3GPP宣布完成5G标准第二版规范R16

日前，3GPP 宣布完成 5G 标准第二版规范 R16。

那 R16 究竟讲了些什么？

考虑向垂直行业扩展是 R16 的重头戏，本文将 R16 主要功能分为“向垂直行业扩展”和“功能增强”两大类进行介绍。

向垂直行业扩展

5G + TSN

为了扩大潜在的工业互联网用例，比如工厂自动化、电网配电自动化等，R16 支持 5G 与 TSN（Time Sensitive Networking，时间敏感网络）集成。

什么是 TSN？

传统以太网技术只能实现“尽力而为”的通信，无法满足工业制造应用的高可靠、低时延需求，因此，面向工业自动化需将传统“尽力而为”的以太网升级为可提供“确定性”服务。

同时，现有的工业协议众多，彼此孤立，各种协议使用不同的“语言”，一方面给实时通信带来了难度，另一方面难以实现统一集成，增加了维护和运营成本。

在这样的背景下，TSN 应运而生，它由 IEEE 定义标准，可基于标准以太网技术提供确定性服务，并提供标准化统一的、经济的解决方案。

5G + TSN，即 5G 系统与 TSN 网络集成，基于 5G uRLLC 的低时延高可靠能力，满足 TSN 架构的四大严苛的功能需求：时间同步、低时延传输、高可靠性和资源管理。5G 与 TSN 融合后，可通过 5G NR 无线替代工厂内的有线网络，让工业生产更加柔性化。

uRLLC 增强

为了支持工业领域的低时延、高可靠通信需求，在 3GPP R15 版本中，主要通过更大的子载波间隔（numerology）、Mini-slots、快速 HARQ-ACK、Pre-scheduling 等技术来降低空口时延，并通过 PDCP 复制传输、增强数据与控制信道的传输系统参数等技术来提升传输可靠性。

R16 版本将通过 PDCCH 监视功能、支持多个 HARQ-ACK、无序 PUSCH 调度、UE 优先级和多路复用等多个功能来进一步增强 uRLLC。

比如在可靠性增强方面，R15 支持两条支路的 PDCP 层分集传输，即数据包在 PDCP 层复制，再通过在两条无线链路上传输相同的数据的方式，来抵御无线环境恶化带来的影响，保障通信链路的可靠性。为了进一步增强可靠性，R16 对 PDCP 复制机制进行了增强，最高可支持 4 路复制数据传输，同时增强了对激活/去激活 PDCP 复制的控制。

非公共网络（NPN）

NPN，Non-Public Network，就是基于 3GPP 5G 系统架构的专用网络，它将 5G 扩展到传统的公共移动网络之外，对于使能垂直行业数字化转型至关重要。

NPN 包括两种部署方式：独立部署和非独立部署，即 SNPN（独立的非公共网络）和 PNI-NPN（公共网络集成 NPN）。

在非独立部署模式下，垂直行业可基于 5G 网络切片技术与运营商共享 RAN、共享核心网控制面，或共享整个端到端 5G 公网（即端到端网络切片）等来建设 5G 专网。

在独立部署模式下，垂直行业独立部署从基站到核心网到云平台的整个 5G 网络，可以与运营商的 5G 公网隔离。这意味着，工厂或园区内的设备信息、控制面信令流量、用户面数据流量等都不会出园区，可满足工业领域严苛的数据安全、低时延和高可靠需求。当然，对于园区内的语音、上网等非生产型业务，也可以通过防火墙与运营商公网互连。

那在独立部署模式下，垂直行业的频谱资源从哪里来呢？可以向运营商租用，也可以从监管机构申请，比如德国和日本就专门为垂直行业分配了专网频段，工业巨头们向政府申请并支付相应的费用就可以使用了。

NR-U

运营商的 5G 公网工作于授权频谱，它是提供广覆盖、高质量 5G 无线服务的基石，但 5G 公网也需要非授权频谱来补充容量，就像今天的 LTE 与 Wi-Fi 共存互补一样。

于是 5G NR-U 来了。

5G NR-U，全称 5G NR in Unlicensed Spectrum，即工作于非授权频谱的 5G NR。它将 5G NR 工作于 5GHz 和 6GHz 的非授权频段。

5G NR-U 包括两种模式：LAA NR-U（授权频谱辅助接入 NR-U）和Stand-alone NR-U（独立 NR-U）。

LAA NR-U 依托于运营商的授权频谱，将运营商的 NR 授权频谱作为锚点来“聚合”非授权频段，以利用未授权频谱资源增强运营商网络容量和性能，尤其适用于一些人群集中的室内场所，比如体育馆和购物中心等。

Stand-alone NR-U 不需要授权频谱做锚点，可完全独立地在非授权频谱上部署单个 5G 接入点或 5G 专网。这和今天企业自建 Wi-Fi 网络的模式一样，只不过使用的是 5G NR 技术。

5G LAN

5G 局域网支持在一组接入终端间构建二层转发网络，并通过 5G SMF 与 UPF 的交互实现终端组内数据交换和用户面路径选择。5G LAN 提供了组管理服务，使第三方（AF）可以创建、更新和删除组，以及处理网络中的 5G 虚拟网络（VN）配置数据和组成员 UE 的配置。

