5G-Advanced网络及服务演进需求探讨*

2022-02-14夏旭齐文王恒梅承力

移动通信 2022年1期

夏旭，齐文，王恒，梅承力

（中国电信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

目前，5G网络的全球商用部署如火如荼，至今已有72个国家和地区部署超过170个5G网络[1]。中国作为5G网络的先行者，已建成全球规模最大、技术最先进的5G独立组网网络，部署超过115万个5G基站，占全球70%以上，5G终端用户达4.5亿户，占全球八成以上。在5G服务垂直行业方面，我国也处于全球领先地位，5G专网应用覆盖了包括工业制造、采矿、钢铁、电力、港口等22个国民经济的重要行业。

为满足更多样性、更复杂的全场景物联需求，驱动垂直行业的发展和转型，5G网络演进的需求愈发强烈，国际电信标准组织3GPP在第46次PCG（项目合作组）会议上正式将5G演进的名称确定为5G-Advanced（以下简称为5G-A）。5G-A将作为5G向6G演进的关键一环，进一步挖掘5G网络潜力、关键技术和服务能力，为实现6G愿景奠定基础。目前，全球各大研究机构、运营商、设备厂商、芯片模组厂商及手机终端厂商相继投入5G-A研究，共同参与由R18正式开启的5G-A标准化工作。

3GPP主要由3个技术规范组（TSG）组成，分别是无线接入网（RAN）、业务与系统（SA）、核心网与终端（CT）。其中SA1工作组是运营商需求和业务应用组，负责制定需求，为SA/RAN TSG的具体工作指明方向。本文重点依据3GPP SA1的R18标准化进展，从网络侧和无线侧分析了5G-A的演进需求，最后对未来5G-A/6G网络服务、网络架构和关键技术的演进进行了展望。

1 5G-A中的网络侧演进需求

R18是3GPP面向5G-A的首个版本，将定义5G-A的服务需求、网络框架和网络技术。该版本于2020年开始，至2023年底冻结。R18在3GPP SA1的工作已于2021年11月全部完成，其完成的项目如表1所示，可分为5G-A网络能力及指标增强需求、5G-A新兴服务需求两类，可以看出，5G-A的演进需求重点涵盖了能源、交通、XR媒体、人工智能等多个领域[2-3]。

表1 3GPP SA1 R18的研究项目

1.1 5G-A网络能力及指标增强需求

为了满足个人消费者体验升级和行业数智化转型的需求，5G-A网络重点从实时通信、切片等业务承载能力以及面向卫星等多种连接技术的服务能力等方面持续对5G网络进行增强和演进，以满足多样化业务诉求，提升网络能力。

（1）5G系统支持更丰富的多媒体实时通信服务所需的技术要求

1）支持基于IMS网络的AR通信，将AR能力与多媒体实时通信业务进行融合；

2）支持企业等第三方能够通过运营商向呼叫方（如企业客户）安全地证明并提供另一呼叫方（如企业员工）的可信标识或特定业务信息。

（2）5G系统支持网络切片增强

当面对不同类型的资源限制（例如与无线电资源、频带相关的限制）时，5G网络能够在网络切片或分配的资源发生变化时，减少服务中断的次数或时长，优化用户体验。

（3）访问5G系统域外时所能提供的服务用例及服务需求

1）定义5G系统域外的可能场景（例如覆盖多个国家的高空平台、覆盖国际水域的卫星和航空网络等）；

2）制定5G系统域外时所需的服务要求（例如紧急呼叫、计费等）以及指标要求等。

（4）5G系统支持多个无线回传连接（例如卫星和/或地面）的技术服务要求

1）支持卫星回传特性发生变化时（包括动态变化的延迟和/或带宽）的动态QoS控制；

2）支持卫星回传流量收费信息与其他流量收费信息的区分。

（5）5G系统支持卫星作为接入网络的增强功能

5G系统对移动和固定终端设备的控制能力增强和/或视频监控能力增强。

1.2 5G-A新兴服务需求

面对更多涌现的新兴业务（例如图像/语音识别、媒体编辑/增强、机器人控制、自动驾驶），5G-A网络通过进一步定义新兴业务场景和业务能力，重点引入人工智能、多模态、业务链、区块链等新型网络能力，与新兴技术融合实现5G网络进一步的演进。

（1）5G系统支持人工智能和机器学习（AI/ML）等的服务需求

1）AI/ML对5G系统的性能要求包括端到端延迟、经验数据速率、通信服务可用性等；

2）AI/ML对5G系统的服务要求包括针对AI/ML的QoS管理、AI/ML模型/数据分发/传输、网络性能和资源利用率监控/预测等。

（2）5G系统支持触觉和多模态通信服务的新用例和潜在服务需求

1）制定沉浸式虚拟现实、远程控制机器人、支持机器人协作感知、危险远程环境的触觉反馈等应用场景；

2）网络能力及服务能力开放要求，以实现5G系统对触觉和多模态应用的支持。

（3）5G系统支持网络订阅者对北向API接入的感知需求

1）增强对第三方和终端的认证及授权；

2）增强第三方终端的隐私（例如位置、在线状态等）保护；

3）增强对API相关信息的查找。

（4）网络运营商对第三方加强5G网络服务功能链的服务要求

1）允许授权第三方请求在其应用中使用5G网络中的特定服务功能和服务功能链；

2）允许5G网络中的服务功能链，包括服务托管环境、允许管理服务功能和服务功能链；

3）服务功能链的收费。

（5）区块链技术对5G网络的潜在增强

1）利用区块链分布式架构，保护物联网设备通信时的数据安全与隐私，解决数据容易被窃取或复制的风险；

2）利用区块链去中心化的本质，实现资源共享，例如“授权频谱”之间的相互共享、频谱拥有者之间的相互信任、动态频谱共享等；

3）利用区块链高可信的特点，解决不同通信运营商间的漫游结算问题，实现漫游记录可查可追溯。

（6）5G+电网相关应用的通信服务所需的KPI及技术要求，可涵盖发电、输电、配电和用电

1）要求更高的可用性和可靠性；

2）要求更为严苛的端到端通信时延和时钟同步。

具体的服务指标要求如表2所示：

表2 5G智能电网服务的关键指标

2 5G-A中的无线侧演进需求

本节重点分析了与第1节中网络侧对应的无线侧增强相关的技术和服务，具体内容梳理见表3。与网络侧功能增强能力相对应，R18中的无线侧演进重点是对无线空口的承载能力和智能化的增强，包括Sidelink增强、广播多播增强、针对XR的增强、网络切片增强[4]、位置的扩展和增强、非陆域（NTN）增强、5G RedCap、上行链路增强以及拓扑改进。

表3 3GPP SA1 R18立项对无线侧（RAN）的增强

（1）针对下行链路和上行链路的MIMO技术演进

1）中高速移动场景的CSI增强；

2）为指示多个上下行TCI状态的R17统一的TCI框架扩展；

3）FR1 FDD/TDD最多4TRP Coherent-JT的CSI获取增强；

4）支持更多个正交DMRS端口用于上下行MU-MIMO；

5）UL DMRS、SRS、SRI和TPMI增强，以使能8 Tx UL操作从而支持每个UE上行多于4层；

6）multi-panel上行同时传输；

7）2 TA和上行功率控制增强提升上行multi-TRP场景的性能。

（2）Sidelink增强

1）基于LTE Sidelink C A操作，明确支持NR Sidelink CA的机制；

2）支持非授权频谱的Sidelink；

3）FR2授权频谱的Sidelink增强；

4）LTE Sidelink和NR Sidelink的co-channel共存。

（3）进一步降低NR RedCap UE复杂性

1）基于R17的评估方法研究进一步降低UE复杂度的技术，聚焦在FR1降低UE带宽至5 MHz、降低UE峰值速率；

2）研究能量效率增强/降低功耗的技术包括RRC_INACTIVE态eDRX增强（大于10.24 s）；

3）降低UE复杂度/成本的技术包括SI研究的技术以及支持更低的UE功率等级。

（4）NR定位的扩展和增强

1）Sidelink定位；

2）定位精度、集成度、功率效率的提升包括RAT dependent定位技术集成，基于PRS/SRS带宽聚合、基于NR载波相位测量的定位精度提高技术及低功耗高精度定位技术；

3）RedCap UE的定位支持。

（5）无线空口的智能化

1）聚焦CSI反馈增强、波束管理、定位精度增强等场景；

2）研究人工智能/机器学习模型、性能优势、潜在的协议影响以及互操作性和可测试性。

3 5G-A及6G的演进探索

在上述分析基础上，本节将进一步探索5G-A后续的演进方向。为了应对不断涌现的新业务形态，例如3D、全息、XR Pro等，5G-A需要更进一步演进成可为全行业提供服务的网络，因此需要进一步扩展5G前期定义的三大场景，形成支持低时延大带宽、增强的固移融合宽带、超高可靠、低成本/高速率大连接、稀疏广域覆盖和通感融合的新场景体系，如图1所示。为了满足网络服务指标要求能够准确地映射于网络之中，5G-A/6G应从“尽力而为”转为满足服务确定性要求网络[5]。同时，如何在有限频带宽度上满足众多新兴强交互云化业务的时延体验也是5G-A/6G重点关注的问题，因此需要设计有效的方法或架构来提高无线侧对频谱的利用率。

图1 5G-A/6G服务场景

笔者认为未来十年的移动通信系统需要重点考虑的技术与服务场景包括：

（1）低时延大带宽（LLBB）场景

1）强调通信网络时延和带宽的重要性；

2）主要面向新兴多媒体业务（例如远程遥控驾驶、云端渲染XR等），该类业务往往传输信息数据量大，同时对信息传送的精准性和同步性有较高要求；

3）为满足该场景下的业务要求，网络需为其保证Gbps量级的带宽和几毫米至几十毫秒的低时延[6-7]。

（2）超低时延高可靠（ULLHR）场景

1）主要面向ToB行业的业务需求，例如远程全息手术、超高压继电保护等；

2）为满足这类业务要求，网络需要为其保证亚ms级别的时延和7个9的可靠性[5-6]，以保证工业制造的精准性和人身的绝对安全。

（3）灵活通感（FCX）场景

1）要求网络具有感知功能，可利用探测技术、成像技术、谱识别等技术，通感融合可提供高精度定位、高分辨率成像等服务[8]；

2）要求网络具有对资源的感知能力，进而实现云、网、边、端的高效协同。

（4）低成本大连接（LCMC）场景

1）扩展现有RedCap支持的可穿戴设备、工业传感器和视频监控等场景；

2）要求网络支持设备的泛在连接，实现低功耗与低成本的终端数据动态交互和智能共享。

（5）稀疏广域覆盖（SWAC）场景

1）突出稀疏广域的全覆盖，基于5G-A对NTN的持续增强，能够通过卫星、无人机、高空平台等技术，以及融合核心网、协同多层空间网络的空天地海架构实现空、天、海和陆地偏远地区的广域覆盖；

2）该场景下对网络覆盖能力提出了更高的要求，并且部分业务对移动性也有较高的要求。

目前业界已开启对6G的预研工作，6G技术方向及潜在服务方案也仍在探索中，从发展趋势看，6G网络应具备“智能内生、泛在连接、绿色共享、安全可信、柔性极简”的特征，拓展移动通信网络能力与服务边界，持续深化物联网应用范围和领域，3GPP、ITU、CCSA、GSMA等国际/国内标准组织通过良性竞争合作将进一步驱动6G技术及生态的飞速发展，推进6G研究，实现2030年6G商用目标。