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5G新浪潮—3GPP Release 19

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最近结束的 3GPP Release 18标志着 5G Advanced的引入。5G Advanced 功能将提升5G网络性能并加强对XR、室内定位和非地面网络等服务的支持。本文提供Release 18最重要的功能和Release 19的概述,并解释移动网络标准如何演进以支持高性能的无线接入、差异化的服务、网络自动化和网络节能。

Head of radio-near concept and spectrum standardization

Principal Researcher, Radio Access Network standardization

Principal Researcher, Radio networks and standards

Master Researcher, Radio networks

Technical Coordinator, Radio Access Network standardization

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The next wave of 5G – 3GPP Release 19

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本周是3GPP又一个重要里程碑!2023年12月11 日至15日举行的3GPP全会标志着 3GPP成立 25 周年。作为一个标准组织,3GPP在过去二十五年里提供了世界领先的移动宽带标准,从而建立了规模增长最快的全球技术生态系统。这次会议结束了Release 18,5G Advanced的第一个版本,并批准了Release 19的主要范围,确定了5G Advanced的未来方向。

作为 5G Advanced 的延续,Release 19 将主要侧重于提高性能并满足5G商用部署中的关键需求。我们预测5G Advanced 将在这十年中继续在 3GPP发展,同时,如图 1所示,我们预计从2025年开始的6G标准化将在 Release 20和Release 21中加速。

图1:爱立信对3GPP的5G Advanced和6G时间表的看法(2025年以后的日期仅供参考)

图1:爱立信对3GPP的5G Advanced和6G时间表的看法(2025年以后的日期仅供参考)

5G Advanced的演进

5G Advanced将增强网络性能,并增加对新应用和用例的支持。本文重点介绍了 3GPP Release 18和Release 19将如何实现更高性能无线接入网络和新功能,使通信服务提供商能够实现其服务产品的差异化。另外,本文也将分享最新的标准演进如何支持自动化和可持续网络。

高性能 5G 网络

多输入多输出 (MIMO)

先进的天线系统和大规模MIMO是5G的基石。Release 18引入了几方面的优化:
上行链路和下行链路的系统容量进一步提升,主要是通过5G新空口 (NR) 多用户 MIMO的改进。多用户 MIMO 是一种允许两个或多个 UE 使用相同时间和频率资源的技术,因此可以在这些相同的资源上调度更多 UE。

通过实现分布式发射机之间的协调操作,可以提高信号质量。这是迈向完全分布式 MIMO (D-MIMO) 系统的重要一步。

通过支持CPE设备中的八个发射天线,固定无线应用(FWA)的数据速率得到了提高。

为了提高移动用户的服务质量,MIMO框架得到了改进,根据用户移动性信息基站可以在波束赋形方法之间进行自适应转换。

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在Release 19,大规模 MIMO将支持超大规模的天线阵列,从而提供更高的增益和更灵活的波束赋形。这将提高链路和网络性能,对6 – 7 GHz 范围内的新频段至关重要。

Release 19 还将引入增强功能以实现具有成本效益的分布式发射器。这是迈向大规模部署D-MIMO的又一步。

最后,Release 19 将允许 UE 发起的测量报告,从而加快 5G 波束管理程序。此功能将允许更快的波束选择,这与移动用户高度相关。

移动性

与 MIMO 一样,移动性是高性能 5G 网络的核心组成部分。在 5G Advanced 中,3GPP引入了一种减少服务中断时间的新切换程序,称为 L1/L2 触发的移动性(LTM)。LTM适用于所有频段,并且也可以应用于使用载波聚合的UE。在Release 18 中,一个gNB的不同服务小区之间支持LTM。

在Release 19 中,LTM框架将得到扩展,以支持不同gNB的服务小区之间的切换。LTM框架将增加对跨 FR1 和 FR2 的 NR-NR 双连接的支持。 Release 19 还将探索使用人工智能和机器学习(AI/ML)来提高移动性。例如,AI/ML可用于预测未来最佳服务小区。3GPP的研究项目将综合考虑AI/ML性能和复杂性,其结论将作为Release 20移动性性能的规范依据。

