3GPP 5G标准路径图

5G协议规范

4G LTE协议规范主要是TS36系列，对应到5G为TS38系列，包括整体架构规范、空口L1/L2/L3协议规范、Xn/F1/E1/NG接口协议规范，以及终端协议规范，一共78个协议规范文件。

5G新空口关键指标

5G 新空口无线技术明确规定了两大核心指标：

• 峰值速率，为DL 20Gbit/s；
• 用户面时延，为0.5ms（uRLLC）​；

这两个关键KPI值在4G-LTE基础上整整提升了20倍。

5G NR上、下行峰值速率计算方法与4G LTE差不多，取决于带宽、调制方式、层数等因素，具体5G NR下行峰值速率计算表。

由于以下两项技术的普遍采用，移动通信的频谱利用效率也在不断演进和提高。
● 高阶调制技术：QPSK→16QAM→64QAM→256QAM→1024QAM，相应的调制效率也为2→4→6→8→10。
● 多天线技术支持的流数（Layer）​：MIMO2×2→MIMO4×4→MIMO8×8→MIMO16×16→MassiveMIMO256（智能天线阵列）​，最大同时支持16流传输。

另外，由于要支持超高数据传输速率，除了上面说的频谱效率提升，蜂窝小区的工作带宽也自然变得越来越大，或者引入多载波聚合（CA）技术提升小区带宽： 200kHz→1.25MHz→5MHz→10MHz→20MHz→100MHz→200MHz→400MHz。

无线频段也随之越来越往高频段扩展：700MHz→900MHz→1800MHz→2100MHz→2600MHz→3GHz→6GHz→24GHz。

4G LTE和5G NR新空口技术对比

5G新频段

FR1

FR1 频段编号范围为1～255。FR1频段业务信道（PDSCH/PUSCH）支持15kHz/30kHz/60kHz 三种子载波间隔，但PDCCH 信道只支持15kHz/30kHz两种子载波间隔。FR1频段支持FDD、TDD、SDL和SUL模式。FR1工作频段定义如表所示。

FR1频段小区（CC）的最大信道带宽为100MHz，所支持的子载波间隔（Sub-Carrier Spacing，SCS）及对应的最大发射信道带宽和RB个数如表所示。

FR2

FR2频段也称高频段（High Band）​。FR2频段编号范围为257～511，FR2频段只支持TDD模式。
毫米波频段（FR2）业务信道（PDCCH/PDSCH/PUSCH）只支持60kHz/120kHz两种子载波间隔，240kHz子载波间隔只用于FR2频段发送同步信息块（SSB）

FR2频段小区（单CC）支持最大信道带宽400MHz（只用于120kHz SCS）​，最小50MHz。FR2所支持的子载波间隔及对应的最大发射信道带宽和RB个数如表所示。

信道带宽

5G NR小区载波信道带宽（Channel Bandwidth）也由实际发射带宽（Transmission Bandwidth）和频谱两端保护带宽（Guard Band，GB）组成。不过5G NR小区载波频谱两端的保护带宽大小可以是不一样的，即根据实际需要可以不对称（Asymmetric）配置保护带宽大小，这样更加灵活，而4G LTE载波两端的保护带宽必须对称配置。

5G采用了更先进的滤波技术，即所谓的子带过滤（Filtered OFDM，F-OFDM）技术，所需要的保护带宽大大减小，从而大大提高了频谱利用率，FR1及FR2频率范围内各子载波间隔下所需最小保护带宽分别如表。

上下行解耦

即上行可以部署在比下行更低的频段内，因为频率越低衰减与损耗也就越小，这样就能补偿一些上行覆盖GAP。
5G NR在FR1频段内还专门定义了6个辅助上行频段，都小于3GHz，甚至包括700MHz的所谓黄金频段。

新频点规划，信道栅格

5G NR绝对频点（NR-ARFCN）信道编号和信道栅格（Channel Raster）规划相对3G/4G要简单一些，不过由于5G NR的频率范围相比4G大大扩展，因此在不同的频段范围定义了不同的最小信道栅格ΔFGlobal。5G NR-ARFCN即NREF值范围定义如表所示。

当知道绝对信道频点编号NREF后，就可以根据表和如下公式计算出实际频率值FREF：

FR1各频段实际信道栅格和NR-ARFCN范围定义

FR2各频段实际信道栅格和NR-ARFCN范围定义

同步栅格

5G终端开机时，首先搜索同步信息块（SSB）​，在不知道SSB配置的频点信息时，终端需要根据自己支持的频段按照一定步长依次盲检所有可能的频点，以获取SSB。由于5G小区支持的带宽很大，如果按照前面所述的最大信道栅格来盲检扫描，将非常耗时，严重影响终端接入5G网络的速度，为解决这个问题，5G还专门定义了一个间隔更大的同步栅格（Synchronization Raster）​，而且根据高中低3个频段设置了3个不同大小的同步栅格。

