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时间:  2020-10-29 13:57
作者: mrfen     标题: 【5G新标准——解读R16,展望R17】概述篇

【5G新标准——解读R16,展望R17】概述篇

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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:
● 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,最终版本已于2020年7月3日正式冻结,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。
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。
基于R15架构和技术的R16/R17主要功能及技术方向
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
R17
· 时间敏感网络
· 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

其他垂直应用
R16
· 车辆通信V2X
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

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
R17
· 网络切片增强
· 网络自动化增强
· 频谱扩展到71GHz
· 覆盖增强

eMBB设备增强
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

基于R15架构和技术, R16/R17版本标准支持的主要功能及技术方向,包括工业物联网、其他垂直行业应用、网络部署及自动化、以及eMBB设备增强等几个方面。




时间:  2020-10-29 14:17
作者: mrfen

【5G新标准——解读R16,展望R17】工业物联网篇
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1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。


『图1 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,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、可穿戴设备等场景。




『图2 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定位技术又不够精准。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3(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3(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。


『图3 E-CID/ multi-RTT定位示意图』
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4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。




『图4 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。




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