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卫星电话、高铁不断网:5G第三版标准R17神了!

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苹果新品将支持卫星通讯的传言已经几次引发广泛讨论,实际上,这一功能的实现并非遥不可及。

今年3月下旬3GPP完成了全球5G标准的第三个版本——Release-17的功能性冻结。在Rel-17标准中,就引入了卫星通信的新特性。

除此之外,Rel-17的直连通信,将支持任意类型的两个终端直接通信,也就是说你手中的智能手机可以像对讲机一样使用,但比对讲机更加高级。

Rel-17还将更高效地支持更低复杂度的物联网终端,带来厘米级精度的定位,更好满足XR(扩展现实)的需求。很多人都会期待高铁上不断网,5G手机更好的续航表现也将一一实现。

这背后,藏着哪些5G黑科技?

5G演进的第一阶段完成

移动通信技术大约每十年更新一代,在这十年中,每一代移动通信技术都会持续的演进和完善。

Rel-17是5G的第三版标准,也是5G完成第一阶段演进的标志。接下来的第二阶段,5G标准还会有Rel-18/1/20第二阶段,也称作5G Advanced阶段。

5G在2019年商用时是基于5G标准的第一个版本Rel-15,侧重点在于增强移动宽带(eMBB)的提升,也是5G演进的奠基石。

5G第二个版本标准Rel-16的重点在于,推动5G向行业的扩展,比如在这一版本的标准中,引入了对免许可频谱(NR-U)的支持。

也就是说,除了国家分配给运营商的许可频谱外,在免许可频谱也能支持5G应用,增强了5G应用的灵活性,并且Rel-16新增了全新的直连通信和定位等功能。

Rel-17作为Rel-16的延续,从多个方面推动技术发展,包括容量、覆盖、时延、能效和移动性。一些关键领域的提升包括:

进一步增强的大规模MIMO:Release 17中的这一项目专注于为部分关键技术领域带来增强特性,包括增强的多TRP(发射和接收点)部署和增强的多波束运行,在SRS(探测参考信号)触发或切换,以及CSI(信道状态信息)测量或报告方面带来提升。

覆盖增强:针对Sub-7GHz、毫米波和非地面网络的多样化部署,Release 17为上行控制和数据信道设计引入多个增强特性,比如增加重传次数以提升可靠性,以及跨多段传输和跳频的联合信道估计。

终端节电:为了进一步延长移动终端电池续航,Release 17为处于空闲态/非活跃态模式和连接态模式的终端带来节电增强特性。比如,该特性支持减少非必要的终端寻呼接收,无线链路的终端测量放松以及其它全新功能。

频谱扩展:Release 17中的另一个重要项目就是扩展现有的5G NR设计,从而将毫米波频谱范围从24.25—52.6GHz扩展至高达71GHz,3GPP也称其为FR2-2频段。

该特性包括支持全球60GHz免许可频段,助力催生新用例和新部署。

增强的IAB和简单中继器:针对更高效的5G部署,尤其是毫米波部署,Release 17中增强的IAB(集成接入与回传)支持同时收发(即空间分离全双工);此外Release 17还引入了简单中继器(即放大和转发中继),成为具备成本效益的基础设施新选项,帮助扩大FDD和TDD的网络覆盖。

进一步增强的URLLC、企业专网和其它用例:Release 17持续为工业物联网等严苛应用带来更好的支持,为URLLC(超可靠低时延通信)引入全新增强特性,比如增强物理层反馈,提升免许可频谱兼容性,终端内复用和优先级排序等功能。

用通俗易懂的话来解释,进一步增强的大规模MIMO能够在用户移动的时候信号和连接更加稳定,并且能够减少延迟。覆盖增强和终端节电都比较容易理解,从通信技术和网络部署多方面实现更好的信号覆盖。

频谱扩增也容易理解,但这里再重点介绍。移动通信最重要的资源就是频谱,5G商用之初,频段就已经包括低频的6GHz以下,以及高频的毫米波频段。

到了Rel-17,低频频段最高可以到7.125GHz,毫米波频段分为两个部分,一个是FR2-1,这是Rel-15、Rel-16中定义的毫米波,最高能到52.6GHz;另一个是Rel-17新扩展的FR2-2,从52.6GHz到71GHz的频段。

