5G系列文章(三):5G标准化(下篇)

2015年9月,3GPP举办了一次特别的研讨会。来自全球移动产业界、监管部门、研究机构的500多名专家汇聚一堂,商谈5G标准化的规划。会议达成的共识包括:5G标准化分成两个阶段,第一阶段满足早期商业部署的需要,第二阶段计划覆盖所有的应用场景,包括eMBB (enhanced Mobile Broadband)、mMTC(massive Machine Type Communications)和URLLC (Ultra Reliable and Low Latency Communications)等5G典型应用场景。这次研讨会实际上标志着3GPP 5G标准化工作的正式开始。

本系列节选自《5G NR标准:下一代无线通信技术  [5G NR: The Next Generation Wireless Access Technol]》,上一篇文章主要讲述了5G的标准化,本文是上一篇文章的延续。

过去几年,中国在5G技术发展和标准化进程中的重要性也是有目共睹的。由工信部、IMT-2020(5G)推进组及信通院领导和实施的5G技术测试,对于推动中国5G研发及产业的发展起到了至关重要的作用。同时,中国移动、中国电信和中国联通等多家运营商开展的5G测试和试验,也走在了行业的前列。包括爱立信在内的网络设备商也积极参与到中国的5G测试活动中,为即将到来的5G商用做积极的准备。爱立信公司也加大了在中国的5G研发,这不仅是因为中国将是5G的最大市场,更重要的是中国已成为5G技术发展与应用探索的前沿阵地,对今后5G技术的发展影响深远。

2.3 5G和IMT-2020

ITU-R的IMT-2020时间表中最重要的几个时间节点如下:首先,ITU-R制定了IMT-2020的愿景建议书ITU-R M.2083 ,勾勒出所期望的使用场景及相应的能力要求。然后,定义了更详细的IMT-2020需求。正如评估指南所指出的那样,候选技术需要根据这些需求接受评估。需求和评估指南是在2017年中完成的。

在需求明确之后,候选技术就可以提交给ITU-R了。提交的候选技术将根据IMT-2020需求进行评估,满足需求的技术将在2020年下半年获得批准并被发布。关于ITU-R流程的进一步细节可参见2.2.3节。

2.3.1 IMT-2020使用场景

5G的一个主要推动力就是要满足大量新的使用案例。ITU-R在IMT愿景建议书中定义了三个使用场景。ITU-R的IMT-2020流程采纳了移动通信产业界、不同区域性组织以及运营商组织的输入,并把它们综合为以下三个场景:

  • 增强的移动宽带通信(Enhanced Mobile Broadband,eMBB):使用3G和4G移动系统的主要驱动力来自移动宽带,对于5G而言移动宽带仍然是最重要的使用场景。不断增长的新的需求和新的应用对增强的移动宽带提出了新的需求。对它的使用无处不在,覆盖了许多不同的使用案例,也带来了各自的挑战,包括热点覆盖和广域覆盖,前者着眼于高速率、高用户密度和对高容量的需要,后者面临的挑战是移动性、无缝用户体验和低速率、低用户密度。增强的移动宽带场景主要是针对以人为中心的通信。
  • 超可靠低时延通信(Ultra-Reliable and Low-Latency Communications,URLLC):这一场景涵盖以人为中心的通信和以机器为中心的通信,后者常被称为关键机器类型通信(Critical Machine Type Communication,C-MTC)。这一场景的使用案例的特点是对时延、可靠性和高可用性有严格的要求。比如有安全要求的车辆间的通信、工业设备的无线控制、远程手术以及智能电网中的分布式自动化。两个以人为中心的用例是3D游戏和“触觉互联网”,其特点是低时延和超高数据速率。
  • 大规模机器类型通信(Massive Machine Type Communications,mMTC):这是一个纯粹的以机器为中心的使用场景,主要特点是终端数量巨大,数据量小且传输不频繁,对延迟不敏感。大量的终端可能导致局部连接的密度极高,当然真正的挑战是一个系统当中能容纳的总的终端数量以及如何降低终端成本。对于那些在人烟稀少的地点部署的mMTC终端,还要求它们的电池使用寿命非常长。

