5G 第一个演进版本 R16 冻结，相比 R15 有哪些升级？

7月3日23时，国际标准化组织 3GPP （3rd Generation Partnership Project）终于宣布 5G标准第二版规范 Release 16 冻结，这也标志着5G第一个演进版本标准完成。R16是3GPP史上第一个通过非面对面会议审议完成的技术标准，不过之后 Release 17 有可能因疫情影响推迟。

国际电信联盟ITU为5G定义了三大应用场景，即eMBB（增强型移动宽带）、mMTC（海量机器类通信）、uRLLC（超可靠、低时延通信）。

3GPP于2018年冻结了5G第一版R15。R15在制定过程中，力求以最快的速度产出“能用”的标准，满足了5G多方面的基本功能，解决了5G三大场景中的eMBB。 而刚完成的 Release 16 实现了从“能用”到“好用”， 属于5G增强版本，主要研究内容为eMBB功能增强、毫米波增强、uRLLC增强功能等，补足了另外两个三角的能力，即uRLLC和mMTC。

5G标准最新时间表（图自：3GPP）

“向垂直行业扩展”和“功能增强”是R16的重头戏，控制工程网对这两大类进行了详细介绍。

向垂直行业扩展

　　5G+TSN

　　为了扩大潜在的工业互联网用例，比如工厂自动化、电网配电自动化等，R16支持5G与TSN（Time Sensitive Networking，时间敏感网络）集成。

　　什么是TSN？

　　传统以太网技术只能实现“尽力而为”的通信，无法满足工业制造应用的高可靠、低时延需求，因此，面向工业自动化需将传统“尽力而为”的以太网升级为可提供“确定性”服务。

　　同时，现有的工业协议众多，彼此孤立，各种协议使用不同的“语言”，一方面给实时通信带来了难度，另一方面难以实现统一集成，增加了维护和运营成本。

　　在这样的背景下，TSN应运而生，它由IEEE定义标准，可基于标准以太网技术提供确定性服务，并提供标准化统一的、经济的解决方案。

　　5G+TSN，即5G系统与TSN网络集成，基于5G uRLLC的低时延高可靠能力，满足TSN架构的四大严苛的功能需求：时间同步、低时延传输、高可靠性和资源管理。5G与TSN融合后，可通过5G NR无线替代工厂内的有线网络，让工业生产更加柔性化。

　　uRLLC增强

　　为了支持工业领域的低时延、高可靠通信需求，在3GPP R15版本中，主要通过更大的子载波间隔（numerology）、Mini-slots、快速HARQ-ACK、Pre-scheduling等技术来降低空口时延，并通过PDCP复制传输、增强数据与控制信道的传输系统参数等技术来提升传输可靠性。

　　R16版本将通过PDCCH监视功能、支持多个HARQ-ACK、无序PUSCH调度、UE优先级和多路复用等多个功能来进一步增强uRLLC。

　　比如在可靠性增强方面，R15支持两条支路的PDCP层分集传输，即数据包在PDCP层复制，再通过在两条无线链路上传输相同的数据的方式，来抵御无线环境恶化带来的影响，保障通信链路的可靠性。为了进一步增强可靠性，R16对 PDCP复制机制进行了增强，最高可支持4路复制数据传输，同时增强了对激活/去激活PDCP复制的控制。

　　非公共网络（NPN）

　　NPN，Non-Public Network，就是基于3GPP 5G系统架构的专用网络，它将5G扩展到传统的公共移动网络之外，对于使能垂直行业数字化转型至关重要。

　　NPN包括两种部署方式：独立部署和非独立部署，即SNPN（独立的非公共网络）和PNI-NPN（公共网络集成NPN）。

　　在非独立部署模式下，垂直行业可基于5G网络切片技术与运营商共享RAN、共享核心网控制面，或共享整个端到端5G公网（即端到端网络切片）等来建设5G专网。

　　在独立部署模式下，垂直行业独立部署从基站到核心网到云平台的整个5G网络，可以与运营商的5G公网隔离。这意味着，工厂或园区内的设备信息、控制面信令流量、用户面数据流量等都不会出园区，可满足工业领域严苛的数据安全、低时延和高可靠需求。当然，对于园区内的语音、上网等非生产型业务，也可以通过防火墙与运营商公网互连。

