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一文深度揭秘3GPP:2G/3G/4G/Pre-5G标准化制定流程是这样的

当陈万士博士当选为新一届3GPP TSG RAN1主席的那一刻,没有人想到,这是中国人首次摘此殊荣。陈万士驻扎电信行业17年,自2006年加入高通,一直从事4G/5G技术相关的工作。9年前,他开始代表高通参与3GPP的活动,2013年,他当选3GPP RAN1副主席,今年8月,他又被票选为RAN1主席。

3GPP TSG RAN1,主要负责物理层空中接口(OTA)标准化,在5G标准制定中,这是第一项关键步骤,因此,主席职位的重要性可想而知。

然而,3GPP向来是个神秘的组织。3GPP如何制定标准?中间的流程是怎样的?5G标准进展如何?3GPP研究哪些课题?带着这些问题,我们最近在高通“揭秘3GPP”沙龙采访了陈万士和高通技术标准副总裁柯诗亚,进行了全干货的解读。

组织架构定义“端到端”

3GPP是The 3rd Generation Partnership Project(第三代合作伙伴计划)的简称,成立于1998年12月,由全球七大标准制定组织(SSO)合作形成——这七个标准制定组织分布世界各大州,包括日本无线工业及商贸联合会(ARIB)、中国通信标准化协会(CCSA)、美国电信行业解决方案联盟(ATIS)、日本电信技术委员会(TTC)、欧洲电信标准协会(ETSI)、印度电信标准开发协会(TSDSI)以及韩国电信技术协会(TTA),且目前有550多名成员公司,这些公司来自于40多个国家,包含网络运营商、终端制造商、芯片制造商、基础制造商以及学术界、研究机构、政府机构。

从3G、4G到目前的Pre-5G时代,成员数量一直不断在增加。尤其临近5G时代,越来越多的行业、企业、机构参与到3GPP的生态系统中。

至今,3GPP规范和研究,一直由成员公司、工作组和技术规范组共同推动。“这是一种非常重要的协作”,陈万士介绍,这样才能确保“标准”符合行业需求,保证厂商之间无缝互操作,保证移动通信的全球规模化。

3GPP定义端到端的系统规范,它的系统架构分为3个技术规范组(TSG)和内部16个工作组(WG)。3个技术规范组包括RAN(Radio Access Network,无线接入网络)、SA(SA, Service/System Aspects,业务与系统)、以及CT(Core Network & Terminals,核心网与终端)。

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直白点说,TSG的主要职能就是“告诉我们要做什么”,比如规定在某段时间需要做哪些功能、发布哪些规范;而WG的主要职能就是“怎么去做”,根据TSG的要求,把具体技术需要实现的东西做出来。

需要指出的是,每个技术规范组和工作组的主席和副主席都来自3GPP的成员公司,通过选举产生,必须客观中立,抛开任何一家公司的观点,只代表3GPP工作,选举每两年一次,最多可连任两届。他们的工作主要负责组内技术工作的整体管理和进度,也会根据个体成员提案管理会议日程,确保符合3GPP工作流程和政策。

可以说,3GPP对技术创新起着决定性的驱动作用。从2G、3G、4G到现在的Pre-5G,每一代通信技术之间的迭代基本上花费10年:上世纪90年代基本集中于数字语音的应用;本世纪初,3GPP着手推动移动数据演进;到了2010年左右,移动互联网开始成为主要的应用场景,人们可以上网、看视频、玩移动应用;从现在开始,5G正在如火如荼的进行当中,它涉及的范围更广,提供的业务也越多。目前,3GPP所做的项目涉及蜂窝电信网络技术,包括无线接入、核心传输网络和服务能力,包括编解码器、安全性、服务质量等工作,从而提供完整的系统规范。

对于一个标准化组织而言,手里能掌握多少有含量的技术规范,就能有多少话语权。据悉,3GPP至今从事蜂窝技术标准的制定已经超过18年,已经管理产生12个版本(Release)的标准,手握能够实现商业产品化的技术规范超过1200个,来自成员公司的技术提案已经有数十万项。

工作流程讲究team work

正如前文所说,3GPP的工作是一种协作式系统级工程,既讲究team work,又需要系统地看问题。如果说,只有一组做完而另外一组没做完,那么也没有任何意义。

3GPP的管理方式类似于其他复杂的系统级工程,例如设计喷气式飞机。大体上看,共分为五步:第一,早期研发,并向管理层提交项目提案;第二,将项目细分至对应的专业领域;第三,进行可行性研究,并根据需求探索不同的技术解决方案;第四,探索完成后可以制定工作计划并开发解决方案;第五,有了这些计划后,再进行具体规范的管理。

