從R15到R17,一文看懂5G的技術創新

2022年6月初,通訊標準組織3GPP第96次全會在匈牙利布達佩斯如期召開。

在本次會議上,備受矚目的3GPP R17標準被正式宣佈凍結。這標誌著,5G的第一階段演進已經全部完成,5G技術發展,將邁入嶄新的第二階段。

回首往事,大約7年前,也就是2015年9月,國際電聯ITU正式確認了5G的三大應用場景(eMBB、mMTC和uRLLC)。不久後,2016年3月,3GPP就正式啟動了5G的標準化工作,旨在開發一個統一的、更強大的無線空口——5G NR(New Radio,新空口)

如今,時光飛逝,我們共同見證了3GPP R15、R16、R17版本的凍結,以及5G的全面商用和落地普及。

被寄予厚望的5G,經歷了從誕生到成熟的發展歷程,正在不斷改變著我們的工作和生活,也顛覆了整個社會的運作模式。

那麼問題來了,在5G不斷演進的過程中,到底湧現了哪些革命性的技術創新?在這些技術創新的背後,又潛藏著怎樣的邏輯思路?從R15到R17,各階段的作用,究竟是什麼?

今天這篇文章,小棗君將帶領大家找到答案。

█R15:奠定基礎,揭開面紗

首先,我們先看看R15的創新思路。

R15是5G標準制定的開端。正所謂:「好的開始,是成功的一半」。為了邁出堅實的第一步,通訊行業專家們進行了充分的研究和準備工作。

當時,R15最重要的使命,是針對eMBB(增強移動寬頻)場景進行標準制定。而這個場景,需要的正是通訊網路最重要的一個指標——速率。

ITU針對eMBB的指標要求,是下行峰值速率必須達到10Gbps以上,使用者體驗速率必須達到1Gbps以上。3GPP為了實現這一需求,採用了兩個思路:一個是尋找更多的可用頻譜資源,另一個是深入挖掘每MHz頻率資源的潛力。

在擴充頻譜資源方面,3GPP在Sub-6GHz頻段的基礎上,提出了移動毫米波技術。也就是說,將5G的工作頻譜向更高頻段延伸,覆蓋到毫米波的頻段。

移動毫米波帶來的速率和容量提升非常明顯,奠定了5G高速連接的基礎。

在毫米波技術的基礎上,3GPP又引入了Massive MIMO(大規模天線陣列)。

這個技術是5G最具標誌性的創新之一,可以說是「神來之筆」。它通過大量增加基站中的天線數量,從而對不同的使用者形成獨立的窄波束覆蓋,從而數十倍地提升了系統吞吐量,也改進了基站的覆蓋效果(尤其彌補了毫米波覆蓋能力的不足)。

Massive MIMO

Massive MIMO

在深入挖掘頻譜資源潛力方面,技術挑戰就更大了。這裡面涉及到了大量的底層技術創新,包括多址技術、調製技術、編碼技術、物理層結構等,都需要重新進行設計。

5G NR設計中最重要的決定之一,就是選擇無線波形和多址接入技術。

在當時的方案評估過程中,高通通過廣泛研究發現,正交分頻多工(OFDM)體系,具體來說包括循環前綴正交分頻多工(CP-OFDM)和離散傅立葉變換擴頻正交分頻多工(DFT-S OFDM),是面向5G eMBB和更多其他場景的最佳選擇(後來證明確實如此)。

在4G LTE已有的OFDM應用基礎上,高通高級工程總監季庭方通過設計了統一的子載波間隔指數擴展公式,實現了可擴展的OFDM參數配置。這一技術發明,被稱為「可擴展參數集」,是R15的重大亮點。

利用可擴展OFDM參數配置,可以實現子載波間隔能隨頻道寬度以2的n次方擴展。這樣一來,在更大頻寬的系統中,FFT點數大小也隨之擴展,卻不會增加處理的複雜性。

R15另一個令人耳目一新的設計是基於時隙的靈活框架。該靈活框架的關鍵技術發明就是5G NR自包含時隙結構。在新的自包含時隙結構中,每個5G NR傳輸都是模組化處理,具備獨立解碼的能力,避免了跨時隙的靜態時序關係。

2018年6月,3GPP R15標準正式凍結。現在看來,R15成功打響了5G的第一槍。它帶來的諸多創新,給人們揭開了5G的神秘面紗,也為5G後續的迭代演進奠定了堅實的基礎。