● 低频段（Sub-3GHz）​：1200kHz；● 中频段（3～6GHz）​：1.44MHz；● 高频段（FR2毫米波频段）​：17.28MHz

按照这个同步栅格来扫描SSB将会明显加快终端获取SSB的速度，从而缩短接入网络的时间。另外，根据这个同步栅格的大小，5G也就相应定义了全局同步信道频点编号（Global Synchronization Channel Number，GSCN）

大规模天线阵列

在4G时代，MIMO已经实现规模化应用，3GPPR8/R9/R10三个标准都对4G MIMO技术进行了增强，成为了LTE的标志性技术。2010年，贝尔实验室进一步提出了大规模天线技术。大规模天线技术就是基于多用户的波束赋形（Beamforming，BM）的原理，在扇面覆盖空间中对不同用户形成独立的窄波束覆盖。基于用户的空间隔离，天线系统可以使用相同的时频资源同时传输不同用户的数据，从而数十倍地提升系统吞吐量。MIMO系统在一定程度上利用了传播中的多径分量，以此对抗多径衰落和减少信道相关性。对于频率选择性深度衰落问题，MIMO系统依然无能为力，但可以结合正交频分复用（OFDM）技术来克服频率选择性深度衰落，可以说OFDM和MIMO互为黄金搭档，在高速移动通信时代彼此成全，相得益彰。

● 阵列增益：通过增加天线数量，获得更高阵列增益，提升覆盖；
● 赋形增益：水平和垂直两个方向同时波束赋形，提升信噪比（SNR）​，从而扩大小区覆盖范围；
● 复用增益：采用多用户空分复用技术（MU-MIMO）​，支持更多并发用户，最多支持16个并发数据流或用户，从而提升系统吞吐率或单用户峰值速率；
● 分集增益：通过增加天线数量，从而形成更多的数据空间传输路径，提升数据传输可靠性。

新型调制编码技术

5G所采用的新型调制编码技术主要包括：1024QAM高阶调制、LDPC和Polar编/解码。

• 对于小包或低速率编/解码，Polar码性能和效率都是最好的，因此3GPP最后选择Polar码用于5G NR控制信道的编/解码。
• 而对于大包或高速率场景，LDPC的编/解码性能和效率是最优的，因此3GPP最后选择LDPC码用于5G NR eMBB场景下业务信道（PDSCH/PUSCH）的编/解码。
• 而Turbo码由于只有一项即高速场景编/解码性能是最优的，但对应的编/解码效率却是最差的，即编码运算量急剧增加，特别是在5G时代数据速率比4G大幅度提高的情况下，Turbo就更显得力不从心了，因此，最后3GPP只好忍痛割爱在5G时代彻底抛弃了Turbo码。

大规模载波聚合

LTE Rel12已经支持5个20MHz载波聚合。
5G将扩展到支持多达32个载波聚合，未来的网络是一个融合的网络，载波聚合技术将大大扩展到支持以下各种不同类型的载波聚合。

设备到设备直接通信（D2D）

设备到设备直接通信（Device to Device Communication，D2D）技术无需借助基站的帮助就能够实现通信终端之间的直接通信，拓展网络连接和接入方式。

D2D通信具备如下优点：
● 由于短距离直接通信，信道质量高，D2D能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗；
● 通过广泛分布的终端，能够改善覆盖，实现频谱资源的高效利用；
● 支持更灵活的网络架构和连接方法，提升链路灵活性和网络可靠性。

目前，D2D采用广播、组播和单播技术方案，未来将发展其增强技术，包括基于D2D的中继技术、自组织网络技术、多天线技术和联合编码技术等。当然，D2D通信技术只能作为蜂窝网络辅助通信手段，而不能独立组网通信。

自动驾驶技术中应用的车联网技术（Vehicle toEverything，V2X）​。

5G NR协议栈

5G NR控制平面议栈

5G NR用户平面议栈

1、物理层（PHY）

5G NR物理层（Physical Layer）主要负责处理上、下行各个物理信道和各类物理信号，包括CRC校验、编码、调制、速率匹配、加扰和交织、层映射、矩阵预编码等功能。

在5G NR时代，大规模天线阵列和波束赋形的普遍采用，导致对传统的CPRI接口带宽要求急剧上升，因此为了降低对前传CPRI接口的压力，物理层又细分为高层（High Layer，也称Upper Layer）和低层（Low Layer）​，分别在DU和RU完成，其中CPRI接口规范也相应升级为eCPRI（即增强的CPRI接口规范，在O-RAN规范里面也称为CUS Split 7.2）​，对其中的I/Q数据传输时延等都有更加严格的要求。

