全球新消息丨从R15到R17,一文看懂5G的技术创新

资料来源:鲜枣课堂

作者:小枣君


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物联网智库 转载

导读

如今,5G已经深入生产和生活的方方面面,步入了成熟的发展阶段,这篇文章就从R15开始,为你详细介绍此后的标准演进和全新特性。
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: 技术创新 第一阶段 用户体验

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