3GPP在4G到5G的演进中扮演的角色浅析

本文主要聊一聊，这一年来3GPP在4G向5G演进的路上，都忙了些啥?

LTE演进

1 LTE与WiFi

为了满足不断增长的流量需求，WiFi成为流量卸载的重要补充。为此，3GPP定义了两种流量卸载到未授权频谱的选项：

①LTE与WiFi协同工作

②LAA

LTE与WiFi协同工作

关于LTE与WiFi协同，在LTE标准的第一个版本已经提出，在release 12开始讨论RAN层面的两者协同工作。为了进一步满足运营商的需求，在Release 13版本里，3GPP定义了一些新的互联功能：

①LTE和WLAN在PDCP层数据聚合(LWA，LTE and WLAN aggregation)

●允许聚合LTE和WLAN下行无线链路

●LWA由LTE eNB控制;基于UE的测量报告;无需与LTE核心网交互;无需WLAN专用的核心网络节点

② LTE和WLAN通过IPSec Tunnel的方式聚合(LWIP，LTE WLAN Radio Level Integration with IPsec Tunnel )

●相互协同更紧密，可在两种无线链路间快速切换

●LWIP由LTE eNB控制;基于UE的测量报告

●UE通过eNB和 UE之间的IPsec tunnel接入WLAN

到了Release 14 ，3GPP定义了eLWA和eLWIP，即增强型LWA和增强型LWIP：

●eLWA：支持上行链路，增强了移动性，并对802.11技术的高数据速率进行了优化

●eLWIP：流量控制，支持新接口(Xw)之上的测量报告

LAA

LAA的全称是Licensed Assisted Access，即在非授权频段中使用LTE网络技术， 基于载波聚合的架构，由授权频段载波作为主小区(PCell)，非授权频段载波只能作为辅小区(SCell)。同时为了保证和其他在非授权频段工作的技术共存，采用了先听后说(Listen-Before-Talk)的信道竞争接入机制。

主小区传递重要消息和保障QoS，而从小区主要功能是提升数据速率。

LTE物联网

在Release 13中，3GPP定义了3种物联网标准：eMTC、NB-IOT和EC-GSM-IoT。

eMTC，即MTC的增强版本，在R12中叫Low-Cost MTC，有时统称为LTE-M，是基于LTE演进的物联网技术。

EC-GSM-IoT，即扩展覆盖GSM(Extended Coverage-GSM)物联网。各种LPWA技术的兴起，传统GPRS应用于物联网的劣势凸显，EC-GSM是为了让GSM/EDGE满足新形势下的物联网需求。

NB-IOT，即窄带物联网，可直接部署于GSM网络和LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

在R14版本，主要对eMTC和NB-IOT的一些功能进行了完善，包括组播、移动性增强、新的功率等级和接入/寻呼功能增强(NB-IOT)、支持高速率数据传输和VoLTE(eMTC)等。

三种物联网标准的技术参数对比：

LTE V2X

在R14，3GPP定义了LTE支持V2X应用，以推动车联网商机。V2X包括V2V、V2P和V2I，V2V即车辆对车辆，V2P是车辆对行人，V2I则是车辆对基础设施。

V2X包括两种互补的传输模式：

●直接通信

基于LTE D2D(Device-to-Device)技术，并对其在支持高速移动、高可靠的多用户调度和低时延上进行了改善。

●网络通信

V2X服务器可发送广播消息给汽车，同时，汽车也可通过组播方式发送消息给服务器。

在车辆对车辆安全应用上的基本功能已于2016年9月完成，V2X标准将于2017年3月最终完成。

低时延LTE

为了提升网络性能和用户体验，扩展LTE应用场景，3GPP正致力于缩短LTE空口时延，主要目标有两个：缩短处理时延和TTI，分别将于2017年3月和6月完成。

5G部分

前面LTE工作是为了向5G演进。下面这部分将单独介绍3GPP在5G方面的一些进展。

5G标准时间安排

5G标准制定工作分为两个阶段：

●5G标准第一个版本将于2018年9月完成(Release-15)，主要为了满足比较急迫的商业需求。

●5G标准第二个版本将于2020年3月完成(Release-16)，将满足IMT 2020提出的目标和所有可识别的用例与需求。

关键需求：5G-NR的设计在核心网应该是先前兼容的，以便于在后期版本中加入新功能。

介绍一下3GPP旗下的两个技术标准群组(Technical Specification Groups, TSA);其中TSG RAN(Radio Access Network)负责制定无线接入部分的功能、需求和接口等。另外一个群组TSG SA(Service and System Aspects)负责有关整体网络架构和系统服务能力相关工作，具体任务包括制定整体架构、服务框架和系统安全框架等。

