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5G2020年7月紫光展锐撰写5G新标准专业解读与展望目录 5G标准持续演进概述 . 1 3GPP R16/R17 5G标准 . 2 工业物联网方面 . 2 高可靠低时延物联网通信 . 2 轻型化工业设备 . 3 高精度定位 . 3 小数据包传输 . 4 增强移动宽带方面 . 4 终端节能 . 4 多天线技术增强 . 5 多卡操作 . 5 其他垂直行业方面 . 6 终端直连通信 . 6 非陆地网络 . 6 非公共网络 . 7 网络部署及自动化方面 . 7 网络切片 . 7 网络自动化 . 8 极高频段通信 . 8 覆盖增强 . 8 其他 . 9 1 5G是下一轮信息科技革命的制高点，其目标致力于实现万物互联，做到“信息随心至，万物触手及”。它将影响到各行各业，极大改变人们的生产生活方式甚至人们的思维方式。5G技术设计高度灵活，KPI指标众多，支持的业务从传统的移动宽带业务逐步扩展到工业互联网、智能家居、应急通信、车联网、卫星通信等多个领域。 在2016年R14阶段，开始启动5G需求和技术方案的研究工作，确定5G三大应用场景，包括：增强移动宽带（eMBB, Enhanced Mobile Broadband），大规模机器类通信（mMTC，Massive Machine Type Communication），低时延高可靠通信（URLLC, Ultra-reliable and Low Latency Communication）。 5G标准持续演进概述 5G技术的标准化工作主要通过国际标准化组织3GPP开展，包括RAN工作组和SA工作组。截止目前，5G技术标准涵盖R15（3GPP Release 15）、R16（3GPP Release 16）、R17（3GPP Release 17）三个版本。5G标准不需考虑与4G的后向兼容，但需定义新的空口技术以满足5G三类场景下的多种业务需求，与此同时，5G不同版本的标准设计需要满足前后向兼容的特性。 5G标准演进，包括版本演进和应用演进如图1所示： 5G标准线路图基础版：eMBB/部分URLLCR152017 2018 2019 2020 2021加强版：eMBB/垂直行业R16升级版： 5G生态系统拓展R175G NSA5G SA图1 5G标准演进示意图 2017年启动R15作为5G标准的第一个阶段，主要针对增强移动宽带场景和部分低时延高可靠场景，完成了新空口非独立组网（non stand alone, NSA）和独立组网（stand alone, SA）标准，满足市场上比较急迫的商用需求； 2018年启动R16的标准化工作，作为5G标准的第二阶段，R16在兼容R15的基础上，对增强移动宽带场景进一步增强，引入包括增强多天线传输，蜂窝定位，终端节能、双连接/载波聚合、移动性增强等技术，并针对低时延高可靠场景、面向工业互联网场景以及车联网的应用需求进行标准化设计，详细制定工业物联网架构、有线/无线聚合、非公共网络以及非授权频段等技术，功能设计于2019年底完成，最终版本将于2020年6月份完成，满足ITU IMT-2020提出的要求。 2019年12月份3GPP RAN工作组在第86次全会对5G第三个版本R17进行了规划和布局，共设立23个标准立项，全面启动R17 5G标准的设计工作。R17除了对R15/R16特定技术进行进一步增强外，将大连接低功耗海量机器类通信作为5G场景的增强方向，基于现有架构与功能从技术层面持续演进，全面支持物联网应用，预计在2021年中或年底完成。2 3GPP R16/R17 5G标准 R16 5G标准在增强型行动宽带能力和基础网络架构能力提升的同时，强化支援垂直产业应用，其涵盖载波聚合大频宽增强、提升多天线技术、终端节能、定位应用、5G车联网、低时延高可靠服务、切片安全、5G蜂窝物联网安全、uRLLC安全等议题，为5G的全面应用奠定坚实基础。 R17 5G标准目标是将大连接低功耗的海量机器类通信作5G场景一个增强方向，其涵盖多天线技术增强，高精度定位，覆盖增强，极高频段通信，小数据包传输，组播广播，终端节能，双链接增强，最小化路测，多卡操作等通用技术的增强；面向工业物联网垂直行业应用及应用增强的低复杂度低成本终端，高可靠低时延物联网通信，终端直连通信增强，低功耗广域物联网增强，网络切片及网络自动化增强，非公共网络等增强技术，以更全面支持物联网应用。 