Τεχνικά Σημεία του 5G Radio (RAN) Έκδοση 15

Η Έκδοση 15, που οριστικοποιήθηκε τον Ιούνιο του 2018, άνοιξε τον δρόμο για την εμπορική εκμετάλλευση της τεχνολογίας 5G (NR). Η R15 έθεσε τα θεμέλια για τα δίκτυα 5G μέσω αρχιτεκτονικών Standalone (SA) και Non-Standalone (NSA), εισάγοντας ένα εικονικό πυρήνα δικτύου βασισμένο σε υπηρεσίες και νέες τεχνολογίες φυσικού επιπέδου για την ενίσχυση της χωρητικότητας, τη μείωση της καθυστέρησης και τη βελτίωση της ευελιξίας. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, οι Ομάδες Εργασίας Ραδιοφώνου 3GPP RAN1-RAN5 συνέβαλαν σημαντικά στην τυποποίηση της τεχνολογίας 5G (NR). Το έργο και τα βασικά τεχνικά σημεία κάθε ομάδας έχουν ως εξής:

I. RAN1 (Καινοτομία Φυσικού Επιπέδου) Οι βασικοί τομείς εργασίας περιλαμβάνουν κυματομορφές, σύνολα παραμέτρων, πολλαπλή πρόσβαση, MIMO και σήματα αναφοράς:

1. Ευέλικτη απόσταση υποφορέων και δομή πλαισίου; Εισαγωγή κλιμακούμενης απόστασης υποφορέων:

• Υποστήριξη για διαφορετικά εύρη καθυστέρησης και συχνότητας (FR1 και FR2);
• Υποστήριξη για χαμηλή καθυστέρηση (<1 ms TTI) και εφαρμογές υψηλής απόδοσης.

Εφαρμογή: Η επεξεργασία βασικής ζώνης προσαρμόζει δυναμικά το μέγεθος FFT και το κυκλικό πρόθεμα σύμφωνα με διαφορετικές αποστάσεις υποφορέων.

Περιπτώσεις εφαρμογής: Βιομηχανικός έλεγχος χαμηλής καθυστέρησης (30kHz) και σύνδεσμοι eMBB χιλιοστομετρικών κυμάτων υψηλού εύρους ζώνης (120kHz).

2. Μαζικό MIMO και Διαμόρφωση Δέσμης

• Πλήρης υποστήριξη για διαμόρφωση δέσμης 3D και ευέλικτη αντιστοίχιση θυρών κεραίας (έως 64 στοιχεία TRx).
• Εκτίμηση καναλιού βάσει CSI-RS για διαχείριση δέσμης συγκεκριμένου χρήστη.

Παράδειγμα: Οι συστοιχίες 64T64R gNB σχηματίζουν δυναμικές δέσμες UE-specific, βελτιώνοντας την φασματική απόδοση σε πυκνές αναπτύξεις.

3. Duplexing και Κατανομή Πόρων που βασίζονται σε OFDM

• Υποστηρίζει TDD και FDD με ενοποιημένη δομή χρονικής υποδοχής.
• Η μετάδοση Mini-slot (2-7 σύμβολα OFDM) επιτρέπει τον άμεσο προγραμματισμό δεδομένων, κρίσιμο για το URLLC.

Εφαρμογή: Ο προγραμματιστής gNB προετοιμάζει δυναμικά τις τρέχουσες μεταδόσεις καθόδου για την υποστήριξη μεταδόσεων ριπής URLLC.

4. Σήματα αναφοράς και συγχρονισμός：Εισαγωγή νέων σημάτων SS/PBCH, CSI-RS, PTRS και SRS.

• Το SS/PBCH χρησιμοποιείται για αρχικό συγχρονισμό και ανακάλυψη δέσμης.
• Το CSI-RS χρησιμοποιείται για τη βελτιστοποίηση δέσμης και την παρακολούθηση κινητικότητας.

5. Εξέλιξη Κωδικοποίησης Καναλιού: Η κωδικοποίηση LDPC χρησιμοποιείται για το κανάλι δεδομένων, αντικαθιστώντας την κωδικοποίηση Turbo για τη βελτίωση της απόδοσης eMBB.

• Οι κώδικες Polar εισάγονται για τα κανάλια ελέγχου (PDCCH, PUCCH) λόγω των πλεονεκτημάτων απόδοσης του μικρού μήκους μπλοκ.