图2-5描述了这些使用场景以及一些相关的例子。这三个场景并没有涵盖所有可能的使用案例,而是提供了一个对大多数可预见的使用情况的分类,以用来分析、确定IMT-2020的无线接口技术所需要的关键能力。即便我们今天还无法预见或者描述,但将来肯定会有新的使用案例出现。这就意味着新的无线接口必须具有高度的灵活性以便能接纳这些新的用例,同时所定义的关键能力也要足够灵活,以支持那些来自新用例的新的需求。

2.3.2 IMT-2020能力集

作为IMT愿景建议书所描述的IMT-2020框架的一部分,ITU-R定义了一系列IMT-2020技术所需要的能力。这些能力是为了支持由区域性组织、研究项目、运营商、监管机构等提出的5G使用场景和用例。IMT愿景建议书一共定义了13个能力,其中8个称为关键能力(key capabilities)。两个“蜘蛛网”描绘出这8个关键能力(见图2-6和图2-7)。

图2-6描述了IMT-2020关键能力及其示意性的目标值,其目的是为更详细的、目前正在制定的IMT-2020需求提供一个初步的宏观指导。可以看到,这些目标值有的是绝对数值,有的是相对于IMT-Advanced能力的相对数值。这些关键能力的目标值不需要同时达到,甚至某些目标在一定程度上还是相互排斥的。图2-7给出了第二个图,分别说明了为实现ITU-R设想的三种使用场景,每个关键能力的“重要性”。

峰值数据速率(peak data rate)一直是一个备受关注的数字,但实际上它是一个理论话题。ITU-R将峰值数据速率定义为在理想条件下可实现的数据速率的最大值,这意味着产品研发当中的瑕疵或者网络部署对传播的实际影响等并未考虑进去。所以它是一个依赖性的关键性能指标(Key Performance Indicator,KPI),因为它严重依赖于运营商部署时可用的频谱资源。此外,峰值数据速率取决于峰值频谱效率,即归一化带宽的峰值数据速率:

峰值数据速率=系统带宽×峰值频谱效率

因为在6 GHz以下的IMT频段没有大的可用带宽,真正的高数据速率更容易在更高的频率所在的频段实现。结论是在室内和热点环境中可以实现最高的数据速率,因为在这些地方那些对较高频率不太有利的传播特性没有那么糟糕。

用户体验数据速率(user experienced data rate)是指对大多数用户而言、在一个大的覆盖区域中可实现的数据速率。它可以定义为95%的用户的数据速率。它不仅依赖于可用频谱,而且依赖于系统是如何部署的。5G对城区和郊区的广域覆盖设定了?100 Mbit/s的目标速率,对室内和热点环境则期望能提供一致的1Gbit/s的数据速率。

频谱效率(spectrum efficiency)给出了频谱的每赫兹和每个“扇区”的,或者更确切地说每单位无线设备(又称为发射接收点,Transmission Reception Point,TRP)的平均数据吞吐量。它是配置网络的重要参数。实际上4G系统已经实现了很高的水平,5G的目标确定为4G的频谱效率的三倍,但实际能增长多少很大程度上取决于部署场景。

区域话务容量(area traffic capacity)是另一个依赖性的能力,它不仅依赖于频谱效率和可用带宽,而且还依赖于网络部署的密集程度:

区域话务容量=频谱效率×带宽× TRP密度

IMT-2020假定了在更高频率处能有更多可用的频谱,以及可以采用非常密集的网络部署。在这一前提下,IMT-2020设定的区域话务容量比4G增加了100倍。

如前所述,网络能效(network energy efficiency)作为一种能力其重要性与日俱增。ITU-R设定的总体目标是IMT-2020无线接入网的能耗不应大于今天部署的IMT网络,即便它提供增强的能力。这个目标意味着网络能效——即每bit数据消耗的能量——减少因子至少和预期的IMT-2020相对于IMT-Advanced流量增加的因子持平。

前五个关键能力对于增强的移动宽带使用场景而言是最重要的,尽管移动性和数据速率能力不会同时具有同等重要性。例如,相对于广域覆盖场景,在热点环境中用户体验的数据速率和峰值数据速率会非常高,但移动性较低。

时延(latency)定义为无线网络对数据包从源地址传送到目的地址所用时长的贡献份额。这对URLLC使用场景而言是一个关键能力。ITU-R认为需要比IMT-Advanced的时延减少十倍。

