3GPP宣布完成5G標(biāo)準(zhǔn)第二版規(guī)范R16

日前，3GPP 宣布完成 5G 標(biāo)準(zhǔn)第二版規(guī)范 R16。

那 R16 究竟講了些什么？

考慮向垂直行業(yè)擴(kuò)展是 R16 的重頭戲，本文將 R16 主要功能分為“向垂直行業(yè)擴(kuò)展”和“功能增強(qiáng)”兩大類進(jìn)行介紹。

向垂直行業(yè)擴(kuò)展

5G + TSN

為了擴(kuò)大潛在的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)用例，比如工廠自動(dòng)化、電網(wǎng)配電自動(dòng)化等，R16 支持 5G 與 TSN（Time Sensitive Networking，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）集成。

什么是 TSN？

傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)“盡力而為”的通信，無法滿足工業(yè)制造應(yīng)用的高可靠、低時(shí)延需求，因此，面向工業(yè)自動(dòng)化需將傳統(tǒng)“盡力而為”的以太網(wǎng)升級為可提供“確定性”服務(wù)。

同時(shí)，現(xiàn)有的工業(yè)協(xié)議眾多，彼此孤立，各種協(xié)議使用不同的“語言”，一方面給實(shí)時(shí)通信帶來了難度，另一方面難以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一集成，增加了維護(hù)和運(yùn)營成本。

在這樣的背景下，TSN 應(yīng)運(yùn)而生，它由 IEEE 定義標(biāo)準(zhǔn)，可基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)提供確定性服務(wù)，并提供標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一的、經(jīng)濟(jì)的解決方案。

5G + TSN，即 5G 系統(tǒng)與 TSN 網(wǎng)絡(luò)集成，基于 5G uRLLC 的低時(shí)延高可靠能力，滿足 TSN 架構(gòu)的四大嚴(yán)苛的功能需求：時(shí)間同步、低時(shí)延傳輸、高可靠性和資源管理。5G 與 TSN 融合后，可通過 5G NR 無線替代工廠內(nèi)的有線網(wǎng)絡(luò)，讓工業(yè)生產(chǎn)更加柔性化。

uRLLC 增強(qiáng)

為了支持工業(yè)領(lǐng)域的低時(shí)延、高可靠通信需求，在 3GPP R15 版本中，主要通過更大的子載波間隔（numerology）、Mini-slots、快速 HARQ-ACK、Pre-scheduling 等技術(shù)來降低空口時(shí)延，并通過 PDCP 復(fù)制傳輸、增強(qiáng)數(shù)據(jù)與控制信道的傳輸系統(tǒng)參數(shù)等技術(shù)來提升傳輸可靠性。

R16 版本將通過 PDCCH 監(jiān)視功能、支持多個(gè) HARQ-ACK、無序 PUSCH 調(diào)度、UE 優(yōu)先級和多路復(fù)用等多個(gè)功能來進(jìn)一步增強(qiáng) uRLLC。

比如在可靠性增強(qiáng)方面，R15 支持兩條支路的 PDCP 層分集傳輸，即數(shù)據(jù)包在 PDCP 層復(fù)制，再通過在兩條無線鏈路上傳輸相同的數(shù)據(jù)的方式，來抵御無線環(huán)境惡化帶來的影響，保障通信鏈路的可靠性。為了進(jìn)一步增強(qiáng)可靠性，R16 對 PDCP 復(fù)制機(jī)制進(jìn)行了增強(qiáng)，最高可支持 4 路復(fù)制數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)增強(qiáng)了對激活/去激活 PDCP 復(fù)制的控制。

非公共網(wǎng)絡(luò)（NPN）

NPN，Non-Public Network，就是基于 3GPP 5G 系統(tǒng)架構(gòu)的專用網(wǎng)絡(luò)，它將 5G 擴(kuò)展到傳統(tǒng)的公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之外，對于使能垂直行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型至關(guān)重要。

NPN 包括兩種部署方式：獨(dú)立部署和非獨(dú)立部署，即 SNPN（獨(dú)立的非公共網(wǎng)絡(luò)）和 PNI-NPN（公共網(wǎng)絡(luò)集成 NPN）。

在非獨(dú)立部署模式下，垂直行業(yè)可基于 5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)與運(yùn)營商共享 RAN、共享核心網(wǎng)控制面，或共享整個(gè)端到端 5G 公網(wǎng)（即端到端網(wǎng)絡(luò)切片）等來建設(shè) 5G 專網(wǎng)。

在獨(dú)立部署模式下，垂直行業(yè)獨(dú)立部署從基站到核心網(wǎng)到云平臺的整個(gè) 5G 網(wǎng)絡(luò)，可以與運(yùn)營商的 5G 公網(wǎng)隔離。這意味著，工廠或園區(qū)內(nèi)的設(shè)備信息、控制面信令流量、用戶面數(shù)據(jù)流量等都不會出園區(qū)，可滿足工業(yè)領(lǐng)域嚴(yán)苛的數(shù)據(jù)安全、低時(shí)延和高可靠需求。當(dāng)然，對于園區(qū)內(nèi)的語音、上網(wǎng)等非生產(chǎn)型業(yè)務(wù)，也可以通過防火墻與運(yùn)營商公網(wǎng)互連。

