應(yīng)用于特殊場(chǎng)景的5G 關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

紀(jì)曉輝

（中國(guó)電子產(chǎn)業(yè)工程有限公司，北京 100036）

0 引 言

5G 具有高速率、低時(shí)延、大連接等技術(shù)特性，已在不同公眾應(yīng)用場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用，并逐步向垂直行業(yè)應(yīng)用側(cè)重發(fā)力，其中特種通信行業(yè)需求尤為突出，特別是面對(duì)突發(fā)緊急事件及特定需求場(chǎng)景，需要快速建立彈性抗毀以及適應(yīng)性強(qiáng)的通信網(wǎng)絡(luò)。與公網(wǎng)5G 技術(shù)不同，面向特種通信專網(wǎng)應(yīng)用的5G 技術(shù)需要具備網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥赃m應(yīng)、接入回傳一體化、脫網(wǎng)直通、覆蓋增強(qiáng)以及高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下抗多普勒頻偏能力，本文將重點(diǎn)介紹適用于相關(guān)特定場(chǎng)景的5G 適應(yīng)性改進(jìn)，以期對(duì)后續(xù)5G 專用技術(shù)發(fā)展有所裨益。

1 接入回傳一體化

為了解決上述問題，5G 應(yīng)急通信專網(wǎng)設(shè)計(jì)中引入了3GPP R16（https://max.book118.com/html/2020/0526/5300121210002300.shtm）中的接入回傳一體化技術(shù)，其中采用了無線回傳技術(shù)。該技術(shù)使用時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）動(dòng)態(tài)資源復(fù)用技術(shù)，主要通過時(shí)隙配置調(diào)整，實(shí)現(xiàn)接入與回傳資源的動(dòng)態(tài)分配，不需要光纖即可將基站數(shù)據(jù)回傳核心網(wǎng)。

R17 針對(duì)R16 中的不足，引入了頻分復(fù)用方式、空分復(fù)用方式，同時(shí)增強(qiáng)集成接入回程（Integrated Access Backhaul，IAB）的穩(wěn)健性、負(fù)載平衡度、頻譜效率、多跳延遲和端到端等性能[1]。但由于R16和R17 只支持固定IAB 節(jié)點(diǎn)，因此R18 增加了支持移動(dòng)IAB 節(jié)點(diǎn)的功能。

本節(jié)中主要針對(duì)R16 中的IAB 技術(shù)進(jìn)行介紹，包含IAB 技術(shù)的部分基礎(chǔ)名詞、IAB 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、IAB 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及管理。從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)看，IAB 節(jié)點(diǎn)可以通過獨(dú)立組網(wǎng)的方式接入網(wǎng)絡(luò)，如圖1 所示。圖1中IAB-donor 支持無線接入和有線回傳，相當(dāng)于支持IAB-node 節(jié)點(diǎn)接入的傳統(tǒng)基站。通過無線鏈路獲取IAB-node 的回傳數(shù)據(jù)，通過有線鏈路將數(shù)據(jù)回傳給核心網(wǎng)[2]。IAB-node 代表支持無線接入回傳的站點(diǎn)，由IAB-MT 和IAB-DU 組成，IAB-MT 具有類似終端的功能，可與IAB-donor 或IAB-node 父節(jié)點(diǎn)交互；IABDU 具有類似基站的功能，可與UE 或IAB-node 子節(jié)點(diǎn)交互。因?yàn)镮AB-node 兼具終端和基站的功能，所以IAB-node可通過一跳或多跳傳輸數(shù)據(jù)。UE為終端用戶，可通過IAB-node 實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)回傳輸給IAB-donor。

圖1 IAB 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

下面介紹節(jié)點(diǎn)間的接口連接關(guān)系，IAB-MT 與IAB 父節(jié)點(diǎn)之間通過NR Uu 接口連接，IAB-DU 與IAB-donor-CU 之間通過F1-C 接口連接，gNB 與IAB-donor-CU 之間通過Xn 接口連接，IAB donor 和IAB 之間通過NR 接口傳輸用戶面數(shù)據(jù)。

