2022 年 6 月初，通信標(biāo)準(zhǔn)組織 3GPP 第 96 次全會在匈牙利布達(dá)佩斯如期召開。
在本次會議上，備受矚目的 3GPP R17 標(biāo)準(zhǔn)被正式宣布凍結(jié)。這標(biāo)志著，5G 的第一階段演進(jìn)已經(jīng)全部完成，5G 技術(shù)發(fā)展，將邁入嶄新的第二階段。
回首往事，大約 7 年前，也就是 2015 年 9 月，國際電聯(lián) ITU 正式確認(rèn)了 5G 的三大應(yīng)用場景（eMBB、mMTC 和 uRLLC）。不久后，2016 年 3 月，3GPP 就正式啟動了 5G 的標(biāo)準(zhǔn)化工作，旨在開發(fā)一個統(tǒng)一的、更強(qiáng)大的無線空口 ——5G NR（New Radio，新空口）。
如今，時光飛逝，我們共同見證了 3GPP R15、R16、R17 版本的凍結(jié)，以及 5G 的全面商用和落地普及。
被寄予厚望的 5G，經(jīng)歷了從誕生到成熟的發(fā)展歷程，正在不斷改變著我們的工作和生活，也顛覆了整個社會的運(yùn)作模式。
那么問題來了，在 5G 不斷演進(jìn)的過程中，到底涌現(xiàn)了哪些革命性的技術(shù)創(chuàng)新？在這些技術(shù)創(chuàng)新的背后，又潛藏著怎樣的邏輯思路？從 R15 到 R17，各階段的作用，究竟是什么？
今天這篇文章，小棗君將帶領(lǐng)大家找到答案。
R15：奠定基礎(chǔ)，揭開面紗
首先，我們先看看 R15 的創(chuàng)新思路。
R15 是 5G 標(biāo)準(zhǔn)制定的開端。正所謂：“好的開始，是成功的一半”。為了邁出堅(jiān)實(shí)的第一步，通信行業(yè)專家們進(jìn)行了充分的研究和準(zhǔn)備工作。
當(dāng)時，R15 最重要的使命，是針對 eMBB（增強(qiáng)移動寬帶）場景進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)制定。而這個場景，需要的正是通信網(wǎng)絡(luò)最重要的一個指標(biāo) —— 速率。
ITU 針對 eMBB 的指標(biāo)要求，是下行峰值速率必須達(dá)到 10Gbps 以上，用戶體驗(yàn)速率必須達(dá)到 1Gbps 以上。3GPP 為了實(shí)現(xiàn)這一需求，采用了兩個思路：一個是尋找更多的可用頻譜資源，另一個是深入挖掘每 MHz 頻率資源的潛力。
在擴(kuò)充頻譜資源方面，3GPP 在 Sub-6GHz 頻段的基礎(chǔ)上，提出了移動毫米波技術(shù)。也就是說，將 5G 的工作頻譜向更高頻段延伸，覆蓋到毫米波的頻段。
移動毫米波帶來的速率和容量提升非常明顯，奠定了 5G 高速連接的基礎(chǔ)。
在毫米波技術(shù)的基礎(chǔ)上，3GPP 又引入了 Massive MIMO（大規(guī)模天線陣列）。
這個技術(shù)是 5G 最具標(biāo)志性的創(chuàng)新之一，可以說是“神來之筆”。它通過大量增加基站中的天線數(shù)量，從而對不同的用戶形成獨(dú)立的窄波束覆蓋，從而數(shù)十倍地提升了系統(tǒng)吞吐量，也改進(jìn)了基站的覆蓋效果（尤其彌補(bǔ)了毫米波覆蓋能力的不足）。
▲ Massive MIMO
在深入挖掘頻譜資源潛力方面，技術(shù)挑戰(zhàn)就更大了。這里面涉及到了大量的底層技術(shù)創(chuàng)新，包括多址技術(shù)、調(diào)制技術(shù)、編碼技術(shù)、物理層結(jié)構(gòu)等，都需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。
5G NR 設(shè)計(jì)中最重要的決定之一，就是選擇無線波形和多址接入技術(shù)。
在當(dāng)時的方案評估過程中，高通通過廣泛研究發(fā)現(xiàn)，正交頻分復(fù)用（OFDM）體系，具體來說包括循環(huán)前綴正交頻分復(fù)用（CP-OFDM）和離散傅里葉變換擴(kuò)頻正交頻分復(fù)用（DFT-S OFDM），是面向 5G eMBB 和更多其他場景的最佳選擇（后來證明確實(shí)如此）。
在 4G LTE 已有的 OFDM 應(yīng)用基礎(chǔ)上，高通高級工程總監(jiān)季庭方通過設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的子載波間隔指數(shù)擴(kuò)展公式，實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展的 OFDM 參數(shù)配置。這一技術(shù)發(fā)明，被稱為“可擴(kuò)展參數(shù)集”，是 R15 的重大亮點(diǎn)。