Σενάριο εφαρμογής: Σηματοδότηση ελέγχου υψηλής αξιοπιστίας σε περιβάλλοντα μεταβλητού ρυθμού δεδομένων.

II. RAN2 (Διασύνδεση Ραδιοφώνου) Τα πρωτόκολλα MAC, RLC, PDCP και RRC ορίζουν την αρχιτεκτονική διασύνδεσης ραδιοφώνου, τον προγραμματισμό, την κατάσταση RRC, τη δημιουργία φορέα και τη βελτιστοποίηση σηματοδότησης.

1. Διπλή Συνδεσιμότητα (DC) εισάγει μια αρχιτεκτονική master-slave gNB, όπου το UE μπορεί να διανείμει την κίνηση μεταξύ LTE και NR (λειτουργία NSA).

Σενάριο εφαρμογής: Βελτίωση της απόδοσης στην πρώιμη φάση ανάπτυξης 5G πριν από το καθαρό δίκτυο πυρήνα 5G (EN-DC βασισμένο σε EPC).

2. Κατάσταση RRC_INACTIVE: Εισάγει μια νέα κατάσταση UE για την ελαχιστοποίηση της επιβάρυνσης σηματοδότησης διατηρώντας παράλληλα τη χαμηλή ανάκτηση καθυστέρησης.

Εφαρμογή: Το UE αποθηκεύει το περιβάλλον RRC για να επιτρέψει τη γρήγορη σύνδεση για διαλείπουσα κίνηση (περίπου 10 χιλιοστά του δευτερολέπτου).

Σενάριο εφαρμογής: Αισθητήρες IoT με περιοδικές μικρές εκρήξεις δεδομένων.

3. Αρχιτεκτονική βάσει ροής QoS: Το PDCP ανακατασκευάζεται σε αναγνωριστικά ροής QoS, σύμφωνα με την αρχιτεκτονική 5GC.

Εφαρμογή: Κάθε περίοδος λειτουργίας PDU δρομολογεί ροές QoS στο DRB μέσω αντιστοίχισης SDAP.

Χρήση: Ροές βίντεο με δυναμική προσαρμογή ρυθμού bit.

4. Συμπίεση κεφαλίδας και ασφάλεια: Η βελτιστοποίηση RoHCv2 και η βελτιωμένη κρυπτογράφηση υιοθετούνται για τη μείωση της επιβάρυνσης του επιπέδου ελέγχου.

5. Βελτιώσεις κινητικότητας και μεταβίβασης: Ορίζεται ενοποιημένη σηματοδότηση δια-RAT μεταβίβασης μεταξύ δικτύων LTE-NR (NSA) και NR-NR (SA).

III. RAN3 (Εξέλιξη Διασύνδεσης NG και Διπλής Συνδεσιμότητας) οι τεχνολογίες περιλαμβάνουν: F1, Xn και ορισμούς διασύνδεσης NG, διαχείριση gNB-CU/DU και διαλειτουργικότητα.

1. Διαχωρισμένη Αρχιτεκτονική gNB (CU/DU): Λογικός διαχωρισμός μεταξύ κεντρικών μονάδων (CU) και κατανεμημένων μονάδων (DU).

Εφαρμογή: Οι διασυνδέσεις F1-C (έλεγχος) και F1-U (χρήστης) υιοθετούν ένα ευέλικτο σχεδιασμό μετάδοσης fronthaul.

Σενάρια εφαρμογής: Cloud-RAN και διαλειτουργικότητα πολλαπλών προμηθευτών.

2. Διασυνδέσεις NG και 5GC: Εισάγει διασυνδέσεις NG-C (επίπεδο ελέγχου) και NG-U (επίπεδο χρήστη), αντικαθιστώντας τη διασύνδεση S1 στο LTE. Υποστηρίζει λειτουργίες δικτύου πυρήνα 5G που βασίζονται σε υπηρεσίες μέσω AMF/SMF.

3. Αρχιτεκτονική EN-DC: Ορίζει τη σηματοδότηση Xn και S1* για διαλειτουργικότητα μεταξύ eNB και gNB. Υποστηρίζει την ομαλή λειτουργία των σημείων αγκύρωσης LTE στα πρώτα στάδια της ανάπτυξης 5G.

4. Συνέχεια περιόδου λειτουργίας και διαίρεση δικτύου: Ενσωματώνει έναν μηχανισμό κινητικότητας μεταξύ τομών που βασίζεται σε QoS.

