5G-Advanced无线标准化发展趋势及热点方向解析

作者:中国移动通信有限公司研究院 韩星宇 刘亮 胡南 徐晓东 责任编辑:朱文凤 2021.10.12 19:48 来源:通信世界全媒体

通信世界网消息(CWW)3GPP作为全球影响力最大、落地商用最成功的通信标准化组织之一,其制定的5G标准已于2020年7月被国际电信联盟(ITU)确认为在IMT-2020框架下的唯一5G标准。5G标准化在推出R15、R16和R17三个版本之后,3GPP在2021年4月决定从R18开始正式启动5G演进标准的制定,并且正式将5G演进标准定名为5G-Advanced。

5G标准化现状

众所周知,5G标准在制定伊始,便致力于支持ITU定义的5G三大类应用场景,即增强移动宽带(eMBB)、超高可靠低时延通信(uRLLC)和海量机器类通信(mMTC)。3GPP制定的第一个5G标准版本R15,支持5G独立组网及非独立组网,在空口上引入大规模天线、灵活帧结构、补充上行及双连接等技术,重点满足增强移动宽带业务的需求;R16致力于5G能力的拓展与延伸,以垂直行业应用为抓手,通过工业物联网、专用网络、5G车联网等一系列立项的支持,重点满足超高可靠低时延通信业务的需求,并且通过网络大数据采集、5G远端基站干扰管理等立项,初步解决了运营商降本增效的痛点问题。

正在制定的R17对5G能力进行了进一步拓展,在无线侧标准化方面,主要从使能更多行业和应用、解决5G网络运营需求及基础能力持续提升3个方向对5G能力提出了更高的要求。R17立项分类如图1所示,其中对一些重点立项的解析如下。

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图1 R17版本立项分类

一是使能对5G无线切片的支持,通过支持基于切片的小区选择/重选和业务连续性,以及基于资源隔离的差异化随机接入等一系列技术手段,在无线侧为实现功能定制、资源隔离及质量保障三大5G切片特征进行了初次探索,并为彻底打通5G端到端切片支持打下了良好的无线侧标准化基础。

二是使能对5G多播广播业务的支持,与LTE不同,5G多播广播设计在网络架构和业务流程上尽量减少了与单播的差异性,并且通过灵活的调度方案和协议栈设计,提升了空口的资源利用效率;为提升多播广播业务传输可靠性,增加了反馈机制并对移动性管理进行了增强,确保用户体验。

三是继续对5G网络自动化进行增强, 3GPP在R16便开始对自优化网络与最小化路测课题的研究与标准化工作,并在R16版本中完成了5G系统内的移动鲁棒性优化、移动性负载均衡、随机接入优化、基站节能等多个用例的标准化工作,为运营商实现网络自优化配置打下了坚实的基础。R17在R16的基础上,一方面为满足5G引入两步随机接入、双连接、切片、移动性增强等新功能,继续对5G系统内用例进行增强;另一方面立足运营商需求,对运营商最为关心的覆盖与容量优化、4G和5G系统间移动性负载均衡以及系统间节能用例进行了标准化讨论,为运营商进一步实现降本增效提供了可靠的方法与手段。

5G-Advanced无线标准化发展趋势

R18作为5G-Advanced的第一个版本,自2021年4月定名之日起便引起了业界的极大关注,3GPP RAN工作组从2021年6月便开始在全会开展对R18潜在目标与立项的讨论,并预计在2021年底之前确定R18立项的研究与标准化范围,R18多个关键时间节点如图2所示。

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图2  R18立项布局的关键时间节点

根据第一阶段的讨论,3GPP基本达成了R18布局的三大原则:一是“兼顾现在与未来”,从需求出发,既要考虑解决现网瓶颈问题的需求,又要预见并满足未来垂直行业与业务带来的新需求;二是“兼顾现有与新兴”,从技术出发,一方面对现网已部署技术进行持续增强与挖潜,另一方面对新兴技术融合应用秉持开放与合作的态度;三是“兼顾网络与终端”,从技术演进出发,需要同时考虑网络诉求与终端诉求。

在R18达成布局三大原则的背景下,通信产业伙伴于2021年8月共同发布了《5G-Advanced网络技术演进白皮书(2021)》 ,并在同期发布了5G-Advanced行动计划。5G-Advanced行动计划基于3GPP R18布局三大原则,提出了5G-Advanced三大重点攻关方向:卓越网络、智生智简、低碳高效。

一是卓越网络。为满足日益增长的数字化需求,5G技术需要持续演进,构筑一张卓越融合的5G-Advanced网络。5G卓越网络的目标主要包括两方面:10倍网络能力的提升和使能新能力的引入。

在10倍网络能力提升方面,下行体验速率要从100Mbit/s提升到1Gbit/s、上行体验速率从10Mbit/s提升到100Mbit/s、定位精度从亚米级提升到厘米级、连接密度从106 /平方千米提升为107/平方千米;在使能新能力引入方面,支持更多业务和通信融合。

