5G通信技术课件 第12章 其他5G新技术和新应用

第12章其他5G新技术和新应用5G通信技术止于至善前言止于至善25G系统经过演进，应用领域和场景也逐渐拓宽，包括新空口非地面网络（NRNTN）、物联网非地面网络（IoTNTN）、5G终端定位、5G轻量化（RedCap）终端、多播广播业务（MBS）、时间敏感网络（TSN）等。学习目标止于至善3了解NR-NTN及IoT-NTN两种NTN的概念及服务场景，理解NR-NTN的两种负载模式，理解IoT-NTN的两种通信方式；掌握5G定位的UE定位步骤以及定位技术，了解5G定位的两个版本的网络架构；了解RedCap终端概念，掌握RedCap终端的优势；了解MBS的网络架构，新网元功能，理解两种MBS传输方式；掌握5G与TSN融合方式，理解TSN中的关键时间同步服务架构。止于至善RedCap终端多播广播业务010303045G终端定位0102非地面网络0101时间敏感网络0305非地面网络止于至善5非地面网络（Non-TerrestrialNetwork，NTN）：通过部署非地面基站，协助现有基站提高通信容量和覆盖率，保证通信网络可用性和服务连续性。非地面基站包括：无人机、高空平台和卫星；服务场景：（1）向地面5G网络无法覆盖的无服务地区及服务欠缺的地区提供5G服务。（2）为机器对机器通信/IoT设备或移动环境中的乘客提供连续性服务。（3）当地面基站停止服务时，非地面基站还可以提供次要备份路径，以保持连接。（4）向网络边缘、用户终端提供高效的多播/广播资源，实现5G网络的可扩展性。（5）承载移动边缘云功能，为地面终端提供额外的计算和存储能力。非地面网络–NRNTN止于至善6新空口非地面网络（NRNTN）

利用5GNR框架实现卫星与智能手机等终端之间的直接连接，以提供全球范围内的语音和数据服务。透传负载模式的NTN网络架构透传负载模式：只透明传输数据。卫星是一个中继器卫星从馈线链路到业务链路采用NR-Uu接口，NTN网关支持NR-Uu接口NTN网关是传输网络层节点，支持所有必要的传输协议不同的卫星可以连接到地面上的同一个gNodeB非地面网络–NRNTN止于至善7再生负载模式卫星拥有全部或部分基站功能。卫星可以提供射频滤波、频率转换、射频放大、解调/解码、编码/调制以及路由等功能。业务链路采用NR-Uu接口，馈线链路采用卫星无线电接口SRI。有效载荷还可能通过其他卫星转发，卫星之间的链路称作星际链路ISL。再生负载模式的NTN网络架构非地面网络–IoTNTN止于至善8物联网非地面网络（IoTNTN）遵循NRNTN的技术方法的同时，根据IoT设备及服务的非连续覆盖需求做出相应调整，专注于支持低复杂度eMTC和NB-IoT终端的卫星IoT服务。间接NTN通信：每个IoT设备通过至少一个地面IoT网关与非地面基站通信IoT网关直接与非地面基站通信对于地面基站无法覆盖的室内IoT设备，需要IoT网关中继。对于分布密集的户外IoT设备，需要IoT网关中继来提高传输效率。直接NTN通信：每个IoT设备直接与非地面基站通信IoT网关可以集成在非地面基站中在IoT设备分布稀疏或快速移动的场景中，如果部署地面IoT网关，会使IoT设备的设施部署成本高，服务效率低，因此，更适合直接NTN通信。非地面网络–IoTNTN止于至善9间接NTN通信：主要应用于智能楼宇、自动停车系统、智能装配等室内应用，或分布密集的户外IoT设备。直接NTN通信：主要应用于智能物流和偏远地区产品的快速交付等IoT设备分布稀疏或快速移动的场景。止于至善RedCap终端多播广播业务010303045G终端定位0102非地面网络0101时间敏感网络03055G终端定位止于至善115G终端定位是一种通过测量5G信号来获取终端位置信息的技术。5G终端定位网络架构UE定位步骤包括：（1）信号测量信号测量可以由终端进行，也可以由服务的NG-eNodeB或gNodeB进行（2）位置估计和可选速度计算。位置估计计算可以由UE或位置管理功能（LMF）进行，速度计算可以根据具体需求由UE、基站或LMF进行。信号测量位置估计速度计算5G终端定位-网络架构止于至善12基于RAT的5G终端定位网络架构基于RAT的5G终端定位网络架构（3GPPRel-17版本）AMF接收到位置服务请求或者AMF主动启动位置服务后，AMF向LMF发送位置服务请求。(2)LMF处理位置服务请求将辅助数据传输到特定目标UE，用来估算其位置信息，或者用来完成基于UE的辅助定位、包含目标UE的定位等。(3)

