移动通信演进的驱动力由 1G/2G/3G/4G 时代较为简单且统一的单一速率需求,经由 5G 三个场景的过渡,最终转化为以场景驱动作为基本演进范式。场景驱动跳出了单一需求维度,是一系列限制条件下多种需求的综合表达,这将推动以知识、智能、决策为核心的系统演进方式。

 

 

中国工程院院士张平在一次公开演讲中提出,移动通信演进的驱动力由 1G/2G/3G/4G 时代较为简单且统一的单一速率需求,经由 5G 三个场景的过渡,最终转化为以场景驱动作为基本演进范式。场景驱动跳出了单一需求维度,是一系列限制条件下多种需求的综合表达,这将推动以知识、智能、决策为核心的系统演进方式。

 

随着 5G 商用的深入,业界不断提出新的需求,相应地 5G 的标准规范也需要持续演进,使 5G 标准更加适应市场实际情况。在演进过程中,除了对此前定义的场景支持技术进一步增强外,新的场景不断引入也是一个方向,包括各垂直行业也有很多交叉场景、低配版场景等方面的需求,标准的完善正是支撑移动通信业务能力扩展和市场规模扩大的重要因素。

 

交叉场景:5G 不仅仅是三个背道而驰的场景,还要鱼和熊掌兼得

以场景驱动作为基本演进范式,一个方向就是多场景交叉的情况。近日,在 2020 全球移动宽带论坛上,华为常务董事汪涛在其主题演讲中提出了 5.5G 的概念,在 eMBB、uRLLC 和 mMTC 三大场景基础上,增强和扩展上行超宽带 UCBC、实时宽带交互 RTBC 和感知定位 HCS 等新场景,提升个人实时交互体验,增强蜂窝物联能力。

 

 

在华为看来,扩展应对的是日益增长的新应用诉求,5G 定义的三大场景已经无法支撑更多样性的物联场景需求。一些应用既需要海量连接,又需要上行大带宽,因此需要在 eMBB 和 mMTC 之间增加一个场景,命名为 UCBC,聚焦上行能力的构建;还有一类应用,既需要超宽带,也需要低时延和高可靠,需要在 eMBB 和 URLLC 之间增加一个场景,命名为 RTBC,聚焦宽带实时交互的能力构建;最后一类场景是泛能力集,比如车联网中的车路协同,既需要通信能力,又需要感知能力,因此提出新增 HCS 场景,聚焦通信和感知融合的能力构建。

 

可以看出,5.5G 提出的新场景面对的主要是兼顾原有 eMBB、uRLLC 和 mMTC 三大场景的交叉场景,对于业界提出了新的挑战。因为 eMBB、uRLLC 和 mMTC 本身每一类场景都面对一些极端的、较为苛刻的情况设置相关指标,指导业界向着这些 KPI 来努力,而 5.5G 提出的新场景需要业界原有场景两两组合,同时满足严苛的 KPI,鱼和熊掌兼得的要求挑战更大。

 

当然,这些新的场景并非为了秀能力,而是在产业需求背景下提出的。例如,在企业生产制造的一些场景下,有限的空间中有大量的设备联网,而且这些设备需要高带宽上传数据,此时就需要上行超宽带(UCBC)相关技术支持;又如,在一些 XR 全息应用场景中,要达到身临其境的沉浸式体验,需要在给定的低时延下进一步提升带宽,形成实体与虚拟无缝交互,此时就需要宽带实时交互(RTBC)相关技术。

 

低配场景:并非所有 5G 应用都要达到极致指标

场景驱动演进,另一个方向是原有对场景进行分级,在已有的高 KPI 要求基础上分出低 KPI 要求的场景,形成“低配版”5G。未来大量场景可能并不需要达到 10Gbps 以上带宽、毫秒级时延和 100 万 / 平米的连接密度这些极致的要求,未来 5G 的演进需要考虑到一些“低配版”场景的需求。

 

实际上,3GPP 已经考虑到了这一场景的需求,因此在对 R17 立项中,考虑到了对降低 NR 设备复杂度的方向,并明确列入 R17 的计划中。设备复杂度的降低,使 5G 能够覆盖广阔的低端场景。

 

 

3GPP 在推进 5G 规范中也在不断引入新的场景,例如早在 2018 年,3GPP 关于“IMT-2020 自我评估”的研究中,就已经确认 NB-IoT 和 LTE-M 满足 IMT-2020 对 mMTC 的要求,可以被认证为 5G 技术。在 uRLLC 的支持方面,uRLLC 这一特性实际上早在 R15 版本中就已引入,分别在 LTE 和 NR 中定义,而 NR uRLLC 在 R16 中实现了进一步增强,并包含在对工业物联网研究项目中,R16 还引入了对时间敏感型网络(TSN)与 5G 的融合。

 

5G 的一个重要目标是实现工业场景互联互通,在工业环境中场景非常复杂,就传感器来说,包括压力传感器、湿度传感器、温度传感器、运动传感器、加速度计等。希望将这些传感器和致动器连接到 5G 无线电接入和核心网络。3GPP 的多个技术研究和规范中都描述过大规模工业无线传感网络(IWSN)的用例和需求,这类用例中不仅包括要求较高的 uRLLC 服务,还包括设备外形和尺寸较小的相对低端服务,这类服务需要完全无线形态实现无人维护,电池寿命能达到几年的程度。综合来看,这些用例的要求高于 LPWAN(如 NB-IoT),但低于 uRLCC 和 eMBB。在智慧城市领域,一些用例也有类似的需求,比如一些监控场景。在可穿戴设备场景,包括智能手表、智能手环、健康类设备和医疗监测相关设备一般都需要较小的尺寸,需要在满足通信需求的前提下缩小终端尺寸。

