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何为5G-A？

原创 无线深海 2024-08-18 09:59
TI MCU方案：电动汽车实时控制 【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的能源设施应用方案

作者 / 蜉蝣采采

文章字数  / 6000

2024年，中国5G商用已满5周年。

业界的惯例是，每过10年，移动通信就会发展一代。当此之时，5G已经步入后半程，6G标准正蓄势待发。
2024年，也被称作5G-A（5G-Advanced）元年。
5G-A作为5G后半程的技术演进和场景扩展，将引入哪些新功能，支持哪些新业务？5G-A将如何上承5G的辉煌，下启6G的光芒？
我一直想写一篇5G-A的介绍，但这个主题太过庞杂，因此一直“视为止，行为迟”。近两年来，我就如盲人摸象一般，由局部到整体，大体了解了5G-A的全貌之后，才终于动手开始。
    5G-A的定义
对于承上启下的“半代”技术命名，往往有协议的官方名称，又有厂家及运营商为抢占市场的品牌名称，比较热闹。
比如，在4G和5G之交的时候，3GPP协议的命名是LTE-Advanced Pro，有外国人名字的感觉，主打一个冗长。运营商和设备商就比较放飞了，有4G+、4.5G、Pre5G、5G plugin等等，绝不能在气势上落了下风。
如今到了5G和6G之交，3GPP对5G演进的命名跟之前如出一辙，R18之后的协议就叫做5G-Advanced，简称5G-A，比之前清爽了许多。
设备商这边，华为最早出手，延续4G时代的套路，在3GPP之前就打出了5.5G的概念，把5G定义的三大场景扩展为六个，实现从三角形到六边形的演进。六边形在移动通信行业有着图腾一样的含义，看起来舒服极了。
然而跟4G时代不同的是，业界并没有跟风整各种眼花缭乱的5G-A品牌名，都实实在在地沿用3GPP起的名称：5G-A。这让5G-A这顶帽子的曝光率大增，成为了业界通用语言。
那么，5G-A到底包括了哪些核心技术和应用场景呢？各大运营商和设备商都对5G-A技术和场景提出了自己的看法。
比如，华为的5.5G在5G标准的增强型超宽带、海量机器类型通信和超高可靠低时延通信这三大场景的基础上增加了上行超宽带、宽带实时交互和通信感知融合。
中国移动在《5G-Advanced创新链产业链融合行动计划》中提出了卓越网络、智生智简和低碳高效三大方向，并总结出了5G-A十大技术。相对应的，在2024年世界移动大会上，中国移动还发布了5G-A十大创新成果。
业界对5G-A的这些愿景和定义虽说方向上大差不差，但总得有一个大家共同认可的收敛目标，这样才好相互交流合作。
咱们就以中国IMT-2020（5G）推进组官方给出了5G-A应用场景来展开介绍。
可以看出，IMT-2020（5G）推进组将最中间5G的三大场景扩展为5G-A的六大场景，分别为沉浸实时、智能上行、工业互联、通感一体、千亿物联、天地一体。
下面，我们将看看5G-A这六大场景都指的是啥。
    沉浸实时
有一类业务，业界从3G时代就开始宣传，一直到5G还没普及。这就是虚拟现实VR。VR再加上增强现实AR和混合现实MR，统称为XR。
戴上VR头显，我们可以深度沉浸、实时地进入“元宇宙”，感受“异世界”。VR的特点是网络带宽需求非常大，时延要非常低，如果网络条件不行，你感受到的将不是沉浸而是眩晕。
想详细了解VR的朋友可以看下这篇文章《从幻想到现实，VR从萌生到广为人知的那些事儿》。
VR由于高度沉浸，没法戴着逛街，但AR可以。AR眼镜通过在现实画面上叠加更多的辅助信息和交互指令，适用的场景更广。比如，减肥人士在吃饭时，只要看一眼食物就知道总共有多少卡路里，吃多了还能发出告警。
在技术上，5G-A标准已经对XR业务的特征进行了详细的建模，网络也可以实现精细化的XR体验保障。
相比技术实现，围绕XR领域的商业模式构建，设备和应用能否普及是更关键的问题。
相信大家都已经在一些VR体验馆或者博物馆里或多或少地体验过VR游戏和VR视频。有一个无法回避的问题是：用有线连接VR头显的效果最有保证，为什么要用无线呢？
有线虽好，但不是万能的。在有些多人大空间的VR游戏或者剧场中，人的活动范围是非常大的，拖着一根线跑显然不行，这就需要把画面渲染的电脑背在背上，再通过有线连接VR头显。背包方案的缺点是体验不好，又重又热。
那么，能不能用无线呢？最容易想到的无线局域网技术是Wi-Fi。事实上Wi-Fi也确实可用，但由于Wi-Fi用的是非授权频段，干扰难以控制，实测Wi-Fi支持的并发用户数也不太给力，只能小规模使用。
下面就要靠5G-A发挥作用了。采用毫米波频段，单小区容量可以达到十几个G，带上几十个用户轻轻松松，低时延也有成熟的保障方案。
我曾经体验过近期大火的VR大空间剧场项目“消失的法老”，并探讨过采用5G-A毫米波来实现免背包轻装上阵的可能性，详情见文章《消失的法老，VR觉醒的拂晓之光》。
除了XR之外，另一个有望实现5G-A商业掘金的技术是裸眼3D。

