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      2. 深度剖析5G Rel-15、16、17技術路線及演進,高通5G創新方向指向何方?

        2020-04-08 13:07:57 來源:EETOP 作者:Nancy Zhou
        2020年是5G開始大規模商用的第一年。與4G相比,5G的商用速度比4G快很多。據統計,迄今為止,全球已有超過45家OEM廠商已經推出或宣布推出5G終端;超過50家運營商部署5G商用網絡;超過345家運營商正在投資5G。面對5G在全球快速規?;渴鸬呐畈F狀,高通中國區研發負責人徐晧博士表示:“在考慮5G的應用和發展時,需要對可用資源和時間規劃有非常清晰地掌控和理解,這樣我們對5G目前和未來的發展就會有一個清楚的規劃。”

         

        徐晧介紹,現階段基于5G Rel-15和Rel-16,高通的5G產品組合正在從智能手機向其它類型的智能終端上不斷擴展。主要的擴展方向包括始終連接的PC;擴展的用戶體驗如說XR、云游戲,以及基于 Rel-14 的車聯網和Rel-16 的車聯網,以及支持行業應用的5G物聯網模組等。

         

        5G標準還在持續演進,從核心網、接入網到終端設備,都蘊藏著無限的機遇和挑戰。從終端設備看,2022年5G手機出貨量預計將達到7.5億部;2023年全球5G連接數預計將超過10 億;2025年該數據預計將高達到28億。那么,如何從5G技術標準的演進進程,來規劃5G下一步的研發方向?高通的5G基礎技術創新及研發新方向,值得借鑒!

         

        5G技術標準的迭代演進及研發新方向

        2017年12月,國際通信標準組織3GPP正式凍結并官宣非獨立組網5G NR標準,2018年6月3GPP完成5G“獨立(SA)版本Release 15”規范第一階段全功能標準化工作。按照之前規劃,Rel-16在2019年12月結束物理層也就是第一階段的工作,在2020年3月結束第二階段的工作,在6月份完成標準凍結。不過據3GPP最新消息,受新冠肺炎疫情的影響,3GPP將提交變更請求(CR),時間從6月推遲至 9月,同時宣布將Rel-17討論的開始時間也相應往后推遲三個月。

         

        Rel-15、Rel-16、Rel-17的技術路線

        Rel-15是5G標準的第一個版本。在這個版本中最重要的場景是增強移動寬帶網絡,主要的目標是能夠實現用于智能手機的應用。Rel-16是原定將于2020年6月凍結的5G標準的第二個版本,除了繼續演進增強移動寬帶以外,將進一步完善超可靠低時延通信(URLLC)的功能。URLLC對于工業物聯網和一些對時延要求很嚴格的網絡應用來說是非常重要的功能。同時,在Rel-16中,第一次引入了5G車聯網技術和免許可頻譜設計(NR-U)技術。

        雖然5G定義了三大應用場景,即大家熟知的增強型移動寬帶、關鍵業務型服務和海量物聯網,但是與5G相關的第一個標準版本中并沒有涵蓋所有應用場景的增強。例如海量物聯網,在認真評估了基于4G的物聯網之后, 5G的Rel15和Rel-16版本中并沒有急于推進5G海量物聯網技術,而是在Rel-17中才計劃引入了5G海量物聯網以及諸如NR-Light這樣的其它新技術。同樣,在5G的第一個版本標準中,行業也沒有引入5G車聯網技術,所以在Rel15中并沒有5GNRC-V2X技術。因此從整體規劃上來說,行業會根據具體的時間點、市場需求以及4G提供過的服務來規劃5G的發展方向。

         

        Rel-16是5G標準的第二個版本。在該版本中,首先,是持續增強6GHz以下和毫米波的通信,這部分可以看作是Rel-15版本的延續。另外,5G手機功耗是大家比較關注的一點,所以在Rel-16里面有更多關于手機節能方面的功能和標準設計。第三,Rel-16中首次引入的一個新技術,即5G免許可頻譜設計。第四是移動性增強,目的在于從小區到小區之間切換的時候,5G能夠做到沒有間斷的零秒切換。第五是增強毫米波和中頻段的載波聚合。此外,Rel-16還包括一些其它功能,比如提供新的精準5G定位的功能、URLLC的進一步增強以支持工業物聯網的應用和5G廣播等,這些都是在5G Rel-16版本中將要支持的重要功能。

