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詳細解讀5G的Rel-17標準

2022-04-20 12:29:51 來源:EETOP 作者:Nancy Zhou

在今年3月下旬,3GPP完成了全球5G標準的第三個版本——Rel-17的功能性凍結,這個里程碑式的進展正式宣告5G演進第一階段的完成。歷經R15、R16和R17三個版本,當前,5G技術的全貌已經呈現在我們面前。

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在高通公司近日召開的“5G技術演進媒體分享會”上,高通公司中國區研發負責人徐晧博士分享說:“從技術演進階段來劃分,我們一般將Rel-15/16/17這三個版本稱為5G演進的第一階段;之后的Rel-18/19/20這三個版本,是第二輪5G創新,或者說是5G Advanced?!?/span>

R15、R16和R17的演進分析 

2018年,3GPP完成了5G標準的第一個版本Rel-15,它為之后的5G發展提供了整體架構,是5G未來演進的奠基石。以下是Rel-15比較側重的幾個重要功能:

  • 從技術上來說,Rel-15最側重的還是增強移動寬帶(eMBB)的提升;

  • 在頻譜方面,Rel-15引入了對Sub-7GHz和毫米波的支持;

  • 在架構方面,Rel-15支持可擴展和向前兼容。 

此外,Rel-15還引入了對基礎的超可靠低時延通信(URLLC)的支持,且URLLC技術在Rel-16/17/18中還在不停地演進。同時還引入了eMTC/NB-IoT技術支持的mMTC。嚴格意義上來說,eMTC、NB-IoT是從4G延續過來的兩項物聯網技術,Rel-15使這兩項技術能夠切入到5G系統中運行。 

5G標準的第二個版本Rel-16,這個版本引入了幾項全新的技術,有效推動了5G向行業擴展。

  • 引入對免許可頻譜(NR-U)的支持,也就是說除了國家分配給運營商的許可頻譜外,在免許可頻譜也能支持5G應用。

  • 首次引入了NR V2X。此前的蜂窩車聯網(C-V2X)技術都是基于LTE,Rel-16引入了基于5G NR的直連通信。

  • Rel-16支持5G廣播以及集成接入與回傳(IAB)。

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總體來說,Rel-15為5G技術演進奠定了一個很好的框架,引入了對Sub-7GHz和毫米波的支持;Rel-16引入對免許可頻譜的支持,并新增了全新的直連通信和定位等功能。Rel-17是針對前兩個5G標準版本的持續推進。

Rel-17技術細節:增強的全新5G系統功能

Rel-17為5G系統的多項基礎性技術帶來更多增強特性,從多個方面推動技術發展,包括容量、覆蓋、時延、能效和移動性。 

進一步增強5G大規模MIMO性能 

Rel-17中的這一項目專注于為部分關鍵技術領域帶來增強特性,包括增強的多TRP(發射和接收點)部署和增強的多波束運行,在SRS(探測參考信號)觸發或切換,以及CSI(信道狀態信息)測量或報告方面帶來提升。

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  • 增強的多波束運行。光束傳播與更高頻率的電磁波傳播非常像,毫米波的波束成型是通過大規模天線陣列,將電磁波聚焦在特定方向。為實現更好的毫米波覆蓋需要運用大規模天線技術,但如果在波束運行的過程中對每個信道都配置指示,就會產生很多的信令開銷。Rel-17中引入了統一的傳輸配置指示(TCI)框架,就是通過一個信令實現上下行多個波束的運行,從而降低時延和信令開銷。

  • 多發射和接收點(TRP)的部署。小區內多TRP是指基站上有不同的天線集群,不只有一個天線的接收點,甚至有不同的基站可以同時支持用戶通信需求。Rel-17引入了很多技術,可以讓多TRP部署更高效。

  • 探測信號(SRS)的觸發或切換。此前5G標準版本只能支持最多4根天線。在Rel-17中,SRS切換可以支持多達8根天線。不過大多數情況下手機用不到8根天線,這個特性更多是為了滿足CPE和其它比較大的終端的需求。

  • 信道狀態信息(CSI)的測量和報告。通信系統的雙工方式有兩種:時分雙工(TDD,Time Division Duplex)和頻分雙工(FDD,Frequency Division Duplex)。從手機傳給基站的時候,可能有一個直射徑和一個從地面的反射徑,從地面傳到手機也是一個直射徑一個反射徑。通過這方面的進一步優化,上行和下行的信令會減少。 

