何為5G-A？

作者 / 蜉蝣采采

2024年，中國5G商用已滿5周年。

業(yè)界的慣例是，每過10年，移動通信就會發(fā)展一代。當此之時，5G已經(jīng)步入后半程，6G標準正蓄勢待發(fā)。2024年，也被稱作5G-A（5G-Advanced）元年。5G-A作為5G后半程的技術演進和場景擴展，將引入哪些新功能，支持哪些新業(yè)務？5G-A將如何上承5G的輝煌，下啟6G的光芒？我一直想寫一篇5G-A的介紹，但這個主題太過龐雜，因此一直“視為止，行為遲”。近兩年來，我就如盲人摸象一般，由局部到整體，大體了解了5G-A的全貌之后，才終于動手開始。? ??

5G-A的定義

對于承上啟下的“半代”技術命名，往往有協(xié)議的官方名稱，又有廠家及運營商為搶占市場的品牌名稱，比較熱鬧。比如，在4G和5G之交的時候，3GPP協(xié)議的命名是LTE-Advanced Pro，有外國人名字的感覺，主打一個冗長。

運營商和設備商就比較放飛了，有4G+、4.5G、Pre5G、5G plugin等等，絕不能在氣勢上落了下風。如今到了5G和6G之交，3GPP對5G演進的命名跟之前如出一轍，R18之后的協(xié)議就叫做5G-Advanced，簡稱5G-A，比之前清爽了許多。設備商這邊，華為最早出手，延續(xù)4G時代的套路，在3GPP之前就打出了5.5G的概念，把5G定義的三大場景擴展為六個，實現(xiàn)從三角形到六邊形的演進。六邊形在移動通信行業(yè)有著圖騰一樣的含義，看起來舒服極了。

然而跟4G時代不同的是，業(yè)界并沒有跟風整各種眼花繚亂的5G-A品牌名，都實實在在地沿用3GPP起的名稱：5G-A。這讓5G-A這頂帽子的曝光率大增，成為了業(yè)界通用語言。那么，5G-A到底包括了哪些核心技術和應用場景呢？各大運營商和設備商都對5G-A技術和場景提出了自己的看法。比如，華為的5.5G在5G標準的增強型超寬帶、海量機器類型通信和超高可靠低時延通信這三大場景的基礎上增加了上行超寬帶、寬帶實時交互和通信感知融合。

中國移動在《5G-Advanced創(chuàng)新鏈產(chǎn)業(yè)鏈融合行動計劃》中提出了卓越網(wǎng)絡、智生智簡和低碳高效三大方向，并總結出了5G-A十大技術。相對應的，在2024年世界移動大會上，中國移動還發(fā)布了5G-A十大創(chuàng)新成果。業(yè)界對5G-A的這些愿景和定義雖說方向上大差不差，但總得有一個大家共同認可的收斂目標，這樣才好相互交流合作。
咱們就以中國IMT-2020（5G）推進組官方給出了5G-A應用場景來展開介紹。

可以看出，IMT-2020（5G）推進組將最中間5G的三大場景擴展為5G-A的六大場景，分別為沉浸實時、智能上行、工業(yè)互聯(lián)、通感一體、千億物聯(lián)、天地一體。下面，我們將看看5G-A這六大場景都指的是啥。???

?沉浸實時

有一類業(yè)務，業(yè)界從3G時代就開始宣傳，一直到5G還沒普及。這就是虛擬現(xiàn)實VR。VR再加上增強現(xiàn)實AR和混合現(xiàn)實MR，統(tǒng)稱為XR。

戴上VR頭顯，我們可以深度沉浸、實時地進入“元宇宙”，感受“異世界”。VR的特點是網(wǎng)絡帶寬需求非常大，時延要非常低，如果網(wǎng)絡條件不行，你感受到的將不是沉浸而是眩暈。想詳細了解VR的朋友可以看下這篇文章《從幻想到現(xiàn)實，VR從萌生到廣為人知的那些事兒》。VR由于高度沉浸，沒法戴著逛街，但AR可以。AR眼鏡通過在現(xiàn)實畫面上疊加更多的輔助信息和交互指令，適用的場景更廣。比如，減肥人士在吃飯時，只要看一眼食物就知道總共有多少卡路里，吃多了還能發(fā)出告警。

