從R15到R17，一文看懂5G的技術(shù)創(chuàng)新
[導(dǎo)讀]2022年6月初，通信標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP第96次全會在匈牙利布達(dá)佩斯如期召開。在本次會議上，備受矚目的3GPP R17標(biāo)準(zhǔn)被正式宣布凍結(jié)。這標(biāo)志著，5G的第一階段演進(jìn)已經(jīng)全部完成，5G技術(shù)發(fā)展，將邁入嶄新的第二階段。
2022年6月初，通信標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP第96次全會在匈牙利布達(dá)佩斯如期召開。
在本次會議上，備受矚目的3GPP R17標(biāo)準(zhǔn)被正式宣布凍結(jié)。這標(biāo)志著，5G的第一階段演進(jìn)已經(jīng)全部完成，5G技術(shù)發(fā)展，將邁入嶄新的第二階段。
回首往事，大約7年前，也就是2015年9月，國際電聯(lián)ITU正式確認(rèn)了5G的三大應(yīng)用場景（eMBB、mMTC和uRLLC）。不久后，2016年3月，3GPP就正式啟動了5G的標(biāo)準(zhǔn)化工作，旨在開發(fā)一個統(tǒng)一的、更強(qiáng)大的無線空口——5G NR（New Radio，新空口）。
如今，時光飛逝，我們共同見證了3GPP R15、R16、R17版本的凍結(jié)，以及5G的全面商用和落地普及。
被寄予厚望的5G，經(jīng)歷了從誕生到成熟的發(fā)展歷程，正在不斷改變著我們的工作和生活，也顛覆了整個社會的運(yùn)作模式。
那么問題來了，在5G不斷演進(jìn)的過程中，到底涌現(xiàn)了哪些革命性的技術(shù)創(chuàng)新？在這些技術(shù)創(chuàng)新的背后，又潛藏著怎樣的邏輯思路？從R15到R17，各階段的作用，究竟是什么？
今天這篇文章，小棗君將帶領(lǐng)大家找到答案。
█ R15：奠定基礎(chǔ)，揭開面紗
首先，我們先看看R15的創(chuàng)新思路。
R15是5G標(biāo)準(zhǔn)制定的開端。正所謂：“好的開始，是成功的一半”。為了邁出堅(jiān)實(shí)的第一步，通信行業(yè)專家們進(jìn)行了充分的研究和準(zhǔn)備工作。
當(dāng)時，R15最重要的使命，是針對eMBB（增強(qiáng)移動寬帶）場景進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)制定。而這個場景，需要的正是通信網(wǎng)絡(luò)最重要的一個指標(biāo)——速率。
ITU針對eMBB的指標(biāo)要求，是下行峰值速率必須達(dá)到10Gbps以上，用戶體驗(yàn)速率必須達(dá)到1Gbps以上。3GPP為了實(shí)現(xiàn)這一需求，采用了兩個思路：一個是尋找更多的可用頻譜資源，另一個是深入挖掘每MHz頻率資源的潛力。
在擴(kuò)充頻譜資源方面，3GPP在Sub-6GHz頻段的基礎(chǔ)上，提出了移動毫米波技術(shù)。也就是說，將5G的工作頻譜向更高頻段延伸，覆蓋到毫米波的頻段。
移動毫米波帶來的速率和容量提升非常明顯，奠定了5G高速連接的基礎(chǔ)。
在毫米波技術(shù)的基礎(chǔ)上，3GPP又引入了Massive MIMO（大規(guī)模天線陣列）。
這個技術(shù)是5G最具標(biāo)志性的創(chuàng)新之一，可以說是“神來之筆”。它通過大量增加基站中的天線數(shù)量，從而對不同的用戶形成獨(dú)立的窄波束覆蓋，從而數(shù)十倍地提升了系統(tǒng)吞吐量，也改進(jìn)了基站的覆蓋效果（尤其彌補(bǔ)了毫米波覆蓋能力的不足）。
Massive MIMO在深入挖掘頻譜資源潛力方面，技術(shù)挑戰(zhàn)就更大了。這里面涉及到了大量的底層技術(shù)創(chuàng)新，包括多址技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、編碼技術(shù)、物理層結(jié)構(gòu)等，都需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。
5G NR設(shè)計(jì)中最重要的決定之一，就是選擇無線波形和多址接入技術(shù)。
在當(dāng)時的方案評估過程中，高通通過廣泛研究發(fā)現(xiàn)，正交頻分復(fù)用（OFDM）體系，具體來說包括循環(huán)前綴正交頻分復(fù)用（CP-OFDM）和離散傅里葉變換擴(kuò)頻正交頻分復(fù)用（DFT-S OFDM），是面向5G eMBB和更多其他場景的最佳選擇（后來證明確實(shí)如此）。