此外，在R16 中規(guī)范了IAB 節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分為2 種結(jié)構(gòu)，如圖2 所示[3]。一是，拓展樹，每個(gè)IAB-node 僅有一條無線鏈路能夠回傳數(shù)據(jù)到IABdonor；二是，有向非循環(huán)圖，每個(gè)IAB-node 有不止一條無線鏈路能夠回傳數(shù)據(jù)到IAB-donor。有向非循環(huán)圖結(jié)構(gòu)通過增加冗余節(jié)點(diǎn)，增加鏈路傳輸?shù)目煽啃裕_(dá)到鏈路間的負(fù)載均衡。

圖2 IAB 節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

IAB 的拓?fù)涔芾矸譃楣?jié)點(diǎn)啟動(dòng)、節(jié)點(diǎn)遷移以及節(jié)點(diǎn)重建3 種[4]。節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)是指當(dāng)新的IAB 節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，IAB-MT 接入網(wǎng)絡(luò)并獲得IAB 相關(guān)配置信息，啟動(dòng)部分IAB-DU 功能為UE 及子IAB-MT 提供服務(wù)的過程；節(jié)點(diǎn)遷移是為避免回傳鏈路可能受到鏈路或本地阻塞的影響，固定的IAB 節(jié)點(diǎn)可以選擇更合適的節(jié)點(diǎn)接入或切換，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖赃m應(yīng)調(diào)整；節(jié)點(diǎn)重建是回傳鏈路發(fā)生失敗后，IAB 節(jié)點(diǎn)會(huì)嘗試接入新的父節(jié)點(diǎn)以重建無線鏈路，從而恢復(fù)與網(wǎng)絡(luò)正常通信的過程。

2 低功耗節(jié)能通信

在人跡罕至的孤島及山區(qū)等偏遠(yuǎn)地區(qū)，往往存在因基礎(chǔ)建設(shè)不完善而導(dǎo)致的電力不足的情況，在這種特殊情況下進(jìn)行應(yīng)急通信時(shí)，對(duì)于5G 終端低功耗和節(jié)能指標(biāo)的要求很高。而當(dāng)前普遍使用的5G 終端的成本和功耗過高，為滿足應(yīng)急通信的要求，5G專網(wǎng)設(shè)計(jì)中引入了降低能力（Reduced Capability，RedCap）技術(shù)。

從技術(shù)體系方面看，在5G 承載體系中，5G NR能力最高，可滿足100 Mb/s 以上超高速率需求的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，5G NB-IoT 作為低功耗廣域（Low Power Wide Area，LPWA）技術(shù)，面向低速率、小包物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)而設(shè)計(jì)，主要承載100 kb/s 速率以下的低速物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，提供低速大規(guī)模機(jī)器通信（massive Machine Type Communication，mMTC） 能力。RedCap R17 版本可承載高速率的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，通過將最大傳輸帶寬縮減至20 MHz，裁剪收發(fā)天線數(shù)目（最低1T1R）、降低上下行最大調(diào)制階數(shù)（如64QAM），有效降低了終端復(fù)雜度（復(fù)雜度相比傳統(tǒng)eMBB 終端降低約60%），未來RedCap R18 版本將進(jìn)一步擴(kuò)展支持中速率物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。由此可見，RedCap 技術(shù)補(bǔ)齊了5G中高速大連接能力，使5G 面向各類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求形成了具備低、中、高以及超高分檔分級(jí)能力的完備技術(shù)承載體系。

RedCap 作為5G 輕量級(jí)終端，其獨(dú)特性在于以下幾個(gè)方面：首先，相較于傳統(tǒng)5G 終端，RedCap終端剪裁后的終端復(fù)雜度可降低約60%；其次，RedCap 的各項(xiàng)能力特性確保了其可基于5G 現(xiàn)網(wǎng)平滑升級(jí)引入，包括高效接入特性和功耗優(yōu)化特性；最后，RedCap 延續(xù)了5G NR 的各類優(yōu)秀特性，如大帶寬、低時(shí)延、高可靠性、業(yè)務(wù)保障、數(shù)據(jù)不出廠、低功耗以及強(qiáng)覆蓋等諸多優(yōu)勢(shì)，可針對(duì)不同5G 應(yīng)用場(chǎng)景按需引入，有效滿足業(yè)務(wù)需求。

