5G-NR蜂窩系統(tǒng)功能演進(jìn)趨勢(shì)分析

楊 立

(中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057)

0 引言

地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)已進(jìn)入到5G時(shí)代，超級(jí)智能化數(shù)字管道和萬(wàn)物互聯(lián)互通已不再遙不可及。5G-NR(New Radio,NR)蜂窩系統(tǒng)憑借一系列成熟的先進(jìn)技術(shù)的引入以及廣泛成功的標(biāo)準(zhǔn)化推動(dòng)，已成為當(dāng)今人類(lèi)最強(qiáng)大的移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施和各個(gè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的助推使能器。第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd Generation Partnership Project，3GPP)是研究制定5G-NR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的唯一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織，它于2016年開(kāi)啟了面向5G-NR Rel-15初始版本的基本系統(tǒng)功能研究制定[1-2]。3GPP從RAN#84全會(huì)開(kāi)始，面向5G-NR Rel-17潛在系統(tǒng)功能的開(kāi)發(fā)，展開(kāi)了全面深入的研討，繼而在RAN#86全會(huì)上確定了Rel-17版本的首批次新立項(xiàng)WID/SID。作為Rel-15/16版本系統(tǒng)功能的延續(xù)，Rel-17新立項(xiàng)相關(guān)的特征功能已呈現(xiàn)出一些新的演進(jìn)趨勢(shì)特點(diǎn)，本文將在這方面做出歸類(lèi)分析和闡述，并預(yù)測(cè)其后續(xù)發(fā)展。

1 移動(dòng)通信生態(tài)圈三大陣營(yíng)

蜂窩移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈主要由三方陣營(yíng)勢(shì)力構(gòu)成：芯片終端廠商、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商和移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商[3]，如圖1所示。三方陣營(yíng)勢(shì)力彼此競(jìng)爭(zhēng)合作，在蜂窩系統(tǒng)功能演進(jìn)方面的考慮和訴求既有相似共同點(diǎn)、相關(guān)契合性和重疊耦合面，又有各自不同的重點(diǎn)傾向性和利益立足點(diǎn)。因此它們?cè)?PP標(biāo)準(zhǔn)新立項(xiàng)推動(dòng)和牽頭方面有著不同的布局投入和關(guān)注。芯片終端廠商更多地希望提升終端UE在蜂窩系統(tǒng)中的功能地位和架構(gòu)角色，期望網(wǎng)絡(luò)側(cè)能更好地去支持和配合；而網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商更多地希望鞏固提升網(wǎng)絡(luò)在蜂窩系統(tǒng)中的功能地位和架構(gòu)角色，期望終端能更好地支持配合，不被制約和限制；移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商主要希望不斷拓展優(yōu)化各種“可盈利的”業(yè)務(wù)部署和運(yùn)營(yíng)成本的持續(xù)降低，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)和終端都會(huì)有新功能/新性能的期待。3GPP各個(gè)規(guī)范版本的系統(tǒng)功能紛繁萬(wàn)千，內(nèi)容涉及不同方面，但它們?cè)诩夹g(shù)延續(xù)性和商業(yè)邏輯層面都有一定脈絡(luò)和規(guī)律。將這些蜂窩系統(tǒng)特征功能進(jìn)行抽象分類(lèi)，有利于發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)本質(zhì)。為了突出呈現(xiàn)三方陣營(yíng)勢(shì)力方各自不同的功能訴求重點(diǎn)，本文將從終端、網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營(yíng)3個(gè)不同角度，對(duì)大量的蜂窩系統(tǒng)新功能進(jìn)行歸類(lèi)分析。

圖1 蜂窩移動(dòng)通信生態(tài)圈的三方陣營(yíng)勢(shì)力Fig.1 Three major camps in the cellular industry ecology

2 面向終端演進(jìn)趨向

如圖2所示，伴隨芯片(基帶/射頻/存儲(chǔ))技術(shù)的進(jìn)步提升，業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景的增多和更多的頻譜資源被釋放開(kāi)發(fā)，終端從自身功能演進(jìn)利益出發(fā)，更多關(guān)注于更多的種類(lèi)、更廣的頻點(diǎn)和更加的節(jié)電三大方面[4-10]。