　　那在独立部署模式下，垂直行业的频谱资源从哪里来呢？可以向运营商租用，也可以从监管机构申请，比如德国和日本就专门为垂直行业分配了专网频段，工业巨头们向政府申请并支付相应的费用就可以使用了。

　　NR-U

　　运营商的5G公网工作于授权频谱，它是提供广覆盖、高质量5G无线服务的基石，但5G公网也需要非授权频谱来补充容量，就像今天的LTE与Wi-Fi共存互补一样。

　　于是5G NR-U来了。

　　5G NR-U,全称5G NR in Unlicensed Spectrum，即工作于非授权频谱的5G NR。它将5G NR工作于5GHz和6GHz的非授权频段。

　　5G NR-U包括两种模式：LAA NR-U（授权频谱辅助接入NR-U）和Stand-alone NR-U（独立NR-U）。

　　LAA NR-U依托于运营商的授权频谱，将运营商的NR授权频谱作为锚点来“聚合”非授权频段，以利用未授权频谱资源增强运营商网络容量和性能，尤其适用于一些人群集中的室内场所，比如体育馆和购物中心等。

　　Stand-alone NR-U不需要授权频谱做锚点，可完全独立地在非授权频谱上部署单个5G接入点或5G专网。这和今天企业自建Wi-Fi网络的模式一样，只不过使用的是5G NR技术。

　　5G LAN

　　5G局域网支持在一组接入终端间构建二层转发网络，并通过5G SMF与UPF的交互实现终端组内数据交换和用户面路径选择。5G LAN提供了组管理服务，使第三方（AF）可以创建、更新和删除组，以及处理网络中的5G虚拟网络（VN）配置数据和组成员UE的配置。

　　5G V2X

　　众所周知，蜂窝车联网（C-V2X）旨在把车连到网，以及把车与车、车与人、车与道路基础设施连成网，以实现车与外界的信息交换，包括了V2N（车辆与网络/云）、V2V（车辆与车辆）、V2I（车辆与道路基础设施）和V2P（车辆与行人）之间的连接性。

　　V2X消息可以通过Uu接口在基站和UE之间传输，也可通过Sidelink接口（也称为PC5）在UE之间的直接传输，即设备与设备之间直接通信。

　　为了将蜂窝网络扩展到汽车行业，3GPP在R14引入了LTE V2X，随后在R15对LTE V2X进行了功能增强，包括可在Sidelink接口上进行载波聚合、支持64QAM调制方式，进一步降低时延等。

　　进入5G时代，3GPP R16版本正式开始对基于5G NR的V2X技术进行研究，以通过5G NR更低的时延、更高的可靠性、更高的容量来提供更高级的V2X服务。

　　R16版本的NR V2X与LTE V2X互补和互通，定义支持25个V2X高级用例，其中主要包括四大领域：

　　●车辆组队行驶，其中领头的车辆向队列中的其他车辆共享信息，从而允许车队保持较小的车距行驶。

　　●通过扩展的传感器的协作通信，车辆、行人、基础设施单元和V2X应用服务器之间可交换传感器数据和实时视频，从而增强UE对周围环境的感知。

　　●通过交换传感器数据和驾驶意图来实现自动驾驶或半自动驾驶。

　　●支持远程驾驶，可帮助处于危险环境中的车辆进行远程驾驶。

　　NR定位

　　5G时代大量的应用需要精准定位，比如工业AGV、资产追踪等，尤其是室内精准定位，可卫星定位在室内无法使用，LTE和WiFi定位技术又不精准，为此，5G在R16版本中增加了定位功能，其利用MIMO多波束特性，定义了基于蜂窝小区的信号往返时间（RTT）、信号到达时间差（TDOA）、到达角测量法（AoA）、离开角测量法（AoD）等室内定位技术。

　　通过这些定位技术，对于对定位精度要求更为严格的一些商业用例，至少需达到以下要求：

　　●对于80％的UE，水平定位精度优于3米（室内）和10米（室外）。

　　●对于80％的UE，垂直定位精度优于3米（室内和室外）。

功能增强

　　2-STEP RACH

　　RACH，即随机接入信道，它是5G终端开机时向5G网络发出的第一条消息，因此对其进行优化设计非常重要。

　　在R15版本中，基于竞争的随机接入过程是一个四步过程（如下图）。四步随机接入过程需要在UE和基站之间进行两个往返周期，这不仅增加了等待时间，还导致了额外的控制信令开销。