在技術上，5G-A標準已經(jīng)對XR業(yè)務的特征進行了詳細的建模，網(wǎng)絡也可以實現(xiàn)精細化的XR體驗保障。相比技術實現(xiàn)，圍繞XR領域的商業(yè)模式構建，設備和應用能否普及是更關鍵的問題。相信大家都已經(jīng)在一些VR體驗館或者博物館里或多或少地體驗過VR游戲和VR視頻。有一個無法回避的問題是：用有線連接VR頭顯的效果最有保證，為什么要用無線呢？有線雖好，但不是萬能的。在有些多人大空間的VR游戲或者劇場中，人的活動范圍是非常大的，拖著一根線跑顯然不行，這就需要把畫面渲染的電腦背在背上，再通過有線連接VR頭顯。背包方案的缺點是體驗不好，又重又熱。

那么，能不能用無線呢？最容易想到的無線局域網(wǎng)技術是Wi-Fi。事實上Wi-Fi也確實可用，但由于Wi-Fi用的是非授權頻段，干擾難以控制，實測Wi-Fi支持的并發(fā)用戶數(shù)也不太給力，只能小規(guī)模使用。下面就要靠5G-A發(fā)揮作用了。采用毫米波頻段，單小區(qū)容量可以達到十幾個G，帶上幾十個用戶輕輕松松，低時延也有成熟的保障方案。我曾經(jīng)體驗過近期大火的VR大空間劇場項目“消失的法老”，并探討過采用5G-A毫米波來實現(xiàn)免背包輕裝上陣的可能性，詳情見文章《消失的法老，VR覺醒的拂曉之光》。除了XR之外，另一個有望實現(xiàn)5G-A商業(yè)掘金的技術是裸眼3D。

裸眼3D的沉浸體驗肯定不如VR，但它主打一個簡單快捷。只要你的手機或者平板支持裸眼3D，同時有裸眼3D片源，你就可以隨時隨地進入3D世界。裸眼3D視頻由于需要給兩個眼球傳遞不同的信息，同時還要支持多用戶，所需的網(wǎng)絡帶寬大幅增加，需要5G網(wǎng)絡的支撐，用戶多了的話目前的5G不一定能頂住，需要升級到可支持萬兆（10Gbps+）體驗的毫米波。

關于毫米波相關的內(nèi)容，可以參考《毫米波，讓5G回歸初心》這篇文章。毫米波的衰減大，盲區(qū)多，需要輔以大量低成本的信號中繼。這些中繼可以采用智能超表面（RIS）技術來智能擴展覆蓋。關于RIS技術，詳情見《智能超表面，6G時代的顛覆式技術揭秘》這篇文章。???

智能上行

在無線物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展之初，我們做的大多是“看”，即從網(wǎng)絡上下載內(nèi)容到本地來觀看，自然而然地，下行流量占據(jù)統(tǒng)治地位。隨著短視頻和直播的興起，越來越多的人參與內(nèi)容創(chuàng)作，這都需要進行頻繁的視頻上傳，上行流量需求與日俱增。

此外，在多路監(jiān)控視頻回傳、專業(yè)視頻制作、工廠內(nèi)的機器視覺檢測等場景，也都需要占用大量的上行資源，對下行流量的需求很小。

因此，改變之前下行為主導的結構，進一步提升網(wǎng)絡的上行能力，就成了5G-A的關鍵發(fā)展方向。

目前提升上行的方案主要是不同頻段之間的幀結構互補聚合。比如，頻段1的幀結構為下行為主，頻段2的幀結構為上行為主，將這倆頻段聚合起來，就實現(xiàn)了下行和上行資源接近1:1配置，同時支持大下行和大上行。

關于5G的上行問題的來龍去脈和多載波聚合解決方案，還可以參考《5G上行，真是讓人操碎了心！》這篇文章。如果只有一個載波，沒法協(xié)同互補，又該怎么辦呢？
目前協(xié)議也正在標準化一種叫做“子帶全雙工”的技術，可在TDD單載波上進一步劃分上行和下行子帶，實現(xiàn)類似FDD的上下行均衡資源配比的效果。簡而言之，就是實現(xiàn)TDD和FDD的結合。

