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十年磨一G,R17标准完成为第二轮5G创新拉开序幕

十年磨一G,R17标准完成为第二轮5G创新拉开序幕

尽管受到疫情影响,但5G在全球仍然呈现加速发展态势。最新数据显示,当前全球有超过205家运营商已经部署了5G商用网络,还有超过280家运营商正在投资部署5G技术。预计到2023年,全球5G连接数将超过10亿,这比4G获得同样连接数的速度整整快了两年...

3月下旬,全球5G标准的第三个版本——3GPP Release 17完成第三阶段的功能性冻结(即完成系统设计),标志着5G技术演进第一阶段的圆满结束。“Rel-17的完成是5G演进中的关键里程碑。”高通公司中国区研发负责人徐晧博士对《国际电子商情》表示,它不但让我们离万物互联的5G愿景更近一步,也为接下来向5G Advanced,乃至6G迈进奠定了坚实的基础。g9Mesmc

十年磨一G

尽管受到疫情影响,但5G在全球仍然呈现加速发展态势。最新数据显示,当前全球有超过205家运营商已经部署了5G商用网络,还有超过280家运营商正在投资部署5G技术。预计到2023年,全球5G连接数将超过10亿,这比4G获得同样连接数的速度整整快了两年。在最受瞩目的5G终端方面,从2020年到2025年,5G手机出货量将超过50亿,超过1275款5G终端已经发布或正在设计中。g9Mesmc

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众所周知,移动技术大约每十年完成一次代际演进,每一代移动技术的标准都建立在前瞻性基础科技研发的基础之上,5G也不例外。g9Mesmc

在2018年完成的5G Rel-15版本中,虽然定义了三大应用场景:增强型移动宽带(eMBB)、超可靠低时延通信(URLLC)和海量物联网(mMTC),各项指标也都比较激进,例如时延降低1/10、速率增加10倍、网络容量增加100倍等,并且将频谱扩展到了Sub-7GHz和毫米波频段,支持可扩展和前向兼容。但总体而言,Rel-15最主要的目标是要能够实现5G智能手机的应用,而且我们也注意到,在实际演进过程中,5G NR C-V2X(蜂窝车联网)/NR-Light等技术其实并没有被引入到Rel-15之中。g9Mesmc

Rel-16是2020年6月冻结的5G标准的第二个版本。除了继续增强移动宽带,以更快的上传与下载速度强化独立组网(SA)的5G网络之外,还进一步完善了URLLC功能,并引入5G车联网技术、免许可频谱设计(NR-U)、5G广播与集成接入与回传(IAB),这对加速5G进入工业物联网、车联网等更广阔的垂直行业应用市场极为关键。g9Mesmc

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而作为前两个5G标准版本的持续推进,Rel-17支持的扩展特性主要包括:1. 将毫米波频段从24.25-52.6GHz扩展至高达71GHz;2. 面向较低复杂度物联网终端引入轻量级的5G NR-Light (即RedCap);3. 支持非地面网络(NTN),也就是卫星通信;4. 引入扩展直连通信功能;5. 引入独立组网广播增强特性和混合模式多播支持;6. 支持增强的IAB和简单中继器,扩大了FDD和TDD的网络覆盖。g9Mesmc

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至此,从技术演进阶段来看,尽管今年6月才能达成Rel-17的下一个里程碑——完成ASN.1冻结(即协议冻结,可进入执行阶段),但事实上,包含Rel-15/16/17这三个版本的“5G演进第一阶段”已经宣告结束。接下来,3GPP即将展开包括Rel-18/19/20三个版本在内的“第二轮5G创新”,也被称之为5G Advanced阶段的研究工作。g9Mesmc

解读Rel-17若干关键点

总体来看,Rel-17版本为5G系统的多项基础性技术带来了更多增强特性,从多个方面推动技术发展,包括容量、覆盖、时延、能效和移动性。 g9Mesmc

进一步增强的大规模MIMO

Rel-17中的这一项目专注于为部分关键技术领域带来增强特性,包括增强的多波束运行、增强的多TRP(发射和接收点)部署、在SRS(探测参考信号)触发或切换、以及CSI(信道状态信息)测量或报告方面带来提升。 g9Mesmc

