最新版5G规格Release 16多了什么？

shuszhao

蜂窝式移动通讯标准组织3GPP已经在上个月拍板定案最新一版的5G规格，Release 16。此更新版本的重要之处在于能为终端消费者带来更高数据速率、覆盖率与可靠度，同时为营运商提供开启5G通讯潜力新市场的机会。新版本规格的出炉时间比预计晚了几个月，主要原因是受到新冠病毒肺炎(Covid-19)疫情大流行的冲击。


5G NR-U

Release 16为5G技术领域带来最重要的一个新概念是5G NR-U──其中的U代表免授权/执照频谱(unlicensed spectrum)。

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(图片来源：Qualcomm)

2020年4月，美国联邦通讯委员会(FCC)藉由采用6GHz频段更新规则，分配了1,200MHz (免执照)给Wi-Fi使用而备受该领域厂商赞誉。现在5G NR-U恢复了平衡，让蜂窝式网络营运商也能利用免执照频段扩展包括公有与私有网络的覆盖率。
Release 16定义了两种运作模式：独立(standalone)与授权辅助接取(Licensed Assisted Access，LAA)，并为此目的预留了免执照的5GHz与6GHz频段。这是3GPP第一次为“独立”使用定义蜂窝式技术。
这种组合将大幅扩展5G覆盖范围，超越包括无线ISP、服务供货商与私有5G网络营运商在内的传统营运商。因此，在像是美国等一些已经适用的地区，NR-U也将被应用于在6GHz频段布署服务。


蜂窝式车用通讯

Release 16规格包含了400MHz的免执照频段供下行(downlink)使用，以及100MHz频段供上行(upward)使用。

(图片来源：Qualcomm)

虽然较早期版本已经支持了某些方面的蜂窝式车用通讯(C-V2X)供基本安全应用，Release 16中以NR为基础的Sidelink传输大幅扩展了C-V2X的功能，支持的先进应用包括协调驾驶(coordinated driving)与传感器共享，某辆车上的传感器数据能轻松与附近的另一辆车通讯。
这些强化功能带来的进展包括更高的数据处理量、更低的延迟与可靠的群播通讯(multicast communications)──在物理层使用距离做为新的维度，实现以距离与应用为基础的实时群播小组(on-the-fly multicast groups)──此外还有分布式同步(distributed synchronization)和统一QoS控制。
综合以上，新版规格预期能强化并加速全自动或半自动驾驶系统在安全与效率上的发展，也应该能激励世界各国的政府主管机关认证车用通讯技术与标准。


省电效能

5G装置预期会比前几代通讯装置更耗电，因此省电效能会是一个关键的改善重点。Release 16包括数个新颖的省电功能，包括新的唤醒讯号(wake-up signal，WUS)格式，能让装置知道是否以及何时让传输先暂停、进入低功耗模式，或是跳过下一个low-DRX (discontinuous reception，非连续接收)模式与更省电的功率控制机制。
同时相关的功能强化还包括改善移动性的规格──为实现更具效益的移动性能，现在实现降低换手中断时间的重要技术，还包括装置导向的有条件换手(conditional handover)、早期量测报告，以及双连结MCG (master cell group)故障复原。


强化可靠性

为支持广泛的垂直应用案例，例如工厂自动化，以及超高可靠度、低延迟通讯(URLLC)，Release 16纳入了支持99.9999%可靠度的升级规格，同时维持毫秒(millisecond)级的延迟。

(图片来源：Qualcomm)

更新的e-URLLC已经透过改善的重传请求功能、协作多点(coordinated multi-point，CoMP)通讯──利用多传输与接收点来建立拥有备援通讯路径的空间分集(spatial diversity)──以及支持相同装置的多个使用案例之频道极化(channel polarization)等创新技术实现。


高精确度监测

Release 16透过了一种定位参考讯号(Positioning Reference Signal，PRS)新技术，强化了补充全球导航卫星系统(GNSS)之蜂窝式通讯的功能。

(图片来源：Qualcomm)