        Rel-17是5G標準的第三個版本。由于疫情的影響,Rel-17工作較之原計劃會推遲大概一個季度。目前Rel-17還沒有正式開始,不過從相關資料研究,已可略知其一些可能的方向,比如全新的NR-Light,即在現有5G的基礎上做一個簡單版的5G來支持可穿戴設備的技術。

        精準定位是5G的關鍵新技術之一

        在這里,我們再特別來聊聊5G NR定位功能。事實上,在4G時代我們已經實現了很多定位功能,但是5G定位比4G定位更精準,而且要求也更高。Rel-16中5G定位其精準度在3米到10米之間,根據室內和室外的具體要求不同,這樣的精準度比現在一些國家緊急救援的精度需求要高很多。同時,5G NR支持室內和室外的定位,與現有的定位技術互補。而Rel-17則致力于實現更精準的定位,在精度方面達到亞米級精度(比如0.3米以內的絕對精度要求),從而支持精準工業制造、工業廠房設計開拓更多全新應用場景;在時延方面,致力于實現更低的時延(比如將時延降低至10毫秒以內);在連接能力方面實現更大提升,比如支持數百萬部物聯網、汽車等終端??偠灾?,精準定位是5G的關鍵新技術之一。

        針對定位,可能有的人會問,我們已經有GPS了,為什么還需要5G定位?此外, 關于室內定位,目前業內技術如藍牙,已經做的不錯且技術成熟,5G定位技術為什么還要來分一杯羹?

         

        徐晧表示,事實上,各種各樣不同的定位方式是一種互相補充的關系,5G定位是基于蜂窩通信而非衛星通信實現的,5G定位可與其它定位技術互為補充。5G定位支持更高定位精度及更低時延,能夠滿足多樣化的服務需求??傮w來說,最大的區別還是在于定位的距離。

         

        從Rel-16和Rel-17的精準定位需求來說,Rel-16可以支持在80%的時間實現室內3米和室外10米的定位精度。目前的大多數定位技術(無論是GPS還是通信定位)使用的是三點定位,就是需要三個不同的傳播途徑完成定位,比如手機需要同時收到三個基站或者三個衛星發射的信號,然后通過計算距離來畫三個圓,這三個圓的交點就是手機所處的位置。5G能夠支持更優化的定位功能,比如只需要將一個基站發射的信號傳輸給手機,手機馬上將信號回傳,從往返時間計算出基站到手機的距離,然后通過到達角和出發角定位,定位手機用戶所處的位置。這種方法相比通過之前三個基站進行定位的4GLTE定位技術有很大增強,而且具備更高靈活性。當然,除了這種通過一個基站進行定位以外,5G同時也支持其它定位方式。

        由此可見,5G標準在不停地往前演進,每一個階段引進什么功能都有著非常好的規劃。與此同時,除了在標準上不斷地引入新的功能以外,5G的應用也在不停地往不同垂直領域擴展,包括智能手機、電腦、固定無線接入、工業物聯網、面向企業和汽車的網絡以及企業專網等。

         

        5G 在不同垂直領域的應用擴展

        5G蜂窩車聯網(C-V2X)技術

        無論是4G CV2X還是5GC-V2X都致力于支持更加安全便捷的駕乘體驗,更重要的是提升交通效率和道路安全。Rel.14和Rel.15版本已經能夠支持基本的V2X功能,比如 V2V(車對車通信)、V2P(車對人通信)、V2I(車對基礎設施通信,比如路側單元RSU等)。

        5GC-V2X主要能帶來三個方面的提升:

        • 增強的安全性,包括實時情境感知、全新類型傳感器數據共享、以及安全性提升至更高水平。5G速率更快,可支持車與車之間傳感器數據的分享。

        • 減少行車時間,提高能源效率。5G引入了協作式駕駛,不僅有AI支持的單車智能,還可以通過車聯網以及車與車之間的協作式駕駛提高整體行駛效率。

        • 加速網絡效應。5G相比4G在網絡容量、網絡速率上有很大的提升,5G支持的C-V2X技術也在4G基礎上有很大提升。傳感器共享及路側基礎設施部署可在5GC-V2X部署初期即帶來眾多效益。

         