RedCap 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)程如圖3 所示。3GPP R17 RedCap SI 階段（2020.6—2020.12），輸出研究報(bào)告3GPP TR 38.875，內(nèi)容主要包括終端復(fù)雜度降低及成本評(píng)估、對(duì)覆蓋的影響、能耗分析評(píng)估等，并為后續(xù)WI 階段開展標(biāo)準(zhǔn)化提出各項(xiàng)建議。3GPP R17 RedCap WI 階段（2020.12—2022 Q2），標(biāo)準(zhǔn)化工作主要涵蓋終端復(fù)雜度降低、駐留與接入控制、移動(dòng)性、終端識(shí)別、寬帶部分（Band Width Part，BWP）配置以及功耗等內(nèi)容。3GPP R17 RedCap 標(biāo)準(zhǔn)框架已經(jīng)接近尾聲。從2021 年12 月開始，3GPP R18 RedCap 標(biāo)準(zhǔn)化已正式提上日程。3GPP 已經(jīng)明確在R18 中會(huì)針對(duì)RedCap 進(jìn)一步演進(jìn)，目標(biāo)對(duì)標(biāo)Cat 1/1bis，進(jìn)一步降低終端復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)RedCap 終端復(fù)雜度極致化。標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)2024 年Q1 結(jié)項(xiàng)。

圖3 RedCap 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

3 高動(dòng)態(tài)條件下的抗多普勒頻偏

在涉及到飛行器等搭載終端超高速移動(dòng)的場(chǎng)景下，會(huì)產(chǎn)生較大的多普勒頻偏，嚴(yán)重影響通信效率。因此，為保障高速場(chǎng)景下的終端通信，需要進(jìn)行的頻偏糾正。

根據(jù)已經(jīng)進(jìn)行的技術(shù)研究和經(jīng)驗(yàn)，終端側(cè)的多普勒頻偏估計(jì)與補(bǔ)償總體分為3 個(gè)步驟，即初始頻偏估計(jì)、頻偏跟蹤以及頻偏補(bǔ)償，總體流程如圖4所示，首先初始頻偏估計(jì)，其次利用追蹤參考信號(hào)（Tracking Refernece Signal，TRS）跟蹤和維護(hù)飛行過程中的頻偏，最后在上行發(fā)送和下行接收中進(jìn)行頻偏補(bǔ)償和校正[5]。

圖4 終端側(cè)多普勒頻偏的估計(jì)和補(bǔ)償流程

初始頻偏估計(jì)是基于主同步信號(hào)（Primary Synchronization Signal，PSS）和輔同步信號(hào)（Secondary Synchronization Signal，SSS）進(jìn)行時(shí)域頻偏估計(jì)與頻域頻偏估計(jì)的方法。通過初始頻偏估計(jì)，可以獲得當(dāng)前頻偏的基本情況。因終端飛行速度和方向的改變，多普勒頻偏隨著時(shí)間的變化速度較快，需要進(jìn)行頻偏的跟蹤。

頻偏的補(bǔ)償分為上行發(fā)送的預(yù)補(bǔ)償和下行接收信號(hào)頻偏補(bǔ)償[6]。上行發(fā)射時(shí)將下行估計(jì)值取反后進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，從而使得基站側(cè)接收到基本無頻偏的上行接收數(shù)據(jù)。下行接收信號(hào)的頻偏補(bǔ)償，有效提高下行數(shù)據(jù)解調(diào)性能。

4 結(jié) 論

在5G 特殊應(yīng)用場(chǎng)景下，遠(yuǎn)距離覆蓋增強(qiáng)和抗多普勒頻偏技術(shù)的引入，使得無線通信系統(tǒng)在廣域覆蓋及高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中的通信效果得到顯著提升；接入回傳一體化技術(shù)可以增強(qiáng)5G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力；終端直通的引入可以提高頻譜效率和系統(tǒng)容量，有效降低終端設(shè)備能耗和通信時(shí)延。