 

诸如此类场景,在此前 5G 标准中并未考虑,因此提出了新的课题,对于各类用例都有一些明确要求。

 

其中,通用性要求包括:

设备复杂性:与 R15 和 R16 定义的 eMBB 和 uRLLC 高要求设备相比,新设备类型的主要要求是降低设备成本和复杂性,工业互联网场景尤其明显

 

设备尺寸:大多数用例都有此要求,新的标准要允许设备设计具有紧凑的外形

 

部署:系统应支持在 FR1/FR2 所有频段上实现 FDD 和 TDD 的功能部署

 

具体应用场景的要求包括:

工业无线传感网:3GPP TR 22.832 和 TS 22.104 规范文档中对参考用例和要求进行描述,包括通信服务可靠性为 99.99%,端到端时延小于 100 毫秒,参考带宽速率小于 2 Mbps,并且设备大部分是静止的,电池至少能用几年。当然,对于安全类相关传感器,延迟要求达到 5-10 毫秒。

 

智慧城市视频监控:正如 3GPP TR 22.804 中所述,一些性价比较高的视频场景要求的带宽为 2-4Mbps,时延小于 500 毫秒,可靠性在 99%-99.9%之间;高一级的视频则需要 7.5-25 Mbps 的带宽。当然,此类场景的业务模式以上行传输为主。

 

可穿戴设备:智能可穿戴应用的参考带宽为下行 5-50Mbps,上行为 2-5Mbps,峰值速率下行最高 150Mbps、上行最高 50Mbps,设备的电池应能使用数天(最多 1-2 周)。

 

根据 3GPP 文档的定义,针对这些场景的研究方向是:

 减少终端接收和发射天线;

减少终端带宽;

FDD 半双工;

减少终端处理时间和终端处理复杂度

 

当然,3GPP 也明确,针对这些场景的定义和研究工作不会覆盖低功耗广域网络的用例,但最低的速率和带宽也应该高于 LTE Cat.1 bis 相应指标。总体来说,低配版 5G 将大幅度降低接入成本,使 5G 能够覆盖的场景大大扩展。

 

回顾历史,4G 时代就开启了场景驱动的研究

基于场景驱动的移动通信标准演进,实际上在 4G 时代就有端倪。2015 年 10 月,3GPP 在其 PCG 第 35 次会议上正式确定 LTE-Advanced Pro 的命名,即 4.5G 在标准上的正式命名。LTE-Advanced Pro 除了进一步提升移动宽带能力外,也针对多个场景进行扩展,向着垂直行业延伸。

 

 

具体来说,首先是面向大规模物联网应用提供解决方案。从 R10 开始,3GPP 启动面向物联网的技术优化,LTE-Advanced Pro 在面向大规模物联网应用方面主要包含两条技术路线:窄带物联网 NB-IoT 和增强机器类型通信 eMTC,相信物联网领域的同行没对这两个技术并不陌生,尤其是 NB-IoT,目前已形成超过 1 亿的连接,演进成为 5G mMTC 的重要组成部分。

 

基于 LTE 的车联网(LTE-V)是 LTE-Advanced Pro 的重要发展方向。彼时,车联网技术以 IEEE 802.11p 路线为主,但这一路线存在一定技术缺陷,难以完全满足 V2X 应用需求,为 LTE-V 留下了市场空间。在信通院看来,车联网技术发展包含两个阶段,第一阶段为行驶安全,提升交通效率;第二阶段为自动驾驶,两个阶段相比,第一阶段对车辆之间广播通信的容量有较高要求,第二阶段对时延和可靠性有很高要求。LTE-Advanced Pro 正是面向第一阶段开展标准化工作,包含车车通信、车 - 基站 / 设施通信。

 

因此,可以说 LTE-Advanced Pro 面向垂直行业应用深度优化,在满足垂直行业应用需求的同时,也希望依托蜂窝移动通信产业基础,打破长期存在的物联网市场碎片化局面,为行业用户提供全球标准化的技术解决方案。

 

另外一个明显体现基于场景驱动的标准是 LTE 终端的分级。根据市场需求,3GPP 制定了关于 UE Category(用户终端等级)标准规范,UE category 是一系列的在上行 / 下行中可变的无线性能参数的集合,包含了很多的无线特性,其中最重要的一个就是用户设备支持的速率。各种“UE Category”和支持速率的对应关系如下表中所示:

 

 

可以看出,3GPP R8 定义了 Cat.1,开始对终端分类进行定义,为业界推出低配版 4G 提供支持。今年物联网市场热门的 Cat.1,正是有了对终端等级的标准规范,才支撑了低成本产业生态发展。

 

未来,移动通信发展依赖场景驱动的趋势越来越明显,体现出了通信业与产业实际需求的充分融合。

 

参考资料:

3GPP,《Revised SID on Study on support of reduced capability NR devices》

 

中国信通院,《观点 | 5G 前奏:LTE-A Pro 技术发展》