        基于距離可靠性的傳感器共享可以支持協作式的車對車通信。比如根據現在的5G標準,在一輛車將要通過十字路口的時候,可以與近距離范圍內的其它車輛自動組成群組(group)進行通信,能夠很快地將不同車輛傳感器感知到的信息進行分享;如果是距離比較遠的車輛,就不需要加入這個群組。除了支持V2X通信以外,一輛具備C-V2X功能的車輛還可以感知到附近不具備CV2X功能的車輛的行駛速度,并且將這一信息分享給周圍的C-V2X車輛,進行預警提示。通過這種基于距離可靠性的交互測試和OTA測試,司機可以明確在多大距離范圍內以及多高的車速下需要多長的反應時間,從而優化系統設計以及算法。

        5G C-V2X能夠解決復雜的挑戰,為實現自動駕駛奠定基礎。在未來5G標準中,C-V2X將繼續演進。

         

        5G海量物聯網技術

        4G中支持海量物聯網的技術(比如eMTC和NB-IoT)已經基本能夠滿足目前物聯網的要求。但隨著5G網絡規?;渴?,5G海量物聯網技術也必將被引入,來滿足低功耗、廣域物聯網不斷增長的需求,包括遠距離覆蓋、10年以上的電池壽命、大規模設備支持等。在5G Rel-17中就將開始引入5G物聯網技術。

        5G具備非常靈活的架構,其所有資源調度都是在頻域和時域的兩維空間上進行的,支持在現有5G框架的基礎上不斷引入新的服務和技術。從eMTC到FeMTC再到eFeMTC,這是eMTC持續演進的過程;NB-IoT也持續演進至5G。NB-IoT和eMTC能夠支持低端物聯網應用,支持在5G框架內持續應用4G物聯網技術;更高端的eMBB和URLLC則能夠支持更高性能的物聯網終端。eMBB和URLLC、5G NR-Light、eMTC/NB-IoT是在性能、能耗、成本等多方面從高端到低端面向三個不同層級的物聯網技術,能夠支持不同需求的物聯網應用。

        Rel-17將會支持5G NR-Light。5G NR-Light基于現有的5G技術,將帶來更低復雜度、更高能效和更低成本。更低成本是因為NR-Light通過采用性能提升的半雙工控制信道設計,減少終端元器件數量,從而降低成本。這些技術能夠讓5G NR芯片能夠應用到高端可穿戴設備、智能電網、高級物流跟蹤、健康監測等應用中。

        關于5G技術推進對物聯網芯片帶來的更新問題,徐晧表示,物聯網有海量各式各樣的應用場景,不同應用場景可能需要不同種類的芯片提供支持,以可以幫助更好地實現終端能耗和外觀體積上的優化。這些芯片未來是否需要通過硬件更新來支持新特性,需要根據具體情況來定。有一些5G網絡及設備是不需要硬件更新的。如果能在5G的靈活架構上通過軟件升級實現這些新特性和新技術,那么就無需通過硬件升級的方式更新網絡和設備。但如果5G新標準中出現了較大變化的新特性或技術,就需要通過硬件升級的方式實現更新。

        高通的5G基礎技術創新及研發新方向

        過去幾十年,高通一直致力于無線基礎科技的研發,積極開展產業合作來推動5G的規?;逃?,并且不斷發掘5G的技術潛力。比如,在Rel-15中最重要的幾項物理層技術,即基于OFDM的可拓展空口、基于時隙的靈活框架、包括LDPC和CRC輔助極化碼的信道編碼、以及大規模天線應用和移動毫米波等。在推動5G擴展的時候,高通會基于基礎研發,在每一個技術擴展之前,通過原型機設計和大量測試,對各種各樣的垂直領域進行支持,包括工業物聯網、智能交通、服務終端、共享和免許可頻譜等。

        通過靈活的時隙框架擴展5G

        5G靈活的時隙框架是其支持廣泛垂直領域用例的基本技術框架,這是一個很重要的研發課題。因為5G需要支持廣泛的垂直領域,每個垂直領域有不同的需求和設計上的要求,所以需要讓5G在架構上能夠支持未來眾多可能發生但尚未定義的全新服務,也就是說5G具有前向兼容性。

         

        5G框架在頻率上留了一些空子載波,在時域上留了一些空白時隙。相類似的,通信行業在打造5G系統、制定5G標準的時候,已經在其中預留了一些在未來進行調整以及加入全新服務的可能性,這就是5G的前向兼容性。此外,eMTC和NB-IoT是兩項應用非常廣泛的4G海量物聯網技術,這兩項技術也可以加到5G架構中。同樣地,廣播和C-V2X(蜂窩車聯網)也可以非常靈活地加入到5G架構中來。