二是智生智简。一方面通过智慧内生,提供完善的5G大数据采集机制与手段,加速推进实现网络智能化与能力开放化,降低5G建设与运维成本;另一方面基于智能简捷,通过更加灵活简捷的网络架构和能力配置,匹配多场景网络及低成本连接。

三是低碳高效。一方面通过新节能技术、新材料应用等手段,降低5G基站能耗;另一方面通过多频点协同与频谱的灵活使用,实现通信效率的提升。

5G-Advanced三大重点攻关方向与R18布局三大原则相辅相成:5G-Advanced三大重点攻关方向脱胎于R18布局三大原则,并将进一步影响甚至指导3GPP R18与R19的无线标准化工作。目前R18讨论的潜在立项,依据5G-Advanced三大攻关方向可以大体归类如图3所示。其中标红立项在3GPP无线标准化当中属于首次讨论,或者属于合作伙伴中公认需要优先解决的痛点问题,因此成为R18立项讨论的热点方向,将在下文进行详细解析。

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图3 5G-Advanced三大重点攻关方向

5G-Advanced无线标准化热点方向解析

全双工:满足5G-Advanced超低时延和上行高速率要求

5G TDD系统由于上下行子帧时分配置且上下行子帧配比不平衡,导致很难同时满足超低时延和上行高速率的要求,这对于5G系统支持需要极致体验的XR业务或者某些工业场景提出了挑战。因此标准化中重新提出了引入全双工传输的可能性,目前R18讨论的主要有子带全双工与同时同频全双工两类方案,如图4所示。

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图4 子带全双工(上)与同时同频全双工(下)

子带全双工类似于带内FDD方案,通过在一些时隙的不同频率上分别配置上行和下行传输资源来实现,这种方法一方面由于配置了更多的上行和下行时隙,可以降低上下行时延;另一方面由于能够灵活配置更多的上行资源,有助于上行覆盖增强和容量提升。而同时同频全双工在学术界讨论较多,通过干扰消除方案从理论上可以把频谱效率提升至两倍。

当然,引入全双工尤其是同时同频全双工技术后,需要解决随之而来的自干扰和交叉链路干扰问题。考虑到产业成熟度和实现复杂度,如何分步骤、分阶段地引入全双工技术将是R18需要研究的重点。

上行增强:解决现网瓶颈问题

上行增强的目的在于通过一系列技术手段解决上行覆盖和边缘速率问题,除了借助传统的物理层方法对上行终端能力进行持续增强,R18还讨论了使用UE聚合方式增加上行总发射功率,以提高上行覆盖。

UE聚合协议栈设计如图5所示,多个终端在基站控制下形成一个用户组,由统一的PDCP层进行数据分发与流量控制,以支持多个终端之间的高精度同步发送和接收;在使用多终端进行上行联合传输的同时,利用多天线技术提高上行传输效率。R18将继续讨论UE聚合方案对RAN侧的影响。

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图5 UE聚合协议栈设计

通信感知一体化:同时满足海量连接和超低时延的新技术

通信感知技术是5G-Advanced新提出的技术之一,原理是结合高频波束与多天线原理使能基站实现“雷达”功能,识别车辆和低空飞行物的位置、速度和方向等;相比雷达,通信感知融合基站在覆盖、距离分辨率、测角精度等方面优势明显。基站感知原理如图6所示。

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图6 通信基站感知原理

可以看到,通信感知融合基站需要基站在时域和空域配置专用的感知资源,并且需要基站支持感知探测和处理感知数据的功能。根据目前的讨论,该方向技术可行,但是由于感知资源引起的空口开销目前尚未明确,并且在未来大规模商用时需要严格控制部署成本,因此目前R18讨论还是持审慎态度。

XR研究与标准化:满足新业务带来的新需求

随着5G标准化工作的逐步开展,以XR为代表的新兴业务逐渐成为5G网络需要重点支持的关键业务。这一类业务同时具备了eMBB与uRLLC业务的大带宽、高可靠、低时延等特征,因此对5G网络尤其是无线侧带来了极大的挑战。因此3GPP RAN自R17便开始了针对XR业务的研究工作,主要从容量、节能、覆盖和移动性4个维度对现有5G基站支撑XR业务数据传输进行了初步的性能评估,目前评估正在进行中,R18也将基于最终的评估结果确认标准化范围。目前可以预见的潜在增强包括支持更加精细化的QoS区分与参数定义、支持网络可见的XR应用层数据开放、支持增强的空口资源预先配置及自适应的非连续接收配置等方向。值得一提的是,为满足XR业务的极致需求,以网络可见的XR应用层数据开放为代表的跨层优化方案,在标准讨论中得到越来越多的关注,可以预见跨层优化将成为5G-Advanced标准化讨论的一大热点。

