【深智書摘】你不可不知的最新一代5G核心概念

2022/05/30閱讀時間約 10 分鐘
你不可不知的最新一代5G核心概念
Mini-slot:低延遲、多波束、重複使用、支援免許可頻段
行動通訊系統十年一代,從 1G 到 4G,歷經了「模擬、數位、資料、寬頻」四次技術變革,為全世界的億萬使用者帶來了「前所未有」的嶄新感受。尤其是 4G 技術開啟了行動網際網路時代,深刻改變了人們的生活方式。
圖 1 - 行動通訊1G 至 5G 演變
正當大家滿足於Facebook、Instagram、外送點餐、行動購物、行動支付、手機遊戲等4G帶來的豐富的行動網際網路應用和便利生活時,行動通訊產業已經將目標從「2C」(針對使用者)轉向「2B」(針對企業),試圖用 5G NR(新空中介面)技術推動千行百業向「數位化、行動化、自動化」發展。
5G 技術由於著重增加了對「行動物聯網」的支援,在更大廣度和更多維度上獲得了更廣泛的關注,其意義甚至上升到了國家間 IT 競爭主導地位的高度,一定程度上也超出了 5G 技術的開發者們的預料。
第五代行動通訊系統研究隨即拉開大幕!
▎實際需求層面
有速率提升需求的幾類典型業務如下:
◎ 增強型多媒體業務
對於影像清晰程度的要求在不斷提升,從普通的高畫質視訊到 4K 影音、8K 影音的傳輸,都在不斷對無線通訊系統的傳輸性能提出挑戰,意即,人們對於感官體驗的極致追求不止步,人們對於「更清晰、更豐富」的多媒體業務的新生需求也就永不會止步。
◎ 沉浸式互動多媒體業務
在沉浸式的多媒體業務中,以 AR、VR 觀賽為例,為了保證使用者體驗的細膩性與臨場感,多角度全方位擷取的多路超高畫質影音資料流程需要及時傳輸至終端,並在繪製等綜合處理後輸出,上述過程所需的無線傳輸能力與資源將遠遠超出原有通訊系統的使用者需求設定。更進一步地,當人們開始考慮全息通訊的場景時發現只有當更大數量級的傳輸速率得到滿足後,真正的全息業務才能得以支撐和實現。
◎ 熱點高容量通訊業務
在一些存在大量併發使用者的場景中,例如在一些大型體育賽事、演出等場合中,如果聚集人集群中爆發出諸如影音分享、即時高畫質直播等需求時,這類高密度高流量特徵的通訊業務很難被現有通訊系統所支援。因此,在商場、大型集會、節日慶典等熱點區域或事件中,單位區域內通訊裝置許多且流量密度需求較高的情況下,如何保障大量使用者同時獲得其所期望的通訊體驗是有待分析和解決的問題。
▎5G 系統應用場景
基於不同類型的 5G 通訊場景、應用及服務需求,透過提取其共通性特徵,國際電聯(ITU)最終將 5G 的典型應用場景劃分為三個大類,分別是增強型行動寬頻通訊(eMBB),超高可靠低延遲通訊(URLLC),以及大規模機器類通訊(mMTC),基本的業務與場景劃分情況如圖 2 所示。
圖 2 - ITU 對未來通訊系統的基本業務與場景分類
5G NR 與 LTE 一樣,都是基於 OFDMA(正交分頻多址)的無線通訊系統,時頻資源的分配與排程是系統設計的核心問題。LTE由於採用相對粗獷的資源設定顆粒度和相對簡單的排程方法,並沒有充分發揮OFDMA系統的設計潛力,尤其難以支援低延遲的訊號傳輸。在 5G NR 系統設計中,首要的目標就是引入更靈活的排程方法,充分發揮 OFDMA 的多維資源劃分和重複使用的潛力,適應 5G 三大應用場景需求。
▎Mini-Slot
在時域上,在5G NR 研究階段(Study Item)引入的重要創新概念是微時間槽(mini-slot)。之所以稱為 mini-slot,是因為這是一個明顯小於時間槽(slot)的排程單元。
在現有LTE 系統中,時域資源排程是基於 slot 的排程,每次排程的單位是 slot 或 subframe( 即2個slot )。這雖然有助節省下行控制訊號負擔,但大大限制了排程的靈活性。那麼,5G NR為什麼要追求比LTE更高的時域排程靈活性呢?採用 mini-slot 主要考慮以下應用場景:
1. 低延遲傳輸
5G NR 與 LTE 很大一個不同,是除了 eMBB 業務,還要支援超高可靠低延遲(URLLC)業務。要想實現低延遲傳輸,一個可行的方法是採用更小的時域資源設定顆粒度。下行控制通道(PDCCH)採用更小的時域資源設定顆粒度有助實現更快的下行訊號傳輸和資源排程,資料通道(PDSCH和PUSCH)採用更小的時域資源設定顆粒度有助實現更快的上下行資料傳輸,上行控制通道(PUCCH)採用更小的時域資源設定顆粒度有助實現更快的上行訊號傳輸和HARQ-ACK(混合自動重傳回饋資訊)回饋。
採用mini-slot作為資源設定顆粒度可以大幅縮短各個物理過程的處理延遲。如圖 3 所示,採用mini-slot可以將一個時間槽的時域資源進行進一步劃分。
圖 3 - 基於mini-slot 的快速資源排程
如圖3(a) 所示,位於時間槽表頭的 PDCCH 既可以排程位於同一時間槽內的PDSCH(以mini-slot 1作為資源單位),也可以排程位於時間槽尾部的PUSCH(以mini-slot 2作為資源單位),從而可以在一個時間槽內對上下行資料進行快速排程;
