详细解读5G的Rel-17标准

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

在今年3月下旬,3GPP完成了全球5G标准的第三个版本——Rel-17的功能性冻结,这个里程碑式的进展正式宣告5G演进第一阶段的完成。历经R15、R16和R17三个版本,当前,5G技术的全貌已经呈现在我们面前。

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在高通公司近日召开的“5G技术演进媒体分享会”上,高通公司中国区研发负责人徐晧博士分享说:“从技术演进阶段来划分,我们一般将Rel-15/16/17这三个版本称为5G演进的第一阶段;之后的Rel-18/19/20这三个版本,是第二轮5G创新,或者说是5G Advanced。”

R15、R16和R17的演进分析 

2018年,3GPP完成了5G标准的第一个版本Rel-15,它为之后的5G发展提供了整体架构,是5G未来演进的奠基石。以下是Rel-15比较侧重的几个重要功能:

  • 从技术上来说,Rel-15最侧重的还是增强移动宽带(eMBB)的提升;

  • 在频谱方面,Rel-15引入了对Sub-7GHz和毫米波的支持;

  • 在架构方面,Rel-15支持可扩展和向前兼容。 

此外,Rel-15还引入了对基础的超可靠低时延通信(URLLC)的支持,且URLLC技术在Rel-16/17/18中还在不停地演进。同时还引入了eMTC/NB-IoT技术支持的mMTC。严格意义上来说,eMTC、NB-IoT是从4G延续过来的两项物联网技术,Rel-15使这两项技术能够切入到5G系统中运行。 

5G标准的第二个版本Rel-16,这个版本引入了几项全新的技术,有效推动了5G向行业扩展。

  • 引入对免许可频谱(NR-U)的支持,也就是说除了国家分配给运营商的许可频谱外,在免许可频谱也能支持5G应用。

  • 首次引入了NR V2X。此前的蜂窝车联网(C-V2X)技术都是基于LTE,Rel-16引入了基于5G NR的直连通信。

  • Rel-16支持5G广播以及集成接入与回传(IAB)。

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总体来说,Rel-15为5G技术演进奠定了一个很好的框架,引入了对Sub-7GHz和毫米波的支持;Rel-16引入对免许可频谱的支持,并新增了全新的直连通信和定位等功能。Rel-17是针对前两个5G标准版本的持续推进。

Rel-17技术细节:增强的全新5G系统功能

Rel-17为5G系统的多项基础性技术带来更多增强特性,从多个方面推动技术发展,包括容量、覆盖、时延、能效和移动性。 

进一步增强5G大规模MIMO性能 

Rel-17中的这一项目专注于为部分关键技术领域带来增强特性,包括增强的多TRP(发射和接收点)部署和增强的多波束运行,在SRS(探测参考信号)触发或切换,以及CSI(信道状态信息)测量或报告方面带来提升。

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  • 增强的多波束运行。光束传播与更高频率的电磁波传播非常像,毫米波的波束成型是通过大规模天线阵列,将电磁波聚焦在特定方向。为实现更好的毫米波覆盖需要运用大规模天线技术,但如果在波束运行的过程中对每个信道都配置指示,就会产生很多的信令开销。Rel-17中引入了统一的传输配置指示(TCI)框架,就是通过一个信令实现上下行多个波束的运行,从而降低时延和信令开销。

  • 多发射和接收点(TRP)的部署。小区内多TRP是指基站上有不同的天线集群,不只有一个天线的接收点,甚至有不同的基站可以同时支持用户通信需求。Rel-17引入了很多技术,可以让多TRP部署更高效。

  • 探测信号(SRS)的触发或切换。此前5G标准版本只能支持最多4根天线。在Rel-17中,SRS切换可以支持多达8根天线。不过大多数情况下手机用不到8根天线,这个特性更多是为了满足CPE和其它比较大的终端的需求。

  • 信道状态信息(CSI)的测量和报告。通信系统的双工方式有两种:时分双工(TDD,Time Division Duplex)和频分双工(FDD,Frequency Division Duplex)。从手机传给基站的时候,可能有一个直射径和一个从地面的反射径,从地面传到手机也是一个直射径一个反射径。通过这方面的进一步优化,上行和下行的信令会减少。 

有效提升5G上行覆盖 

针对Sub-7GHz、毫米波和非地面网络的多样化部署,Rel-17为上行控制和数据信道设计引入多个增强特性,比如增加重传次数以提升可靠性,以及跨多段传输和跳频的联合信道估计。大多数通信系统都是上行覆盖更弱,这是因为基站的发射功率高。Rel-17在5G上行覆有三方面的增强:

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  • 第一,上行数据信道(PUSCH)增强。其中的技术包括提高最大重传次数,即通过不停地传送来延长传送的时间,来实现覆盖的增强。

  • 第二,上行控制信道(PUCCH)增强。其中的技术包括在重传的过程中使用编码技术,使上次传的和下次传的信息不一样,但可以通过解码结合在一起。

  • 第三,Message 3增强。当从手机接入到基站的时候,一般需要4个信号才能建立起连接,分别对应的是Message 1、2、3、4。Message1是手机会选一个序列告诉基站有人想跟你连接,但还不能告诉基站是谁想连接。Message 2是基站回这个用户我收到你的信号了,你告诉我你是谁。Message 3是手机告诉基站说我是谁。Message 4是基站告诉手机我知道你是谁,我们现在可以通信了。这是最常见的4G和5G建立连接的4个信号。Message 3增强是在传第三个信号的时候,让第三个信号重传或者是有一定的覆盖增强。 

增强多项终端节电 

5G手机的节电特性一直备受关注。手机有不同的状态:连接态(connected)、空闲态(idle)、非活跃态(inactive)。为进一步延长移动终端电池续航,Rel-17为三种不同状态都增强了节电特性。

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  • 第一,通过唤醒接收机(WuR,Wake-up Receiver)减少非必要的终端寻呼接收。

  • 第二,当手机有呼叫的时候,为手机提供更多帮助同步的信号,包括追踪参考信号(TRS)和信道状态信号(CSI),手机可迅速调整成最佳状态。

  • 第三,对于连接态模式的手机,Rel-17版本引入了一个特性,让处于连接状态的手机不需要连续接收。即手机可以告诉5G基站(gNodeB)接下来多长时间不需要接收信号,或者基站可以告诉手机接下来多长时间不需要监测物理下行控制信道(PDCCH)。这个连接状态可能是毫秒级或者是秒级的,这就可以让手机有更多的时间处于睡眠或者是更好地节电模式。 

频谱扩展 

Rel-17还扩展了5G NR设计,将毫米波频段扩展到71GHz,并且支持60GHz免许可频段。毫米波频段分成了两个部分,一个是FR2-1,这是Rel-15、Rel-16中定义的毫米波,最高能到52.6GHz;Rel-17新扩展的是FR2-2,也就是从52.6GHz到71GHz的频段。

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从标准的角度来说,Rel-17进行了多项增强:

  • 首先,有更多更高频段可以使用。以前的毫米波频段FR2-1能够提供800MHz的带宽,现在FR2-2的带宽可以高达1.6GHz,甚至还可以到2GHz。

  • 其次,可以利用子载波间隔(SCS,Sub-carrier Spacing)的扩展,把子帧间隔从120kHz扩展到480kHz或者是960kHz。实现更大带宽的支持。

  • 再有,还可以利用同步信号块(SSB),在初始介入的时候就进行扩展,子帧间隔的扩展是能够直接帮助带宽提高的技术。

  • 此外,60GHz是免许可频谱,需要先听后发(LBT,listen before talk)技术的支持。Rel-17还引入了单向的先听后发,以及无先听后发,这样在某些特定的环境下可以不用先听后发、而是直接发。 

增强超可靠低时延通信 

Rel-17还进一步增强了超可靠低时延通信。首先,Rel-17将超可靠低时延通信兼容到了免许可频谱。主要引入了fixed frame和信道占用时间(COT,Channel Occupancy Time)两项技术。其次,终端内复用和优先级排序。可以在不影响URLLC的情况下还发其它eMBB的包,就是说在有更多更强的计算能力或者是系统资源的时候,可以在保证URLLC不受影响的同时支持eMBB低优先级流量的处理。

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此外,还有增强的时间同步,这是为工业物联网等严苛应用带来更好的支持,面向时间敏感网络(TSN)支持上行基于往返时间(RTT)的延迟补偿,实现更好的时间同步。 

增强的IAB和简单中继器 

Rel-17引入毫米波基础设施的两大全新选项,也就是通过射频中继器(即放大和转发中继)或集成接入与回传(IAB)这两种方式,更加高效地扩展5G毫米波网络覆盖。所谓中继是指在gNodeB(基站)的信号不能很好地覆盖到手机时可以放一个中继器,由中继器将信号放大之后,再进行信号传输,这是比较简单的中继器。它的主要功能就是接收和放大信号,

