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深度剖析5G Rel-15、16、17技术路线及演进,高通5G创新方向指向何方?

2020-04-08 13:07:57 来源:EETOP 作者:Nancy Zhou
2020年是5G开始大规模商用的第一年。与4G相比,5G的商用速度比4G快很多。据统计,迄今为止,全球已有超过45家OEM厂商已经推出或宣布推出5G终端;超过50家运营商部署5G商用网络;超过345家运营商正在投资5G。面对5G在全球快速规模化部署的蓬勃现状,高通中国区研发负责人徐晧博士表示:“在考虑5G的应用和发展时,需要对可用资源和时间规划有非常清晰地掌控和理解,这样我们对5G目前和未来的发展就会有一个清楚的规划。”

 

徐晧介绍,现阶段基于5G Rel-15和Rel-16,高通的5G产品组合正在从智能手机向其它类型的智能终端上不断扩展。主要的扩展方向包括始终连接的PC;扩展的用户体验如说XR、云游戏,以及基于 Rel-14 的车联网和Rel-16 的车联网,以及支持行业应用的5G物联网模组等。

 

5G标准还在持续演进,从核心网、接入网到终端设备,都蕴藏着无限的机遇和挑战。从终端设备看,2022年5G手机出货量预计将达到7.5亿部;2023年全球5G连接数预计将超过10 亿;2025年该数据预计将高达到28亿。那么,如何从5G技术标准的演进进程,来规划5G下一步的研发方向?高通的5G基础技术创新及研发新方向,值得借鉴!

 

5G技术标准的迭代演进及研发新方向

2017年12月,国际通信标准组织3GPP正式冻结并官宣非独立组网5G NR标准,2018年6月3GPP完成5G“独立(SA)版本Release 15”规范第一阶段全功能标准化工作。按照之前规划,Rel-16在2019年12月结束物理层也就是第一阶段的工作,在2020年3月结束第二阶段的工作,在6月份完成标准冻结。不过据3GPP最新消息,受新冠肺炎疫情的影响,3GPP将提交变更请求(CR),时间从6月推迟至 9月,同时宣布将Rel-17讨论的开始时间也相应往后推迟三个月。

 

Rel-15、Rel-16、Rel-17的技术路线

Rel-15是5G标准的第一个版本。在这个版本中最重要的场景是增强移动宽带网络,主要的目标是能够实现用于智能手机的应用。Rel-16是原定将于2020年6月冻结的5G标准的第二个版本,除了继续演进增强移动宽带以外,将进一步完善超可靠低时延通信(URLLC)的功能。URLLC对于工业物联网和一些对时延要求很严格的网络应用来说是非常重要的功能。同时,在Rel-16中,第一次引入了5G车联网技术和免许可频谱设计(NR-U)技术。

虽然5G定义了三大应用场景,即大家熟知的增强型移动宽带、关键业务型服务和海量物联网,但是与5G相关的第一个标准版本中并没有涵盖所有应用场景的增强。例如海量物联网,在认真评估了基于4G的物联网之后, 5G的Rel15和Rel-16版本中并没有急于推进5G海量物联网技术,而是在Rel-17中才计划引入了5G海量物联网以及诸如NR-Light这样的其它新技术。同样,在5G的第一个版本标准中,行业也没有引入5G车联网技术,所以在Rel15中并没有5GNRC-V2X技术。因此从整体规划上来说,行业会根据具体的时间点、市场需求以及4G提供过的服务来规划5G的发展方向。

 

Rel-16是5G标准的第二个版本。在该版本中,首先,是持续增强6GHz以下和毫米波的通信,这部分可以看作是Rel-15版本的延续。另外,5G手机功耗是大家比较关注的一点,所以在Rel-16里面有更多关于手机节能方面的功能和标准设计。第三,Rel-16中首次引入的一个新技术,即5G免许可频谱设计。第四是移动性增强,目的在于从小区到小区之间切换的时候,5G能够做到没有间断的零秒切换。第五是增强毫米波和中频段的载波聚合。此外,Rel-16还包括一些其它功能,比如提供新的精准5G定位的功能、URLLC的进一步增强以支持工业物联网的应用和5G广播等,这些都是在5G Rel-16版本中将要支持的重要功能。