移动性(mobility)作为关键功能定义为移动速度,考虑到高铁的场景,它的目标是500公里/小时,仅比IMT-Advanced有适度增长。不过作为一项关键能力,它对于URLLC使用场景中高速车辆的关键通信至为重要,而且它要求同时具有低时延。请注意,所有使用场景都没有要求同时满足高移动性和高用户体验数据速率。

连接密度(connection density)定义为每单位面积连接的或可接入的终端总数。该目标与具有高密度连接终端数量的mMTC使用场景相关,不过eMBB场景中一个拥挤的办公室里也可以产生高连接密度。

除了图2-6中给出的八种能力,还定义了另外五种能力:

  • 频谱和带宽灵活性(spectrum and bandwidth flexibility)

频谱和带宽灵活性是指系统设计能灵活处理不同的场景,特别是指在不同频段上工作的能力,包括比今天更高的频率和更宽的带宽。

  • 可靠性(reliability)

可靠性是指所提供的服务可用性高。

  • 可恢复性(resilience)

可恢复性是指在自然或人为破坏期间及之后(例如主电源发生故障)网络继续正常运行的能力。

  • 安全和隐私(security and privacy)

安全和隐私包括用户数据和信令的加密和完整性保护、用户隐私等几个方面,它是为了防止未经授权的用户跟踪,保护网络免受黑客、欺诈、拒绝服务和中间人攻击等行为。

  • 运行寿命(operational lifetime)

运行寿命是指每单位存储能量的运行时间。这对于需要较长电池寿命(例如超过10年)的机器类型终端尤为重要,因为出于经济的或者实际的原因,对其进行常规维护非常困难。

需要注意的是,以上这些能力并不一定就不如图2-6中所示的能力重要,尽管后者被称为“关键能力”。它们的主要区别在于“关键能力”更容易量化,而其余五项能力不易量化,偏向于定性的能力。

2.3.3 IMT-2020性能要求和评估

基于愿景建议书(ITU-R,2015c)中描述的使用场景和能力,ITU-R制定了一系列IMT-2020技术性能的最低要求。这在ITU-R M.2410报告中体现,并将作为评估IMT-2020候选技术的基准(见图2-4)。该报告描述了14个技术参数和相应的最低要求。表2-1对此做了总结。

ITU-R M.2412 给出了IMT-2020无线接口候选技术的评估指南,其模板遵循了之前对IMT-Advanced做评估时的形式。它描述了对14项技术性能的最低要求进行评估的方法,外加两项附加要求:频段的支持和大范围的业务支持。

评估在愿景建议书使用场景导出的五个测试环境(test environments)中进行。每个测试环境都有很多评估配置(evaluation configurations),这些配置描述了在评估的仿真和分析中所使用的详细参数。这五个测试环境是:

  • 室内热点(Indoor Hotspot)-eMBB:办公室和购物中心的室内隔离环境,针对静止人群和行人,用户密度非常高。
  • 密集市区(Dense Urban)-eMBB:具有高用户密度和业务流量的城市环境,针对行人和车辆用户。
  • 郊区(Rural)-eMBB:农村环境,覆盖范围面积较大,针对行人、车辆和高速车辆。
  • 市区宏站(Urban Macro)-mMTC:一个有连续覆盖范围的城市宏观环境,针对大量连接的机器类型终端。
  • 市区宏站(Urban Macro)-URLLC:城市宏观环境,针对超可靠和低时延通信。
  • 对每个候选技术,有三种基本方法可以评估其是否满足要求:
  • 仿真:这是评估一个要求的最细致的方法,包括无线接口的系统级或链路级仿真,或两者都做。对于系统级仿真,ITU-R定义了部署场景,对应于一组测试环境,例如室内、密集市区等。进行仿真评估的要求包括:平均的和第五百分位频谱效率、连接密度、移动性和可靠性。
  • 分析:某些要求可以通过基于无线接口参数的计算来评估,或者从其他性能值导出。通过分析进行评估的要求包括峰值频谱效率、峰值数据速率、用户体验数据速率、区域流量大小、控制面和用户平面时延以及移动中断时长。
  • 检查:某些要求可以通过审核和评定无线接口技术的功能来评估。通过检查进行评估的要求包括:带宽、能效、大范围的业务支持和频带的支持。

一旦候选技术提交给ITU-R并进入流程,评估阶段就会开始。评估可以由提交者(“自我评估”)来做或者由外部评估小组完成,可以是对一个或多个候选提案进行完整评估,也可以是部分评估。