那在獨(dú)立部署模式下，垂直行業(yè)的頻譜資源從哪里來呢？可以向運(yùn)營商租用，也可以從監(jiān)管機(jī)構(gòu)申請，比如德國和日本就專門為垂直行業(yè)分配了專網(wǎng)頻段，工業(yè)巨頭們向政府申請并支付相應(yīng)的費(fèi)用就可以使用了。

NR-U

運(yùn)營商的 5G 公網(wǎng)工作于授權(quán)頻譜，它是提供廣覆蓋、高質(zhì)量 5G 無線服務(wù)的基石，但 5G 公網(wǎng)也需要非授權(quán)頻譜來補(bǔ)充容量，就像今天的 LTE 與 Wi-Fi 共存互補(bǔ)一樣。

于是 5G NR-U 來了。

5G NR-U，全稱 5G NR in Unlicensed Spectrum，即工作于非授權(quán)頻譜的 5G NR。它將 5G NR 工作于 5GHz 和 6GHz 的非授權(quán)頻段。

5G NR-U 包括兩種模式：LAA NR-U（授權(quán)頻譜輔助接入 NR-U）和Stand-alone NR-U（獨(dú)立 NR-U）。

LAA NR-U 依托于運(yùn)營商的授權(quán)頻譜，將運(yùn)營商的 NR 授權(quán)頻譜作為錨點(diǎn)來“聚合”非授權(quán)頻段，以利用未授權(quán)頻譜資源增強(qiáng)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)容量和性能，尤其適用于一些人群集中的室內(nèi)場所，比如體育館和購物中心等。

Stand-alone NR-U 不需要授權(quán)頻譜做錨點(diǎn)，可完全獨(dú)立地在非授權(quán)頻譜上部署單個(gè) 5G 接入點(diǎn)或 5G 專網(wǎng)。這和今天企業(yè)自建 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的模式一樣，只不過使用的是 5G NR 技術(shù)。

5G LAN

5G 局域網(wǎng)支持在一組接入終端間構(gòu)建二層轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)，并通過 5G SMF 與 UPF 的交互實(shí)現(xiàn)終端組內(nèi)數(shù)據(jù)交換和用戶面路徑選擇。5G LAN 提供了組管理服務(wù)，使第三方（AF）可以創(chuàng)建、更新和刪除組，以及處理網(wǎng)絡(luò)中的 5G 虛擬網(wǎng)絡(luò)（VN）配置數(shù)據(jù)和組成員 UE 的配置。

5G V2X

眾所周知，蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）旨在把車連到網(wǎng)，以及把車與車、車與人、車與道路基礎(chǔ)設(shè)施連成網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)車與外界的信息交換，包括了 V2N（車輛與網(wǎng)絡(luò)/云）、V2V（車輛與車輛）、V2I（車輛與道路基礎(chǔ)設(shè)施）和 V2P（車輛與行人）之間的連接性。

V2X 消息可以通過 Uu 接口在基站和 UE 之間傳輸，也可通過 Sidelink 接口（也稱為 PC5）在 UE 之間的直接傳輸，即設(shè)備與設(shè)備之間直接通信。

為了將蜂窩網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到汽車行業(yè)，3GPP 在 R14 引入了 LTE V2X，隨后在 R15 對 LTE V2X 進(jìn)行了功能增強(qiáng)，包括可在 Sidelink 接口上進(jìn)行載波聚合、支持 64QAM 調(diào)制方式，進(jìn)一步降低時(shí)延等。

進(jìn)入 5G 時(shí)代，3GPP R16 版本正式開始對基于 5G NR 的 V2X 技術(shù)進(jìn)行研究，以通過 5G NR 更低的時(shí)延、更高的可靠性、更高的容量來提供更高級的 V2X 服務(wù)。

R16 版本的 NR V2X 與 LTE V2X 互補(bǔ)和互通，定義支持 25 個(gè) V2X 高級用例，其中主要包括四大領(lǐng)域：

車輛組隊(duì)行駛，其中領(lǐng)頭的車輛向隊(duì)列中的其他車輛共享信息，從而允許車隊(duì)保持較小的車距行駛。

通過擴(kuò)展的傳感器的協(xié)作通信，車輛、行人、基礎(chǔ)設(shè)施單元和V2X應(yīng)用服務(wù)器之間可交換傳感器數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)視頻，從而增強(qiáng)UE對周圍環(huán)境的感知。

通過交換傳感器數(shù)據(jù)和駕駛意圖來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛或半自動(dòng)駕駛。

支持遠(yuǎn)程駕駛，可幫助處于危險(xiǎn)環(huán)境中的車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程駕駛。