有效提升5G上行覆蓋 

針對Sub-7GHz、毫米波和非地面網絡的多樣化部署,Rel-17為上行控制和數據信道設計引入多個增強特性,比如增加重傳次數以提升可靠性,以及跨多段傳輸和跳頻的聯合信道估計。大多數通信系統都是上行覆蓋更弱,這是因為基站的發射功率高。Rel-17在5G上行覆有三方面的增強:

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  • 第一,上行數據信道(PUSCH)增強。其中的技術包括提高最大重傳次數,即通過不停地傳送來延長傳送的時間,來實現覆蓋的增強。

  • 第二,上行控制信道(PUCCH)增強。其中的技術包括在重傳的過程中使用編碼技術,使上次傳的和下次傳的信息不一樣,但可以通過解碼結合在一起。

  • 第三,Message 3增強。當從手機接入到基站的時候,一般需要4個信號才能建立起連接,分別對應的是Message 1、2、3、4。Message1是手機會選一個序列告訴基站有人想跟你連接,但還不能告訴基站是誰想連接。Message 2是基站回這個用戶我收到你的信號了,你告訴我你是誰。Message 3是手機告訴基站說我是誰。Message 4是基站告訴手機我知道你是誰,我們現在可以通信了。這是最常見的4G和5G建立連接的4個信號。Message 3增強是在傳第三個信號的時候,讓第三個信號重傳或者是有一定的覆蓋增強。 

增強多項終端節電 

5G手機的節電特性一直備受關注。手機有不同的狀態:連接態(connected)、空閑態(idle)、非活躍態(inactive)。為進一步延長移動終端電池續航,Rel-17為三種不同狀態都增強了節電特性。

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  • 第一,通過喚醒接收機(WuR,Wake-up Receiver)減少非必要的終端尋呼接收。

  • 第二,當手機有呼叫的時候,為手機提供更多幫助同步的信號,包括追蹤參考信號(TRS)和信道狀態信號(CSI),手機可迅速調整成最佳狀態。

  • 第三,對于連接態模式的手機,Rel-17版本引入了一個特性,讓處于連接狀態的手機不需要連續接收。即手機可以告訴5G基站(gNodeB)接下來多長時間不需要接收信號,或者基站可以告訴手機接下來多長時間不需要監測物理下行控制信道(PDCCH)。這個連接狀態可能是毫秒級或者是秒級的,這就可以讓手機有更多的時間處于睡眠或者是更好地節電模式。 

頻譜擴展 

Rel-17還擴展了5G NR設計,將毫米波頻段擴展到71GHz,并且支持60GHz免許可頻段。毫米波頻段分成了兩個部分,一個是FR2-1,這是Rel-15、Rel-16中定義的毫米波,最高能到52.6GHz;Rel-17新擴展的是FR2-2,也就是從52.6GHz到71GHz的頻段。

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從標準的角度來說,Rel-17進行了多項增強:

  • 首先,有更多更高頻段可以使用。以前的毫米波頻段FR2-1能夠提供800MHz的帶寬,現在FR2-2的帶寬可以高達1.6GHz,甚至還可以到2GHz。

  • 其次,可以利用子載波間隔(SCS,Sub-carrier Spacing)的擴展,把子幀間隔從120kHz擴展到480kHz或者是960kHz。實現更大帶寬的支持。

  • 再有,還可以利用同步信號塊(SSB),在初始介入的時候就進行擴展,子幀間隔的擴展是能夠直接幫助帶寬提高的技術。

  • 此外,60GHz是免許可頻譜,需要先聽后發(LBT,listen before talk)技術的支持。Rel-17還引入了單向的先聽后發,以及無先聽后發,這樣在某些特定的環境下可以不用先聽后發、而是直接發。 

增強超可靠低時延通信 

Rel-17還進一步增強了超可靠低時延通信。首先,Rel-17將超可靠低時延通信兼容到了免許可頻譜。主要引入了fixed frame和信道占用時間(COT,Channel Occupancy Time)兩項技術。其次,終端內復用和優先級排序??梢栽诓挥绊慤RLLC的情況下還發其它eMBB的包,就是說在有更多更強的計算能力或者是系統資源的時候,可以在保證URLLC不受影響的同時支持eMBB低優先級流量的處理。

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此外,還有增強的時間同步,這是為工業物聯網等嚴苛應用帶來更好的支持,面向時間敏感網絡(TSN)支持上行基于往返時間(RTT)的延遲補償,實現更好的時間同步。 

增強的IAB和簡單中繼器 

Rel-17引入毫米波基礎設施的兩大全新選項,也就是通過射頻中繼器(即放大和轉發中繼)或集成接入與回傳(IAB)這兩種方式,更加高效地擴展5G毫米波網絡覆蓋。所謂中繼是指在gNodeB(基站)的信號不能很好地覆蓋到手機時可以放一個中繼器,由中繼器將信號放大之后,再進行信號傳輸,這是比較簡單的中繼器。它的主要功能就是接收和放大信號,

