5G传输关键需求解析

# 5G传输关键需求解析 ## 1 可用性与可靠性 ### 1.1 传输链路的可靠性基础 在5G网络中，尤其是对于超可靠低延迟通信（URLLC）服务，传输链路的可靠性至关重要。空中接口通过路径分集和重传等方式提高了可靠性，同时传输链路因随机比特错误导致的分组错误率非常低，小分组的错误率甚至小于 \(10^{-10}\)。对于关键流量，传输网络不能出现拥塞，随机比特错误和拥塞导致的分组丢失率总和需小于 \(10^{-7}\)。然而，URLLC服务传输仍面临链路中断和节点故障的风险，这可通过5G系统的分组复制来解决。 ### 1.2 5G系统中的分组复制 #### 1.2.1 RAN中的DCP分组复制 在具有双连接性的PDCP层会进行分组复制。当CU和DU共址，但RU位于远程站点时，两个基带（CU和DU）以及两个RU分别位于不同站点，存在两条不同的前传链路。PDCP分组在与核心网络（N3）接口的CU处复制，副本通过两个RLC实体经两条路径发送，一条通过本地空中接口，另一条通过Xn到另一个CU/DU站点的空中接口。在UE中的对等PDCP实体处消除复制。 为分析这种配置对分组交付可靠性的影响，可使用可靠性框图。假设gNB站点之间以及RU与基带之间距离为0.3 km，0.3 km光纤链路的可靠性为0.9995，空中接口分组丢失率为 \(10^{-5}\)。系统由两个子系统（可靠性分别为RA和RB）并行配置组成，系统整体可靠性计算公式为： \[R_{SYS}=1 - (1 - R_A)(1 - R_B)=1 - (1 - R_1)(1 - R_{21}R_{22}R_{23})\] 代入数值计算可得系统整体可靠性超过 \(1 - 10^{-6}\)。为使传输链路不影响系统，传输目标可靠性应比空中接口性能高一个数量级，例如达到0.999999。5G RAN级PDCP复制大大提高了可靠性，路径多样性覆盖了空中接口和前传链路，且最多可支持四条路径，进一步提升可靠性。若采用无前传的架构，将减少分组交付路径中的组件，从而提高可靠性。 #### 1.2.2 冗余N3隧道 当UPF与gNB远程部署时，N3接口的可靠性很重要。一个PDU会话可使用两条GTP - U隧道，通过不同路径在传输网络中路由。每个隧道使用不同的IP端点，网络层保持不同路径以避免关联故障。分组在UPF处复制，在gNB处根据GTP - U序列号消除副本，这种复制创建了两个并行系统，提高了可靠性。 ### 1.3 可用性和可靠性的传输分析总结 分析可用性和可靠性需从服务需求出发，将端到端需求分配到各个组件，其中传输是重要组件之一。5G部署类型和系统功能（如PDCP复制、GTP - U复制、双连接性和空中接口重传）都会影响分析。 对于传输，可用性应至少达到五个九，在云站点、枢纽站点及其与网络的弹性连接，以及承载多个小区站点流量的链路或节点中，可用性尤为关键。冗余路径和具有快速自动恢复服务的节点可提高可用性。 对于可靠性，设计良好的传输链路残余比特错误率通常低于 \(10^{-12}\)，URLLC服务需消除拥塞导致的分组丢失，使其小于 \(10^{-7}\)。链路和节点故障是传输不可靠的主要原因，5G空中接口针对URLLC服务进行了优化，传输侧要达到相同可靠性并非易事。对于URLLC服务，通过不相交路径进行分组复制是减轻传输故障的有效工具，传输可靠性目标应至少与空中接口相同，必要时可在传输链路上增加分组复制服务。 | 分析维度 | 要求 | 实现方式 | | ---- | ---- | ---- | | 可用性 | 至少五个九 | 冗余路径、快速自动恢复服务的节点 | | 可靠性 | 残余比特错误率低于 \(10^{-12}\)，拥塞分组丢失率小于 \(10^{-7}\) | 分组复制、提高传输链路可靠性 | ## 2 安全性 ### 2.1 5G加密保护概述 5G网络采用了3GPP定义的广泛安全架构，保护用户通信以及网络域中元素之间的逻辑接口。控制平面和UE数据流都得到了充分保护，UE数据流可能有两层或三层加密保护。 NAS信令在UE和核心网络（AMF）之间端到端受保护，AS信令在终端和无线网络之间通过gNB中的PDCP协议保护，PDCP协议层提供加密和完整性保护服务。在5G RAN内，UE的用户平面既加密又进行完整性保护，这是对LTE的改进。5G逻辑接口承载的流量有些已受5G系统安全保护（如NAS信令），有些未受保护（如N3接口的用户平面），3GPP定义的网络域安全为逻辑接口提供额外保护。 ### 2.2 不同接口的安全保护 | 接口 | 控制平面 | 用户平面 | | ---- | ---- | ---- | | 高层分割点（F1） | AS和NAS信令的完整性和加密服务，F1 - AP流量的DTLS和网络域保护 | 完整性保护和加密服务 | | Xn | AS和NAS信令的完整性和加密保护，Xn - AP的DTLS和网络域保护 | 同F1 | | 回传（NG2） | NAS信令的完整性和加密保护，NG - AP流量的DTLS和网络域保护 | - | | 回传（NG3） | - | 除网络域保护外无其他保护 | | 回传NSA模式3x的S1 | AS和NAS信令的完整性和加密保护，S1 - AP流量的网络域保护 | 除网络域保护外无其他保护 | ### 2.3 网络域保护 网络域