0 引言

    第五代移動(dòng)通信（5G）以全新的移動(dòng)通信系統(tǒng)架構(gòu)，提供至少十倍于4G的峰值速率、毫秒級(jí)的傳輸時(shí)延和千億級(jí)的連接能力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能新的躍升。5G是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。5G將與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)深度融合，加速5G在各行各業(yè)的融合應(yīng)用，創(chuàng)新商業(yè)模式，促進(jìn)5G技術(shù)向經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域的擴(kuò)散滲透，拓展數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展新空間。

    3GPP Rel-15標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)是5G標(biāo)準(zhǔn)化工作的一個(gè)重要里程碑。5G NR具備獨(dú)立部署能力的同時(shí)，也帶來(lái)全新的端到端新型架構(gòu)，賦能企業(yè)級(jí)客戶(hù)和垂直行業(yè)的智慧化發(fā)展，為運(yùn)營(yíng)商和產(chǎn)業(yè)合作伙伴帶來(lái)全新商業(yè)模式。本文基于5G典型應(yīng)用場(chǎng)景，分析了5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)，并就未來(lái)商業(yè)模式發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 5G典型應(yīng)用場(chǎng)景

    5G主要有三大應(yīng)用場(chǎng)景包括：eMBB(增強(qiáng)移動(dòng)寬帶)、uRLLC(低時(shí)延高可靠)、mMTC(海量大連接)。eMBB將為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供前所未有的極致體驗(yàn)，主要滿(mǎn)足超高清視頻、下一代社交網(wǎng)絡(luò)、浸入式游戲、全息視頻等移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，隨時(shí)隨地(包括小區(qū)邊緣、高速移動(dòng)等惡劣環(huán)境和局部熱點(diǎn)地區(qū))為用戶(hù)提供無(wú)縫的高速業(yè)務(wù)。uRLLC和mMTC將滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)和垂直行業(yè)的多樣化應(yīng)用需求。其中，uRLLC面向車(chē)聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、遠(yuǎn)程手術(shù)等對(duì)時(shí)延和可靠性具有極高要求的垂直行業(yè)，為用戶(hù)提供毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證。而mMTC主要面向智慧城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)、森林防火等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場(chǎng)景，具有小數(shù)據(jù)包、低功耗、海量連接等特點(diǎn)。

2 5G關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)(Massive MIMO)^[1-2]

    大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)是在基站收發(fā)信機(jī)上使用大數(shù)量陣列天線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了更大的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)流量和連接可靠性，如圖1所示。相比于以往單/雙極化天線(xiàn)和4/8通道天線(xiàn)，大規(guī)模天線(xiàn)技術(shù)能夠通過(guò)不同的維度(空域、時(shí)域、頻域、極化域等)提升頻譜和能量的利用效率。5G基站天線(xiàn)數(shù)端口數(shù)將有大幅度增長(zhǎng)，并可以通過(guò)多用戶(hù)MIMO技術(shù)，支持更多用戶(hù)的空間復(fù)用傳輸，大幅提升5G系統(tǒng)頻譜效率，用于在用戶(hù)密集的高容量場(chǎng)景提升用戶(hù)體驗(yàn)。大規(guī)模多天線(xiàn)系統(tǒng)還可以控制每一個(gè)天線(xiàn)通道信號(hào)的相位和幅度，從而產(chǎn)生具有指向性的波束，以增強(qiáng)波束方向的信號(hào)，補(bǔ)償無(wú)線(xiàn)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(wù)化架構(gòu)（Service-Based Architecture，SBA）

    未來(lái)5G的不同服務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)存在多樣化和定制化的要求，例如：智能家居、智能電網(wǎng)、智能農(nóng)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(jù)包的服務(wù)支撐，自動(dòng)駕駛和工業(yè)控制要求毫秒級(jí)時(shí)延和趨于100%的高可靠性，而娛樂(lè)信息服務(wù)則要求固定或移動(dòng)寬帶連接。上述服務(wù)需求表明，5G核心網(wǎng)架構(gòu)需要支持控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離、網(wǎng)絡(luò)功能模塊化設(shè)計(jì)、接口服務(wù)化和IT化、增強(qiáng)的能力開(kāi)放等新特性，以滿(mǎn)足5G網(wǎng)絡(luò)靈活、高效、開(kāi)放的發(fā)展趨勢(shì)。5G服務(wù)化系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