在4G LTE已有的OFDM應(yīng)用基礎(chǔ)上，高通高級工程總監(jiān)季庭方通過設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的子載波間隔指數(shù)擴(kuò)展公式，實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展的OFDM參數(shù)配置。這一技術(shù)發(fā)明，被稱為“可擴(kuò)展參數(shù)集”，是R15的重大亮點(diǎn)。
利用可擴(kuò)展OFDM參數(shù)配置，可以實(shí)現(xiàn)子載波間隔能隨信道寬度以2的n次方擴(kuò)展。這樣一來，在更大帶寬的系統(tǒng)中，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)大小也隨之?dāng)U展，卻不會增加處理的復(fù)雜性。
R15另一個令人耳目一新的設(shè)計(jì)是基于時隙的靈活框架。該靈活框架的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)明就是5G NR自包含時隙結(jié)構(gòu)。在新的自包含時隙結(jié)構(gòu)中，每個5G NR傳輸都是模塊化處理，具備獨(dú)立解碼的能力，避免了跨時隙的靜態(tài)時序關(guān)系。
2018年6月，3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)正式凍結(jié)?，F(xiàn)在看來，R15成功打響了5G的第一槍。它帶來的諸多創(chuàng)新，給人們揭開了5G的神秘面紗，也為5G后續(xù)的迭代演進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
█ R16：場景擴(kuò)展，賦能行業(yè)
R15主要針對eMBB（增強(qiáng)移動寬帶）場景進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)制定。R16在R15的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善了uRLLC和mMTC場景的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從而貢獻(xiàn)了第一個5G完整標(biāo)準(zhǔn)，也是第一個5G演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。
從本質(zhì)上來說，實(shí)現(xiàn)對垂直行業(yè)的支持和賦能，是R16最重要的使命。
R16需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的uRLLC（超可靠低延遲通信）場景，主要針對的就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)領(lǐng)域。ITU針對uRLLC場景提出的指標(biāo)目標(biāo)，包括更嚴(yán)格的可靠性要求（高達(dá)99.9999%的可靠性），以及毫秒級的時延。
R16需要通過進(jìn)一步增強(qiáng)5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)能力，引入更多的網(wǎng)絡(luò)新特性，以此更好地支持toB的關(guān)鍵業(yè)務(wù)型用例，滿足智能制造、智能質(zhì)檢、無人駕駛等垂直行業(yè)需求。
在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力增強(qiáng)方面，R16對頻譜效率、網(wǎng)絡(luò)的利用率和魯棒性等方面都做了專門的優(yōu)化和增強(qiáng)，包括大規(guī)模天線增強(qiáng)、載波聚合增強(qiáng)、切換技術(shù)增強(qiáng)等，極大地提升了5G的可用性和完善性。
在新特性引入方面，R16的表現(xiàn)更是可圈可點(diǎn)。
以頻譜擴(kuò)展為例，R16增加了對5G NR免許可頻譜（NR-U）的支持，包括兩種模式：許可輔助接入（LAA），以及不需要任何許可頻譜的獨(dú)立部署。這不僅帶來了更大的容量，也實(shí)現(xiàn)了更靈活的部署。
對于前面提到的可靠性和時延要求，高通主導(dǎo)的多點(diǎn)協(xié)作通信（CoMP），是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵賦能技術(shù)之一。在這個技術(shù)創(chuàng)新中，通過采用多個發(fā)射和接收點(diǎn)（多TRP），創(chuàng)建有冗余通信路徑的空間分集，實(shí)現(xiàn)高可靠性和低時延，構(gòu)建可用的時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）。
