现代智能汽车中的无线技术10——蜂窝移动通信技术（9）

5G-Advanced (5.5G) ------ 通向未来的桥梁

1 3GPP R18/R19 标准解读

从 Release 18 (R18) 开始，3GPP 正式进入了 5G-Advanced (5.5G) 的新时代。如果说 R15-R17 是在搭建 5G 的房子，那么 R18 和 R19 就是在给房子装上"人工智能大脑"和"雷达感知能力"，并为未来的 6G 铺路。

一、 R18：5G-Advanced 的开篇 (2024年冻结) R18 是 5G 下半场的第一个版本，它的核心任务是**"智能化"和"精细化"**。 1. AI/ML 进入空口 (Artificial Intelligence) 这是 R18 最具标志性的特性。

以前：基站调整波束、反馈信道质量，靠的是固定的数学算法。
R18：允许利用 AI/机器学习模型来优化这些物理层过程。
例如：用 AI 预测你下一秒会走到哪里，提前把波束打过去（波束管理）。
例如：用 AI 压缩信道反馈数据（CSI 压缩），节省空口资源。

eRedCap (增强版 RedCap)

背景： R17 的 RedCap 性能对标 4G Cat.4，但对于某些只需要传几 KB 数据的传感器来说，还是太贵、太费电。
R18：进一步"砍一刀"。
带宽从 20MHz 缩减到 5MHz。
目标是替代 4G Cat.1 甚至部分 NB-IoT 市场。让 5G 模组成本逼近 4G。

XR 增强 (扩展现实)

痛点： VR/AR 流量忽大忽小（视频帧大，控制帧小），传统网络很难伺候。
R18：引入了应用感知。网络能识别出"哦，这是 XR 业务"，从而智能调整调度策略，优先保证那一帧关键画面的低时延，减少眩晕感。

UD (全双工) 的探索

尝试在同一个频率上同时进行发送和接收（子带全双工）。虽然很难，但能极大提升频谱效率。

二、 R19：通向 6G 的桥梁 (进行中，预计 2025 年冻结) R19 目前正在制定中，它的目光更长远，开始探索一些具有 6G 特征的黑科技。 1. Ambient IoT (无源物联网) ------ 最大的杀手锏这可能是 R19 最激动人心的方向。

概念：现在的物联网设备（如 NB-IoT）哪怕再省电也需要电池。
Ambient IoT：不需要电池！
它利用环境中的电磁波（基站发的信号）、光能或振动供电。
类似 RFID 标签，但能直接连上 5G 基站。
应用：以后每一个快递包裹、每一件衣服、每一盒牛奶上都可以贴一个几分钱的 5G 标签，实现真正的万物互联。

ISAC (通感一体化) 的早期研究

概念：通信 + 感知 (雷达)。
原理：既然 5G 基站一直在发波，这些波碰到物体会反射。为什么不利用这些反射波来探测物体呢？
应用：基站不仅能让你上网，还能充当"雷达"，探测路上的车流速度、探测空中的无人机，甚至探测独居老人的呼吸心跳（无接触监测）。

AI 的深入 (AI Phase 2)

R18 只是在物理层小试牛刀，R19 计划将 AI 引入到网络的更多层面，甚至实现网络自动化运维。

总结：R18 vs R19

特性	R18 (5.5G 第一版)	R19 (5.5G 第二版 / 6G 前奏)
状态	标准已基本完成	标准制定中
核心主题	AI 初探、性能极致优化	无源物联、通感融合
物联网	eRedCap (更便宜的芯片)	Ambient IoT (不要电池的标签)
新能力	AI 空口、XR 增强	感知 (雷达) 能力
历史地位	5G 的"中年升级"	6G 技术的"练兵场"

一句话概括： R18 让 5G 变得更聪明（AI）和更省钱（eRedCap）； R19 试图让 5G 拥有雷达（通感）和连接无电物体（Ambient IoT）的超能力。