5G R16/R17技术 R17 时间敏感通信 高可靠低时延物联网通信 工业物联网低成本低功耗传感器 高精度定位 R16 车辆通信V2X R17 网络切片增强 网络自动化增强 频谱扩展到71GHz 覆盖增强工业物联网 R16: 高可靠低时延通信 时间敏感网络 非公共网络 非授权频谱网络部署及自动化 R16: 网络切片 网络自动化 接入回传一体化eMBB设备增强其他垂直应用 R17 公共安全及行人sidelink增强 多播组播 非陆地网络 非公共网络 R16： 两步随机接入 终端节能 增强多天线技术 移动性增强 双连接/载波聚合 R17：终端节能增强多天线技术再增强多SIM卡可穿戴低成本低功耗终端直连通信图2 基于R15架构和技术的R16/R17主要功能及技术方向 图2为基于R15现有架构和技术，为应对5G演进的R16/R17主要功能及技术方向，包括支持工业物联网、其他垂直行业应用、网络部署及自动化、以及eMBB设备增强等几方面，下面对这些技术进行简单介绍。 工业物联网方面 为了全面支持主要的工业物联网应用，5G技术跨越了多个3gpp版本，包括多个技术方向。 高可靠低时延物联网通信 为了使5G技术能够应用于更多的垂直行业，满足更多的垂直业务需求，3GPP R15 5G引入了URLLC超高可靠低时延通信技术，主要针对AR/VR (娱乐产业)，重点完成了新型网络架构和基础功能的标准化；R16为了支持Industrial Internet of Things (IIoT)工业物联网，针对更多的垂直行业，例如工厂自动化、传输工业、电力输送分配等，对URLLC技术进行了进一步的增强，增加了实现前所未有的可靠性，低至10-6的数据包错误率，这对于工业物联网场景是至关重要的。由此，R15和R16构建了5G网络基本的URLLC能力，让5G成为连接千行百业的基础通信平台。 为了进一步提升支持垂直行业应用的能力，3GPP R17 5G立项URLLC/IIoT，如图4所示，主要考虑在非授权频段支持增强的网络物理控制应用和视听服务产业AVSP（Audio-Visual Service Production），需要解决来自其他无线接入技术/系统的干扰以及进一步增强精确时间同步技术等问题。 3 Enternet5G图3 高可靠低时延物联网通信 轻型化工业设备 在4G，NB-IoT和eMTC针对低功耗、低成本、低速率、大连接和广覆盖的物联网应用而生。进入5G万物互联时代，对终端的时延、带宽、功耗和成本有了更高的需求。R15/R16 5G已经引入了很多新的增强技术，包括新的唤醒信号、灵活的部分带宽及资源控制等新的节能技术。与此同时，这些优势也衍生出了很多的问题，包括终端复杂度增加、覆盖损失、终端功耗增加，R17提出的NR-Light则进一步解决这些问题，以推进NR对物联网的支持。 NR-Light为轻型化NR设备，启用诸如监视之类的用例，除了一些可穿戴设备和消费物联网设备之外，相机和工业传感器还可以使用5G。与传统5G终端相比，NR-Light设备通过更窄的带宽，更低的峰值速率和更少的天线来降低设备的成本和复杂性，应用于工业物联网传感器、监控摄像头、可穿戴设备等场景。 能力(速率, 延迟, )复杂度(成本, 尺寸, )低功耗广域eMBB/URLLCLTE MTCNB-IoTNR-LighteMBBURLLCmMTCNR-Light终端：下行峰值：20150Mbps上行峰值：1050Mbps物联网/可穿戴5G场景R.15 NR 终端:下行峰值：2000Mbps上行峰值： 300600Mbps图4 5G终端（图片来自3GPP RP-191168 “ 3GPP NR Rel-17” Ericsson） 高精度定位 卫星定位在室内无法使用，LTE和WiFi定位技术又不精准。在NR R15，提供了基本的定位协议支持。在R16，进行了扩展，其利用MIMO多波束特性，定义了基于增强的小区ID定位（E-CID，如图5（a），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）等方法，还包括利用多个基站进行定位的观测到达时间差（OTDOA）、上行到达时间差（UTDOA）、基于多个往返时间测量的定位（multi-RTT）（如图5（b）所示）等室内定位技术，定位精度可达到3-10米。