5G-NR蜂窝系统功能演进趋势分析

杨 立

(中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057)

0 引言

地面蜂窝移动通信系统已进入到5G时代，超级智能化数字管道和万物互联互通已不再遥不可及。5G-NR(New Radio,NR)蜂窝系统凭借一系列成熟的先进技术的引入以及广泛成功的标准化推动，已成为当今人类最强大的移动通信基础设施和各个产业升级的助推使能器。第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，3GPP)是研究制定5G-NR标准规范的唯一国际标准组织，它于2016年开启了面向5G-NR Rel-15初始版本的基本系统功能研究制定[1-2]。3GPP从RAN#84全会开始，面向5G-NR Rel-17潜在系统功能的开发，展开了全面深入的研讨，继而在RAN#86全会上确定了Rel-17版本的首批次新立项WID/SID。作为Rel-15/16版本系统功能的延续，Rel-17新立项相关的特征功能已呈现出一些新的演进趋势特点，本文将在这方面做出归类分析和阐述，并预测其后续发展。

1 移动通信生态圈三大阵营

蜂窝移动通信产业生态圈主要由三方阵营势力构成：芯片终端厂商、网络设备厂商和移动运营商[3]，如图1所示。三方阵营势力彼此竞争合作，在蜂窝系统功能演进方面的考虑和诉求既有相似共同点、相关契合性和重叠耦合面，又有各自不同的重点倾向性和利益立足点。因此它们在3PP标准新立项推动和牵头方面有着不同的布局投入和关注。芯片终端厂商更多地希望提升终端UE在蜂窝系统中的功能地位和架构角色，期望网络侧能更好地去支持和配合；而网络设备厂商更多地希望巩固提升网络在蜂窝系统中的功能地位和架构角色，期望终端能更好地支持配合，不被制约和限制；移动运营商主要希望不断拓展优化各种“可盈利的”业务部署和运营成本的持续降低，因此对网络和终端都会有新功能/新性能的期待。3GPP各个规范版本的系统功能纷繁万千，内容涉及不同方面，但它们在技术延续性和商业逻辑层面都有一定脉络和规律。将这些蜂窝系统特征功能进行抽象分类，有利于发现趋势本质。为了突出呈现三方阵营势力方各自不同的功能诉求重点，本文将从终端、网络、运营3个不同角度，对大量的蜂窝系统新功能进行归类分析。

图1 蜂窝移动通信生态圈的三方阵营势力Fig.1 Three major camps in the cellular industry ecology

2 面向终端演进趋向

如图2所示，伴随芯片(基带/射频/存储)技术的进步提升，业务应用场景的增多和更多的频谱资源被释放开发，终端从自身功能演进利益出发，更多关注于更多的种类、更广的频点和更加的节电三大方面[4-10]。

图2 终端功能演进的三大方面Fig.2 Three major aspects of function evolution for UE/Chips

5G时代会出现越来越丰富的终端类型，从极窄带的物联网 (Machine Type Communication，MTC)终端(吞吐速度xbit/s量级，电池电量可持续几年)到超宽带的超级用户终端，例如：家庭网关CPE，总吞吐速度可达100 Gbit/s，固定插电。针对不同类型终端及其相关业务的特点，网络侧可做差异化/精细化处理。业界通常把终端归类为三大挡：High-tier，Mid-tier，Low-tier。High-tier终端以智能手机/平板/车辆等eMBB应用主体为代表；Low-tier以物联网低端终端mMTC应用主体为代表；而Mid-tier则以工业物联网无线传感终端和各种可穿戴类终端为典型代表。Rel-17 NR-Lite新立项旨在优化Mid-tier类终端的业务用例。Mid-tier类终端的数据吞吐率大约在10 Mbit/s，它们配置的天线数和RF Chain较少，最大发射功率较小，工作带宽更窄，基带处理能力较弱，续电能力更弱，因此它们的综合实现复杂度和成本更低。Mid-tier类终端最终将会以新终端种类UE category的形式被规范体现，网络针对Mid-tier类型，会有更优化的处理机制和策略。

