5G-A：如何实现更高性能无线接入网络和新功能

最近结束 3GPP Release 18 标志着 5G Advanced 的引入。5G Advanced 功能将提升5G网络性能并加强对XR、室内定位和非地面网络等服务的支持。

本文提供 Release 18 最重要的功能和 Release 19 的概述，并解释移动网络标准如何演进以支持高性能的无线接入、差异化的服务、网络自动化和网络节能。

2023年12月11日至15日举行的3GPP全会标志着3GPP成立25周年，也是3GPP的又一个重要里程碑！

作为一个标准组织，3GPP在过去二十五年里提供了世界领先的移动宽带标准，从而建立了规模增长最快的全球技术生态系统。

这次会议结束了 Release 18，5G Advanced 的第一个版本，并批准了 Release 19 的主要范围，确定了 5G Advanced 的未来方向。

作为 5G Advanced 的延续，Release 19 将主要侧重于提高性能并满足5G商用部署中的关键需求。我们预测 5G Advanced 将在这十年中继续在3GPP发展，同时，如图1所示，我们预计从2025年开始的6G标准化将在 Release 20 和 Release 21 中加速。

图1：3GPP的 5G Advanced 和6G时间表

（2025年以后的日期仅供参考）

5G Advanced 

的演进

5G Advanced 将增强网络性能，并增加对新应用和用例的支持。本文重点介绍了3GPP Release 18 和 Release 19 将如何实现更高性能无线接入网络和新功能，使通信服务提供商能够实现其服务产品的差异化。另外，本文也将分享最新的标准演进如何支持自动化和可持续网络。

高性能5G网络

多输入多输出(MIMO)

先进的天线系统和大规模MIMO是5G的基石。Release 18 引入了几方面的优化：

上行链路和下行链路的系统容量进一步提升，主要是通过5G新空口（NR）多用户MIMO的改进。多用户MIMO是一种允许两个或多个UE使用相同时间和频率资源的技术，因此可以在这些相同的资源上调度更多 UE。

通过实现分布式发射机之间的协调操作，可以提高信号质量。这是迈向完全分布式MIMO（D-MIMO） 系统的重要一步。

通过支持CPE设备中的八个发射天线，固定无线应用（FWA）的数据速率得到了提高。

为了提高移动用户的服务质量，MIMO框架得到了改进，根据用户移动性信息基站可以在波束赋形方法之间进行自适应转换。

在 Release 19，大规模MIMO将支持超大规模的天线阵列，从而提供更高的增益和更灵活的波束赋形。这将提高链路和网络性能，对6 – 7 GHz 范围内的新频段至关重要。

Release 19 还将引入增强功能以实现具有成本效益的分布式发射器。这是迈向大规模部署D-MIMO的又一步。

最后，Release 19 将允许UE发起的测量报告，从而加快5G波束管理程序。此功能将允许更快的波束选择，这与移动用户高度相关。

移动性

与MIMO一样，移动性是高性能 5G 网络的核心组成部分。在 5G Advanced 中，3GPP引入了一种减少服务中断时间的新切换程序，称为 L1/L2 触发的移动性（LTM）。

LTM适用于所有频段，并且也可以应用于使用载波聚合的UE。在 Release 18 中，一个gNB的不同服务小区之间支持LTM。

在 Release 19 中，LTM框架将得到扩展，以支持不同gNB的服务小区之间的切换。LTM框架将增加对跨 FR1 和 FR2 的 NR-NR 双连接的支持。

Release 19 还将探索使用人工智能和机器学习（AI/ML）来提高移动性。例如，AI/ML可用于预测未来最佳服务小区。

3GPP的研究项目将综合考虑AI/ML性能和复杂性，其结论将作为 Release 20 移动性性能的规范依据。

动态频谱共享

动态频谱共享（DSS）是 5G 中的一项关键部署功能，它允许4G和5G载波共享相同的频率，从而促进从4G向5G迁移。基于DSS方案，一个基站可以在相同频谱中为4G和5G终端提供服务。