車聯(lián)網(wǎng)（V2X）是5G的一個重要垂直應(yīng)用領(lǐng)域。在這個領(lǐng)域中，高通等公司主推的直連通信（D2D）是一個重要的技術(shù)創(chuàng)新，能夠?qū)崿F(xiàn)V2X支持車輛編隊(duì)、半自動駕駛、外延傳感器、遠(yuǎn)程駕駛等更豐富的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。
車聯(lián)網(wǎng)（V2X）R16在組網(wǎng)技術(shù)方面則引入了遠(yuǎn)端干擾管理、無線中繼以及網(wǎng)絡(luò)組織和自優(yōu)化技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)實(shí)際用戶體驗(yàn)獲得提升。
具有代表性的例子，是新型干擾測量與抑制技術(shù)（比如RIM/CLI），以及集成接入與回傳（IAB）。
集成接入與回傳（IAB）支持毫米波基站進(jìn)行無線接入和回傳，在部署密集網(wǎng)絡(luò)時可有效減少新增光纖部署需求。
特別值得一提的是，為了更好地推動政企垂直行業(yè)的5G落地，R16在專網(wǎng)部署模式上也進(jìn)行了創(chuàng)新，推出了對非公共網(wǎng)絡(luò)（NPN）的支持，為5G專網(wǎng)通信的發(fā)展指明了方向。
R16引入的新特性很多，除了上述技術(shù)之外，還包括終端節(jié)能，終端移動性增強(qiáng)、高精度定位等。
2020年7月，R16標(biāo)準(zhǔn)正式凍結(jié)。
如果說R15只是實(shí)現(xiàn)了一個“可用”的5G，那么，R16的作用，就是讓“可用”的5G變成“好用”的5G。它在成本、效率和功能上進(jìn)行了深入增強(qiáng)和改進(jìn)，為5G的全面落地鋪平了道路。
█ R17：能力升級，應(yīng)用探索
終于到了R17！
如果用一個詞來形容R17的定位，那就是“承前啟后”。
作為全球5G NR標(biāo)準(zhǔn)的第三個主要版本，R17進(jìn)一步從網(wǎng)絡(luò)覆蓋、移動性、功耗和可靠性等方面擴(kuò)展了5G技術(shù)基礎(chǔ)，將5G拓寬至全新用例、部署方式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
R17演進(jìn)的關(guān)鍵詞，可以分為“增強(qiáng)”和“擴(kuò)展”。
- 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力增強(qiáng)
R17是在5G規(guī)模商用之后制定的標(biāo)準(zhǔn)。所以，它可以根據(jù)5G前期實(shí)際部署的經(jīng)驗(yàn)，以及發(fā)現(xiàn)的不足，進(jìn)行“查漏補(bǔ)缺”。
R17為5G系統(tǒng)的容量、覆蓋、時延、能效和移動性等多項(xiàng)基礎(chǔ)能力帶來了更多增強(qiáng)特性，包括Massive MIMO增強(qiáng)、覆蓋增強(qiáng)、終端節(jié)電、頻譜擴(kuò)展、IAB增強(qiáng)、uRLLC增強(qiáng)等。
我們還是從頻譜開始說起。
R17對5G毫米波進(jìn)行了頻譜擴(kuò)展，定義了一個被稱為FR2-2的全新獨(dú)特頻率范圍，將毫米波的頻譜上限，推高到了71 GHz。
這意味著，5G毫米波的網(wǎng)絡(luò)容量將變得更大，更多的用例和部署方式將得以實(shí)現(xiàn)。例如智能制造行業(yè)中支持通信和定位功能的毫米波企業(yè)專網(wǎng)。
得益于5G NR可擴(kuò)展子載波間隔（SCS）方案和基于時隙的靈活幀結(jié)構(gòu)，這種頻段擴(kuò)展可將控制和數(shù)據(jù)信道的子載波間隔直接擴(kuò)展到480 kHz和960 kHz（以前低頻段毫米波為120 kHz）。
除頻段擴(kuò)展之外，R17還帶來了其它毫米波增強(qiáng)特性，包括支持帶間上行/下行載波聚合和增強(qiáng)移動性。
IAB（集成接入與回傳）增強(qiáng)，來自于同時發(fā)射/接收（即全雙工）和增強(qiáng)的多跳操作等特性，可以進(jìn)一步提升部署效率、覆蓋和性能。這對于毫米波部署尤其有用，它能夠更經(jīng)濟(jì)且高效地快速擴(kuò)展覆蓋范圍。
終端能力增強(qiáng)方面，為了改善用戶體驗(yàn)，R17提出了一系列的增強(qiáng)特性。
例如支持多達(dá)八根天線和額外的空間流，可實(shí)現(xiàn)更高吞吐量；先進(jìn)的MIMO增強(qiáng)功能，可提升容量、吞吐量和電池續(xù)航；面向連接態(tài)和空閑態(tài)模式的節(jié)能新特性，可延長電池續(xù)航；重傳和更高傳輸功率，可改善終端的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；5G定位技術(shù)增強(qiáng)，可改善定位精度和時延；雙卡雙待，可支持單個或兩個運(yùn)營商的兩個訂購服務(wù)并發(fā)；等等。