5G NR上行物理层结构和功能映射图

5G NR下行物理层结构和功能映射图

2、MAC层

功能

MAC层具体包括以下功能：

● 逻辑信道和传输信道之间的映射，下行方向将属于一个或不同逻辑信道的MAC SDU 复用到传输信道MACPDU，然后下传到物理层处理，上行方向接收从物理层来的数据MAC PDU，解复用发送到逻辑信道；
● 调度信息报告；
● 通过HARQ进行纠错（在CA的情况下每个小区一个HARQ实体）​；
● 通过动态调度在UE之间进行优先级处理；
● 通过逻辑信道优先级排序在一个UE的逻辑信道之间进行优先级处理；
● 随机接入过程；
● MAC CE功能；
● 填充（Padding）​；
● 单个MAC实体可以支持多个传输定时和多个小区；
● 逻辑信道优先级控制。

DL MAC PDU和UL MAC PDU结构

MAC LCID索引

MAC层还定义了很多控制单元（Control Element，CE）功能来协助基站和UE完成一些特定功能或上报一些特定控制或调度相关的辅助数据，包括上行MAC CE和下行MAC CE，每种MAC CE分别由LCID值来区分，比如UE功率余量（PHR）上报和缓冲区状态（BSR）上报等。

3、RLC层

RLC无线链路控制层支持3种传输模式

● 透明模式（TM）​：仅适用于BCCH、DL/UL CCCH、PCCH和SBCCH；
● 无应答模式（UM）​：适用于DL/UL DTCH、SCCH和STCH；
● 确认模式（AM）​：适用于DL/UL DCCH、DL/UL DTCH、SCCH和STCH。

RLC配置是基于每个逻辑信道或无线承载（Radio Bearer，RB）​，不依赖于数字和/或传输持续时间，并且ARQ可以在逻辑信道配置的任何数字和/或传输持续时间上操作。对于SRB0、寻呼和广播系统信息，使用TM传输模式。对于其他SRB，使用的AM传输模式。对于DRB，使用UM或AM模式。无线承载功能及逻辑信道映射表如表2-15所示。

无线承载功能及逻辑信道映射表

RLC层功能和结构

RLC层主要服务和功能取决于传输模式，具体包括

● 传输上层PDCP PDU；
● 序列编号独立于PDCP（UM和AM）中的序列编号；
● 通过ARQ纠错（仅限AM）​；
● RLC SDU的分段（AM和UM）和重新分段（仅AM）​；
● 重新组装SDU（仅限AM和UM）​；● 重复检测（仅限AM）​；
● RLC SDU丢弃（仅限AM和UM）​；
● RLC重建；
● 协议错误检测（仅限AM）​。

RLC层内的ARQ具有以下特征：

● ARQ根据RLC状态报告重传RLC SDU或RLC SDU段；
● RLC需要轮询RLC状态报告；
● 在检测到丢失的RLC SDU或RLC SDU段之后，RLC接收器还可以触发RLC状态报告。

4、PDCP层

PDCP（Packet Data Convergence Protocol）是一种位于5G NR协议栈中的关键协议，负责处理上层传输层（如TCP/IP）与下层物理层之间的数据交互。 通过提供可靠的数据传输和分组数据融合功能，PDCP协议极大地提升了5G网络的性能和效率。

用户面的PDCP层功能和结构

基本功能

• 数据压缩与解压：PDCP协议通过使用压缩算法，将上层传输的用户数据进行压缩，从而减小传输开销。在接收端，PDCP协议会对压缩的数据包进行解压，恢复原始数据。这种数据压缩与解压的机制大大降低了网络传输的带宽消耗，提高了5G网络的吞吐量和效率。

• 分组数据融合：PDCP协议支持分组数据融合功能，即将多个小的IP数据包合并成一个大的数据包进行传输。这种融合机制可以减少无线信道的占用时间以及控制面开销，从而提高系统的容量和吞吐量。同时，分组数据融合还能够降低时延，提升用户体验。

具体包括以下功能：

● 序号管理；
● 标头压缩和解压，仅限ROHC；
● 传输用户数据；
● 重新排序和重复检测；
● PDCP PDU路由（在分离承载的情况下）​；
● 重传PDCP SDU；
● 加密、解密和完整性保护；
● PDCP SDU丢弃；
● RLC AM的PDCP重建和数据恢复；
● 重复PDCP PDU检测与处理。

于控制面的PDCP层的主要服务和功能包括：

● 序号管理；
● 加密、解密和完整性保护；
● 控制面数据的传输；
● 重新排序和重复检测；
● PDCP PDU重复检测。

5、SDAP层

SDAP是5G新空口用户面新增加的一层协议，从其内容内来，可以认为SDAP协议是为了5G QoS而生的。

5G QoS管理跟4G LTE QoS不同，4G LTE QoS是基于数据无线承载（DRB）进行QoS管理，也就是说每个DRB对应一套QoS参数，QoS和DRB之间是一一对应的，QoS不同，则DRB也不同。5G QoS管理是基于所谓的QoS流（QoS Flow）​，不再基于DRB。一个PDU会话（PDU Session）对应一个N3接口GTP隧道，但可以对应一个或多个QoS流，也可以对应一个或多个DRB。

