0 引言

    第五代移動通信（5G）以全新的移動通信系統(tǒng)架構，提供至少十倍于4G的峰值速率、毫秒級的傳輸時延和千億級的連接能力，實現(xiàn)網絡性能新的躍升。5G是數(shù)字經濟的關鍵基礎設施。5G將與云計算、大數(shù)據、人工智能等技術深度融合，加速5G在各行各業(yè)的融合應用，創(chuàng)新商業(yè)模式，促進5G技術向經濟社會各領域的擴散滲透，拓展數(shù)字經濟發(fā)展新空間。

    3GPP Rel-15標準凍結是5G標準化工作的一個重要里程碑。5G NR具備獨立部署能力的同時，也帶來全新的端到端新型架構，賦能企業(yè)級客戶和垂直行業(yè)的智慧化發(fā)展，為運營商和產業(yè)合作伙伴帶來全新商業(yè)模式。本文基于5G典型應用場景，分析了5G網絡關鍵技術，并就未來商業(yè)模式發(fā)展趨勢進行展望。

1 5G典型應用場景

    5G主要有三大應用場景包括：eMBB(增強移動寬帶)、uRLLC(低時延高可靠)、mMTC(海量大連接)。eMBB將為移動互聯(lián)網業(yè)務提供前所未有的極致體驗，主要滿足超高清視頻、下一代社交網絡、浸入式游戲、全息視頻等移動互聯(lián)網業(yè)務需求，隨時隨地(包括小區(qū)邊緣、高速移動等惡劣環(huán)境和局部熱點地區(qū))為用戶提供無縫的高速業(yè)務。uRLLC和mMTC將滿足物聯(lián)網和垂直行業(yè)的多樣化應用需求。其中，uRLLC面向車聯(lián)網、工業(yè)控制、遠程手術等對時延和可靠性具有極高要求的垂直行業(yè)，為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業(yè)務可靠性保證。而mMTC主要面向智慧城市、環(huán)境監(jiān)測、智慧農業(yè)、森林防火等以傳感和數(shù)據采集為目標的應用場景，具有小數(shù)據包、低功耗、海量連接等特點。

2 5G關鍵技術

2.1 大規(guī)模天線技術(Massive MIMO)^[1-2]

    大規(guī)模天線技術是在基站收發(fā)信機上使用大數(shù)量陣列天線，實現(xiàn)了更大的無線數(shù)據流量和連接可靠性，如圖1所示。相比于以往單/雙極化天線和4/8通道天線，大規(guī)模天線技術能夠通過不同的維度(空域、時域、頻域、極化域等)提升頻譜和能量的利用效率。5G基站天線數(shù)端口數(shù)將有大幅度增長，并可以通過多用戶MIMO技術，支持更多用戶的空間復用傳輸，大幅提升5G系統(tǒng)頻譜效率，用于在用戶密集的高容量場景提升用戶體驗。大規(guī)模多天線系統(tǒng)還可以控制每一個天線通道信號的相位和幅度，從而產生具有指向性的波束，以增強波束方向的信號，補償無線傳播損耗，獲得賦形增益，賦形增益則可用于提升小區(qū)覆蓋。

2.2 服務化架構（Service-Based Architecture，SBA）

    未來5G的不同服務對網絡存在多樣化和定制化的要求，例如：智能家居、智能電網、智能農業(yè)和智能秒表需要大量的額外連接和頻繁傳輸小型數(shù)據包的服務支撐，自動駕駛和工業(yè)控制要求毫秒級時延和趨于100%的高可靠性，而娛樂信息服務則要求固定或移動寬帶連接。上述服務需求表明，5G核心網架構需要支持控制與轉發(fā)分離、網絡功能模塊化設計、接口服務化和IT化、增強的能力開放等新特性，以滿足5G網絡靈活、高效、開放的發(fā)展趨勢。5G服務化系統(tǒng)架構如圖2所示。

    面向業(yè)務的5G網絡架構將現(xiàn)有網絡側的控制面功能進行融合和統(tǒng)一，并分解成為多個獨立的網絡服務，可以根據業(yè)務需求進行靈活的組合。每個網絡服務和其他服務在業(yè)務功能上解耦，并且對外提供統(tǒng)一類型的服務化接口，向其他調用者提供服務，從而實現(xiàn)全方位能力開放。

