网络架构,从终端、无线新空口到核心网都采用5G标准,支持5G的各类接口、各项新功能。SA组网采用了网络虚拟化、软件定义网络、网络切片、边缘计算等新技术来满足5G的多种业务场景需求。与NSA相比,SA组网下的用户终端在选网接入、鉴权与秘钥协商、移动性管理、安全等方面均存在较大的差异,因此对于NSA的5G终端(不支持SA),将无法正常接入SA网络使用5G业务。

 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。在3G/4G时代,也会对业务进行类似网络切片的分类。针对不同的业务优先级,网络分配不同的资源,给予不同的服务质量。那时候采取的技术叫作QoS(Quality of Service,服务质量)。

相比QoS,网络切片最大的特点是端到端的隔离。传统QoS虽然实现了一定程度的隔离,但只是核心网(或接入网、承载网)内部的隔离,属于“小隔离”。而网络切片横向贯穿了接入网、承载网和核心网,从整个网络上进行隔离,是“大隔离”

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(Network Functions Virtualization,网络功能虚拟化)。虚拟化技术,就是在物理服务器的基础上,通过部署虚拟化软件平台,对计算资源(例如CPU、内存等)、存储资源(例如硬盘)、网络资源(例如网卡)等资源进行统一管理,按需分配。

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。

NFV主要应用于核心网和接入网,SDN(Software Defined Network,软件定义网络)则主要应用于承载网。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的过程。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。NFV是软硬件解耦,SDN则是控制面和转发面解耦

在终端层面,需要支持携带网络切片标识给网络,网络支持按照应用选择接入不同的网络切片,支持网络切片相关标识的处理。
在无线接入网层面,实现切片级的资源分配、隔离和切片内流量的处理。例如,对协议栈的定制裁剪,时频资源的软切或者硬切,支持切片内核心网功能的选择,支持切片可用性的处理。

在传输网层面,需支持传输网络切片的硬隔离或软隔离。例如,数据平面与控制平面采用基于以太网的切片技术或者光传输层切片技术隔离,同时还须支持传输网络切片业务标识处理。

在核心网层面,控制与承载的分离,对控制面模块和用户面模块的调用和功能剪裁,基于业务需求对功能模块进行灵活的设计分布。切片的接入控制和选择功能,结合切片的可用性,引导UE接入合适的网络切片,支持UE的切片相关标识的决策和分配(签约的标识、允许的标识、配置的标识),支持按照应用的切片选择策略进行决策和更新,从而达到不同场景的切片内功能的定制化。

FlexE(Flex Ethernet,灵活以太网)技术。简单来说,它就是对多个物理端口进行“捆绑合并”,形成一个虚拟的逻辑通道,以支持更高的业务速率。FlexE技术在以太网技术的基础上实现了业务速率和物理通道速率的解耦,客户的业务速率不再等于物理接口速率,接口可以灵活地提供不同的速率组合。

5QI,5QI是一个标量,用作5G QoS特征的参考,即控制QoS Flow的QoS转发处理的接入节点特定参数(例如调度权重、接纳阈值、队列管理阈值、链路层协议配置等)。

切片类型:软切和硬切。以后补充:

5QI、RB、Flex-E

RB(Resource Block)–资源块

切片在接入网、承载网、核心网分别用什么技术?

接入网:QoS调度(软切)、RB资源预留(硬切)和独立载波(硬切)。

承载网:VPN+QoS、以太独立端口和Flex-E。

核心网:根据核心网网元部署方式,可分为完全共享、部分共享和完全独立三种模式。

GBR:GBR(Guranteed Bit Rate)保证比特速率。所谓GBR,是指系统保证承载的最小比特速率,即使在网络资源紧张的情况下, 相应的比特速率也能够保持。

MEC

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。所以说,MEC也是云计算的一种。只不过它将云计算从云端拉到了离用户更近的位置。计算中心下沉之后,解决了上层网络流量过大的问题,为运营商节约了成本。同时,它也解决了时延问题,给时延敏感型业务提供了保障。

MEC与雾计算、微云:

雾计算由性能较弱、分散的各类功能计算机组成,是一种分布式的数据处理方式,具有“去中心化”的特点。雾计算的架构可以分为感应器层(Sensor Layer)、雾计算层(Fog Layer)和云计算层(Cloud Layer)三层。雾计算层负责第一层数据分析、事件生命周期控制和管理及配置感应器;云计算层负责总体数据分析、服务层面的控制和管理及配置雾服务器。雾计算强调数量,以量制胜,无论单个雾节点的能力有多弱都要发挥作用。雾计算中的网络边缘的设备可以是路由器、交换机、网关等,也可以是专门部署的本地服务器。