    面向業(yè)務(wù)的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)側(cè)的控制面功能進(jìn)行融合和統(tǒng)一，并分解成為多個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行靈活的組合。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和其他服務(wù)在業(yè)務(wù)功能上解耦，并且對(duì)外提供統(tǒng)一類(lèi)型的服務(wù)化接口，向其他調(diào)用者提供服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)全方位能力開(kāi)放。

2.3 邊緣計(jì)算（Edge Computing，EC）

    邊緣計(jì)算是在靠近人、物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的開(kāi)放平臺(tái)，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿(mǎn)足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。在3GPP R15中，基于服務(wù)化架構(gòu)，5G協(xié)議模塊可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活調(diào)用，為構(gòu)建邊緣網(wǎng)絡(luò)提供了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從而使得MEC可以按需、分場(chǎng)景靈活部署在無(wú)線(xiàn)接入云、邊緣云或者匯聚云，從而一定程度解決了5G eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）、uRLLC(關(guān)鍵任務(wù))、mMTC(海量連接)等技術(shù)場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求。同時(shí)MEC通過(guò)充分挖掘網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和信息，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上下文信息的感知和分析，并開(kāi)放給第三方業(yè)務(wù)應(yīng)用，有效提升了網(wǎng)絡(luò)的智能化水平，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的深度融合。5G邊緣計(jì)算架構(gòu)圖如圖3所示。

2.4 網(wǎng)絡(luò)切片（Network Slicing，NS）^[3-4]

    網(wǎng)絡(luò)切片將在5G的實(shí)施中發(fā)揮關(guān)鍵作用，該技術(shù)允許運(yùn)營(yíng)商在單一的物理基礎(chǔ)設(shè)施之上運(yùn)行多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)切片是面向特定的業(yè)務(wù)需求，滿(mǎn)足差異化SLA(Service Level Agreement)，自動(dòng)化按需構(gòu)建相互隔離的網(wǎng)絡(luò)實(shí)例。5G網(wǎng)絡(luò)切片具備了“端到端網(wǎng)絡(luò)保障SLA、業(yè)務(wù)隔離、網(wǎng)絡(luò)功能按需定制、自動(dòng)化”的典型特征。3GPP定義的網(wǎng)絡(luò)切片管理功能包括通信業(yè)務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)切片管理、網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理。其中，通信業(yè)務(wù)管理功能實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)需求到網(wǎng)絡(luò)切片需求的映射；網(wǎng)絡(luò)切片管理功能實(shí)現(xiàn)切片的編排管理，并將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片的SLA分解為不同切片子網(wǎng)（如核心網(wǎng)切片子網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)切片子網(wǎng)和承載網(wǎng)切片子網(wǎng)）的SLA；網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理功能實(shí)現(xiàn)將SLA映射為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實(shí)例和配置要求，并將指令下達(dá)給MANO，通過(guò)MANO進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源編排，對(duì)于承載網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度將通過(guò)與承載網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的協(xié)同來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    5G網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)于垂直行業(yè)典型場(chǎng)景如圖4所示。

3 5G垂直行業(yè)應(yīng)用

    5G對(duì)垂直行業(yè)的真正意義是通過(guò)前所未有的連接能力支撐不同行業(yè)用戶(hù)生產(chǎn)、銷(xiāo)售、運(yùn)營(yíng)、商業(yè)模式的數(shù)字化變革，并最終給行業(yè)機(jī)構(gòu)和消費(fèi)者用戶(hù)帶來(lái)更多的收益和體驗(yàn)。在5G應(yīng)用的初期階段，將主要延續(xù)4G的業(yè)務(wù)發(fā)展路線(xiàn)，提升下載速度和系統(tǒng)容量的需求，例如：賽事/大型活動(dòng)、教學(xué)培訓(xùn)、視頻監(jiān)控等應(yīng)用將催生更大數(shù)據(jù)流量的使用，進(jìn)一步促進(jìn)高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等業(yè)務(wù)的發(fā)展。在5G應(yīng)用的成熟階段，行業(yè)關(guān)注點(diǎn)將轉(zhuǎn)向低時(shí)延、高可靠的網(wǎng)絡(luò)特性，網(wǎng)聯(lián)智能汽車(chē)、智能制造和產(chǎn)業(yè)園區(qū)等高價(jià)值應(yīng)用將助力運(yùn)營(yíng)商通過(guò)開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)能力，打造差異化的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)移動(dòng)通信行業(yè)與其他垂直行業(yè)合作探索新領(lǐng)域。

