CUBE-FLEX AIR3.0的技术方案(一)

2021-03-31 来源:中国联合网络通信有限公司研究院

CUBE-FLEX AIR3. 0的愿景是实现从面向2C的尽力而为的无线网络到面向千行百业的确定性、定制化和智能化无线网络,技术理念是打造“泛在”“弹性”“智能”“绿色”无线网络。

泛在是通过空天地一体化网络,构建空基、天基网络与地面网络的协同,以满足无时不在、无处不在的各行各业泛在物联网需求。

弹性是通过全频谱5G重构、高中低频资源池组化、超大带宽及灵活带宽配置、智能化上下行时隙配置等实现业务需求与带宽资源的弹性敏捷匹配。

智能是通过网元、网内和网间资源的智能化管理并通过与联邦学习和区块链融合技术实现网内智能自治和网间智能可信。

绿色是通过网络设备集约化、网络结构至简化、网络管理智能化等技术手段实现设备、站点和网络三级节能架构,实现“用户无感知、网络高能效、运维低成本”的目标。

CUBE-FLEX AIR3.0将通过“泛在连接” “弹性敏捷”“体验确定”“智能自治”“绿色至简”“云化开放”六大关键技术路线,打造“泛在”“弹性”“智能”、“绿色”的新网络。

一、泛在连接

1.空天地全域

面向2025年,来源于政治、经济、法律、环境、教育、医疗等多个方面的商业和社会需求,将促使移动通信网络适应更复杂多样的应用场景,从而为业务提供更为极致的性能体验。其中很重要的一点是需要突破地形地表的限制,扩展到太空、空中、陆地等自然空间,实现全球全域的“泛在连接”,并通过多种接入方式的协同传输、对多个系统资源的统一管理,提高整体资源的利用效率。

1  空天地一体化融合组网结构

如上图所示,面向2025的空天地- -体化通信网络是典型的异构网络,是以地面网络为依托、以天基网络和空基网络为拓展的立体分层、融合协作的网络,各星座卫星(包括高、中、低轨)、高空网络(临近空间平台和航空互联网)、低空智联网和地面蜂窝网络共同形成多重覆盖。非地面网络采用与地面5G相同或相近的网络架构与关键技术,通过共享产业链,提升空天地融合通信网络的研发效率,降低整体组网成本;通过部分设备合设,如核心网互通、关口站与基站融合共建等方式,实现网络资源和策略的快速互通,达到业务高效传输的目的:

1)网络接口

由于可能涉及多个通信网元及运营商之间的共建共享,空天地异构网络需要设计安全、可信、共享的网络接口,以实现网络的深度、安全融合。

2)无线设备

采用共享的关键技术及产业链,设计模块化、灵活可变的设备结构,以适应不同的应用环境和功能要求,并降低整体网络成本;终端侧与无线接入设备的融合和高能效和小型化的设备形态是推动空天地融合组网及业务快速发展的重要积极因素。

3)业务连续性与移动性管理

低轨卫星系统的卫星相对于地面高速移动,每颗卫星服务的时长可能只有数十秒,一次业务中可能包括多次切换,而且业务切换的种类也非常复杂,可能涉及波束间、星间、跨地面站之间的切换,以及空、天、地之间的切换。因此需要设计适宜的用户接入和切换策略,为用户的极简接入和业务的连续性提供保障。

4)适应高时延、高多普勒频移的空口传输技术

空—地链路在几十至上千公里量级,远超过地面蜂窝移动通信的站间距,带来了无法避免的高时延;接入节点的快速移动,导致多普勒频移会更加严重。因此需要采用新的链路同步控制、星-地多波東/多连接传输、新波形设计与多址设计、星—地高效重传等以解决上述问题。

2.移动物联

随着移动物联网与垂直行业的融合,移动物联网应用的广度和深度不断提升,覆盖场景广泛,涵盖智能工业、智慧农业等行业物联网,智能水表、智能燃气表等基于物联网的城市立体化信息采集系统以及可穿戴设备、智能家居等消费性物联网。物联网业务场景总体上可分为三类:

低速物联网业务: 具有低速率,低功耗,大连接的特点,对数据的传输速度要求不高,但对终端连接数量,连接稳定性及成本较为敏感,典型场景包括智能抄表、智能停车、智慧楼宇等。

中速物联网业务:要求较高的业务速率,同时有移动性、语音或定位方面的需求。主要面向消费电子、公共管理、共享经济等行业应用。

高速物联网业务:要求大带宽、低时延、高可靠,对功耗成本不敏感。主要场景包括远程医疗、智能制造、云游戏等。

2  移动物联网的业务场景

面向中低速业务场景,可持续推进NB-IOTeMTC5G化演进,面向高速物联需求,推进基于NR Redcap技术提供高速接入、高可靠性、低时延业务,实现多样化、差异化的物联场景下的5G网络泛在接入能力,满足不同类型业务对网络覆盖、业务速率、可靠性、时延的差异化需求。

二、弹性敏捷

1.频率资源云化

随着5G网络的部署,移动通信支持的速率快速增加,服务能力不断增强。以视频为基础的高清视频业务、视频直播和购物、增强现实、虚拟现实、扩展现实、超高清全景视频等多种高容量、高速率等业务得以迅猛发展,伴随着人机交互的升级,视频刷新速率提高和时延降低的新需求,对网络容量、速率提出更大的挑战;同时,行业数字化转型升级使视频监控、远程控制、机器视觉、定位数字化管理等物联业务应用由窄带逐渐向宽带化发展,未来窄带物联和宽带物联将长期共存,垂直行业对网络的差异化需求凸显。不断丰富的业务类型,反过来对移动通信网的容量、速率和服务能力提出了更大带宽和更灵活资源分配的要求。

但是当前移动通信网络的能力还不能够适应业务发展带来的变化,更无法满足差异化业务应用的需求。首先,在频谱和网络结构方面,2G/3G/4G/5G多种制式长期共存,不同频段和制式能力分散,资源利用效率严重不均,各个系统刚性的资源配置无法动态的调整,不能动态匹配业务多变的需求,难以发挥出整个移动通信网络的最大效率。其次,大带宽业务的需求逐渐明显,特别是上行大带宽,当前网络上下行能力错位,且单载波带宽受限,需要网络提供更高的单载波大带宽的设备能力。最后,差异化的业务需求需要更灵活的带宽分配能力,一方面可以满足不同带宽能力终端的业务体验需求,一方面可以有效提高系统的综合效率。

面对差异化的业务需求、较复杂的频谱结构、不同的频谱传播特性和带宽资源的差异,推进高中低频全频谱重构技术,可以实现频谱资源云化、池组化,实现上下行频谱资源灵活组合、不同频段载波间灵活聚合,实现虚拟大带宽、智能灵活地BWP等,从而灵活带宽方案。主要包括如下三个部分:

1)灵活带宽管理

一方面是更大带宽能力的拓展,包括更大的单载波带宽能力和更大的系统带宽能力,如毫米波频段200/400MHz单载波带宽,毫米波频段高达1200MHz的总带宽;另一方面是智能的识别终端类型与业务类型,充分考虑频点和带宽,制定灵活的驻留策略和带宽选择策略,利用NR-DC/0A技术,实现全频谱综合应用。

3 大带宽及智能化配置

2)上下行频谱资源云化

推进高中低频全频谱重构技术,实现频谱资源云化、池组化,以及上下行带宽资源按需灵活配置。

4 上下行带宽资源灵活配置

3)高中低频率灵活聚合

基于上下行频谱资源的云化和池组化,通过不同频段载波间灵活聚合和跨载波调度,实现控制资源云化和虚拟大载波配置。

5高中低频资源灵活聚合

频率资源云化可以灵活调整网络频谱和带宽资源,匹配用户业务需求,为2B2C用户带来优质体验。做到“网随业变,网随人动”的同时,最大化提升系统的容量和效率。

2.智享上行

目前,2B业务对.上行速率需求强烈,如在智能制造行业,8K超高分辨率表面质检上行需求80Mbps,复合材料拼缝在线检测_上行需求350Mbps,机身喷漆检测上行需求660Mbps,而移动采访视频回传且可用于采编的8K分辨率视频上行速率需要160Mbps以上。

当前固定的统一帧结构网络不能适应灵活的网络需求。3.5G单载波2.5ms双帧结构上行现网室内实测数字化室分系统峰值速率350Mbps,平均速率250Mbps,很难满足多路高清视频回传及超大上行业务的需求。毫米波虽然具有高达800MHz乃至1200MHz的大带宽,但是当前主要采用DSUUU帧结构,小区上行峰值速率远低于下行。

智享上行技术通过智慧时隙、载波聚合和专享行业终端相结合,满足上行千兆的业务需求。

1)智慧时隙

智慧时隙让时间智能化,依据业务智能增强上行能力。通过多层嵌套进行灵活配置,实现上行速率灵活增强;通过基于业务的智能预测,对时隙进行灵活配置;通过智能干扰检测和规避方案,做到业务匹配与性能兼顾,实现资源利用最大化,用户体验最优化。灵活时隙方案应包含智能业务预测、灵活时隙配置和智能干扰规避三方面内容:

智能业务预测是基于人工智能算法、以及现网基站数据,训练业务负载模型,实现对网络业务负荷变化趋势的精确预测。

6 业务预测示意图

灵活时隙配置具备多种组合和多种形式,并可以通过多层嵌套进行不同等级的灵活配置,最小颗粒度可以达到符号级。多层嵌套配置,上层配置为F的时隙或符号,下层进一步配置,如图7所示。

7多层嵌套帧结构配置示意图

智能干扰检测利用人工智能的CNN算法进行干扰特征的训练和识别,构建干扰特征模型,对时频图谱进行干扰特征识别;智能于扰评估和规避是根据干扰检测得到的底噪信息和邻区业务预测,匹配信道环境和用户分布来评估小区在不同帧结构配置下的容量能力和用户体验,并根据干扰预测进行智能预调度,功率预控制,波束预成型等进行干扰规避。

8干扰规避方案示意图

2)载波聚合

载波聚合将载波捆绑实现上下行速率同时成倍提升。在FR1FR2高低频混合网络中,可以采用NR-DC/CA技术充分利用中低频的覆盖优势和高频的大带宽优势,在sub6GHz可以通过n1+n78+n78下行3载波,n1+n78/n78+n78上行2载波提升上下行速率。如下图所示:

9载波聚合示意图

3)专享行业终端

对于毫米波频段,推动多射频天线芯片组行业终端:明确大功率终端要求,支持多频多模、载波聚合和多连接技术,增强设备功能和性能,提高终端功率和上行能力。

10毫米波多射频天线芯片组终端示意图

对于Sub6GHz频段,双天线终端在两个不同频段的载波需要同时发送时,每个频段分别只能在一套收发信机上发送。限制了中频TDD频段的双发能力。

11双天线终端示意图

聚焦行业应用需求,定制行业专享终端,打造3天线/4天下并发能力,进一步增强上行速率体验,打造专享尊贵体验。

12  3天线终端示意图()4天线终端示意图()

在现有终端方面利用天线切换轮发技术,在双载波上行发送时,利用TDD分时发送的特点,当TDD在接收时隙时,将天线切换到另一个TDDFDD载波上使用,提高天线利用率和上行业务能力。

摘自《中国联通弹性空口3.0白皮书》