1.4.2 3GPP
3GPP是负责制定5G技术体系的国际标准组织,主要由无线接入网(Radio Access Network,RAN)、业务与系统(Services&Systems aspects,SA)和核心网与终端(Core Network&Terminals,CT)3个工作组开展。5G技术研究在3GPP R14版本启动,R15版本会完成可使用的5G初级版本,R16、R17等后续版本将实现5G标准的完善和增强。
负责系统需求定义的工作组SA1在2016年发布TS 22.261,明确5G系统目标和基本功能及业务需求的定义。负责系统架构设计的工作组SA2发布TS 23.501、TS 23.502和TS23.503,明确5G系统架构。负责接入网与空口标准化的工作组RAN启动5G新空口NR研究和标准化制定工作,并于2020年6月完成涵盖R14、R15和R16 3个版本规范。其中,5G基础版本是R15,满足ITU IMT-2020的基本需求;R16为5G增强版本。同时,根据运营商部署节奏的不同,3GPP标准分阶段支持非独立组网和独立组网等多种5G组网架构。
图1-9所示为3GPP 5G标准工作计划。
图1-9 3GPP 5G标准工作计划
1.3GPP R15版本重点发布内容
(1)物理层和底层协议
①多址选择。5G NR选择正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)作为上行和下行多址技术,上行同时支持DFT-S-OFDMA单载波方案。
②带宽。5G在6GHz以下频段,支持最大100MHz带宽;20~50GHz频段支持最大400MHz带宽,并支持部分带宽设计,适应多种业务需求。
③灵活帧结构。5G NR定义56种时隙格式,支持准静态配置和快速配置调整,灵活支持不同时延和带宽要求的业务类型。
④更大数据分组的传输和接收,提升控制信道性能。5G增强移动宽带业务数据信道采用在处理大数据分组和高码率方面有性能优势的低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check Code,LPDC)编码方案。控制信道采用稳定性更好的Polar极化码技术方案。
⑤为网络灵活部署提供基于波束的系统设计。5G NR的同步、接入、控制信道、数据信道均采用波束传输方式,特别是支持多个同步信号块(Synchronization Signal Block,SSB),通过指向区域的不同配置,为网络规划提供灵活的部署策略。
⑥数字和混合波束成形。5G NR在低频段和高频段分别使用数字波束成形和模拟/数字混合波束成形,从而可以在补偿高频段路径损耗的同时,做到天线成本的平衡。5G NR下行和上行分别最大支持32端口和4端口的天线配置。下行单用户MIMO最大支持8流、12个正交多用户,上行单用户MIMO最大支持4流。
(2)高层协议
NR高层协议包括控制面和用户面的两个层面。
①新增无线电资源控制(Radio Resource Control,RRC)层的非激活状态。由于终端、基站和核心网可以部分保留RRC和非接入层(Non-access Stratum,NAS)上下文,因此能够快速进入连接状态,达到节能,降低连接时延和信令开销的目的。
②LTE和NR支持双连接架构。扩展NR的RRC协议,新增支持RRC分集模式,即辅小区复制主小区的RRC信息,并通过主小区和辅小区同时向终端发送RRC信息,从而提升手机接收RRC消息的成功率和可靠性。
③支持多种承载类型,保证无线组网的灵活性。
④提高数据可靠性。5G NR新增服务数据适配协议(Service Data Adaptation Protocol,SDAP)层,支持IP流和无线承载间映射,同时核心网通过基于IP流的QoS控制,保证QoS的灵活性。
⑤更灵活的接入网架构。5G支持中心单元(Centralized Unit,CU)/分布单元(Distributed Unit,DU)分离的接入网架构。
(3)核心网技术
为了更加灵活地支持5G差异化应用场景,5G核心网总体架构采用了基于服务化系统架构SBA,并基于网络虚拟化技术实现网元云化部署,同时对端到端网络切片和边缘技术进行标准化。
①5G核心网网元功能。接入控制和移动性管理功能(Access and Mobility Management Function,AMF)、会话管理功能(Session Management Function,SMF)、用户面功能(User Plane Function,UPF)、策略控制与计费功能(Policy Control Function,PCF)、统一数据库功能(Unified Data Repository,UDR)、网络切片选择功能(Network Slice Selection Function,NSSF)和网络功能库(NF Repository Function,NRF)等。