裸眼3D的沉浸体验肯定不如VR，但它主打一个简单快捷。只要你的手机或者平板支持裸眼3D，同时有裸眼3D片源，你就可以随时随地进入3D世界。
裸眼3D视频由于需要给两个眼球传递不同的信息，同时还要支持多用户，所需的网络带宽大幅增加，需要5G网络的支撑，用户多了的话目前的5G不一定能顶住，需要升级到可支持万兆（10Gbps+）体验的毫米波。
关于毫米波相关的内容，可以参考《毫米波，让5G回归初心》这篇文章。
毫米波的衰减大，盲区多，需要辅以大量低成本的信号中继。这些中继可以采用智能超表面（RIS）技术来智能扩展覆盖。关于RIS技术，详情见《智能超表面，6G时代的颠覆式技术揭秘》这篇文章。
    智能上行
在无线物联网发展之初，我们做的大多是“看”，即从网络上下载内容到本地来观看，自然而然地，下行流量占据统治地位。
随着短视频和直播的兴起，越来越多的人参与内容创作，这都需要进行频繁的视频上传，上行流量需求与日俱增。
此外，在多路监控视频回传、专业视频制作、工厂内的机器视觉检测等场景，也都需要占用大量的上行资源，对下行流量的需求很小。
因此，改变之前下行为主导的结构，进一步提升网络的上行能力，就成了5G-A的关键发展方向。
目前提升上行的方案主要是不同频段之间的帧结构互补聚合。比如，频段1的帧结构为下行为主，频段2的帧结构为上行为主，将这俩频段聚合起来，就实现了下行和上行资源接近1:1配置，同时支持大下行和大上行。
关于5G的上行问题的来龙去脉和多载波聚合解决方案，还可以参考《5G上行，真是让人操碎了心！》这篇文章。
如果只有一个载波，没法协同互补，又该怎么办呢？
目前协议也正在标准化一种叫做“子带全双工”的技术，可在TDD单载波上进一步划分上行和下行子带，实现类似FDD的上下行均衡资源配比的效果。简而言之，就是实现TDD和FDD的结合。
通过灵活调整上行和下行子带的大小，5G-A单载波可以实现大上行、大下行、上下行均衡等多种能力，并且保持时延最低。
子带全双工技术也叫“S-UDD（单载波时频统一双工）”。关于子带全双工，详情可参考下面这篇文章《子带全双工，5G梦想的妥协？》。
此外，提升上行能力还可以从终端侧想办法，这就是“UE聚合”。
我们经常能看到很多终端的距离不远，但它们之间的可能有的能力较弱，有的信号被遮挡，同时还有些终端的能力强信号好但流量没有拉满，UE聚合技术可以把这些终端聚合成一个整体，达到抱团取暖，以强补弱等效果。
    工业互联
突破传统2C赛道，进军工业互联网，开启新领域是5G的重要目标。
5G+工业互联网在智能制造工厂中的应用非常广泛，目前较为普遍的层级划分是工厂级、车间级和产线级这三个等级。
工厂级着重跨车间跨层级互联互通、多场景系统化应用，以及全要素生产率提升。车间级着重多产线多系统协同优化，促进数据价值充分释放。产线级用于核心生产环节，进行产线的设备连接、数据采集和融合应用。
其中，产线级属于OT域的核心，也是生产环节的关键。要将5G引入智能制造工厂的产线级应用，需要网络的带宽、时延、抖动、可靠性等指标达到极致的确定性。
3GPP早在R15版本就标准化了超可靠和低时延通信（URLLC）。在R16版本中，又添加了对时间敏感网络（TSN）的支持，并在R17中进一步增强。
TSN是在IEEE以太网技术基础上，针对时间敏感特性做了一定的扩展，以在特定时间窗口内，在没有丢包、没有由于拥塞引起的时延的情况下转发时间敏感数据包，包括时间同步、定时流量调度、帧复制和消除等功能。
其中，帧复制和消除功能也叫做“双发选收”，可将数据流复制成两个或多个副本，并通过不同的路径传输到目标节点，极大增强了网络的确定性。
在Rel18中，协议对时间敏感通信的支持进一步进行增强，使得网络能够提供更具扩展性的确定性通信。
    通感一体
在以前，基站就是用来通信的，用来打电话刷视频是一把好手，但是没法识别空中飞来一只鸟或者河上飘来一艘船，这些都是雷达的职责。
后来人们想明白了，既然基站和雷达都用的是电磁波，如果让基站分出来一点资源发射雷达的信号格式，岂不是就能把基站和雷达合体了？
这就是“通信感知一体化”，简称通感一体。
基站作为通信基础设施是无处不在的，且在铁塔上，电源、天线、传输等资源均具备，我们只需“顺势而为”，通过软件升级就可以拥有感知能力，何乐而不为呢？
下面是一些典型的通感一体化应用场景。
低空经济：把基站往天上打，通感一体技术可以识别无人机的位置、方向、高度、速度、距离，轨迹，支持无人机物流配送、集群表演、农林植保等应用。对于未经许可的“黑飞”无人机，基站还可以实现实时定位和追踪，供安防系统决策反制。
智慧交通：通感一体系统可利用通信基站站点高、覆盖广的特点，实时、大范围、感知车道流量和车速信息，同时检测行人或动物道路入侵，有效实施道路监管，保障交通安全和提升交通效率。
关于通感一体的详情，请参考《通感一体化：基站和雷达也能合体？》这篇文章。
    千亿物联
蜂窝物联网的发展源远流长。从2G开始，GPRS开始支持分组数据业务，自然也就广泛地用于物联网。时至今日，基于GPRS的物联网设备也还在顽强生存。3G自然也不例外，也可用于物联网。
