5G應(yīng)用發(fā)展分析

胡建英

（湖北郵電規(guī)劃設(shè)計有限公司，湖北 武漢 430023）

1 5G特征

移動通信網(wǎng)絡(luò)從誕生之初到2020年有50年發(fā)展歷程，移動通信速率每10年上升千倍，1G至4G主要面向個人通信及簡單物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，5G則面向萬物互聯(lián)，真正實現(xiàn)泛在連接。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP定義了5G的三大場景：增強(qiáng)型移動寬帶（eMBB）、海量機(jī)器類通信（mMTC）、超可靠、低時延通信（URLLC）。其中，eMBB針對的是滿足高速接入業(yè)務(wù)的需求，也就是峰值速率、容量、頻譜效率、移動性，網(wǎng)絡(luò)能效相對4G得到了進(jìn)一步提升。mMTC針對的是滿足大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)接入需求，這個特性讓5G網(wǎng)絡(luò)可以容納極大數(shù)量的設(shè)備，尤其對于IoT場景來說至關(guān)重要。uRLLC，這個特性注重網(wǎng)絡(luò)的高可靠性和超低時延，對于有實時性要求的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)來說是必備的解決方案。

整體來看，相比4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)具有如下特征：（1）更高速率，相比4G技術(shù)，5G峰值速率增長數(shù)十倍，從4G的100 Mb/s提高至10～20 Gb/s，每個用戶至少100 Mb/s；（2）更多連接，物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)支持100萬連接/km2，比4G技術(shù)高10倍；（3）更低時延，5G的空口時延低至1 ms，比4G技術(shù)低10倍。

2 5G網(wǎng)絡(luò)能力

5G能實現(xiàn)20 Gb/s的峰值容量、100 Mb/s的用戶體驗速率、1 ms的端到端時延、高達(dá)100倍的網(wǎng)絡(luò)能耗效率提升以及每平方千米100萬連接數(shù)等。這些能力是5G網(wǎng)絡(luò)最基本的能力，是4G網(wǎng)絡(luò)在能力上的量的飛躍。而5G更大的能力是5G高容量云原生的特點所帶來的特色能力：萬物互聯(lián)、網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計算。

2.1 萬物互聯(lián)

目前，4G網(wǎng)絡(luò)也能實現(xiàn)部分領(lǐng)域的物連網(wǎng)，但4G網(wǎng)絡(luò)能力有限，5G高并發(fā)、低時延的特點才能支持萬物互聯(lián)。到5G網(wǎng)絡(luò)，有機(jī)構(gòu)測評每個人可能有15個以上類終端連接，包括穿戴品、家居使用物品等，同時城市大腦的神經(jīng)元可通過5G延伸至需要感觸的任何角落?？梢哉f，4G以前網(wǎng)絡(luò)是以人為中心的網(wǎng)絡(luò)，5G時代人物互聯(lián)、物物互聯(lián)會隨著傳感技術(shù)和智慧應(yīng)用的發(fā)展迅速壯大，實現(xiàn)真正的萬物互聯(lián)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片就是將一張物理網(wǎng)絡(luò)切割成多個虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，滿足不同客戶、不同業(yè)務(wù)同網(wǎng)絡(luò)承載需求，每個人、企業(yè)、業(yè)務(wù)都可獲得邏輯獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)資源，且各切片相互隔離，互不干擾。因此，當(dāng)某一個切片中產(chǎn)生錯誤或故障時，并不會影響其他切片。通俗來講，5G切片就是將5G網(wǎng)絡(luò)切出多張?zhí)摂M網(wǎng)絡(luò)，從而支持更多業(yè)務(wù)承載。

5G網(wǎng)絡(luò)要實現(xiàn)端到端的切片，需要實現(xiàn)對資源的智能化管控，需要引入NFV和SDN技術(shù)，NFV即網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化，SDN即軟件定義網(wǎng)絡(luò)，這兩項技術(shù)使得網(wǎng)絡(luò)切片得以實現(xiàn)。要想實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)切片，必須實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的軟化和可管可控，軟化NFV是先決條件，如5GC（5G核心網(wǎng)）就實現(xiàn)了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的軟硬件分離，軟件則由不同的功能單元實現(xiàn)，硬件由通用服務(wù)器統(tǒng)一承載，以滿足不同業(yè)務(wù)的需求。SDN是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可管可控和靈活調(diào)度的先決條件，NFV實現(xiàn)功能軟化，SDN實現(xiàn)軟化功能的靈活調(diào)度。也就是說，這兩項功能使得網(wǎng)絡(luò)資源能實現(xiàn)靈活重組，可以為多行業(yè)、多業(yè)務(wù)、多客戶提供端到端的虛擬專網(wǎng)，為行業(yè)、業(yè)務(wù)、客戶提供個性化服務(wù)。

