从 R15 到 R17,一文看懂 5G 的技术创新

2022/9/19 17:47:02 来源:鲜枣课堂 作者:小枣君 责编:远生

2022 年 6 月初,通信标准组织 3GPP 第 96 次全会在匈牙利布达佩斯如期召开。

在本次会议上,备受瞩目的 3GPP R17 标准被正式宣布冻结。这标志着,5G 的第一阶段演进已经全部完成,5G 技术发展,将迈入崭新的第二阶段。

回首往事,大约 7 年前,也就是 2015 年 9 月,国际电联 ITU 正式确认了 5G 的三大应用场景(eMBB、mMTC 和 uRLLC)。不久后,2016 年 3 月,3GPP 就正式启动了 5G 的标准化工作,旨在开发一个统一的、更强大的无线空口 ——5G NR(New Radio,新空口)

如今,时光飞逝,我们共同见证了 3GPP R15、R16、R17 版本的冻结,以及 5G 的全面商用和落地普及。

被寄予厚望的 5G,经历了从诞生到成熟的发展历程,正在不断改变着我们的工作和生活,也颠覆了整个社会的运作模式。

那么问题来了,在 5G 不断演进的过程中,到底涌现了哪些革命性的技术创新?在这些技术创新的背后,又潜藏着怎样的逻辑思路?从 R15 到 R17,各阶段的作用,究竟是什么?

今天这篇文章,小枣君将带领大家找到答案。

R15:奠定基础,揭开面纱

首先,我们先看看 R15 的创新思路。

R15 是 5G 标准制定的开端。正所谓:“好的开始,是成功的一半”。为了迈出坚实的第一步,通信行业专家们进行了充分的研究和准备工作。

当时,R15 最重要的使命,是针对 eMBB(增强移动宽带)场景进行标准制定。而这个场景,需要的正是通信网络最重要的一个指标 —— 速率。

ITU 针对 eMBB 的指标要求,是下行峰值速率必须达到 10Gbps 以上,用户体验速率必须达到 1Gbps 以上。3GPP 为了实现这一需求,采用了两个思路:一个是寻找更多的可用频谱资源,另一个是深入挖掘每 MHz 频率资源的潜力。

在扩充频谱资源方面,3GPP 在 Sub-6GHz 频段的基础上,提出了移动毫米波技术。也就是说,将 5G 的工作频谱向更高频段延伸,覆盖到毫米波的频段。

移动毫米波带来的速率和容量提升非常明显,奠定了 5G 高速连接的基础。

在毫米波技术的基础上,3GPP 又引入了 Massive MIMO(大规模天线阵列)。

这个技术是 5G 最具标志性的创新之一,可以说是“神来之笔”。它通过大量增加基站中的天线数量,从而对不同的用户形成独立的窄波束覆盖,从而数十倍地提升了系统吞吐量,也改进了基站的覆盖效果(尤其弥补了毫米波覆盖能力的不足)。

▲ Massive MIMO

在深入挖掘频谱资源潜力方面,技术挑战就更大了。这里面涉及到了大量的底层技术创新,包括多址技术、调制技术、编码技术、物理层结构等,都需要重新进行设计。

5G NR 设计中最重要的决定之一,就是选择无线波形和多址接入技术。

在当时的方案评估过程中,高通通过广泛研究发现,正交频分复用(OFDM)体系,具体来说包括循环前缀正交频分复用(CP-OFDM)和离散傅里叶变换扩频正交频分复用(DFT-S OFDM),是面向 5G eMBB 和更多其他场景的最佳选择(后来证明确实如此)。

在 4G LTE 已有的 OFDM 应用基础上,高通高级工程总监季庭方通过设计了统一的子载波间隔指数扩展公式,实现了可扩展的 OFDM 参数配置。这一技术发明,被称为“可扩展参数集”,是 R15 的重大亮点。

利用可扩展 OFDM 参数配置,可以实现子载波间隔能随信道宽度以 2 的 n 次方扩展。这样一来,在更大带宽的系统中,FFT 点数大小也随之扩展,却不会增加处理的复杂性。

R15 另一个令人耳目一新的设计是基于时隙的灵活框架。该灵活框架的关键技术发明就是 5G NR 自包含时隙结构。在新的自包含时隙结构中,每个 5G NR 传输都是模块化处理,具备独立解码的能力,避免了跨时隙的静态时序关系。

