5G & IoT – A Match Made in Hell or Heaven?

作者：Jessy Cavazos，是德科技5G行业解决方案营销部门

5G正在进入一个未知的领域。第三代合作伙伴计划（3GPP）第16版支持全新的应用，将商业移动通信从我们习以为常的移动宽带扩展到了无边无际的物联网（IoT）领域。然而，5G工程师面临着巨大的挑战：他们要实现国际移动通信2020（IMT-2020）愿景，让10^-5的可靠性和1ms的端到端时延变成现实。这样的一个结合，到底是天作之合还是乱点鸳鸯谱？要找到其中的答案，首先您要弄清楚自己要进入的领域。

第16版规范非常有吸引力。它利用实时技术为消费者带来新设备和颠覆性的业务。这个版本以第15版为基础，为消费者提供了新的物联网用例。这些用例构成了连接几十亿个“物”的基础。但是，“物”的概念也可以指代从智能手表到工业机器或汽车的许许多多的设备。理解这种区别非常重要，因为它对设计和测试都具有重大意义。

大规模机器通信缩写为mMTC。这些应用的关注重点包括低费率、低成本和长电池续航时间。mMTC应用涉及到在网络中发送少量数据以提供有用的服务，例如将冰箱与互联网连接以便续订牛奶。结果就是，这类应用实际上用不到5G。针对这样的用例，5G大多会沿用4G的方法。

5G与物联网故事的核心在于超可靠、低时延通信（URLLC）。其关键应用包括：

« 增强现实（AR），可将信息叠加在现实世界之上

« 工业物联网（IIoT），可带来信息物理系统以及计算、网络与物理过程的集成

« 引入无人驾驶汽车，实现自动驾驶

« 触觉互联网，可通过互联网实现人机实时交互

这些应用具有严格要求，对于那些考虑提供此类业务的服务商而言，其中大部分应用都存在高风险。推出这样的网络并在之后再对其进行优化，这种做法并不靠谱。

图1：5G新空口用例。

第16版即将于2020年3月完成。它会给URLLC带来重大的增强功能，但是许多人并没有意识到，URLLC内容已在第15版中可以使用。尽管第16版侧重于移动宽带，但它具有重要的URLLC特色。这些特色尚未在商业网络中实施。 

在第15版的基础上提高可靠性

实现超高可靠性代表了移动通信网络的一个范式转变，因为之前的关注点一直放在优化效率上。URLLC应用需要牺牲一部分效率来提高可靠性。第15版中的大多数URLLC应用就是这样做的。

以盲目重复为例，它会涉及发送指定数据包的多个副本，而不是依赖网络在数据包丢失或发生接收错误时请求重传。这与过去的过程有明显区别，过去的方式是发送方等待目的地检查数据包，如果数据包不正确的话，则请求重传。

图2：盲目重复过程。

分集是第15版的另一项功能，它允许以不同的频率或使用不同的天线来发送相同的信息，这种技术被称作空间分集。其特点是，旨在让接收机有多种机会获得预期的信息。

图3：基站通过多个波束向手机发送相同的信息。

第15版还包括一个信道质量指示（CQI）表，该表经过优化可使URLLC实现10^-5的可靠性。用户设备（UE）通常会通过发送CQI信息来将无线信道的质量情况告知基站。然后它会建议采用的调制方案，确保接收的数据具有非常低的误差。虽然这一过程在过去已经优化到了10^-3的包误码率（PER），但第15版允许配置为10^-5。用户设备因此变得更为保守，并且会刻意选择更容易的调制方案来降低误码率。

此外，第15版提供了两种在多个载波上复制数据的方式：载波聚合（CA）和双连接。载波聚合在媒体访问控制（MAC）层添加载波。双连接则通过更高层次的分组数据汇聚协议（PDCP）连接载波。载波聚合和双连接复制使用多个载波多次发送信息。

图4：载波聚合和双连接复制。

新的第16版包含了对物理上行链路共享信道（PUSCH）重复做出的改进。它还为物理下行链路控制信道（PDCCH）提供紧凑的下行链路控制信息（DCI），以提高下行链路（DL）控制信道的可靠性。

