5G R16 标准冻结,究竟讲了些什么?

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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。 
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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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