但这样的定位精度对于一些工业物联网应用还不够，比如室内资产追踪、AGV追踪等，为此，R17考虑进一步增强功能，把室内定位精准度提升到厘米级，大概是20-30厘米左右，这对于5G工业物联网非常重要。 AoAd = RTT/2UEPCellPCellSCell_1SCell_2d = RTT/2d = RTT/2d = RTT/2（a）E-CID定位 （b）multi-RTT定位图5 E-CID/ multi-RTT定位示意图 4 小数据包传输 智能手机和可穿戴设备会要求实时交互一些小数据，还有一些低端设备，如工业无线传感器会定期发送温度检测、压力检测等小数据。对这些应用，功耗和信令开销是非常重要的指标。所以，有必要将这些设备移动到R15 5G引入的不活跃状态。但是，R15和R16不支持终端在不活跃状态进行用户面数据传输，如图6所示，当终端需要发送或接收数据时，需要先通过随机接入过程进入连接状态才能恢复挂起的数据承载，过多的信令交互导致额外的信令开销和不必要的功耗。 eNB消息1前导码消息2RAR响应消息3RRC恢复请求消息4恢复响应上行用户面数据传输UE传统4步随机接入完成后的数据传输时间时间eNB消息A前导码&RRC恢复请求消息BRRC恢复响应上行用户面数据传输UE传统2步随机接入完成后的数据传输时间时间图6传统终端在不活跃状态下进行小数据包传输机制 R17则考虑支持在不活跃状态下就能直接进行小数据包传输，通过增强R15/R16设计的4步/2步随机接入以及基于预配置上行资源方式实现小数据包传输，最大程度地降低功耗，这对于一些工业物联网应用（比如传感器升级）非常受用。 增强移动宽带方面 终端节能 5G终端需要支持高速的数据处理和传输速度，这使得终端的能耗会进一步提升。为了保证良好的电池续航以提供优质的用户使用体验，终端节能技术成为5G标准化过程中的一个重要方向。在R16 5G标准，针对连接态终端完成了基于唤醒信号、辅小区休眠（SCell dormancy）和跨时隙调度的节能技术设计，减少了连接态终端不必要的下行信道监听。为了进一步降低终端功耗，R17 5G立项了节能增强，相比R16节能，进一步考虑通过动态信令指示来降低连接态终端不必要的下行信道监听，如图7所示。 跳过这段时间的PDCCH监听时间Rel.17信令指示跳过一段时间 PDCCH监听PDCCH监听恢复 PDCCH监听Rel.16唤醒信号指示唤醒Rel.16唤醒信号指示不唤醒.DRX On 图7 降低下行信道监听示意图 另外，对R16尚未标准化的空闲态/非激活态终端，考虑通过寻呼增强技术来降低由于接收不必要的寻呼消息，以及由于多次醒来接收SSB导致的不必要功耗，如图8所示。 寻呼消息接收Light Sleep Mi rco Slee pDeepSleep2ms 2ms 4msDeepSleep时间预热和冷却DeepSleep盲检但未收到寻呼信息，能耗浪费寻呼周期寻呼消息接收Light Sleep Mi rco Slee p2ms 2ms 4ms盲检并收到寻呼信息接收SSB图8 空闲态/非激活态终端功耗示意图 5 多天线技术增强 多天线技术是从4G就引入的一种技术，应用多天线技术能提升系统的传输速率。从R15开始，5G支持多项MIMO功能，包括引入相位噪声参考信号PTRS（phase nosie reference signal）参考信号的设计以及准共址QCL（Quasico-location），支持上下行多天线传输技术，包括波束管理（如图9（a）以及CSI获取等，这些功能有助于6 GHz以下和6 GHz以上频段的基站使用大量天线阵元。 R16在R15 MIMO技术的基础上做了增强，包括引入基于DFT压缩功能的增强型码本，支持多发送和多接收节点（TRP）传输（如图9（b），支持SCell波束故障恢复，以及基于层一信噪比的波束管理等功能，以进一步提升多用户MIMO的性能。R17则进一步进行MIMO增强，支持具有多个天线面板的设备。另外，对现网部署中识别出的问题，包括高频段的高速移动场景，需要研究减少等待时间和开销，以及支持3GHz以下频段 FDD系统的信道互易性及上行覆盖等场景的需求，从标准层面进行技术持续优化。 终端基站终端波束基站波束TRP1 TRP2下行数据下行控制（a）R15 5G MIMO波束管理示意图（b）R16 5G MIMO多TRP传输图9 多天线技术 多卡操作 基于多种需求，比如私人生活和公务分离，或者经常出差于另一城市，或者语音和数据使用不同的卡，多SIM卡手机正在变得越来越流行。