5G QoS流管理及映射关系

SDAP层功能和结构图

为此，5G NR在PDCP层之上又引入了一个新子层SDAP（Service Data Application Protocol）​，SDAP只存在于空口用户面。

主要服务和功能包括：

● QoS流和数据无线承载（DRB）之间的映射，可以是多个不同的QoS流映射到同一个无线承载；
● 标记DL和UL数据包中的QoS流ID（QoS Flow ID，QFI）​；
● 为每个单独的PDU会话配置SDAP的单个协议实体。

6、 RRC层

跟LTE不同的是，5G既要减少终端功耗，又要快速接入，还要减少信令开销，要兼顾三者。像NB-IoT引入RRC暂停/挂起（Suspend）这个中间状态一样，5G NR也引入了RRC不活跃（RRC INACTIVE）这个中间状态。在RRC不活跃状态下，终端处于省电的“休眠”状态，但它仍然保留基本的RAN上下文信息（安全上下文、UE能力信息等）​，始终保持与网络的连接，并且可以通过类似于寻呼的消息快速从RRC不活跃状态转移到RRC连接（RRCCONNECTED）状态，而且可以减少信令数量。

5G NR RRC状态转换示意图

通常UE RRC连接释放由基站发送RRC Connection Release消息触发，但在某些情况下，UE的RRC层根据NAS层的指示主动释放RRC连接，不通知网络侧而主动进入空闲状态，如NAS层鉴权过程中没有通过鉴权检查。

RRC层的主要服务和功能包括：

● 广播与AS和NAS相关的系统信息；
● 由5GC或NG-RAN发起的寻呼。

建立、维持和释放UE与NG-RAN之间的RRC连接，包括：

● 载波聚合（CA）辅小区（SCell）的添加、修改和释放；
● 在NR内部或在E-UTRAN和NR之间添加、修改和释放双连接（EN-DC）​；
● 安全功能包括密钥管理；
● 信令无线承载（SRB）和数据无线承载（DRB）的建立、配置、维护。

移动性管理功能包括：

● 切换和上下文转移；
● UE小区选择和重选，以及小区选择和重选的控制；
● 系统间移动性（Inter-RAT Mobility）​；
● QoS管理功能；
● UE测量报告和测量控制；
● 无线链路故障的检测和恢复；
● 在UE和5G核心网间传送NAS消息。

5G网络技术

本章具体介绍5G采用哪些网络技术与网络架构，包括新型无线接入网架构和核心网网络架构，以及各个网元功能与接口协议。

新型无线接入网架构：C-RAN、V-RAN和O-RAN

目前，LTE接入网采用扁平化网络架构，减小了系统时延，降低了建网成本和维护成本。5G采用云接入网架构，即所谓的Cloud-RAN（C-RAN）​，也有的公司称之为集中RAN （Central RAN）或一体化RAN（Single RAN）​，基本含义都相同。

C-RAN是基于集中化处理、协作式无线电和实时云计算构架的绿色无线接入网架构。C-RAN的基本思想是通过充分利用低成本、高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站的服务区域，甚至上百平方千米的无线接入系统。

C-RAN架构适于采用协同技术，能够减小干扰，降低功耗，提升频谱效率，同时便于实现动态使用的智能化组网，集中处理有利于降低成本、便于维护、减少运营支出。目前的研究内容包括C-RAN的架构和功能（如集中控制、基带池RRU接口定义）​，基于C-RAN的更紧密协作（如基站簇、虚拟小区等）​。

V-RAN也就是所谓的虚拟RAN（Virtual RAN）​，也有的书上称之为vRAN。

简单地说，V-RAN就是把RAN对应的CU（BBU）和DU软件或微服务（Micro Service）甚至应用（APP）​，运行在通用的商用服务器上分割出来的不同虚拟机上（Virtual Machine，VM）或容器内（Docker/Pod/Container）​，通用服务器可以是基于x86 CPU架构或ARM架构的，安装免费的、通用的Linux操作系统（如CentOS）​，彼此隔离，这样部署起来更加灵活。

也就是说，进入5G时代后，由于对Open RAN的推动和需求，即使在无线接入网方面，传统的通信技术（Communication Technology，CT）和通用的信息技术（Information Technology，IT）也开始加速融合成ICT技术，而且CT强依赖于IT。