也就是说,Rel-17开始,5G的频谱准确的说法是Sub 7GHz和毫米波频谱。

高通公司中国区研发负责人徐晧博士介绍,“以前的毫米波频段FR2-1能够提供800MHz的带宽,现在FR2-2的带宽可以高达1.6GHz,甚至还可以到2GHz。”

更大的带宽就像是拥有更宽的高速公路,能够实现更高速率,有助于进一步增强超可靠低时延通信,也能实现更多应用。

一般来说,从标准完成到产品商用大概需要1-2年时间。目前只是Rel-17完成了功能冻结,要等今年六月份Rel-17的ASN.1冻结,也就是Rel-17所有的细节全部确定,Rel-17所有的标准才算完成。

由此推算,支持Rel-17的商用产品最早要2023年下半年才能商用,但Rel-17能够带来的全新应用非常值得期待。

值得期待的5G新应用

- 卫星通讯

对于普通用户而言,Rel-17中引入的面向非地面网络(NTN)的5G NR支持或许最能吸引大家的兴趣。卫星通讯分为很多类型,包括同步卫星、低轨卫星、中轨卫星等。

面向非地面通信的5G NR主要支持两种类型的终端:一种是基于CPE的卫星回传通信,比如在房屋外接收卫星电视信号的卫星接收器;另一种是与手持设备的直接通信,比如智能手机、支持eMTC和NB-IoT功能的物联网设备。

“卫星离地面的距离非常远,所以这两类终端只能支持低速率服务,但也很有意义。”徐晧表示,“比如在没有信号覆盖的地区,可以通过智能手机发出呼叫信号,告诉卫星发出信号的主体和所在的位置。或者在比较荒凉的地区,有森林防火或者天气预测的通信需求,在这些地区安置一些可以与卫星连接的传感器,而实现对此前蜂窝网络难以覆盖地区的通信支持。”

卫星通信更重要的价值在于可以覆盖地球上几乎所有的位置,是作为蜂窝网络难以覆盖的支持,高速率低时延的5G通信主要还是要依靠蜂窝网络。

- 高铁通信

5G商用之后,就已经有对于高速移动设备的支持,但实际的体验还不够好。这是因为,很多人在高铁上手机连接的是附近的基站,高铁突然加速出发之后,没有及时地切换到高铁沿线的基站上就容易掉包。

Rel-17定义了一个优先级,可以告诉手机在高速移动的情况下优先切换到高铁沿线的基站,这样就能在高速移动的高铁上获得更好的网络体验。

- 直连通信

Rel-16首次引入了直连通信功能,直连通信的意思是,终端之间没有通过基站进行的通信,但Rel-16的直连通信仅限于车与车之间的通信。

直连通讯和对讲机有相似之处,但更加高级。

对讲机需要按一下才能讲,但在直连通信下,双方可以同时交流。把两个对讲机调到一个频道上就可以通信;但是直连通信更灵活,既可以通过基站来建立连接,也可以由两个支持直连通信的手机互相找到对方然后进行连接。

Rel-17进一步扩展了直连通信功能,支持任意类型的两个终端(比如手机和手机、手机和手表或手机和眼镜)之间的通信。

直连通信有很多应用场景:比如公共安全用例,如果基站因为地震和火灾等因素不能正常工作时,用户可以通过手机和手机之间的直接通信与失散的家人及时取得联系;在物联网场景下,可以实现两个物联网终端在不连接基站的情况下直接通信,节约更多资源;再比如不同用户在一个房间内打游戏,如果终端可以在不连接到基站的情况下进行直连通信,就能实现更高速率、更低时延以及更低功耗。

Rel-17针对之前版本的直连通信做了很多优化,比如增强节电特性和改进资源分配等。关于资源分配有一个很好的例子,在Rel-16版本中,A汽车需要预先知道哪些资源空闲了才能进行下一步传输,从而避免通信干扰和冲突;在Rel-17中,A汽车可以随机选一个资源进行传输,如果无法直连通信再监测看看是否有其它合适的空闲资源,这样就不需要检测一遍所有资源再做选择,从而改进资源分配、降低功耗并提高可靠性。