如圖3(b) 所示,包含 PDCCH 的 mini-slot 1 可以位於時間槽的任何位置,這樣當在時間槽中後部需要緊急排程資料通道傳輸時,也可以隨時發送PDCCH,利用時間槽尾部的剩餘時域資源,排程一個包含PDSCH的mini-slot2;
如圖3(c) 所示,在 mini-slot 1 傳輸完 PDSCH 後,只要還有足夠的時域資源,就可以在時間槽尾部排程一個傳輸 PUCCH 的 mini-slot2,承載 PDSCH 的 HARQ-ACK 資訊,從而實現在一個時間槽內的快速 HARQ-ACK 回饋。
2. 多波束傳輸
在毫米波頻段(頻率範圍2,FR2)部署 5G NR 系統時,裝置一般採用模擬波束成形(Analog Beamforming)技術在空間上聚焦功率,克服高頻段的覆蓋缺陷,即在某個時刻整個社區只能向一個方向進行波束成形。如果要支援多使用者連線, 則需要在多個方向進行波束掃描( Beam Sweeping)。如圖 4 所示,如果基於 slot 進行 beam sweeping,每個 beam 都需要佔用至少一個 slot,當使用者數量較大時,每個使用者的訊號傳輸間隔過大,造成資源排程和訊號回饋延遲大到無法接受。如果採用基於 mini-slot 的 beam sweeping,每個 beam 佔用的時間顆粒度縮小為 mini-slot,在一個時間槽內就可以完成多個 beam 的訊號傳輸,可以大幅提高每個 beam 的訊號傳輸頻率,將資源排程和訊號回饋延遲控制在可行範圍內。
圖 4 - 基於slot的Beam sweeping與基於mini-slot的Beam sweeping比較
3. 靈活的通道間重複使用
如前所述,基於mini-slot的靈活時域排程可以實現self-contained slot結構,即「先下後上」地將PDSCH與PUCCH、PDSCH與PUSCH重複使用在一個時間槽內傳輸,這是靈活的通道間重複使用的例子。Mini-slot結構同樣可以實現同一傳輸方向下的通道重複使用,包括在一個時間槽內傳輸PDCCH與PDSCH、PDSCH 與CSI-RS(通道狀態資訊參考訊號)、PUSCH與PUCCH。
圖 5 - 多個通道在一個slot 內的重複使用
首先,mini-slot 結構可以更靈活的重複使用 PDCCH 與 PDSCH,在一個時間槽內,終端甚至可以在接收完 PDSCH 之後再接收 PDCCH(如圖 5(a)所示),可以實現對下行控制訊號的隨時接收,並可以更有效的利用碎片資源。
CSI-RS 可以用於探測下行通道狀態資訊(CSI)的變化,以便進行更高效的PDSCH 排程。如果在一個時間槽內不能同時排程PDSCH和CSI-RS,終端在接收PDSCH的時間槽就無法接收CSI-RS。允許PDSCH和CSI-RS重複使用在一個時間槽裡,終端就可以在一個下行時間槽的大部分符號接收PDSCH之後,在剩餘的符號接收CSI-RS(如圖 5(b)所示),使基地台及時獲取最新的下行CSI。雖然LTE可以透過速率匹配的方式將PDSCH與CSI-RS重複使用在一個子訊框中,但基於min-slot實現重複使用是一種更靈活的方式,如可以支援兩者採用不同的波束。PUCCH除了用於傳輸PDSCH的HARQ-ACK回饋,還用於傳輸上行排程請求(SR)、CSI報告等上行控制訊號(UCI)。如果在一個時間槽內不能同時排程PUSCH和PUCCH,終端在發送PUSCH的時間槽,就需要將UCI重複使用到PUSCH中。允許PUSCH和PUCCH重複使用在一個時間槽裡,終端就可以在一個上行時間槽的大部分符號發送PUSCH之後,在剩餘的符號發送PUCCH(如圖 5(c)所示),使終端可以及時回饋HARQ-ACK或發起業務請求。這種只佔有少量符號的PUCCH稱為「短PUCCH」。
4. 有效支援免許可頻段操作
從4G 時代開始,3GPP 標準就致力於從授權頻段擴充應用到免許可頻段(unlicensed spectrum)。雖然5G NR標準的第一版本 — —R15 版本尚未開展非授權頻段 NR 標準(NR-U)的制定,但已經考慮到5G NR的基礎設計需要為未來引入NR-U特性提供更好的支援。免許可頻段的傳輸需要遵守非授權頻段的發射規則,如先聽後說(Listen-before-Talk,LBT)規則。經過 LBT 探測後獲取的發射視窗可能是非常短暫的,需要在盡可能短的時間內完成傳輸。理論上講,mini-slot 結構比時間槽結構更有利於抓住 LBT 發射視窗,進行有效的 NR-U 傳輸。NR-U 系統是在3GPP R16 版本標準中定義的。
《既會用也了解:最新一代5G核心技術加強版》
OPPO研究院 組編 / 沈嘉、杜忠達、張治、楊寧、唐海 等 編著
本文節錄自深智數位出版之《既會用也了解:最新一代5G核心技術加強版》。
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