第20章　5G的演进

NR 的第一个版本，第 15 版，侧重于对 eMBB 的基本支持，在某种程度上，URLLC.1 如前几章所述，第 15 版是为即将发布的 NR 未来发展构建的基础 . NR 演进将带来额外的功能并进一步提升性能。 附加功能不仅会在现有应用程序中提供更好的性能，它们还可能面向新的应用程序领域开放，甚至受其推动。 下面将讨论 NR 可能发展的一些领域。 一些领域的研究已经在 3GPP 中进行，而其他领域与以后的版本更相关。

20.1　接入和回传一体化

多年来，无线技术在回程中的应用已得到广泛应用。 在世界某些地区，无线回程占总回程的 50% 以上。 当前的无线回程解决方案通常基于专有（非标准化）技术，作为使用 10 GHz 以上特殊频段的点对点视距链路运行。 因此，与接入（基站/设备）链路相比，无线回程使用不同的技术并在不同的频谱中运行。 LTE 第 10 版中引入的中继基本上是无线回程链路，尽管有一些限制。 然而，到目前为止，它还没有在实践中得到任何显着的应用。 原因之一是无线连接的小型蜂窝部署（中继设计就是为此而设计的）尚未在实践中广泛使用。 另一个原因是运营商更愿意将他们宝贵的低频频谱用于接入链路。 如前所述，当前的无线回程依赖于非 LTE 技术，这些技术能够利用比 LTE 高得多的频段，从而避免为回程目的浪费宝贵的接入频谱。 然而，对于 NR，由于以下几个原因，回程和接入有望融合：

  • 接入链路可以利用毫米波频率——即，与当前用于无线回程的频率范围相同。
  • 移动网络的预期密集化，许多基站位于室内和室外的街道层面，将需要能够在非视距条件下运行的无线回程，更一般地说，与接入链路非常相似的传播条件 . 无线回程链路和接入链路的要求和特性由此趋同。

本质上，参考图 20.1，在无线电方面，无线回程链路和普通无线链路之间没有重大区别。 因此，有充分的理由考虑在技术和频谱方面采用可同时用于接入和无线回程的单一无线电接入技术进行融合。 接入链路和无线回程最好也应该有一个公共频谱池。 还应注意，用于接入和无线回程的公共频谱池并不一定意味着接入链路和无线回程链路应在相同的载波频率上运行（“带内中继”）。 在某些情况下，这是可能的。 然而，在其他情况下，优选在回程链路和接入链路之间具有频率间隔。 关键是回程和接入之间的频谱分离应该尽可能不是监管问题。 相反，运营商应该有权访问单个频谱池。 然后由运营商决定如何以最佳方式使用该频谱以及如何在接入和回程之间分配它。 为解决回程场景，集成接入回程 [1] 的研究项目是第 15 版的一部分，用于评估将 NR 用于回程目的的可能性和技术。 NR 无线电接入已做好充分准备以支持回程链路，大部分必要的工作都在更高层协议上进行。

20.2　工作在非授权频谱

频谱是无线通信的基础，人们对更多频谱的需求永无止境，以满足不断增加的容量和更高数据速率的需求。 这是 NR 支持更高载波频率的原因之一。 NR 的第一个版本主要是为许可频谱设计的。 这样的频谱提供了许多好处，因为运营商可以规划网络并控制干扰。 因此，许可频谱有助于提供服务质量保证和广域覆盖。 然而，运营商有权访问的许可频谱数量可能并不充足，并且通常存在与获得频谱许可相关的成本。 另一方面，未经许可的频谱向任何人免费开放，但要遵守一组规则，例如最大传输功率。 由于任何人都可以使用频谱，因此干扰情况通常比许可频谱更难以预测。 因此，无法保证服务质量和可用性。 此外，最大发射功率适中，不适合广域覆盖。 Wi-Fi 和蓝牙是在较低频率范围（2.4 GHz 或 5 GHz）中利用未授权频谱的通信系统的两个示例。 此外，NR 可能解决的一些较高频段是未经许可的。 从上面的讨论可以看出，这两种频谱类型各有优缺点。 一个有吸引力的选择是将两者结合起来，使用许可频谱提供广域覆盖和服务质量保证，使用非许可频谱作为局域补充，以提高用户数据速率和整体容量，而不会影响整体覆盖范围， 可用性和可靠性。 这已作为 LTE 演进的一部分完成，请参见第 4 章中的许可辅助访问 (LAA) 和图 20.2。