█ R16:場景擴展,賦能行業

R15主要針對eMBB(增強移動寬頻)場景進行了標準制定。R16在R15的基礎上,進一步完善了uRLLC和mMTC場景的標準規範,從而貢獻了第一個5G完整標準,也是第一個5G演進標準。

從本質上來說,實現對垂直行業的支持和賦能,是R16最重要的使命。

R16需要進行標準化的uRLLC(超可靠低延遲通訊)場景,主要針對的就是工業網際網路、車聯網等垂直行業領域。ITU針對uRLLC場景提出的指標目標,包括更嚴格的可靠性要求(高達99.9999%的可靠性),以及毫秒級的時延。

R16需要通過進一步增強5G網路的基礎能力,引入更多的網路新特性,以此更好地支持toB的關鍵業務型用例,滿足智慧製造、智慧質檢、無人駕駛等垂直行業需求。

在網路基礎能力增強方面,R16對頻譜效率、網路的利用率和魯棒性等方面都做了專門的最佳化和增強,包括大規模天線增強、載波聚合增強、切換技術增強等,極大地提升了5G的可用性和完善性。

在新特性引入方面,R16的表現更是可圈可點。

以頻譜擴展為例,R16增加了對5G NR免許可頻譜(NR-U)的支持,包括兩種模式:許可輔助接入(LAA),以及不需要任何許可頻譜的獨立部署。這不僅帶來了更大的容量,也實現了更靈活的部署。

對於前面提到的可靠性和時延要求,高通主導的多點協作通訊(CoMP),是實現這一目標的關鍵賦能技術之一。在這個技術創新中,通過採用多個發射和接收點(多TRP),創建有冗餘通訊路徑的空間分集,實現高可靠性和低時延,構建可用的時間敏感網路(TSN)。

車聯網(V2X)是5G的一個重要垂直應用領域。在這個領域中,高通等公司主推的直連通訊(D2D)是一個重要的技術創新,能夠實現V2X支持車輛編隊、半自動駕駛、外延傳感器、遠端駕駛等更豐富的車聯網應用場景。

車聯網(V2X)

車聯網(V2X)

R16在組網技術方面則引入了遠端干擾管理、無線中繼以及網路組織和自最佳化技術,使得網路實際使用者體驗獲得提升。

具有代表性的例子,是新型干擾測量與抑制技術(比如RIM/CLI),以及集成接入與回傳(IAB)

集成接入與回傳(IAB)支持毫米波基站進行無線接入和回傳,在部署密集網路時可有效減少新增光纖部署需求。

特別值得一提的是,為了更好地推動政企垂直行業的5G落地,R16在專網部署模式上也進行了創新,推出了對非公共網路(NPN)的支持,為5G專網通訊的發展指明瞭方向。

R16引入的新特性很多,除了上述技術之外,還包括終端節能,終端移動性增強、高精度定位等。

2020年7月,R16標準正式凍結。

如果說R15只是實現了一個「可用」的5G,那麼,R16的作用,就是讓「可用」的5G變成「好用」的5G。它在成本、效率和功能上進行了深入增強和改進,為5G的全面落地鋪平了道路。

█R17:能力升級,應用探索

終於到了R17!

如果用一個詞來形容R17的定位,那就是「承前啟後」。

作為全球5G NR標準的第三個主要版本,R17進一步從網路覆蓋、移動性、功耗和可靠性等方面擴展了5G技術基礎,將5G拓寬至全新用例、部署方式和網路拓撲結構。

R17演進的關鍵詞,可以分為「增強」和「擴展」。

  • 網路基礎能力增強

R17是在5G規模商用之後制定的標準。所以,它可以根據5G前期實際部署的經驗,以及發現的不足,進行「查漏補缺」。

R17為5G系統的容量、覆蓋、時延、能效和移動性等多項基礎能力帶來了更多增強特性,包括Massive MIMO增強、覆蓋增強、終端節電、頻譜擴展、IAB增強、uRLLC增強等。