5G V2X

众所周知，蜂窝车联网（C-V2X）旨在把车连到网，以及把车与车、车与人、车与道路基础设施连成网，以实现车与外界的信息交换，包括了 V2N（车辆与网络/云）、V2V（车辆与车辆）、V2I（车辆与道路基础设施）和 V2P（车辆与行人）之间的连接性。

V2X 消息可以通过 Uu 接口在基站和 UE 之间传输，也可通过 Sidelink 接口（也称为 PC5）在 UE 之间的直接传输，即设备与设备之间直接通信。

为了将蜂窝网络扩展到汽车行业，3GPP 在 R14 引入了 LTE V2X，随后在 R15 对 LTE V2X 进行了功能增强，包括可在 Sidelink 接口上进行载波聚合、支持 64QAM 调制方式，进一步降低时延等。

进入 5G 时代，3GPP R16 版本正式开始对基于 5G NR 的 V2X 技术进行研究，以通过 5G NR 更低的时延、更高的可靠性、更高的容量来提供更高级的 V2X 服务。

R16 版本的 NR V2X 与 LTE V2X 互补和互通，定义支持 25 个 V2X 高级用例，其中主要包括四大领域：

车辆组队行驶，其中领头的车辆向队列中的其他车辆共享信息，从而允许车队保持较小的车距行驶。

通过扩展的传感器的协作通信，车辆、行人、基础设施单元和V2X应用服务器之间可交换传感器数据和实时视频，从而增强UE对周围环境的感知。

通过交换传感器数据和驾驶意图来实现自动驾驶或半自动驾驶。

支持远程驾驶，可帮助处于危险环境中的车辆进行远程驾驶。

NR定位

5G 时代大量的应用需要精准定位，比如工业 AGV、资产追踪等，尤其是室内精准定位，可卫星定位在室内无法使用，LTE 和 WiFi 定位技术又不精准，为此，5G 在 R16 版本中增加了定位功能，其利用 MIMO 多波束特性，定义了基于蜂窝小区的信号往返时间（RTT）、信号到达时间差（TDOA）、到达角测量法（AoA）、离开角测量法（AoD）等室内定位技术。

通过这些定位技术，对于对定位精度要求更为严格的一些商业用例，至少需达到以下要求：

对于 80％ 的 UE，水平定位精度优于 3 米（室内）和 10 米（室外）。

对于 80％ 的 UE，垂直定位精度优于 3 米（室内和室外）。

功能增强

2-STEP RACH

RACH，即随机接入信道，它是 5G 终端开机时向 5G 网络发出的第一条消息，因此对其进行优化设计非常重要。

在 R15 版本中，基于竞争的随机接入过程是一个四步过程（如下图）。四步随机接入过程需要在 UE 和基站之间进行两个往返周期，这不仅增加了等待时间，还导致了额外的控制信令开销。

在 R16 版本中，采用了两步随机接入的机制，其将前导preamble（Msg1）和 Scheduled Transmission （Msg3）合并为MsgA，将 Random Access Response（Msg2）和 Contention Resolution 消息（Msg4）合并为 MsgB。

IAB

IAB，Integrated Access and Backhaul for NR，即 5G NR 集成无线接入和回传，其可通过扩展 NR 以支持无线回传来替代光纤回传。

IAB 尤其适用于 5G 毫米波。由于毫米波传输距离短，需要部署密集的微站，意味着需要挖沟架线敷设密集的光纤回传，而 IAB 通过无线回传替代光纤，可以大幅降低部署难度和成本。

在 IAB 技术下，接入链路可以与回传链路使用相同的频段，称为带内工作；也可采用不同的频段，称为带外工作。

移动性增强

在传统 4G 网络和 5G R15 版本中，移动终端从源小区切换到目标小区时，移动终端会在短时间内无法发送或接收数据。具体的讲，移动终端与目标小区建立连接之前通常会释放与源小区的连接，这会导致网络与移动终端之间存在约几十毫秒内的中断。

同时，在 NR 高频段波束赋形中，由于需进行波束扫描，可能会导致切换中断时间比 LTE 更长，且可能导致更多的无线链路故障，从而降低可靠性。

这是个大问题，5G 智能制造、车联网、电网配网自动化等场景要求时延不过几毫秒，且对可靠性要求苛刻。

为了减少切换中断时间和提高可靠性，R16 采用了 Dual Active Protocol Stack (DAPS)技术对 NR 的移动性进行了增强，其允许移动终端在切换时始终保持与源小区连接，直到与目标小区开始进行收发数据为止。也就是说，在切换过程这段极短的时间里，移动终端同时从源小区和目标小区接收和发送数据。

双连接和载波聚合增强

R16 增强了双连接和载波聚合功能，包括通过更早的测量报告减少载波聚合和双连接的建立和激活时间，最小化小区建立和激活所需的信令开销和等待时间，快速恢复 MCG 链路，支持不同 numerologies 的载波聚合小区的跨载波调度等等。

MIMO 增强

R16 增强了波束管理和 CSI 反馈，支持多个传输点（multi-TRP）到单个 UE 的传输，以及多个 UE 天线在上行链路的全功率传输，这些增强功能可提升速率，提升边缘覆盖，减少开销和提升链路可靠性。

UE节能

由于 5G NR 更灵活、带宽更大、速率更高，NR 终端设备比 LTE 更耗电。为了减少终端功耗，R16 引入了一些新的节能功能，比如 Wakeup singal，增强跨时隙调度，自适应 MIMO 层数量，UE 省电辅助信息等。