應用于特殊場景的5G 關鍵技術研究綜述

紀曉輝

（中國電子產業工程有限公司，北京 100036）

0 引 言

5G 具有高速率、低時延、大連接等技術特性，已在不同公眾應用場景中得到廣泛應用，并逐步向垂直行業應用側重發力，其中特種通信行業需求尤為突出，特別是面對突發緊急事件及特定需求場景，需要快速建立彈性抗毀以及適應性強的通信網絡。與公網5G 技術不同，面向特種通信專網應用的5G 技術需要具備網絡拓撲自適應、接入回傳一體化、脫網直通、覆蓋增強以及高動態場景下抗多普勒頻偏能力，本文將重點介紹適用于相關特定場景的5G 適應性改進，以期對后續5G 專用技術發展有所裨益。

1 接入回傳一體化

為了解決上述問題，5G 應急通信專網設計中引入了3GPP R16（https://max.book118.com/html/2020/0526/5300121210002300.shtm）中的接入回傳一體化技術，其中采用了無線回傳技術。該技術使用時分復用（Time Division Multiplexing，TDM）動態資源復用技術，主要通過時隙配置調整，實現接入與回傳資源的動態分配，不需要光纖即可將基站數據回傳核心網。

R17 針對R16 中的不足，引入了頻分復用方式、空分復用方式，同時增強集成接入回程（Integrated Access Backhaul，IAB）的穩健性、負載平衡度、頻譜效率、多跳延遲和端到端等性能[1]。但由于R16和R17 只支持固定IAB 節點，因此R18 增加了支持移動IAB 節點的功能。

本節中主要針對R16 中的IAB 技術進行介紹，包含IAB 技術的部分基礎名詞、IAB 的網絡架構、IAB 的拓撲結構及管理。從網絡架構看，IAB 節點可以通過獨立組網的方式接入網絡，如圖1 所示。圖1中IAB-donor 支持無線接入和有線回傳，相當于支持IAB-node 節點接入的傳統基站。通過無線鏈路獲取IAB-node 的回傳數據，通過有線鏈路將數據回傳給核心網[2]。IAB-node 代表支持無線接入回傳的站點，由IAB-MT 和IAB-DU 組成，IAB-MT 具有類似終端的功能，可與IAB-donor 或IAB-node 父節點交互；IABDU 具有類似基站的功能，可與UE 或IAB-node 子節點交互。因為IAB-node 兼具終端和基站的功能，所以IAB-node可通過一跳或多跳傳輸數據。UE為終端用戶，可通過IAB-node 實現將數據回傳輸給IAB-donor。

圖1 IAB 網絡架構

下面介紹節點間的接口連接關系，IAB-MT 與IAB 父節點之間通過NR Uu 接口連接，IAB-DU 與IAB-donor-CU 之間通過F1-C 接口連接，gNB 與IAB-donor-CU 之間通過Xn 接口連接，IAB donor 和IAB 之間通過NR 接口傳輸用戶面數據。

此外，在R16 中規范了IAB 節點的拓撲結構，分為2 種結構，如圖2 所示[3]。一是，拓展樹，每個IAB-node 僅有一條無線鏈路能夠回傳數據到IABdonor；二是，有向非循環圖，每個IAB-node 有不止一條無線鏈路能夠回傳數據到IAB-donor。有向非循環圖結構通過增加冗余節點，增加鏈路傳輸的可靠性，達到鏈路間的負載均衡。

圖2 IAB 節點的拓撲結構

IAB 的拓撲管理分為節點啟動、節點遷移以及節點重建3 種[4]。節點啟動是指當新的IAB 節點接入網絡時，IAB-MT 接入網絡并獲得IAB 相關配置信息，啟動部分IAB-DU 功能為UE 及子IAB-MT 提供服務的過程；節點遷移是為避免回傳鏈路可能受到鏈路或本地阻塞的影響，固定的IAB 節點可以選擇更合適的節點接入或切換，實現網絡拓撲的自適應調整；節點重建是回傳鏈路發生失敗后，IAB 節點會嘗試接入新的父節點以重建無線鏈路，從而恢復與網絡正常通信的過程。

2 低功耗節能通信

在人跡罕至的孤島及山區等偏遠地區，往往存在因基礎建設不完善而導致的電力不足的情況，在這種特殊情況下進行應急通信時，對于5G 終端低功耗和節能指標的要求很高。而當前普遍使用的5G 終端的成本和功耗過高，為滿足應急通信的要求，5G專網設計中引入了降低能力（Reduced Capability，RedCap）技術。