PRS基于多/单细胞(multi-/single-cell)与装置为基础的定位，仰赖包括封包来回时间(round-trip time，RTT)、讯号到达/离开角度(angle of arrival/departure)以及抵达时间差(time difference of arrival，TDOA)等5G定位技术。高通(Qualcomm)非常积极推动将此技术纳入Release 16，而且此规格有大部分是以该公司技术为基础。
以RTT为基础的定位摆脱了对于非常严苛之跨节点网络时序同步(network timing synchronization)──这在TODA等旧有技术不可或缺──的需要，为网络布署与维护提供了额外的弹性。
当然，针对一些新兴使用案例──如工业物联网(IIoT)中的工厂或仓储机器人──对更精确定位的需求，新版本规格也能满足室内3公尺、室外10公尺的定位精确度。更进一步改善精确度的规格订定工作已经在进行中，预计Release 17将会针对众多IIoT应用案例纳入次公尺(sub-meter)等级的定位精确度标准。


整合式接取与骨干网络

扩展5G NR毫米波网络覆盖范围的一个主要挑战，是布署额外毫米波基地台所带来的成本，这需要布署新的光纤以及骨干网络。
Release 16定义了整合式接取与骨干网络(Integrated Access and Backhaul，IAB)规格，能让单一基地台同时提供装置的无线接取以及无线骨干网络链接。这种密集化方法消除了对有线骨干网络的需求，并能让营运商以快速、具成本效益的方式动态添加新基地台，不必承担为了提升骨干网络容量所带来的光纤布署成本。


新的布署模型

Release 16的众多强化规格都是为了扩展5G网络的覆盖范围以及使用案例，其中一个重点是对非公共网络的扩大支持；这对于快速扩展私有网络以及物联网(IoT)布署会是一大助力。

(图片来源：Qualcomm)

时间敏感网络(TSN)已经被广泛应用于有线网络领域，Release 16将开启更多可能性，特别是在工业应用领域。Release 16的另一个重点是改善延迟，其概念是在“顶部”整合TSN，因此能最小化对无线接取网络(RAN)的影响；关键在于实现整合的方式能确保时间确定性(time-deterministic)的封包传递。
Release 16指明了新的干扰量测技术，以实现稳健的布署，这替未来具备基地台对基地台以及手机对手机干扰缓和(interference mitigation)的动态TDD运作奠定基础。


MIMO进展

不令人意外的，Release 16建立于先前进展上的关键成份是强化版的Massive MIMO，能提供经改善的性能与效益。重要的元素是对多传送/接收点(multi-TRP)的额外支持，并改善多波束管理；这两个进展都能实现更加的链路可靠性，这对毫米波频段尤其重要。
Release 16还要求改善参考讯号，因此能降低峰均功率比(peak-to-average power ratios)。此外支持全功率上行(full-power uplink)，以改善在细胞边缘的覆盖率。


下一步？

虽然Release 16已经拍板定案，但通常的程序是让各个工作小组进入校正阶段，这个程序通常会持续几个星期。如果此程序如预期按照往例，我们将会看到符合标准的芯片与子系统在接下来的12到18个月问世；预期一些早期开发者几个月内就会宣布产品。
供货商内部若有专家团队调整现有设计，将会是市场领先者。而积极参与GPP工作小组，在不同领域贡献技术进展的那些公司，显然将占据优势。
像是NR-U与IAB等功能──预期将会对5G服务的推出、功能性与采用影响最大──可能会最快进入商业化；其他的强化功能例如TSN与Sidelink，则会需要较长的酝酿期。此外如前面所提，3GPP的工作小组已经着手修订Release 17，然而因为疫情影响限制了工程师们的差旅以及面对面会议，可能会使得进展缓慢。
产业界正寻求更有趣的一些强化功能，包括支持更广泛装置(不只是汽车)的新方法，以及全新的工作项目例如虚拟与扩增实境(VR/AR)。其他的可能性包括所谓的NR-Lite，这是NR可利用20MHz频段的新版本，可望填补在IoT覆盖方面的空白。

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