在第15版的基础上实现更低时延

缩短时延所涉及的概念比提高可靠性更为复杂。第15版定义了可以共同用于满足IMT-2020时延要求的一组工具。不同的参数集可以匹配不同的应用需求，而带宽部分（BWP）则可以管理UE中的不同参数集，或是支持使用简单的低成本设备。时延较低的应用还要求进行UL无授权调度，以便URLLC业务能够在不事先请求UL资源的情况下发送数据。

混合参数集支持信号针对各自的子载波采用不同的符号长度和频率间隔。这个概念对于满足不同业务的需求至关重要，譬如mMTC，增强型移动宽带（eMBB）和URLLC。传统的长期演进（LTE）/窄带物联网（NB-IoT）技术使用固定的参数集来表示子载波间隔和符号持续时间。混合参数集允许对结构做出更改，以适应不同的子载波间隔和符号持续时间，满足不同业务类型的要求。

例如，某些物联网用例对时延要求不高。这些物联网业务可以使用更长的符号周期（即较小的子载波间隔）和多个符号，因为低时延并不是关键要求。与之相反的其他一些用例则要求非常低的时延。对于这些用例，就可以使用较短的符号（即较大的子载波间隔）和较短的时间分配，以实现低时延通信。此外，网络会允许URLLC业务在分配给其他优先级较低业务（例如eMBB）的带宽上打一个“孔”。与以前的操作相比，这是一个重大的变化，它允许网络传输和接收高优先级流量，不会受到其他优先级较低业务的干扰，从而提高了可靠性。

低时延的另一个关键要素是无授权传输。设备通过预先分配得到了一组资源，可以在需要时立即进行传输，无需网络发出明确指示。过去，任何服务都需要向网络发出请求，网络会在将权限授予请求的服务之前先查看分配中是否有空余的资源。无授权调度允许低时延服务绕过这一进程，并更快地访问其所需的资源，从而减少了时延。

多个BWP同样很重要，因为它们允许UE管理不同的参数集，在实现低时延的同时支持低速率非关键物联网。另外，BWP允许网络为低成本设备提供支持，这些设备只能支持特定的参数集。例如，针对一项物联网业务，BWP会引导UE只关注特定的一组子载波。因此，这项业务可以拥有一个更简单的接收机，接收机没有必要以很高的速度工作，也不必具有处理大量数据或查看较高带宽的能力。UE接收机的成本可能会更低，消耗的功率也更少。

图5：LLC的调度选择。

图6：用于不同业务的多个BWP和混合参数集。

除了URLLC的可靠性之外，第15版中还提供了许多支持更低时延的功能，其中包括：新参数集/插槽大小/迷你插槽，多个BWP和混合参数集，配置授权，抢占式调度和eMBB“打孔”。很多功能在业内尚未实施。第16版针对更低时延的增强功能包括：

« UL抢占指示，其中gNB可以指示eMBB UE停止之前调度的UL传输，为来自其他UE的较高优先级低时延流量腾出信道。

« 改进PUSCH重复。

« 改进UL无授权传输，从而允许UE以更快的速度发送数据。

« 改变上行控制信息（UCI），引入流量优先级概念。

让我们携起手来

3GPP在标准开发之初就考虑了URLLC。第16版规范以第15版为基础，引入了一系列新概念来实现IMT-2020要求。尽管如此，URLLC仍然给5G移动生态系统带来了重大的技术和业务挑战。要想为URLLC做好准备，我们首先要了解第15版中包含的URLLC内容以及第16版带来的增强功能。

不过，这只是部分答案。除此之外，您还需要找到合适的合作伙伴。是德科技是公认的5G测试行业领导者。自2012年以来，我们一直在为发展这项技术提供支持，并且积极参与3GPP、全球认证论坛（GCF）和PCS类型认证审查委员会（PTCRB）等标准组织的工作。通过与是德科技的通力合作，这些5G领先的企业已经发布了100多款各种类型的5G设备，例如智能手机、机器人、笔记本电脑和加密狗，以及固定无线访问（FWA）、移动连接、工厂和汽车等应用。与是德科技合作，为您的5G物联网故事选择一个圆满的结局。打开是德科技5G解决方案网页，了解更多信息。