5G應(yīng)用越來越豐富，為了滿足不同客戶的需求，運(yùn)營商存在靈活組裝不同網(wǎng)絡(luò)資源的訴求，網(wǎng)絡(luò)切片正好滿足了運(yùn)營商靈活配置不同帶寬、容量、延遲、吞吐量和連接密度等特性的需求。這不僅能加速服務(wù)提供的速度，而且可以降低成本，提升效益和客戶體驗。另外，網(wǎng)絡(luò)切片使得用戶使用網(wǎng)絡(luò)也可以獲得更快的業(yè)務(wù)上線、更優(yōu)的業(yè)務(wù)組合、更好的業(yè)務(wù)體驗以及更優(yōu)惠的網(wǎng)絡(luò)租賃費(fèi)用。

2.3 邊緣計算（MEC）

移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC），是5G網(wǎng)絡(luò)的特有網(wǎng)元。MEC是靠近數(shù)據(jù)源頭或客戶側(cè)的集計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用于一體的服務(wù)平臺，是云網(wǎng)融合的特色產(chǎn)物。

5G之所以引入MEC，是因為5G網(wǎng)絡(luò)要滿足高速率、高并發(fā)或低時延的業(yè)務(wù)，但5G網(wǎng)絡(luò)只解決了最靠近用戶的最后一段接入需求。如果加上核心網(wǎng)絡(luò)，就會降低時延等指標(biāo)，因此內(nèi)容、應(yīng)用、計算向離業(yè)務(wù)最近的地方遷移是必然趨勢。數(shù)據(jù)和核心網(wǎng)集中部署已不能滿足產(chǎn)業(yè)需求，需隨業(yè)務(wù)流向邊緣，MEC生逢其時，其云網(wǎng)融合的特性非常利于切入行業(yè)，可有力推動5G與行業(yè)融合。

傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的實現(xiàn)模式是將主要應(yīng)用程序下載到終端完成處理，因此對終端設(shè)備的要求比較高。有了MEC，就解決了上云賦能的問題，終端可以通過5G就近連到邊緣云計算平臺，依靠5G的傳輸能力和云端服務(wù)器的運(yùn)算能力，做到即插即用，實現(xiàn)真正的多屏合一，達(dá)到流暢的用戶體驗效果。

5G網(wǎng)絡(luò)大容量、高并發(fā)、低時延支持萬物互聯(lián)、網(wǎng)絡(luò)切片，結(jié)合邊緣計算能滿足未來網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)展需要。

3 5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用推進(jìn)

技術(shù)的關(guān)鍵能力往往決定著其應(yīng)用范圍。從5G的高連接速率、大容量、高密度和低時關(guān)鍵能力這些指標(biāo)可以預(yù)見5G使得萬物互聯(lián)將成為現(xiàn)實，智慧城市、智能家居、車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、虛擬現(xiàn)實（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）等應(yīng)用場景得到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境支持，給人們生活乃至各行業(yè)帶來影響，推進(jìn)業(yè)務(wù)升級。在國際電信聯(lián)盟（ITU）制定的5G標(biāo)準(zhǔn)（IMT-2020）中，即從5G的這3大關(guān)鍵性指標(biāo)為依據(jù)，劃分了5G未來的應(yīng)用場景——eMBB、mMTC、URLLC。

5G網(wǎng)絡(luò)建成后，5G會在大帶寬應(yīng)用上發(fā)展起來，eMBB即大帶寬應(yīng)用，這是4G MBB向5G eMBB自然演進(jìn)，比特成本更低，因此會首先在2C市場發(fā)展起來，預(yù)計應(yīng)用時間節(jié)點（2018—2021年），典型應(yīng)用場景高清視頻、VR/AR、云游戲以及車內(nèi)信息娛樂；在2C市場，也會有大帶寬需求場景，如無線視頻監(jiān)控等。熱點數(shù)字化是運(yùn)營商首要的變現(xiàn)區(qū)域，同時室內(nèi)位置服務(wù)會變成5G室內(nèi)數(shù)字化基礎(chǔ)服務(wù)。

5G發(fā)展中后期，5G技術(shù)逐步成熟，產(chǎn)業(yè)鏈逐步建立，人物互聯(lián)、物物交互更加頻繁，通過uRLLC與mMTC兩大特性賦能各個垂直行業(yè)，如工業(yè)控制、自動駕駛以及社會治理等。5G成為泛在網(wǎng)絡(luò)接入的首選，典型應(yīng)用如自動駕駛、聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)以及工業(yè)柔性制造等。

