面向融合、智慧、低碳的5G技術演進

段曉東，孫滔

面向融合、智慧、低碳的5G技術演進

段曉東，孫滔

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

隨著5G部署規模的擴大，產業界對5G演進的關注度持續提升。5G演進既是現有5G技術的進一步發展，也是5G向6G的過渡。2021年4月，3GPP將5G演進命名為“5G-Advanced”。介紹了5G演進的節奏，歸納了5G技術發展至今的狀態，展望了5G演進的方向，提出了以“融合”“智慧”“低碳”3個特征為代表的5G演進趨勢。重點介紹了多媒體增強、異構網絡融合、網絡大數據分析等5G演進方向。結合網絡技術的發展，指出了5G演進過程中系統設計的重點和難點。

5G演進；網絡架構；網絡融合

0 引言

在全球產業界的持續努力以及各地政府的支持下，在全球，尤其是中國，5G部署和應用快速發展。截至2021年年底，中國已建成全球規模最大的5G獨立組網（5G SA）網絡，實現城市和鄉鎮全面覆蓋、行政村基本覆蓋、重點應用場景深度覆蓋[1]。中國5G基站數量為142.5萬個，占全球5G基站數量的70%，5G移動電話用戶達到3.55億戶[2]，占全球5G用戶數的80%。5G行業應用也發展迅速，2021年第四屆“綻放杯”5G應用征集大賽，征集了近7 000家公司的超過1.2萬個項目?！?G+工業互聯網”在建項目超過2 000個，涉及遠程設備操控、機器視覺質檢、生產效能管控等典型應用場景，并已經在采礦、港口、鋼鐵、電力、石油化工等重點行業領域深度應用，助力企業提質、降本、增效以及綠色、安全發展[3]。2021年，工業和信息化部聯合9個部門，印發了《5G應用“揚帆”行動計劃（2021—2023年）》。

在5G建設和應用取得快速進展的同時，5G演進成為產業界新的焦點之一。5G演進擔負著延續5G生命周期以及向6G過渡的使命。一些新的技術將被引入5G系統，對于持續發揮5G的效能起著重要作用。同時，這些技術為6G的發展拓展了道路。2018年6月初步完成的3GPP Release 15（Rel-15）是5G第一版技術標準，它以“eMBB（增強型移動寬帶）”為重點，定義了5G的基礎系統。在2020年6月完成的3GPP Rel-16是5G國際標準的第二個版本，它完善了5G架構設計，支持了三大業務場景中另外兩種：“URLLC（超可靠低時延通信）”和“mMTC（大連接物聯網）”。5G第三版技術標準——3GPP Rel-17，預計在2022年6月完成，是5G標準相對完整定義后的第一個標準增強版本。2021年12月，在3GPP的第94次全會上，RAN（無線電接入網）組和SA（系統架構）組分別確定了無線電接入領域的28個項目以及系統架構領域的28個項目——至此，5G演進的第一個版本的范圍已經確定。無線電接入網領域的關鍵技術和系統架構領域的這28個項目有關聯，但并非一一對應。

網絡功能的引入都是先完善基礎架構和流程，再完善漫游機制，最后完善開放能力。本文的組織方式如下：以融合、智慧、低碳三大主線介紹5G演進技術，將多種關鍵技術進行歸類。在介紹關鍵技術時，先介紹5G技術標準在3GPP Rel-17的發展情況，進而介紹該技術在3GPP Rel-18的進一步發展。

1 面向融合的5G演進技術

1.1 支持沉浸式多媒體實現“虛實融合”

隨著數字化發展已經成為社會的共識，“數字孿生”“元宇宙”等理念和方向引起了業界的廣泛關注。2020年，全球虛擬現實的規模近千億元，且增長迅速[4]。5G對XR、多媒體方面的支持能力越來越重要。5G第一個技術標準的版本（3GPP Rel-15）是以“eMBB”為代表的技術。因此在支持大帶寬方面有了較好的基礎。在第二版5G技術標準中，3GPP專門針對XR的定義、技術挑戰、與5G的結合、應用場景進行了系統研究[5]。

在5G演進項目中，支持XR和多媒體業務能力將從架構方面入手，加強對沉浸式VR、遠程控制、多機器人協作等場景的支持，沉浸多媒體業務及網絡如圖1所示。

這些場景需提升的能力有3個特征：大流量（1 Gbit/s或更高）疊加低時延；一個業務由多種不同類型、不同優先級的數據流量進行傳輸；不同業務流往往需要時間同步，便于在交換式業務時有最好的業務體驗[6]。