AI/ML研究与标准化:新兴技术与5G融合探索

NR系统设计灵活且拓扑复杂,存在一系列难以建模的问题。人工智能(AI)与机器学习(ML)在近10年中得到了全产业的极大关注,因此,3GPP RAN也开始尝试探索AI/ML在通信网络中的应用,并在R17开启了针对无线AI/ML的研究工作,以期为运营商网络自动化与智能化提供新的思路与发展方向。该研究初步探索了AI/ML功能化框架的基本设计思路,根据最新进展,目前无线智能的功能性框架如图7所示。

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图7 无线智能的功能性框架

依据上图,3GPP后续工作将聚焦于数据采集具体参数定义、模型推理输入与输出的具体参数定义,以及多个模块之间交互流程的定义。同时,R17还将依托运营商最关注的网络节能、移动性优化和负载均衡三大网络自动化用例给出初步的流程性解决方案。R18将基于R17的研究成果,进行相应的标准化讨论,从而真正使能基于无线AI/ML的网络自动化与智能化部署。

低能力终端:考虑终端厂商降低终端成本与复杂度诉求

面向工业无线传感网络、视频监控及智能可穿戴等场景,终端需要在保证一定的比特速率、时延及可靠性要求的前提下,降低成本并提升待机时间。因此3GPP从R17便展开了5G引入低能力终端设计的讨论,以此拓展5G行业领域。同时R17还讨论了网络对低能力终端的识别设计和接入控制等方案,以保证网络的控制权及不同类型用户的体验。R18将面向资产追踪及一些无法经常更换电池的终端与场景,继续降低终端成本、能耗与复杂度。

无源物联网(Passive-IoT):服务智慧工厂场景需求的新技术

无源物联网,顾名思义就是终端无电池供电的物联网技术。传统的RFID技术已广泛应用于货品清点与跟踪,但是RFID的传输距离近、信号穿透能力有限,因此无源物联网作为一种在保证米级定位精度下可以提供更高传输距离的潜在替代技术,在R18讨论中受到了关注。目前R18仅讨论了无源物联网的指标需求,后续R18可以先从研究项目入手,考虑无源物联网与现有5G系统的关系,以及对无线网络架构的影响等问题。

值得一提的是,无源物联网的提出依托于紧迫的垂直行业需求:垂直行业希望运营商部署一张5G网络以服务智慧工厂内的所有通信需求,这不仅包含了仓储出入库管理和厂内物料定位等物联网需求,还包含了机械控制等超高可靠、低时延业务的需求。上述需求对5G核心网和接入网架构与功能都提出了新的要求,将是5G-Advanced在未来需要研究的一个潜在方向。

网络节能:考虑运营商降低网络运营成本诉求

5G在引入了大规模天线等新功能后功耗远高于4G,因此通过多种技术手段降低5G网络能耗尤其是AAU能耗是目前亟待解决的问题。针对基站节能,目前的5G标准仅支持邻小区交互开与关两种状态的方式,手段相对单一;并且现有节能模式仅能做到载波级别的开关,无法及时获知终端相关的信息,在一定程度上也影响了终端的业务体验。因此,R18将基于上述的节能短板展开网络节能新一轮的研究工作,聚焦于定义统一的节能模式和评估方法,通过一系列节能状态的定义,使能运营商实现更加灵活的节能策略部署;并且将继续评估更加灵活的关断方式(如子帧关断、符号关断、通道关断等),最大程度地减少AAU能耗。

弹性小区:更加灵活高效的频谱使用

多频协同弹性小区通过在逻辑上打破小区和载波之间的概念,在一个逻辑小区下灵活容纳使用多段频谱或载波,实现频率资源的灵活高效使用。一种潜在的弹性小区设计如图8所示。

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图8 弹性小区设计

可以看到,弹性小区具有一个锚点载波,小区仅在锚点载波发送系统消息和寻呼消息,系统消息中包含同一个弹性小区下的非锚点频率资源;终端在锚点载波接收到系统消息和寻呼消息后,可以通过非锚点频率资源发起初始接入及进行后续数据传输。通过这种方式,非锚点载波无需再配置系统消息与寻呼资源,减少了系统开销,并简化了网络运维管理成本。通过TDD/FDD/SUL/SDL不同类型载波的灵活组合使用,可以充分利用多载波优势,实现初始接入阶段的灵活载波选择与快速负载分流,从而达到网络资源的高效利用。

由于弹性小区打破了一个小区对应一个载波的限制,对现有的协议改动较大,因此在R18中引起了很大关注:一方面,弹性小区概念的提出保证了空口资源使用效率可预见的提升;另一方面,顶层设计原则的打破带来了很大的标准化工作开销。因此,如何在5G-Advanced中支持弹性小区还需要R18进一步讨论。

综上所述,从运营商的角度来看,希望一些新技术的引入(如低成本终端、通感一体等)尽量不影响5G现网中对正常终端与业务的支持,因此其对这些新技术一直持谨慎观望态度。然而网络与终端一直是“一体两面”,3GPP R18中,网络与终端双方还应该继续本着开放合作的态度,以期在标准化讨论中摸索出一条互利共赢的道路,共同推动通信产业的发展。


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