事实上，R15/R16并没有相关协议支持双卡手机，各厂商有各自的方案，如下图10所示，有些可以支持双待双通，有些只能双待单通。这带来了很多的问题，比如因两路相互干扰导致性能下降、发射功率过高、网络接通率下降、只支持单通手机无法选择接听来自另一张卡的更为紧急的电话等问题。 考虑到多卡手机的需求已经大量存在，为了使消费者获得更好的服务， R17 5G立项的Multi-SIM，要求够从网络协议层面去提供支持多SIM卡手机，例如通过对寻呼进行增强，网络端将错开两路寻呼的发生时间解决接收寻呼冲突问题，通过寻呼指示业务信息，使终端和网络双方无缝配合保证通信数据不会丢失。这是3GPP首次研究支持双SIM卡或多SIM卡的Multi-SIM设备，3GPP将致力于改进Multi-SIM技术，比如一部手机支持多张SIM卡、支持不同的网络时可互不影响。 中国移动中国电信图10 多卡终端通信 6 其他垂直行业方面 终端直连通信 对于5G时代，终端规模的普及是关键。自4G以来，3GPP一直在发展直连链路（sidelink, SL）用于满足各种不同用例需求的终端与终端之间的通信。进入5G时代，R15又将V2X技术扩展支持5G，即NR V2X。NR V2X可提供更好的车联网服务，支持车辆与车辆、车辆与路边单元等其他设备之间直接通信。R16 5G 终端直连通信则主要针对车联网业务，且在满足性能指标时可应用于公共安全。R17需要在R16的基础上考虑在节能及高可靠低时延方面做进一步增强，将直接通信的应用场景从V2X扩展到公共安全、紧急服务，乃至手机与手机之间，与行人UE之间直接通信应用。 另外，由于高频的引入和小型基站的广泛部署，R17 5G还决定在R16引入的直连链路技术的基础上，通过支持在基站和终端之间，以及终端和终端之间部署中继，如图11所示，分别实现对基站和终端之间的，以及终端和终端之间的数据的转发，从而实现覆盖扩展和信号衰减补偿。 终端终端基站中继中继终端图11 R17中继部署场景：基站和终端/终端和终端 非陆地网络 5G的梦想是万物互联，实现全连接、全覆盖。但要实现这个梦想太难，运营商需建很多基站，尤其是偏远山区，建站成本太高，而且对于海上行驶的船只、空中飞翔的飞机，也很难建站保证覆盖。非陆地网络（NTN）对于补充地面网络的覆盖范围非常重要。目前NB-IOT和eMTC提供了非常好的物联网通信支撑，但是在海运、荒野交通、能源采集、农业、环境保护等方面，无法建基站或者建网和维护都很不方便，通过卫星支持是最佳选择。R16已经研究5G NR与非地面网络的融合，如图12所示，与卫星网络融合打造立体式的广覆盖。为进一步支持更大的传播范围和非地面延迟的挑战，R17将进一步研究NB-IoT/eMTC与非地面网络融合，以支持位于偏远山区的农业、矿业、林业，以及海洋运输等垂直行业的物联网应用。另外，R17还将进一步研究增强移动宽带网络与非地面网络融合，主要支持的场景将选择地球同步轨道（GEO，Geostationary Earth Orbiting）和低地球轨道（LEO，Low Earth Orbiting）、UE具有自身定位功能、地面锚定路由区，针对卫星波束地面高速移动、卫星高度带来的传播时延、卫星跟地面站连接切换等问题提供解决方案。 石油勘探智慧物流海洋活动野生动物保护飞机无人机卫星星座服务领域图12 5G NR与卫星网络融合组网 7 非公共网络 与公共网络不同，非公共网络（Non -Public Network， NPN）只为特定用户提供服务，实现端到端的资源隔离，为垂直行业提供专属网络接入网络，保障垂直行业客户资源独享，同时，NPN可以为垂直局域网提供支持，满足一些企业、工厂、学校等对于可靠且稳定的私有网络的需求。NPN主要包含如下两种类型：（1）独立组网的非公共网络（Standalone NPN， SNPN），该类NPN不依赖于PLMN网络，由SNPN运营商独立运营；（2）公共网络集成的非公共网络（Public Network Integrated NPN, PNI-NPN），该类NPN依赖于PLMN网络，由传统PLMN运营商运营，此时NPN由PLMN承载或者作为PLMN的切片。 对于SNPN，即使与PLMN覆盖在相同的地理区域，部分终端也只能访问企业等私有的NPN，部分得到授权的终端可以同时访问NPN和被允许的PLMN，网络示意图如图13所示： NPN接入网终端NPN核心网PLMN核心网数据网络数据网络图13 非公共网络架构示意图 在R17中，3GPP主要研究如何支持NPN用户配置入网和服务开通，及其他增强性研究，以便支持一些新的应用场景。