5G R16 标准冻结,究竟讲了些什么?

Qorvo半导体 2020-07-13

日前,3GPP 宣布完成 5G 标准第二版规范 R16。


那 R16 究竟讲了些什么?


考虑向垂直行业扩展是 R16 的重头戏,本文将 R16 主要功能分为“向垂直行业扩展”和“功能增强”两大类进行介绍。





向垂直行业扩展




5G + TSN

为了扩大潜在的工业互联网用例,比如工厂自动化、电网配电自动化等,R16 支持 5G 与 TSN(Time Sensitive Networking,时间敏感网络)集成。


什么是 TSN?


传统以太网技术只能实现“尽力而为”的通信,无法满足工业制造应用的高可靠、低时延需求,因此,面向工业自动化需将传统“尽力而为”的以太网升级为可提供“确定性”服务。


同时,现有的工业协议众多,彼此孤立,各种协议使用不同的“语言”,一方面给实时通信带来了难度,另一方面难以实现统一集成,增加了维护和运营成本。


在这样的背景下,TSN 应运而生,它由 IEEE 定义标准,可基于标准以太网技术提供确定性服务,并提供标准化统一的、经济的解决方案。


5G + TSN,即 5G 系统与 TSN 网络集成,基于 5G uRLLC 的低时延高可靠能力,满足 TSN 架构的四大严苛的功能需求:时间同步、低时延传输、高可靠性和资源管理。5G 与 TSN 融合后,可通过 5G NR 无线替代工厂内的有线网络,让工业生产更加柔性化。


uRLLC 增强

为了支持工业领域的低时延、高可靠通信需求,在 3GPP R15 版本中,主要通过更大的子载波间隔(numerology)、Mini-slots、快速 HARQ-ACK、Pre-scheduling 等技术来降低空口时延,并通过 PDCP 复制传输、增强数据与控制信道的传输系统参数等技术来提升传输可靠性。


R16 版本将通过 PDCCH 监视功能、支持多个 HARQ-ACK、无序 PUSCH 调度、UE 优先级和多路复用等多个功能来进一步增强 uRLLC。


比如在可靠性增强方面,R15 支持两条支路的 PDCP 层分集传输,即数据包在 PDCP 层复制,再通过在两条无线链路上传输相同的数据的方式,来抵御无线环境恶化带来的影响,保障通信链路的可靠性。为了进一步增强可靠性,R16 对 PDCP 复制机制进行了增强,最高可支持 4 路复制数据传输,同时增强了对激活/去激活 PDCP 复制的控制。


非公共网络(NPN)

NPN,Non-Public Network,就是基于 3GPP 5G 系统架构的专用网络,它将 5G 扩展到传统的公共移动网络之外,对于使能垂直行业数字化转型至关重要。


NPN 包括两种部署方式:独立部署和非独立部署,即 SNPN(独立的非公共网络)和 PNI-NPN(公共网络集成 NPN)。


在非独立部署模式下,垂直行业可基于 5G 网络切片技术与运营商共享 RAN、共享核心网控制面,或共享整个端到端 5G 公网(即端到端网络切片)等来建设 5G 专网。


在独立部署模式下,垂直行业独立部署从基站到核心网到云平台的整个 5G 网络,可以与运营商的 5G 公网隔离。这意味着,工厂或园区内的设备信息、控制面信令流量、用户面数据流量等都不会出园区,可满足工业领域严苛的数据安全、低时延和高可靠需求。当然,对于园区内的语音、上网等非生产型业务,也可以通过防火墙与运营商公网互连。


那在独立部署模式下,垂直行业的频谱资源从哪里来呢?可以向运营商租用,也可以从监管机构申请,比如德国和日本就专门为垂直行业分配了专网频段,工业巨头们向政府申请并支付相应的费用就可以使用了。


NR-U

运营商的 5G 公网工作于授权频谱,它是提供广覆盖、高质量 5G 无线服务的基石,但 5G 公网也需要非授权频谱来补充容量,就像今天的 LTE 与 Wi-Fi 共存互补一样。


于是 5G NR-U 来了。


5G NR-U,全称 5G NR in Unlicensed Spectrum,即工作于非授权频谱的 5G NR。它将 5G NR 工作于 5GHz 和 6GHz 的非授权频段。


5G NR-U 包括两种模式:LAA NR-U(授权频谱辅助接入 NR-U)和Stand-alone NR-U(独立 NR-U)。


LAA NR-U 依托于运营商的授权频谱,将运营商的 NR 授权频谱作为锚点来“聚合”非授权频段,以利用未授权频谱资源增强运营商网络容量和性能,尤其适用于一些人群集中的室内场所,比如体育馆和购物中心等。


Stand-alone NR-U 不需要授权频谱做锚点,可完全独立地在非授权频谱上部署单个 5G 接入点或 5G 专网。这和今天企业自建 Wi-Fi 网络的模式一样,只不过使用的是 5G NR 技术。


5G LAN

5G 局域网支持在一组接入终端间构建二层转发网络,并通过 5G SMF 与 UPF 的交互实现终端组内数据交换和用户面路径选择。5G LAN 提供了组管理服务,使第三方(AF)可以创建、更新和删除组,以及处理网络中的 5G 虚拟网络(VN)配置数据和组成员 UE 的配置。