O-RAN是指Open RAN，即开放RAN。O-RAN的主要目的就是实现所谓四化：网络智能化、接口开放化、硬件白盒化和软件开源化。

SDN和NFV

软件定义网络（Soft Definition Network，SDN）的概念是让软件来控制网络，充分开放网络能力，是一种具有控制信令与用户数据分离（C-U Split）​、网络功能集中控制、开放应用程序界面API这三大特征的新型网络架构和网络技术。通过引进SDN的概念，可以将封闭、垂直、一体化的传统电信网络架构一举转化为弹性化、开放、高度整合、服务导向及确保服务质量的分层网络架构。

网络功能虚拟化（NFV）的目的之一就是实现特定的网络通信设备的软硬件功能解耦。NFV采用云端虚拟化为主的IT手段改造4G/5G核心网络，目前4G/5G核心网络上最重要的网元除了EPC就是IMS，其虚拟化后分别称为vEPC及vIMS，这样就可以采用市场上通用的服务器平台来替代原来昂贵的专用电信设备，单位计算性能价格比远低于电信设备，并且成本下降和更新周期的幅度数倍于专用电信设备，因而能够以更低成本、更快地引进新的IT技术和新的IT设备。IT技术与CT技术的深度融合，称为真正的ICT技术。

由于NFV与SDN技术双方的核心概念颇有相通之处，两者具备互补整合的条件，因此目前在4G核心网络实现虚拟化的工作中，经常将NFV与SDN相提并论，两者间未来可能发展出的协同运作模式也值得探讨。SDN负责层3以下的网络基础设施及低层网络流量转送的处理；而NFV则专责层3以上的网络上层应用服务设施弹性灵活的资源调度，两者相辅相成，营造出未来高效优化的运营商整合服务平台。

Open RAN

O-RAN功能架构

非实时无线网智能控制器（Non-RealTime RAN Intelligent Controller，Non-RT RIC）

在O-RAN整体架构中，引入了无线网智能控制器组件。这一组件的核心是利用人工智能技术针对无线资源的使用和分配进行推理、判断和决策，特别是利用预测能力增强资源分配的合理性。而根据处理时延的特性，可将RIC划分为非实时无线网智能控制器和准实时无线网智能控制器。非实时无线网智能控制器具有微服务和策略管理、无线网络分析和AI模型的训练等功能。训练后的AI模型通过A1接口分发给近实时无线网智能控制器进行在线推理和执行。

A1接口用于完成非实时无线网智能控制器嵌入网管功能，而近实时控制器嵌入无线网元eNB/gNB中。

由于人工智能的引入，网管与无线网元间的管理接口A1超出传统网管的功能，扩展了基站运行策略的下发执行以及AI机器学习模型的下发等新的数据及管理信令信息，A1接口网络管理命令时延属于非实时的，控制环时延＞1s。

近实时无线网智能控制器（near-RT RIC）

O-RAN架构中的近实时无线网智能控制器组件嵌入到CU内运行，可理解为嵌入人工智能技术的下一代RRM（RRC层的无线资源管理功能）增强功能实体。near-RT RIC的功能可以是全部或者部分RRM的功能，完全兼容传统的RRM功能，例如：基于用户级的载波负载均衡判断、无线承载管理、干扰监测以及移动性管理等。考虑CU内的RRM是跨多个DU的控制节点，在无线资源管理能力上又具有全局性的资源管理特点，结合人工智能/机器学习技术后，可以利用人工智能的业务或者资源预测能力提升多站无线资源管理的效率。near-RT RIC同时又是一个开放、健壮、安全、能力可拓展的算法实时运行平台，接纳第三方提供的人工智能执行模型或微服务。这为运营商引入第三方定制化的功能逻辑提供了基础平台，成为未来无线网具备定制化、满足各类差异化需求的关键。

E2接口是介于Near-RT RIC与CU/DU协议栈软件之间的标准接口。类比于传统设备的RRM与RRC之间的接口，near-RT RIC不仅通过E2接口收集无线网各功能实体的测量信息，也通过这一接口下发控制命令字给基站，最终实现对基站行为的控制。E2接口控制命令时延属于近实时，实时性要求处于实时和非实时之间，闭环控制时延值≥10ms（但小于1s）​。在开放的软件架构下，通过E2接口的标准化，可实现near-RT RIC功能软件独立于传统基站软件版本的迭代演进能力，缩短软件功能的上市时间。

多制式CU协议栈软件和云平台

多制式的CU协议栈软件功能不仅包括4G、5G协议栈，也包括其他协议处理功能。协议栈软件功能层需要接收并执行near-RT RIC生成的控制命令字（如针对某个UE的切换命令）​。而CU所部署的云平台提供了CU协议栈软件以及near-RT RIC功能组件的运行环境，具有安全隔离、统一加速器资源封装等能力。CU协议栈软件辅以统一的云平台能力，是无线网智能化的基础。