对于 NR，基于 NR 的非授权频谱访问研究 [9] 是版本 15 的一部分，规范工作针对版本 16。尽管 NR 版本 15 不支持非授权频谱，但在基本 NR 框架的开发中考虑了它。 其中一个例子是在一个时隙的一小部分上传输的可能性（见第 7 章）。 因此，使用现有的灵活性并遵循为 LTE 开发的方法，将 NR 扩展到类似 LAA 的操作相对简单。 在 LTE/LAA 工作中考虑到的未授权频谱操作的一个重要特征是与其他运营商和其他系统（尤其是 Wi-Fi）公平共享未授权频谱。 有几种机制可用于启用此功能。 动态频率选择 (DFS)，其中网络节点搜索并找到负载较低的未授权频谱的一部分，如果可能，可用于避开其他系统。 先听后说 (LBT) 机制，其中发射机确保在传输之前载波频率上没有正在进行的传输，这是另一种在较低频段得到充分证明的机制，可以添加到 NR 中。 对于通常使用广泛波束成形的更高频段，LBT 机制可能需要进行一些修改。 除了许可辅助访问非许可频谱之外，还可以设想在非许可频谱中独立操作的完整解决方案。 这显然需要能够处理未授权频谱的系统信息传递和移动性机制。

20.3　非正交多址接入

NR 主要使用正交多址接入，其中不同的设备在时间和/或频率上是分开的。 然而，非正交接入有可能在某些情况下增加容量。 在 NR 开发的早期阶段，对非正交多址接入 (NOMA) 进行了简要研究，但降低了优先级。 尽管如此，关于 NOMA 的研究仍在第 15 版中进行，并可能在以后的版本中与 NR 相关。

20.4　机器类型通信

机器类型通信是一个非常广泛的术语，涵盖许多不同的用例和场景。 正如本书开头所讨论的，通常将机器类通信分为海量机器类通信和超可靠低延迟通信 (URLLC)。 海量机器类通信是指设备通常发送非常少量的数据，对时延要求宽松，但低功耗和低成本的场景。 设备的数量通常非常大。 从中短期来看，LTE 和 NB-IoT 将解决此类场景，特别是低端大规模 MTC 机制。 已引入特定机制，例如第 17 章中讨论的保留资源，以简化 NR 与这些接入技术之间的共存。 从更长期的角度来看，NR 有望随着对海量机器类通信的原生支持的改进而演进，主要集中在中高端海量 MTC。 减少带宽支持、扩展睡眠模式解决方案、唤醒信号和非正交波形是此类演进中可能与研究相关的示例。 工厂自动化是与机器类型通信相关的应用领域的一个示例。 在许多情况下，此类应用程序在可靠性和延迟方面要求很高，因此 NR 的 URLLC 方面非常相关。 与工厂自动化相关的 NR 可能增强的示例是高层增强以支持常用的工业协议（TCP/IP 除外）和核心网络的本地突破。

20.5　设备到设备的通信

支持直接设备到设备 (D2D) 连接（图 20.3），也称为侧链路连接，使用 LTE 是在 3GPP 第 12 版中引入的，考虑到两个主要用例：

  • 设备到设备通信，专注于 关于公共安全用例；
  • 设备到设备发现，针对公共安全以及商业用例。

如第 4 章所述，D2D 框架还作为 LTE 演进中 V2V/V2X 工作的基础。NR 第 15 版不支持直接的设备到设备通信，但它可能是 未来发布。 设备到设备连接不应专注于特定用例，而应被视为增强 5G 网络内连接的通用工具。 本质上，如果网络断定与通过基础设施的间接连接相比，这更有效（需要更少的资源）或提供更好的质量（更高的数据速率和/或更低的延迟），则应该配置设备之间的直接数据传输。 网络还应该能够配置基于设备的中继链路以提高连接质量，例如针对覆盖范围较差或没有覆盖的大量机器类型设备。 NR 的较低延迟也可能对某些 D2D 应用有价值，例如第 4 章中提到的编队行驶。