2018 年 6 月,3GPP R15 标准正式冻结。现在看来,R15 成功打响了 5G 的第一枪。它带来的诸多创新,给人们揭开了 5G 的神秘面纱,也为 5G 后续的迭代演进奠定了坚实的基础。

R16:场景扩展,赋能行业

R15 主要针对 eMBB(增强移动宽带)场景进行了标准制定。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。

从本质上来说,实现对垂直行业的支持和赋能,是 R16 最重要的使命。

R16 需要进行标准化的 uRLLC(超可靠低延迟通信)场景,主要针对的就是工业互联网、车联网等垂直行业领域。ITU 针对 uRLLC 场景提出的指标目标,包括更严格的可靠性要求(高达 99.9999% 的可靠性),以及毫秒级的时延。

R16 需要通过进一步增强 5G 网络的基础能力,引入更多的网络新特性,以此更好地支持 toB 的关键业务型用例,满足智能制造、智能质检、无人驾驶等垂直行业需求。

在网络基础能力增强方面,R16 对频谱效率、网络的利用率和鲁棒性等方面都做了专门的优化和增强,包括大规模天线增强、载波聚合增强、切换技术增强等,极大地提升了 5G 的可用性和完善性。

在新特性引入方面,R16 的表现更是可圈可点。

以频谱扩展为例,R16 增加了对 5G NR 免许可频谱(NR-U)的支持,包括两种模式:许可辅助接入(LAA),以及不需要任何许可频谱的独立部署。这不仅带来了更大的容量,也实现了更灵活的部署。

对于前面提到的可靠性和时延要求,高通主导的多点协作通信(CoMP),是实现这一目标的关键赋能技术之一。在这个技术创新中,通过采用多个发射和接收点(多 TRP),创建有冗余通信路径的空间分集,实现高可靠性和低时延,构建可用的时间敏感网络(TSN)。

车联网(V2X)是 5G 的一个重要垂直应用领域。在这个领域中,高通等公司主推的直连通信(D2D)是一个重要的技术创新,能够实现 V2X 支持车辆编队、半自动驾驶、外延传感器、远程驾驶等更丰富的车联网应用场景。

▲ 车联网(V2X)

R16 在组网技术方面则引入了远端干扰管理、无线中继以及网络组织和自优化技术,使得网络实际用户体验获得提升。

具有代表性的例子,是新型干扰测量与抑制技术(比如 RIM / CLI),以及集成接入与回传(IAB)

集成接入与回传(IAB)支持毫米波基站进行无线接入和回传,在部署密集网络时可有效减少新增光纤部署需求。

特别值得一提的是,为了更好地推动政企垂直行业的 5G 落地,R16 在专网部署模式上也进行了创新,推出了对非公共网络(NPN)的支持,为 5G 专网通信的发展指明了方向。

R16 引入的新特性很多,除了上述技术之外,还包括终端节能,终端移动性增强、高精度定位等。

2020 年 7 月,R16 标准正式冻结。

如果说 R15 只是实现了一个“可用”的 5G,那么,R16 的作用,就是让“可用”的 5G 变成“好用”的 5G。它在成本、效率和功能上进行了深入增强和改进,为 5G 的全面落地铺平了道路。

R17:能力升级,应用探索

终于到了 R17!

如果用一个词来形容 R17 的定位,那就是“承前启后”。

作为全球 5G NR 标准的第三个主要版本,R17 进一步从网络覆盖、移动性、功耗和可靠性等方面扩展了 5G 技术基础,将 5G 拓宽至全新用例、部署方式和网络拓扑结构。

R17 演进的关键词,可以分为“增强”和“扩展”。

网络基础能力增强

R17 是在 5G 规模商用之后制定的标准。所以,它可以根据 5G 前期实际部署的经验,以及发现的不足,进行“查漏补缺”。

R17 为 5G 系统的容量、覆盖、时延、能效和移动性等多项基础能力带来了更多增强特性,包括 Massive MIMO 增强、覆盖增强、终端节电、频谱扩展、IAB 增强、uRLLC 增强等。