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为了便于理解,我们将高频电磁波的传播与光束传播进行简单类比——5G毫米波波束成型就是通过大规模天线阵列将电磁波聚焦于特定方向,类似于探照灯或是激光将多束光汇聚成一个光束。但如果在波束运行过程中对每个信道都进行配置指示,就会产生相当多的信令开销,为此,Rel-17中引入了统一的传输配置指示(TCI)框架,即通过一个信令实现上下行多个波束的运行,降低了时延和信令开销。g9Mesmc

在Rel-17中,多TRP部署和SRS切换特性也很值得关注。前者是指基站上有不同的天线集群,不会只有一个天线接收点,甚至有不同的基站可以同时支持用户通信需求;后者则可以支持多达8根天线,是此前5G标准版本最多支持4根天线标准的2倍。考虑到大多数情况下手机用不到8根天线,所以该特性更多是为了满足CPE和其它大型终端需求而设计的。g9Mesmc

覆盖增强

由于基站发射功率高于手机,所以大多数通信系统都是上行覆盖(手机到基站)更弱。因此,为了增强5G上行覆盖,针对Sub-7GHz、毫米波和非地面网络的多样化部署,Rel-17在上行数据信道(PUSCH)、上行控制信道(PUCCH)和Message 3三方面引入多个增强特性。g9Mesmc

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过于专业的术语可能会让人理解起来有一定难度。徐晧博士为此进行了详细的说明,例如所谓的PUSCH增强,核心目的就是提高最大重传次数,可以理解为手机每向基站传输一次信号,就在基站积累一定的能量,这样通过不停地传送或者是延长传送的时间,就能实现覆盖的增强;PUCCH增强,可以理解为,如果每次只是传输同样的内容,不一定是最好的,但如果在重传过程中通过使用一些编码技术,将每次传输的不同内容结合起来,可靠性就会大幅增强。g9Mesmc

终端节电

为了进一步延长移动终端电池续航,Rel-17为处于空闲态(idle)/非活跃态(inactive)模式和连接态(connected)模式的终端带来节电增强特性。比如,该特性支持通过唤醒接收机(WuR,Wake-up Receiver)减少非必要的终端寻呼接收,无线链路的终端测量放松以及其它全新功能。 g9Mesmc

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打个比方,对一部处于连接态模式的手机来说,新特性的引入可以让手机“告诉”5G基站在多长时间内无需接收信号,或者基站也可以“告诉”手机多长时间内无需监测物理下行控制信道(PDCCH)。这意味着,即使手机处于连接状态,也会有更多的时间处于睡眠或是节电模式,无需时刻保持“交流”状态。g9Mesmc

频谱扩展

Rel-17中的另一个重要项目就是扩展现有的5G NR设计,从而将毫米波频谱范围从24.25-52.6GHz扩展至最高71GHz,3GPP也称其为FR2-2频段。该特性包括支持全球60GHz免许可频段,助力催生新用例和新部署。g9Mesmc

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简单科普一下,5G频段包括三部分:FR1,也被称之为低频5G(Sub-7GHz),频段最高为7.125GHz;毫米波频段中,FR2-1,也就是Rel-15/Rel-16中定义的毫米波频段,最高可达52.6GHz,带宽800MHz;FR2-2,是Rel-17新扩展的频段,频率范围从52.6GHz到71GHz,带宽高达1.6GHz,最高时还可以扩展至2GHz。g9Mesmc

上述性能的实现,得益于Rel-17标准利用子载波间隔(SCS, Sub-carrier Spacing)的扩展,将子帧间隔从120kHz扩展到480kHz/960kHz。同时,同步信号块(SSB)在初始介入时也进行了扩展。g9Mesmc

60GHz是免许可频谱,需要先听后发(LBT,listen before talk)技术的支持。例如在家庭中使用Wi-Fi时,如何确保自己和隔壁家的两个Wi-Fi(此处指两个免许可频谱)信号不会产生冲突呢?如果用拟人的方式讲述,先听后发技术的引入就等同于当自家Wi-Fi要发信息之前,会先“听”一下周围是否已经有人在“传”信息,确定无人传输时再传。此外,Rel-17还引入了单向的先听后发,以及无先听后发,可确保在某些特定环境下直接发送。g9Mesmc