LMF将位置服务结果返回给AMF若是由其他实体请求位置服务，AMF再将位置服务结果返回给该实体。5G终端定位-网络架构13增加sidelink定位技术的5G终端定位网络架构增加sidelink定位技术的5G终端定位网络架构（3GPPRel-18版本）当终端在NG-RAN覆盖范围内（UEA,UEB）采用基于RAT的5G终端定位当终端在NG-RAN覆盖范围外（UEC,UED）支持sidelink定位，sidelink技术可以实现设备之间通过NRPC5接口直接交互信息。（1）定位任务触发后LMF判断是否应用sidelink定位技术对UE进行定位，当确定后，LMF会触发目标UE执行发现、选择任务，来选择定位UE。（2）目标UE和定位UE执行sidelink定位任务目标UE将测量结果发送到定位UE，定位UE向LMF报告测量结果，LMF根据测量结果以及定位UE的位置计算目标UE的位置。5G终端定位-定位技术止于至善14定位技术3GPPRel-16版本多轮信号往返时间（Multi-RoundTripTime，Multi-RTT）到达时间差（TimeDifferenceOfArrival，TDOA）到达角（AngleOfArrival，AOA）离开角（AngleOfDeparture，AOD）(2)3GPPRel-17版本低功耗高精度定位（LowPowerHighAccuracyPositioning，LPHAP）3GPP版本精度精度Rel-16室内的定位要求：①80%的UE水平定位误差低于3m②80%的UE垂直定位误差低于3m室外的定位要求：①80%的UE水平定位误差低于10m②80%的垂直定位误差低于3mRel-17商业用例的定位要求：①90%的UE的水平定位误差低于1m；②90%的UE的垂直定位误差低于3m。IoT用例的定位要求：①90%的UE的水平定位误差低于0.2m；②90%的UE的垂直定位误差低于1m。5G终端定位-定位技术止于至善15定位技术（1）Multi-RTT通过测量信号在多个基站与UE之间的信号Rx-Tx时间差，根据测量值计算Multi-RTT，再利用Multi-RTT值估计UE自身的位置。包括UE测算和基站测算两种方式。（2）TDOA：根据信号到达时间差，及电磁波传播速度获得终端与基站的距离差，再根据各基站位置，以基站为焦点，距离差为长轴作双曲线，双曲线的焦点就是终端位置。（3）AOA多个基站测量终端的信号入射角度，根据基站位置和电磁波入射角度确定终端相对于基站的方向，通过多个方向确定终端位置。（4）AOD通过测量信号从基站发射时的离散角度来确定UE的位置。包括UE测算和基站测算两种方式。止于至善RedCap终端多播广播业务010303045G终端定位0102非地面网络0101时间敏感网络0305RedCap终端止于至善175G轻量化（ReducedCapability，RedCap）终端：5G轻量化技术，用于实现成本和性能的平衡。与NRUE的对比关键特性FR1FR2成本分析RedCapUENRUERedCapUENRUE带宽20MHz100MHz100MHz200MHz降低16%～33%天线数量1T1R/1T2R2T4R1T1R/1T2R2T4R降低26%～46%MIMO层数1或22或412或4降低11%～17%双工方式半双工全双工半双工全双工降低7%最大调制阶数64QAM256QAM16QAM64QAM降低6%RedCap终端通过减少带宽、天线数量、最大调制阶数等方式降低了5G终端的成本和功耗。RedCap终端继承了5G的高可靠、低时延、网络切片、边缘计算、5GLAN等能力，可以满足IoT行业多样化的网络需求RedCap终端18不同制式相关技术对比RedCap终端继承了NR终端的特性，在带宽、时延可靠性方面优于4G终端。技术指标制式5GNR5GRedcap5GRedcapLTECat4收发天线2T4R1T2R1T1R1T2R带宽30MHz20MHz20MHz20MHz速率FDD上行：175Mbit/s下行：350Mbit/s上行：90Mbit/s下行：170Mbit/s上行：90Mbit/s下行：85Mbit/s上行：75Mbit/s下行：150Mbit/sTDD上行：250Mbit/s下行：1.7Gbit/s上行：26Mbit/s下行：105Mbit/s上行：26Mbit/s下行：52Mbit/s上行：15Mbit/s下行：110Mbit/s时延可靠性1~3ms，支持uRLLC5~20ms，支持uRLLC5~20ms，支持uRLLC>100ms，支持uRLLC功耗-优于LTECat4终端优于LTECat4终端工作电压：120~160mA待机电压：12~22mA切片支持支持支持不支持5GLANRel-16及以上版本支持支持支持不支持RedCap终端止于至善19RedCap终端的3类典型应用场景典型应用场景数据传输速率时延可用性/可靠性电池使用寿命工业无线传感器<2Mbit/s＜100ms；安全相关传感器：5～10ms可用性：99.99%几年视频监控经济型：2～4Mbit/s高端型：7.5～25Mbit/s＜500ms可靠性99%～99.9%-可穿戴设备参考速率。