通過靈活調整上行和下行子帶的大小，5G-A單載波可以實現(xiàn)大上行、大下行、上下行均衡等多種能力，并且保持時延最低。

子帶全雙工技術也叫“S-UDD（單載波時頻統(tǒng)一雙工）”。關于子帶全雙工，詳情可參考下面這篇文章《子帶全雙工，5G夢想的妥協(xié)？》。此外，提升上行能力還可以從終端側想辦法，這就是“UE聚合”。

我們經(jīng)常能看到很多終端的距離不遠，但它們之間的可能有的能力較弱，有的信號被遮擋，同時還有些終端的能力強信號好但流量沒有拉滿，UE聚合技術可以把這些終端聚合成一個整體，達到抱團取暖，以強補弱等效果。

工業(yè)互聯(lián)

突破傳統(tǒng)2C賽道，進軍工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，開啟新領域是5G的重要目標。

5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在智能制造工廠中的應用非常廣泛，目前較為普遍的層級劃分是工廠級、車間級和產(chǎn)線級這三個等級。工廠級著重跨車間跨層級互聯(lián)互通、多場景系統(tǒng)化應用，以及全要素生產(chǎn)率提升。車間級著重多產(chǎn)線多系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化，促進數(shù)據(jù)價值充分釋放。產(chǎn)線級用于核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)，進行產(chǎn)線的設備連接、數(shù)據(jù)采集和融合應用。

其中，產(chǎn)線級屬于OT域的核心，也是生產(chǎn)環(huán)節(jié)的關鍵。要將5G引入智能制造工廠的產(chǎn)線級應用，需要網(wǎng)絡的帶寬、時延、抖動、可靠性等指標達到極致的確定性。

3GPP早在R15版本就標準化了超可靠和低時延通信（URLLC）。在R16版本中，又添加了對時間敏感網(wǎng)絡（TSN）的支持，并在R17中進一步增強。

TSN是在IEEE以太網(wǎng)技術基礎上，針對時間敏感特性做了一定的擴展，以在特定時間窗口內(nèi)，在沒有丟包、沒有由于擁塞引起的時延的情況下轉發(fā)時間敏感數(shù)據(jù)包，包括時間同步、定時流量調度、幀復制和消除等功能。其中，幀復制和消除功能也叫做“雙發(fā)選收”，可將數(shù)據(jù)流復制成兩個或多個副本，并通過不同的路徑傳輸?shù)侥繕斯?jié)點，極大增強了網(wǎng)絡的確定性。在Rel18中，協(xié)議對時間敏感通信的支持進一步進行增強，使得網(wǎng)絡能夠提供更具擴展性的確定性通信。????

通感一體

在以前，基站就是用來通信的，用來打電話刷視頻是一把好手，但是沒法識別空中飛來一只鳥或者河上飄來一艘船，這些都是雷達的職責。后來人們想明白了，既然基站和雷達都用的是電磁波，如果讓基站分出來一點資源發(fā)射雷達的信號格式，豈不是就能把基站和雷達合體了？

這就是“通信感知一體化”，簡稱通感一體。

基站作為通信基礎設施是無處不在的，且在鐵塔上，電源、天線、傳輸?shù)荣Y源均具備，我們只需“順勢而為”，通過軟件升級就可以擁有感知能力，何樂而不為呢？

下面是一些典型的通感一體化應用場景。低空經(jīng)濟：把基站往天上打，通感一體技術可以識別無人機的位置、方向、高度、速度、距離，軌跡，支持無人機物流配送、集群表演、農(nóng)林植保等應用。對于未經(jīng)許可的“黑飛”無人機，基站還可以實現(xiàn)實時定位和追蹤，供安防系統(tǒng)決策反制。

智慧交通：通感一體系統(tǒng)可利用通信基站站點高、覆蓋廣的特點，實時、大范圍、感知車道流量和車速信息，同時檢測行人或動物道路入侵，有效實施道路監(jiān)管，保障交通安全和提升交通效率。關于通感一體的詳情，請參考《通感一體化：基站和雷達也能合體？》這篇文章。????