從技術體系方面看，在5G 承載體系中，5G NR能力最高，可滿足100 Mb/s 以上超高速率需求的物聯網業務，5G NB-IoT 作為低功耗廣域（Low Power Wide Area，LPWA）技術，面向低速率、小包物聯網業務而設計，主要承載100 kb/s 速率以下的低速物聯網業務，提供低速大規模機器通信（massive Machine Type Communication，mMTC） 能力。RedCap R17 版本可承載高速率的物聯網業務，通過將最大傳輸帶寬縮減至20 MHz，裁剪收發天線數目（最低1T1R）、降低上下行最大調制階數（如64QAM），有效降低了終端復雜度（復雜度相比傳統eMBB 終端降低約60%），未來RedCap R18 版本將進一步擴展支持中速率物聯網業務。由此可見，RedCap 技術補齊了5G中高速大連接能力，使5G 面向各類物聯網應用需求形成了具備低、中、高以及超高分檔分級能力的完備技術承載體系。

RedCap 作為5G 輕量級終端，其獨特性在于以下幾個方面：首先，相較于傳統5G 終端，RedCap終端剪裁后的終端復雜度可降低約60%；其次，RedCap 的各項能力特性確保了其可基于5G 現網平滑升級引入，包括高效接入特性和功耗優化特性；最后，RedCap 延續了5G NR 的各類優秀特性，如大帶寬、低時延、高可靠性、業務保障、數據不出廠、低功耗以及強覆蓋等諸多優勢，可針對不同5G 應用場景按需引入，有效滿足業務需求。

RedCap 技術標準化研究進程如圖3 所示。3GPP R17 RedCap SI 階段（2020.6—2020.12），輸出研究報告3GPP TR 38.875，內容主要包括終端復雜度降低及成本評估、對覆蓋的影響、能耗分析評估等，并為后續WI 階段開展標準化提出各項建議。3GPP R17 RedCap WI 階段（2020.12—2022 Q2），標準化工作主要涵蓋終端復雜度降低、駐留與接入控制、移動性、終端識別、寬帶部分（Band Width Part，BWP）配置以及功耗等內容。3GPP R17 RedCap 標準框架已經接近尾聲。從2021 年12 月開始，3GPP R18 RedCap 標準化已正式提上日程。3GPP 已經明確在R18 中會針對RedCap 進一步演進，目標對標Cat 1/1bis，進一步降低終端復雜度，實現RedCap 終端復雜度極致化。標準預計2024 年Q1 結項。

圖3 RedCap 標準進展

3 高動態條件下的抗多普勒頻偏

在涉及到飛行器等搭載終端超高速移動的場景下，會產生較大的多普勒頻偏，嚴重影響通信效率。因此，為保障高速場景下的終端通信，需要進行的頻偏糾正。

根據已經進行的技術研究和經驗，終端側的多普勒頻偏估計與補償總體分為3 個步驟，即初始頻偏估計、頻偏跟蹤以及頻偏補償，總體流程如圖4所示，首先初始頻偏估計，其次利用追蹤參考信號（Tracking Refernece Signal，TRS）跟蹤和維護飛行過程中的頻偏，最后在上行發送和下行接收中進行頻偏補償和校正[5]。

圖4 終端側多普勒頻偏的估計和補償流程

初始頻偏估計是基于主同步信號（Primary Synchronization Signal，PSS）和輔同步信號（Secondary Synchronization Signal，SSS）進行時域頻偏估計與頻域頻偏估計的方法。通過初始頻偏估計，可以獲得當前頻偏的基本情況。因終端飛行速度和方向的改變，多普勒頻偏隨著時間的變化速度較快，需要進行頻偏的跟蹤。

頻偏的補償分為上行發送的預補償和下行接收信號頻偏補償[6]。上行發射時將下行估計值取反后進行預補償，從而使得基站側接收到基本無頻偏的上行接收數據。下行接收信號的頻偏補償，有效提高下行數據解調性能。

4 結 論

在5G 特殊應用場景下，遠距離覆蓋增強和抗多普勒頻偏技術的引入，使得無線通信系統在廣域覆蓋及高動態場景中的通信效果得到顯著提升；接入回傳一體化技術可以增強5G 網絡的覆蓋能力；終端直通的引入可以提高頻譜效率和系統容量，有效降低終端設備能耗和通信時延。