2.4 3GPP标准化

有了ITU-R建立的IMT系统框架、WRC指定的频谱以及对更高性能的不断增长的需求,对具体的移动通信技术进行规范的任务就落在3GPP等组织的身上。实际上,3GPP编写了2G GSM、3G WCDMA/HSPA、4G LTE和5G NR的技术标准。3GPP技术是世界上使用最广泛的移动技术。2017年第四季度的数据显示,全球78亿移动用户中超过95%的用户使用的是3GPP技术。为了理解3GPP的工作方式,有必要了解其规范的编写过程。

2.4.1 3GPP流程

制定移动通信技术规范不是一次性的工作,而是一个持续的往复过程。为了满足对业务和功能的新的需求,规范是不断发展的。不同标准化组织的流程有所不同,但通常都包括图2-8所示的四个阶段:

    1. 需求,确定规范要达到的目标。
    1. 架构,确定主要构件和接口。
    1. 详细规范,详细规定每个接口。
    1. 测试和验证,确保接口规范适用于最终生产的设备。

这些阶段是重叠、循环往复的。例如,如果技术解决方案需要,在后期阶段可以添加、更改或删除需求。同样,具体规范中的技术方案也可以由测试和验证阶段发现的问题进行改变。

规范的制定从需求阶段开始,它确定规范要实现的目标。这个阶段通常较短。

架构阶段确认架构,即需求得以满足的原则。架构阶段包括确定参考点和标准化接口。这个阶段通常很长,可能会导致需求的改变。

架构阶段之后,详细规范阶段开始。它规定每个接口的详细信息。在接口的详细规范过程中,标准化组织可能会发现需要重新审视架构阶段甚至需求阶段的某些决策。

最后是测试和验证阶段。通常它不是实际规范的一部分,而是通过供应商自己的测试以及供应商之间的互操作测试来进行。这个阶段是对规范的最终验证。在测试和验证阶段,可能会发现规范中的错误,这些错误可能会导致对详细规范的变更。虽然不常见,但有可能也需要对架构或需求进行更改。要验证规范就需要产品,因此,在详细规范阶段之后(或期间)厂家会开始产品的实现。当用于验证设备是否满足技术要求的测试规范趋于稳定时,测试和验证阶段就结束了。

通常,从规范完成到商用产品面市大约需要一年时间。

3GPP由三个技术规范组(Technical Specifications Groups,TSG)组成(见图2-9),其中TSG RAN(Radio Access Network,无线接入网)负责定义无线接入的功能、需求和接口。TSG RAN包括六个工作组(working group,WG):

    1. RAN WG1,负责物理层规范。
    1. RAN WG2,负责层2和层3无线接口规范。
    1. RAN WG3,负责固定的RAN接口——例如RAN中的节点之间的接口,以及RAN和核心网之间的接口。
    1. RAN WG4,负责射频(RF)和无线资源管理(radio resource management,RRM)性能要求。
    1. RAN WG5,负责终端一致性测试。
    1. RAN WG6,负责GSM/EDGE的标准化(以前在称作GERAN的单独的TSG中)和HSPA(UTRAN)。

作为IMT-2000、IMT-Advanced的一部分,3GPP在工作中会考虑相关的ITU-R建议书,其工作成果也会提交给ITU-R,NR现在作为IMT-2020的候选技术也会这样做。3GPP的合作伙伴有义务确定自己的区域性要求,这些要求可能会导致不同的标准选项。例如该区域的频段和本地的特殊保护性要求。规范考虑了全球漫游和终端流通的要求。这意味着许多区域性要求本质上将是对所有终端的全球性要求,因为漫游终端必须满足所有区域要求当中最严格的要求。因此,相对于终端,规范中的区域性选项更多是针对基站的。

在每次TSG会议后,可能会对所有版本的规范进行更新。TSG每年举行四次会议。3GPP的文档分为不同的版本,其中每个版本与先前版本相比都有一些新添加的功能。这些功能是在TSG确定的工作项目中定义的。LTE的规范从Release 8开始制定,LTE Release 10是ITU-R批准的第一个IMT-Advanced技术版本,也是第一个被称作LTE-Advanced的版本。从Release 13开始,LTE的市场名称更改为LTE-Advanced Pro。有关LTE的概述,参见第4章。