增强的IAB和简单中继器

针对更高效的5G部署,尤其是毫米波部署,Rel-17中增强的IAB支持同时收发(即空间分离全双工)。此外,Rel-17还引入了简单中继器(即放大和转发中继),用以扩大FDD和TDD的网络覆盖范围。在示意图中,IAB节点左边的波束和右边的波束指向完全不同的方向,不会互相干扰,从而实现空间分离全双工,即在两个不同的方向上复用时间和频率资源。 g9Mesmc

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进一步增强的URLLC、企业专网和其它用例

Rel-17持续为工业物联网等严苛应用带来更好的支持,为URLLC引入全新增强特性,比如增强物理层反馈、提升免许可频谱兼容性、终端内复用和优先级排序、增强的时间同步等功能。 g9Mesmc

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将5G扩展到全部终端

根据不同终端的不同功能,5G标准将终端分为以下几种不同的类型:g9Mesmc

eMBB/URLLC终端。涵盖VR/AR眼镜、PC、手机、以及某些工业应用,它们对性能的要求最高,标准也十分严苛。g9Mesmc

NR-Light类设备。它是Rel-17新引入的轻量级5G终端,包括工业传感器、监控摄像头、智能电网相关设备、高端可穿戴设备、高端物流跟踪设备等,支持较低的复杂度和功耗是这类终端的特点。g9Mesmc

eMTC/NB-IoT终端。4G时代就已经出现了支持eMTC和NB-IoT的终端,它们只需支持最低复杂度且对时延不敏感的应用,采集电表数据的智能表计、实现共享单车连接的低端资产跟踪设备、低端的可穿戴设备等都属于此类型。g9Mesmc

无源物联网终端。这类终端对应最低性能要求的物联网应用,甚至无需电池,仅通过反射信号就能确定终端身份,以RFID标签最具代表性。g9Mesmc

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NR-Light是徐晧博士强调的重点应用领域之一。为了高效地支持更低复杂度的物联网终端(比如传感器、可穿戴设备、视频摄像头),Rel-17将5G NR设计带宽(100MHz)缩窄至Sub-7GHz频段的20MHz和毫米波频段的100MHz。在绝大部分Sub-7GHz新频段(比如n77、n78、n79、n41等频段),传统5G NR终端通常需要配备4根接收天线,但这一项目将NR-Light终端的接收天线数缩减至一根或两根。该项目还支持能效提升,以及支持RedCap终端与其它5G NR终端共存。 g9Mesmc

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而当面向eMTC/NB-IoT这两项技术时,Rel-17的做法是进一步提高它们的数据传输速率,从而支持更多的用例。比如,在最开始的Rel-13中,eMTC支持的最大吞吐量为300kbps;到了Rel-13/14/15增强中,eMTC支持的最大吞吐量达到588kbps;Rel-17则将eMTC支持的最大吞吐量进一步提升至1.2Mbps。g9Mesmc

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继Rel-16研究之后,Rel-17引入了面向非地面网络(NTN)的5G NR支持。它包含两个不同的项目:一个是面向CPE的卫星回传通信和面向手持设备的直接低数据速率服务,可以在服务匮乏的区域为地面网络提供补充;另一个是支持eMTC和NB-IoT运行的卫星通信,从而将4G/5G中的物联网技术引入5G非地面网络通信中,实现此前蜂窝网络难以覆盖地区的通信支持。g9Mesmc

扩展直连通信、支持5G定位演进和面向无界XR体验优化5G NR,则是Rel-17在Rel-16基础上实现的三项性能提升。g9Mesmc

所谓的直连通信,是指终端之间没有通过基站进行的通信。直连通信有很多应用场景:公共安全方面,如果基站因为地震和火灾等因素不能正常工作时,用户可以通过手机和手机之间的直接通信与失散的家人及时取得联系;在物联网场景下,两个物联网终端可以在不连接基站的情况下直接通信,节约更多资源;当不同用户在一个房间内打游戏时,如果终端可以在不连接到基站的情况下进行直连通信,就能实现更高速率、更低时延以及更低功耗。g9Mesmc

