您当前访问的的浏览器版本过低,为了给您带来更好的体验,建议您升级至Edge浏览器或者推荐使用Google浏览器
取消

5G-Advanced:从5G演进到6G的必经之路

发布时间:2021-08-17  作者:中兴通讯副总裁 王欣晖  阅读量:

5G标准化现状

 

随着2019年第一个5G NR标准版本(Rel- 15)的发布,5G全球产业化随之大规模展开。据统计,截至2020年5G基站已经在中国所有地级以上城市以及部分县级城市得到部署,同时仅2020年中国5G手机出货量已超1.5亿台。作为NR的基础版本,Rel-15主要面向的还是传统的eMBB业务,而在随后的Rel-16和Rel-17演进版本中,3GPP进一步探索了更多垂直行业的应用和支持,并从以下几个维度对5G网络进行了多方位的提升:一,更多的频谱和带宽利用,例如52.6~71GHz的毫米波频段;二,工业互联网应用的支持,其可以认为是URLLC场景的增强,以满足工业应用中的低时延高可靠需求;三,支持更多类型的终端设备,例如可穿戴设备、视频监控、无线传感器、虚拟/增强现实(XR)等;四,更多样的网络形态,例如车联网(V2X)、非陆地网络(NTN)、接入回传一体化(IAB)等。

 

5G-Advanced应运而生

 

无线通信网络基本每十年进行一次更新迭代。随着5G基站的大规模部署以及用户终端的普及,人们逐渐开始憧憬下一代通信技术能带来哪些新的应用和体验。近期,IMT-2030组织发布了6G总体愿景与潜在关键技术白皮书,其中识别了一些较为热门的研究方向,如人工智能、沉浸式云XR、空天地一体化、通信感知一体化、全息通信、数字孪生、太赫兹及可见光通信等。

从标准演进和产业化的角度来看,3GPP第一个6G版本预计会在2030年左右出现,在这之前还有3到4个版本的演进聚焦于5G增强技术。在2021年4月举行的3GPP PCG#46-e会议上,业界一致同意将Rel-18及其之后版本命名为“5G-Advanced”。作为5G第二个阶段的演进,业界将会致力于5G网络潜力的进一步挖掘,以提供更为极致的通信体验,并适应更多垂直行业的应用场景,目标满足面向2025年左右的市场需求。基于5G-Advanced的增强网络一方面可以维持产业繁荣,另一方面可以缩小与6G愿景之间的差距。事实上,目前学术界讨论非常热烈的很多研究方向并未脱离5G的设计架构,因此一些成熟度较高的技术更适合被纳入到5G-Advanced的标准化范畴之中。

 

5G-Advanced应用场景及关键技术

 

无线网络标准的演进是一个循序渐进的过程,每一个新版本中都会有一些老课题的延续与新生课题并存的情况,例如Rel-15开始后虽然标准化的重点在5G NR,但与此同时LTE也在持续演进。可以预计在5G-Advanced早期阶段这种并存的关系会持续存在:一方面会有从Rel-17延续而来的课题,例如MIMO增强、网络节能、XR增强、NTN增强、sidelink和定位以及非授权频谱之间的结合等;另一方面,5G-Advanced需要探索更多垂直行业的应用场景,从多个维度扩展网络性能,从而更大限度地满足未来几年的实际市场需求。这些新的应用场景和关键技术如图1所示。

        图1  5G-Advanced应用场景和关键技术

 

内生AI(Intrinsic AI)

现今人工智能(AI)的应用无处不在,AI也被认为是5G-Advanced的核心关键技术之一,我们称之为“内生AI”。因为AI在通信系统中不应该仅用于某个特定模块的优化或局限地作为某个特定应用的附加功能,而应该将AI的理念融入到整个系统设计之中,使网络更智能、更灵活地按需提供强大的功能。内生AI体现在两个方面:一是“AI for 5G”,即AI辅以增强5G系统;二是“5G for AI”,意味着5G系统的设计也应考虑如何更好地支持AI。

在Rel-17的立项讨论阶段,业界共同探讨并识别了一些比较实用的AI应用,最后,3GPP选择了3个最热门的场景(网络节能、负荷均衡、移动性优化)开展研究工作,并定义了AI的生命周期,包含4个重要的功能模块:数据搜集、模型训练、模型推理,以及决策执行。其中,网络节能根据识别的场景和流量潮汐模式的预测,自适应地关闭某些站点或载波以达到节能的效果;负荷均衡则可以基于负荷预测更好地保证网络负荷均衡以及系统容量;移动性优化则可以实现基于用户轨迹预测来实现移动策略优化。

相比网络级的优化,AI在物理层的应用则更具挑战性。例如对于信道编译码和调制解调等有较为明确的信息理论支撑的领域,即使应用了更为复杂的AI算法也很难突破理论性能上限。而对于一些需要估计和预测的参数或流程设计,仍然可以应用大数据和AI以提升链路性能和频谱效率,例如波束赋型管理、参考信号压缩、信道估计和均衡优化、资源分配的优化、非视距条件下的定位精度优化等。

可以预期,在5G-Advanced阶段,业界会全方位探索“5G+AI”的标准化工作,从识别典型用例、系统模型,以及相应的评估方法开始。

 

无处不在的网络(Ubiquitous Network)

与FR1(6GHz以下频段)相比,FR2(毫米波频段)拥有更大的带宽,因而可以实现更高的吞吐量和更低的延迟。但FR2在实际的网络部署仍然存在一些挑战,例如由于环境阻挡和小区间干扰导致的覆盖限制,以及超密集组网导致的频繁越区切换等。因此,5G-Advanced需要在网络鲁棒性方面进一步增强,使得FR2在全球范围内得到更为广泛的部署。