千億物聯(lián)

蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展源遠流長。從2G開始，GPRS開始支持分組數(shù)據(jù)業(yè)務，自然也就廣泛地用于物聯(lián)網(wǎng)。時至今日，基于GPRS的物聯(lián)網(wǎng)設備也還在頑強生存。3G自然也不例外，也可用于物聯(lián)網(wǎng)。到了4G時代，專為物聯(lián)網(wǎng)而制定的技術標準開始出現(xiàn)，Cat 0、Cat 1和Cat M（LTE-M，又叫eMTC）都是專為物聯(lián)網(wǎng)設計的。NB-IoT（Cat NB）更是樹立了低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)的典范。到了5G時代，物聯(lián)網(wǎng)技術更加細分。eMBB、mMTC和uRLLC這三大場景都適用于物聯(lián)網(wǎng)。eMBB可用于高速率的物聯(lián)網(wǎng)，mMTC專為海量的低速物聯(lián)網(wǎng)設計，uRLLC則用于超低時延高可靠的確定性物聯(lián)網(wǎng)。為了彌補中速物聯(lián)網(wǎng)標準的缺失，在5G-A階段又引入了RedCap，目標是取代4G的中速物聯(lián)網(wǎng)技術eMTC。目前，運營商最大規(guī)模開通并積極打造應用落地的5G-A技術，正是RedCap。

RedCap不是指紅帽子，實際是由英文Reduced Capability的前三個字母合成，也就是縮減能力的意思，也被稱作輕量化5G。叫它閹割版5G也行。RedCap對終端的能力縮減可謂大刀闊斧。載波帶寬從100MHz縮減為20MHz，天線配置從2T4R減少到1T1R或1T2R，最小下行MIMO層數(shù)減少至1，調制階數(shù)最低可支持64QAM，引入了半雙工模式。

雖說RedCap把能力降為了“5G版本的4G”，但還是能滿足大量的中速物聯(lián)網(wǎng)需求的，比如工業(yè)傳感器、攝像頭回傳、可穿戴設備等等。如想詳細了解RedCap，可以閱讀這篇文章《RedCap，5G的“二次革命”》。然而，即使5G-A補上了RedCap這塊拼圖，物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模仍然達不到“千億”。這是因為在智能工廠、物流倉儲、環(huán)境監(jiān)測等場景里，依然存在大量需要極低聯(lián)網(wǎng)成本、極低傳輸速率的設備。

這就需要“零功耗”的無源物聯(lián)網(wǎng)。

無源物聯(lián)網(wǎng)，不用連接電源，更無需配置電池，僅靠收集環(huán)境中的光、熱、風、浪、聲、電磁輻射、機械震動等能量就能完成低功耗計算和通信，并且可以長期工作。
目前無源物聯(lián)網(wǎng)標準還在制定中，產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展尚處于早期。假以時日，無源物聯(lián)網(wǎng)技術將成為5G-A時代“千億物聯(lián)”的底座，依托其低功耗、低成本、小體積、易部署、免維護等優(yōu)勢實現(xiàn)一切設備的應連盡連。如想詳細了解無源物聯(lián)網(wǎng)，可以閱讀這篇文章《什么是無源物聯(lián)網(wǎng)？一文看懂！》。????

天地一體

這里的“天”是指太空，“地”是指地面。天地一體自然是基站由衛(wèi)星馱著在天上飄，和地面上的基站形成立體覆蓋，從而打造全球無縫服務網(wǎng)絡。在以前，天上的衛(wèi)星負責衛(wèi)星通信，地上的基站負責地面通信，兩者平行發(fā)展，有競爭但更多的是合作關系。

在5G時代，業(yè)界希望構建一張空天地一體的5G網(wǎng)絡。跟地面上的5G網(wǎng)絡相比，這種飄在天上的5G網(wǎng)絡自然就叫做“非地面網(wǎng)絡（Non-Terrestrial Network）”，簡稱作NTN。廣義的NTN包含的范圍很廣，有無人機、地對空通信、高空基站、衛(wèi)星網(wǎng)絡等等。基于衛(wèi)星的NTN自然是最受關注的重點，因此在一般情況下，我們說的NTN都是基于衛(wèi)星的。

3GPP對于NTN技術標準化的進展及計劃。在R15和R16，5G NTN處于研究階段。從R17開始，5G NTN的接入技術已開始標準化，并將在后續(xù)版本不斷向前推進。

NTN的思路是：5G基站甚至5G核心網(wǎng)都可以部署在低軌衛(wèi)星上，直接和用戶的手機相連，相當于無時無刻在空中飄蕩的5G網(wǎng)絡，服務質量更佳。如想詳細了解5G-A星地互聯(lián)網(wǎng)絡，可以參閱這篇文章《5G，上天了！衛(wèi)星和基站擦出了火花？》。????

