应用于特殊场景的5G 关键技术研究综述

纪晓辉

（中国电子产业工程有限公司，北京 100036）

0 引 言

5G 具有高速率、低时延、大连接等技术特性，已在不同公众应用场景中得到广泛应用，并逐步向垂直行业应用侧重发力，其中特种通信行业需求尤为突出，特别是面对突发紧急事件及特定需求场景，需要快速建立弹性抗毁以及适应性强的通信网络。与公网5G 技术不同，面向特种通信专网应用的5G 技术需要具备网络拓扑自适应、接入回传一体化、脱网直通、覆盖增强以及高动态场景下抗多普勒频偏能力，本文将重点介绍适用于相关特定场景的5G 适应性改进，以期对后续5G 专用技术发展有所裨益。

1 接入回传一体化

为了解决上述问题，5G 应急通信专网设计中引入了3GPP R16（https://max.book118.com/html/2020/0526/5300121210002300.shtm）中的接入回传一体化技术，其中采用了无线回传技术。该技术使用时分复用（Time Division Multiplexing，TDM）动态资源复用技术，主要通过时隙配置调整，实现接入与回传资源的动态分配，不需要光纤即可将基站数据回传核心网。

R17 针对R16 中的不足，引入了频分复用方式、空分复用方式，同时增强集成接入回程（Integrated Access Backhaul，IAB）的稳健性、负载平衡度、频谱效率、多跳延迟和端到端等性能[1]。但由于R16和R17 只支持固定IAB 节点，因此R18 增加了支持移动IAB 节点的功能。

本节中主要针对R16 中的IAB 技术进行介绍，包含IAB 技术的部分基础名词、IAB 的网络架构、IAB 的拓扑结构及管理。从网络架构看，IAB 节点可以通过独立组网的方式接入网络，如图1 所示。图1中IAB-donor 支持无线接入和有线回传，相当于支持IAB-node 节点接入的传统基站。通过无线链路获取IAB-node 的回传数据，通过有线链路将数据回传给核心网[2]。IAB-node 代表支持无线接入回传的站点，由IAB-MT 和IAB-DU 组成，IAB-MT 具有类似终端的功能，可与IAB-donor 或IAB-node 父节点交互；IABDU 具有类似基站的功能，可与UE 或IAB-node 子节点交互。因为IAB-node 兼具终端和基站的功能，所以IAB-node可通过一跳或多跳传输数据。UE为终端用户，可通过IAB-node 实现将数据回传输给IAB-donor。

图1 IAB 网络架构

下面介绍节点间的接口连接关系，IAB-MT 与IAB 父节点之间通过NR Uu 接口连接，IAB-DU 与IAB-donor-CU 之间通过F1-C 接口连接，gNB 与IAB-donor-CU 之间通过Xn 接口连接，IAB donor 和IAB 之间通过NR 接口传输用户面数据。

此外，在R16 中规范了IAB 节点的拓扑结构，分为2 种结构，如图2 所示[3]。一是，拓展树，每个IAB-node 仅有一条无线链路能够回传数据到IABdonor；二是，有向非循环图，每个IAB-node 有不止一条无线链路能够回传数据到IAB-donor。有向非循环图结构通过增加冗余节点，增加链路传输的可靠性，达到链路间的负载均衡。

图2 IAB 节点的拓扑结构

IAB 的拓扑管理分为节点启动、节点迁移以及节点重建3 种[4]。节点启动是指当新的IAB 节点接入网络时，IAB-MT 接入网络并获得IAB 相关配置信息，启动部分IAB-DU 功能为UE 及子IAB-MT 提供服务的过程；节点迁移是为避免回传链路可能受到链路或本地阻塞的影响，固定的IAB 节点可以选择更合适的节点接入或切换，实现网络拓扑的自适应调整；节点重建是回传链路发生失败后，IAB 节点会尝试接入新的父节点以重建无线链路，从而恢复与网络正常通信的过程。

2 低功耗节能通信

在人迹罕至的孤岛及山区等偏远地区，往往存在因基础建设不完善而导致的电力不足的情况，在这种特殊情况下进行应急通信时，对于5G 终端低功耗和节能指标的要求很高。而当前普遍使用的5G 终端的成本和功耗过高，为满足应急通信的要求，5G专网设计中引入了降低能力（Reduced Capability，RedCap）技术。