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關于集成接入與回傳(IAB),這種方式更復雜一些,它既能接收信號又能回傳信號。IAB的節點可以從gNodeB(基站)接收到信號,同時也可以把信號發給用戶設備(UE),從而實現空間分離全雙工。這里的空間分離全雙工,指的是因為天線的方向不一樣,因此可以在兩個不同的方向上復用時間和頻率資源。 

Rel-17應用部署:將5G擴展至全新終端和應用 

5G正式商,再到目前的大規模商用,已經有將近三年時間。5G在全球的發展非常迅速:目前已有超過205家運營商部署了5G商用網絡,還有超過280家運營商正在投資部署5G技術;預計2023年全球5G連接數將超過10億,這比4G獲得同樣連接數的速度整整快了兩年;預計2020年到2025年,5G手機出貨量將超過50億;超過1275款5G終端已經發布或正在設計中。 

關于5G終端及其應用,前幾個5G標準版本主要側重于提升5G手機的性能,將5G擴展到PC是一個比較容易的方向。徐晧博士分享說,汽車是Rel-17擴展的主要方向之一;另一個終端類型是VR、AR眼鏡,XR是與元宇宙相關的擴展方向。Rel-17還將5G擴展至工業物聯網用例,可以應用于機器人、礦山挖煤等場景。此外,定位也是Rel-17擴展的5G用例,5G定位與衛星定位可以形成非常好的互補,針對無人機和衛星,Rel-17也做了專門的技術增強。

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根據終端從高到低支持的特性和功能,5G標準將終端分為:最高性能的eMBB/URLLC、支持較低復雜度和功耗的NR-Light,以及支持最低復雜度和對時延不敏感的eMTC/NB-IoT。下面,我們來具體看看Rel-17是如何將5G擴展到不同終端和用例的。

第一類:eMBB/URLLC這些最高性能的終端 

5G標準將VR、AR眼鏡這類對性能要求很高的終端劃分為最高性能終端。其它還有如手提電腦,可以支持文件傳輸、看電影等功能,對性能要求也很高;還有某些工業應用需要很低的時延和很好的控制性,以及手機需要支持多種功能,這些都屬于最高性能級別的終端。

元宇宙是無處不在的空間互聯網,帶來跨越實體世界和虛擬世界的個性化數字體驗。Rel-16中就已經有針對XR的研究;Rel-17中的XR項目專注于研究和界定各種類型的XR流量需求(AR、VR、云游戲),比如往返時間、單向包延遲預算和誤包率等。 

Rel-17中的XR項目研究主要是為已經確定的XR流量類型定義需求和評估方法,并支持性能評估以確定未來Rel- 18項目的提升范疇。徐皓博士介紹說:“相比手機等終端,XR終端是全新定義的終端類型,目前對這類終端所需的數據包、在什么掉包率下用戶體驗不會受到影響等情況都不太了解,因此需要對這類終端的流量需求和評估方法進行探索,同時對這類終端的性能進行評估?!?/span> 

第二類:RedCap或NR-Light 

RedCap或NR-Light是Rel-17引入的輕量級5G終端,包括工業傳感器、監控攝像頭、智能電網相關設備、高端可穿戴設備、高端物流跟蹤設備等。支持較低的復雜度和功耗是這類終端的特點。NR-Light是Rel-17和Rel-18及未來版本中將持續演進的技術。 

  • 在帶寬方面:相比手機等需要支持最高性能的終端,NR-Light不需要支持那么快的速率,因此可以相應地縮窄帶寬。5G NR設計的Sub-7GHz頻段帶寬是100MHz,針對NR-Light,Rel-17將帶寬縮窄至20MHz,也就是之前的1/5;5G NR設計的毫米波帶寬最大可支持800MHz,Rel-17將其縮窄至1/8,使NR-Light在毫米波頻段下能夠支持100MHz帶寬。

  • 在天線方面:傳統的5G NR終端通常需要配備四根接收天線,而Rel-17將NR-Light終端的接收天線數縮減至一根或兩根。Rel-17還使NR-Light終端支持半雙工,即終端在任何時候要么傳輸信號、要么接收信號,不能同時傳輸和接收信號,這樣的設計可以使NR-Light終端更節能。

  • NR-Light終端還支持更低的發射功率和增強的節電模式,比如在空閑狀態下,NR-Light終端可以在1萬秒時間內不進行網絡連接;即使在積極傳送狀態下,NR-Light終端也可以做到10秒鐘不與基站連接,從而減少不必要的能耗。

