5G 系列文章(二):5G 标准化(上篇)

阅读数:613 2019 年 11 月 13 日 08:00

5G系列文章(二):5G标准化(上篇)

从 2012 年 ITU-R 启动“IMT for 2020 and beyond”项目到现在,5G 走过了需求规划、标准制定、研发测试及商业部署准备等困难重重但又硕果累累的历程。移动产业界对 5G 的愿景已达成共识:5G 不仅将为用户提供增强的移动互联网服务——包括更佳的用户体验、更多样的连接方式,而且将提供面向物与物、人与物通信的物联网服务——包括大规模连接和低时延、超可靠的连接。虽然移动互联网仍是 5G 的主要应用之一,但对众多产业和领域进行渗透和赋能的移动物联网将是 5G 区别于前几代移动通信技术的显著特点。

5G系列文章(二):5G标准化(上篇)

本系列节选自《5G NR 标准:下一代无线通信技术  [5G NR: The Next Generation Wireless Access Technol]》,上一篇文章主要讲述了5G 的基本概念,本文将讲解 5G 的标准化

5G 标准化

移动通信系统的研究、开发、实现和部署是国际上无线产业界通力合作的结果,而产业界对整个无线通信系统的统一的规范也是在这一过程中完成的。这一工作很大程度上依赖于全球和区域性的政府监管活动,特别是对于频谱使用的监管,这是所有无线技术面临的主要问题。本章描述了监管和标准化的环境,它们对于定义无线通信系统曾经是并且将继续是非常重要的方面。

2.1 标准化和监管概述

移动通信领域,有许多组织参与技术规范制定、标准化和监管的相关活动。它们大致可以分为以下三种:标准化组织、监管机构、产业论坛。

标准化组织(Standards Developing Organization,SDO)为移动通信系统开发和制定技术标准,以便业界可以据此生产和部署标准化的产品,从而使产品之间具有互操作性。移动通信系统的绝大部分组件,包括基站和移动终端,在某种程度上都是标准化的。虽然厂家有一定的在其产品中提供其特有的解决方案的自由度,但通信协议的特点也决定了必须要有详细的标准。SDO 通常是非营利的行业组织,不为政府控制。不过,政府经常授权它们针对某一领域编写标准,这类标准通常会具有较高的级别。

有的国家有自己的 SDO,但由于通信产品的全球化趋势,绝大多数 SDO 是区域性的并且参与全球合作。比如,GSM、WCDMA/HSPA、LTE 和 NR 的技术标准都是由 3GPP 制定的,而 3GPP 是一个由欧洲(ETSI)、日本(ARIB 和 TTC)、美国(ATIS)、中国(CCSA)、韩国(TTA)和印度(TSDSI)等七个区域性和国家级 SDO 组成的全球性的组织。各个 SDO 的透明度和开放程度各有不同,但 3GPP 的所有技术规范、会议文档、报告、电子邮件讨论组都是公开的和免费的。

监管机构(regulatory bodies and administration)是政府性组织,它对移动系统和其他电信产品的销售、部署和运维提出法规方面的要求。它的最重要的任务之一就是管控频谱的使用,为移动运营商获得部分无线频谱(Radio Frequency,RF)及运营商设定授权条件。另一个任务是通过认证流程对产品的“市场准入”进行监管,以保证终端、基站和其他设备通过型式认证(type approval),符合相关的监管要求。

频谱监管不仅在国家层面由国家机构执行,它也通过区域性机构比如欧洲的 CEPT/ECC、美国的 CITEL、亚洲的 APT 来进行。在全球层面,频谱监管是由国际电信联盟(International Telecommunications Union,ITU)负责的。监管机构规定频谱提供何种服务,以及设定更详细的要求,比如发射机无用发射的限制等。通过监管规定它们也间接地对产品标准提出要求。2.2 节进一步解释了 ITU 对移动通信技术提出要求的情况。

行业论坛(Industry forum)是产业界领导的组织,目的是推广特定的技术或者其他的产业热点。在移动产业界,行业论坛往往由运营商引导,但也有一些供应商创建的产业联盟。例如,GSM 联盟(GSM Association,GSMA)致力于推动基于 GSM、WCDMA、LTE 和 NR 的无线通信技术。还有下一代移动网络(Next Generation Mobile Networks,NGMN),它由运营商组织,对移动系统演进提出需求,还有 5G Americas,它是一个区域性的产业联盟,由之前的 4G Americas 演变而来。

图 2-1 展示了参与移动系统监管和技术规范制定的不同组织之间的关系。这张图还显示了移动工业界的图景,即供应商开发产品、提供给市场、同运营商议价,同时运营商采购并部署移动系统。这一流程强烈依赖于 SDO 所发布的技术标准,而市场准入则依赖于地区或者国家层面的产品认证。请注意,欧洲的地区性 SDO(ETSI)基于欧盟的要求制定用于产品认证(通过 CE 标志)的和谐标准(harmonized standard)。这些标准在欧洲以外的国家也被用来进行认证。图 2-1 中,实线箭头表示的是正式的文档,比如技术标准、建议书和监管授权,它们规定了技术和监管的要求。虚线箭头表示的是更间接的介入,比如通过联络函和白皮书的方式。