NR定位

5G 時(shí)代大量的應(yīng)用需要精準(zhǔn)定位，比如工業(yè) AGV、資產(chǎn)追蹤等，尤其是室內(nèi)精準(zhǔn)定位，可衛(wèi)星定位在室內(nèi)無法使用，LTE 和 WiFi 定位技術(shù)又不精準(zhǔn)，為此，5G 在 R16 版本中增加了定位功能，其利用 MIMO 多波束特性，定義了基于蜂窩小區(qū)的信號往返時(shí)間（RTT）、信號到達(dá)時(shí)間差（TDOA）、到達(dá)角測量法（AoA）、離開角測量法（AoD）等室內(nèi)定位技術(shù)。

通過這些定位技術(shù)，對于對定位精度要求更為嚴(yán)格的一些商業(yè)用例，至少需達(dá)到以下要求：

對于 80％ 的 UE，水平定位精度優(yōu)于 3 米（室內(nèi)）和 10 米（室外）。

對于 80％ 的 UE，垂直定位精度優(yōu)于 3 米（室內(nèi)和室外）。

功能增強(qiáng)

2-STEP RACH

RACH，即隨機(jī)接入信道，它是 5G 終端開機(jī)時(shí)向 5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的第一條消息，因此對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)非常重要。

在 R15 版本中，基于競爭的隨機(jī)接入過程是一個(gè)四步過程（如下圖）。四步隨機(jī)接入過程需要在 UE 和基站之間進(jìn)行兩個(gè)往返周期，這不僅增加了等待時(shí)間，還導(dǎo)致了額外的控制信令開銷。

在 R16 版本中，采用了兩步隨機(jī)接入的機(jī)制，其將前導(dǎo)preamble（Msg1）和 Scheduled Transmission （Msg3）合并為MsgA，將 Random Access Response（Msg2）和 Contention Resolution 消息（Msg4）合并為 MsgB。

IAB

IAB，Integrated Access and Backhaul for NR，即 5G NR 集成無線接入和回傳，其可通過擴(kuò)展 NR 以支持無線回傳來替代光纖回傳。

IAB 尤其適用于 5G 毫米波。由于毫米波傳輸距離短，需要部署密集的微站，意味著需要挖溝架線敷設(shè)密集的光纖回傳，而 IAB 通過無線回傳替代光纖，可以大幅降低部署難度和成本。

在 IAB 技術(shù)下，接入鏈路可以與回傳鏈路使用相同的頻段，稱為帶內(nèi)工作；也可采用不同的頻段，稱為帶外工作。

移動(dòng)性增強(qiáng)

在傳統(tǒng) 4G 網(wǎng)絡(luò)和 5G R15 版本中，移動(dòng)終端從源小區(qū)切換到目標(biāo)小區(qū)時(shí)，移動(dòng)終端會在短時(shí)間內(nèi)無法發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。具體的講，移動(dòng)終端與目標(biāo)小區(qū)建立連接之前通常會釋放與源小區(qū)的連接，這會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)終端之間存在約幾十毫秒內(nèi)的中斷。

同時(shí)，在 NR 高頻段波束賦形中，由于需進(jìn)行波束掃描，可能會導(dǎo)致切換中斷時(shí)間比 LTE 更長，且可能導(dǎo)致更多的無線鏈路故障，從而降低可靠性。

這是個(gè)大問題，5G 智能制造、車聯(lián)網(wǎng)、電網(wǎng)配網(wǎng)自動(dòng)化等場景要求時(shí)延不過幾毫秒，且對可靠性要求苛刻。

為了減少切換中斷時(shí)間和提高可靠性，R16 采用了 Dual Active Protocol Stack (DAPS)技術(shù)對 NR 的移動(dòng)性進(jìn)行了增強(qiáng)，其允許移動(dòng)終端在切換時(shí)始終保持與源小區(qū)連接，直到與目標(biāo)小區(qū)開始進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)為止。也就是說，在切換過程這段極短的時(shí)間里，移動(dòng)終端同時(shí)從源小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

雙連接和載波聚合增強(qiáng)

R16 增強(qiáng)了雙連接和載波聚合功能，包括通過更早的測量報(bào)告減少載波聚合和雙連接的建立和激活時(shí)間，最小化小區(qū)建立和激活所需的信令開銷和等待時(shí)間，快速恢復(fù) MCG 鏈路，支持不同 numerologies 的載波聚合小區(qū)的跨載波調(diào)度等等。

MIMO 增強(qiáng)

R16 增強(qiáng)了波束管理和 CSI 反饋，支持多個(gè)傳輸點(diǎn)（multi-TRP）到單個(gè) UE 的傳輸，以及多個(gè) UE 天線在上行鏈路的全功率傳輸，這些增強(qiáng)功能可提升速率，提升邊緣覆蓋，減少開銷和提升鏈路可靠性。

UE節(jié)能

由于 5G NR 更靈活、帶寬更大、速率更高，NR 終端設(shè)備比 LTE 更耗電。為了減少終端功耗，R16 引入了一些新的節(jié)能功能，比如 Wakeup singal，增強(qiáng)跨時(shí)隙調(diào)度，自適應(yīng) MIMO 層數(shù)量，UE 省電輔助信息等。