3.1 增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶場(chǎng)景業(yè)務(wù)應(yīng)用

    增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶將是5G網(wǎng)絡(luò)最早實(shí)現(xiàn)商用的場(chǎng)景，同時(shí)也是最為核心的場(chǎng)景，它將滿(mǎn)足個(gè)人用戶(hù)對(duì)高數(shù)據(jù)速率、高移動(dòng)性的業(yè)務(wù)需求。如4K/8K超高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等新業(yè)務(wù)將廣泛應(yīng)用于賽事/大型活動(dòng)、教學(xué)培訓(xùn)、智慧旅游和視頻監(jiān)控等領(lǐng)域，成為5G的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)應(yīng)用。4K/8K、VR/AR等新業(yè)務(wù)必須解決兩大網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題：(1)Gb/s以上的無(wú)線(xiàn)傳輸速率；(2)毫秒級(jí)的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延。目前，5G網(wǎng)絡(luò)在高帶寬、低時(shí)延方面已經(jīng)達(dá)到或部分超越了4K/8K、VR/AR等新業(yè)務(wù)對(duì)于實(shí)時(shí)傳輸速率的要求，未來(lái)在任何一個(gè)有5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的場(chǎng)所，可以不受地域限制地享受移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)帶來(lái)的極致體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的典型場(chǎng)景如虛擬游戲、現(xiàn)場(chǎng)體育賽事轉(zhuǎn)播、遠(yuǎn)程展示、遠(yuǎn)程設(shè)備控制等；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的典型場(chǎng)景如智能導(dǎo)航、導(dǎo)游、教育培訓(xùn)等。

    增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶場(chǎng)景下業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的要求如表1所示。

3.2 低時(shí)延高可靠場(chǎng)景業(yè)務(wù)應(yīng)用

    5G不是簡(jiǎn)單的通信網(wǎng)絡(luò)升級(jí)換代，低時(shí)延高可靠是5G區(qū)別于2G/3G/4G的一個(gè)典型場(chǎng)景，也是移動(dòng)通信行業(yè)切入垂直行業(yè)的一個(gè)重要突破口，成為多產(chǎn)業(yè)融合的信息化革命重要推手。自2015年以來(lái)，國(guó)務(wù)院先后出臺(tái)了《中國(guó)制造2025》、《國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》、《深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》等一系列指導(dǎo)性文件，旨在推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與垂直行業(yè)融合創(chuàng)新，形成多重優(yōu)勢(shì)疊加，促進(jìn)實(shí)體經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)。垂直行業(yè)與信息通信結(jié)合，將產(chǎn)生更廣闊的市場(chǎng)空間。5G定義的超高可靠、低時(shí)延的特性，將突破原有移動(dòng)通信的行業(yè)局限，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)聯(lián)智能汽車(chē)、智能制造、智慧電力、無(wú)線(xiàn)醫(yī)療等更多領(lǐng)域，不同業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性和低時(shí)延也有著不同的要求。低時(shí)延高可靠場(chǎng)景下業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的要求如表2所示。

3.3 低功耗大連接場(chǎng)景業(yè)務(wù)應(yīng)用

    低功耗大連接是5G三大應(yīng)用場(chǎng)景中面向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的場(chǎng)景，對(duì)網(wǎng)絡(luò)感知實(shí)時(shí)性要求低，但對(duì)終端密集程度要求高。延續(xù)現(xiàn)有的NB-IoT/eMTC物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，以傳感資產(chǎn)標(biāo)識(shí)類(lèi)信息、狀態(tài)開(kāi)關(guān)類(lèi)信息以及數(shù)字傳感類(lèi)終端不斷發(fā)展，未來(lái)還將承載更密集海量機(jī)器類(lèi)通信。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將會(huì)滲透到人們的居住、工作、休閑、交通等各個(gè)領(lǐng)域，典型應(yīng)用場(chǎng)景包括基于園區(qū)的智慧安防、資產(chǎn)/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(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域。