5G演進的XR及多媒體增強能力是端到端的能力，涉及終端、接入網、核心網、業務編解碼能力的提升。需要5G的系統設計適應XR的業務機制，這需要從如下方面著手。

● 業務感知，結合上下行業務特征、應用層特征參數輔助，感知不同的視頻分塊（tile）。

● 質量保障，引入新型的服務質量（quality of service，QoS），如分層或幀級的調度機制，保障接入網資源分配和調度。

● 多流協同，支持多流差異化傳輸，進行QoS的協同控制，并考慮時間同步的傳輸。

● 信息開放，把網絡層信息對應用層開放，從而避免業務流量的超量發送，降低擁塞。

圖1 沉浸多媒體業務及網絡

1.2 空天地一體化深入融合

天地一體化是未來網絡發展的趨勢，空天地一體化融合架構如圖2所示，衛星網絡與地面網絡在通信中是相互補充的關系[7]。5G在第一版技術標準3GPP Rel-15中即提出了衛星接入網整合到5G網絡的需求，并從3GPP Rel-16開始研究衛星與5G系統的融合架構。這種融合從衛星作為接入網和回傳網兩種場景入手，會影響到網絡的QoS及移動性管理等機制。3GPP Rel-17標準化了衛星作為接入網和回傳網時不同的融合類型，具體如下。

● 在業務質量方面：根據融合的類型動態調整QoS策略、參數及信令狀態機定時器，從而適配不同的傳輸場景。

● 移動性管理方面：通過衛星可調波束和星間接力覆蓋的方式確保TA（tracking area）相對地面不變，從而對5G系統的移動性管理基本無影響。

● 選網機制方面：明確了終端在初始注冊和會話建立時，5G網絡基于用戶位置判斷是否允許接入以及指示終端重選其他網絡等機制，從而解決衛星覆蓋面大、橫跨多個國家和地區的問題。

圖2 空天地一體化融合架構

5G演進階段將進一步深化衛星網絡與移動網絡的融合[8]。從接入網的RRU（remote radio unit）在衛星上，到接入網的BBU（building base band unit）與衛星融合，甚至核心網的UPF（user port function）上星都是5G演進需要探討的內容。這種融合的架構使得基于衛星的本地轉發成為可能，從而增強數據業務的安全性，得以優化傳輸路徑。當衛星作為回傳時，動態地檢測回傳網絡的特性，如帶寬和時延，并將該信息對外開放。

1.3 無線有線及局域網絡融合

多接入網絡中具有“數據包”并發的更細粒度的融合與調度。無線有線融合通常的目的是最大可能地提升帶寬、降低時延，這進一步增強了XR、全息等業務的傳輸保障。3GPP接入與非3GPP接入的融合從4G時期就已經開始，5G時期的融合更加徹底[9]，體現在以下幾個方面。

● 接入信令的融合，非3GPP直接支持N2/N3接口，終端支持N1接口（5G NAS）。

● 架構的融合，不再使用非3GPP的AAA，而是基于5G的AUSF/UDM進行統一的認證。

● 更細粒度的流量調度，實現從“流”粒度的并發到“數據包”粒度的并發，即同一數據流可通過如MPTCP（multi-path transmission control protocol）的方式承載在多種接入網上。

這種多路徑的能力使得網絡可以靈活地進行不同策略的分流，分流策略有4種：主備模式、最低時延模式、優先模式以及負載均衡模式。MPTCP[10]的方案，顧名思義是處理TCP的流量。在5G的演進中將對UDP（user datagram protocol）流量（這種流量在流媒體業務中更為常見）進行并行傳輸，其方案是MPQUIC（mutipath quick UDP internet connection），即多路徑的QUIC（quick UDP internet connection）協議。此外，將考慮在4種模式基礎上增加冗余傳輸模式。

從面向企業的5G局域網向面向個人的5G家庭網絡、近場網絡擴展。面向工業現場，5G在3GPP Rel-16定義了“5G局域網”技術，支持機制包括本地轉發、組管理、點到多點通信等。為了進一步提升其對工業局域網的支撐能力，在5G演進中將進一步增強其對移動性管理、QoS的支持。此外，隨著個人用戶數字化設備和服務的增強，5G演進將考慮與家庭網絡的融合。這將把5G與家庭的多種接入設備關聯在一起，從而實現多種設備的互通、控制、數據采集、測距等能力。