DSS是在5G的第一个版本中引入的，并在 后续多个版本中得到了改进。Release 18 支持对来自4G 邻小区强干扰的处理，并提高了下行控制信道的容量和覆盖范围。

DSS经过从 Release 15 到 Release 18 持续改进之后，已经相对完善，在 Release 19 中没有对DSS 进行进一步增强的需求。

支持新的消费者和企业服务

5G Advanced 增强了对多种新的消费者和企业服务的支持，使通信服务提供商能够差异化其网络。其中包括云游戏、沉浸式现实、室内定位和工业传感器网络。

扩展现实

扩展现实 (XR) 是一个概括性术语，涵盖虚拟现实 (VR)、增强现实 (AR) 和云游戏等广泛应用领域的用例。不同类型的 XR都有严格的时延要求，即较低且限定在一定范围内的端到端时延。

此外，市场趋势表明终端设备的外形尺寸越来越小，这限制了可用功率和计算资源。

在 Release 18，3GPP引入了5G无线接入网（RAN）和核心网侧对XR的增强功能。为了满足严格的延迟要求，引入了低延迟低损耗可扩展吞吐量（L4S）。

L4S通过调整应用数据速率来减少网络中的数据包排队。Release 18 还引入了媒体单元的抽象概念，它由一组数据包组成，例如有助于视频帧的渲染。这使得 接入网可以执行主动队列管理（AQM），在丢弃数据包的同时，最大限度地减少对体验质量的影响。

此外，Release 18 还引入了专为XR设备设计的省电功能。为了支持这些功能的应用， 接入网侧的标准引入了XR感知。通过新的信令机制，XR应用信息（如数据包周期和QoS要求）可以从5G核心网络传递到接入网。

这项工作将在 Release 19 继续。包时延信息可用来提升上下行调度，从而提高XR容量。利用未使用的测量间隙进行数据传输，以减少测量间隙对数据速率的影响。

室内定位

AI和ML为提升特定场景的定位性能提供了新的可能性。Release 18 研究了使用AI/ML来提高基于5G的定位精度，这是一项有价值的服务，尤其对于室内环境。

在室内，如在工厂或办公室中，可能无法使用全球导航卫星系统（如 GPS）。3GPP研究项目的重点是使用人工智能识别gNB和UEs之间的视距链路（LOS），因为在视距条件下的定位可提供高精度。

基于 Release 18 的研究项目，3GPP将在 Release 19 中标准化AI/ML驱动的定位，以提高定位精度。

物联网

Release 17 引入了低复杂度NR RedCap终端（Reduced Capability）,有助于降低设备价格，支持工业无线传感器网络、可穿戴设备和无线摄像头。RedCap终端可以配备单个接收通道，以支持更小尺寸的可穿戴设备。

Release 18 规定了定位和更低的峰值数据速率 10 Mbps。数据速率的降低进一步降低了RedCap终端的复杂度。RedCap剩下的部分将会在 Release 19 讨论，即支持卫星通信，以实现真正无处不在的NR IoT覆盖。

省电功能对于物联网设备非常重要。在 Release 18 中，3GPP研究了低功耗唤醒信号（LP-WUS）的优点。低功耗、低成本唤醒接收器 （WUR）接收LP-WUS，该装置的唯一目的是在检测到 LP-WUS 存在时唤醒设备中的主接收器。Release 19 的标准将支持 LP-WUS 和 WUR。

非地面网络

在 Release 17 中，NR经过调整以支持非地面网络（NTN）中的卫星通信。Release 18 包括NR NTN上行链路覆盖增强功能，以促进稳定可靠的语音和消息连接。为了实现地面和非地面网络之间更紧密的集成，这两种网络拓扑之间的移动性过程在 Release 18 中得到了加强。