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动态频谱共享

动态频谱共享 (DSS) 是 5G 中的一项关键部署功能,它允许 4G 和 5G 载波共享相同的频率,从而促进从 4G向5G 迁移。基于DSS方案,一个基站可以在相同频谱中为 4G 和 5G 终端提供服务。

DSS 是在 5G 的第一个版本中引入的,并在 后续多个版本中得到了改进。Release 18 支持对来自4G 邻小区强干扰的处理,并提高了下行控制信道的容量和覆盖范围。DSS经过从Release 15 到Release 18 持续改进之后,已经相对完善,在Release 19 中没有对DSS 进行进一步增强的需求。

支持新的消费者和企业服务

5G Advanced增强了对多种新的消费者和企业服务的支持,使通信服务提供商能够差异化其网络。其中包括云游戏、沉浸式现实、室内定位和工业传感器网络。

扩展现实

扩展现实 (XR) 是一个概括性术语,涵盖虚拟现实 (VR)、增强现实 (AR) 和云游戏等广泛应用领域的用例。 不同类型的XR都有严格的时延要求,即较低且限定在一定范围内的端到端时延。 此外,市场趋势表明终端设备的外形尺寸越来越小,这限制了可用功率和计算资源。

论文《Network evolution to support extended reality applications》概括介绍了与 XR 相关的要求和所需的网络功能。

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在Release 18,3GPP引入了5G 无线接入网(RAN)和核心网侧对XR的增强功能。为了满足严格的延迟要求,引入了低延迟低损耗可扩展吞吐量(L4S)。L4S通过调整应用数据速率来减少网络中的数据包排队。Release 18还引入了媒体单元的抽象概念,它由一组数据包组成,例如有助于视频帧的渲染。这使得 接入网可以执行主动队列管理 (AQM),在丢弃数据包的同时,最大限度地减少对体验质量的影响。此外,Release 18 还引入了专为 XR 设备设计的省电功能。为了支持这些功能的应用, 接入网侧的标准引入了XR业务感知。通过新的信令机制,XR应用信息(如数据包周期和 QoS 要求)可以从5G核心网络传递到接入网。

这项工作将在Release 19继续。包时延信息可用来提升上下行调度,从而提高XR容量。利用未使用的测量间隙进行数据传输,以减少测量间隙对数据速率的影响。

室内定位

AI 和 ML 为提升特定场景的定位性能提供了新的可能性。Release 18研究了使用 AI/ML 来提高基于 5G 的定位精度,这是一项有价值的服务,尤其对于室内环境。在室内,如在工厂或办公室中,可能无法使用全球导航卫星系统(如 GPS)。3GPP 研究项目的重点是使用人工智能识别 gNB 和 UEs 之间的视距链路(LOS),因为在视距条件下的定位可提供高精度。

基于Release 18 的研究项目,3GPP 将在Release 19中标准化 AI/ML 驱动的定位,以提高定位精度。

物联网

Release 17引入了低复杂度NR RedCap终端(Reduced Capability),有助于降低设备价格,支持工业无线传感器网络、可穿戴设备和无线摄像头。RedCap终端可以配备单个接收通道,以支持更小尺寸的可穿戴设备。

Release 18 规定了定位和更低的峰值数据速率10 Mbps。数据速率的降低进一步降低了RedCap终端的复杂度。RedCap剩下的部分将会在Release 19讨论,即支持卫星通信,以实现真正无处不在的NR IoT覆盖。

省电功能对于物联网设备非常重要。在Release 18 中,3GPP研究了低功耗唤醒信号(LP-WUS)的优点。低功耗、低成本唤醒接收器 (WUR)接收LP-WUS,该装置的唯一目的是在检测到 LP-WUS 存在时唤醒设备中的主接收器。Release 19的标准将支持 LP-WUS 和 WUR。

非地面网络

在Release 17 中,NR经过调整以支持非地面网络(NTN)中的卫星通信。Release 18包括NR NTN上行链路覆盖增强功能,以促进稳定可靠的语音和消息连接。为了实现地面和非地面网络之间更紧密的集成,这两种网络拓扑之间的移动性过程在Release 18中得到了加强。