Rel-17是5G标准的第三个版本。由于疫情的影响,Rel-17工作较之原计划会推迟大概一个季度。目前Rel-17还没有正式开始,不过从相关资料研究,已可略知其一些可能的方向,比如全新的NR-Light,即在现有5G的基础上做一个简单版的5G来支持可穿戴设备的技术。

精准定位是5G的关键新技术之一

在这里,我们再特别来聊聊5G NR定位功能。事实上,在4G时代我们已经实现了很多定位功能,但是5G定位比4G定位更精准,而且要求也更高。Rel-16中5G定位其精准度在3米到10米之间,根据室内和室外的具体要求不同,这样的精准度比现在一些国家紧急救援的精度需求要高很多。同时,5G NR支持室内和室外的定位,与现有的定位技术互补。而Rel-17则致力于实现更精准的定位,在精度方面达到亚米级精度(比如0.3米以内的绝对精度要求),从而支持精准工业制造、工业厂房设计开拓更多全新应用场景;在时延方面,致力于实现更低的时延(比如将时延降低至10毫秒以内);在连接能力方面实现更大提升,比如支持数百万部物联网汽车等终端。总而言之,精准定位是5G的关键新技术之一。

针对定位,可能有的人会问,我们已经有GPS了,为什么还需要5G定位?此外, 关于室内定位,目前业内技术如蓝牙,已经做的不错且技术成熟,5G定位技术为什么还要来分一杯羹?

 

徐晧表示,事实上,各种各样不同的定位方式是一种互相补充的关系,5G定位是基于蜂窝通信而非卫星通信实现的,5G定位可与其它定位技术互为补充。5G定位支持更高定位精度及更低时延,能够满足多样化的服务需求。总体来说,最大的区别还是在于定位的距离。

 

从Rel-16和Rel-17的精准定位需求来说,Rel-16可以支持在80%的时间实现室内3米和室外10米的定位精度。目前的大多数定位技术(无论是GPS还是通信定位)使用的是三点定位,就是需要三个不同的传播途径完成定位,比如手机需要同时收到三个基站或者三个卫星发射的信号,然后通过计算距离来画三个圆,这三个圆的交点就是手机所处的位置。5G能够支持更优化的定位功能,比如只需要将一个基站发射的信号传输给手机,手机马上将信号回传,从往返时间计算出基站到手机的距离,然后通过到达角和出发角定位,定位手机用户所处的位置。这种方法相比通过之前三个基站进行定位的4GLTE定位技术有很大增强,而且具备更高灵活性。当然,除了这种通过一个基站进行定位以外,5G同时也支持其它定位方式。

由此可见,5G标准在不停地往前演进,每一个阶段引进什么功能都有着非常好的规划。与此同时,除了在标准上不断地引入新的功能以外,5G的应用也在不停地往不同垂直领域扩展,包括智能手机、电脑、固定无线接入、工业物联网、面向企业和汽车的网络以及企业专网等。

 

5G 在不同垂直领域的应用扩展

5G蜂窝车联网(C-V2X)技术

无论是4G CV2X还是5GC-V2X都致力于支持更加安全便捷的驾乘体验,更重要的是提升交通效率和道路安全。Rel.14和Rel.15版本已经能够支持基本的V2X功能,比如 V2V(车对车通信)、V2P(车对人通信)、V2I(车对基础设施通信,比如路侧单元RSU等)。

5GC-V2X主要能带来三个方面的提升:

  • 增强的安全性,包括实时情境感知、全新类型传感器数据共享、以及安全性提升至更高水平。5G速率更快,可支持车与车之间传感器数据的分享。

  • 减少行车时间,提高能源效率。5G引入了协作式驾驶,不仅有AI支持的单车智能,还可以通过车联网以及车与车之间的协作式驾驶提高整体行驶效率。

  • 加速网络效应。5G相比4G在网络容量、网络速率上有很大的提升,5G支持的C-V2X技术也在4G基础上有很大提升。传感器共享及路侧基础设施部署可在5GC-V2X部署初期即带来众多效益。

 