NR NTN 演进将在 Release 19  中持续进行。

目标之一是提升卫星的下行覆盖。

3GPP 将研究是否需要对 5G 架构进行改变才能在卫星上安装完整的gNB。

将引入高输出功率的终端。

最后，正如上一节中已经提到的，将支持RedCap终端。

网络节能

5G在设计之初就定位于满足日益增长的流量需求，并同时限制移动网络的功耗。随着 5G Advanced 的推出，网络节能得到了越来越多的关注。

Release 18 定义了一个网络能耗模型，以识别可以提高网络能效的时机，并规定了一些方法以便gNB可以动态调整其天线的激活部分和发送功率。

在 Release 18 的基础上，Release 19 将进一步引入额外的节能功能，包括：

按需的辅小区SSB传输

按需的面向空闲态UE的SIB1传输

这两种技术都将基于一个新的触发机制，用于按需传输。

此外，在 Release 18，AI/ML领域还进行了网络节能的相关工作。

智能的网络自动化

人工智能和机器学习有能力通过分析从网络中收集的数据，来解决复杂和非结构化的网络问题。对一些特定的用例，3GPP已经研究如何将人工智能和机器学习应用于5G RAN和物理层。

用于下一代RAN增强的人工智能和机器学习

Release 18 中关于人工智能/机器学习的工作集中在三个用例上：

AI驱动的网络节能

负载均衡

移动性优化

通过NR接口上的信令增强（如UE到gNB无线接口、gNB之间的Xn接口），AI的应用在这些用例中得以实现。3GPP已经同意不对AI模型进行标准化，来确保厂商之间的良性竞争、激励和创新。

针对新用例的研究将在 Release 19 进行。一个新的用例是AI辅助的动态小区成形，也可以说是，AI辅助的覆盖和容量优化。

用于物理层增强的人工智能和机器学习

在 Release 18，3GPP已经研究了如何通过人工智能/机器学习来提升5G空口的功能和性能。研究是由三个用例驱动的。

定位

波束管理

信道状态信息上报

此外，还包括一些关于人工智能生命周期管理的研究，包括性能检测和测试。

基于 Release 18 研究的结论，Release 19 将会为人工智能/机器学习应用于空口定义一个整体框架，并将为人工智能/机器学习在如定位和波束管理的用例进行相关标准化工作。

此外，3GPP 还将继续探索人工智能/机器学习在其它用例的可用性，比如移动性。

迈向6G的桥梁

在 Release 19 的时间范围内， 我们预计对 6G 的用例和服务要求的研究项目将会在服务和系统方面工作组1 （SA1）开始。

一个深入的技术研究项目将在随后的Release 20中进行，涵盖6G无线接入网设计。Release 21 将标准化6G无线接入网，为2030年6G商用发布做准备。

在我们看来，通过本文中提到的很多项目，Release 19 将提供从 5G Advanced 到6G的桥梁。

XR将逐步演变成人机交互的沉浸式通信，并将提出 6G应满足的新要求，以提供更好的用户体验。

人工智能和机器学习将在未来发挥重要作用，预计从第一天起就将成为重要的6G构建模块。

5G Advanced 中的网络能效增强将为6G时代的可持续网络设计提供基准。

Release 18 和 Release 19 中引入的 D-MIMO 解决方案将引领 6G 的 D-MIMO。 

此外，Release 19中将有两项研究课题侧重于信道建模，为未来的工作奠定基础：

通感一体的信道建模（ISAC），一种使能通信网络同时支持通信和环境感知的技术

验证 7-24 GHz 范围内的3GPP信道模型，尤其研究厘米波范围内新的6G频谱

结论

Release 18 的结束标志着 5G Advanced 的引入。在3GPP Release 15、16 和 17的基础上，5G Advanced 体现了自2018年起5G演进的总体成果，必将进一步提升5G的商业价值。

作为 5G Advanced 的延续，Release 19 将专注于促进对5G商业部署持续投资的解决方案，以提高性能并满足关键需求。

同时，Release 19 将作为通往 6G 的桥梁，其中的许多解决方案将为未来的 6G 系统提供基准。

原文作者

Olof Liberg 无线临近概念与频谱标准化负责人

Daniel Chen Larsson 无线接入网络标准化首席研究员

Imadur Rahman 无线网络与标准首席研究员

Ricardo Blasco 无线网络高级研究员

Asbjörn Grövlen 无线接入网络标准化技术协调员

审核编辑：黄飞