在今年3月下旬,3GPP完成了全球5G標準的第三個版本——Rel-17的功能性凍結(jié),這個里程碑式的進展正式宣告5G演進第一階段的完成。歷經(jīng)R15、R16和R17三個版本,當前,5G技術(shù)的全貌已經(jīng)呈現(xiàn)在我們面前。 在高通公司近日召開的“5G技術(shù)演進媒體分享會”上,高通公司中國區(qū)研發(fā)負責人徐晧博士分享說:“從技術(shù)演進階段來劃分,我們一般將Rel-15/16/17這三個版本稱為5G演進的第一階段;之后的Rel-18/19/20這三個版本,是第二輪5G創(chuàng)新,或者說是5G Advanced?!?/span> R15、R16和R17的演進分析 2018年,3GPP完成了5G標準的第一個版本Rel-15,它為之后的5G發(fā)展提供了整體架構(gòu),是5G未來演進的奠基石。以下是Rel-15比較側(cè)重的幾個重要功能:
此外,Rel-15還引入了對基礎(chǔ)的超可靠低時延通信(URLLC)的支持,且URLLC技術(shù)在Rel-16/17/18中還在不停地演進。同時還引入了eMTC/NB-IoT技術(shù)支持的mMTC。嚴格意義上來說,eMTC、NB-IoT是從4G延續(xù)過來的兩項物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),Rel-15使這兩項技術(shù)能夠切入到5G系統(tǒng)中運行。 5G標準的第二個版本Rel-16,這個版本引入了幾項全新的技術(shù),有效推動了5G向行業(yè)擴展。
總體來說,Rel-15為5G技術(shù)演進奠定了一個很好的框架,引入了對Sub-7GHz和毫米波的支持;Rel-16引入對免許可頻譜的支持,并新增了全新的直連通信和定位等功能。Rel-17是針對前兩個5G標準版本的持續(xù)推進。 Rel-17技術(shù)細節(jié):增強的全新5G系統(tǒng)功能 Rel-17為5G系統(tǒng)的多項基礎(chǔ)性技術(shù)帶來更多增強特性,從多個方面推動技術(shù)發(fā)展,包括容量、覆蓋、時延、能效和移動性。 進一步增強5G大規(guī)模MIMO性能 Rel-17中的這一項目專注于為部分關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域帶來增強特性,包括增強的多TRP(發(fā)射和接收點)部署和增強的多波束運行,在SRS(探測參考信號)觸發(fā)或切換,以及CSI(信道狀態(tài)信息)測量或報告方面帶來提升。
有效提升5G上行覆蓋 針對Sub-7GHz、毫米波和非地面網(wǎng)絡(luò)的多樣化部署,Rel-17為上行控制和數(shù)據(jù)信道設(shè)計引入多個增強特性,比如增加重傳次數(shù)以提升可靠性,以及跨多段傳輸和跳頻的聯(lián)合信道估計。大多數(shù)通信系統(tǒng)都是上行覆蓋更弱,這是因為基站的發(fā)射功率高。Rel-17在5G上行覆有三方面的增強:
增強多項終端節(jié)電 5G手機的節(jié)電特性一直備受關(guān)注。手機有不同的狀態(tài):連接態(tài)(connected)、空閑態(tài)(idle)、非活躍態(tài)(inactive)。為進一步延長移動終端電池續(xù)航,Rel-17為三種不同狀態(tài)都增強了節(jié)電特性。
頻譜擴展 Rel-17還擴展了5G NR設(shè)計,將毫米波頻段擴展到71GHz,并且支持60GHz免許可頻段。毫米波頻段分成了兩個部分,一個是FR2-1,這是Rel-15、Rel-16中定義的毫米波,最高能到52.6GHz;Rel-17新擴展的是FR2-2,也就是從52.6GHz到71GHz的頻段。 從標準的角度來說,Rel-17進行了多項增強:
增強超可靠低時延通信 Rel-17還進一步增強了超可靠低時延通信。首先,Rel-17將超可靠低時延通信兼容到了免許可頻譜。主要引入了fixed frame和信道占用時間(COT,Channel Occupancy Time)兩項技術(shù)。其次,終端內(nèi)復用和優(yōu)先級排序。可以在不影響URLLC的情況下還發(fā)其它eMBB的包,就是說在有更多更強的計算能力或者是系統(tǒng)資源的時候,可以在保證URLLC不受影響的同時支持eMBB低優(yōu)先級流量的處理。 此外,還有增強的時間同步,這是為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等嚴苛應(yīng)用帶來更好的支持,面向時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)支持上行基于往返時間(RTT)的延遲補償,實現(xiàn)更好的時間同步。 增強的IAB和簡單中繼器 Rel-17引入毫米波基礎(chǔ)設(shè)施的兩大全新選項,也就是通過射頻中繼器(即放大和轉(zhuǎn)發(fā)中繼)或集成接入與回傳(IAB)這兩種方式,更加高效地擴展5G毫米波網(wǎng)絡(luò)覆蓋。所謂中繼是指在gNodeB(基站)的信號不能很好地覆蓋到手機時可以放一個中繼器,由中繼器將信號放大之后,再進行信號傳輸,這是比較簡單的中繼器。它的主要功能就是接收和放大信號, 關(guān)于集成接入與回傳(IAB),這種方式更復雜一些,它既能接收信號又能回傳信號。IAB的節(jié)點可以從gNodeB(基站)接收到信號,同時也可以把信號發(fā)給用戶設(shè)備(UE),從而實現(xiàn)空間分離全雙工。這里的空間分離全雙工,指的是因為天線的方向不一樣,因此可以在兩個不同的方向上復用時間和頻率資源。 從5G正式商,再到目前的大規(guī)模商用,已經(jīng)有將近三年時間。5G在全球的發(fā)展非常迅速:目前已有超過205家運營商部署了5G商用網(wǎng)絡(luò),還有超過280家運營商正在投資部署5G技術(shù);預計2023年全球5G連接數(shù)將超過10億,這比4G獲得同樣連接數(shù)的速度整整快了兩年;預計2020年到2025年,5G手機出貨量將超過50億;超過1275款5G終端已經(jīng)發(fā)布或正在設(shè)計中。 關(guān)于5G終端及其應(yīng)用,前幾個5G標準版本主要側(cè)重于提升5G手機的性能,將5G擴展到PC是一個比較容易的方向。徐晧博士分享說,汽車是Rel-17擴展的主要方向之一;另一個終端類型是VR、AR眼鏡,XR是與元宇宙相關(guān)的擴展方向。Rel-17還將5G擴展至工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)用例,可以應(yīng)用于機器人、礦山挖煤等場景。此外,定位也是Rel-17擴展的5G用例,5G定位與衛(wèi)星定位可以形成非常好的互補,針對無人機和衛(wèi)星,Rel-17也做了專門的技術(shù)增強。 根據(jù)終端從高到低支持的特性和功能,5G標準將終端分為:最高性能的eMBB/URLLC、支持較低復雜度和功耗的NR-Light,以及支持最低復雜度和對時延不敏感的eMTC/NB-IoT。下面,我們來具體看看Rel-17是如何將5G擴展到不同終端和用例的。 第一類:eMBB/URLLC這些最高性能的終端 5G標準將VR、AR眼鏡這類對性能要求很高的終端劃分為最高性能終端。其它還有如手提電腦,可以支持文件傳輸、看電影等功能,對性能要求也很高;還有某些工業(yè)應(yīng)用需要很低的時延和很好的控制性,以及手機需要支持多種功能,這些都屬于最高性能級別的終端。 元宇宙是無處不在的空間互聯(lián)網(wǎng),帶來跨越實體世界和虛擬世界的個性化數(shù)字體驗。Rel-16中就已經(jīng)有針對XR的研究;Rel-17中的XR項目專注于研究和界定各種類型的XR流量需求(AR、VR、云游戲),比如往返時間、單向包延遲預算和誤包率等。 Rel-17中的XR項目研究主要是為已經(jīng)確定的XR流量類型定義需求和評估方法,并支持性能評估以確定未來Rel- 18項目的提升范疇。