5G标准最新演进综述

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5G的主要标准组织3GPP在2019年冻结第一个5G的完整版本——R15,随后在2020年7月3日,R16版本冻结,2022年6月9日,3GPP RAN第96次会议上,宣布R17版本冻结。至此,5G的首批3个版本标准全部完成。从R18开始,将被视为5G的演进,命名为5G Advanced,预计仍然将会有3个版本。

回顾已经完成的3个标准版本,以及正处于研究中的5G Advanced的首个标准版本,我们整理信息做一期综述,供业界参考。

2015年国际电联无线电通信部门( ITU-R)将5G正式命名为IMT-2020,并推进5G研究,随后5G成为电信行业主要关注的技术,并在与千行万业融合的过程中,得到了产业界的普遍关注。而在标准层面,5G的主要标准组织3GPP在2019年冻结第一个5G的完整版本——R15,随后在2020年7月3日,R16版本冻结,2022年6月9日,3GPP RAN第96次会议上,宣布R17版本冻结。至此,5G的首批3个版本标准全部完成

 

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从R18开始,将被视为5G的演进,命名为5G Advanced。实际上在这之前,R18的Stage1的工作已经开启,并初步给出了Stage 2和Stage 3的大致时间,预计整个标准工作将在2024年Q2完成。

 

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关于5G Advanced的标准演进,预计仍然将会有3个版本,也就是R18、R19、R20。与此同时,关于6G的前期研究工作也在开展,目前还主要处于需求阶段。按照一年半一个标准版本、10年一代标准的速度,预计R21将会成为首个6G的标准版本,将在2028年左右推出。

R15提供了第一个5G“可用”标准版本

 

3GPP 在 2016 年开始启动 5G 需求和技术方案的研究工作中,确定了 5G 三大应用场景,到目前已广为人知。包括:增强移动宽带eMBB,大规模机器类通信mMTC,超低时延高可靠通信URLLC。2017 年启动 R15的标准研究,作为5G 标准的第一个阶段,主要针对eMBB和部分URLLC的场景,满足5G的商用需求。

R15标准为之后的5G奠定了发展基础,5G相对于4G,其创新性主要体现在以下几个方面:

新架构:在核心网层面引入了SBA架构和SDN技术,可以说首次真正实现了移动通信系统软硬件的解耦,为网络提供了更多的灵活性,同时也能更好的实现其一张物理网络满足不同场景用户需求的“通信即服务CaaS”目标。

新技术:包括无线接入网最具创新性的Massive MIMO技术,是实现其频谱效率和容量密度目标的基础技术;网络切片技术则是一种新型网络架构,在同一个共享的网络基础设施上提供多个逻辑网络,每个逻辑网络服务于特定的业务类型或者行业用户。每个网络切片都可以灵活定义自己的逻辑拓扑、SLA需求、可靠性和安全等级,以满足不同业务、行业或用户的差异化需求。运营商通过网络切片可以降低建设多张专网的成本,而且可根据业务需求提供高度灵活的按需调配的网络服务,从而提升运营商的网络价值和变现能力,并助力各行各业的数字化转型。5G MEC技术在架构上将5G和边缘计算融合起来,在5G网络边缘提供IT服务环境和云计算能力,以满足行业应用本地化部署、高安全管控的要求。

新服务:首先是通过更灵活的SBA架构、端到端网络切片等带来的网络灵活性,以及满足行业客户不同SLA、安全性要求的基础能力,提供不同的专网服务,改变了传统专网的建设和运营模式;其次是定义了范围更广、更具灵活性的能力开放架构和网元。

当然,以上是相当概括的描述,R15相关关键技术,包括网络切片、5G MEC等,可以参阅本公众号以前的系列文章。

R16继续增强5G基础能力

 

如果说R15 主要针对 eMBB场景和部分URLLC场景进行了标准制定,那么R16 在 R15 的基础上,进一步完善了 URLLC 和 mMTC 场景的标准规范,从而贡献了第一个 5G 完整标准,也是第一个 5G 演进标准。R16持续强化5G能力三角,主要包括以下方面:

基本功能增强:RAN侧增强主要包括MIMO增强、移动性增强、集成接入和回传IAB、2步随机接入2-step RACH、双连接和载波聚合DAC、UE节能等。

业务流程和核心网架构:主要包括服务化架构增强eSBA、增强SMF和UPF拓扑ETSUN、网络切片增强e_NS、5GC接口负载和过载控制LOLC、基于服务的接口协议改进等。

垂直行业能力扩展:主要增强了支持垂直行业组网和专网建设的TSN、5G LAN、5G NPN等(请参考以前本公众号文章的介绍),扩展了5G能力三角的URLLC,在可靠性和时延上都有增强,5G V2X逐渐完善,增强了无线定位技术,此外对非授权频谱部署5G进行了研究。

网络自动化运维和智能化:主要通过MDT和层2测量的增强,强化了自组织网络对系统的自优化;对TDD部署5G普遍存在的远端干扰为题提出了解决方案;重点规定了NWDAF的框架和扩展了应用范围,为大数据和人工智能在网络智能化构建了良好的基础。

更多的信息可以参考本公众号文章《一图读懂3GPP R16》。

R17强化行业应用能力让5G“好用”

 

在R15、R16基础上,R17 进一步从网络覆盖、移动性、功耗和可靠性等方面扩展5G能力基础,将5G拓宽至更多用例、部署方式和网络拓扑结构,作为承上启下的一个标准版本,既“查漏补缺”将5G变得更好用,又引出了一些新的演进方向,将在5G Advanced甚至6G中进行研究。

R17主要在以下方面强化其应用能力:

Massive MIMO进一步增强:包括增强的多波束运行、增强的多TRP(发射和接收点)部署、增强的八天线SRS(探测参考信号)触发或切换、CSI(信道状态信息)测量或报告。

上行覆盖增强:针对Sub 7GHz频段、毫米波、非地面网络的多样化部署,为上行控制和数据信道设计引入多个增强特性,包括上行数据通道(PUSCH2)、上行口控制通道(PUSCH3)、Message 3,尤其是增加了重传次数以提升可靠性,还有跨多段传输和跳频的联合信道估计。

终端能效增强:为进一步延长终端续航,为处于空闲态/非活跃态模式、连接态模式的终端带来节电增强特性,比如减少非必要的终端寻呼接收、无线链路的终端测量放松,等等。

IAB增强和简单中继器:支持增强的IAB(集成接入与回传),支持同时收发(即空间分离全双工),可提供高效的5G部署,尤其是毫米波部署。此外,R17还引入了简单中继器(放大和转发中继),可扩大FDD、TDD的网络覆盖。

URLLC增强:持续优化工业4.0、工业物联网等严苛应用,为URLLC(超可靠低时延通信)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、QoS网络增强等。

NR-Lite或RedCap: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、视频摄像头等,将Sub 7GHz载波宽度从100MHz)缩窄至20MHz,同时将终端天线数从4根减少到1根或则2根,提升能效的同时,支持RedCap终端与其它NR终端共存。NR-Light的性能与成本介于eMTC/NB-IoT与NR eMBB/URLLC之间。

非地面网络(NTN):正式引入了面向NTN(非地面网络)的5G NR支持。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,另一个是支持eMTC和NB-IoT运行的卫星通信。

D2D支持:基于R16 C-V2X的PC5设计,R17带来一系列全新的直连通信增强特性,比如优化资源分配、节点、全新频段,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。

NR定位增强:进一步提升了5G定位,以满足厘米级精度等更严苛用例的需求,同时降低定位时延,提高定位效率以扩展容量,实现更优的GNSS(全球导航卫星系统)辅助定位性能。

扩展广播/多播服务:支持独立组网广播增强特性,支持合模式,比如面向独立组网广播,增加支持6MHz/7MHz/8MHz载波带宽,以及通过广播和单播间的同时/动态切换为5G NR定义多播操作。

XR评估:研究和界定各种类型的XR流量,包括AR、VR、云游戏,为已经确定的XR流量类型定义需求和评估方法,并确定未来R18项目的提升范畴。

5G Advanced描绘5G演进蓝图

 