基于距离可靠性的传感器共享可以支持协作式的车对车通信。比如根据现在的5G标准,在一辆车将要通过十字路口的时候,可以与近距离范围内的其它车辆自动组成群组(group)进行通信,能够很快地将不同车辆传感器感知到的信息进行分享;如果是距离比较远的车辆,就不需要加入这个群组。除了支持V2X通信以外,一辆具备C-V2X功能的车辆还可以感知到附近不具备CV2X功能的车辆的行驶速度,并且将这一信息分享给周围的C-V2X车辆,进行预警提示。通过这种基于距离可靠性的交互测试和OTA测试,司机可以明确在多大距离范围内以及多高的车速下需要多长的反应时间,从而优化系统设计以及算法。

5G C-V2X能够解决复杂的挑战,为实现自动驾驶奠定基础。在未来5G标准中,C-V2X将继续演进。

 

5G海量物联网技术

4G中支持海量物联网的技术(比如eMTC和NB-IoT)已经基本能够满足目前物联网的要求。但随着5G网络规模化部署,5G海量物联网技术也必将被引入,来满足低功耗、广域物联网不断增长的需求,包括远距离覆盖、10年以上的电池寿命、大规模设备支持等。在5G Rel-17中就将开始引入5G物联网技术。

5G具备非常灵活的架构,其所有资源调度都是在频域和时域的两维空间上进行的,支持在现有5G框架的基础上不断引入新的服务和技术。从eMTC到FeMTC再到eFeMTC,这是eMTC持续演进的过程;NB-IoT也持续演进至5G。NB-IoT和eMTC能够支持低端物联网应用,支持在5G框架内持续应用4G物联网技术;更高端的eMBB和URLLC则能够支持更高性能的物联网终端。eMBB和URLLC、5G NR-Light、eMTC/NB-IoT是在性能、能耗、成本等多方面从高端到低端面向三个不同层级的物联网技术,能够支持不同需求的物联网应用。

Rel-17将会支持5G NR-Light。5G NR-Light基于现有的5G技术,将带来更低复杂度、更高能效和更低成本。更低成本是因为NR-Light通过采用性能提升的半双工控制信道设计,减少终端元器件数量,从而降低成本。这些技术能够让5G NR芯片能够应用到高端可穿戴设备、智能电网、高级物流跟踪、健康监测等应用中。

关于5G技术推进对物联网芯片带来的更新问题,徐晧表示,物联网有海量各式各样的应用场景,不同应用场景可能需要不同种类的芯片提供支持,以可以帮助更好地实现终端能耗和外观体积上的优化。这些芯片未来是否需要通过硬件更新来支持新特性,需要根据具体情况来定。有一些5G网络及设备是不需要硬件更新的。如果能在5G的灵活架构上通过软件升级实现这些新特性和新技术,那么就无需通过硬件升级的方式更新网络和设备。但如果5G新标准中出现了较大变化的新特性或技术,就需要通过硬件升级的方式实现更新。

高通的5G基础技术创新及研发新方向

过去几十年,高通一直致力于无线基础科技的研发,积极开展产业合作来推动5G的规模化商用,并且不断发掘5G的技术潜力。比如,在Rel-15中最重要的几项物理层技术,即基于OFDM的可拓展空口、基于时隙的灵活框架、包括LDPC和CRC辅助极化码的信道编码、以及大规模天线应用和移动毫米波等。在推动5G扩展的时候,高通会基于基础研发,在每一个技术扩展之前,通过原型机设计和大量测试,对各种各样的垂直领域进行支持,包括工业物联网、智能交通、服务终端、共享和免许可频谱等。

通过灵活的时隙框架扩展5G

5G灵活的时隙框架是其支持广泛垂直领域用例的基本技术框架,这是一个很重要的研发课题。因为5G需要支持广泛的垂直领域,每个垂直领域有不同的需求和设计上的要求,所以需要让5G在架构上能够支持未来众多可能发生但尚未定义的全新服务,也就是说5G具有前向兼容性。

 

5G框架在频率上留了一些空子载波,在时域上留了一些空白时隙。相类似的,通信行业在打造5G系统、制定5G标准的时候,已经在其中预留了一些在未来进行调整以及加入全新服务的可能性,这就是5G的前向兼容性。此外,eMTC和NB-IoT是两项应用非常广泛的4G海量物联网技术,这两项技术也可以加到5G架构中。同样地,广播和C-V2X(蜂窝车联网)也可以非常灵活地加入到5G架构中来。