  • NR-Light還可以支持有限移動性和切換,也就是說NR-Light終端不必每時每刻都與基站保持連接,因此不需要對終端的移動做過多的測量。此外,網絡切換速度也可以慢一點,從而減少信令開銷以及更好地優化資源管理。

在這一類別中,徐皓博士特別重點分享了Rel- 17中擴展的幾個全新5G終端機應用。 

擴展廣播/多播:Rel- 17中,這一項目的研究范疇包括引入獨立組網廣播增強特性和混合模式多播支持。比如,面向獨立組網廣播增加對6MHz/7MHz/8MHz載波帶寬的支持,以及通過廣播和單播間的同時/動態切換為5G NR定義多播操作。此外,Rel-17還面向5G廣播推動了端到端設計的演進。

  • Rel-17引入了超高頻(UHF)廣播頻率,增加了對6MHz/7MHz/8MHz載波帶寬的支持,以支持UHF頻段;

  • 針對流量需求較大的通用媒體應用格式(CMAF)進行專門優化,從而支持低時延廣播分發和5G流媒體傳輸;

  • Rel-17能夠支持同步廣播和單播;

  • Rel-17引入了5G NR多播運行;

  • Rel-17支持實現廣播和單播之間的動態切換,在實現終端與基站一對一連接的同時,接收到基站傳輸的信息;

  • Rel-17支持上行混合自動重傳請求(HARQ)反饋和重傳,通過給上行信道多一些反饋或者在信號不好的時候進行重傳,從而進一步提升鏈路自適應性和可靠性。 

將直連通信擴展到全新用例:基于Rel- 16中的C-V2X(蜂窩車聯網)5G PC5設計,Rel- 17帶來一系列全新的直連通信增強特性,比如優化資源分配、節電和支持全新頻段。Rel- 17還將直連通信擴展至公共安全、物聯網以及其它需要引入直連通信中繼操作的全新用例。 

所謂的直連通信,指的是終端之間沒有通過基站進行的通信。Rel-16首次引入的直連通信功能,是對此前C-V2X技術的進一步演進和增強,實現的是車與車之間的連接。Rel-17進一步擴展了直接通信,實現了任意類型的兩個終端之間的連接。此外,Rel-17針對之前版本的直連通信做了很多優化,比如增強節電特性和改進資源分配等。Rel-17針對直連通信的另一項優化是引入了直連通信中繼,從而實現更大的網絡覆蓋范圍。 

徐晧分享說:“直連通信將有可能催生一系列變革性應用,尤其是在如智能家居這類擁有很多低復雜度的物聯網設備的場景,及那些追求更低時延的應用場景中。不過,直連通信的速率和傳輸距離有關,距離越近,衰減越小,速率就越高。也因此,直連通信更適合距離比較近的應用場景,因為它傳輸的范圍有限,基本上是幾百米之內的比較小范圍,具體范圍和是否是視距傳輸(Line of Sight)以及具體傳播環境有關?!?/span>

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增強的精準定位:Rel- 17進一步提升了5G定位,以滿足包括厘米級精度在內的更為嚴苛的用例需求。該項目還包含了其它增強特性,比如降低定位時延,提高定位效率以擴展容量,以及實現更優的GNSS(全球導航衛星系統)輔助定位性能。 

Rel-16版本時,在80%的情況下可以實現室內3m和室外10m的定位精度,同時支持多種定位方式。Rel-17進一步將5G定位提升到厘米級精度,滿足商業用例(1m之內)和工業物聯網(100毫秒內小于0.2m)的精度要求。此外,Rel-17還進一步降低了定位時延,通過在定位時直接調用此前在終端上預先采集和儲存的信息來節約信令開銷并降低交互時間。Rel-17中的5G定位還支持全球導航衛星系統(GNSS)增強,利用GNSS輔助信息提高5G定位性能和效率,同時利用GNSS和5G定位實現互補。 

徐晧總結說:“在室外環境下,衛星定位更具優勢;在室內環境下,5G定位更加精準?!?/span> 

第三類:支持eMTC/NB-IoT的終端 

Rel-17引入了面向非地面網絡或衛星通信的5G物聯網,包括支持eMTC和NB-IoT,從而將4G、5G中的物聯網技術引入5G非地面網絡通信中。在衛星覆蓋的地域范圍內有很多物聯網終端,根據不同的應用場景需求,可以將eMTC和NB-IoT終端直接與衛星連接。