②网络切片功能。运营商基于云化基础设施部署多个公共陆地移动网(Public Land Mobile Network,PLMN)序号的网络切片,每个网络切片可以为不同用户提供定制化的网络资源配置。
③边缘计算功能。通过引入用户面功能网元,3GPP可以真正意义上内生边缘计算能力,实现降低时延、减少传输网络回传压力的目的。
④5G语音。基于IP多媒体子系统(IP Multimedia Subsystem,IMS)的分组语音方案,通过基于5G新空口语音承载(Voice over NR,VoNR)和回落4G承载(EPS Fallback,EPS FB)两种实现机制,建立语音业务。
2.3GPP R16版本重点研究内容
R15版本是5G第一版标准,但不是全部标准,需要经历逐步迭代的发展过程。R16版本是基于R15版本的修订与增强,也是5G标准走向成熟和完善的一个关键版本。R16版本的主要特性如下。
(1)功能扩展
R16版本的部分研究领域涉及功能扩展,包括增加对垂直行业、非授权频谱(New Radio-Unauthorized,NR-U)、接入回传一体化(Integrated Access Backhaul,IAB)及52.6GHz以上频段的支持。
①52.6GHz以上的频段:主要目标是实现新空口NR支持更高的频段,且提供高达2GHz带宽的实现方案。
②uRLLC应用:R16版本将进一步研究uRLLC增强来应对工业物联网(Industrial Internet of Things,IIoT)应用的挑战。R16版本更侧重于提高uRLLC的可靠性、降低时延及优化定时,涵盖物理层可靠性增强、时间敏感网络(Time Sensitive Network,TSN)增强等多个功能。
③非地面5G通信(Non-Terrestrial Networks,NTN):该场景主要发生在卫星通信领域,其目标是利用商用5G网络与卫星实现天地一体化通信,其研究功能包括物理层控制程序、上行链路定时提前、重传机制和面向卫星通信的5G架构增强等。
④NR-V2X:R16版本侧重于车联网V2X的增强功能,特别是与高级自动驾驶相关的场景,包括编队驾驶(Vehicle Platooning,VP)、车辆到基础设施功能增强、传感器扩展、高级驾驶和远程驾驶等,其频段涵盖高低频段,并以低频段为研究重点。
⑤未授权频谱接入:LTE授权频谱辅助接入(License Assisted Access,LAA)支持使用未授权频谱。5G旨在帮助人们以独立方式接入未授权频谱,而无须已授权载波的协助。该研究项目还旨在解决已授权和未授权频带载波之间的双连接,目标是基于NR为5G频段非授权频谱接入创建统一的全球解决方案。
⑥接入回传一体化:研究5G网络对无线回传和中继链路的支持,重点面向在毫米波场景下密集部署的基站光纤回传设备。
(2)效率提升
①干扰抑制:旨在研究如何抑制远程5G基站对半静态上行链路/下行链路配置、交叉链路及用于上行链路/下行链路配置的网络协调机制造成的干扰。
②软件定义网络(Software Defined Network,SDN)和大数据:将机器学习和人工智能(Artificial Intelligence,AI)技术赋能5G,达到进一步提高5G效率的目的,涵盖一系列以RAN为中心的自组织网络(Self-Organized Network,SON)、无线接入技术(Radio Access Technology,RAT)优化、负载共享和移动性优化等研究内容。
③大规模天线技术功能:重点研究毫米波场景下的大规模天线技术(massive Multiple Input Multiple Output,mMIMO)系统的多用户多入多出(Multi-User Multiple Input Multiple Output,MU-MIMO)、多伪随机后缀(Pseudo Random Postfix,PRP)和多波束场景增强等功能。
④位置和定位增强功能:旨在为室内和室外场景定义更准确的定位技术,当前研究主要侧重于高频段。
⑤功耗改进:研究基于RRC连接状态下的技术增强,通过增加无线资源管理(Radio Resource Management,RRM)测量功能,达到降低设备耗电量的目的。
⑥双连接增强功能:该研究涵盖包括载波聚合和基于快速链路共享服务(LSS)的双连接两个功能增强内容。
⑦非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA):进一步评估NOMA实用性,并实现标准化制定工作。