毫米波技术

当前,在美国,几大主流的运营商包括AT&T、TMobile、Verizon都已经提供了毫米波的商用服务。最近,美国FCC又再次举行了全新的毫米波频谱拍卖,所有的主流美国运营商都得到了毫米波的频谱,而且Verizon也计划于今年继续扩大毫米波的网络覆盖,实现覆盖城市数量翻倍。全球范围内,除了美国以外,意大利、俄罗斯、韩国、日本、东南亚、澳大利亚、拉美也都有在2020年或2021年部署毫米波的计划。目前,中国在毫米波试验和频谱规划上也正在推进,很可能于2021年或之后进行毫米波的部署。

 

毫米波技术是5G设计中不可缺少的核心技术之一。徐晧介绍说,2015年设定的5G各项目标是比较激进的,如5G时延将降低1/10,速率将增加10倍,网络容量将增加100倍等。5G要想达到最初设计的指标和目标,需要对所有资源进行科学地分配和控制。例如要达到最高的速率要求,就必须使用毫米波频段,因为毫米波的带宽是6GHz以下频段无法企及的,只有在毫米波频段才才能够达到与4G相比,10倍以上或者100倍以上的提升。

毫米波最大的优势是它的带宽而不是它的覆盖。所以经常考虑到毫米波的应用其实是热点的覆盖。这样的话,我们就不需要用毫米波来达到全国范围的全面覆盖,从这个角度来说,毫米波的应用是非常灵活的。比如可以在地铁站用毫米波的基站来进行覆盖,可以在体育场馆或者音乐厅等用毫米波来覆盖,而不是说用毫米波来做一个覆盖全国 的网络。因此,毫米波是有非常灵活的覆盖方式的。

另外,除了常见的基站覆盖以外,毫米波也引入了一些集成接入回传 (IAB)或者中继通信技术技术,因此除了毫米波小基站以外,也有其它的方式可以延伸毫米波覆盖范围。比如,中继就是通过接收毫米波基站的信号,信号接收之后再往下发送,有了这种节点,也可以看作是一个分布式的小基站的布网方式。

从连续性覆盖角度看毫米波与低频段相比的确存在一定的弱势,但它最大的优势在于频段很宽、资源很丰富。毫米波用处最广的地方是各种热点的覆盖。毫米波的应用不光在于提供现在已有的热点覆盖服务和基于智能手机的服务,它也能够引入一些新的服务和应用场景。高通在持续地加强毫米波研发,把毫米波推广到各种热点覆盖区域,比如企业内部的会议室,大型体育场馆、中心或者音乐厅,以及各类交通枢纽如机场、火车站、地铁站等,这是高通不断推动毫米波的一个应用方向。

为全新拓展移动宽带,实现毫米波的移动化,高通推出移动化毫米波技术。在商用之前,高通进行了大量的毫米波OTA测试和信道测量。在旧金山进行的5G网络模拟实验中,高通利用现有的4G基站实现了62%的毫米波室外覆盖,网络容量提升高达5倍,小区边缘突发速率和中值突发速率都得到了很大提升。在毫米波方面,高通还增加了更多对于毫米波波束的增强功能,也引入了集成接入回传(IAB)的节点,这主要是为毫米波的部署提供更多的方便。现在全世界已经有很多6GHz以下和毫米波的部署,下一步高通考虑的就是通过毫米波与中频波段的载波聚合,进一步提高峰值速率和数据容量。

 

XR应用场景

关于6GHz以下广域5G,高通搭建了大规模MIMO OTA测试网络,增强多用户MIMO的网络能力,实现每赫兹50bits/s的频谱效率,比现在LTE高5倍以上的速率。对于XR眼镜来说,要求做到功耗低、体积小、重量轻,XR眼镜对于这几点的要求甚至比智能手机还要高,因为手机可以携带一个相对较大的电池,但是如果要把整个眼镜的功能做好,功耗还要降到最低,同时电池体积还要比手机小,这对功耗、体积、重量的要求就更高。一方面需要做到高集成度以及最大限度地降低芯片的能耗,另一方面需要做一定的分布式处理。