R18作为5G Advanced的第一标准版本,已经完成了Stage 1的主要工作,目前主要立项包括如下表:

 

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从这个版本我们也可基本看出其工作的重点有以下方向:

极致网络:通过空天地一体(NTN+ATG)、Sidelink relay增强、Smart repeater、IAB增强进一步增强覆盖能力;通过双工演进、上行覆盖增强、Massive MIMO演进、移动性增强、干扰增强、Sidelink增强等项目提升性能;通过XR增强、多播广播业务增强、高精度定位增强等项目扩展业务支持能力。

智简网络:通过引入人工智能和机器学习增强5G网络智能化程度、SON/MDT增强组网和运维能力、QoE增强提升业务体验;同时在满足多样化需求上,进一步增强RedCap和NR-Lite。

绿色网络:通过多级网络节能、降低终端能耗(低能耗节能信号、多SIM卡增强)、高效使用频谱(多载波增强、动态频谱增强、小包传输增强)等项目,提高5G网络的能效。

可以遇见,以上三个方向也会是5G Advanced的持续研究和工作方向。同时,为了进一步探讨5G Advanced的网络技术演进方向,25家运营商、中国信通院、设备厂商、终端厂商等联合发布了《5G Advanced网络技术演进白皮书2.0》,我们也对其中的主要技术方向进行了摘要,以供了解参考:

智能化网络:在NWDAF和MDAS框架下,引入机器学习作为为网络智能的基础技术;以认知技术为基础,增强网络运营智能化程度,以实现复杂多样的业务目标;意图驱动网络使得运营商能够定义期望的网络目标。

行业网融合:主要包括基于5G LAN的网络组网互通增强、网络管理增强、网络安全增强等几个方面。

家庭网融合:重点通过将5G与家庭网络进行融合,以解决家庭场景移动流量高峰的问题。

天地一体化网络融合:在目前5G网络已支持基站采用5G NR空口制式,允许终端通过卫星基站接入统一5G核心网的基础上,进一步增强其业务承载能力,降低传输时延,以满足更多场景的业务需求。

交互式通信能力增强:针对云游戏和XR等交互式业务的5QI和QoS实现,在5G-Advanced阶段,需要IMS Data Channel、分布式服务化融合媒体、通话应用可编程、第三方ID可信接入、全新QoS机制、增强多媒体数据协同、增强网络能力开放、增强移动性管理和节能机制、XR业务体验保障等技术的支撑。

确定性通信能力增强:包括增强确定性网络服务的管理与部署能力、度量能力、调度与协同保障能力等,以及TSN增强和时间同步能力增强。

用户面演进:主要包括UPF的按需下沉、按需能力扩展、灵活能力开放等,以强化其除了包转发之外的应用和管理能力。

网络切片增强:主要包括网络切片的功能进一步演进、智能配置、SLA保障,以及与垂直行业的结合。

定位测距与感知增强:增强核心网独立的感知分析的能力,实现多维多粒度的环境感知和目标感知,满足在目标识别、状态监测等方面的需求,为5G-Advanced网络后续通信感知一体化打好基础。

组播广播增强:包括在单播和广播/组播服务之间灵活和动态地分配资源以改进系统效率和用户体验、采用人工智能技术根据实际用户体验实现高效的资源分配、灵活的终端接入广播服务机制,以及支持用户设备在无需建立空口连接情况下接收组播MBS数据,从而兼顾传输效率和能效,同时考虑支持多PLMN的接入网资源共享。

邻近通信增强:进一步完善5G邻近通信。例如除UE直连基站外,也支持UE通过中继UE连接到基站并接入5G网络,使5G网络有效地提高了UE接入网络的可靠性和数据速率。

移动算力感知及调度:在网络架构不进行重大调整的前提下,各网络子域可聚焦业务场景分别构建移动算力网络相关能力。

无源物联网:推动无源通信设备与蜂窝通信设备结合,通过极简网络架构、极简网络协议、轻量化安全认证等技术,不仅可以实现室内外连续覆盖,同时通过网络的管理与协调,实现快速组网,提升网络覆盖,降低系统部署成本,满足物联网终端无源、极低成本和超大规模接入要求。

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