20.6　频谱和双工灵活性

双工灵活性是一个广泛的领域，旨在改善可用频谱的使用。 NR 的工具部分从一开始提供了很大的灵活性，例如带宽部分、灵活的时隙结构和跨双工方案的载波聚合，并确保 NR 可以部署在广泛的场景中。 所以可以预见在这一领域的进一步增强。 目前，FDD频谱分为下行链路部分和上行链路部分。 然而，从技术角度来看，相关的主要不是下行链路与上行链路，而是低功率与高功率。 下行链路通常使用高功率和相对较高的屋顶上方天线，而上行链路使用低得多的传输功率和天线安装。 因此，从干扰的角度来看，上行链路频谱中的低功率下行链路传输与相同频谱中的低功率上行链路传输没有区别。 因此，存在允许在上行链路频带中也进行下行链路传输的想法。 在某种程度上，这是动态 TDD 的 FDD 对应物，因为它允许对“传输方向”进行动态更改。 从技术角度来看，由于灵活的时隙结构，NR 已为此类增强做好了充分准备。 潜在问题主要是监管问题。 与频谱和未来可能的增强相关的另一个领域是干扰测量和动态 TDD。 NR 中的 TDD 方案建立在动态框架之上，因此动态 TDD 是第 15 版的一部分。但是，在实践中，此类部署主要限于小型基站。 在较大的小区中，下行链路传输功率相应较高，小区间干扰通常需要更静态的双工操作。 增加动态 TDD 可行的场景数量的一种可能性是包括各种干扰测量机制。 例如，如果调度器知道不同设备的干扰情况，它可以为一些设备动态调度，同时为其他设备采取更静态的方法。 还可以考虑不同的小区间干扰协调机制。 最近对“真正的”全双工操作提出了不同的建议 [53]。 在这种情况下，全双工操作意味着传输和接收同时以相同频率进行（另请参见图 20.4）。

全双工操作显然会导致从发射器到接收器的非常强的“自”干扰 ，在检测到实际目标信号之前需要抑制/消除的干扰。 原则上，这种干扰抑制/消除是直接的，因为干扰信号原则上是接收器完全已知的。 在实践中，由于目标信号和干扰信号在接收功率方面的巨大差异，抑制/消除远非直截了当。 为了解决这个问题，目前全双工操作的演示依赖于空间分离（用于传输和接收的独立天线）、模拟抑制和数字消除的组合。 该技术在很大程度上仍处于研究阶段，还不够成熟，无法大规模部署。 由于网络侧接收和发射天线的空间分离程度更高，因此仅在网络侧实现（见图 20.4 的右侧部分）可能不如在设备侧实现复杂。 即使全双工在实际实施中是可行的，也不应高估其好处。 全双工通过允许在同一频率上双向连续传输，有可能使链路吞吐量加倍。 然而，随后会有两个同时传输，这意味着对其他传输的干扰增加，这会对整体系统增益产生负面影响。 因此，可以预期全双工的最大收益出现在无线电链路相对隔离的情况下。

20.7　结束语

上面概述了与 NR 发展相关的技术领域的一些示例。 其中一些可能会成为未来 NR 版本的一部分，而其他可能根本不会发生。 然而，与往常一样，在尝试预测未来时，存在很多不确定性和新的、未知的要求或技术，这可能会促使我们朝着上面未讨论的方向发展。 在基本 NR 设计中强调未来兼容性确保在大多数情况下引入扩展相对简单。 很明显，NR 是一个非常灵活的平台，能够在广泛的方向上发展，并且是通向未来无线通信的有吸引力的途径。

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