我們還是從頻譜開始說起。

R17對5G毫米波進行了頻譜擴展,定義了一個被稱為FR2-2的全新獨特頻率範圍,將毫米波的頻譜上限,推高到了71 GHz。

這意味著,5G毫米波的網路容量將變得更大,更多的用例和部署方式將得以實現。例如智慧製造行業中支持通訊和定位功能的毫米波企業專網。

得益於5G NR可擴展子載波間隔(SCS)方案和基於時隙的靈活幀結構,這種頻段擴展可將控制和資料頻道的子載波間隔直接擴展到480 kHz和960 kHz(以前低頻段毫米波為120 kHz)。

除頻段擴展之外,R17還帶來了其它毫米波增強特性,包括支持帶間上行/下行載波聚合和增強移動性。

IAB(集成接入與回傳)增強,來自於同時發射/接收(即全雙工)和增強的多跳操作等特性,可以進一步提升部署效率、覆蓋和性能。這對於毫米波部署尤其有用,它能夠更經濟且高效地快速擴展覆蓋範圍。

終端能力增強方面,為了改善使用者體驗,R17提出了一系列的增強特性。

例如支持多達八根天線和額外的空間流,可實現更高吞吐量;先進的MIMO增強功能,可提升容量、吞吐量和電池續航;面向連接態和空閒態模式的節能新特性,可延長電池續航;重傳和更高傳輸功率,可改善終端的網路覆蓋範圍;5G定位技術增強,可改善定位精度和時延;雙卡雙待,可支持單個或兩個運營商的兩個訂購服務併發;等等。

  • 5G網路和終端應用擴展

R17作為5G第一階段和第二階段的過渡,既要對現有5G進行增強,也要探索更多的5G場景應用可能性。這些可能性,包括RedCap、非地面網路(NTN)、擴展直連通訊、釐米級定位、擴展廣播/多播,以及無界XR(擴展現實)。

5G R17引入的最具代表性的技術,當然是面向中低速物聯網應用的RedCap,也就是NR-Light

RedCap是簡化版的5G,通過降低協議的複雜度,採用更好的節能技術,可以滿足可穿戴設備、工業傳感器和監控攝像頭等物聯網需求。

另一個值得關注的R17新特性,是非地面網路(NTN)

近年來,人們對衛星通訊的關注度不斷增加。為了讓5G提供無處不在的連接,3GPP也加強了非陸地區域網路覆蓋的研究。在R17中,有兩個並行的NTN工作組來應對移動寬頻和低複雜度物聯網(IoT)用例。

第一個項目採用5G NR框架來進行衛星通訊,實現從地面到衛星的固定無線接入(FWA)回傳,併為智慧手機直接提供低速率資料服務和語音服務。第二個項目側重支持低複雜度eMTC和NB-IoT終端衛星接入,擴大了關鍵用例的網路覆蓋範圍,如全球資產追蹤。

最後一個我要提到的R17新方向,是無界XR

去年爆火的元宇宙,給我們展現了跨越實體世界和虛擬世界的個性化數字型驗。作為元宇宙的底層支撐技術,以VR、AR為代表的XR擴展現實技術得到了更多的重視。

R17中的XR項目,專注於研究和界定各種類型的XR流量(AR、VR、雲遊戲)。此項研究為已經確定的XR流量類型定義需求和評估方法,並支持性能評估以確定未來的提升範疇。

█結語

曾經有人說,5G從R15到R17的發展過程,就像一個蓋房子的過程:

R15版本是5G技術標準的「毛坯房」,搭建了基礎和框架。R16版本呢,是對5G標準的「精裝修」,使其具備了初步的「居住條件」。新出爐的R17版本,是「精裝」之上的「軟裝」,起到了錦上添花的效果,讓居住體驗變得更好。

事實確實如此。5G的第一階段,是一個動態拓展的過程,行動通訊技術開始賦能行業網際網路和數智化變革。

我們通過前面所說的這些技術創新,不斷挑戰著夏農理論的極限,摸索著通訊技術未來發展的方向。

從目前的階段性成果來看,5G通過這些極具顛覆性的科技創新,為整個社會的數字化轉型奠定了連接力基礎。海量的5G垂直行業落地案例,極大地增強了人們對5G的信心,對數字經濟的信心。

展望未來,我們即將步入5G-Advanced時代。5G Advanced的首個標準版本——R18,已經全面啟動。它將開啟新一輪無線技術創新,為數字經濟的繁榮發展保駕護航。

究竟怎樣的精彩在等待著我們?讓我們拭目以待吧!

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