新年大礼 | 5G演进：从Rel-15到Rel-18重点解读，建议收藏！（内含福利）-电子发烧友网

新年好！这是兔年的第一篇头条文章，小编祝大家新年快乐，万事如意。相信疫情的阴霾很快就会过去，曙光就在前方！

在今天的副条里，小编也给大家准备了新年福利，欢迎大家领取。今后我们会在公众号，视频号，B站号持续输出优质的干货文章，希望大家一如既往地关注是德科技。

言归正传，5G自正式商用以来已有3年的时间，是有史以来部署最快的移动通讯技术，全球约有230家运营商推出商用网络，且越来越多的运营商正在积极筹备中。同时5G也不断渗透到了toB的垂直行业应用，5G创立之初的愿景正在慢慢变为现实。

这其中中国无疑是走在了世界的前列，根据工信部数据显示，截止2022年第三季度，中国5G基站数达到222万个，占全球5G基站总数的60%以上，同时5G套餐用户数也已突破10亿大关。且拥有超过10000项目商用服务，涵盖从采矿到医疗健康等各种垂直行业。

在5G标准演进方面，随着去年6月Release17正式冻结，5G标准进入到了5G Advanced（5.5G）的阶段，正在为6G铺平道路，在这样一个关键的时间点，小编汇总了从Release15到Release18的重点内容，希望向大家清晰地展示5G标准演进的脉络和技术走向，在研究学习，开发测试，生产制造等涉及5G的领域能够对大家有所帮助。

由于篇幅较长，在开篇罗列了本文涉及的核心内容，大家可以按需浏览：

❶

5G市场概况及3GPP 5G标准时间线

❷

Rel-15：5G开端，奠定基础

❸

Rel-16：优化性能，行业赋能

❹

Rel-17：扩展边界，探索用例

❺

Rel-18：开启5.5G，铺路6G

❻

全文总结

5G市场概况

及3GPP 5G标准时间线

根据ABI Research的数据，5G用户正在以前所未有的速度增长，在商用不到2年时间内就达成1亿用户的里程碑，在3GPP就绪不到1年时间内，第一批5G设备就已经开发完成。造成这种爆发式增长的原因一方面来自于数字化对于数据的需求，另一方面来自于技术的突破，比如毫米波和Massive MIMO。

来自GSA的数据，5G终端呈多样化分布，其中手机虽然占比过半，但是3GPP为开发5G更多的新场景，例如非地面网络，AR/VR，元宇宙，对模组和其他设备类型的需求逐年提升，手机的份额预计会进一步萎缩。

下表是3GPP的技术时间线，按照3GPP以往的风格，5G标准应该会分为两个阶段，Rel-15~Rel-17为第一阶段，Rel-18~Rel-20为第二阶段，到2022年底，已经通过了Rel-16的开发阶段，其功能已经开始在新的芯片组和设备中商用。同时，Rel-17现在已经冻结，等待测试要求的完成。ASN.1的完成，可以触发Rel-17新功能的互操作性测试，是德科技正在主导与芯片组的合作，推动这些功能尽快推向市场。展望未来，Rel-18标准化工作已经开始，预计将在2024年中期达到成熟的状态，届时芯片组合作阶段将开始。

下面小编会解读从Rel-15到Rel-18的协议重点，理清整体脉络和演进逻辑。

Rel-15：

5G开端，奠定基础

（2018年6月冻结）

5G自设计之初有一个大胆的愿景：它远不只是移动网络的下一次迭代。

因此5G 定义了三个应用场景：增强型移动宽带eMBB；海量机器类通信（mMTC）；超高可靠性低延时通行（URLLC）。Rel-15是第一个可实施的5G标准，为未来发布5G特性奠定基础。

Rel-15侧重于eMBB的高速率和大容量需求。该版本指定了一种新空中接口（5G NR），用于实现更高的数据吞吐量，并为低时延和更高可靠性应用奠定了基础。使用最高52.6 GHz的毫米波(mmWave)频谱是提高数据吞吐量的关键之举。这些更高频率上有更多的连续频谱，可用于通过信道发送更多数据。下图列出了Rel-15中部分关键技术和优势。