5G V2X

众所周知,蜂窝车联网(C-V2X)旨在把车连到网,以及把车与车、车与人、车与道路基础设施连成网,以实现车与外界的信息交换,包括了 V2N(车辆与网络/云)、V2V(车辆与车辆)、V2I(车辆与道路基础设施)和 V2P(车辆与行人)之间的连接性。



V2X 消息可以通过 Uu 接口在基站和 UE 之间传输,也可通过 Sidelink 接口(也称为 PC5)在 UE 之间的直接传输,即设备与设备之间直接通信。


为了将蜂窝网络扩展到汽车行业,3GPP 在 R14 引入了 LTE V2X,随后在 R15 对 LTE V2X 进行了功能增强,包括可在 Sidelink 接口上进行载波聚合、支持 64QAM 调制方式,进一步降低时延等。


进入 5G 时代,3GPP R16 版本正式开始对基于 5G NR 的 V2X 技术进行研究,以通过 5G NR 更低的时延、更高的可靠性、更高的容量来提供更高级的 V2X 服务。



R16 版本的 NR V2X 与 LTE V2X 互补和互通,定义支持 25 个 V2X 高级用例,其中主要包括四大领域:


  • 车辆组队行驶,其中领头的车辆向队列中的其他车辆共享信息,从而允许车队保持较小的车距行驶。

  • 通过扩展的传感器的协作通信,车辆、行人、基础设施单元和V2X应用服务器之间可交换传感器数据和实时视频,从而增强UE对周围环境的感知。

  • 通过交换传感器数据和驾驶意图来实现自动驾驶或半自动驾驶。

  • 支持远程驾驶,可帮助处于危险环境中的车辆进行远程驾驶。


NR定位

5G 时代大量的应用需要精准定位,比如工业 AGV、资产追踪等,尤其是室内精准定位,可卫星定位在室内无法使用,LTE 和 WiFi 定位技术又不精准,为此,5G 在 R16 版本中增加了定位功能,其利用 MIMO 多波束特性,定义了基于蜂窝小区的信号往返时间(RTT)、信号到达时间差(TDOA)、到达角测量法(AoA)、离开角测量法(AoD)等室内定位技术。


通过这些定位技术,对于对定位精度要求更为严格的一些商业用例,至少需达到以下要求:


  • 对于 80% 的 UE,水平定位精度优于 3 米(室内)和 10 米(室外)。

  • 对于 80% 的 UE,垂直定位精度优于 3 米(室内和室外)。




功能增强




2-STEP RACH

RACH,即随机接入信道,它是 5G 终端开机时向 5G 网络发出的第一条消息,因此对其进行优化设计非常重要。


在 R15 版本中,基于竞争的随机接入过程是一个四步过程(如下图)。四步随机接入过程需要在 UE 和基站之间进行两个往返周期,这不仅增加了等待时间,还导致了额外的控制信令开销。



在 R16 版本中,采用了两步随机接入的机制,其将前导preamble(Msg1)和 Scheduled Transmission (Msg3)合并为MsgA,将 Random Access Response(Msg2)和 Contention Resolution 消息(Msg4)合并为 MsgB。


IAB

IAB,Integrated Access and Backhaul for NR,即 5G NR 集成无线接入和回传,其可通过扩展 NR 以支持无线回传来替代光纤回传



IAB 尤其适用于 5G 毫米波。由于毫米波传输距离短,需要部署密集的微站,意味着需要挖沟架线敷设密集的光纤回传,而 IAB 通过无线回传替代光纤,可以大幅降低部署难度和成本。


在 IAB 技术下,接入链路可以与回传链路使用相同的频段,称为带内工作;也可采用不同的频段,称为带外工作。


移动性增强

在传统 4G 网络和 5G R15 版本中,移动终端从源小区切换到目标小区时,移动终端会在短时间内无法发送或接收数据。具体的讲,移动终端与目标小区建立连接之前通常会释放与源小区的连接,这会导致网络与移动终端之间存在约几十毫秒内的中断。


同时,在 NR 高频段波束赋形中,由于需进行波束扫描,可能会导致切换中断时间比 LTE 更长,且可能导致更多的无线链路故障,从而降低可靠性。


这是个大问题,5G 智能制造、车联网、电网配网自动化等场景要求时延不过几毫秒,且对可靠性要求苛刻。


为了减少切换中断时间和提高可靠性,R16 采用了 Dual Active Protocol Stack (DAPS)技术对 NR 的移动性进行了增强,其允许移动终端在切换时始终保持与源小区连接,直到与目标小区开始进行收发数据为止。也就是说,在切换过程这段极短的时间里,移动终端同时从源小区和目标小区接收和发送数据。


双连接和载波聚合增强

R16 增强了双连接和载波聚合功能,包括通过更早的测量报告减少载波聚合和双连接的建立和激活时间,最小化小区建立和激活所需的信令开销和等待时间,快速恢复 MCG 链路,支持不同 numerologies 的载波聚合小区的跨载波调度等等。


MIMO 增强

R16 增强了波束管理和 CSI 反馈,支持多个传输点(multi-TRP)到单个 UE 的传输,以及多个 UE 天线在上行链路的全功率传输,这些增强功能可提升速率,提升边缘覆盖,减少开销和提升链路可靠性。



UE节能

由于 5G NR 更灵活、带宽更大、速率更高,NR 终端设备比 LTE 更耗电。为了减少终端功耗,R16 引入了一些新的节能功能,比如 Wakeup singal,增强跨时隙调度,自适应 MIMO 层数量,UE 省电辅助信息等。


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