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关于集成接入与回传(IAB),这种方式更复杂一些,它既能接收信号又能回传信号。IAB的节点可以从gNodeB(基站)接收到信号,同时也可以把信号发给用户设备(UE),从而实现空间分离全双工。这里的空间分离全双工,指的是因为天线的方向不一样,因此可以在两个不同的方向上复用时间和频率资源。 

Rel-17应用部署:将5G扩展至全新终端和应用 

5G正式商,再到目前的大规模商用,已经有将近三年时间。5G在全球的发展非常迅速:目前已有超过205家运营商部署了5G商用网络,还有超过280家运营商正在投资部署5G技术;预计2023年全球5G连接数将超过10亿,这比4G获得同样连接数的速度整整快了两年;预计2020年到2025年,5G手机出货量将超过50亿;超过1275款5G终端已经发布或正在设计中。 

关于5G终端及其应用,前几个5G标准版本主要侧重于提升5G手机的性能,将5G扩展到PC是一个比较容易的方向。徐晧博士分享说,汽车是Rel-17扩展的主要方向之一;另一个终端类型是VR、AR眼镜,XR是与元宇宙相关的扩展方向。Rel-17还将5G扩展至工业物联网用例,可以应用于机器人、矿山挖煤等场景。此外,定位也是Rel-17扩展的5G用例,5G定位与卫星定位可以形成非常好的互补,针对无人机和卫星,Rel-17也做了专门的技术增强。

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根据终端从高到低支持的特性和功能,5G标准将终端分为:最高性能的eMBB/URLLC、支持较低复杂度和功耗的NR-Light,以及支持最低复杂度和对时延不敏感的eMTC/NB-IoT。下面,我们来具体看看Rel-17是如何将5G扩展到不同终端和用例的。

第一类:eMBB/URLLC这些最高性能的终端 

5G标准将VR、AR眼镜这类对性能要求很高的终端划分为最高性能终端。其它还有如手提电脑,可以支持文件传输、看电影等功能,对性能要求也很高;还有某些工业应用需要很低的时延和很好的控制性,以及手机需要支持多种功能,这些都属于最高性能级别的终端。

元宇宙是无处不在的空间互联网,带来跨越实体世界和虚拟世界的个性化数字体验。Rel-16中就已经有针对XR的研究;Rel-17中的XR项目专注于研究和界定各种类型的XR流量需求(AR、VR、云游戏),比如往返时间、单向包延迟预算和误包率等。 

Rel-17中的XR项目研究主要是为已经确定的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Rel- 18项目的提升范畴。徐皓博士介绍说:“相比手机等终端,XR终端是全新定义的终端类型,目前对这类终端所需的数据包、在什么掉包率下用户体验不会受到影响等情况都不太了解,因此需要对这类终端的流量需求和评估方法进行探索,同时对这类终端的性能进行评估。” 

第二类:RedCap或NR-Light 

RedCap或NR-Light是Rel-17引入的轻量级5G终端,包括工业传感器、监控摄像头、智能电网相关设备、高端可穿戴设备、高端物流跟踪设备等。支持较低的复杂度和功耗是这类终端的特点。NR-Light是Rel-17和Rel-18及未来版本中将持续演进的技术。 

  • 在带宽方面:相比手机等需要支持最高性能的终端,NR-Light不需要支持那么快的速率,因此可以相应地缩窄带宽。5G NR设计的Sub-7GHz频段带宽是100MHz,针对NR-Light,Rel-17将带宽缩窄至20MHz,也就是之前的1/5;5G NR设计的毫米波带宽最大可支持800MHz,Rel-17将其缩窄至1/8,使NR-Light在毫米波频段下能够支持100MHz带宽。

  • 在天线方面:传统的5G NR终端通常需要配备四根接收天线,而Rel-17将NR-Light终端的接收天线数缩减至一根或两根。Rel-17还使NR-Light终端支持半双工,即终端在任何时候要么传输信号、要么接收信号,不能同时传输和接收信号,这样的设计可以使NR-Light终端更节能。

  • NR-Light终端还支持更低的发射功率和增强的节电模式,比如在空闲状态下,NR-Light终端可以在1万秒时间内不进行网络连接;即使在积极传送状态下,NR-Light终端也可以做到10秒钟不与基站连接,从而减少不必要的能耗。