低时延：URLLC使用场景可以通过“微时隙”这样一个概念来部分实现。一个标准时隙包含14个正交频分复用(OFDM)符号。随着子载波间隔增加，时隙的持续时间会缩短。微时隙的持续时间比标准时隙短，可以位于时隙内的任何位置。一个微时隙只有两个、四个或七个OFDM符号长。使用微时隙，帧可以立即开始而无需等待到达时隙起始边界，因此可以确保低时延。

灵活性：在5G NR中，FR1（最高7.125 GHz）的最大载波带宽为100 MHz，FR2（24.25至52.6 GHz）的最大载波带宽为400 MHz。标准允许聚合多个载波来获得最宽800 MHz的信道带宽。5G NR针对带宽部分进行了创新，将载波进行细分，分别用于不同目的。每个带宽部分都有自己的参数集，并且可以单独发送信号。一个载波可以使用混合参数集来支持免许可频段的业务和混合的服务等级，例如节能或参数集的复用。

可靠的信道：5G NR使用循环前缀OFDM (CP-OFDM)波形格式。这种格式可以同时在下行链路(DL)和上行链路(UL)中使用。由于在UL 和DL中使用了相同的波形，因此未来的版本可以更轻松地实现设备到设备通信等功能。

更大吞吐量：5G通过多种方式显著提高了吞吐量。例如：通过更大的整体信道带宽使通信系统能够通过空口发送更多数据；空间复用通过多个天线在指定时间以指定频率发送多个独立数据流，并使用增强的信道反馈。（参考下图）

是德科技E7515B UXM 5G 无线测试解决方案是一个高度集成的信令测试平台，支持多制式堆栈并提供了强大的处理能力和丰富的射频资源。E7515B UXM 5G 无线测试解决方案支持Rel-15和更高版本标准，让您能够在非独立组网（NSA）、独立组网（SA）等不同的 5G 新空口（NR）部署模式下以及 FR1 和 FR2 频段内与被测器件（DUT）建立 5G 通话。

Rel-16：

优化性能，行业赋能

（2020年7月冻结）

Rel-16的工作主要有两个方面：

一方面，改善Rel-15的基础，围绕现有的5G eMBB功能上提升效率，例如在节电、通过CA/DC和MIMO改进数据速率和新类型的移动场景等方面进行改进。

另一方面是关于启用新的垂直领域场景，如工业物联网与更多的URLLC，支持非授权频谱的NR-U。

参考下图，Rel-16的功能定义被分为多个工作项目：

在基础扩展部分，不同领域都有改进，在这里我选几个重点领域展开讲一下：

首先是省电，电池寿命和减少能量消耗是标准化工作的一个主要方面。众所周知，这是用户体验中的关键KPI，也是我们购买新手机时的关键因素。除了对消费者用户体验的影响外，智能手机的功耗还受到关注，也是消费电子产品关注的主要指标。

它包含以下几个改进：

1.首先是唤醒信号（Wake-Up Signals以下简称WUS），该技术原理简单来说就是当网络侧需要针对某个 UE 进行上下行调度的话，会发一个 WUS 信号（携带了 DCI Format 2_6 的 PDCCH）给 UE，让 UE 仍然周期性的唤醒以接收 PDCCH 的调度信息，过了一段时间后，如果没有数据要传输了，这个时候网络侧就下发 WUS 给 UE，指示 UE 后续不需要进入DRX 状态，一直维持在休眠状态并无需监听后续网络侧的 PDCCH，以此来降低功耗，从而提升电池使用时间。

2.然后是添加休眠 BWP，它用于辅助载波以加速其激活和停用， Rel-15 仅通过使用 MAC 控制元素允许此过程，这是一个更重且更慢的过程。Rel-16 通过 Dormant BWP 概念的定义启用更快的切换，然后可以在网络不需要高 BW 链路时使用。使用休眠 BWP，UE 停止监视 PDDCH，但 CSI 报告和波束管理等活动可以继续。

如上所述，能够在可重复和现实的场景下在实验室中测量电池消耗也很重要。为此，是德科技可以提供针对用例量身定制的解决方案。其中包括：UXM 5G 允许模拟网络并以非常逼真的方式灵活配置我们刚刚提到的 Rel-16 功能；它还包括 N6705C，它是一款功率分析仪，可让设备了解功率并非常准确地测量消耗的能量；还有一个脚本工具或测试用例创建器，允许用户以最大的灵活性开发自己的定制场景，包括连接到互联网服务器、进行 IMS 语音和视频通话等场景。