2.3 邊緣計算（Edge Computing，EC）

    邊緣計算是在靠近人、物或數(shù)據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務、數(shù)據優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。在3GPP R15中，基于服務化架構，5G協(xié)議模塊可以根據業(yè)務需求靈活調用，為構建邊緣網絡提供了技術標準，從而使得MEC可以按需、分場景靈活部署在無線接入云、邊緣云或者匯聚云，從而一定程度解決了5G eMBB（增強移動寬帶）、uRLLC(關鍵任務)、mMTC(海量連接)等技術場景的業(yè)務需求。同時MEC通過充分挖掘網絡數(shù)據和信息，實現(xiàn)網絡上下文信息的感知和分析，并開放給第三方業(yè)務應用，有效提升了網絡的智能化水平，促進網絡和業(yè)務的深度融合。5G邊緣計算架構圖如圖3所示。

2.4 網絡切片（Network Slicing，NS）^[3-4]

    網絡切片將在5G的實施中發(fā)揮關鍵作用，該技術允許運營商在單一的物理基礎設施之上運行多個虛擬網絡。5G網絡切片是面向特定的業(yè)務需求，滿足差異化SLA(Service Level Agreement)，自動化按需構建相互隔離的網絡實例。5G網絡切片具備了“端到端網絡保障SLA、業(yè)務隔離、網絡功能按需定制、自動化”的典型特征。3GPP定義的網絡切片管理功能包括通信業(yè)務管理、網絡切片管理、網絡切片子網管理。其中，通信業(yè)務管理功能實現(xiàn)業(yè)務需求到網絡切片需求的映射；網絡切片管理功能實現(xiàn)切片的編排管理，并將整個網絡切片的SLA分解為不同切片子網（如核心網切片子網、無線網切片子網和承載網切片子網）的SLA；網絡切片子網管理功能實現(xiàn)將SLA映射為網絡服務實例和配置要求，并將指令下達給MANO，通過MANO進行網絡資源編排，對于承載網絡的資源調度將通過與承載網絡管理系統(tǒng)的協(xié)同來實現(xiàn)。

    5G網絡切片服務于垂直行業(yè)典型場景如圖4所示。

3 5G垂直行業(yè)應用

    5G對垂直行業(yè)的真正意義是通過前所未有的連接能力支撐不同行業(yè)用戶生產、銷售、運營、商業(yè)模式的數(shù)字化變革，并最終給行業(yè)機構和消費者用戶帶來更多的收益和體驗。在5G應用的初期階段，將主要延續(xù)4G的業(yè)務發(fā)展路線，提升下載速度和系統(tǒng)容量的需求，例如：賽事/大型活動、教學培訓、視頻監(jiān)控等應用將催生更大數(shù)據流量的使用，進一步促進高清視頻、虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）等業(yè)務的發(fā)展。在5G應用的成熟階段，行業(yè)關注點將轉向低時延、高可靠的網絡特性，網聯(lián)智能汽車、智能制造和產業(yè)園區(qū)等高價值應用將助力運營商通過開放網絡能力，打造差異化的網絡優(yōu)勢，推動移動通信行業(yè)與其他垂直行業(yè)合作探索新領域。

3.1 增強型移動寬帶場景業(yè)務應用

    增強型移動寬帶將是5G網絡最早實現(xiàn)商用的場景，同時也是最為核心的場景，它將滿足個人用戶對高數(shù)據速率、高移動性的業(yè)務需求。如4K/8K超高清視頻、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實等新業(yè)務將廣泛應用于賽事/大型活動、教學培訓、智慧旅游和視頻監(jiān)控等領域，成為5G的基礎業(yè)務應用。4K/8K、VR/AR等新業(yè)務必須解決兩大網絡問題：(1)Gb/s以上的無線傳輸速率；(2)毫秒級的網絡傳輸時延。目前，5G網絡在高帶寬、低時延方面已經達到或部分超越了4K/8K、VR/AR等新業(yè)務對于實時傳輸速率的要求，未來在任何一個有5G網絡覆蓋的場所，可以不受地域限制地享受移動寬帶業(yè)務帶來的極致體驗。虛擬現(xiàn)實應用的典型場景如虛擬游戲、現(xiàn)場體育賽事轉播、遠程展示、遠程設備控制等；增強現(xiàn)實應用的典型場景如智能導航、導游、教育培訓等。

    增強型移動寬帶場景下業(yè)務對網絡指標的要求如表1所示。

3.2 低時延高可靠場景業(yè)務應用

    5G不是簡單的通信網絡升級換代，低時延高可靠是5G區(qū)別于2G/3G/4G的一個典型場景，也是移動通信行業(yè)切入垂直行業(yè)的一個重要突破口，成為多產業(yè)融合的信息化革命重要推手。自2015年以來，國務院先后出臺了《中國制造2025》、《國務院關于積極推進“互聯(lián)網+”行動的指導意見》、《深化“互聯(lián)網+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網的指導意見》等一系列指導性文件，旨在推動互聯(lián)網與垂直行業(yè)融合創(chuàng)新，形成多重優(yōu)勢疊加，促進實體經濟轉型升級。垂直行業(yè)與信息通信結合，將產生更廣闊的市場空間。5G定義的超高可靠、低時延的特性，將突破原有移動通信的行業(yè)局限，廣泛應用于網聯(lián)智能汽車、智能制造、智慧電力、無線醫(yī)療等更多領域，不同業(yè)務對網絡可靠性和低時延也有著不同的要求。低時延高可靠場景下業(yè)務對網絡指標的要求如表2所示。