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eMTC/NB-IoT其實是4G就已經支持的兩項技術,但它們在5G框架下得到了增強。相比NR-Light,支持eMTC/NB-IoT技術的終端針對的是最低復雜度且對時延不敏感的應用。Rel-17針對eMTC/NB-IoT這兩項技術進行了向上的功能增強。 

相比4G的eMTC/NB-IoT,Rel-17進一步提高了這兩項技術支持的數據速率,從而支持更多的用例。比如,在最開始的Rel-13中,eMTC支持的最大吞吐量為300kbps;在Rel-13/14/15增強,eMTC支持的最大吞吐量達到588kbps;Rel-17將eMTC支持的最大吞吐量進一步提升至1.2Mbps。 

第四類:無源物聯網終端 

這類終端對應的是最低性能級別的物聯網應用,甚至都不需要電池,僅通過反射信號就能確定終端身份。比如在物流場景中貨品表面貼的標簽支持RFID,可以通過讀表器掃描獲取貨品信息,這就是最低復雜度的無源物聯網用例。 

5G到6G的演進規劃

Rel-17之后,Rel-18將開啟5G Advanced的持續演進,其中包括加強端到端的5G系統基礎,以及將5G擴展至幾乎全部終端和用例。徐皓博士分享說:“行業遵循大概10年一個G的進程,將移動通信技術不斷地往前推進。未來五到十年,5G肯定是最主要的研究方向,行業會把5G Advanced不停地往前推進;同時會關注哪些是5G的瓶頸,這些瓶頸如何用6G來解決?!?/span>

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關于5G向6G的演進,徐皓博士也給出了大概的時間線,即2025年左右會開始有更多關于6G標準的討論;2028年左右開始推出6G標準;2030年左右開始商用。對于通往6G的主要研究方向,徐皓博士也做了重點分享。

  • AI可以給移動通信技術研究提供一個全新的方向。AI能夠以極具變革性的方式來改變移動通信系統,比如說傳輸,輸入直接是圖像,輸出也是圖像,中間過程全部用AI來處理,甚至整個通信系統甚至都可以用AI來全面升級。這是非常激進的一種方式,但還是有一定的可行性。

  • 全新的無線電設計。包括了千兆級的MIMO、毫米波演進、可重配智能超表面、非地面通信等等。

  • 可擴展的網絡架構。指的是未來的網絡架構會更靈活,而且會更多地考慮到AI需要的邊緣計算能力、以及支持XR分離式渲染的架構,這也是設計6G系統的時候可能會提前考慮到的架構方面的優化。

  • 通信系統的可靠性。在設計6G系統的時候就做到更好的多維度信任和開源性,甚至可以考慮用量子通信技術或者是區塊鏈來提高安全性和可靠性。

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以上這些,都是通往6G的可能的研究方向。徐皓博士表示,最終哪些技術能在6G落地還是要通過實驗和測試才能知道。高通在移動通信行業已經有超過三十年的投入和技術積累,在對5G技術的研究和持續創新中,也是貢獻了很多關鍵的技術:

  • 在Rel-15中,高通創新貢獻了幾項關鍵技術發明:首先是引入移動毫米波;其次是引入先進信道編碼,包括LDPC和CRC輔助極化碼,它們區別于4G的turbo碼和卷積碼;同時還引入了可擴展參數集,為了將對低頻段、毫米波頻段以及不同帶寬的支持都融入到同一個架構中,5G需要有非常靈活的時隙架構,同時也要有可擴展參數集。上述這些技術的引入,為5G奠定了最基礎的技術框架。

  • 在Rel-16中,高通還貢獻了免許可頻譜、先進的節電和移動性、高精度定位、直連通信、關鍵業務型設計、全新部署模式等技術。

  • 在Rel-17中,高通又貢獻了幾項關鍵技術發明。包括:毫米波擴展,將頻譜從52.6GHz擴展到了71GHz,同時還支持60GHz免許可頻段;引入RedCap(NR-Light)終端,主要面向的是可穿戴設備、傳感器和攝像頭等較低復雜度的物聯網終端;終端增強;引入非地面網絡(NTN)的支持,即衛星通信;引入對拓撲擴展的支持,包括增強的集成接入與回傳(IAB)、中繼器和面向弱勢交通參與者的V2X等。

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談到未來,徐皓博士分享說,實體世界、虛擬世界、數字世界的融合發展是近一兩年討論的比較多的。通信技術無疑是這三個世界的融合以及元宇宙中最核心的技術之一。如果沒有強大的5G或者6G的通信連接,就沒有辦法做到很好的實現。通信技術讓我們離萬物互聯的愿景更近一步。這是高通非??春玫男袠I發展技術,相信也是能讓通信技術得到更好更好應用的場景。


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