F1/E1/X2/Xn接口是与CU协议栈相关的3GPP标准接口，需要进一步增强实现异厂商间的互通能力。

O-DU和O-RU功能实体

O-DU和O-RU包括实时的层2功能、基带信号处理、无线射频处理等功能，这部分功能主要由通用IT硬件芯片及通用服务器实现。针对这部分的研究聚焦在白盒参考设计、统一硬件的器件选型等方面。

在前传接口方面，DU与RU间的前传（Front Haul，FH）接口方案需要被进一步规范化和开放化，包括控制平面（Control Plane）​、用户平面（User Plane）​、同步平面（Synchronization Plane）和管理平面（Management Plane）4个平面的消息传输。也包括DU与RU间功能的重构、前传扩展单元的设计以及接口流程的标准化等方面，最终确保异厂商间的互通。另外DU和RU之间的前传控制接口时延要求是最高的、属于实时性的，通常时延小于10ms。

这里要特别说明的是前传管理平面（Fronthaul M-plane）接口，在5G系统规范中，是指分布式单元DU与无线单元RU之间的内部管理接口。3GPP虽然对DU和RU之间数据传输的CPRI接口和eCPRI接口即C/U平面协议进行了规范，但并没有对前传管理平面协议进行规范，这个接口的协议规范留个给了各个设备厂家自行定义，并没有开放。前传管理平面功能主要包括“启动”安装、软件管理、配置管理、性能管理、故障管理、文件管理。

在Open RAN（O-RAN）规范中，又专门定义了O1接口来管理O-RU单元。为了实现与现有产品的后向兼容性，O-RAN希望设备厂家开发各自的基于eCPRI接口的前传管理平面规范，通过O-DU直接管理O-RU。这样一来，O-RU就有两组不同的管理接口：O1 O-RU接口与eCPRI Fronthaul M-plane接口，并且不同厂家的前传接口管理平面规范也不一样。通过两组接口对O-RU进行管理的称为混合模式，而通过单一的O1接口管理O-RU的称为扁平模式。

当然，O-RAN不意味着必须采用x86架构，O-RAN也会选择ARM架构。

Open RAN规范

O-RAN联盟截至2018年12月共设置了9个工作组（Working Group，WG）​，围绕着O-RAN的整体架构开展相关研究，制定相关Open RAN规范，同时试图补充3GPP 在5G标准化中的缺口（即3GPP非标准化的部分）​，将来还可能扩展工作组的数量。下面是各个工作组具体的工作职责范围。

● WG1：负责应用需求定义、场景分析、O-RAN整体架构的制定和协调各个工作组的相关工作。
● WG2：负责无线网智能控制器非实时功能设计，以及A1接口标准的研究工作。
● WG3：负责无线网智能控制器近实时功能设计，以及E2接口标准的研究工作。
● WG4：负责前传接口（eCPRI/NGFI）的标准化制定。
● WG5：负责围绕CU的相关3GPP协议接口的标准化增强，实现异厂商互通。
● WG6：负责无线云平台的增强研究，增强MANO和NFVI的能力扩展研究，并促进开源社区的相关实现。
● WG7：负责白盒硬件的参考设计研发，统一硬件选型的规格。
● WG8：负责探索成立O-RAN开源社区，推进CU/DU协议栈软件和无线网智能控制器的开源实现，降低行业的研发成本。
● WG9：负责前传、中传、回传技术及规范研究。

从O-RAN核心技术特征来看，其主要目的就是要将无线系统基站设备切分为各个标准子系统组件或模块，分层独立研发，支持基于硬件加速器（比如采用FPGA硬件来完成实时性很强的编/解码任务）​、通用硬件平台和RU射频子系统的硬件独立解耦采购。考虑到无线网络复杂度和实时性要求，O-RAN将采取阶段式推进方式，总体预期将会有两个阶段：

第一个阶段是在2020年前实现接口标准化、白盒小站商用、非实时智能管控商用和集中控制部分协议栈软件开源；第二个阶段是在2020年后逐步实现智能控制器和智能网管商用、探索宏站白盒化方案及应用、完成基站开源协议栈软件完整版本。

网络切片（Network Slice）技术

网络切片（Network Slice）技术，最简单的理解，就是将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端的网络，每个虚拟网络之间，包括虚拟网络内的设备、接入、传输和核心网，是逻辑独立的，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响到其他虚拟网络。每个虚拟网络就像是瑞士军刀上的钳子、锯子一样，具备不同的功能特点，面向不同的需求和服务，可以灵活配置、调整，甚至可以由用户定制网络功能与服务，实现网络即服务（Network as a Service，NaaS）​。