TSG RAN主要工作

1)定义了下一代接入技术的场景和需求

三大场景：

? eMBB (enhanced Mobile Broadband)，增强移动宽带

? mMTC (massive Machine Type Communications)，大规模物联网

? URLLC (Ultra-Reliable and Low Latency Communications)，低时延高可靠连接

这三大场景分别对应的频谱分配是：

(5G频谱分为6GHz以下和6GHz以上两类)

? eMBB：6GHz以下和6GHz以上频段

? mMTC：6GHz以下频段

? URLLC ：6GHz以下频段

对应的网络部署场景：

?室内点场景：室内高流量和高用户密度。

?密集城区：密集城区高流量和高用户密度区域(宏站和小基站联合覆盖，或宏站单独覆盖)

?农村：农村大面积连续覆盖(需重点关注高速行驶的汽车)

?城区宏站：城区连续覆盖

?高速场景：高铁、动车等连续覆盖

?超偏僻超远覆盖场景：为低ARPU和用户稀少区域提供基本通信服务，包括荒野和公路沿线部署的物联网。

?城区大规模连接覆盖场景：主要针对城区大规模物联网实现连续覆盖

?公路或高速路场景：对高速行驶的车联网实现覆盖

?车联网城区网格场景：密集城区车联网

5G-NR需求：

?从省电状态到数据传输状态的控制面时延：10ms

?URLLC用户面时延：0.5ms

?eMBB用户面时延：4ms

?非频发小数据包时延：10s

?移动性中断时间：0ms

?非频发物联网小数据包流量模式的电池寿命：15年

?移动性范围：0km/h到500km/h

?无线接入网应该具备最小化回传和信令负荷的能力

2)完成了6GHz以上频段信道模型讨论

由于5G将运行于 6GHz以上的毫米波频段和更复杂的应用场景，比如500公里/小时的高速移动或大规模天线系统，这些使得现在的信道模型不再适用，因此，3GPP讨论了频段从6GHz到100GHz的新一代信道模型和建模方法等，以满足未来5G需求。

其中信道模型的研究场景包括：城区微蜂窝(Urband Microcell, UMi)、室内办公室和购物商城、城区宏蜂窝(Urband Macrocell, Uma)等。

建模方法主要讨论了：随机模型(Stochastic model)、基于地图模型(Map-based model)、和混合式模型(Hybrid model)等。

3)确定NR(New Radio)组网方式

?定义了两种NR(New Radio)组网方式：Standalone(独立)和 Non-Standalone(非独立) NR组网

非独立NR组网就是将NR控制面锚定于现有的LTE核心网，而独立NR组网是指NR的用户面和控制面独立部署于5G。

?待确定LTE和5G-NR(Next Generation Radio)的组网选项

各成员提出了多种组网选项，比如德国电信提出了12种，但哪些选项将被列入标准，将在2016年12月或2017年3月确定。

另外，关于用户面和控制面的分离、C-RAN功能分离和前传接口等讨论将在2017年1月完成。

TSG SA主要工作

1)SMARTER

TSG SA启动了新服务和市场使能技术(SMARTER，New Services and Markets Technology Enablers)研究项目，探讨未来5G的潜在服务、市场、应用场景和可能的使能技术。今年6月份已完成SMARTER研究，预计标准将于2017年3月完成。

SMARTER主要归纳了五大应用范围

包括：

●增强型移动宽带(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)：包括增强现实、虚拟现实等需要高速率高容量的网络应用。

●关键通信(Critical Communications, CriC)：包括工业控制、云端机器人、无人机对可靠性要求极高的应用。

●大规模物联网(Massive Machine Type Communication, mMTC)：包括智慧城市、智能电表等需要连接大量终端的应用。

●网络运营(Network Operation, NEO)：包括网络切片等需要更加灵活的运维网络。

●增强型车联网(Enhancement of Vehicle-to-Everything, eV2X)：包括车对车、车对人等车联网应用。

2)下一代通信的网络结构和安全

主要包括QoS构架、策略管理、对话管理、计费、鉴权、切片管理等等内容。

比如网络切片是一个很热门的话题，其目的就是网络根据不同的场景或服务需求提供不同的切片，因为它可以将不同UE隔离，当这些不同类型的UE连接网络时，彼此不会相互影响，即使当某个切片中的UE断线，或某一个网络切片服务中断，都不会影响到其它网络切片的连接服务。

但是，这样一来，无线接入网如何识别和选择UE就变成了一大挑战。UE如何接收所属切片的信息?无线接入网如何识别切片并将UE的信息传送到其所属的切片?UE如何连接不同类型的切片?等等，这些都属于这一部分要讨论的内容。

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