5G-NR蜂窩系統功能演進趨勢分析

楊 立

(中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057)

0 引言

地面蜂窩移動通信系統已進入到5G時代，超級智能化數字管道和萬物互聯互通已不再遙不可及。5G-NR(New Radio,NR)蜂窩系統憑借一系列成熟的先進技術的引入以及廣泛成功的標準化推動，已成為當今人類最強大的移動通信基礎設施和各個產業升級的助推使能器。第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project，3GPP)是研究制定5G-NR標準規范的唯一國際標準組織，它于2016年開啟了面向5G-NR Rel-15初始版本的基本系統功能研究制定[1-2]。3GPP從RAN#84全會開始，面向5G-NR Rel-17潛在系統功能的開發，展開了全面深入的研討，繼而在RAN#86全會上確定了Rel-17版本的首批次新立項WID/SID。作為Rel-15/16版本系統功能的延續，Rel-17新立項相關的特征功能已呈現出一些新的演進趨勢特點，本文將在這方面做出歸類分析和闡述，并預測其后續發展。

1 移動通信生態圈三大陣營

蜂窩移動通信產業生態圈主要由三方陣營勢力構成：芯片終端廠商、網絡設備廠商和移動運營商[3]，如圖1所示。三方陣營勢力彼此競爭合作，在蜂窩系統功能演進方面的考慮和訴求既有相似共同點、相關契合性和重疊耦合面，又有各自不同的重點傾向性和利益立足點。因此它們在3PP標準新立項推動和牽頭方面有著不同的布局投入和關注。芯片終端廠商更多地希望提升終端UE在蜂窩系統中的功能地位和架構角色，期望網絡側能更好地去支持和配合；而網絡設備廠商更多地希望鞏固提升網絡在蜂窩系統中的功能地位和架構角色，期望終端能更好地支持配合，不被制約和限制；移動運營商主要希望不斷拓展優化各種“可盈利的”業務部署和運營成本的持續降低，因此對網絡和終端都會有新功能/新性能的期待。3GPP各個規范版本的系統功能紛繁萬千，內容涉及不同方面，但它們在技術延續性和商業邏輯層面都有一定脈絡和規律。將這些蜂窩系統特征功能進行抽象分類，有利于發現趨勢本質。為了突出呈現三方陣營勢力方各自不同的功能訴求重點，本文將從終端、網絡、運營3個不同角度，對大量的蜂窩系統新功能進行歸類分析。

圖1 蜂窩移動通信生態圈的三方陣營勢力Fig.1 Three major camps in the cellular industry ecology

2 面向終端演進趨向

如圖2所示，伴隨芯片(基帶/射頻/存儲)技術的進步提升，業務應用場景的增多和更多的頻譜資源被釋放開發，終端從自身功能演進利益出發，更多關注于更多的種類、更廣的頻點和更加的節電三大方面[4-10]。

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

5G時代會出現越來越豐富的終端類型，從極窄帶的物聯網 (Machine Type Communication，MTC)終端(吞吐速度xbit/s量級，電池電量可持續幾年)到超寬帶的超級用戶終端，例如：家庭網關CPE，總吞吐速度可達100 Gbit/s，固定插電。針對不同類型終端及其相關業務的特點，網絡側可做差異化/精細化處理。業界通常把終端歸類為三大擋：High-tier，Mid-tier，Low-tier。High-tier終端以智能手機/平板/車輛等eMBB應用主體為代表；Low-tier以物聯網低端終端mMTC應用主體為代表；而Mid-tier則以工業物聯網無線傳感終端和各種可穿戴類終端為典型代表。Rel-17 NR-Lite新立項旨在優化Mid-tier類終端的業務用例。Mid-tier類終端的數據吞吐率大約在10 Mbit/s，它們配置的天線數和RF Chain較少，最大發射功率較小，工作帶寬更窄，基帶處理能力較弱，續電能力更弱，因此它們的綜合實現復雜度和成本更低。Mid-tier類終端最終將會以新終端種類UE category的形式被規范體現，網絡針對Mid-tier類型，會有更優化的處理機制和策略。