目前4G网络中主要终端设备是手机，网络中的无线接入网部分（包括数字单元（DU）和射频单元（RU）​）和核心网部分都采用设备商提供的专用设备。4G网络主要服务于人，连接网络的主要设备是智能手机，不需要网络切片来面向不同的应用场景。但是5G网络需要将一个物理网络分成多个虚拟的逻辑网络，每一个虚拟网络对应不同的应用场景，这就叫作网络切片。

为了实现网络切片，网络功能虚拟化（NFV）是先决条件。本质上讲，所谓NFV，就是将网络中专用设备的软硬件功能（比如核心网中的MME、S/P-GW和PCRF，无线接入网中的数字单元DU等）转移到虚拟主机（VM）上。这些虚拟主机是基于行业标准的商用服务器，低成本且安装简便。简单地说，就是用基于行业标准的服务器、存储和网络设备，来取代网络中专用的硬件设备，从而实现网络设备软硬件解耦，达到快速开发和部署的目的。

5G网络与接口

5G无线接入网

5G无线接入网（Radio Access Network，RAN）也称下一代接入网，即NG-RAN，主要由gNB构成，其网络架构如图。

gNB分为控制单元（Control Unit，CU）和数字单元（Digital Unit，DU）​，也有的人称之为中央单元（CentralUnit，CU）和分布单元（Distributed Unit，DU）​，与3G时代的RNC和NodeB的架构一样，其内部构架与接口。

NG-RAN内gNB之间的Xn接口、CU和DU之间的F1接口已经标准化且对外开放，其接口协议栈如图3-7和图3-8所示，控制面和用户面传输层分别采用SCTP和GTP-U协议，Xn接口完全类似于LTE X2接口。E1接口只有控制面协议（E1AP）​，目前还没有标准化，具体由各个设备厂商自己实现，但其传输层基于SCTP协议。另外，每个CU-CP可以同时连接、管理一个或多个CU-UP和DU。

5G NG-RAN架构

5G gNB内部架构与接口

Xn接口协议栈

F1接口协议栈

gNB主要负责以下功能。
● 无线资源管理的功能（Radio Resource Mangement，RRM）​：无线承载（Radio Bearer，RB）控制，无线接入控制，移动性连接控制，在上行链路和下行链路中，负责为UE分配、调度动态无线资源。

除此之外，下面这些功能也是由gNB来承担的。
● IP报头压缩、加密和数据完整性保护。
● 当不能从UE提供的信息确定到AMF的路由时，在UE附着处选择AMF。
● 用户面数据向UPF的路由。
● 控制面信息向AMF的路由。
● 连接设置和释放。
● 调度和传输寻呼消息。
● 调度和传输系统广播信息（源自AMF或O&M）​。
● 用于移动性和调度的测量和测量报告配置。
● 上行链路中的传输级别数据包标记。
● 会话管理。
● 支持网络切片。
● QoS流量管理和映射到数据无线承载。
● 支持处于RRC_INACTIVE状态的UE。
● NAS消息的转发功能。
● 无线接入网共享。
● 双连接，实现NR和E-UTRA之间的紧密互通。

5G核心网

5GC即5G核心网（Core Network，CN）​，也称下一代核心网即NGC。5GC采用基于服务网络架构（ServiceBased Architecture，SBA）​

5G核心网SBA架构

在3GPP R15版本中，SBA作为5G的基础网络服务架构被写入标准中，在网络功能（Network Function，NF）实体之间采用HTTP协议来进行SBA接口通信。随着3GPP标准的不断完善和发展，为了满足更多的部署场景和需求，在 R16版本中新引入了SCP（Service Communication Proxy）功能实体，支持HTTP信令间接通信功能，为5GC各NF间提供信令消息路由及转发。5G中引入SCP后，支持NF之间的间接通信，支持非直连方式组网，更有利于运营商大规模组网，各个网元之间不必是点对点的直连方式，组网更加灵活方便。

同时，传统的2G/3G/4G信令网采用的SS7和Diameter协议也将在网络中长期存在，传统网络、传统业务如何发展依旧影响着运营商的运营收益。运营商在关注4G、5G网络部署时，必然需要考虑兼容传统信令网、简化网络部署、提升运维效率等问题。在业务技术发展的同时，信令网建设也需要有新的突破。打造一个支持多种不同信令协议的信令网，是实现持续收入增长的基本要素，是未来信令网的发展方向。我们可以看到，在控制面功能中，接口已经不是传统意义上的一对一，而是由一个总线结构接入，每个网络功能通过接口接入一个类似于计算机的总线结构，5G这个看似简单的变更，却为网络部署带来极大的便利，因为每个网络功能的接入或撤走，只需要按规范进行即可，而不用顾及其他网络功能的影响，相当于总线建立了一个资源池。