到了4G时代，专为物联网而制定的技术标准开始出现，Cat 0、Cat 1和Cat M（LTE-M，又叫eMTC）都是专为物联网设计的。NB-IoT（Cat NB）更是树立了低功耗广域物联网的典范。
到了5G时代，物联网技术更加细分。eMBB、mMTC和uRLLC这三大场景都适用于物联网。eMBB可用于高速率的物联网，mMTC专为海量的低速物联网设计，uRLLC则用于超低时延高可靠的确定性物联网。
为了弥补中速物联网标准的缺失，在5G-A阶段又引入了RedCap，目标是取代4G的中速物联网技术eMTC。目前，运营商最大规模开通并积极打造应用落地的5G-A技术，正是RedCap。
RedCap不是指红帽子，实际是由英文Reduced Capability的前三个字母合成，也就是缩减能力的意思，也被称作轻量化5G。叫它阉割版5G也行。
RedCap对终端的能力缩减可谓大刀阔斧。载波带宽从100MHz缩减为20MHz，天线配置从2T4R减少到1T1R或1T2R，最小下行MIMO层数减少至1，调制阶数最低可支持64QAM，引入了半双工模式。
虽说RedCap把能力降为了“5G版本的4G”，但还是能满足大量的中速物联网需求的，比如工业传感器、摄像头回传、可穿戴设备等等。
如想详细了解RedCap，可以阅读这篇文章《RedCap，5G的“二次革命”》。
然而，即使5G-A补上了RedCap这块拼图，物联网的规模仍然达不到“千亿”。这是因为在智能工厂、物流仓储、环境监测等场景里，依然存在大量需要极低联网成本、极低传输速率的设备。
这就需要“零功耗”的无源物联网。
无源物联网，不用连接电源，更无需配置电池，仅靠收集环境中的光、热、风、浪、声、电磁辐射、机械震动等能量就能完成低功耗计算和通信，并且可以长期工作。
目前无源物联网标准还在制定中，产业链发展尚处于早期。
假以时日，无源物联网技术将成为5G-A时代“千亿物联”的底座，依托其低功耗、低成本、小体积、易部署、免维护等优势实现一切设备的应连尽连。
如想详细了解无源物联网，可以阅读这篇文章《什么是无源物联网？一文看懂！》。
    天地一体
这里的“天”是指太空，“地”是指地面。天地一体自然是基站由卫星驮着在天上飘，和地面上的基站形成立体覆盖，从而打造全球无缝服务网络。
在以前，天上的卫星负责卫星通信，地上的基站负责地面通信，两者平行发展，有竞争但更多的是合作关系。
在5G时代，业界希望构建一张空天地一体的5G网络。
跟地面上的5G网络相比，这种飘在天上的5G网络自然就叫做“非地面网络（Non-Terrestrial Network）”，简称作NTN。
广义的NTN包含的范围很广，有无人机、地对空通信、高空基站、卫星网络等等。基于卫星的NTN自然是最受关注的重点，因此在一般情况下，我们说的NTN都是基于卫星的。
下图是3GPP对于NTN技术标准化的进展及计划。在R15和R16，5G NTN处于研究阶段。从R17开始，5G NTN的接入技术已开始标准化，并将在后续版本不断向前推进。
NTN的思路是：5G基站甚至5G核心网都可以部署在低轨卫星上，直接和用户的手机相连，相当于无时无刻在空中飘荡的5G网络，服务质量更佳。
如想详细了解5G-A星地互联网络，可以参阅这篇文章《5G，上天了！卫星和基站擦出了火花？》。
    内生智能
智能化没有包含在IMT-2020（5G）推进组提出的5G-A应用场景里。它更多地作为一个基础能力，位于六边形的中心，支撑其他场景更好地实现。
在各大展会及论坛上，“ALL in AI，AI for All”不仅仅是口号，AI已经和通信系统深度融合。甚在有些方面AI已经成为了主角，形成了通信×AI的乘数效应。
在5G以及5G-A标准的制定过程中，业界也早已认识到了AI的优势，并试图把一些流程用AI来优化赋能。
早在5G标准的第一个版本R15，3GPP就定义了一个全新的核心网网元——NWDAF。
NWDAF从各种核心网网元、应用、运维系统以及运营支持系统收集数据，然后对这些数据进行分析，以提供有关网络性能和健康状况的建议及处理方案。
从R17阶段开始，3GPP开始研究怎样把AI引入基站及终端，首先考虑的是网络节能、负荷均衡以及移动性优化等基础功能。
AI在RAN（Radio Access Network，无线接入网）侧的基本运行结构如下图所示：
目前已在R17阶段研究并在R18阶段标准化的RAN侧AI主要是网络节能、负荷均衡以及移动性优化。
在R18阶段，3GPP研究了CSI反馈增强、毫米波波束管理以及定位精度增强这三个AI应用，跨入了系统和终端协作新时代。
R19将研究新的AI/ML用例。AI/ML的数据和模型可能会不经过5G网络直接在设备之间共享。这就需要进一步研究隐私保护以及能耗降低等问题。
关于内生智能的详情，请参考《人工智能，如何赋能5G-A？》这篇文章。
    关于6G
其实，5G-A愿景的定义过程是漫长的，在ITU发布6G愿景之后才得以在业界正式确认。
这是因为，5G-A不仅仅是对5G的演进，更是对6G的衔接。要定义好5G-A，必然要从6G去倒推。