蜂窩通信必須基于特定的工作頻點和帶寬，為了進一步增強系統容量和數據吞吐率，5G-NR一直在朝著更高的工作頻點和更大帶寬而努力。除了6～52.6 GHz常規高頻，面向更高頻段的52.6～114.25 GHz，Rel-17需設計出改良的毫米波波形和增強的傳輸魯棒機制，以對抗更強烈的多徑路損和遮擋效應。此外，高頻段還具有更大量的非授權載波資源，更高效地利用這些非授權載波資源，可進一步促進向“全頻譜”的愿景目標前進，同時還可以進一步收斂統一全球的無線制式應用。

面向未來不同硬件條件的終端能夠插多SIM卡協同工作，Rel-17需優化多個SIM卡之間的各種沖突操作，以提升網絡資源的使用效率(例如：尋呼Paging資源)和提升用戶“多卡多待”的感受。此外，終端節電還需要進一步增強，Rel-17將支持物理層和高層聯合協作更動態的數據傳輸和測量監聽機制。

3 面向網絡演進趨向

如圖3所示，伴隨著芯片(基帶/射頻/存儲)和光纖技術的進步提升、業務應用場景的增多和更多的頻譜資源被釋放開發，網絡從自身的功能演進利益出發，更加地關注于更多的功能、更強的異構以及更好的效率三大方面[4-10]。

圖3 網絡功能演進的三大方面Fig.3 Three major aspects of function evolution for Network

除了Rel-15/16已經實現的單播技術之外，多播廣播技術也需引入5G-NR，以高效服務于更多的廣播類商業應用場景，重點面向小區域。Rel-17多播廣播機制能極大地重用過去單播傳輸和流程的基本設計，并能靈活適配各種不同服務質量 (Quality of Service，QoS)多播廣播業務的需求，且要實現該功能部署代價的最小化。因此，Rel-17多播廣播機制的設計參考基線和過去4G時代的Rel-9 MBMS設計方案不同。

面向深度室內環境和偏遠地區，Rel-17要實現網絡覆蓋的進一步增強，特別是上行覆蓋。在FR1頻段，隨著2/3/4G工作頻點未來逐步向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，需要進一步加強對不同場景下的目標高頻信道模型的研究，進一步優化相關導頻信號以及物理層控制/數據信道的設計，以更好適配真實的高頻信道環境。從未來運營商部署的角度看，很可能將實現不同頻段和載波的分層化部署，不同類型的業務應用將會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發增強之后，業界開始對Sidelink進一步增強。Sidelink是終端之間直傳技術(Device to Device,D2D)引入的新接口通道，它支持數據直傳(Direct Communication)以及設備靠近發現(Proximity Discovery )等基本功能。過去Sidelink在商業方面應用很少，由于它對網絡依賴小且能減少傳輸延時，因此早期只在車聯網、公共安全、應急通信等特殊領域有應用。未來，業界希望進一步拓展Sidelink在可盈利商業方面的應用(但傳統運營商并不喜歡)。當FR2上部署的基站前端進一步縮小，逐漸逼近終端尺寸時，基站和終端的邊界將變得模糊，終端可通過Sidelink鏈路為基站提供覆蓋的增強，進而輔助其他處于弱覆蓋區域的終端。過去面向非商業應用的Sidelink不能支持高速數據傳輸，例如：不支持載波聚合或高階MIMO/256QAM調制解調或波束賦形等。但隨著Sidelink的商業應用深入，數據直傳能力將會進一步增強，并能進一步提升網絡和終端的能效(Energy Efficiency)。除了數據直傳，相鄰終端之間的靠近發現能力和效率也將會進一步增強，實現跨載波和跨RAT制式的彼此快速探測發現。隨著相鄰終端之間Sidelink技術的完善，多個相鄰終端還可形成“組聯合通信模式(Group Communication)”，這在有網絡覆蓋的可穿戴設備群和家電群場景下有應用可能。

5G時代會出現越來越多的小數據類業務應用，這類業務不同于物聯網mMTC低端終端產生的微量數據，但又比eMBB類業務的數據量少很多。由于連接態會導致較多的終端功耗和無線鏈路RL維持信令，因此Rel-17 Small Data新立項旨在面向RRC_INACTIVE，甚至在RRC_IDLE實現上下行數據的快速傳輸。該技術思路很像3G中的Cell_FACH狀態，終端上行利用網絡預配置的公共資源進行上行數據傳輸，而下行可利用尋呼類公共資源進行下行數據傳輸。此外，該技術和Rel-16 NR所支持的2/4 step RACH技術也密切相關。小數據包傳輸(Small Data)技術旨在面向高低頻全頻段(包括授權和非授權載波)部署應用，但在Idle態傳輸需解決數據安全性保護問題，這方面可借鑒已標準化的窄帶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：支持基站節能、公共信道開銷縮減)，基帶處理效率和終端移動性管理等方面，還需進一步增強以獲得更好的效率。