內(nèi)生智能

智能化沒有包含在IMT-2020（5G）推進組提出的5G-A應用場景里。它更多地作為一個基礎能力，位于六邊形的中心，支撐其他場景更好地實現(xiàn)。在各大展會及論壇上，“ALL in AI，AI for All”不僅僅是口號，AI已經(jīng)和通信系統(tǒng)深度融合。甚在有些方面AI已經(jīng)成為了主角，形成了通信×AI的乘數(shù)效應。在5G以及5G-A標準的制定過程中，業(yè)界也早已認識到了AI的優(yōu)勢，并試圖把一些流程用AI來優(yōu)化賦能。

早在5G標準的第一個版本R15，3GPP就定義了一個全新的核心網(wǎng)網(wǎng)元——NWDAF。NWDAF從各種核心網(wǎng)網(wǎng)元、應用、運維系統(tǒng)以及運營支持系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù)據(jù)進行分析，以提供有關網(wǎng)絡性能和健康狀況的建議及處理方案。從R17階段開始，3GPP開始研究怎樣把AI引入基站及終端，首先考慮的是網(wǎng)絡節(jié)能、負荷均衡以及移動性優(yōu)化等基礎功能。AI在RAN（Radio Access Network，無線接入網(wǎng)）側的基本運行結構如下圖所示：

目前已在R17階段研究并在R18階段標準化的RAN側AI主要是網(wǎng)絡節(jié)能、負荷均衡以及移動性優(yōu)化。在R18階段，3GPP研究了CSI反饋增強、毫米波波束管理以及定位精度增強這三個AI應用，跨入了系統(tǒng)和終端協(xié)作新時代。R19將研究新的AI/ML用例。AI/ML的數(shù)據(jù)和模型可能會不經(jīng)過5G網(wǎng)絡直接在設備之間共享。這就需要進一步研究隱私保護以及能耗降低等問題。關于內(nèi)生智能的詳情，請參考《人工智能，如何賦能5G-A？》這篇文章。????

關于6G

其實，5G-A愿景的定義過程是漫長的，在ITU發(fā)布6G愿景之后才得以在業(yè)界正式確認。這是因為，5G-A不僅僅是對5G的演進，更是對6G的銜接。要定義好5G-A，必然要從6G去倒推。

上面這幅圖是ITU的6G愿景。我們這里簡單地和前面介紹的在IMT-2020（5G）5G-A應用場景做一個比較。沉浸式通信：和前面說的“沉浸實時”幾乎完全一致。

AI通信融合：前面也提到過，AI內(nèi)生是5G-A的主旋律之一，到了6G將升級到AI原生。

超可靠低時延通信：用于工業(yè)互聯(lián)的確定性網(wǎng)絡技術也屬于超可靠低時延通信。6G跟5G/5G-A不同，最前面的“超”字的英文從Ultra變成了Hyper。Ultra指“超出極限”，強調數(shù)量級上的變化；Hyper指“高到極點”，強調已經(jīng)由量變發(fā)生了質變。泛在連接：前面說天地一體，可實現(xiàn)整個地球的無縫連接，和泛在連接的含義一致。超大規(guī)模通信：這個和5G的mMTC基本一致。前面說到的千億物聯(lián)，也是超大規(guī)模通信的另一種表述方式。通感一體：跟前面說的5G-A定義的通感一體完全一致。在5G-A時代進行技術先驗，場景先探，后續(xù)將和6G無縫銜接。???

寫在最后

在本文開頭，我提到了盲人摸象的故事。套用在5G-A上，通過不斷深入探索各個應用場景和關鍵技術，我們終于對5G-A有了一個整體的了解，但這還是遠遠不夠的。還有一個庖丁解牛的故事。庖丁在剛開始解牛的時候，眼中看到的都是完整的牛，解牛時常常無從下手。三年之后，庖丁的對牛的身體構造了如指掌，做到了“目無全?！?，解牛時游刃有余。對5G-A的理解的歷程亦是如此。