5G核心网参考点架构

另外，为了方便理解，3GPP也依然给出了基于各个接口参考点N（Reference Point N）的传统点到点串联形式的5G网络架构图。

5G网络回传

5G网络回传分为前传（Fronthaul，FH）​、中传（Midhaul）和后传（Backhaul）​，如图3-15所示。3种回传都采用灵活的基于IP分组技术的网络回传，可以灵活部署，既可以是点到点的回传，也可以是基于交换与路由的组网回传网络，甚至可以采用无线微波回传方式，减少部署光纤的难度和成本。

5G网络回传功能总结

网络前传负责把在DU上实现的空口L2（PDCP/RLC/MAC）功能与在RU上实现的物理层即L1功能连接起来，具体可以有很多种实现方式。

● 在拓扑结构上，可以是点对点的光纤直连方式，也可以通过多个RU级联方式连接DU，还可以是点对多点的星型连接方式，或者是基于带交换与路由功能的传输网络方式连接DU和RU。

● 在传输内容上，前传接口上既可以传输频域I/Q数据流，也可以传输时域I/Q数据流。可以是空口I/Q数据封装成以太网帧格式后在光纤上传输（Radio over Ethernet over Fiber）​，也可以是空口I/Q数据封装成以太网帧格式后在铜线网上传输（Radio over Ethernet over Cable）​，还可以是空口I/Q数据直接在光纤上传输（Radio overFiber）​，支持广电混传。

● 在连接RU类型上，可以同时支持2G/3G/4G/5G RU或AAU连接到同一个DU或不同DU上，也支持TDD和FDDRU同时连接，还支持不同设备商或运营商的RU连接到同一个 DU上，实现DU共享和前传接口的兼容性。

5G网络前传实现方式

eCPRI

5G网络前传分割点示意图

5G NR支持灵活的CU-CP/CU-UP分割选项和CU/DU分割（Split）选项，也支持灵活的DU/RU分割（Split）选项，即支持灵活的物理层分割方式，理论上可以支持Option 1～Option 8的所有分割方式或分割点，5G网络前传分割点示意图如图所示，具体分割点的选择取决于设备商的实现。

5G网络回传CPRI与eCPRI接口对照图

至于物理层内部有两种典型的分割方式，5G网络回传CPRI与eCPRI接口对照图如图。

CPRI接口方案：即Option8分割模式，射频单元（Radio Unit，RU）与基带（Baseband Unit，BBU）完全解耦，与协议无关，虽然也需要通过FPGA软件升级，但是硬件更换很少，兼容性好，以前传统的4G基站由于最多支持8个发射天线端口，因此基本上都采用这种方案。但是当采用大规模天线阵列时，CPRI接口所要传输的I/Q数据速率急剧增长，即使采用I/Q数据压缩后，仍达到25Gbit/s，此时CPRI接口就难以满足带宽及时延要求了。

eCPRI接口方案：即Option7分割模式，分割后的射频单元又称为有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）​，AAU设备一般都是射频天线一体化设计，部分基带功能下移到射频单元（RU）中，通过FPGA或专用ASIC芯片来实现，可以大大减少对前传带宽的要求。至于具体哪些基带功能下移到射频单元AAU中实现，取决于射频单元厂商的实现，相应地，射频单元RU又分为Category A和Category B两大类型，除开iFFT/FFT和模数、数模转换（A/D conversion）功能两类RU必须支持外，其他基带功能包括天线矩阵预编码功能（Precoding）和数字及模拟波束赋形（Digital/Analog Beamforming）都是可选支持的，5G网络前传eCPRI接口RU功能分配如图3-19所示。其中，Category A RU不支持天线矩阵预编码功能（Precoding）​，该功能只能在DU单元中实现。Category B RU必须支持Precoding功能。

5G网络前传eCPRI接口RU功能分配

eCPRI方案不足之处是射频单元RU兼容性差，当未来协议演进需要对FPGA进行软件升级时，一旦FPGA预留不足，就存在AAU硬件更换风险。

需要说明的是，CPRI和eCPRI规范均只定义了控制面和用户面及同步信息的传输，没有定义对RU如何进行配置管理，即没有定义管理平面。在Open RAN架构规范中，前传管理平面既可以单独定义及传输，也可以通过eCPRI接口定义传输。

5G SSB与BWP

SSB（Synchronization Signal Block）和BWP（Bandwidth Part）是5G引入的两个特有概念，非常重要。

SSB

与4G LTE不同的地方主要是，5G NR引入了SSB这个概念，占用固定大小的时频资源，每个SSB包含1个符号的主同步信号（Primary Synchronization Signal，PSS）​，1个符号的辅同步信号（Secondary SynchronizationSignal，SSS）​，2个符号的物理广播信道（Physical Broadcast Channel，PBCH）​。每个SSB时域一共占用4个OFDM符号，频域占用20个PRB，即240个子载波，SSB可以支持不同的子载波间隔（SCS）​，其时频结构如图。

SSB时频结构示意图