2 RedCap（轻量化 5G）：可穿戴设备与监控的福音

运营商急需一套完整的"5G 原生"物联网方案，来彻底取代并淘汰 4G 网络。为了讲清楚这个替代关系，我们需要看懂物联网的**"金字塔"结构**：

一、物联网的"中间阶层"危机在 5G 初期，物联网市场呈现两极分化：

塔尖（高速）： 5G eMBB（速度 1Gbps+，模组成本 500+元）。用于无人驾驶、8K 直播。
塔底（低速）： NB-IoT（速度几 kbps，模组成本 10元）。用于抄表。
塔身（中速）：空缺！

然而，现实中 60% 的物联网设备（如智能手表、监控摄像头、物流追踪器、POS 机）需要的正是中速（几 Mbps 到几百 Mbps）。这块巨大的"塔身"市场目前完全被 4G Cat.1 和 4G Cat.4 占据。只要这块市场不切到 5G，运营商就永远不敢关闭 4G 网络。

二、 R17 RedCap：第一刀 (对标 Cat.4) R17 定义的第一代 RedCap，是为了把 5G 芯片做得**"稍微便宜点"**。

怎么砍的？

带宽：限制在 20 MHz（普通 5G 是 100 MHz）。
天线：从 4 收砍到 1 收或 2 收。
双工：支持半双工（HD-FDD），发的时候不能收，省掉双工器。

性能结果：

下行速率约 85 Mbps - 150 Mbps。
这个速度刚刚好，正好对应 4G Cat.4 的水平。

目标市场：

监控摄像头：需要传高清视频，NB-IoT 传不动，eMBB 太浪费。
高端可穿戴设备：如 Apple Watch。RedCap 比 eMBB 芯片小，发热低，续航久。

三、 R18 eRedCap：第二刀 (对标 Cat.1) 3GPP 发现，R17 砍得还不够狠。对于很多只需要传几 KB 数据的设备（如共享单车锁、中低端手环），R17 RedCap 的 20MHz 带宽和复杂的处理机制还是太贵了（成本可能要 60-80 元）。于是，R18 推出了 eRedCap (Enhanced RedCap)，或者叫 RedCap Phase 2。

怎么砍的？

带宽：进一步缩水到 5 MHz。
调制：最高只支持 64QAM 甚至 16QAM，降低对信噪比的要求。

性能结果：

下行速率约 10 Mbps 左右。
这个速度精准对标 4G Cat.1 (尤其是 Cat.1 bis)。

目标市场：

智能电网/工业传感器：数据量不大，但需要比 NB-IoT 更低的时延。
物流追踪/POS机：只要能扫码、定位就行。

四、为什么一定要用 5G 替代 4G？既然 4G Cat.1/Cat.4 用的好好的，芯片又便宜（Cat.1 模组已降至 20 元以下），为什么要折腾 RedCap？

频谱清退 (Refarming)：

4G 占用的也是黄金频段。运营商想把 4G 关了，把频谱拿来跑 5G（效率更高）。如果物联网设备还赖在 4G 上，4G 网就关不掉。

5G 原生优势：

RedCap 虽然速度慢了，但它依然是 5G。它支持 5G 网络切片（给专网用）、支持 5G 低时延架构、支持 5G 高精度定位。这些是 4G Cat.1 做不到的。

长寿命周期：

现在装一个电表可能要用 10 年。如果装 4G 的，可能 5 年后 4G 就退网了。装 5G RedCap 的，保质期更长。

总结

4G Cat.4 →被替代被替代 R17 RedCap (20MHz)
4G Cat.1 →被替代被替代 R18 eRedCap (5MHz)

通过这两刀，5G 终于构建了从塔尖 (eMBB) 到塔身 (RedCap/eRedCap) 再到塔底 (NB-IoT/无源物联) 的完整生态，为彻底终结 4G 时代做好了准备。

3 NTN（非地面网络）：手机直连卫星的实现原理

https://www.3gpp.org/technologies/ntn-overview

5G NTN (Non-Terrestrial Networks，非地面网络) 是 3GPP 在 R17 版本中引入的最具科幻色彩的技术。

它的目标是：把基站搬到天上（卫星），让你的普通 5G 手机不需要修改硬件（或者只需微调），就能直接连上卫星发短信甚至打电话。

这打破了过去几十年来"卫星电话必须有根长长的一米天线"的刻板印象。

一、架构原理：天上的基站怎么放？

手机直连卫星主要有两种架构模式，取决于卫星有多"聪明"。

透明转发模式 (Transparent Payload) ------ 主流方案

卫星的角色：就像一面空中的镜子（弯管）。
原理：
地面上的基站（gNodeB）把信号打给卫星。
卫星不做任何处理，只是把信号放大，反射给地面的手机。
手机其实还是连的地面基站，只是路径经过了太空折射。
优点：卫星造价低，技术成熟。

再生模式 (Regenerative Payload) ------ 终极方案

卫星的角色：飞行的基站。
原理：
基站的 DU (分布式单元) 直接装在卫星上。卫星具有边缘计算能力，可以在太空中解调、路由信号。
优点：卫星之间可以星间链路传输，甚至不需要地面站支持。

二、核心挑战与解决方案（R17 到底改了什么？）

普通 5G 协议是给地面设计的，直接用到太空中会失效。NTN 标准重点解决了以下三个物理难题：

解决"多普勒频移" (Doppler Shift)

问题：低轨卫星（LEO）以 7.6 km/s 的速度飞过头顶。这种极高的速度会导致无线电波频率发生剧烈变化（就像救护车呼啸而过的变调）。普通手机根本锁不住频。
NTN 解法：预补偿 (Pre-compensation)。
手机通过 GPS 知道自己的位置。
手机通过广播信息下载星历（卫星轨道数据），算出卫星的速度和位置。
关键动作：手机在发射信号前，主动把频率"歪"一点。这样加上多普勒效应的偏移后，卫星收到的频率刚好是正的。

解决"超长时延" (Propagation Delay)

问题： 5G 协议要求极快的回应。手机发一个数据包，如果在几毫秒内收不到基站的"收到(ACK)"，手机就会认为丢包重发。但信号去太空跑一圈至少要几十毫秒（LEO）甚至几百毫秒（GEO）。这会导致手机疯狂重发，通讯瘫痪。
NTN 解法：修改时序 (Timing Advance)。
协议允许手机根据卫星的高度，计算出这个巨大的时延，并在发信号时提前很久发，或者把等待 ACK 的计时器大大延长（关掉 HARQ 重传机制或增加轮次）。

解决"信号微弱" (Link Budget)

问题：卫星离地几百公里，手机天线那么小，信号到地面已经微乎其微。
NTN 解法：降低速率 + 窄波束。
既然信号弱，那就发慢点（降低编码率，类似 RedCap 甚至 NB-IoT）。
卫星使用巨大的相控阵天线，打出极窄的波束（Spot Beam）盯着手机，提高增益。

三、 NTN 的两种形态：IoT-NTN vs NR-NTN

现在的"卫星通信"其实分两个流派：

IoT-NTN (窄带)：

代表：华为 Mate 60 (北斗/天通)、iPhone 14 (Globalstar)。注：它们虽使用私有或特定协议，但技术路线属于此类。
能力：只能发短信、位置信息，或者是极低码率的语音。
原理：基于 NB-IoT 修改，带宽极窄，抗干扰强。

NR-NTN (宽带)：

代表： Starlink V2 (Direct to Cell)、AST SpaceMobile。
能力：能上网、视频通话。
原理：基于 5G NR 修改。这对卫星天线的要求极高（卫星面积很大），通常需要低轨卫星群支持。

总结

5G NTN 的本质，是通过修改 5G 空口协议，让手机能够主动适应太空环境（计算多普勒、容忍长时延）。

它实现了通信的终极梦想：永不失联。无论你在沙漠、海洋还是飞机上，只要能看见天，就有 5G 信号。