蜂窝通信必须基于特定的工作频点和带宽，为了进一步增强系统容量和数据吞吐率，5G-NR一直在朝着更高的工作频点和更大带宽而努力。除了6～52.6 GHz常规高频，面向更高频段的52.6～114.25 GHz，Rel-17需设计出改良的毫米波波形和增强的传输鲁棒机制，以对抗更强烈的多径路损和遮挡效应。此外，高频段还具有更大量的非授权载波资源，更高效地利用这些非授权载波资源，可进一步促进向“全频谱”的愿景目标前进，同时还可以进一步收敛统一全球的无线制式应用。

面向未来不同硬件条件的终端能够插多SIM卡协同工作，Rel-17需优化多个SIM卡之间的各种冲突操作，以提升网络资源的使用效率(例如：寻呼Paging资源)和提升用户“多卡多待”的感受。此外，终端节电还需要进一步增强，Rel-17将支持物理层和高层联合协作更动态的数据传输和测量监听机制。

3 面向网络演进趋向

如图3所示，伴随着芯片(基带/射频/存储)和光纤技术的进步提升、业务应用场景的增多和更多的频谱资源被释放开发，网络从自身的功能演进利益出发，更加地关注于更多的功能、更强的异构以及更好的效率三大方面[4-10]。

图3 网络功能演进的三大方面Fig.3 Three major aspects of function evolution for Network

除了Rel-15/16已经实现的单播技术之外，多播广播技术也需引入5G-NR，以高效服务于更多的广播类商业应用场景，重点面向小区域。Rel-17多播广播机制能极大地重用过去单播传输和流程的基本设计，并能灵活适配各种不同服务质量 (Quality of Service，QoS)多播广播业务的需求，且要实现该功能部署代价的最小化。因此，Rel-17多播广播机制的设计参考基线和过去4G时代的Rel-9 MBMS设计方案不同。

面向深度室内环境和偏远地区，Rel-17要实现网络覆盖的进一步增强，特别是上行覆盖。在FR1频段，随着2/3/4G工作频点未来逐步向5G NR迁移重部署并做Re-farming，在覆盖方面至少不能变差。在FR2频段，需要进一步加强对不同场景下的目标高频信道模型的研究，进一步优化相关导频信号以及物理层控制/数据信道的设计，以更好适配真实的高频信道环境。从未来运营商部署的角度看，很可能将实现不同频段和载波的分层化部署，不同类型的业务应用将会被承载在最合适的载波上。

在下行Downlink和上行Uplink功能性能已被充分开发增强之后，业界开始对Sidelink进一步增强。Sidelink是终端之间直传技术(Device to Device,D2D)引入的新接口通道，它支持数据直传(Direct Communication)以及设备靠近发现(Proximity Discovery )等基本功能。过去Sidelink在商业方面应用很少，由于它对网络依赖小且能减少传输延时，因此早期只在车联网、公共安全、应急通信等特殊领域有应用。未来，业界希望进一步拓展Sidelink在可盈利商业方面的应用(但传统运营商并不喜欢)。当FR2上部署的基站前端进一步缩小，逐渐逼近终端尺寸时，基站和终端的边界将变得模糊，终端可通过Sidelink链路为基站提供覆盖的增强，进而辅助其他处于弱覆盖区域的终端。过去面向非商业应用的Sidelink不能支持高速数据传输，例如：不支持载波聚合或高阶MIMO/256QAM调制解调或波束赋形等。但随着Sidelink的商业应用深入，数据直传能力将会进一步增强，并能进一步提升网络和终端的能效(Energy Efficiency)。除了数据直传，相邻终端之间的靠近发现能力和效率也将会进一步增强，实现跨载波和跨RAT制式的彼此快速探测发现。随着相邻终端之间Sidelink技术的完善，多个相邻终端还可形成“组联合通信模式(Group Communication)”，这在有网络覆盖的可穿戴设备群和家电群场景下有应用可能。

5G时代会出现越来越多的小数据类业务应用，这类业务不同于物联网mMTC低端终端产生的微量数据，但又比eMBB类业务的数据量少很多。由于连接态会导致较多的终端功耗和无线链路RL维持信令，因此Rel-17 Small Data新立项旨在面向RRC_INACTIVE，甚至在RRC_IDLE实现上下行数据的快速传输。该技术思路很像3G中的Cell_FACH状态，终端上行利用网络预配置的公共资源进行上行数据传输，而下行可利用寻呼类公共资源进行下行数据传输。此外，该技术和Rel-16 NR所支持的2/4 step RACH技术也密切相关。小数据包传输(Small Data)技术旨在面向高低频全频段(包括授权和非授权载波)部署应用，但在Idle态传输需解决数据安全性保护问题，这方面可借鉴已标准化的窄带CIoT CP方案。5G-NR Rel-17 在频谱效率(例如：支持DL 1024QAM、全双工Full Duplex)，能量效率(例如：支持基站节能、公共信道开销缩减)，基带处理效率和终端移动性管理等方面，还需进一步增强以获得更好的效率。