然后重点关注以下Rel-16在新垂直领域的研究：

1.URLLC和TSN网络，目前由于IT与OT网络系统架构截然不同，对于应用的模式和要求的效率也很不一样，以传统的工厂网络架构来说，OT的前端设备与IT网络皆不互通，形成各自为政的封闭式网络架构。3GPP 定义了 URLLC 的改进，以将 5G 延迟降低至 1 毫秒并提高稳健性，它还实现了对 5G 上的 TSN 的无缝支持，TSN将打破IT与OT网络间的隔阂，搭建双方互通的桥梁，提供即时，安全又稳定的网络环境。TSN可整合所有网络通讯协议，在不去除底层协议规范的前提下，仅需协议层加上TSN协议，即可打通工厂内IT与OT的网络环境，节省建网成本。

是德科技产品能够对新兴技术进行实际验证，充分展现标准开发的优势。设备制造商和企业使用了是德科技的测试设备来确保网络设备甚至整个网络符合 TSN 标准的一致性要求和应用的性能要求。

2.非授权频谱

Rel-16 在新垂直领域另一个重要特性是允许使用非授权频谱，也称为 NR-U 使用新频谱是提高数据速率的最佳方式之一。在法规允许的那些地区，由于 NR-U，5G 可以机会性地用于在非许可频谱中部署 NR 小区，这些频谱将与其他技术共享，例如 WLAN。NR-U 的使用代表了一种补充，可以满足流量需求并通过节省大量运营成本和统一网络来帮助提高数据速率，而不必将 WLAN 作为替代方案来处理。3GPP 定义了 2 个新频段，覆盖 5GHz 频段的 n46 和覆盖高达 7.1 GHz 的 6GHz 频段的 n96。

是德科技E7770A 公共接口单元（CIU）可将 6 GHz 以下的上行链路或下行链路射频信号通过上、下变频转换为 6 至 12 GHz 或 7.7 至 14.5 GHz 的中频信号，从而为被测器件（DUT）提供双向中频（IF）接口。这个解决方案为用于 5G 远程射频头（RRH）的是德科技M1740A 毫米波（mmWave）收发信机提供了控制、电源和本地振荡器频率输入。作为上/下变频器和 RRH 控制器，CIU 支持将频率范围从 6 GHz 以下扩展到高中频和毫米波频段。配合E7515B可以满足6G以上NR-U频段的测试。

Rel-17：

扩展边界，探索用例

（2022年6月冻结）

去年6月Rel-17 已经完成冻结，ASN1 已经可用。Rel-17 标准的制定非常特别，因为它是在疫情大流行期间通过虚拟会议完成的。Rel-17的一个重要目标是提高效率并为现有的 eMBB 用例添加增强功能，特别是在像频谱扩展，在FR2中增加了新的毫米波频率范围，现在最高可达 71GHz MIMO和通过在下行链路中添加 1024 QAM 来提高频谱效率。在节能和扩大 UL 覆盖范围方面也有很多改进，这不仅被认为可以改进常规 eMBB 设备，而且还适用于全新的更轻的 NR、Reduced Capability（RedCap模式），允许在要求较低的设备中支持5G，启用以前无法实现的新用例，打开通往新垂直领域的大门。在新的垂直领域，另一个重要的改进是通过非地面网络或 NTN 标准化对卫星到终端连接的支持。接下来，我将着重介绍这两个关键技术NTN 和 RedCap。

首先是RedCap，RedCap的使用可与其他降低能力的技术相媲美，例如Cat-1等较低的LTE，其主要目的是为不需要很快数据速率且成本更低、覆盖范围和功率效率更高的设备提供连接服务。监控摄像头、工业传感器和可穿戴设备等场景非常适合智能物联网设备，考虑到这一点，RedCap是一种简单的 NR 设备，它具有有限的BW和有限数量的接收器链，可以将无线电连接成本降低大约65%。RedCap 已针对 FR1 和 FR2 进行了标准化，这将有助于提供更好的覆盖范围。

那么RedCap信号又是如何工作的呢？重点是允许具有较低带宽的设备在具有较高带宽的小区中共存。为了实现这个功能，SIB更新之后以提供访问控制，以便 UE可以决定NW是否支持RedCap设备，并因此开始注册过程。此外，已经创建了一个新的特定于Red Cap的初始BWP，这样就可以在初始BWP中拥有具有更大BW的小区，但仍然允许RedCap UE进行连接。并且通过PRACH和MSg3的前期指示支持已经启用，这样网络就可以提前知道尝试连接的设备的能力降低了。