- 5G網(wǎng)絡(luò)和終端應(yīng)用擴(kuò)展
R17作為5G第一階段和第二階段的過渡，既要對現(xiàn)有5G進(jìn)行增強(qiáng)，也要探索更多的5G場景應(yīng)用可能性。這些可能性，包括RedCap、非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）、擴(kuò)展直連通信、厘米級定位、擴(kuò)展廣播/多播，以及無界XR（擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)）。
5G R17引入的最具代表性的技術(shù)，當(dāng)然是面向中低速物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的RedCap，也就是NR-Light。
RedCap是簡化版的5G，通過降低協(xié)議的復(fù)雜度，采用更好的節(jié)能技術(shù)，可以滿足可穿戴設(shè)備、工業(yè)傳感器和監(jiān)控?cái)z像頭等物聯(lián)網(wǎng)需求。
另一個值得關(guān)注的R17新特性，是非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）。
近年來，人們對衛(wèi)星通信的關(guān)注度不斷增加。為了讓5G提供無處不在的連接，3GPP也加強(qiáng)了非陸地區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋的研究。在R17中，有兩個并行的NTN工作組來應(yīng)對移動寬帶和低復(fù)雜度物聯(lián)網(wǎng)（IoT）用例。
第一個項(xiàng)目采用5G NR框架來進(jìn)行衛(wèi)星通信，實(shí)現(xiàn)從地面到衛(wèi)星的固定無線接入(FWA)回傳，并為智能手機(jī)直接提供低速率數(shù)據(jù)服務(wù)和語音服務(wù)。第二個項(xiàng)目側(cè)重支持低復(fù)雜度eMTC和NB-IoT終端衛(wèi)星接入，擴(kuò)大了關(guān)鍵用例的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，如全球資產(chǎn)追蹤。
最后一個我要提到的R17新方向，是無界XR。
去年爆火的元宇宙，給我們展現(xiàn)了跨越實(shí)體世界和虛擬世界的個性化數(shù)字體驗(yàn)。作為元宇宙的底層支撐技術(shù)，以VR、AR為代表的XR擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了更多的重視。
R17中的XR項(xiàng)目，專注于研究和界定各種類型的XR流量（AR、VR、云游戲）。此項(xiàng)研究為已經(jīng)確定的XR流量類型定義需求和評估方法，并支持性能評估以確定未來的提升范疇。
█ 結(jié)語
曾經(jīng)有人說，5G從R15到R17的發(fā)展過程，就像一個蓋房子的過程：
R15版本是5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的“毛坯房”，搭建了基礎(chǔ)和框架。R16版本呢，是對5G標(biāo)準(zhǔn)的“精裝修”，使其具備了初步的“居住條件”。新出爐的R17版本，是“精裝”之上的“軟裝”，起到了錦上添花的效果，讓居住體驗(yàn)變得更好。
事實(shí)確實(shí)如此。5G的第一階段，是一個動態(tài)拓展的過程，移動通信技術(shù)開始賦能行業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)智化變革。
我們通過前面所說的這些技術(shù)創(chuàng)新，不斷挑戰(zhàn)著香農(nóng)理論的極限，摸索著通信技術(shù)未來發(fā)展的方向。
從目前的階段性成果來看，5G通過這些極具顛覆性的科技創(chuàng)新，為整個社會的數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定了連接力基礎(chǔ)。海量的5G垂直行業(yè)落地案例，極大地增強(qiáng)了人們對5G的信心，對數(shù)字經(jīng)濟(jì)的信心。
展望未來，我們即將步入5G-Advanced時代。5G Advanced的首個標(biāo)準(zhǔn)版本——R18，已經(jīng)全面啟動。它將開啟新一輪無線技術(shù)創(chuàng)新，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展保駕護(hù)航。
究竟怎樣的精彩在等待著我們？讓我們拭目以待吧！
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