微云(Cloudlet)源于移动计算、IoT和云计算的融合,是3层结构(移动或物联网设备—微云—云)“mobile or IoT device-cloudlet-cloud”的中间层。Cloudlet是广泛部署、去中心和自管理的,可以在个人计算机、工作站和低成本服务器上实现。一个Cloudlet可以看作一个位于网络边缘的小规模移动增强型云数据中心。Cloudlet通过为移动设备提供计算资源以支持计算密集型和交互式且具有严格时延要求的移动应用。与部署在大规模数据中心的云不同,Cloudlet在局域网环境下每次只处理少量用户的数据,即没有专业的机房,也没有专业人员管理。

5G、切片、MEC[通俗易懂]5G、切片、MEC[通俗易懂]

MEC主机由MEC平台、MEC应用和虚拟化基础设施组成。虚拟化基础设施除了为MEC应用提供计算、存储和网络资源外,还提供数据平面转发,根据从MEC平台接收到的流量路由规则,在应用、服务、DNS、3GPP网络、其他接入网、本地网络和外部网络之间进行数据路由转发。

MEC与5G的结合

MEC并非是5G的产物,4G时代不少运营商都启动了MEC试点,对其技术和商业模式进行探索,通过在移动网络边缘增加计算、存储、数据处理等能力,来承载不同的行业应用。例如,内容分发网络(Content Delivery Network,CDN)、视频监控、人脸识别等。但是4G时代的MEC方案有一定的技术短板:早期ETSI MEC ISG在第一阶段定义的MEC整体参考架构、应用生命周期管理和运维框架等缺少多接入边缘计算系统、网络切片支撑、接口规范和编排管理等部分。另外,由于4G核心网CU未分离,导致边缘侧分流和对接方案复杂,无线侧分流方案中监管、安全与计费方面有缺失,导致商用困难。

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 5G网络部署MEC系统

MEC系统中的系统级功能实体MEC编排器作为AF可以与NEF进行通信,在某些场合还可以直接与5G网络功能进行通信;主机级功能实体MEC平台作为应用功能可以直接与5G网络功能进行通信;主机级功能实体MEC主机则通常部署在某个数据网络中。

MEC业务系统作为5G系统的边缘网络部署在N6参考点上,由UPF负责将边缘网络的流量分发导流到MEC业务系统。基于5G核心网的C/U分离式架构,UPF可以灵活部署到网络边缘的MEC系统。对MEC而言,UPF是分布式的、可配置的数据平面,在MEC融合部署到5G网络中起到关键性作用。

5G系统中,AMF、SMF和NEF具有非常重要的作用。
AMF处理用户移动性相关流程,例如,负责网络接入控制、接入和移动性管理等,针对不同类型的用户终端提供终端能力参数、不同的移动性策略和模式,并以此为依据提供优化的连接管理和寻呼优化。
SMF提供的功能包括会话管理、IP地址分配和管理、DHCP服务、UPF选择/重选以及管理、UPF流量规则配置、会话管理事件合法侦听、漫游计费及支撑等。MEC可以在中心云或边缘云提供服务,因此SMF对UPF的选择、管理以及配置流量规则起到关键作用。SMF允许MEC作为5G应用功能管理PDU会话、控制策略设定和流量规则。NEF是服务开放的中心,3GPP的网络功能都是通过NEF将其能力“暴露”给其他网络功能的,除了被授权的网络功能可以直接与提供该服务的网络功能进行访问之外,其他的网络功能都需要通过NEF。同时,在系统外部访问中,NEF起到重要作用,提供相应的安全保障来保证外部应用到3GPP网络的安全。以上提及的SBA与其网络功能在MEC灵活融合到5G系统的过程中起到了极为重要的作用。

在5G网络中,MEC平台作为应用功能向PCF发送确认需要牵引流量的信息;PCF将流量牵引需求转换为应用到目标PDU会话的策略,并向合适的SMF提供路由规则;SMF根据收到的信息确认是否存在目标UPF,如果存在则开始在目标UPF上配置流量规则,否则,在PDU会话的数据路径中插入UPF。

5G中的rank值是什么意思:

在通信系统中,UE(终端)根据无线CSI-RS参考信号进行信道估计,计算出下行信道相干性最小的最大流数,称之为“Rank”,中文译为“秩”,UE通过CSI将RI(Rank indicator,秩指示)上报给基站。

Rank的原理和计算方式Rank原理在通信领域,空间复用技术指在不同的天线上发送不同的数据,也叫空间多路复用。衡量空间复用的标准是看一个系统每个时刻最多可以发送多少个不同的数据,被称为“自由度”,也就是我们说的Rank,Rank越大,复用增益越大。码字通过层映射映射到各个流上,层数越多速率就越高,而Rank决定了层的数量。

简单来说,rank值越好,说明信号越好。

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