我们还是从频谱开始说起。

R17 对 5G 毫米波进行了频谱扩展,定义了一个被称为 FR2-2 的全新独特频率范围,将毫米波的频谱上限,推高到了 71 GHz。

这意味着,5G 毫米波的网络容量将变得更大,更多的用例和部署方式将得以实现。例如智能制造行业中支持通信和定位功能的毫米波企业专网。

得益于 5G NR 可扩展子载波间隔(SCS)方案和基于时隙的灵活帧结构,这种频段扩展可将控制和数据信道的子载波间隔直接扩展到 480 kHz 和 960 kHz(以前低频段毫米波为 120 kHz)。

除频段扩展之外,R17 还带来了其它毫米波增强特性,包括支持带间上行 / 下行载波聚合和增强移动性。

IAB(集成接入与回传)增强,来自于同时发射 / 接收(即全双工)和增强的多跳操作等特性,可以进一步提升部署效率、覆盖和性能。这对于毫米波部署尤其有用,它能够更经济且高效地快速扩展覆盖范围。

终端能力增强方面,为了改善用户体验,R17 提出了一系列的增强特性。

例如支持多达八根天线和额外的空间流,可实现更高吞吐量;先进的 MIMO 增强功能,可提升容量、吞吐量和电池续航;面向连接态和空闲态模式的节能新特性,可延长电池续航;重传和更高传输功率,可改善终端的网络覆盖范围;5G 定位技术增强,可改善定位精度和时延;双卡双待,可支持单个或两个运营商的两个订购服务并发;等等。

5G 网络和终端应用扩展

R17 作为 5G 第一阶段和第二阶段的过渡,既要对现有 5G 进行增强,也要探索更多的 5G 场景应用可能性。这些可能性,包括 RedCap、非地面网络(NTN)、扩展直连通信、厘米级定位、扩展广播 / 多播,以及无界 XR(扩展现实)。

5G R17 引入的最具代表性的技术,当然是面向中低速物联网应用的 RedCap,也就是 NR-Light

RedCap 是简化版的 5G,通过降低协议的复杂度,采用更好的节能技术,可以满足可穿戴设备、工业传感器和监控摄像头等物联网需求。

另一个值得关注的 R17 新特性,是非地面网络(NTN)

近年来,人们对卫星通信的关注度不断增加。为了让 5G 提供无处不在的连接,3GPP 也加强了非陆地区域网络覆盖的研究。在 R17 中,有两个并行的 NTN 工作组来应对移动宽带和低复杂度物联网(IoT)用例。

第一个项目采用 5G NR 框架来进行卫星通信,实现从地面到卫星的固定无线接入 (FWA) 回传,并为智能手机直接提供低速率数据服务和语音服务。第二个项目侧重支持低复杂度 eMTC 和 NB-IoT 终端卫星接入,扩大了关键用例的网络覆盖范围,如全球资产追踪。

最后一个我要提到的 R17 新方向,是无界 XR

去年爆火的元宇宙,给我们展现了跨越实体世界和虚拟世界的个性化数字体验。作为元宇宙的底层支撑技术,以 VR、AR 为代表的 XR 扩展现实技术得到了更多的重视。

R17 中的 XR 项目,专注于研究和界定各种类型的 XR 流量(AR、VR、云游戏)。此项研究为已经确定的 XR 流量类型定义需求和评估方法,并支持性能评估以确定未来的提升范畴。

 结语

曾经有人说,5G 从 R15 到 R17 的发展过程,就像一个盖房子的过程:

R15 版本是 5G 技术标准的“毛坯房”,搭建了基础和框架。R16 版本呢,是对 5G 标准的“精装修”,使其具备了初步的“居住条件”。新出炉的 R17 版本,是“精装”之上的“软装”,起到了锦上添花的效果,让居住体验变得更好。

事实确实如此。5G 的第一阶段,是一个动态拓展的过程,移动通信技术开始赋能行业互联网和数智化变革。

我们通过前面所说的这些技术创新,不断挑战着香农理论的极限,摸索着通信技术未来发展的方向。

从目前的阶段性成果来看,5G 通过这些极具颠覆性的科技创新,为整个社会的数字化转型奠定了连接力基础。海量的 5G 垂直行业落地案例,极大地增强了人们对 5G 的信心,对数字经济的信心。

展望未来,我们即将步入 5G-Advanced 时代。5G Advanced 的首个标准版本 ——R18,已经全面启动。它将开启新一轮无线技术创新,为数字经济的繁荣发展保驾护航。

究竟怎样的精彩在等待着我们?让我们拭目以待吧!

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关键词:通信网络5G

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