利用可擴(kuò)展 OFDM 參數(shù)配置，可以實(shí)現(xiàn)子載波間隔能隨信道寬度以 2 的 n 次方擴(kuò)展。這樣一來，在更大帶寬的系統(tǒng)中，F(xiàn)FT 點(diǎn)數(shù)大小也隨之?dāng)U展，卻不會增加處理的復(fù)雜性。
R15 另一個令人耳目一新的設(shè)計(jì)是基于時隙的靈活框架。該靈活框架的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)明就是 5G NR 自包含時隙結(jié)構(gòu)。在新的自包含時隙結(jié)構(gòu)中，每個 5G NR 傳輸都是模塊化處理，具備獨(dú)立解碼的能力，避免了跨時隙的靜態(tài)時序關(guān)系。
2018 年 6 月，3GPP R15 標(biāo)準(zhǔn)正式凍結(jié)。現(xiàn)在看來，R15 成功打響了 5G 的第一槍。它帶來的諸多創(chuàng)新，給人們揭開了 5G 的神秘面紗，也為 5G 后續(xù)的迭代演進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
R16：場景擴(kuò)展，賦能行業(yè)
R15 主要針對 eMBB（增強(qiáng)移動寬帶）場景進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)制定。R16 在 R15 的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善了 uRLLC 和 mMTC 場景的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從而貢獻(xiàn)了第一個 5G 完整標(biāo)準(zhǔn)，也是第一個 5G 演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。
從本質(zhì)上來說，實(shí)現(xiàn)對垂直行業(yè)的支持和賦能，是 R16 最重要的使命。
R16 需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的 uRLLC（超可靠低延遲通信）場景，主要針對的就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)領(lǐng)域。ITU 針對 uRLLC 場景提出的指標(biāo)目標(biāo)，包括更嚴(yán)格的可靠性要求（高達(dá) 99.9999% 的可靠性），以及毫秒級的時延。
R16 需要通過進(jìn)一步增強(qiáng) 5G 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)能力，引入更多的網(wǎng)絡(luò)新特性，以此更好地支持 toB 的關(guān)鍵業(yè)務(wù)型用例，滿足智能制造、智能質(zhì)檢、無人駕駛等垂直行業(yè)需求。
在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力增強(qiáng)方面，R16 對頻譜效率、網(wǎng)絡(luò)的利用率和魯棒性等方面都做了專門的優(yōu)化和增強(qiáng)，包括大規(guī)模天線增強(qiáng)、載波聚合增強(qiáng)、切換技術(shù)增強(qiáng)等，極大地提升了 5G 的可用性和完善性。
在新特性引入方面，R16 的表現(xiàn)更是可圈可點(diǎn)。
以頻譜擴(kuò)展為例，R16 增加了對 5G NR 免許可頻譜（NR-U）的支持，包括兩種模式：許可輔助接入（LAA），以及不需要任何許可頻譜的獨(dú)立部署。這不僅帶來了更大的容量，也實(shí)現(xiàn)了更靈活的部署。
對于前面提到的可靠性和時延要求，高通主導(dǎo)的多點(diǎn)協(xié)作通信（CoMP），是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵賦能技術(shù)之一。在這個技術(shù)創(chuàng)新中，通過采用多個發(fā)射和接收點(diǎn)（多 TRP），創(chuàng)建有冗余通信路徑的空間分集，實(shí)現(xiàn)高可靠性和低時延，構(gòu)建可用的時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）。
車聯(lián)網(wǎng)（V2X）是 5G 的一個重要垂直應(yīng)用領(lǐng)域。在這個領(lǐng)域中，高通等公司主推的直連通信（D2D）是一個重要的技術(shù)創(chuàng)新，能夠?qū)崿F(xiàn) V2X 支持車輛編隊(duì)、半自動駕駛、外延傳感器、遠(yuǎn)程駕駛等更豐富的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。
▲ 車聯(lián)網(wǎng)（V2X）
R16 在組網(wǎng)技術(shù)方面則引入了遠(yuǎn)端干擾管理、無線中繼以及網(wǎng)絡(luò)組織和自優(yōu)化技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)實(shí)際用戶體驗(yàn)獲得提升。
具有代表性的例子，是新型干擾測量與抑制技術(shù)（比如 RIM / CLI），以及集成接入與回傳（IAB）。
集成接入與回傳（IAB）支持毫米波基站進(jìn)行無線接入和回傳，在部署密集網(wǎng)絡(luò)時可有效減少新增光纖部署需求。
特別值得一提的是，為了更好地推動政企垂直行業(yè)的 5G 落地，R16 在專網(wǎng)部署模式上也進(jìn)行了創(chuàng)新，推出了對非公共網(wǎng)絡(luò)（NPN）的支持，為 5G 專網(wǎng)通信的發(fā)展指明了方向。
R16 引入的新特性很多，除了上述技術(shù)之外，還包括終端節(jié)能，終端移動性增強(qiáng)、高精度定位等。
2020 年 7 月，R16 標(biāo)準(zhǔn)正式凍結(jié)。
如果說 R15 只是實(shí)現(xiàn)了一個“可用”的 5G，那么，R16 的作用，就是讓“可用”的 5G 變成“好用”的 5G。它在成本、效率和功能上進(jìn)行了深入增強(qiáng)和改進(jìn)，為 5G 的全面落地鋪平了道路。
R17：能力升級，應(yīng)用探索
終于到了 R17！
如果用一個詞來形容 R17 的定位，那就是“承前啟后”。
作為全球 5G NR 標(biāo)準(zhǔn)的第三個主要版本，R17 進(jìn)一步從網(wǎng)絡(luò)覆蓋、移動性、功耗和可靠性等方面擴(kuò)展了 5G 技術(shù)基礎(chǔ)，將 5G 拓寬至全新用例、部署方式和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
R17 演進(jìn)的關(guān)鍵詞，可以分為“增強(qiáng)”和“擴(kuò)展”。
網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力增強(qiáng)
R17 是在 5G 規(guī)模商用之后制定的標(biāo)準(zhǔn)。所以，它可以根據(jù) 5G 前期實(shí)際部署的經(jīng)驗(yàn)，以及發(fā)現(xiàn)的不足，進(jìn)行“查漏補(bǔ)缺”。
R17 為 5G 系統(tǒng)的容量、覆蓋、時延、能效和移動性等多項(xiàng)基礎(chǔ)能力帶來了更多增強(qiáng)特性，包括 Massive MIMO 增強(qiáng)、覆蓋增強(qiáng)、終端節(jié)電、頻譜擴(kuò)展、IAB 增強(qiáng)、uRLLC 增強(qiáng)等。
我們還是從頻譜開始說起。
R17 對 5G 毫米波進(jìn)行了頻譜擴(kuò)展，定義了一個被稱為 FR2-2 的全新獨(dú)特頻率范圍，將毫米波的頻譜上限，推高到了 71 GHz。
這意味著，5G 毫米波的網(wǎng)絡(luò)容量將變得更大，更多的用例和部署方式將得以實(shí)現(xiàn)。例如智能制造行業(yè)中支持通信和定位功能的毫米波企業(yè)專網(wǎng)。
得益于 5G NR 可擴(kuò)展子載波間隔（SCS）方案和基于時隙的靈活幀結(jié)構(gòu)，這種頻段擴(kuò)展可將控制和數(shù)據(jù)信道的子載波間隔直接擴(kuò)展到 480 kHz 和 960 kHz（以前低頻段毫米波為 120 kHz）。
除頻段擴(kuò)展之外，R17 還帶來了其它毫米波增強(qiáng)特性，包括支持帶間上行 / 下行載波聚合和增強(qiáng)移動性。
IAB（集成接入與回傳）增強(qiáng)，來自于同時發(fā)射 / 接收（即全雙工）和增強(qiáng)的多跳操作等特性，可以進(jìn)一步提升部署效率、覆蓋和性能。這對于毫米波部署尤其有用，它能夠更經(jīng)濟(jì)且高效地快速擴(kuò)展覆蓋范圍。
終端能力增強(qiáng)方面，為了改善用戶體驗(yàn)，R17 提出了一系列的增強(qiáng)特性。
例如支持多達(dá)八根天線和額外的空間流，可實(shí)現(xiàn)更高吞吐量；先進(jìn)的 MIMO 增強(qiáng)功能，可提升容量、吞吐量和電池續(xù)航；面向連接態(tài)和空閑態(tài)模式的節(jié)能新特性，可延長電池續(xù)航；重傳和更高傳輸功率，可改善終端的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；5G 定位技術(shù)增強(qiáng)，可改善定位精度和時延；雙卡雙待，可支持單個或兩個運(yùn)營商的兩個訂購服務(wù)并發(fā)；等等。
5G 網(wǎng)絡(luò)和終端應(yīng)用擴(kuò)展
R17 作為 5G 第一階段和第二階段的過渡，既要對現(xiàn)有 5G 進(jìn)行增強(qiáng)，也要探索更多的 5G 場景應(yīng)用可能性。這些可能性，包括 RedCap、非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）、擴(kuò)展直連通信、厘米級定位、擴(kuò)展廣播 / 多播，以及無界 XR（擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)）。
5G R17 引入的最具代表性的技術(shù)，當(dāng)然是面向中低速物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的 RedCap，也就是 NR-Light。
RedCap 是簡化版的 5G，通過降低協(xié)議的復(fù)雜度，采用更好的節(jié)能技術(shù)，可以滿足可穿戴設(shè)備、工業(yè)傳感器和監(jiān)控?cái)z像頭等物聯(lián)網(wǎng)需求。
另一個值得關(guān)注的 R17 新特性，是非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）。
近年來，人們對衛(wèi)星通信的關(guān)注度不斷增加。為了讓 5G 提供無處不在的連接，3GPP 也加強(qiáng)了非陸地區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋的研究。在 R17 中，有兩個并行的 NTN 工作組來應(yīng)對移動寬帶和低復(fù)雜度物聯(lián)網(wǎng)（IoT）用例。
第一個項(xiàng)目采用 5G NR 框架來進(jìn)行衛(wèi)星通信，實(shí)現(xiàn)從地面到衛(wèi)星的固定無線接入 (FWA) 回傳，并為智能手機(jī)直接提供低速率數(shù)據(jù)服務(wù)和語音服務(wù)。第二個項(xiàng)目側(cè)重支持低復(fù)雜度 eMTC 和 NB-IoT 終端衛(wèi)星接入，擴(kuò)大了關(guān)鍵用例的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，如全球資產(chǎn)追蹤。
最后一個我要提到的 R17 新方向，是無界 XR。
去年爆火的元宇宙，給我們展現(xiàn)了跨越實(shí)體世界和虛擬世界的個性化數(shù)字體驗(yàn)。作為元宇宙的底層支撐技術(shù)，以 VR、AR 為代表的 XR 擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了更多的重視。
R17 中的 XR 項(xiàng)目，專注于研究和界定各種類型的 XR 流量（AR、VR、云游戲）。此項(xiàng)研究為已經(jīng)確定的 XR 流量類型定義需求和評估方法，并支持性能評估以確定未來的提升范疇。
結(jié)語
曾經(jīng)有人說，5G 從 R15 到 R17 的發(fā)展過程，就像一個蓋房子的過程：
R15 版本是 5G 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的“毛坯房”，搭建了基礎(chǔ)和框架。R16 版本呢，是對 5G 標(biāo)準(zhǔn)的“精裝修”，使其具備了初步的“居住條件”。新出爐的 R17 版本，是“精裝”之上的“軟裝”，起到了錦上添花的效果，讓居住體驗(yàn)變得更好。
事實(shí)確實(shí)如此。5G 的第一階段，是一個動態(tài)拓展的過程，移動通信技術(shù)開始賦能行業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)智化變革。
我們通過前面所說的這些技術(shù)創(chuàng)新，不斷挑戰(zhàn)著香農(nóng)理論的極限，摸索著通信技術(shù)未來發(fā)展的方向。
從目前的階段性成果來看，5G 通過這些極具顛覆性的科技創(chuàng)新，為整個社會的數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定了連接力基礎(chǔ)。海量的 5G 垂直行業(yè)落地案例，極大地增強(qiáng)了人們對 5G 的信心，對數(shù)字經(jīng)濟(jì)的信心。
展望未來，我們即將步入 5G-Advanced 時代。5G Advanced 的首個標(biāo)準(zhǔn)版本 ——R18，已經(jīng)全面啟動。它將開啟新一輪無線技術(shù)創(chuàng)新，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展保駕護(hù)航。
究竟怎樣的精彩在等待著我們？讓我們拭目以待吧！
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