从技术体系方面看，在5G 承载体系中，5G NR能力最高，可满足100 Mb/s 以上超高速率需求的物联网业务，5G NB-IoT 作为低功耗广域（Low Power Wide Area，LPWA）技术，面向低速率、小包物联网业务而设计，主要承载100 kb/s 速率以下的低速物联网业务，提供低速大规模机器通信（massive Machine Type Communication，mMTC） 能力。RedCap R17 版本可承载高速率的物联网业务，通过将最大传输带宽缩减至20 MHz，裁剪收发天线数目（最低1T1R）、降低上下行最大调制阶数（如64QAM），有效降低了终端复杂度（复杂度相比传统eMBB 终端降低约60%），未来RedCap R18 版本将进一步扩展支持中速率物联网业务。由此可见，RedCap 技术补齐了5G中高速大连接能力，使5G 面向各类物联网应用需求形成了具备低、中、高以及超高分档分级能力的完备技术承载体系。

RedCap 作为5G 轻量级终端，其独特性在于以下几个方面：首先，相较于传统5G 终端，RedCap终端剪裁后的终端复杂度可降低约60%；其次，RedCap 的各项能力特性确保了其可基于5G 现网平滑升级引入，包括高效接入特性和功耗优化特性；最后，RedCap 延续了5G NR 的各类优秀特性，如大带宽、低时延、高可靠性、业务保障、数据不出厂、低功耗以及强覆盖等诸多优势，可针对不同5G 应用场景按需引入，有效满足业务需求。

RedCap 技术标准化研究进程如图3 所示。3GPP R17 RedCap SI 阶段（2020.6—2020.12），输出研究报告3GPP TR 38.875，内容主要包括终端复杂度降低及成本评估、对覆盖的影响、能耗分析评估等，并为后续WI 阶段开展标准化提出各项建议。3GPP R17 RedCap WI 阶段（2020.12—2022 Q2），标准化工作主要涵盖终端复杂度降低、驻留与接入控制、移动性、终端识别、宽带部分（Band Width Part，BWP）配置以及功耗等内容。3GPP R17 RedCap 标准框架已经接近尾声。从2021 年12 月开始，3GPP R18 RedCap 标准化已正式提上日程。3GPP 已经明确在R18 中会针对RedCap 进一步演进，目标对标Cat 1/1bis，进一步降低终端复杂度，实现RedCap 终端复杂度极致化。标准预计2024 年Q1 结项。

图3 RedCap 标准进展

3 高动态条件下的抗多普勒频偏

在涉及到飞行器等搭载终端超高速移动的场景下，会产生较大的多普勒频偏，严重影响通信效率。因此，为保障高速场景下的终端通信，需要进行的频偏纠正。

根据已经进行的技术研究和经验，终端侧的多普勒频偏估计与补偿总体分为3 个步骤，即初始频偏估计、频偏跟踪以及频偏补偿，总体流程如图4所示，首先初始频偏估计，其次利用追踪参考信号（Tracking Refernece Signal，TRS）跟踪和维护飞行过程中的频偏，最后在上行发送和下行接收中进行频偏补偿和校正[5]。

图4 终端侧多普勒频偏的估计和补偿流程

初始频偏估计是基于主同步信号（Primary Synchronization Signal，PSS）和辅同步信号（Secondary Synchronization Signal，SSS）进行时域频偏估计与频域频偏估计的方法。通过初始频偏估计，可以获得当前频偏的基本情况。因终端飞行速度和方向的改变，多普勒频偏随着时间的变化速度较快，需要进行频偏的跟踪。

频偏的补偿分为上行发送的预补偿和下行接收信号频偏补偿[6]。上行发射时将下行估计值取反后进行预补偿，从而使得基站侧接收到基本无频偏的上行接收数据。下行接收信号的频偏补偿，有效提高下行数据解调性能。

4 结 论

在5G 特殊应用场景下，远距离覆盖增强和抗多普勒频偏技术的引入，使得无线通信系统在广域覆盖及高动态场景中的通信效果得到显著提升；接入回传一体化技术可以增强5G 网络的覆盖能力；终端直通的引入可以提高频谱效率和系统容量，有效降低终端设备能耗和通信时延。