此外，对于SNPN，由于是独立组网，还需要研究如何支持IMS紧急服务等。 网络部署及自动化方面 网络部署及自动化主要包括启用新的部署功能或提供相关功能，减少运行5G系统的运营费用的手段。 网络切片 目前，制造、运输和医疗等垂直行业对通信吞吐量，延迟和可靠性等性能要求存在差异，同时满足差异化的性能需求，对5G网络结构设计提出挑战。R15中网络切片的工作推动网络结构朝灵活性和可伸缩性方向发展，一定程度解决上述诉求。但在5G中，运营商倾向在不同的频谱部署不同服务，带来切片接入和服务连续性问题。终端无线切片接入场景如图14所示。在R17，以中国移动为代表的运营商希望增强对网络切片的RAN侧支持，如考虑增强终端快速接入目标切片的能力；增强随机接入配置和接入禁止机制，提高终端对切片信息的感知能力；以及研究切片的重映射，回退和数据转发等机制，解决切换过程中切片服务连续性问题使网络切片更好地支持应用提供商的业务。 2.6GHz BSVoice and eMBB service4.9GHz BSURLLC service4.9GHz BSURLLC service4.9GHz BSURLLC service图14 终端无线切片接入 （图片来自3GPP RP-191778“ Email discussion for R17 proposals on slicing” CMCC） 8 网络自动化 3GPP R15和R16 5G规定了支持数据收集和向数据消费者（网络功能）提供分析报告的网络架构和流程，如图15所示，定义对现有NWDAF（网络数据分析功能）提供服务的扩展，以支持所需的分析，例如QoS（服务质量）配置文件提供、流量路由、Slice SLA（切片业务层协议）、性能改进和大量物联网终端的监管，支持北向网络状态暴露和定制化移动管理。 为了改进R15和R16中发起的与NWDAF相关的工作，进一步研究利用5GC信息公开和网络数据分析支持网络自动化的解决方案，3GPP R17 5G将继续研究eNA（Enablers for Network Automation for 5G，5G网络自动化使能器），项目旨在进一步研究基于R15和R16中规定的NWDAF的系统增强，如支持5GC NFs（核心网功能）的数据分析功能，允许5GS支持网络自动化。 数据存储数据访问NWDAF网管活动数据和本地分析结果的输入网络功能应用功能应用功能网络分析结果输出图15 5G网络自动化基本框架 （图片来自移动通信2019年第6期，人工智能在5G网络的应用和标准化进展） 极高频段通信 频谱可用性是无线通信系统的关键指标之一。在NR R15和R16中，针对常规蜂窝网络中运行的频谱，频率范围1（FR1），以及毫米波频谱高达52.6 GHz（FR2）进行了相关设计。而在极高频段（Extremely High Frequency, EHF）中大量可用的频谱对于提高3GPP无线通信系统的数据速率和容量具有极大的吸引力，如图16所示，其中52.6GHz和71GHz之间的频率因其接近52.6GHz以下频率而尤其令人感兴趣。 FR1 (410MHz 7.1GHz)FR2(24-52GHz)R17: 52-71GHz1G 10G 100GmmWave spectrum图16 5G频谱 R17 5G则在对极高频谱52.6-71GHz将继续沿着优化方向进行增强，其中之一就是引入一种或者几种更大的子载波间隔，更好对抗相位噪声和载波频率偏移，但大的子载波间隔对终端侧的处理能力有更高的要求。另外，在52.6-71GHz 频段内57-67GHz属于非授权频谱，R16非授权频段的重点是在5GHZ和6GHZ频段，支持两种模式，授权频谱辅助接入NR-U和独立NR-U。针对52.6GHz和71GHz之间的非授权频谱，R17将引入定向通话前监听（LBT，Listen Before Talk）技术，以降低站点之间的干扰，增加信道接入机会。 覆盖增强 一般运营商都很看重蜂窝小区网络的覆盖能力，因为其是与运营商的运营支出直接相关联的一个参数。相比于4G，5G可以运行在低频段以及高频段频带上。其中，很多国家希望利用低频段频带上的3.5GHz，同时高频段频带上的28GHz以及39GHz也是热门频段，但是频点高就会伴随有较高的路径损耗问题。 在4G中，NB-IoT/eMTC增强了覆盖能力，可以提升蜂窝物联网的覆盖范围。但是，针对5G网络的覆