基于Release 16中的C-V2X 5G PC5设计,Rel-17带来一系列全新的直连通信增强特性,比如优化资源分配、节电和支持全新频段。Rel-17还将直连通信扩展至公共安全、物联网以及其它需要引入直连通信中继操作的全新用例。 g9Mesmc

了解5G定位的人士都比较清楚,Rel-16为5G定位奠定了基础,在80%的情况下可以实现室内3米和室外10米的定位精度,同时支持多种定位方式。在此基础上,Rel-17支持全球导航卫星系统(GNSS)增强,利用GNSS辅助信息提高5G定位性能和效率,进一步将5G定位提升到厘米级精度,满足商业用例(1米之内)和工业物联网(100毫秒内小于0.2米)的精度要求。此外,Rel-17还进一步降低了定位时延,通过在定位时直接调用此前在终端上预先采集和储存的信息来节约信令开销并降低交互时间。g9Mesmc

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随着“元宇宙”概念的走红,以XR为代表的新型终端引起了人们的关注。但相比智能手机,目前业内对这类终端所需的数据包类型、在什么误包率下用户体验不会受到影响等情况还不是太了解,非常需要对它们的流量需求和评估方法进行探索,对其性能进行评估。其实在Rel-16中就已经针对XR进行了相关研究,Rel-17进一步探索了XR应用的流量需求,比如往返时间、单向包延迟预算和误包率等,在Rel-18及未来版本中还会继续推进技术演进和增强。g9Mesmc

受限于篇幅,Rel-17还有很多新功能无法一一进行说明,有兴趣的读者可以继续参看下图。g9Mesmc

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迈向6G之路

即将开始的Release 18是5G Advanced的首个标准版本,加强端到端5G系统基础和将5G扩展至几乎全部终端和用例,是其核心使命,而以下三方面的趋势最值得关注:g9Mesmc

一是移动宽带演进以及进一步向垂直行业的扩展。推进5G的发展,行业还是继续坚持标准制定、推广普及、持续增强的计划——不光要做人与人之间、物与物之间的通信,还要不断地向垂直领域扩展,把5G做得更好。g9Mesmc

二是当下的商业需求以及更长远的5G愿景。在推动5G商用的过程中,如何达到一个比较好的平衡——既能够在商用部署中创造5G价值,又可以有序推动5G向6G演进,始终是行业在讨论和制定5G Advanced标准中思考较多的问题。g9Mesmc

三是全新的终端加上网络的演进。现代通信涉及到终端、网络、基础设施、核心网等一系列关键要素,我们不能只关注端到端的演进,而忽略更多来自网络和架构方面的演进。g9Mesmc

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“未来,实体世界、虚拟世界和数字世界之间的交互,让通信技术无疑成为三个‘世界’的融合以及‘元宇宙’中最核心的技术之一。没有强大的5G或者6G通信连接,三个世界彼此之间的连接就会成为空谈。“徐晧博士说。g9Mesmc

他还同时列举了一些通往6G的主要研究方向,例如:g9Mesmc

AI/ML赋能的端到端通信——数据驱动的通信和网络设计,通过网络和终端进行结合训练、模型共享和分布式推理。g9Mesmc

全新的无线电设计,包括千兆级MIMO、毫米波演进、可重配智能超表面、非地面通信等;g9Mesmc

可扩展的网络架构。未来的6G网络架构会更灵活,会更多地考虑边缘计算的能力、支持XR分离式渲染的架构。g9Mesmc

通信系统的可靠性。6G系统的多维度信任和开源性更好,可以考虑使用量子通信或区块链来提高安全性和可靠性。g9Mesmc

融合世界。实体、数字、虚拟,通过无处不在的低功率联合通信和传感将沉浸式交互增强现实提升至全新水平。g9Mesmc

根据预测,关于6G标准的讨论可能会从2025年开始,在2028年推出正式标准,并于2030年左右开始商用。因此,未来5-10年内,以5G Advanced为代表的5G技术依然会是行业主流。g9Mesmc

责编:Elaine
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邵乐峰
ASPENCORE中国区首席分析师。
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