5G Radio (RAN) Wydanie 15 - Najważniejsze aspekty techniczne

Wersja 15, sfinalizowana w czerwcu 2018 r., utorowała drogę do komercjalizacji technologii 5G (NR). R15 położyła podwaliny pod sieci 5G poprzez architektury Standalone (SA) i Non-Standalone (NSA), wprowadzając wirtualizowaną sieć rdzeniową opartą na usługach oraz nowe technologie warstwy fizycznej w celu zwiększenia przepustowości, zmniejszenia opóźnień i poprawy elastyczności. W tym okresie Grupy Robocze ds. Radia 3GPP RAN1-RAN5 wniosły znaczący wkład w standaryzację technologii 5G (NR). Prace i kluczowe punkty techniczne każdej grupy są następujące:

I. RAN1 (Innowacje w warstwie fizycznej) Kluczowe obszary pracy obejmują przebiegi, zestawy parametrów, wielodostęp, MIMO i sygnały odniesienia:

1. Elastyczne odstępy między podnośnymi i struktura ramki; Wprowadzenie skalowalnych odstępów między podnośnymi:

• Wsparcie dla różnych zakresów opóźnień i częstotliwości (FR1 i FR2);
• Wsparcie dla niskich opóźnień (<1 ms TTI) i aplikacji o wysokiej przepustowości.

Implementacja: Przetwarzanie pasma podstawowego dynamicznie dostosowuje rozmiar FFT i prefiks cykliczny w zależności od różnych odstępów między podnośnymi.

Przykłady zastosowań: Sterowanie przemysłowe o niskich opóźnieniach (30 kHz) i łącza eMBB o dużej przepustowości w paśmie milimetrowym (120 kHz).

2. Mass MIMO i Formowanie wiązki

• Pełne wsparcie dla formowania wiązki 3D i elastycznego mapowania portów antenowych (do 64 elementów TRx).
• Estymacja kanału oparta na CSI-RS dla zarządzania wiązką specyficzną dla użytkownika.

Przykład: Tablice gNB 64T64R tworzą dynamiczne wiązki specyficzne dla UE, poprawiając efektywność widmową w gęstych wdrożeniach.

3. Dupleksowanie oparte na OFDM i alokacja zasobów

• Obsługuje TDD i FDD ze zunifikowaną strukturą slotów.
• Transmisja mini-slotów (2-7 symboli OFDM) umożliwia natychmiastowe planowanie danych, co jest kluczowe dla URLLC.

Implementacja: Planista gNB dynamicznie wyprzedza trwające transmisje w dół, aby obsługiwać transmisje serii URLLC.

4. Sygnały odniesienia i synchronizacja：Wprowadzenie nowych sygnałów SS/PBCH, CSI-RS, PTRS i SRS.

• SS/PBCH jest używany do początkowej synchronizacji i wykrywania wiązki.
• CSI-RS jest używany do optymalizacji wiązki i śledzenia mobilności.

5. Ewolucja kodowania kanału: Kodowanie LDPC jest używane dla kanału danych, zastępując kodowanie Turbo w celu poprawy efektywności przepustowości eMBB.

• Kody polarne są wprowadzane dla kanałów kontrolnych (PDCCH, PUCCH) ze względu na zalety wydajności krótkiej długości bloku.

Scenariusz zastosowania: Niezawodna sygnalizacja kontrolna w środowiskach o zmiennej szybkości transmisji danych.

II. RAN2 (Interfejs radiowy) Protokoły MAC, RLC, PDCP i RRC definiują architekturę interfejsu radiowego, planowanie, stan RRC, ustanawianie nośnika i optymalizację sygnalizacji.

1. Podwójna łączność (DC) wprowadza architekturę master-slave gNB, w której UE może rozdzielać ruch między LTE i NR (tryb NSA).

Scenariusz zastosowania: Poprawa przepustowości we wczesnej fazie wdrażania 5G przed czystą siecią rdzeniową 5G (EN-DC opartą na EPC).

2. Stan RRC_INACTIVE: Wprowadza nowy stan UE, aby zminimalizować obciążenie sygnalizacyjne przy jednoczesnym zachowaniu niskiego czasu odzyskiwania.

Implementacja: UE przechowuje kontekst RRC, aby umożliwić szybkie połączenie dla przerywanego ruchu (około 10 milisekund).

Scenariusz zastosowania: Czujniki IoT z okresowymi małymi seriami danych.

3. Architektura oparta na przepływie QoS: PDCP jest przebudowywany na identyfikatory przepływu QoS, spójne z architekturą 5GC.

Implementacja: Każda sesja PDU kieruje przepływy QoS do DRB za pośrednictwem mapowania SDAP.

Przypadek użycia: Strumienie wideo z dynamiczną adaptacją szybkości transmisji bitów.