    面向未來(lái)低功耗大連接場(chǎng)景下海量機(jī)器類(lèi)終端和繁雜碎片化的應(yīng)用，NB-IoT/eMTC等現(xiàn)有版本物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已無(wú)法完全滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)的需求。如基于市政管理、環(huán)境管理等城市聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，需要支持超100萬(wàn)/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(chǎn)/人員管理、樓宇管理等業(yè)務(wù)，某些業(yè)務(wù)對(duì)上行傳輸速率要求達(dá)到1 Mb/s，同時(shí)要求網(wǎng)絡(luò)為不同類(lèi)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(jiàn)，只有依靠5G網(wǎng)絡(luò)才能應(yīng)對(duì)如此龐大的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

    低功耗大連接場(chǎng)景下業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)要求如表3所示。

4 5G商用進(jìn)程與發(fā)展現(xiàn)狀^[5]

    各國(guó)政府和主要運(yùn)營(yíng)商在5G標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)、技術(shù)研發(fā)和業(yè)務(wù)部署等方面積極推動(dòng)，旨在通過(guò)5G實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與垂直行業(yè)融合創(chuàng)新，達(dá)到促進(jìn)實(shí)體經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的目標(biāo)。

    美國(guó)運(yùn)營(yíng)商競(jìng)相布局5G商用網(wǎng)絡(luò)，Verizon 2018年H2將在5個(gè)城市商用5G，并計(jì)劃在2019年將其5G網(wǎng)絡(luò)升級(jí)至兼容3GPP 5G標(biāo)準(zhǔn)。AT&T 2018年底將在12個(gè)城市推出5G商用服務(wù)，Sprint 2019年H1將在9個(gè)城市商用5G，T-Mobile US計(jì)劃2019～2020年間在30個(gè)城市推出5G商用服務(wù)。

    2018年6月，韓國(guó)完成5G頻譜拍賣(mài)（包括3.5 GHz頻段與28 GHz頻段），隨著5G設(shè)備供應(yīng)商的選定，韓國(guó)三大運(yùn)營(yíng)商將會(huì)在2019年初大規(guī)模建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)，并提供5G商用服務(wù)。

    2013年，中國(guó)IMT-2020(5G)推進(jìn)組成立，全面組織開(kāi)展5G的推進(jìn)工作，特別是在技術(shù)創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)、產(chǎn)業(yè)協(xié)作和國(guó)際合作方面發(fā)揮重要作用。隨著5G標(biāo)準(zhǔn)逐步完善，推進(jìn)組工作也進(jìn)一步轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化和業(yè)務(wù)應(yīng)用的推進(jìn)。通過(guò)電信運(yùn)營(yíng)商、互聯(lián)網(wǎng)公司，以及系統(tǒng)設(shè)備商、終端制造商組成的產(chǎn)業(yè)圈，各方通力合作，進(jìn)行5G全方位生態(tài)建設(shè)，打造5G業(yè)務(wù)落地的示范效應(yīng)，提升其他垂直領(lǐng)域?qū)?G的信心，從而推動(dòng)5G生態(tài)圈不斷壯大。

5 結(jié)論

    5G技術(shù)從開(kāi)始階段即引入新一代空中接口和全面云化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)理念，通過(guò)在統(tǒng)一的底層物理設(shè)施基礎(chǔ)上按需組合封裝出不同的網(wǎng)絡(luò)切片，各類(lèi)行業(yè)應(yīng)用可通過(guò)定制和租賃運(yùn)營(yíng)商的切片網(wǎng)絡(luò)，滿(mǎn)足未來(lái)市場(chǎng)需求的多樣化和不確定性。

    各種創(chuàng)新技術(shù)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(shì)，5G作為通信基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，將成為兌付“一張網(wǎng)絡(luò)使能多個(gè)行業(yè)”目標(biāo)的最佳使能平臺(tái)，5G快速、可靠、大連接的通信能力，也必將使運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的半徑延伸覆蓋到各行各業(yè)中。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

朱雪田，夏  旭，齊  飛

（中國(guó)電信股份有限公司北京研究院 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與規(guī)劃部，北京102209）