是德科技与为Rel-17增强功能提供支持，包括RedCap网络仿真解决方案。全面的解决方案组合涵盖非信令和不同领域的信令测试，包括协议、射频、功能验证、和实际条件下的性能测试。

第二项在Rel-17需要关注的技术是NTN（非地面网络），Rel-17定义了NTN的第一个版本，并且Rel-18将继续使用更新的频段和其他架构类型和用例。Rel-17主要侧重于对GEO和 LEO轨道的标准化支持，重点是透明有效载荷，意味着gNB作为网关的一部分位于地面，而 Uu 是两个馈线中使用的接口和服务链接。这样，卫星就充当了射频中继器。最初NTN的重点是6 GHz以下频段，尤其是2GHz的S频段。

但卫星到终端直接通信在设计实际上非常具有挑战性，因此在任何实际部署之前在实验室中测试真实场景至关重要。例如链路预算，考虑到地面设备和卫星之间的距离很远，工程师们面临着巨大的路径损耗，我们的目标是在不需要大天线的情况下建立连接，仍然使用手机。另一个主要挑战是信道引入的大延迟，在地球静止轨道的情况下可能高达 600 毫秒左右，或者 LEO 轨道的变化延迟虽然较小，但会随着时间而变化，至关重要的是，这在所有设备中都得到了适当的补偿，从而可以避免符号间干扰。考虑到卫星的高速移动，多普勒是信道增加的另一个主要损伤。因此，补偿所有这些影响是至关重要的，这可以在卫星轨道已知的情况下完成，因此，只要UE和卫星的位置已知，就可以预测多普勒和延迟。

是德科技一直致力于开发NR NTN端到端测试台，该测试台能够模拟网关和gNB、信道和 UE，并能够在实验室中建立 NTN NR呼叫，演示延迟和多普勒预补偿的工作原理和实现方式。

Rel-18：

开启5.5G，铺路6G

（进行中）

随着Rel-17的冻结，Rel-18的标准制定工作也紧锣密鼓地展开，作为5G标准的第二阶段，从Rel-18开始5G被命名为5G Advanced（5.5G），根据3GPP的命名规则，5.5G可以被视为5G到6G的过渡阶段，等到Rel-20结束，6G也就快登场了，预计在2028年左右。

从Rel-18首批确定的研究课题来看大多是对Rel-15到Rel-17的增强和补充，但是有两方面内容尤其需要关注，那就是UAV以及AI和ML。

UAV（Uncrewed Aerial Vehicle）：无人航空载具，UAV系统依赖无线通信来解决多个需求包括指挥和控制、定位、合作感知以及防撞和远程识别等。5G Rel-18针对UAV制订了相关规范，UAV之间 UAS（Uncrewed Aerial System）系统，在UAS系统模型中包含UAV和UAV controller，其中UAV需要通过我们的蜂窝系统连接并被UAV controller控制。每个UAV controller可通过蜂窝网络控制一个或者多个UAV。UAV和UAV controller之间通过PC5接口进行C2通信。

Rel-18需要关注的另一个内容是人工智能和机器学习（AI&ML），目的是为了提升数据的预测能力，主要包含网络节能，流量卸载，覆盖变更，小区去激活，以及负载均衡。在多频率/多RAT的部署中，在小区或小区区域之间有效地分配负载，以根据负载预测提高网络性能。

根据对UE可能提供服务的预测选择最佳移动目标，从而在移动期间也能保持令人满意的网络性能。

Rel-18还处在协议制定的早期阶段，5G Advanced也可被视为6G的基石，为6G铺路。是德科技会持续关注3GPP标准演进，提供尖端的测试方案。

全文总结

参考下图，可以看到将每个 3GPP 版本开发的功能映射到不同的垂直领域，虽然 5G 被认为可以灵活地支持许多不同的用例，但在 Rel-15 之后的后续版本中，才成为现实。得益于URLLC 和以太网 PDU，Rel-16 启用了工业物联网，并启用了带有 NR-V2X 的汽车。Rel-17 正在使用 Redcap 实现新型低成本设备，和非地面网络（NTN）。相信Rel-18 及更高版本继续保持这种趋势。

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