　　在R16版本中，采用了两步随机接入的机制，其将前导preamble（Msg1）和Scheduled Transmission （Msg3）合并为MsgA，将Random Access Response（Msg2）和Contention Resolution消息（Msg4）合并为MsgB。

　　IAB

　　IAB，Integrated Access and Backhaul for NR，即5G NR集成无线接入和回传，其可通过扩展NR以支持无线回传来替代光纤回传。

　　IAB尤其适用于5G毫米波。由于毫米波传输距离短，需要部署密集的微站，意味着需要挖沟架线敷设密集的光纤回传，而IAB通过无线回传替代光纤，可以大幅降低部署难度和成本。

　　在IAB技术下，接入链路可以与回传链路使用相同的频段，称为带内工作；也可采用不同的频段，称为带外工作。

　　移动性增强

　　在传统4G网络和5G R15版本中，移动终端从源小区切换到目标小区时，移动终端会在短时间内无法发送或接收数据。具体的讲，移动终端与目标小区建立连接之前通常会释放与源小区的连接，这会导致网络与移动终端之间存在约几十毫秒内的中断。

　　同时，在NR高频段波束赋形中，由于需进行波束扫描，可能会导致切换中断时间比LTE更长，且可能导致更多的无线链路故障，从而降低可靠性。

　　这是个大问题，5G智能制造、车联网、电网配网自动化等场景要求时延不过几毫秒，且对可靠性要求苛刻。

　　为了减少切换中断时间和提高可靠性，R16采用了Dual Active Protocol Stack (DAPS)技术对NR的移动性进行了增强，其允许移动终端在切换时始终保持与源小区连接，直到与目标小区开始进行收发数据为止。也就是说，在切换过程这段极短的时间里，移动终端同时从源小区和目标小区接收和发送数据。

　　双连接和载波聚合增强

　　R16增强了双连接和载波聚合功能，包括通过更早的测量报告减少载波聚合和双连接的建立和激活时间，最小化小区建立和激活所需的信令开销和等待时间，快速恢复MCG链路，支持不同numerologies的载波聚合小区的跨载波调度等等。

　　MIMO增强

　　R16增强了波束管理和CSI反馈，支持多个传输点（multi-TRP）到单个UE的传输，以及多个UE天线在上行链路的全功率传输，这些增强功能可提升速率，提升边缘覆盖，减少开销和提升链路可靠性。

　　UE节能

　　由于5G NR更灵活、带宽更大、速率更高，NR终端设备比LTE更耗电。为了减少终端功耗，R16引入了一些新的节能功能，比如Wakeup singal，增强跨时隙调度，自适应MIMO层数量，UE省电辅助信息等。

R16花了整整4年，R17预计将延期冻结

4G从R8到R15历经了8个版本，5G从R15到R16经历了2个版本和4年的时间跨度，整体完成度为30%左右，由于每个版本的时间有限，5G还有大量未完待续的工作。

R16标准还会带来手机芯片能力的升级，芯片厂商大约要花一年时间完成R16标准下手机芯片的量产。

另外值得关注的是，Strategy Analytics对3GPP 5G标准（R15及R16）的贡献调查报告显示，在参与3GPP 5G标准制定的全球600余家公司中，贡献度排名前5位的公司分别为华为，爱立信，诺基亚，高通和中国移动，中国公司占据两席。

至于下一版 Release 17 （R17）研究课题于2019年12月确定，主要涉及“天地一体化”。一是5G的MBMS（广播组播）能力，其实这一能力在3G、4G网络中已经有了，但5G MBMS将更匹配用户使用APP的习惯；二是天地空一体化通信，包括上星基站，基站可能部署在卫星上，实现卫星通信；还有对空基站，利用地面基站覆盖整个航线。此外，切片技术、人工智能如何提高5G性能领域也要进一步开拓；卫星、无人机与5G网络的融合也会在R17中展开。

R17重点之一就是加入 NR-Light 标准，容许低耗电可穿戴设备和工业用传感器等使用 5G 网络，最高可达 100Mbps 下载和 50Mbps 上传。此外，也会加入更高频的毫米波支持及更精确的定位能力。原本虽然预计 2021 年9月冻结，但现在可能会延到 2022 年。

责编：Luffy Liu

本文综合自3GPP、控制工程网、Unwired Pro、人民邮电报、经济日报、C114、澎湃新闻报道