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2.2 ITU-R 从 3G 到 5G 的活动

2.2.1 ITU-R 的角色

ITU-R 是国际电联的无线通信部门。ITU-R 负责确保所有无线通信服务都能够有效和经济地使用无线频谱。ITU-R 下属的各个子组和工作组分析和定义无线频谱的使用条件并撰写报告和建议书。ITU-R 的终极目标,是通过对无线电管理规定(Radio Regulations)和地区性协议的执行,“确保无线通信系统能够无干扰地工作”。无线电管理规定是关于无线频谱使用的、国际性的、具有约束力的条约。世界无线电通信大会(World Radio-communication Conference,WRC)每 3〜4 年举行一次。WRC 对无线电管理规定进行修改和更新,从而对全球无线频谱的使用产生相应的影响。

考虑到移动通信技术(比如 NR、LTE 和 WCDMA/HSPA)的技术规范是在 3GPP 完成的,ITU-R 有责任把这些技术转变为全球标准,尤其是为那些没有被 3GPP 所包含的 SDO 所涵盖的国家。ITU-R 为不同的服务定义相应的无线频谱,包括移动服务,其中某些频谱被分配给国际移动电信(International Mobile Telecommunications,IMT)系统。ITU-R 的 5D 工作组(WP5D)负责 IMT 系统的无线系统方面的全部工作,也就是从 3G 开始及其以上的各代移动通信系统。

WP5D 在 ITU-R 的最主要的任务就是负责 IMT 陆地部分的问题,包括技术、运营和频谱相关的问题。

WP5D 并不制定 IMT 的技术规范,而是和其他区域性标准化组织合作对 IMT 进行定义,维护一系列的 IMT 建议书和报告,包括一系列的无线接口规范(Radio Interface Specifications,RSPC)。这些建议书包括每一代 IMT 的无线接口技术(Radio Interface Technologies,RIT)“系列”,每一种技术都被平等对待。对于每个无线接口,RSPC 包含一个对它的概述,以及对详细规范的引用列表。实际的规范由各个 SDO 维护,RSPC 提供对这些规范的参考索引。以下是已有的和计划中的 RSPC 建议书:

  • IMT-2000:ITU-R 建议书 M.1457 包含六个不同的 RIT,包括 WCDMA/HSPA 等 3G 技术。
  • IMT-Advanced:ITU-R 规范 M.2012 包含两个不同的 RIT,其中最重要的是 4G/LTE。
  • IMT-2020:新的 ITU-R 建议书,包含 5G 的 RIT,计划 2019〜2020 年制定。

每个 RSPC 都会不断更新以反映其所参考的详细规范中的新的变化,比如 3GPP 的 WCDMA 和 LTE 规范。SDO 和伙伴项目(现在主要是 3GPP)提供更新所需的内容。

2.2.2 IMT-2000 和 IMT-Advanced

ITU-R 的第三代移动通信的工作开始于 20 世纪 80 年代。一开始的名字是未来公用陆地移动通信系统(Future Public Land Mobile Telecommunication Systems,FPLMTS),后来改名为 IMT-2000。在 20 世纪 90 年代后期,世界各地的 SDO 也在做与 ITU-R 类似的工作,即开发新一代的移动系统。IMT-2000 的第一个 RSPC 于 2000 年发布,3GPP 的 WCDMA 是其中一个 RIT。

接着 ITU-R 开始了 IMT-Advanced 的工作,它是指 IMT-2000 之后具有新无线接口、新能力的系统。ITU-R 在框架建议书 [41] 中定义了这些新的能力,图 2-2 展示了这张“厢式货车图”。ITU-R 的 IMT-Advanced 的能力和 4G(即 3G 之后的下一代移动技术)相呼应。

5G系列文章(二):5G标准化(上篇)

作为 IMT-Advanced 的候选技术之一,3GPP 向 ITU-R 提交了 LTE 演进技术。它是 3GPP LTE 规范的一个新版本(Release 10),也是不断演进的 LTE 的一个有机组成部分。为了向 ITU-R 提交,它被命名为 LTE-Advanced(Release 10 也用了这个名字)。以 ITU-R 需求为基础,3GPP 提出了自己的对 LTE-Advanced 的技术需求。

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ITU-R 流程的目的就是通过民主协商对各个候选技术进行协调。ITU-R 最后决定在 IMT-Advanced 的第一个版本中包含两种技术,即 LTE-Advanced 和基于 IEEE 802.16m 的 WirelessMAN-Advanced。这两者可以看作 IMT-Advanced 技术的“姐妹”,如图 2-3 所示。不过两者之中,LTE 是当前 4G 的主导技术。