3.3 低功耗大連接場景業(yè)務應用

    低功耗大連接是5G三大應用場景中面向物聯(lián)網業(yè)務的場景，對網絡感知實時性要求低，但對終端密集程度要求高。延續(xù)現(xiàn)有的NB-IoT/eMTC物聯(lián)網云平臺，以傳感資產標識類信息、狀態(tài)開關類信息以及數(shù)字傳感類終端不斷發(fā)展，未來還將承載更密集海量機器類通信。物聯(lián)網應用將會滲透到人們的居住、工作、休閑、交通等各個領域，典型應用場景包括基于園區(qū)的智慧安防、資產/人員管理、樓宇管理等，以及基于城市的市政管理、環(huán)境管理、物流、農業(yè)等眾多領域。

    面向未來低功耗大連接場景下海量機器類終端和繁雜碎片化的應用，NB-IoT/eMTC等現(xiàn)有版本物聯(lián)網技術已無法完全滿足網絡的需求。如基于市政管理、環(huán)境管理等城市聯(lián)網節(jié)點，需要支持超100萬/km2的連接密度，終端具備超低能耗效率、超高安全性能及超低成本要求；基于園區(qū)的智慧安防、資產/人員管理、樓宇管理等業(yè)務，某些業(yè)務對上行傳輸速率要求達到1 Mb/s，同時要求網絡為不同類型的終端提供可自由通信的通信框架及管理的功能。由此可見，只有依靠5G網絡才能應對如此龐大的聯(lián)網系統(tǒng)。

    低功耗大連接場景下業(yè)務網絡指標要求如表3所示。

4 5G商用進程與發(fā)展現(xiàn)狀^[5]

    各國政府和主要運營商在5G標準推進、技術研發(fā)和業(yè)務部署等方面積極推動，旨在通過5G實現(xiàn)互聯(lián)網與垂直行業(yè)融合創(chuàng)新，達到促進實體經濟轉型升級的目標。

    美國運營商競相布局5G商用網絡，Verizon 2018年H2將在5個城市商用5G，并計劃在2019年將其5G網絡升級至兼容3GPP 5G標準。AT&T 2018年底將在12個城市推出5G商用服務，Sprint 2019年H1將在9個城市商用5G，T-Mobile US計劃2019～2020年間在30個城市推出5G商用服務。

    2018年6月，韓國完成5G頻譜拍賣（包括3.5 GHz頻段與28 GHz頻段），隨著5G設備供應商的選定，韓國三大運營商將會在2019年初大規(guī)模建設5G網絡，并提供5G商用服務。

    2013年，中國IMT-2020(5G)推進組成立，全面組織開展5G的推進工作，特別是在技術創(chuàng)新、標準推進、產業(yè)協(xié)作和國際合作方面發(fā)揮重要作用。隨著5G標準逐步完善，推進組工作也進一步轉向產業(yè)化和業(yè)務應用的推進。通過電信運營商、互聯(lián)網公司，以及系統(tǒng)設備商、終端制造商組成的產業(yè)圈，各方通力合作，進行5G全方位生態(tài)建設，打造5G業(yè)務落地的示范效應，提升其他垂直領域對5G的信心，從而推動5G生態(tài)圈不斷壯大。

5 結論

    5G技術從開始階段即引入新一代空中接口和全面云化的網絡架構設計理念，通過在統(tǒng)一的底層物理設施基礎上按需組合封裝出不同的網絡切片，各類行業(yè)應用可通過定制和租賃運營商的切片網絡，滿足未來市場需求的多樣化和不確定性。

    各種創(chuàng)新技術的組合使用，使5G相比于其他通信方式在綜合能力上呈現(xiàn)出更突出的優(yōu)勢，5G作為通信基礎設施平臺，將成為兌付“一張網絡使能多個行業(yè)”目標的最佳使能平臺，5G快速、可靠、大連接的通信能力，也必將使運營商網絡的半徑延伸覆蓋到各行各業(yè)中。

參考文獻

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[5] IMT-2020(5G)推進組[OL].(2017-07-07)[2018-08-03].http：//www.imt-2020.org.cn/zh.

作者信息:

朱雪田，夏  旭，齊  飛

（中國電信股份有限公司北京研究院 網絡技術與規(guī)劃部，北京102209）