圖2 終端功能演進(jìn)的三大方面Fig.2 Three major aspects of function evolution for UE/Chips

5G時(shí)代會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越豐富的終端類(lèi)型，從極窄帶的物聯(lián)網(wǎng) (Machine Type Communication，MTC)終端(吞吐速度xbit/s量級(jí)，電池電量可持續(xù)幾年)到超寬帶的超級(jí)用戶(hù)終端，例如：家庭網(wǎng)關(guān)CPE，總吞吐速度可達(dá)100 Gbit/s，固定插電。針對(duì)不同類(lèi)型終端及其相關(guān)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)可做差異化/精細(xì)化處理。業(yè)界通常把終端歸類(lèi)為三大擋：High-tier，Mid-tier，Low-tier。High-tier終端以智能手機(jī)/平板/車(chē)輛等eMBB應(yīng)用主體為代表；Low-tier以物聯(lián)網(wǎng)低端終端mMTC應(yīng)用主體為代表；而Mid-tier則以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳感終端和各種可穿戴類(lèi)終端為典型代表。Rel-17 NR-Lite新立項(xiàng)旨在優(yōu)化Mid-tier類(lèi)終端的業(yè)務(wù)用例。Mid-tier類(lèi)終端的數(shù)據(jù)吞吐率大約在10 Mbit/s，它們配置的天線(xiàn)數(shù)和RF Chain較少，最大發(fā)射功率較小，工作帶寬更窄，基帶處理能力較弱，續(xù)電能力更弱，因此它們的綜合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和成本更低。Mid-tier類(lèi)終端最終將會(huì)以新終端種類(lèi)UE category的形式被規(guī)范體現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)針對(duì)Mid-tier類(lèi)型，會(huì)有更優(yōu)化的處理機(jī)制和策略。

蜂窩通信必須基于特定的工作頻點(diǎn)和帶寬，為了進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)吞吐率，5G-NR一直在朝著更高的工作頻點(diǎn)和更大帶寬而努力。除了6～52.6 GHz常規(guī)高頻，面向更高頻段的52.6～114.25 GHz，Rel-17需設(shè)計(jì)出改良的毫米波波形和增強(qiáng)的傳輸魯棒機(jī)制，以對(duì)抗更強(qiáng)烈的多徑路損和遮擋效應(yīng)。此外，高頻段還具有更大量的非授權(quán)載波資源，更高效地利用這些非授權(quán)載波資源，可進(jìn)一步促進(jìn)向“全頻譜”的愿景目標(biāo)前進(jìn)，同時(shí)還可以進(jìn)一步收斂統(tǒng)一全球的無(wú)線(xiàn)制式應(yīng)用。

面向未來(lái)不同硬件條件的終端能夠插多SIM卡協(xié)同工作，Rel-17需優(yōu)化多個(gè)SIM卡之間的各種沖突操作，以提升網(wǎng)絡(luò)資源的使用效率(例如：尋呼Paging資源)和提升用戶(hù)“多卡多待”的感受。此外，終端節(jié)電還需要進(jìn)一步增強(qiáng)，Rel-17將支持物理層和高層聯(lián)合協(xié)作更動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸和測(cè)量監(jiān)聽(tīng)機(jī)制。

3 面向網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)趨向

如圖3所示，伴隨著芯片(基帶/射頻/存儲(chǔ))和光纖技術(shù)的進(jìn)步提升、業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景的增多和更多的頻譜資源被釋放開(kāi)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)從自身的功能演進(jìn)利益出發(fā)，更加地關(guān)注于更多的功能、更強(qiáng)的異構(gòu)以及更好的效率三大方面[4-10]。

圖3 網(wǎng)絡(luò)功能演進(jìn)的三大方面Fig.3 Three major aspects of function evolution for Network

除了Rel-15/16已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的單播技術(shù)之外，多播廣播技術(shù)也需引入5G-NR，以高效服務(wù)于更多的廣播類(lèi)商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，重點(diǎn)面向小區(qū)域。Rel-17多播廣播機(jī)制能極大地重用過(guò)去單播傳輸和流程的基本設(shè)計(jì)，并能靈活適配各種不同服務(wù)質(zhì)量 (Quality of Service，QoS)多播廣播業(yè)務(wù)的需求，且要實(shí)現(xiàn)該功能部署代價(jià)的最小化。因此，Rel-17多播廣播機(jī)制的設(shè)計(jì)參考基線(xiàn)和過(guò)去4G時(shí)代的Rel-9 MBMS設(shè)計(jì)方案不同。

面向深度室內(nèi)環(huán)境和偏遠(yuǎn)地區(qū)，Rel-17要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的進(jìn)一步增強(qiáng)，特別是上行覆蓋。在FR1頻段，隨著2/3/4G工作頻點(diǎn)未來(lái)逐步向5G NR遷移重部署并做Re-farming，在覆蓋方面至少不能變差。在FR2頻段，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)不同場(chǎng)景下的目標(biāo)高頻信道模型的研究，進(jìn)一步優(yōu)化相關(guān)導(dǎo)頻信號(hào)以及物理層控制/數(shù)據(jù)信道的設(shè)計(jì)，以更好適配真實(shí)的高頻信道環(huán)境。從未來(lái)運(yùn)營(yíng)商部署的角度看，很可能將實(shí)現(xiàn)不同頻段和載波的分層化部署，不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)應(yīng)用將會(huì)被承載在最合適的載波上。

在下行Downlink和上行Uplink功能性能已被充分開(kāi)發(fā)增強(qiáng)之后，業(yè)界開(kāi)始對(duì)Sidelink進(jìn)一步增強(qiáng)。Sidelink是終端之間直傳技術(shù)(Device to Device,D2D)引入的新接口通道，它支持?jǐn)?shù)據(jù)直傳(Direct Communication)以及設(shè)備靠近發(fā)現(xiàn)(Proximity Discovery )等基本功能。過(guò)去Sidelink在商業(yè)方面應(yīng)用很少，由于它對(duì)網(wǎng)絡(luò)依賴(lài)小且能減少傳輸延時(shí)，因此早期只在車(chē)聯(lián)網(wǎng)、公共安全、應(yīng)急通信等特殊領(lǐng)域有應(yīng)用。未來(lái)，業(yè)界希望進(jìn)一步拓展Sidelink在可盈利商業(yè)方面的應(yīng)用(但傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商并不喜歡)。當(dāng)FR2上部署的基站前端進(jìn)一步縮小，逐漸逼近終端尺寸時(shí)，基站和終端的邊界將變得模糊，終端可通過(guò)Sidelink鏈路為基站提供覆蓋的增強(qiáng)，進(jìn)而輔助其他處于弱覆蓋區(qū)域的終端。過(guò)去面向非商業(yè)應(yīng)用的Sidelink不能支持高速數(shù)據(jù)傳輸，例如：不支持載波聚合或高階MIMO/256QAM調(diào)制解調(diào)或波束賦形等。但隨著Sidelink的商業(yè)應(yīng)用深入，數(shù)據(jù)直傳能力將會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，并能進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)和終端的能效(Energy Efficiency)。除了數(shù)據(jù)直傳，相鄰終端之間的靠近發(fā)現(xiàn)能力和效率也將會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)跨載波和跨RAT制式的彼此快速探測(cè)發(fā)現(xiàn)。隨著相鄰終端之間Sidelink技術(shù)的完善，多個(gè)相鄰終端還可形成“組聯(lián)合通信模式(Group Communication)”，這在有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的可穿戴設(shè)備群和家電群場(chǎng)景下有應(yīng)用可能。

5G時(shí)代會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的小數(shù)據(jù)類(lèi)業(yè)務(wù)應(yīng)用，這類(lèi)業(yè)務(wù)不同于物聯(lián)網(wǎng)mMTC低端終端產(chǎn)生的微量數(shù)據(jù)，但又比eMBB類(lèi)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量少很多。由于連接態(tài)會(huì)導(dǎo)致較多的終端功耗和無(wú)線(xiàn)鏈路RL維持信令，因此Rel-17 Small Data新立項(xiàng)旨在面向RRC_INACTIVE，甚至在RRC_IDLE實(shí)現(xiàn)上下行數(shù)據(jù)的快速傳輸。該技術(shù)思路很像3G中的Cell_FACH狀態(tài)，終端上行利用網(wǎng)絡(luò)預(yù)配置的公共資源進(jìn)行上行數(shù)據(jù)傳輸，而下行可利用尋呼類(lèi)公共資源進(jìn)行下行數(shù)據(jù)傳輸。此外，該技術(shù)和Rel-16 NR所支持的2/4 step RACH技術(shù)也密切相關(guān)。小數(shù)據(jù)包傳輸(Small Data)技術(shù)旨在面向高低頻全頻段(包括授權(quán)和非授權(quán)載波)部署應(yīng)用，但在Idle態(tài)傳輸需解決數(shù)據(jù)安全性保護(hù)問(wèn)題，這方面可借鑒已標(biāo)準(zhǔn)化的窄帶CIoT CP方案。5G-NR Rel-17 在頻譜效率(例如：支持DL 1024QAM、全雙工Full Duplex)，能量效率(例如：支持基站節(jié)能、公共信道開(kāi)銷(xiāo)縮減)，基帶處理效率和終端移動(dòng)性管理等方面，還需進(jìn)一步增強(qiáng)以獲得更好的效率。

4 面向運(yùn)營(yíng)演進(jìn)趨向

如圖4所示，伴隨著芯片(基帶/射頻/存儲(chǔ))終端和光纖技術(shù)的進(jìn)步提升、業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景的增多和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維技術(shù)增強(qiáng)，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商從自身的功能演進(jìn)利益出發(fā)，更加關(guān)注于更多的業(yè)務(wù)、更強(qiáng)的智能以及更低的成本三大方面[4-10]。

圖4 運(yùn)營(yíng)功能演進(jìn)的三大方面Fig.4 Three major aspects of function evolution for mobile operator

除了車(chē)聯(lián)網(wǎng)之外，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)被視為5G-NR在垂直行業(yè)拓展應(yīng)用的另外一個(gè)重要領(lǐng)域。面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的各類(lèi)新型應(yīng)用，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)更能適配智能工廠不同環(huán)境的物理層方案，例如：優(yōu)化幀結(jié)構(gòu)和Numerology等，尋求更好的定位精度和通信節(jié)點(diǎn)間同步能力。隨著5G-NR未來(lái)向更多的垂直行業(yè)領(lǐng)域進(jìn)軍，運(yùn)營(yíng)商希望能進(jìn)一步強(qiáng)化私網(wǎng)(Non Public Network，NPN)和網(wǎng)絡(luò)RAN切片功能。NPN面向垂直用戶(hù)提供更好的通信私密性和定制化服務(wù)，要能支持和PLMN公網(wǎng)之間的無(wú)縫移動(dòng)性和協(xié)作。RAN切片面向不同業(yè)務(wù)類(lèi)型提供更好的差異化處理，終端能更早地感知業(yè)務(wù)切片所在的目標(biāo)服務(wù)小區(qū)。面向低空無(wú)人機(jī)UAV，高空飛機(jī)ATG和高鐵用戶(hù)等特殊類(lèi)終端，5G-NR網(wǎng)絡(luò)還需進(jìn)一步優(yōu)化改造，以適應(yīng)這些終端的移動(dòng)和業(yè)務(wù)特點(diǎn)。此外，面向各個(gè)頻段免費(fèi)的非授權(quán)載波資源，運(yùn)營(yíng)商也希望做進(jìn)一步的優(yōu)化利用，以用更低成本去提升系統(tǒng)容量和更廉價(jià)方式提供承載業(yè)務(wù)。