Παράδειγμα εφαρμογής: Απρόσκοπτη μεταβίβαση μεταξύ διαφορετικών τομών με βάση τις απαιτήσεις καθυστέρησης (eMBB→URLLC).

IV. RAN4 (Ραδιόφωνο και Φάσμα) Ορισμοί ζώνης, Επίπεδα ισχύος, συγκέντρωση φάσματος και συνύπαρξη.

1. Νέα εύρη ζώνης συχνοτήτων (FR1 και FR2)

• FR1: 410MHz – 7.125GHz
• FR2: 24,25 – 52,6 GHz (χιλιοστομετρικό κύμα)

Εφαρμογή: Ο αρθρωτός σχεδιασμός του μπροστινού άκρου RF της συσκευής υποστηρίζει λειτουργία διπλής ζώνης χρησιμοποιώντας αλλαγές αλυσίδων ενισχυτή χαμηλού θορύβου (LNA).

2. Εύρος ζώνης και συγκέντρωση φορέα: Ορίζεται εύρος ζώνης καναλιού έως 400MHz στο FR2. Οι συγκεντρωμένοι φορείς συνδυάζουν NR και LTE για υβριδικές αναπτύξεις.

3. Αξιολόγηση ισχύος και βαθμονόμηση EIRP: Οι αξιολογήσεις UE καθορίζονται για συσκευές χιλιοστομετρικών κυμάτων. εισάγονται αυστηρές παράμετροι EVM και ACLR.

Περίπτωση εφαρμογής: Μικροί σταθμοί βάσης κυψελών και CPEs που χρησιμοποιούν έλεγχο δέσμης για 5G FWA.

4. Συνύπαρξη και έλεγχος μετάδοσης: Ορίζονται μάσκες φάσματος για την εξασφάλιση συνύπαρξης μεταξύ πολλαπλών τεχνολογιών πρόσβασης ραδιοφώνου (RAT). Υποστήριξη για κοινή χρήση φάσματος NR με LTE ή NR-U σε μη αδειοδοτημένες ζώνες.

5. Απόδοση RF και ευαισθησία αναφοράς: Βελτιωμένη μοντελοποίηση ευαισθησίας για σταθμούς βάσης μαζικών συστοιχιών MIMO. Εισαγωγή ελέγχου ισχύος βάσει δέσμης για τη διαχείριση της ισοδύναμης ισοτροπικής ακτινοβολούμενης ισχύος (EIRP) κάθε δέσμης.

V. RAN5 (Δοκιμές Εξοπλισμού και Συμμόρφωση): Διαδικασίες συμμόρφωσης, σηματοδότησης και δοκιμών απόδοσης UE.

1. Ευθυγράμμιση προδιαγραφών δοκιμής: Εισαγωγή TS 38.521/38.533/38.141 για δοκιμές συμμόρφωσης RF και πρωτοκόλλου των NR UEs και των σταθμών βάσης.

2. Πλαίσιο δοκιμής OTA (Over-The-Air): Εισαγωγή ενός μοντέλου δοκιμής θαλάμου ανηχοϊκού εξοπλισμού χιλιοστομετρικών κυμάτων, λαμβάνοντας υπόψη τον έλεγχο δέσμης και τα δυναμικά μοτίβα ακτινοβολίας.

Παράδειγμα: Ανάλυση χαρακτηριστικών smartphone 5G και επαλήθευση εναλλαγής δέσμης συστοιχίας φάσης.

3. Επαλήθευση σηματοδότησης από άκρο σε άκρο: Επαλήθευση της διαλειτουργικότητας των επιπέδων RRC/PDCP/PHY, η οποία είναι ζωτικής σημασίας για την πρώιμη ενσωμάτωση NSA.

4. Αξιολόγηση απόδοσης: Ορισμός βασικών δεικτών απόδοσης (KPI) για την καθυστέρηση, την απόδοση και την ευαισθησία αναφοράς σε ένα πραγματικό περιβάλλον διάδοσης.

Η Έκδοση 15 θέτει τα θεμέλια για την πρώτη φάση του 5G, ορίζοντας το φυσικό επίπεδο NR, νέα ραδιοφωνικά πρωτόκολλα, ευέλικτη αρχιτεκτονική και πτυχές RF/συνοχής. Υποστηρίζει βασικές υπηρεσίες 5G, συμπεριλαμβανομένων των eMBB, URLLC και mMTC, που εκτελούνται σε μια ενοποιημένη αρχιτεκτονική, υποστηρίζοντας ταυτόχρονα και τις δύο λειτουργίες NSA και SA.