智能超表面(Reconfigurable Intelligent Surfaces,RIS)技术可以有效解决高频组网的覆盖问题。RIS可以通过有源或无源的方式控制电磁波的传播,例如改变反射信号的相位、幅度、频率甚至极化等,因此其部署和维护成本较低。RIS主要通过以下几种方式提升小区边缘用户的覆盖、吞吐量和能量效率:一,在直射传播路径受阻时提供有效的反射传播路径,避免覆盖空洞;二,为目标用户进行波束赋型,充分利用空间分集和复用增益;三,对干扰用户进行零点波束赋型,实现小区间干扰抑制。RIS还可用于辅助通信感知和定位、减少电磁污染等。从长远来看,RIS技术可用于进一步构建新型智能网络范式。未来的网络不仅要考虑收发端的设计,还要将无线环境的联合优化融入到系统设计里面,实现更智能化、更弹性的网络形态。

此外,5G-Advanced可以对现有的双连接进行扩展,以增强移动网络的鲁棒性,例如支持主小区组与2个或以上的辅小区组,但同时限制激活连接的个数以避免终端成本和复杂性的增加。

 

基于NR的海量物联网(NR based Massive IoTs)

虽然业界声称基于LTE的NB-IoT和eMTC技术可以满足5G mMTC定义的连接密度、覆盖范围和功耗等指标,但是我们注意到一些新兴的物联网用例对网络提出了更高的要求,例如事件驱动的传感器监控网络不仅对连接数量要求很高,并且要求数据的上报足够高效;再比如智能电网中,一些高级智能计费设备有着非常高的连接密度,同时要求网络具有良好的覆盖范围、数据速率,以及低延迟和高可靠的特性;类似地需要同时满足mMTC和URLLC的业务在工业智能制造场景中也有很多,比如安全状态监控、流程自动化、机械运动控制、包装机器人、物流机器人等。

与基于LTE的解决方案相比,5G NR的优势在于其拥有更多可用频谱、在资源调度及分配上更为灵活,以及基于波束的空域资源优势等。对于5G-Advanced中基于NR的海量物联网,免调度非正交多址(NOMA)是一种十分有前景的技术。免调度意味着终端可以随时接入网络,其接入和数据传输是同时完成的,因此具有更低的延迟、信令开销和功耗,而NOMA技术则可以有效解决由于免调度传输导致的潜在资源冲突,在不损失可靠性的情况下实现海量连接终端的高效传输。此外,海量物联网下的移动性管理和负载均衡也值得研究,例如激活/去激活/空闲状态的终端分布优化以及不同波束上的接入终端分布优化等,以减少重选和切换的次数从而提高传输效率和连接能力。

 

下一代工业物联网(Industrial IoT 2.0)

5G NR针对工业物联网(IIoT)主要实现了URLLC和时间敏感网络(TSN)的基本功能,而一些新兴的IIoT应用对上行业务提出了更高的需求。例如现代工厂中的机器视觉类应用,或是密集热点地区如体育场中的海量用户同时上传高清视频业务,此类场景对小区上行容量的要求可能会远高于下行链路,极端情况下需要满足Gbps或10Gbps数量级的吞吐量,同时对延迟也有较高的要求,这在当前的NR设计中很难满足。

一种思路是直接对现有NR的上行进行增强,例如更多的天线或MIMO层数、更高的调制阶数,以及更灵活的载波分配和聚合等。这些增强要求上行传输的发起设备必须足够强大,然而通常单个终端的能力以及发射功率是较为受限的,此时可以借用云计算的思想,通过用户虚拟化和协作来实现终端能力的提升。多个邻近设备可以临时组成一个虚拟终端组,设备之间通过共享天线、载波等能力,实现虚拟的MIMO或载波聚合,以提高传输质量。

IIoT上行增强需要解决的另一个瓶颈是业务拥塞,可以基于Mesh网络的思想对网络负载进行优化。例如现代工厂中很多的业务实际上是工厂内部署的设备之间的本地通信,在这种情况下,基于Mesh的网络路由可以将邻近设备之间的业务传输从基站转移到分支链路(Sidelink),以减轻核心网的业务负载。具体的设计层面包括智能路径发现、基于感知的路由规划、业务连续性预测、动态路径切换、动态业务切换等。

 

安全/区块链技术(Security/Blockchain)

随着网络架构越来越复杂、大数据和人工智能的广泛应用等,网络安全和互信变得格外重要。尤其是在运营商共建共享基础设施和频谱资源的情况下,通过区块链技术可以为运营商提供一个去中心化的平台,安全高效地存储和转移数据,以提升网络信任度。

区块链技术可以在5G-Advanced中实现快速、安全、稳定和去中心化的数据存储,保证网络共享的可信性和透明性。一些网络侧的关键数据(如小区资源利用率、频谱利用率)可以通过主管运营商的共享基站通过安全可信的方式上传到区块链平台,其他参与共建的运营商和非运营商参与者可以根据主营运营商的政策和法规需求访问区块链平台,以获取可信数据。主营运营商可以根据区块链平台上的实际资源占用情况,对系统资源的配置进行优化。此外,主营运营商也可以为参与网络共享的运营商的客户提供服务,并将这些客户的故障报告以同等优先级发送至区块链平台,其他参与的运营商则可以通过区块链平台获取客户的故障报告,实现安全互信的网络运维。

 

毫无疑问,在6G到来之前,5G-Advanced将是下一个风口。中兴通讯愿与业界伙伴一起持续努力,共同构建一个安全、智能、可持续的5G-Advanced标准产业。

 

分享到: