随着 5G 商用牌照的发放,全球服务运营商已经开始部署 5G 服务,5G 网络即将在 2019 年实现商用。5G 产业也从初期的设备研发向规模化生产及大批量现场部署以及广泛的商业应用方面转化。让我们一来起看看,当前 5G 的现状、即将到来的创新成果,以及一些有待解决的挑战。

 

5G 的当前现状

每年都会有超过 10 万人汇聚巴塞罗那,参加全球规模最大且最引人瞩目的移动技术贸易展——世界移动通信大会(MWC)。通信领域的几乎所有重要参与企业都会在大会上展示其最新原型、宣布最新产品发布和演示未来技术。MWC 2019 的氛围和创新成果与以往炒作和概念宣传明显不同。手机再次开始变异,被赋予了新的外形和功能。服务运营商、基础设施制造商、设备制造商和半导体制造商都展示了他们的 5G 产品。测试与测量公司也展示了其最新设备如何帮助无线通信技术公司快速从原型过渡到产品。

 

图 1. 折叠屏手机原型机

 

2019 5G 从理论变为现实的元年

如果 5G 只是提高移动宽带,仅在手机外形上进行创新,那么 5G 可能就名不副实了。但今年的技术只是一个开端。真正的创新在于依托 5G 逐步实现的所有新应用,尤其是 5G 超低延迟和毫米波应用。

 

新的增强现实和虚拟现实应用可能成为第一批使用 5G 的主要应用。更快的流媒体速率和更大的手机屏幕将给消费者带来更加身临其境的体验。、固定无线接入也有可能改变消费者在家中接入互联网的方式。而光纤到户的成本非常高,而且会有很多麻烦。固定无线接入并非新技术,但相比现有的光纤接入技术,大规模 MIMO 和毫米波技术可为固定无线接入点提供千兆级吞吐量,并且在经济性上更胜一筹。

 

虽然在 MWC 2019 上,关于 V2X(车联网)等复杂应用的展示并不是很多,但这些应用却是行业领先企业和主要研究人员的重点研究对象。为了成功实现 V2X,公司需要利用 5G 的低延迟、高可靠性和高带宽。尽管研究人员正在努力尝试使用 5G 系统组件开发新应用,但仍面临很多困难,因为他们需要符合 5G 标准的硬件来执行一致性测试,而且可选择的范围非常有限。软件无线电(SDR)已经改变了 5G 开发的方式,因为研究人员已经可以为大规模 MIMO 等复杂的新理念构建实时原型。未来它仍将是一种颠覆性技术——研究人员可以使用 SDR 开发完整的 5G NR UE 或 gNB,因此在开发高级应用时,就无需过多依赖商业硬件,而且也加快了开发速度。

 

无线通信的应用正从电信领域扩展到人类生活的方方面面。如果说 MWC2019 是对今年后半年 5G 发展的预示,那么 2019 年就是 5G 从理论变为现实的元年。

 

5G 组网技术路线及趋势

目前全球范围内的 5G 组网部署已经开始,不同国家以及不同的运营商组网的方式也有所不同。3GPP 制定的 5G 国际标准包含了非独立组网(NSA)和独立组网(SA)两种模式。

 

NSA 非独立组网模式需要与现有的 LTE 网络联合组网,部署时间短前期成本较低,是当前全球主要运营企业选择的组网模式。但 NSA 模式 5G 基站不能单独工作,仅支持增强移动宽带业务,不具备 5G 物联网场景业务能力。导致 5G 全能力网络部署的推迟,例如因 NSA 不支持网络切片、虚拟化性价比低等,失去市场竞争的先发优势。

 

SA 独立组网需要重新建设 5G 核心网和无线网,5G 终端通过 5G 基站接入 5G 核心网络进行通信,实现端到端的独立组网。前期部署难度较大,成本较高。但 SA 相比 NSA 能提供更强的业务支持能力。支持增强宽带移动、低时延、高可靠等全业务能力,是实现万物互联的基础。但 5G 全新的核心网络会给设备能力、网络建设和运营管理等带来一些挑战。目前 SA 设备成熟度比 NSA 滞后 6 个月。就 5G 网络规划而言,这两种组网模式各有特点。

 

从全球范围看,美国虽于 2018 年最早宣布在部分城市启动 5G 商用,但因缺乏中频段频谱资源,采用毫米波频段,难以实现大规模连续覆盖,只能选择非独立组网模式,其用户体验类似于“4G+Wi-Fi”宽带。但美国正在努力为 5G 争取中频段资源,一旦获得,不排除选择独立组网模式。

 

欧洲业务市场发展缓慢,运营企业资金困难,初期主要采用非独立组网模式,以降低建网压力。韩国和日本的业务应用市场活跃,但整体规模较小,难以独自带动全球产业,只能采取跟随策略,初期选择非独立组网模式。


我国在国际标准组织和 5G 研发中一直兼顾非独立组网和独立组网两种模式,引导着独立组网的技术和产业发展。中国电信、中国移动等企业明确表示会以独立组网(SA)模式为主体开展 5G 网络建设。中国将推进 SA 产业尽快成熟,加速支撑 5G 独立组网模式的产业快速成长。

 

5G 的关键创新之一毫米波应用

到目前为止,毫米波的部署主要是为了实现固定无线接入,用作为光纤到户(FTTP)的替代解决方案。早期的 sub 6 GHz 方案是通往 5G 之路的一个里程碑,但是毫米波无疑是 5G 生态系统实现转型的必经之路。  

 

毫米波频谱可为授权频谱和非授权频谱中的移动接入提供丰富的频谱资源,因此始终是无线研究人员和 5G 生态系统运营商的关注焦点。事实上,上一代蜂窝、WiFI 和蓝牙所能提供的频谱资源全部加起来都远不如 5G 毫米波。在频谱效率相近的情况下,频谱资源越丰富,意味着数据速率越高,可容纳的用户数量也就越多。  

 

虽然毫米波频段的 5G 移动接入提供了相当丰富的专用频谱资源,但相比 sub 6 GHz 方案,毫米波频率下的波形传播距离要短得多。此外,毫米波波形具有较强的方向性,很容易被阻断,造成链路中断。3GPP 在规范中有相当一部分介绍了波束管理和波束恢复的概念,以应对理论上有可能出现的各种应用场景。

 

5G 采用 SA 组网时控制信令完全无需依赖 4G/LTE。而 NSA 5G 毫米波则通过 LTE 提供锚点,控制信令通过链路进行传输。在 SA 5G 毫米波应用场景中,控制信道可利用与数据相同的 5G 毫米波频谱。如果 5G 毫米波 UE 直接连接至 gNodeB,控制面和用户面使用的均是毫米波频段,这时控制信令碰到的干扰和阻断问题与数据面相同,因此需要通过波束管理和恢复来维持链路,但完成这些步骤需要花点时间,因此链路被中断的可能性非常大。NSA 可为控制面提供更稳定的链路,而且就移动设备来说,NSA 对于 gNodeB 切换和小区选择至关重要。由于在毫米波网络中,基站部署非常密集,切换速率非常高,因此切换性能至关重要。

 

随着通信行业朝着 5G 技术不断努力,毫米波将作为实现 5G 移动接入的重要技术。在部署毫米波时,NSA 和 SA 这两种架构之间的选择和权衡变得更加尖锐突出,甚至难以抉择。

 

3GPP R16 发展趋势和路线图

关注 5G 开发的人可能会说 5G 开发已经结束,而关注各大电信公司营销的人士可能也会说 5G 已经到位了。实际上,这只说对了一部分。是的,3GPP R15 已经正式冻结。此版本包含可视为“5G”标准的部分内容。 但 5G 开发尚未结束。R16(国际电联的时间表有时称为 5G 的“第 2 阶段”)将包含 R15 未涉及的许多用例和方案的标准化。

 

图 2:国际电联和 3GPP 制定的 5G 时间表。

 

R16 规范的制定周期为 18 个月,预计将于 2019 年底完成。5G 的三个关键性能指标是更快的峰值速率(增强移动宽带,eMBB)、连接数密度(大规模机器通信,mMTC) 和更低的延迟(超可靠低延迟通信,URLLC)。R15 规范主要侧重于 eMBB 用例。R16 则更侧重于 URLLC,旨在扩展 5G 支持的功能并提高现有功能的效率。

 

Release 16 的部分研究领域涉及功能扩展,一些趋势正在出现。得到了越来越多的垂直行业的支持,如非地面传输网络(NTN),车联网(V2X),工业物联网(IoT)。对于 NTN,NR Release 15 将需要修 改以支持卫星通信,尤其是在毫米波频带。对于 V2X,针对侧链路(PC5) 以及访问网络(Uu) 接口 的动态支持提议进一步的研究。正在为 V2X 用例定义新的评估方法,包括车辆编队、高级驾驶以 实现半自动或全自动驾驶以及远程驾驶。其他趋势和开放研究项目包括未经许可的接入(NR-U) ,增强的 MIMO 研究(特别是> 6 GHz)、集成接入和回程(IAB) 以及非正交多址(NOMA) 波形。随着 Release 16 的工作继续进行,肯定会出现其他应用和研究项目。

 

随着 2020 年的最终期限逐渐迫近,2019 年无疑将成为决定 5G 技术创新和发展最关键的一年。