        毫米波技術

        當前,在美國,幾大主流的運營商包括AT&T、TMobile、Verizon都已經提供了毫米波的商用服務。最近,美國FCC又再次舉行了全新的毫米波頻譜拍賣,所有的主流美國運營商都得到了毫米波的頻譜,而且Verizon也計劃于今年繼續擴大毫米波的網絡覆蓋,實現覆蓋城市數量翻倍。全球范圍內,除了美國以外,意大利、俄羅斯、韓國、日本、東南亞、澳大利亞、拉美也都有在2020年或2021年部署毫米波的計劃。目前,中國在毫米波試驗和頻譜規劃上也正在推進,很可能于2021年或之后進行毫米波的部署。

         

        毫米波技術是5G設計中不可缺少的核心技術之一。徐晧介紹說,2015年設定的5G各項目標是比較激進的,如5G時延將降低1/10,速率將增加10倍,網絡容量將增加100倍等。5G要想達到最初設計的指標和目標,需要對所有資源進行科學地分配和控制。例如要達到最高的速率要求,就必須使用毫米波頻段,因為毫米波的帶寬是6GHz以下頻段無法企及的,只有在毫米波頻段才才能夠達到與4G相比,10倍以上或者100倍以上的提升。

        毫米波最大的優勢是它的帶寬而不是它的覆蓋。所以經??紤]到毫米波的應用其實是熱點的覆蓋。這樣的話,我們就不需要用毫米波來達到全國范圍的全面覆蓋,從這個角度來說,毫米波的應用是非常靈活的。比如可以在地鐵站用毫米波的基站來進行覆蓋,可以在體育場館或者音樂廳等用毫米波來覆蓋,而不是說用毫米波來做一個覆蓋全國 的網絡。因此,毫米波是有非常靈活的覆蓋方式的。

        另外,除了常見的基站覆蓋以外,毫米波也引入了一些集成接入回傳 (IAB)或者中繼通信技術技術,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蓋范圍。比如,中繼就是通過接收毫米波基站的信號,信號接收之后再往下發送,有了這種節點,也可以看作是一個分布式的小基站的布網方式。

        從連續性覆蓋角度看毫米波與低頻段相比的確存在一定的弱勢,但它最大的優勢在于頻段很寬、資源很豐富。毫米波用處最廣的地方是各種熱點的覆蓋。毫米波的應用不光在于提供現在已有的熱點覆蓋服務和基于智能手機的服務,它也能夠引入一些新的服務和應用場景。高通在持續地加強毫米波研發,把毫米波推廣到各種熱點覆蓋區域,比如企業內部的會議室,大型體育場館、中心或者音樂廳,以及各類交通樞紐如機場、火車站、地鐵站等,這是高通不斷推動毫米波的一個應用方向。

        為全新拓展移動寬帶,實現毫米波的移動化,高通推出移動化毫米波技術。在商用之前,高通進行了大量的毫米波OTA測試和信道測量。在舊金山進行的5G網絡模擬實驗中,高通利用現有的4G基站實現了62%的毫米波室外覆蓋,網絡容量提升高達5倍,小區邊緣突發速率和中值突發速率都得到了很大提升。在毫米波方面,高通還增加了更多對于毫米波波束的增強功能,也引入了集成接入回傳(IAB)的節點,這主要是為毫米波的部署提供更多的方便?,F在全世界已經有很多6GHz以下和毫米波的部署,下一步高通考慮的就是通過毫米波與中頻波段的載波聚合,進一步提高峰值速率和數據容量。

         

        XR應用場景

        關于6GHz以下廣域5G,高通搭建了大規模MIMO OTA測試網絡,增強多用戶MIMO的網絡能力,實現每赫茲50bits/s的頻譜效率,比現在LTE高5倍以上的速率。對于XR眼鏡來說,要求做到功耗低、體積小、重量輕,XR眼鏡對于這幾點的要求甚至比智能手機還要高,因為手機可以攜帶一個相對較大的電池,但是如果要把整個眼鏡的功能做好,功耗還要降到最低,同時電池體積還要比手機小,這對功耗、體積、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處理。