  • NR-Light还可以支持有限移动性和切换,也就是说NR-Light终端不必每时每刻都与基站保持连接,因此不需要对终端的移动做过多的测量。此外,网络切换速度也可以慢一点,从而减少信令开销以及更好地优化资源管理。

在这一类别中,徐皓博士特别重点分享了Rel- 17中扩展的几个全新5G终端机应用。 

扩展广播/多播:Rel- 17中,这一项目的研究范畴包括引入独立组网广播增强特性和混合模式多播支持。比如,面向独立组网广播增加对6MHz/7MHz/8MHz载波带宽的支持,以及通过广播和单播间的同时/动态切换为5G NR定义多播操作。此外,Rel-17还面向5G广播推动了端到端设计的演进。

  • Rel-17引入了超高频(UHF)广播频率,增加了对6MHz/7MHz/8MHz载波带宽的支持,以支持UHF频段;

  • 针对流量需求较大的通用媒体应用格式(CMAF)进行专门优化,从而支持低时延广播分发和5G流媒体传输;

  • Rel-17能够支持同步广播和单播;

  • Rel-17引入了5G NR多播运行;

  • Rel-17支持实现广播和单播之间的动态切换,在实现终端与基站一对一连接的同时,接收到基站传输的信息;

  • Rel-17支持上行混合自动重传请求(HARQ)反馈和重传,通过给上行信道多一些反馈或者在信号不好的时候进行重传,从而进一步提升链路自适应性和可靠性。 

将直连通信扩展到全新用例:基于Rel- 16中的C-V2X(蜂窝车联网)5G PC5设计,Rel- 17带来一系列全新的直连通信增强特性,比如优化资源分配、节电和支持全新频段。Rel- 17还将直连通信扩展至公共安全、物联网以及其它需要引入直连通信中继操作的全新用例。 

所谓的直连通信,指的是终端之间没有通过基站进行的通信。Rel-16首次引入的直连通信功能,是对此前C-V2X技术的进一步演进和增强,实现的是车与车之间的连接。Rel-17进一步扩展了直接通信,实现了任意类型的两个终端之间的连接。此外,Rel-17针对之前版本的直连通信做了很多优化,比如增强节电特性和改进资源分配等。Rel-17针对直连通信的另一项优化是引入了直连通信中继,从而实现更大的网络覆盖范围。 

徐晧分享说:“直连通信将有可能催生一系列变革性应用,尤其是在如智能家居这类拥有很多低复杂度的物联网设备的场景,及那些追求更低时延的应用场景中。不过,直连通信的速率和传输距离有关,距离越近,衰减越小,速率就越高。也因此,直连通信更适合距离比较近的应用场景,因为它传输的范围有限,基本上是几百米之内的比较小范围,具体范围和是否是视距传输(Line of Sight)以及具体传播环境有关。”

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增强的精准定位:Rel- 17进一步提升了5G定位,以满足包括厘米级精度在内的更为严苛的用例需求。该项目还包含了其它增强特性,比如降低定位时延,提高定位效率以扩展容量,以及实现更优的GNSS(全球导航卫星系统)辅助定位性能。 

Rel-16版本时,在80%的情况下可以实现室内3m和室外10m的定位精度,同时支持多种定位方式。Rel-17进一步将5G定位提升到厘米级精度,满足商业用例(1m之内)和工业物联网(100毫秒内小于0.2m)的精度要求。此外,Rel-17还进一步降低了定位时延,通过在定位时直接调用此前在终端上预先采集和储存的信息来节约信令开销并降低交互时间。Rel-17中的5G定位还支持全球导航卫星系统(GNSS)增强,利用GNSS辅助信息提高5G定位性能和效率,同时利用GNSS和5G定位实现互补。 

徐晧总结说:“在室外环境下,卫星定位更具优势;在室内环境下,5G定位更加精准。” 

第三类:支持eMTC/NB-IoT的终端 

Rel-17引入了面向非地面网络或卫星通信的5G物联网,包括支持eMTC和NB-IoT,从而将4G、5G中的物联网技术引入5G非地面网络通信中。在卫星覆盖的地域范围内有很多物联网终端,根据不同的应用场景需求,可以将eMTC和NB-IoT终端直接与卫星连接。