2.2.3 ITU-R WP5D 的 IMT-2020 流程

2012 年,ITU-R WP5D 开始着手下一代 IMT 系统的工作,即 IMT-2020。它着眼于 2020 年之后 IMT 陆地部分进一步的发展,对应于通常所说的“5G”,即第五代移动系统。ITU-R 建议书 M.2083 对 IMT-2020 的框架和目标做了概述,这份建议书常被称作“愿景”建议书。它迈出了描绘 IMT-2020 发展的第一步:IMT 未来的角色;IMT 如何服务于社会;市场;用户和技术趋势;频谱形势,等等。考虑到用户趋势、未来的角色和市场,一系列的使用场景被提了出来,涵盖以人为中心的通信和以机器为中心的通信。这些确定的使用场景包括:增强移动宽带通信(eMBB)、超可靠低时延通信(URLLC)、大规模机器类型通信(mMTC)。

为了满足增强的移动宽带体验的需要以及新的、扩展的使用场景,IMT-2020 必须相应地扩展能力。愿景建议书描述了一系列关键能力以及相应的目标值,对 IMT-2020 的需求提供了总体的指导。2.3 节将进一步讨论关键能力和相应的使用场景。

ITU-R WP5D 同时还编写了一份关于“IMT 陆地系统未来技术趋势”的报告,重点关注 2015〜2020 年。通过分析 IMT 系统的技术和操作特性,以及 IMT 的技术演进所提供的改善的可能性,它描述了 IMT 技术的未来趋势。这份技术趋势的报告实际上和 3GPP Release 13 及之后的 LTE 相关,而愿景建议书展望的是 2020 年以后的情况。IMT-2020 的一个新的特点是它可以在潜在的、新的 6 GHz 之上的 IMT 频段运行,包括毫米波。出于这个考虑,WP5D 专门编写了一个单独的报告来研究无线电波传播、IMT 特性、支持技术,以及在高于 6 GHz 的频带的部署问题。

WRC-15 讨论了潜在的 IMT 新频段并为 WRC-19 增设了一个会议议程项 1.13,用来讨论为移动业务和未来 IMT 的发展分配额外频谱的可能性。在 24.25〜86 GHz 之间的许多频段被认为是可能的候选。第 3 章将对特定的频段及其全球使用的可能性进行描述。

WRC-15 之后,ITU-R WP5D 根据愿景建议书和之前其他的研究成果,继续为 IMT-2020 系统定义需求、设计评估方法。这项工作按照 IMT-2020 的工作计划(图 2-4),于 2017 年中完成。它的成果是 2017 年末发布的三份文献,进一步定义了 IMT-2020 要实现的性能和特性。这些性能和特性也将用于评估阶段:

  • 技术要求:ITU-R M.2410 报告针对 IMT-2020 无线接口技术性能定义了 13 项最基本的要求。这些要求很大程度上是基于愿景建议书(ITU-R,2015c)中对关键能力的描述。2.3 节对此有进一步的阐述。
  • 评估指南:ITU-R M.2412 报告定义了用来评估最基本要求的详细的方法论,包括测试环境、评估配置和信道模型。更多细节见 2.3 节。
  • 提交模板:ITU-R M.2411 报告定义了用来提交待评估的候选技术的具体模板。根据上面的两份报告 M.2410 和 M.2412,它还具体描述了评估标准,以及对业务、频谱和技术性能的要求。

IMT-2020 的流程以通函的形式告知了其他外部组织。在 2017 年 10 月举行了一次关于 IMT-2020 的研讨会之后,IMT-2020 流程正式开始接收候选建议。

如图 2-4 所示,ITU-R 计划在 2018 年开始对候选建议进行评估,目标是在 2020 年上半年发布 IMT-2020 的 RSPC。

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作者简介:

埃里克·达尔曼(Erik Dahlman)

爱立信公司研究院高级专家,从事移动通信研究 20 多年,参与 2G、3G、4G、5G 的研究和标准化工作,拥有多项通信技术专利和奖项,共同出版《3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband》《4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G》等多部经典技术专著。

斯特凡·巴克浮(Stefan Parkvall)

爱立信公司研究院高级专家,IEEE Fellow,从事移动通信研究 20 多年,参与 2G、3G、4G、5G 的研究和标准化工作,拥有多项通信技术专利和奖项,共同出版《3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband》《4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G》等多部经典技术专著。

约翰·舍尔德(Johan Skld)

爱立信公司研究院主任工程师,从事移动通信研究 30 多年,参与 2G、3G、4G、5G 的研究和标准化工作,共同出版《3G Evolution: HSPA and LTE for Mobile Broadband》、《4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G》等多部经典技术专著。

译者简介:

朱怀松,2004 年毕业于北京邮电大学并获硕士学位。 现任爱立信中国研发部多天线高级专家。长期从事无线基站的开发工作,主要研究领域包括多天线信号处理和系统性能分析等。工作期间获得专利 100 余项。

王剑,1994 年毕业于西北工业大学计算机系并获硕士学位。 现任爱立信中国研发部无线基带产品研发经理。从 2G 开始从事移动通信核心网和无线接入网产品管理、研发及标准化工作。工作期间获得多项国际专利。

刘阳,2003 年毕业于西安交通大学电信学院并获硕士学位。现任爱立信中国研发部主任系统工程师,从事无线接入网产品研发,经历了 3G、4G 到 5G 一系列基站产品,主要负责无线资源管理等算法的研究和产品化。

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