        所謂分布式處理,是指把XR眼鏡上需要處理的大部分工作放至邊緣云進行處理,以此減少眼鏡端的處理需求。分布式處理分為兩部分,最重要的部分依然會放在終端側處理,其余部分可以放到邊緣云端處理。這樣的分布式處理需要非常強的5G連接,保證在XR眼鏡和邊緣云之間有低時延、高容量且非??煽康倪B接。那么在空口端,需要使用到5G超可靠低時延通信(URLLC)技術。另外還會用到邊緣云計算(edgecomputing)和分離式渲染(split rendering),把在XR眼鏡上需要做的渲染,放一部分至邊緣云進行處理。這是一個整體系統上的設計,通過這種設計才能做到在眼鏡端的功耗最低且運算量最小。

         

        工業物聯網和企業專網

        工業物聯網和企業專網是5G面向垂直領域的關鍵應用之一。比如在現代化工業4.0的車間里,很多機械臂在5G網絡支持下自動地進行操作和工作;工業機器人也是5G和工業制造融合很好的一個領域;在廠房或者碼頭這樣的場景中,如果能夠組建企業專網,那么就可以通過5G網絡和人工智能提供定制化服務。

         

        企業專網有以下幾點優勢:

        • 能夠量身定制地優化應用場景,設置一些服務定性指標,更好地支持生產需求。

        • 專用網是本地網絡,容易部署,也比較容易獨立地達到企業想要的一些功能特性。

        • 更安全,比如將很多敏感數據存在本地,不需要傳到公用網,從而實現數據安全。

         

        不過,支持企業專網和實現工業物聯網需要幾個關鍵的技術。首先是比較靈活的頻譜分配,例如碼頭或者是車間這樣的應用場景,如果有許可頻譜或者是共享頻譜的話,分配或實現起來更容易,可以更具靈活性地根據企業的需求進行建網。另外,時間敏感網絡、定位、超可靠低時延通信也是支持工業物聯網的重要的技術。

        時間敏感網絡里有一個5G以太網的概念,就是通過5G無線網絡能夠達到跟現在有線以太網同樣的低時延和高可靠性。圖12列舉了4種不同的頻譜分配方式。移動運營商擁有的是許可頻譜,比如說中國電信、中國移動、中國聯通所擁有的就是許可頻譜;區域性專用頻譜,比如德國為工業物聯網專門分配的3.7GHz頻段,就是專門為工業物聯網來分配的一種頻譜;支持異步共享的免許可頻譜,異步共享就是每一個節點傳輸的時間是不用同步的,有點像Wi-Fi的性質,不同的節點可以在不同的時間發出信號;支持同步共享的免許可頻譜,所有節點在傳輸的時候在時間上同步,達到更好的可靠性的應用。URLLC應用就屬于同步共享的免許可頻譜類型,而最近 Rel-16支持的NR-U則屬于異步共享的免許可頻譜。
         

        對于超可靠低時延通信,除了URLLC以外,高通還實現了協作多點的技術。要達到高可靠低時延,有可能需要在一個車間里部署好幾個傳輸的節點,這樣即使一個節點被人或者是被其它物體擋住,也可以通過其他的節點來對機械臂或者是零件進行控制,這就是通過協作多點達到更好的可靠性和低時延。

        5G發展應合理規劃及分配頻譜資源

        從全世界范圍看,包括北美洲、歐洲、亞洲在內的全球各個主要地區,都有從幾百兆赫茲到毫米波頻譜的分布和規劃。比如在低于1GHz的頻段中,美國有600MHz, 中國有700MHz;在3GHz到6GHz之間,中國有 2.6GHz、3.5GHz、4.8GHz等頻譜的分配,美國同樣也有2.5GHz、2.6GHz以 及3.7GHz相應的頻譜分配。不過,總體上,低頻的頻譜資源都是有限的。盡管低頻頻譜從信道傳播和覆蓋的指標上來說,與高頻頻譜相比具有一定優勢,但其缺點是頻譜資源有限。由于其它多種服務已經占用低頻頻譜,加之其本身帶寬的限制,所以目前可使用的資源非常有限。但不同的國家和地區的現實情況不同,所以低頻段頻譜的擁擠程度也不同。

        總體來說,5G會在標準演進的過程中不斷引入全新的5G技術,而不是在第一個5G標準版本中涵蓋所有場景。徐晧表示:“5G要想達到最初設計的指標和目標,需要對所有資源進行科學地分配和控制。做到以下兩點十分重要:第一,需要合理地運用各種資源,如需要考慮所有的頻譜以及靈活的組網方式;第二,需要合理安排發展規劃。”

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