4 面向運營演進趨向

如圖4所示，伴隨著芯片(基帶/射頻/存儲)終端和光纖技術的進步提升、業務應用場景的增多和網絡運維技術增強，移動運營商從自身的功能演進利益出發，更加關注于更多的業務、更強的智能以及更低的成本三大方面[4-10]。

圖4 運營功能演進的三大方面Fig.4 Three major aspects of function evolution for mobile operator

除了車聯網之外，工業互聯網被視為5G-NR在垂直行業拓展應用的另外一個重要領域。面向工業互聯網的各類新型應用，進一步優化設計更能適配智能工廠不同環境的物理層方案，例如：優化幀結構和Numerology等，尋求更好的定位精度和通信節點間同步能力。隨著5G-NR未來向更多的垂直行業領域進軍，運營商希望能進一步強化私網(Non Public Network，NPN)和網絡RAN切片功能。NPN面向垂直用戶提供更好的通信私密性和定制化服務，要能支持和PLMN公網之間的無縫移動性和協作。RAN切片面向不同業務類型提供更好的差異化處理，終端能更早地感知業務切片所在的目標服務小區。面向低空無人機UAV，高空飛機ATG和高鐵用戶等特殊類終端，5G-NR網絡還需進一步優化改造，以適應這些終端的移動和業務特點。此外，面向各個頻段免費的非授權載波資源，運營商也希望做進一步的優化利用，以用更低成本去提升系統容量和更廉價方式提供承載業務。

Rel-17 SON/MDT新立項將進一步實現之前Rel-16未完成的網絡自組織和自優化功能。基于RAN中心相關數據收集利用(RAN Centric Data Collection and Utilization)技術，運營商希望能結合NR各種新部署應用場景和后期更新功能的引入，進一步增強RAN側智能性和人工智能技術 (Artificial Intelligence，AI)的應用，例如：優化Massive MIMO信道和天線利用、多波束Beam管理優化、邊緣計算優化、針對非授權載波管理以及Sidelink性能監測等。隨著Rel-17 IAB(Integrated Access Backhaul)集成式前傳回程技術的繼續增強，運營商希望能夠支持Mobile IAB node部署和更多的回程中間路徑選擇或備份，以對抗傳輸遮擋Blockage，從而實現更靈活魯棒的鏈路部署。

面向終端用戶各類業務的用戶通信體驗(Quality of Experience，QoE)，5G-NR網絡需定義相關的QoE測量屬性、評估和上報機制，以實時撲捉用戶體驗方面的問題，提供RAN側快速動態的調整方案。基于AI和大數據技術，NR網絡能更好地預測用戶的業務行為和移動性特征等，以做好UE Specific Policy的應用。

5 結束語

隨著5G-NR蜂窩移動通信系統未來廣泛深入的部署和應用，在終端、網絡和運營三大維度，將平滑地演進到B5G(Beyond 5G)階段(預計在Rel-18或Rel-19)。B5G時代終端的類型將會更加豐富，且面向各個不同的行業領域做更深入的終端定制化設計。B5G終端將進一步支持在高頻毫米波小小區上的獨立駐留和業務承載能力，且實現更大帶寬資源的聚合和更靈活的移動性管理，與此同時B5G終端的節電能力還將進一步增強。B5G時代網絡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功能，且在業務數據的傳輸承載效率上進一步優化提升。B5G時代將基本實現面向眾多垂直行業的“全業務”“全覆蓋”愿景，包括融合了衛星通信覆蓋和深度室內覆蓋等。移動運營商將進一步強化大數據和AI在網絡部署規劃優化、業務策略精細制定、用戶服務體驗管理等方面的應用，使網絡運維成本進一步降低，用戶獲得更好的通信體驗。B5G還會將高品質光纖承載和無線接入更大規模地結合在一起，從而極大提升網絡容量和蜂窩小區彈性變形的部署。綜上，B5G將為6G起到承前啟后的作用，在網絡部署方式、系統功能集合、業務性能等方面提供豐富完備的基線參考。