下行：5～50Mbit/s。上行：2～5Mbit/s。峰值速率。下行：150Mbit/s上行：50Mbit/s--几天（1～2周）（1）工业无线传感器无线传感器对带宽要求不高，但对时延、可靠性、功耗要求高（2）视频监控为视频监控提供高速、低成本的回传能力，用来监控、管理资源或风险事件，及时应对风险问题，降低风险发生概率（3）可穿戴设备对设备的续航能力和移动性要求高，对网络的覆盖能力及连续性要求高。止于至善RedCap终端多播广播业务010303045G终端定位0102非地面网络0101时间敏感网络0305多播广播业务止于至善21多播广播业务（MulticastBroadcastServices，MBS）：一种点到多点服务，数据从单个发送方传输到多个接收方，可以实现向多个移动终端分发/传输相同的数据内容，能有效利用空口资源，给用户带来流畅的视频播放体验。5GMBS架构5GMBS网络架构：5GMBS遵循5G系统架构，引入新网元，在控制面内使用MBS接口，使MBS数据能够从5G系统入口分发到NG-RAN节点，实现多播广播流程控制。多播广播业务止于至善22（1）多播/广播会话管理功能（MB-SMF）MB-SMF是控制面网元，支持MBS会话管理。对于广播MBS会话，MB-SMF可以使用5GC共享方法进行广播数据传输。对于多播MBS会话，MB-SMF可以使用5GC独立传输方式进行多播数据传输。（2）多播/广播用户面功能（MB-UPF）MB-UPF是用户面网元，与MB-SMF交互，负责接收多播和广播数据，处理多播流和广播流下行入方向的报文。5GMBS网络中新增网元（3）多播/广播服务功能（MBSF）MBSF是控制面网元，可以与AF和MB-SMF交互，选择提供MBS会话的MB-SMF，进行MBS会话操作，确定传输参数和传输会话。（4）多播/广播服务传输功能（MBSTF）MBSTF是用户面网元，负责多播/广播IP数据包传输，支持文件转换为媒体MBS数据流及数据包FEC编码。多播广播业务止于至善23MBS传输方式MBS传输方式（1）5GC独立MBS流传输只适用于多播MBS会话。由MB-UPF发送数据到UPF，UPF通过每个PDU会话将这些MBS数据包单独发送到各个UE。（2）5GC共享MBS流传输适用于广播MBS会话和多播MBS会话。5GC通过在MB-UPF与NG-RAN之间直接建立共享传输通道，将MBS流发送到NG-RAN，然后NG-RAN通过PTP方式或PTM方式将MBS流发送到UE。PTP方式：点对点方式，单个MBS流独立发送到各个终端。PTM方式：点对多点，单个MBS流发送到多个终端。多播广播业务止于至善24MBS在其他方面改进（1）调度方式从单独针对一个用户的调度方式，改成针对一个用户组的调度方式。（2）HARQ反馈模式MBS支持两种HARQ-ACK反馈模式，可以进一步提高组调度效率。UE正确解码TB后，返回HARQ-ACK信息，若UE没有正确接收到TB，则返回HARQ-NACK信息。UE只会在没有正确接收到TB时，返回HARQ-NACK信息。（3）PTP与PTM动态切换NG-RAN也可以使用PTP与PTM的组合方式向终端发送MBS数据包。PTP与PTM可以根据当前NG-RAN下的终端数量进行动态切换，这使得5GMBS系统更可靠、更高效。止于至善RedCap终端多播广播业务010303045G终端定位0102非地面网络0101时间敏感网络0305时间敏感网络止于至善26时间敏感网络（Time-SensitiveNetworking，TSN）：5G与TSN技术结合，在无线领域实现低时延、低抖动、高可靠的网络。以太TSN的技术特性TSN通过精准的时间同步、确定性流量调度等关键特性可以实现10µs级周期传输TSN技术遵循开放性以太网标准，可以兼容不同厂商的设备，具有较好的互通能力。5G与TSN技术的融合方式（1）TSNOver5GuRLLC将TSN中的数据映射成5G业务，经过5G封装，基于5GuRLLC技术将数据传输到远端的TSN。（2）5G承载网over5G承载网中前传网的eCPRI接口与TSN对接。（3）系统作为TSN系统网桥5G系统充当TSN网桥连接两端TSN系统，中间逻辑桥支持TSN系统与5G系统之间在用户面和控制面进行报文交互。时间敏感网络止于至善275G与TSN融合网络架构5G与TSN融合网络架构用户面增加了两个转换器U