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从以上步骤可以进一步推出3GPP的具体流程。来自于3GPP成员公司的早期研发成果,会被提交到3GPP进入提案阶段,一旦获批,就进入可行性研究项目阶段,如果得出结论,就会形成技术报告,并进入开发工作项目阶段,然后才会形成技术规范,最后实现商用部署。商用,也是一个再完善的过程,有时,3GPP也会提出修改请求。

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项目提案阶段当中,成员公司的早期研发很重要,这是先决条件。提案一旦获TSG的批准,就会成为研究项目。一般而言,提案至少需要得到4位成员的支持。

可行性研究项目阶段当中,3GPP成员通过“提案”提出不同的解决方案和技术,接着提案在3GPP会议上进行公开讨论,这时,任何成员可在任何时候对一项提案提出反对(许多讨论在3GPP会议之外仍在持续),豪不夸张的说,最终呈现出来的3GPP技术报告和技术规范中,绝大部分概念是3GPP成员们在原始提案基础上做出改动的成果。

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第四个步骤到了“工作项目阶段”,与上一步“可行性研究项目阶段”类似,过程中同样充满讨论和迭代,区别在于上一步是技术范围,而这一步就细化到技术细节,包括复杂度分析、对标准的影响、对产品实现的影响等。即使商用部署了,必要时候3GPP还是需要根据修改请求不断修缮,譬如3GPP正在做Release 15,同时也会收到关于Release 14或Release 13的修改请求。

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技术演进贯穿始终

陈万士认为,3GPP提案的质量比数量要重要的多,因为不是所有的提案都具有同等的价值。3GPP技术决策和规范并非通过直接接受或反对个别提案的机制而建立,而是通过技术能力和协作来产生一个全球适用的标准。更何况,难以评估单一提案的影响力,很多提案主要集中在一个特性或者一项研究的某一部分,因此很难标准化。

他更有理由相信,技术提案按数量算不上一个科学的方法。因为蜂窝技术建立在以往移动通信技术的基础上不断演进;另有一种可能,提案的数量会受到主观因素的影响,成员公司可能通过向其驻3GPP代表提供奖励,以最大化提案数量,例如本来一个提案文稿就可以把事情说清楚,但如果有鼓励性措施的话,这个提案可能就会被分成三个;另外,数据库是为工程师建立的,并不适合进行宏观分析,容易出现不同诠释。

综上所述,3GPP更看重驱动技术演进的能力。尤其即将步入5G时代,3GPP重点关注怎样能更好地扩展整个移动生态系统,这也就意味着,需要从核心网、无线接入网络和用户设备这三个层面系统地推动端到端的发展。

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更进一步,5G拓展将重新定义行业,比如超高保真媒体、沉浸式娱乐、公共安全的提升、城市的基础设施可持续发展、工厂自动化、能源公共设施、远程医疗、以及如何使交通运输更加安全和自动化,这都是3GPP需要考虑的5G问题。

相较于3G发展早期,5G数据下载的速度增长已经超过650倍,数据流量增长也超过250倍。一定程度上,很难断定到底是需求推动了无线技术的发展,还是无线技术发展推动了数据的需求,两者更多的是相辅相成,且进一步演进,呈指数性上升趋势。

技术规范是最终成果

技术规范是3GPP工作完成的最终成果。截止2017年6月2日,共有超过1200个活跃的3GPP技术规范,技术规范的规则是这样的:

1、每个规范的制定都是基于数百个提交的提案;

2、每个提案都至少有一位报告人(编辑者和管理者),遵循工作组的指导;

3、特定的技术规范组负责在季度会议上对功能稳定的规范进行冻结;

4、下游制造商再利用技术规范进行产品开发。

5、每个技术规范都有一个五位数字的标识号,该识别号将规范分类至有意义的技术类别——前几位基本代表了它是3G、4G还是5G相关,中间几位代表它属于哪个层(比如物理层是211、212等等)。

6、每个技术规范都特别的详细,因此技术规范的文档会非常长,有的时候技术内容太多一个文档无法承载,甚至需要分成几个部分。

3GPP通过Release(版本)将最新的技术特性引入到蜂窝系统,保证技术在一定时期内能够满足市场需求。根据预期完成的时间,Release到了某个规定的时间点就会冻结,冻结后就不大可能再引入新的特性了,但是可以进行一些小修小补。通常,某一个时间段并非仅针对一个Release进行工作,因为之前完成的Release可能还需要进一步改正、完善和更新,同时未完成的Release需要继续完成,因此多个Release的不同阶段工作都是交错推进、并行展开的。 当前,3GPP正在推进的是Release 15。

跟主流操作系统的不同版本类似,全新特性通过不同3GPP Release(版本)引入,例如4G LTE在超过8个不同版本中持续演进(从Release 8到Release 15),而目前3GPP正在集中推进Release 15,会引入正在演进的5G技术。