2 智慧的5G演進技術

2.1 完善數據智能分析架構

5G的發展正值AI技術熱潮的時期，因此其對AI及大數據處理能力的支持順理成章。5G分別在系統架構、接入網、網管方面都大幅度地拓展了對智能化的支持。在系統架構方面，智能化、網絡大數據的分析能力（network data analytics function，NWDAF）在5G技術標準的第一個版本中即予以引入，初始只是和網絡的策略控制功能交互并主要處理網絡切片的選擇。在5G的第二版中，其功能擴展到處理用戶體驗質量（quality of experience，QoE）及服務等級協定（service-level agreement，SLA）、網絡負載的分析、用戶行為的分析等。同時，大數據的分析能力也從集中式向分布式演進，對網絡切片等場景予以支持。大數據分析的功能也分成數據分析和模型訓練功能。網絡大數據分析功能架構如圖3所示[11]。

5G演進的方向上，網絡大數據的分析將增強其漫游能力、提升模型分析的精確性、引入對聯邦學習等訓練模式的支持。在數據來源上，也將數據從終端、網管、控制面的數據進一步向用戶面數據擴展。這些更豐富的數據，結合對模型輸出結果的反饋等將被用于提升模型分析的精確性方面。在服務能力上，網絡的智能化能力也向平臺化發展，對外提供網絡數據分析服務。

圖3 網絡大數據分析功能架構

2.2 面向智能、自治的管理能力

在網絡管理方面，網絡的自治、自動化是其目標。3GPP在5G階段定義了網管數據分析服務（management data analytics service，MDAS）能力[12]，使能網絡服務管理及編排的自動化?？紤]網絡的智能化是一個分階段發展的過程，國際標準對網絡自治能力分級進行了研究，規范了自治網絡及自治網絡分級的概念、用例及需求，分階段實現網絡完全自治的目標。從執行、感知、分析、決策、意圖處理幾個維度出發，網絡自治等級評估的工作流中的任務分類如圖4所示，將全手工網絡運維作為“Level 0”，逐步提升自動化的程度，定義了輔助運營、初級自治、中級自治、高級自治、完全自治共5個自治等級[13]。

圖4 網絡自治等級評估的工作流中的任務分類

在5G演進的階段，網絡從傳統網元或網絡功能的生命周期管理向AI模型的生命周期管理擴展。對于網絡自治分級的方法，不同運營商的分級標準可能不同。但一些KPI的定義，對網絡自治的發展起到更多的指導作用。另一方面，“意圖網絡”的理念也將結合到5G網管中，通過將運營商的網絡意圖目標輸入轉化為網絡的控制和管理操作，來實現網絡的自治能力。

2.3 逐漸深化的接入網及空口智能

在接入網領域，從無線大數據采集和分析架構及AI對空口的支持兩大方向入手[14]。其設計的理念是基于現有的架構、聚焦于AI的輸入和輸出、不涉及AI模型的訓練及算法定義，接入網智能的功能框架如圖5所示。網絡大數據分析將有利于接入網的節能、負載均衡及移動性的優化。

在5G演進中，將綜合考慮性能和復雜性，聚焦于CSI（channel state information）反饋增強、波束管理、NLOS（non line of sight）場景定位精度提升三大場景，定義關鍵指標及仿真評估方法。

圖5 接入網智能的功能框架

3 低碳的5G演進技術

3.1 終端及無線節電

因為引入大規模天線等技術，從每比特的傳輸效率來看，5G比4G更節能。除了無線效率的提升外，降低網絡輕載、中等負載情況下的能耗具有較大的優化空間。一種設計方式是高頻和低頻的聯合設計：低頻承載公共信道，實現UE的附著；高頻承載控制及數據信道，從而在沒有數據傳輸時，關斷高頻信號。終端通過低頻信道獲取高頻信道的信息。在射頻單元方面，可優化AAU（active antenna unit）架構設計，提升基帶處理能力[15]；通過基站的符號/通道級別的靜默、設備休眠功能等方案實現系統性的低碳排放。分析報告[16]系統地研究了終端節電的方案，包括不同的節電模式設置?；谄涠x的功耗模型，將在5G演進階段通過設置基站節能的參考配置，結合實際運行的配置參數和狀態得到實際的相對功耗[17]。