徐皓博士介紹說:“相比手機等終端,XR終端是全新定義的終端類型,目前對這類終端所需的數(shù)據(jù)包、在什么掉包率下用戶體驗不會受到影響等情況都不太了解,因此需要對這類終端的流量需求和評估方法進行探索,同時對這類終端的性能進行評估。” 第二類:RedCap或NR-Light RedCap或NR-Light是Rel-17引入的輕量級5G終端,包括工業(yè)傳感器、監(jiān)控攝像頭、智能電網(wǎng)相關(guān)設(shè)備、高端可穿戴設(shè)備、高端物流跟蹤設(shè)備等。支持較低的復雜度和功耗是這類終端的特點。NR-Light是Rel-17和Rel-18及未來版本中將持續(xù)演進的技術(shù)。
在這一類別中,徐皓博士特別重點分享了Rel- 17中擴展的幾個全新5G終端機應(yīng)用。 擴展廣播/多播:Rel- 17中,這一項目的研究范疇包括引入獨立組網(wǎng)廣播增強特性和混合模式多播支持。比如,面向獨立組網(wǎng)廣播增加對6MHz/7MHz/8MHz載波帶寬的支持,以及通過廣播和單播間的同時/動態(tài)切換為5G NR定義多播操作。此外,Rel-17還面向5G廣播推動了端到端設(shè)計的演進。
將直連通信擴展到全新用例:基于Rel- 16中的C-V2X(蜂窩車聯(lián)網(wǎng))5G PC5設(shè)計,Rel- 17帶來一系列全新的直連通信增強特性,比如優(yōu)化資源分配、節(jié)電和支持全新頻段。Rel- 17還將直連通信擴展至公共安全、物聯(lián)網(wǎng)以及其它需要引入直連通信中繼操作的全新用例。 所謂的直連通信,指的是終端之間沒有通過基站進行的通信。Rel-16首次引入的直連通信功能,是對此前C-V2X技術(shù)的進一步演進和增強,實現(xiàn)的是車與車之間的連接。Rel-17進一步擴展了直接通信,實現(xiàn)了任意類型的兩個終端之間的連接。此外,Rel-17針對之前版本的直連通信做了很多優(yōu)化,比如增強節(jié)電特性和改進資源分配等。Rel-17針對直連通信的另一項優(yōu)化是引入了直連通信中繼,從而實現(xiàn)更大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。 徐晧分享說:“直連通信將有可能催生一系列變革性應(yīng)用,尤其是在如智能家居這類擁有很多低復雜度的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的場景,及那些追求更低時延的應(yīng)用場景中。不過,直連通信的速率和傳輸距離有關(guān),距離越近,衰減越小,速率就越高。也因此,直連通信更適合距離比較近的應(yīng)用場景,因為它傳輸?shù)姆秶邢蓿旧鲜菐装倜字畠?nèi)的比較小范圍,具體范圍和是否是視距傳輸(Line of Sight)以及具體傳播環(huán)境有關(guān)?!?/span> 增強的精準定位:Rel- 17進一步提升了5G定位,以滿足包括厘米級精度在內(nèi)的更為嚴苛的用例需求。該項目還包含了其它增強特性,比如降低定位時延,提高定位效率以擴展容量,以及實現(xiàn)更優(yōu)的GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))輔助定位性能。 Rel-16版本時,在80%的情況下可以實現(xiàn)室內(nèi)3m和室外10m的定位精度,同時支持多種定位方式。Rel-17進一步將5G定位提升到厘米級精度,滿足商業(yè)用例(1m之內(nèi))和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(100毫秒內(nèi)小于0.2m)的精度要求。此外,Rel-17還進一步降低了定位時延,通過在定位時直接調(diào)用此前在終端上預先采集和儲存的信息來節(jié)約信令開銷并降低交互時間。Rel-17中的5G定位還支持全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)增強,利用GNSS輔助信息提高5G定位性能和效率,同時利用GNSS和5G定位實現(xiàn)互補。 