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正是由于3GPP规范通过高度迭代的方式演进,所以要求构建在之前版本的基础之上保证后向兼容。例如,LTE Release 10用户设备可在LTE Release 8基站工作。反之,LTE Release 8用户设备也可在LTE Release 10基站工作。

标准化进程之路的一股力量

按照目前的标准化进程,3GPP正在驱动5G向前发展,各组织成员同行,其中不乏高通、华为、中兴的身影。

高通首当其冲。3GPP还未发布5G规范,而高通骁龙X50已经实现了第一个5G数据连接,高通首款5G智能手机参考设计也一同亮相,为的是指导OEM厂商明年开始研发相关设备。骁龙X50是业界首款5G新空口多模调制解调器,通过单芯片支持2G/3G/4G/5G多模功能,以及6GHz以下和多频段毫米波等不同频段。这款芯片从发布到具备5G数据连接能力,仅仅用了12个月的时间。业界也因此认为,这次演示将推动全新一代蜂窝技术向前发展。

柯诗亚说,除了众所周知的芯片业务,高通最根本的使命正是解决端到端的系统级设计问题。实际上,高通所做的技术工作一直以来都在通过3GPP推动业界关键移动蜂窝技术的发展。

譬如LAA技术,即许可辅助接入,是免许可频谱上的LTE技术。蜂窝移动通信技术现在已经能够达到千兆级LTE数据速率,这样的一个技术之所以能够实现,背后支撑的技术之一就是LAA。

柯诗亚介绍了LAA技术进入3GPP的故事。

大约2009年、2010年左右,高通就开始了关于LAA的基础性研究,首先要做的第一步是向3GPP提出一个基础概念,当时高通提出,将LTE引入至免许可频段。从首次概念提出的只有两家成员公司支持,到研究项目获得批准,总共花费了九个月。

柯诗亚说,在3GPP,不是说提交了一份概念提案,就等同巨大创新,这恰恰只是一个开始,而后漫长时间里,一方面要说服各方接受这个概念和想法,与此同时还要解决从来没有预想过的新问题。最终,所有问题都得到了解决,目前LAA这项技术已经在多个国家开展部署,且有多款支持这一功能的智能手机已经上市。

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柯诗亚另外介绍了目前相当热门的话题:物联网的连接技术NB-IoT(窄带物联网)的演进故事。

在NB-IoT之前,曾经存在着两个相互竞争的提案标准,一个是GERAM蜂窝IoT,另一个是NB-LTE(窄带LTE)。这两个提案的方向其实都一致的,但它们是两个不同的提案并且彼此竞争,各有其一套理论和支持者。当时业界就有人担心会出现标准的分裂,时至今日你还可以在网上找到2015年的一篇文章,文章认为整个行业因为这两个的不同标准将会被分裂。正是在这样的时间节点上,高通开始参与这项技术的发展。

高通提出了自己的提案,以融合两个标准避免出现分裂。这个提案取两者精华,将两种技术路线中最基本的优点提取出来进行融合,从而形成单一路线,高通把这个单一路线命名为NB-IoT,换句话说,NB-IoT的命名和概念来源于高通。高通当时一边撰写大量文件,一边寻求来自双方支持者的支持,协调各方做出适当让步,推动整个业界走向融合,让大家愿意为了实现统一标准而各自做出妥协。

最后的结果就是现在,业界普遍认可NB-IoT。但这对高通来说才是开始,它接下来进行了大量的工程工作,既有在无线空口方面的,也有在系统级架构方面的,并提交了大量的技术提案,当中的基础性观点最后被行业所接受,成为标准的一部分。“我认为提案是否被接受其实不重要,重要的是这些提案的内容得以流传,它们超越规范的范畴成为标准的一部分。作为这些提案的贡献者,高通展示了我们的领导力。而这些技术最终也在整个行业当中实现了部署。”柯诗亚认为。

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再提到5G,高通一方面推动3GPP的5G相关工作:在千兆级LTE、信道编码、独立子帧、毫米波移动化、大规模MIMO等5G关键技术上都有相应的研究和部署,并和众多行业企业、运营商联合进行5G试验和早期部署。

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在高通和众多合作伙伴的推动下,3GPP决定加速5G的标准化进程,将5G规范形成的时间表提前了6个月。接下来的2018年,3GPP即将启动的5G工作,包括5G NR(5G新空口)在免许可频谱运行、5G NR URLLC(高可靠低时延通信)、5G在车联网领域的应用即C-V2X、5G NR回程技术以及面向卫星系统的5G NR,而这将是一个开始,也给5G带来了更多可能。

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