Rel-17 SON/MDT新立項(xiàng)將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)之前Rel-16未完成的網(wǎng)絡(luò)自組織和自?xún)?yōu)化功能。基于RAN中心相關(guān)數(shù)據(jù)收集利用(RAN Centric Data Collection and Utilization)技術(shù)，運(yùn)營(yíng)商希望能結(jié)合NR各種新部署應(yīng)用場(chǎng)景和后期更新功能的引入，進(jìn)一步增強(qiáng)RAN側(cè)智能性和人工智能技術(shù) (Artificial Intelligence，AI)的應(yīng)用，例如：優(yōu)化Massive MIMO信道和天線(xiàn)利用、多波束B(niǎo)eam管理優(yōu)化、邊緣計(jì)算優(yōu)化、針對(duì)非授權(quán)載波管理以及Sidelink性能監(jiān)測(cè)等。隨著Rel-17 IAB(Integrated Access Backhaul)集成式前傳回程技術(shù)的繼續(xù)增強(qiáng)，運(yùn)營(yíng)商希望能夠支持Mobile IAB node部署和更多的回程中間路徑選擇或備份，以對(duì)抗傳輸遮擋Blockage，從而實(shí)現(xiàn)更靈活魯棒的鏈路部署。

面向終端用戶(hù)各類(lèi)業(yè)務(wù)的用戶(hù)通信體驗(yàn)(Quality of Experience，QoE)，5G-NR網(wǎng)絡(luò)需定義相關(guān)的QoE測(cè)量屬性、評(píng)估和上報(bào)機(jī)制，以實(shí)時(shí)撲捉用戶(hù)體驗(yàn)方面的問(wèn)題，提供RAN側(cè)快速動(dòng)態(tài)的調(diào)整方案?；贏I和大數(shù)據(jù)技術(shù)，NR網(wǎng)絡(luò)能更好地預(yù)測(cè)用戶(hù)的業(yè)務(wù)行為和移動(dòng)性特征等，以做好UE Specific Policy的應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著5G-NR蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)未來(lái)廣泛深入的部署和應(yīng)用，在終端、網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)營(yíng)三大維度，將平滑地演進(jìn)到B5G(Beyond 5G)階段(預(yù)計(jì)在Rel-18或Rel-19)。B5G時(shí)代終端的類(lèi)型將會(huì)更加豐富，且面向各個(gè)不同的行業(yè)領(lǐng)域做更深入的終端定制化設(shè)計(jì)。B5G終端將進(jìn)一步支持在高頻毫米波小小區(qū)上的獨(dú)立駐留和業(yè)務(wù)承載能力，且實(shí)現(xiàn)更大帶寬資源的聚合和更靈活的移動(dòng)性管理，與此同時(shí)B5G終端的節(jié)電能力還將進(jìn)一步增強(qiáng)。B5G時(shí)代網(wǎng)絡(luò)能力將全面高效地支持超寬帶、超窄帶、多播組播和深度異構(gòu)功能，且在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸承載效率上進(jìn)一步優(yōu)化提升。B5G時(shí)代將基本實(shí)現(xiàn)面向眾多垂直行業(yè)的“全業(yè)務(wù)”“全覆蓋”愿景，包括融合了衛(wèi)星通信覆蓋和深度室內(nèi)覆蓋等。移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商將進(jìn)一步強(qiáng)化大數(shù)據(jù)和AI在網(wǎng)絡(luò)部署規(guī)劃優(yōu)化、業(yè)務(wù)策略精細(xì)制定、用戶(hù)服務(wù)體驗(yàn)管理等方面的應(yīng)用，使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本進(jìn)一步降低，用戶(hù)獲得更好的通信體驗(yàn)。B5G還會(huì)將高品質(zhì)光纖承載和無(wú)線(xiàn)接入更大規(guī)模地結(jié)合在一起，從而極大提升網(wǎng)絡(luò)容量和蜂窩小區(qū)彈性變形的部署。綜上，B5G將為6G起到承前啟后的作用，在網(wǎng)絡(luò)部署方式、系統(tǒng)功能集合、業(yè)務(wù)性能等方面提供豐富完備的基線(xiàn)參考。