徐晧總結(jié)說:“在室外環(huán)境下,衛(wèi)星定位更具優(yōu)勢;在室內(nèi)環(huán)境下,5G定位更加精準?!?/span> 第三類:支持eMTC/NB-IoT的終端 Rel-17引入了面向非地面網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星通信的5G物聯(lián)網(wǎng),包括支持eMTC和NB-IoT,從而將4G、5G中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入5G非地面網(wǎng)絡(luò)通信中。在衛(wèi)星覆蓋的地域范圍內(nèi)有很多物聯(lián)網(wǎng)終端,根據(jù)不同的應(yīng)用場景需求,可以將eMTC和NB-IoT終端直接與衛(wèi)星連接。 eMTC/NB-IoT其實是4G就已經(jīng)支持的兩項技術(shù),但它們在5G框架下得到了增強。相比NR-Light,支持eMTC/NB-IoT技術(shù)的終端針對的是最低復雜度且對時延不敏感的應(yīng)用。Rel-17針對eMTC/NB-IoT這兩項技術(shù)進行了向上的功能增強。 相比4G的eMTC/NB-IoT,Rel-17進一步提高了這兩項技術(shù)支持的數(shù)據(jù)速率,從而支持更多的用例。比如,在最開始的Rel-13中,eMTC支持的最大吞吐量為300kbps;在Rel-13/14/15增強,eMTC支持的最大吞吐量達到588kbps;Rel-17將eMTC支持的最大吞吐量進一步提升至1.2Mbps。 第四類:無源物聯(lián)網(wǎng)終端 這類終端對應(yīng)的是最低性能級別的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,甚至都不需要電池,僅通過反射信號就能確定終端身份。比如在物流場景中貨品表面貼的標簽支持RFID,可以通過讀表器掃描獲取貨品信息,這就是最低復雜度的無源物聯(lián)網(wǎng)用例。 Rel-17之后,Rel-18將開啟5G Advanced的持續(xù)演進,其中包括加強端到端的5G系統(tǒng)基礎(chǔ),以及將5G擴展至幾乎全部終端和用例。徐皓博士分享說:“行業(yè)遵循大概10年一個G的進程,將移動通信技術(shù)不斷地往前推進。未來五到十年,5G肯定是最主要的研究方向,行業(yè)會把5G Advanced不停地往前推進;同時會關(guān)注哪些是5G的瓶頸,這些瓶頸如何用6G來解決?!?/span> 關(guān)于5G向6G的演進,徐皓博士也給出了大概的時間線,即2025年左右會開始有更多關(guān)于6G標準的討論;2028年左右開始推出6G標準;2030年左右開始商用。對于通往6G的主要研究方向,徐皓博士也做了重點分享。
以上這些,都是通往6G的可能的研究方向。徐皓博士表示,最終哪些技術(shù)能在6G落地還是要通過實驗和測試才能知道。高通在移動通信行業(yè)已經(jīng)有超過三十年的投入和技術(shù)積累,在對5G技術(shù)的研究和持續(xù)創(chuàng)新中,也是貢獻了很多關(guān)鍵的技術(shù):
談到未來,徐皓博士分享說,實體世界、虛擬世界、數(shù)字世界的融合發(fā)展是近一兩年討論的比較多的。通信技術(shù)無疑是這三個世界的融合以及元宇宙中最核心的技術(shù)之一。如果沒有強大的5G或者6G的通信連接,就沒有辦法做到很好的實現(xiàn)。通信技術(shù)讓我們離萬物互聯(lián)的愿景更近一步。這是高通非??春玫男袠I(yè)發(fā)展技術(shù),相信也是能讓通信技術(shù)得到更好更好應(yīng)用的場景。 關(guān)注創(chuàng)芯大講堂 學習芯片精品課程 |
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