5G R16 标准冻结，究竟讲了些什么？
发布时间：2020-07-06 12:29:04
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
本文来自【Qorvo半导体】公众号
7月3日，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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5G手机天线性能提升的关键在于适应不同通信场景。在密集城区，采用大规模天线技术如Massive MIMO 3D赋形天线，增强覆盖和容量。一般城区和乡镇农村则采用多波束或普通天线，平衡成本与覆盖。移动场景下，需考虑移动性、信号衰减等因素。此外，随着物联网应用普及，天线还需支持设备间通信。优化天线布局、采用多天线技术、智能切换天线、选用优质材料以及优化信号处理算法，都能提升天线性能。协同设计与优化手机各部分，确保整体通信性能最佳。
5G手机天线作为无线通信的关键组件，基于电磁场原理实现电磁波的辐射和接收。在5G网络中，天线需支持高频段和复杂协议，实现高速低延迟的数据传输。其多频段支持满足全球通信需求，MIMO技术增强信号收发能力。然而，5G天线对金属敏感，需特殊设计和布局。其安装位置要求规则，避免遮挡，确保通信稳定性。随着技术发展，5G手机天线设计更紧凑轻便，性能更稳定。
在无线通信领域中，天线、功率放大器（PA）、印刷电路板（PCB）、天线振子、滤波器和连接器是构成无线通信系统的基础组件。它们各自在系统中扮演着不可或缺的角色，共同实现信号的传输、处理与连接。
随着无线通信技术的迅猛发展，频谱资源作为无线通信的基础，其分配与规划对于各国运营商而言至关重要。特别是在5G时代，高频谱资源的有效利用和分配成为各国政府和运营商关注的焦点。
在无线通信技术持续发展的当下，5G技术的研究和应用成为了业界的热点和前沿。其中，波形设计作为5G技术的重要组成部分，不仅关系到系统性能的提升，更对频谱利用率的优化和抗干扰能力的增强起到了决定性的作用。