上面这幅图是ITU的6G愿景。我们这里简单地和前面介绍的在IMT-2020（5G）5G-A应用场景做一个比较。
沉浸式通信：和前面说的“沉浸实时”几乎完全一致。
AI通信融合：前面也提到过，AI内生是5G-A的主旋律之一，到了6G将升级到AI原生。
超可靠低时延通信：用于工业互联的确定性网络技术也属于超可靠低时延通信。6G跟5G/5G-A不同，最前面的“超”字的英文从Ultra变成了Hyper。Ultra指“超出极限”，强调数量级上的变化；Hyper指“高到极点”，强调已经由量变发生了质变。
泛在连接：前面说天地一体，可实现整个地球的无缝连接，和泛在连接的含义一致。
超大规模通信：这个和5G的mMTC基本一致。前面说到的千亿物联，也是超大规模通信的另一种表述方式。
通感一体：跟前面说的5G-A定义的通感一体完全一致。在5G-A时代进行技术先验，场景先探，后续将和6G无缝衔接。
    写在最后
在本文开头，我提到了盲人摸象的故事。套用在5G-A上，通过不断深入探索各个应用场景和关键技术，我们终于对5G-A有了一个整体的了解，但这还是远远不够的。
还有一个庖丁解牛的故事。庖丁在刚开始解牛的时候，眼中看到的都是完整的牛，解牛时常常无从下手。三年之后，庖丁的对牛的身体构造了如指掌，做到了“目无全牛”，解牛时游刃有余。
对5G-A的理解的历程亦是如此。

— END —



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