Rel-17针对直连通信的另一项优化是引入了直连通信中继,可以实现更大的网络覆盖范围。比如,当A手机无法与最近的基站相连时,A手机可以通过与在基站网络覆盖范围内的B手机进行直连通信,从而使A手机最终连接到基站。

徐晧表示:“直连通信适合距离比较近的应用场景,因为它传输的范围有限,基本是几百米之内的比较小范围,具体范围和是否是视距传输(Line of Sight)以及具体传播环境有关。直连通信的速率也和传输距离有关,距离越近、衰减越小、速率越高。直连通信可能催生一系列变革性应用。”

- 无界XR

XR包含了AR(增强现实)、VR(虚拟现实)、MR(融合现实)三种技术,XR也被视为进入元宇宙的入口。

Rel-16中就已经有针对XR的研究;Rel-17进一步XR用例的流量需求,比如往返时间、单向包延迟预算和误包率等。

徐晧指出,“相比手机等终端,XR终端是全新定义的终端类型。目前对这类终端所需的数据包、掉包率与用户体验之间的关系都还不够了解,因此需要对这类终端的流量需求和评估方法进行探索,同时对这类终端的性能进行评估。目前,基于5G NR的XR已经纳入了Rel-17的研究项目,在Rel-18及未来版本中还会继续推进技术演进和增强。”

除上述应用,Rel-17为了高效地支持更低复杂度的物联网终端(比如传感器、可穿戴设备、视频摄像头),将5G NR设计带宽(100MHz)缩窄至Sub-7GHz频段的20MHz和毫米波频段的100MHz。

在绝大部分Sub-7GHz新频段(比如n77、n78、n79、n41等频段),传统5G NR终端通常需要配备四根接收天线;而这一项目将NR-Light终端的接收天线数缩减至一根或两根。该项目还支持能效提升,以及支持RedCap终端与其它5G NR终端共存。

Rel-17也进一步提升了5G定位,满足包括厘米级精度在内的更为严苛的用例需求。同时增强了其它增强特性,比如降低定位时延,提高定位效率以扩展容量,以及实现更优的GNSS(全球导航卫星系统)辅助定位性能。

RedCap或NR-Light、非地面网络(NTN)、扩展直连通信、增强的精准定位、扩展广播/多播、无界XR之外,Rel-17还有许多较小的5G系统增强特性项目,包括增强的多无线电双连接、多SIM卡支持、更高阶调制、零星数据传输、体验质量、数据采集和RAN切片等。

5G的杀手级应用

5G的标准已经演进到第三个版本,为何还没有出现杀手级应用?“杀手级应用需要一定的时间来酝酿,比如说当时做3G的时候,数字通信已经出来了一段时间,智能手机的推出才带来了真正的杀手级应用。” 徐晧表示,“基于5G的技术优势,我们也看到了很多有潜力的应用,比如XR应用,手机端观看4K或者8K视频直播也是很好的应用,5G毫米波应用也值得期待,另外一个比较好的应用是5G医疗应用。”

5G的愿景是改变社会,这也意味着5G将会变得无处不在,要从手机拓展到各种垂直应用之中,这其实也是Rel-17特性重点支持的应用,但5G与垂直行业的结合需要更长时间。

每个行业都有自身的运转周期,改变这个行业中的产品需要一些时间。比如,5G可以提供高可靠、低时延的连接,但真正要改变行业中的机器人应用,还是需要有一定的时间来将5G与行业应用做结合。”徐晧指出。

通信技术作为实体世界、虚拟世界、数字世界这三个世界之间的交互,以及实现元宇宙最核心的技术之一,需要不断演进。自然需要整个业界的不断努力和贡献,比如在Rel-17中,高通贡献了五个关键技术发明:毫米波扩展、引入RedCap(NR-Light)终端、终端增强、引入非地面网络(NTN)的支持(主要指卫星通信)、引入对拓扑扩展的支持。

5G Advanced时代即将到来,6G标准的讨论也将在2025年左右开始讨论。5G的杀手级应用到底是什么?

注:文中配图来自高通


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