3.2 綠色網絡技術

自從2015年12月《巴黎協定》通過以來，綠色低碳在移動通信領域產生了廣泛的影響。多個行業組織，如GSMA、NGMN、3GPP等都啟動了相關項目。文獻[18]從終端及用戶設備、站點、網絡設備、網絡的規劃和優化4個方面討論了5G可能存在的節能創新點，能耗的費用占網絡總費用約23%。多個歐洲運營商參與了GSMA的評估項目[19]，無線電接入網（RAN）的能耗占比73%（0.24 kW·h/GB），核心網占比13%，運營商自己的數據中心占比9%。當然，這些是從部分運營商的數據中獲得的，全球來看，數據可能會有一些變化，特別是中國運營商，往往自身擁有較大的數據中心。3GPP在5G開始前的2017年即完成了能效的系統研究項目，定義了節能的KPI[20]。該研究項目涉及蜂窩網系統的節能控制、接入網與其他子系統的節能協同、站點級的節電、自組織網絡中的節能、上下文分析的節能等方面。3GPP全會將進一步的主要工作轉交給3GPP網管組完善。

基于AI輔助的節能成為新興關注的方向。結合智能算法對網絡進行規劃、對用戶的流量進行預測，從而優化站點頻點的關斷和開啟。這些技術在AI項目、XR增強項目等方面也都有所應用。

4 結束語

5G演進的第一個版本（3GPP Rel-18）開啟了沉浸式多媒體服務的時代。無論是產業界的關注程度還是國際標準組織的投入程度，都主要聚焦于XR和多媒體的服務能力，因而可以說，5G演進從對XR和多媒體的服務拉開帷幕。正如文獻[21]所說，“XR將是下一代移動計算的平臺”。

“融合、智慧、低碳”的主題將從5G演進延續到6G。本文初步展望了5G演進的趨勢和關鍵技術，同時還可以預期一些新的5G演進技術將在未來登上移動通信的舞臺。在“融合”方面：可以預期感知與通信的融合、算力與移動網的融合、數字孿生網絡[22]的虛實融合等技術將在5G演進的后期，即在3GPP Rel-19及更晚的版本中進行研究。在“智慧”方面，AI結合5G仍需在技術完善及應用場景上有所發展，特別是后者亟待突破[23]。5G演進中對蜂窩網與智能化的探索將為6G的“智慧內生”[24]打下基礎。而“低碳”已經成為全球通信產業發展的主題。北美的“下一代網絡聯盟”發布的《（6G路徑）》[25]報告也把系統性的能效提升作為6G的六大目標之一。

像引入新的API一樣，引入網絡能力。對網絡架構來說，“架構智簡、功能智強”是其不斷追求的目標。5G演進的新能力應盡可能減少對現有網絡功能的影響，降低與現有功能的耦合。5G網絡應該像引入API一樣引入新的網絡能力。只有這樣，5G系統在不斷豐富的同時，才不會對現有網絡造成沖擊。

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Towards converged, intelligent, low-carbon characterized 5G-Advanced technologies

DUAN Xiaodong, SUN Tao

China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China

With the expansion of 5G deployment scale, the industry has paid more attention to 5G evolution. It is not only the extension of the existing 5G technology, but also a transition from 5G to 6G. In April 2021, 3GPP named 5G evolution as 5G-Advanced. The process of 5G-Advanced was introduced. The status of 5G technology so far was summarized, and the direction of 5G evolution technologies were analyzed. Converged, intelligent and low- carbon as the three characteristics of the 5G evolution was proposed. More specially, the multimedia enhancement, heterogeneous network convergence and network big data analysis were introduced. Considering the network technology development, difficulties and key aspects of the system design were also identified.

5G-Advanced, network architecture, network converged

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022045

2022-02-07；

2022-02-27

孫滔，suntao@chinamobile.com

國家自然科學基金資助項目（No.62032003）；國家重點研發計劃項目（No.2020YFB1806801，No.2020YFB1806800）

The National Natural Science Foundation of China (No.62032003), The National Key Research and Development Program of China (No.2020YFB1806801, No.2020YFB1806800)

段曉東（1977? ），男，中國移動通信有限公司研究院正高級工程師、副院長，IMT-2030 (6G) 推進組網絡技術組組長，主要研究方向為5G/6G 網絡架構、IP 新技術、IPv6、算力網絡等。

孫滔（1981? ），男，博士，中國移動通信有限公司研究院正高級工程師、首席專家，國際標準化組織3GPP SA2副主席，中國科學技術協會第十屆全國委員會委員，長期從事移動通信網架構及IP新技術研究及國際標準化工作。