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eMTC/NB-IoT其实是4G就已经支持的两项技术,但它们在5G框架下得到了增强。相比NR-Light,支持eMTC/NB-IoT技术的终端针对的是最低复杂度且对时延不敏感的应用。Rel-17针对eMTC/NB-IoT这两项技术进行了向上的功能增强。 

相比4G的eMTC/NB-IoT,Rel-17进一步提高了这两项技术支持的数据速率,从而支持更多的用例。比如,在最开始的Rel-13中,eMTC支持的最大吞吐量为300kbps;在Rel-13/14/15增强,eMTC支持的最大吞吐量达到588kbps;Rel-17将eMTC支持的最大吞吐量进一步提升至1.2Mbps。 

第四类:无源物联网终端 

这类终端对应的是最低性能级别的物联网应用,甚至都不需要电池,仅通过反射信号就能确定终端身份。比如在物流场景中货品表面贴的标签支持RFID,可以通过读表器扫描获取货品信息,这就是最低复杂度的无源物联网用例。 

5G到6G的演进规划

Rel-17之后,Rel-18将开启5G Advanced的持续演进,其中包括加强端到端的5G系统基础,以及将5G扩展至几乎全部终端和用例。徐皓博士分享说:“行业遵循大概10年一个G的进程,将移动通信技术不断地往前推进。未来五到十年,5G肯定是最主要的研究方向,行业会把5G Advanced不停地往前推进;同时会关注哪些是5G的瓶颈,这些瓶颈如何用6G来解决。”

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关于5G向6G的演进,徐皓博士也给出了大概的时间线,即2025年左右会开始有更多关于6G标准的讨论;2028年左右开始推出6G标准;2030年左右开始商用。对于通往6G的主要研究方向,徐皓博士也做了重点分享。

  • AI可以给移动通信技术研究提供一个全新的方向。AI能够以极具变革性的方式来改变移动通信系统,比如说传输,输入直接是图像,输出也是图像,中间过程全部用AI来处理,甚至整个通信系统甚至都可以用AI来全面升级。这是非常激进的一种方式,但还是有一定的可行性。

  • 全新的无线电设计。包括了千兆级的MIMO、毫米波演进、可重配智能超表面、非地面通信等等。

  • 可扩展的网络架构。指的是未来的网络架构会更灵活,而且会更多地考虑到AI需要的边缘计算能力、以及支持XR分离式渲染的架构,这也是设计6G系统的时候可能会提前考虑到的架构方面的优化。

  • 通信系统的可靠性。在设计6G系统的时候就做到更好的多维度信任和开源性,甚至可以考虑用量子通信技术或者是区块链来提高安全性和可靠性。

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以上这些,都是通往6G的可能的研究方向。徐皓博士表示,最终哪些技术能在6G落地还是要通过实验和测试才能知道。高通在移动通信行业已经有超过三十年的投入和技术积累,在对5G技术的研究和持续创新中,也是贡献了很多关键的技术:

  • 在Rel-15中,高通创新贡献了几项关键技术发明:首先是引入移动毫米波;其次是引入先进信道编码,包括LDPC和CRC辅助极化码,它们区别于4G的turbo码和卷积码;同时还引入了可扩展参数集,为了将对低频段、毫米波频段以及不同带宽的支持都融入到同一个架构中,5G需要有非常灵活的时隙架构,同时也要有可扩展参数集。上述这些技术的引入,为5G奠定了最基础的技术框架。

  • 在Rel-16中,高通还贡献了免许可频谱、先进的节电和移动性、高精度定位、直连通信、关键业务型设计、全新部署模式等技术。

  • 在Rel-17中,高通又贡献了几项关键技术发明。包括:毫米波扩展,将频谱从52.6GHz扩展到了71GHz,同时还支持60GHz免许可频段;引入RedCap(NR-Light)终端,主要面向的是可穿戴设备、传感器和摄像头等较低复杂度的物联网终端;终端增强;引入非地面网络(NTN)的支持,即卫星通信;引入对拓扑扩展的支持,包括增强的集成接入与回传(IAB)、中继器和面向弱势交通参与者的V2X等。

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谈到未来,徐皓博士分享说,实体世界、虚拟世界、数字世界的融合发展是近一两年讨论的比较多的。通信技术无疑是这三个世界的融合以及元宇宙中最核心的技术之一。如果没有强大的5G或者6G的通信连接,就没有办法做到很好的实现。通信技术让我们离万物互联的愿景更近一步。这是高通非常看好的行业发展技术,相信也是能让通信技术得到更好更好应用的场景。


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