4 面向运营演进趋向

如图4所示，伴随着芯片(基带/射频/存储)终端和光纤技术的进步提升、业务应用场景的增多和网络运维技术增强，移动运营商从自身的功能演进利益出发，更加关注于更多的业务、更强的智能以及更低的成本三大方面[4-10]。

图4 运营功能演进的三大方面Fig.4 Three major aspects of function evolution for mobile operator

除了车联网之外，工业互联网被视为5G-NR在垂直行业拓展应用的另外一个重要领域。面向工业互联网的各类新型应用，进一步优化设计更能适配智能工厂不同环境的物理层方案，例如：优化帧结构和Numerology等，寻求更好的定位精度和通信节点间同步能力。随着5G-NR未来向更多的垂直行业领域进军，运营商希望能进一步强化私网(Non Public Network，NPN)和网络RAN切片功能。NPN面向垂直用户提供更好的通信私密性和定制化服务，要能支持和PLMN公网之间的无缝移动性和协作。RAN切片面向不同业务类型提供更好的差异化处理，终端能更早地感知业务切片所在的目标服务小区。面向低空无人机UAV，高空飞机ATG和高铁用户等特殊类终端，5G-NR网络还需进一步优化改造，以适应这些终端的移动和业务特点。此外，面向各个频段免费的非授权载波资源，运营商也希望做进一步的优化利用，以用更低成本去提升系统容量和更廉价方式提供承载业务。

Rel-17 SON/MDT新立项将进一步实现之前Rel-16未完成的网络自组织和自优化功能。基于RAN中心相关数据收集利用(RAN Centric Data Collection and Utilization)技术，运营商希望能结合NR各种新部署应用场景和后期更新功能的引入，进一步增强RAN侧智能性和人工智能技术 (Artificial Intelligence，AI)的应用，例如：优化Massive MIMO信道和天线利用、多波束Beam管理优化、边缘计算优化、针对非授权载波管理以及Sidelink性能监测等。随着Rel-17 IAB(Integrated Access Backhaul)集成式前传回程技术的继续增强，运营商希望能够支持Mobile IAB node部署和更多的回程中间路径选择或备份，以对抗传输遮挡Blockage，从而实现更灵活鲁棒的链路部署。

面向终端用户各类业务的用户通信体验(Quality of Experience，QoE)，5G-NR网络需定义相关的QoE测量属性、评估和上报机制，以实时扑捉用户体验方面的问题，提供RAN侧快速动态的调整方案。基于AI和大数据技术，NR网络能更好地预测用户的业务行为和移动性特征等，以做好UE Specific Policy的应用。

5 结束语

随着5G-NR蜂窝移动通信系统未来广泛深入的部署和应用，在终端、网络和运营三大维度，将平滑地演进到B5G(Beyond 5G)阶段(预计在Rel-18或Rel-19)。B5G时代终端的类型将会更加丰富，且面向各个不同的行业领域做更深入的终端定制化设计。B5G终端将进一步支持在高频毫米波小小区上的独立驻留和业务承载能力，且实现更大带宽资源的聚合和更灵活的移动性管理，与此同时B5G终端的节电能力还将进一步增强。B5G时代网络能力将全面高效地支持超宽带、超窄带、多播组播和深度异构功能，且在业务数据的传输承载效率上进一步优化提升。B5G时代将基本实现面向众多垂直行业的“全业务”“全覆盖”愿景，包括融合了卫星通信覆盖和深度室内覆盖等。移动运营商将进一步强化大数据和AI在网络部署规划优化、业务策略精细制定、用户服务体验管理等方面的应用，使网络运维成本进一步降低，用户获得更好的通信体验。B5G还会将高品质光纤承载和无线接入更大规模地结合在一起，从而极大提升网络容量和蜂窝小区弹性变形的部署。综上，B5G将为6G起到承前启后的作用，在网络部署方式、系统功能集合、业务性能等方面提供丰富完备的基线参考。