所谓分布式处理,是指把XR眼镜上需要处理的大部分工作放至边缘云进行处理,以此减少眼镜端的处理需求。分布式处理分为两部分,最重要的部分依然会放在终端侧处理,其余部分可以放到边缘云端处理。这样的分布式处理需要非常强的5G连接,保证在XR眼镜和边缘云之间有低时延、高容量且非常可靠的连接。那么在空口端,需要使用到5G超可靠低时延通信(URLLC)技术。另外还会用到边缘云计算(edgecomputing)和分离式渲染(split rendering),把在XR眼镜上需要做的渲染,放一部分至边缘云进行处理。这是一个整体系统上的设计,通过这种设计才能做到在眼镜端的功耗最低且运算量最小。

 

工业物联网和企业专网

工业物联网和企业专网是5G面向垂直领域的关键应用之一。比如在现代化工业4.0的车间里,很多机械臂在5G网络支持下自动地进行操作和工作;工业机器人也是5G和工业制造融合很好的一个领域;在厂房或者码头这样的场景中,如果能够组建企业专网,那么就可以通过5G网络和人工智能提供定制化服务。

 

企业专网有以下几点优势:

  • 能够量身定制地优化应用场景,设置一些服务定性指标,更好地支持生产需求。

  • 专用网是本地网络,容易部署,也比较容易独立地达到企业想要的一些功能特性。

  • 更安全,比如将很多敏感数据存在本地,不需要传到公用网,从而实现数据安全。

 

不过,支持企业专网和实现工业物联网需要几个关键的技术。首先是比较灵活的频谱分配,例如码头或者是车间这样的应用场景,如果有许可频谱或者是共享频谱的话,分配或实现起来更容易,可以更具灵活性地根据企业的需求进行建网。另外,时间敏感网络、定位、超可靠低时延通信也是支持工业物联网的重要的技术。

时间敏感网络里有一个5G以太网的概念,就是通过5G无线网络能够达到跟现在有线以太网同样的低时延和高可靠性。图12列举了4种不同的频谱分配方式。移动运营商拥有的是许可频谱,比如说中国电信、中国移动、中国联通所拥有的就是许可频谱;区域性专用频谱,比如德国为工业物联网专门分配的3.7GHz频段,就是专门为工业物联网来分配的一种频谱;支持异步共享的免许可频谱,异步共享就是每一个节点传输的时间是不用同步的,有点像Wi-Fi的性质,不同的节点可以在不同的时间发出信号;支持同步共享的免许可频谱,所有节点在传输的时候在时间上同步,达到更好的可靠性的应用。URLLC应用就属于同步共享的免许可频谱类型,而最近 Rel-16支持的NR-U则属于异步共享的免许可频谱。
 

对于超可靠低时延通信,除了URLLC以外,高通还实现了协作多点的技术。要达到高可靠低时延,有可能需要在一个车间里部署好几个传输的节点,这样即使一个节点被人或者是被其它物体挡住,也可以通过其他的节点来对机械臂或者是零件进行控制,这就是通过协作多点达到更好的可靠性和低时延。

5G发展应合理规划及分配频谱资源

从全世界范围看,包括北美洲、欧洲、亚洲在内的全球各个主要地区,都有从几百兆赫兹到毫米波频谱的分布和规划。比如在低于1GHz的频段中,美国有600MHz, 中国有700MHz;在3GHz到6GHz之间,中国有 2.6GHz、3.5GHz、4.8GHz等频谱的分配,美国同样也有2.5GHz、2.6GHz以 及3.7GHz相应的频谱分配。不过,总体上,低频的频谱资源都是有限的。尽管低频频谱从信道传播和覆盖的指标上来说,与高频频谱相比具有一定优势,但其缺点是频谱资源有限。由于其它多种服务已经占用低频频谱,加之其本身带宽的限制,所以目前可使用的资源非常有限。但不同的国家和地区的现实情况不同,所以低频段频谱的拥挤程度也不同。

总体来说,5G会在标准演进的过程中不断引入全新的5G技术,而不是在第一个5G标准版本中涵盖所有场景。徐晧表示:“5G要想达到最初设计的指标和目标,需要对所有资源进行科学地分配和控制。做到以下两点十分重要:第一,需要合理地运用各种资源,如需要考虑所有的频谱以及灵活的组网方式;第二,需要合理安排发展规划。”

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