NR的第一个版本是3GPP Release 15。第5章是NR的概述,更多细节在本书其他章节中予以描述。

3GPP技术规范(Technical Specification,TS)包含多个系列,编号为TS XX.YYY,其中XX是规范系列的编号,YYY是系列中的规范编号。以下规范系列定义了3GPP中的无线接入技术:

  • 25系列:UTRA(WCDMA / HSPA)的无线部分;
  • 45系列:GSM/EDGE的无线部分;
  • 36系列:LTE,LTE-Advanced和LTE-Advanced Pro的无线部分;
  • 37系列:与多种无线接入技术有关的部分;
  • 38系列:NR的无线部分。

2.4.2 作为IMT-2020候选技术的3GPP 5G规范

当ITU-R开始着手下一代接入技术的定义和评估时,3GPP也开始定义下一代3GPP无线接入技术。2014年3GPP举办了关于5G无线接入的研讨会,并于2015年初举办了第二次研讨会,开始了制定5G评估标准的征程。评估将遵循LTE-Advanced所使用的流程,当时LTE-Advanced经评估提交给ITU-R,并作为IMT-Advanced的一部分被批准为4G技术。NR的评估和提交按照2.2.3节中描述的ITU-R时间表进行。

3GPP TSG RAN在TR 38.913中规定了5G无线接入??场景、需求和评估标准,这和ITU-R报告相一致。正如IMT-Advanced评估时的情况,3GPP对下一代无线接入的评估可能比ITU-R对ITU-R WP5D定义的IMT-2020无线接口技术的评估覆盖的范围更广,并且要求更严格。

NR的标准化工作开始于Release 14的一个研究项目,Release 15又新建立了一个工作项目以继续这项工作,并制定出了第一批NR标准。Release 15的第一批NR标准于2017年12月发布,完整的NR标准则于2018年中期面世。关于NR规范制定的时间安排和NR版本内容的更多信息,参阅第5章。

在2018年2月举行的WP8D会议上3GPP首次提交了作为ITU-R IMT-2020候选技术的NR。NR既是作为RIT本身提交,也和LTE一起作为SRIT(set of component RITs)提交。本次共提交了以下三个候选技术,每个都包含3GPP制定的NR:

  • 3GPP提交了一个名为“5G”的候选技术,包含两个提交内容:第一个是包含两个RIT组件的SRIT,即NR和LTE。第二个是一个单独的RIT,即NR。
  • 韩国提交了作为RIT的NR,它以3GPP为参考。
  • 中国提交了作为RIT的NR,也是以3GPP为参考。

3GPP将根据图2-4中描述的流程向ITU-R做进一步的提交,以便提供作为IMT-2020候选技术的NR的更多细节。3GPP针对2019年ITU-R的评估阶段,也已开始着手进行自我评估的仿真工作。

作者简介:

埃里克·达尔曼(Erik Dahlman)

爱立信公司研究院高级专家,从事移动通信研究20多年,参与2G、3G、4G、5G的研究和标准化工作,拥有多项通信技术专利和奖项,共同出版《3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband》《4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G》等多部经典技术专著。

斯特凡·巴克浮(Stefan Parkvall)

爱立信公司研究院高级专家,IEEE Fellow,从事移动通信研究20多年,参与2G、3G、4G、5G的研究和标准化工作,拥有多项通信技术专利和奖项,共同出版《3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband》《4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G》等多部经典技术专著。

约翰·舍尔德(Johan Skld)

爱立信公司研究院主任工程师,从事移动通信研究30多年,参与2G、3G、4G、5G的研究和标准化工作,共同出版《3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband》、《4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G》等多部经典技术专著。

译者简介:

朱怀松,2004年毕业于北京邮电大学并获硕士学位。 现任爱立信中国研发部多天线高级专家。长期从事无线基站的开发工作,主要研究领域包括多天线信号处理和系统性能分析等。工作期间获得专利100余项。

王剑,1994年毕业于西北工业大学计算机系并获硕士学位。 现任爱立信中国研发部无线基带产品研发经理。从2G开始从事移动通信核心网和无线接入网产品管理、研发及标准化工作。工作期间获得多项国际专利。

刘阳,2003年毕业于西安交通大学电信学院并获硕士学位。现任爱立信中国研发部主任系统工程师,从事无线接入网产品研发,经历了3G、4G到5G一系列基站产品,主要负责无线资源管理等算法的研究和产品化。

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