NR NTN 演进将在Release 19 中持续进行:

  • 目标之一是提升卫星的下行覆盖。
  • 3GPP 将研究是否需要对 5G 架构进行改变才能在卫星上安装完整的gNB。
  • 将引入高输出功率的终端。
  • 最后,正如上一节中已经提到的,将支持RedCap终端。

网络节能

5G在设计之初就定位于满足日益增长的流量需求,并同时限制移动网络的功耗。随着5G Advanced的推出,网络节能得到了越来越多的关注。Release 18定义了一个网络能耗模型,以识别可以提高网络能效的时机,并规定了一些方法以便gNB可以动态调整其天线的激活部分和发送功率。

在Release 18的基础上,Release 19将进一步引入额外的节能功能,包括:

  • 按需的辅小区SSB传输
  • 按需的面向空闲态UE的SIB1传输

这两种技术都将基于一个新的触发机制,用于按需传输。

此外,在Release 18,AI/ML领域还进行了网络节能的相关工作。

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智能的网络自动化

人工智能和机器学习有能力通过分析从网络中收集的数据,来解决复杂和非结构化的网络问题。对一些特定的用例,3GPP已经研究如何将人工智能和机器学习应用于5G RAN和物理层。

用于下一代RAN增强的人工智能和机器学习

Release 18中关于人工智能/机器学习的工作集中在三个用例上:

  • AI驱动的网络节能
  • 负载均衡
  • 移动性优化

通过NR接口上的信令增强(如UE到gNB无线接口、gNB之间的Xn接口),AI的应用在这些用例中得以实现。3GPP已经同意不对AI模型进行标准化,来确保厂商之间的良性竞争、激励和创新。

针对新用例的研究将在Release 19进行。一个新的用例是AI辅助的动态小区成形,也可以说是,AI辅助的覆盖和容量优化。

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用于物理层增强的人工智能和机器学习

在Release18,3GPP已经研究了如何通过人工智能/机器学习来提升5G空口的功能和性能。研究是由三个用例驱动的。

  • 定位
  • 波束管理
  • 信道状态信息上报

此外,还包括一些关于人工智能生命周期管理的研究,包括性能检测和测试。

基于Release 18研究的结论,Release 19将会为人工智能/机器学习应用于空口定义一个整体框架,并将为人工智能/机器学习在如定位和波束管理的用例进行相关标准化工作。此外,3GPP还将继续探索人工智能/机器学习在其它用例的可用性,比如移动性。

迈向6G的桥梁

在Release 19 的时间范围内, 我们预计对6G的用例和服务要求的研究项目将会在服务和系统方面工作组1 (SA1)开始。一个深入的技术研究项目将在随后的Release 20中进行,涵盖6G无线接入网设计。Release 21 将标准化6G无线接入网,为2030年6G商用发布做准备。

在我们看来,通过本文中提到的很多项目,Release 19 将提供从 5G Advanced 到 6G 的桥梁。

XR 将逐步演变成人机交互的沉浸式通信,并将提出6G应满足的新要求,以提供更好的用户体验。

人工智能和机器学习将在未来发挥重要作用,预计从第一天起就将成为重要的6G构建模块。

5G Advanced中的网络能效增强将为6G时代的可持续网络设计提供基准。

Release 18和Release 19中引入的D-MIMO解决方案将引领6G的D-MIMO。

此外,Release 19中将有两项研究课题侧重于信道建模,为未来的工作奠定基础:

  • 通感一体的信道建模 (ISAC),一种使能通信网络同时支持通信和环境感知的技术
  • 验证 7-24 GHz 范围内的3GPP信道模型,尤其研究厘米波范围内新的6G频谱

结论

Release 18 的结束标志着 5G Advanced 的引入。在3GPP Release 15、16和17的基础上,5G Advanced体现了自2018年起5G演进的总体成果,必将进一步提升5G的商业价值。

作为5G Advanced的延续,Release 19将专注于促进对5G商业部署持续投资的解决方案,以提高性能并满足关键需求。同时,Release 19将作为通往6G的桥梁,其中的许多解决方案将为未来的 6G系统提供基准。

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