4. Kompresja nagłówków i bezpieczeństwo: Optymalizacja RoHCv2 i ulepszone szyfrowanie są stosowane w celu zmniejszenia obciążenia płaszczyzny kontrolnej.

5. Ulepszenia mobilności i przekazywania: Zunifikowana sygnalizacja przekazywania inter-RAT jest zdefiniowana między sieciami LTE-NR (NSA) i NR-NR (SA).

III. RAN3 (Interfejs NG i ewolucja podwójnej łączności) technologie obejmują: definicje interfejsów F1, Xn i NG, zarządzanie gNB-CU/DU i interoperacyjność.

1. Separowana architektura gNB (CU/DU): Logiczne oddzielenie między jednostkami scentralizowanymi (CU) i jednostkami rozproszonymi (DU).

Implementacja: Interfejsy F1-C (kontrola) i F1-U (użytkownik) przyjmują elastyczną konstrukcję transmisji fronthaul.

Scenariusze zastosowań: Cloud-RAN i interoperacyjność wielu dostawców.

2. Interfejsy NG i 5GC: Wprowadza interfejsy NG-C (płaszczyzna kontrolna) i NG-U (płaszczyzna użytkownika), zastępując interfejs S1 w LTE. Obsługuje funkcje sieci rdzeniowej 5G oparte na usługach za pośrednictwem AMF/SMF.

3. Architektura EN-DC: Definiuje sygnalizację Xn i S1* dla interoperacyjności między eNB i gNB. Obsługuje płynne działanie punktów zakotwiczenia LTE we wczesnych etapach wdrażania 5G.

4. Ciągłość sesji i podział sieci: Integruje mechanizm mobilności między segmentami oparty na QoS.

Przykład zastosowania: Płynne przekazywanie między różnymi segmentami w oparciu o wymagania dotyczące opóźnień (eMBB→URLLC).

IV. RAN4 (Definicje pasm radiowych i widma), Poziomy mocy, agregacja widma i współistnienie.

1. Nowe zakresy pasm częstotliwości (FR1 i FR2)

• FR1: 410 MHz – 7,125 GHz
• FR2: 24,25 – 52,6 GHz (fala milimetrowa)

Implementacja: Modułowa konstrukcja przedniego końca RF urządzenia obsługuje działanie dwupasmowe przy użyciu przełączanych łańcuchów wzmacniaczy małych szumów (LNA).

2. Przepustowość i agregacja nośnych: Zdefiniowano przepustowość kanału do 400 MHz w FR2. Agregowane nośne łączą NR i LTE dla wdrożeń hybrydowych.

3. Ocena mocy i kalibracja EIRP: Ustanowiono oceny UE dla urządzeń fal milimetrowych; wprowadzono rygorystyczne parametry EVM i ACLR.

Przypadek zastosowania: Małe stacje bazowe i CPE używające kontroli wiązki dla 5G FWA.

4. Współistnienie i kontrola transmisji: Maski widma są zdefiniowane w celu zapewnienia współistnienia między wieloma technologiami dostępu radiowego (RAT). Wsparcie dla udostępniania widma NR z LTE lub NR-U w nielicencjonowanych pasmach.

5. Wydajność RF i czułość odniesienia: Ulepszone modelowanie czułości dla stacji bazowych z tablicami MIMO. Wprowadzenie kontroli mocy opartej na wiązce w celu zarządzania równoważną izotropową mocą promieniowania (EIRP) każdej wiązki.

V. RAN5 (Testowanie sprzętu i zgodność): Procedury zgodności, sygnalizacji i testowania wydajności UE.

1. Dostosowanie specyfikacji testowych: Wprowadzenie TS 38.521/38.533/38.141 do testowania zgodności RF i protokołów UE NR i stacji bazowych.

2. Ramy testowe OTA (Over-The-Air): Wprowadzenie modelu testowego komory bezechowej dla urządzeń fal milimetrowych, uwzględniającego kontrolę wiązki i dynamiczne wzorce promieniowania.

Przykład: Analiza charakterystyki smartfona 5G i weryfikacja przełączania wiązki z anteną fazowaną.

3. Weryfikacja sygnalizacji end-to-end: Weryfikacja interoperacyjności warstw RRC/PDCP/PHY, co jest kluczowe dla wczesnej integracji NSA.

4. Porównywanie wydajności: Definiowanie kluczowych wskaźników wydajności (KPI) dla opóźnień, przepustowości i czułości odniesienia w rzeczywistym środowisku propagacji.

Wersja 15 kładzie podwaliny pod pierwszą fazę 5G, definiując warstwę fizyczną NR, nowe protokoły radiowe, elastyczną architekturę oraz aspekty RF/spójności. Obsługuje kluczowe usługi 5G, w tym eMBB, URLLC i mMTC, działające w ujednoliconej architekturze, jednocześnie obsługując tryby NSA i SA.