4 5G應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展

一些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是直接以5G網(wǎng)絡(luò)新特性為前提的，或者說與5G網(wǎng)絡(luò)特性緊密相關(guān)，如高清直播、云游戲以及無線監(jiān)控等移動高帶寬產(chǎn)業(yè)。但車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)制造、更精細(xì)的社會治理，需要與大數(shù)據(jù)、人工智能以及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)相互促進(jìn)發(fā)展。產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與技術(shù)的發(fā)展是同步的，或者說技術(shù)發(fā)展推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，反過來產(chǎn)業(yè)發(fā)展又會進(jìn)一步推動技術(shù)完善。因此，5G相關(guān)技術(shù)發(fā)展對5G應(yīng)用推進(jìn)關(guān)系也非常密切，如AI、IoT甚至節(jié)能技術(shù)都會對5G的規(guī)模應(yīng)用帶來很大的影響。目前，云計算技術(shù)發(fā)展相對已經(jīng)成熟，因此基于大帶寬的應(yīng)用，尤其是需要將計算、存儲能力靠近邊緣的媒體類應(yīng)用應(yīng)先發(fā)展起來。隨著NFV和SDN技術(shù)的成熟，基于切片的專網(wǎng)應(yīng)用、5G精細(xì)管道將會加大應(yīng)用范圍，最后隨著IoT、AI、數(shù)字孿生、高精制造以及遙測遙感等技術(shù)的發(fā)展，未來基于萬物互聯(lián)和智慧城市相關(guān)的應(yīng)用會更加豐富[1]。

以無人駕駛為例，目前提到5G應(yīng)用，人們暢想最多的是無人駕駛，但5G的問世只是為無人駕駛進(jìn)行快速的通信提供了保證，無人駕駛還需要大數(shù)據(jù)、AI以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的綜合應(yīng)用才能保障安全性。目前，國內(nèi)外在無人駕駛的實現(xiàn)路徑上更多關(guān)注將5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在車上，重點在于用5G網(wǎng)絡(luò)提升車的智能性。而無人駕駛其實是車車、車路、車物、車及后臺的相互交互，因此需要提升路的智能性。有人提出建設(shè)“智慧的路”“強(qiáng)大的云”和“智能的車”，三者結(jié)合才能實現(xiàn)真正的無人駕駛。

5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要與其他產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展，也需要結(jié)合其他技術(shù)發(fā)展。具體來講，具有超級連接能力的5G網(wǎng)絡(luò)，需要與數(shù)字化驅(qū)動技術(shù)、實時大數(shù)據(jù)、云技術(shù)以及人工智能等技術(shù)融為一體，才能帶來5G產(chǎn)業(yè)的革命性變化。

5 5G應(yīng)用領(lǐng)域

5G的高帶寬、高并發(fā)和低時延特性，決定了其在以下領(lǐng)域會形成規(guī)模應(yīng)用。

5.1 高帶寬個人娛樂

5G高帶寬接入，結(jié)合MCE及CDN下沉，以下高帶寬業(yè)務(wù)會在5G發(fā)展初期得到規(guī)模應(yīng)用。

5.1.1 超高清視頻

4G階段已能實現(xiàn)高清視頻的體驗效果，超高清視頻的畫面分辨率定義在4K及以上，4K、8K超高清視頻的畫面分辨率分別是高清視頻的4倍和16倍。按照H.265 標(biāo)準(zhǔn)（350～1 000壓縮比），4K視頻傳輸?shù)膫鬏斔俾手辽贋?2～40 Mb/s，8K視頻傳輸?shù)膫鬏斔俾手辽贋?8～160 Mb/s?，F(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)很難滿足4K/8K的傳輸需求，只有5G網(wǎng)絡(luò)能有效滿足4K的視頻傳輸需求，并支持8K視頻傳輸需求。目前，超高清視頻與5G技術(shù)結(jié)合的場景已得到驗證和應(yīng)用，如2019年軍運(yùn)會前夕，5G+4K+VR直播長江燈光秀就是典型應(yīng)用，5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模建成后可以預(yù)見到將廣泛應(yīng)用于大型賽事/活動/事件直播、視頻監(jiān)控、商業(yè)性遠(yuǎn)程現(xiàn)場實時展示等領(lǐng)域[2]。

5.1.2 VR/AR

目前，4G網(wǎng)絡(luò)能滿足部分VR/AR的需求，但發(fā)展緩慢，最后VR/AR基本為本地應(yīng)用。為了追求更好的效果，VR/AR遠(yuǎn)程接入應(yīng)用需要網(wǎng)絡(luò)的速率從兆比特逐步提高到千兆比特，時延從數(shù)十毫秒級別降低至毫秒級別以下。這個網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)只有在5G階段能充分滿足5G超寬帶高速傳輸能力和超低時延能力，可以提高VR/AR渲染效果，增強(qiáng)互動體驗。受到資費(fèi)、使用方便性等因素的影響，未來云端VR/AR有望成為5G的典型應(yīng)用。預(yù)計未來依托5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的云端VA/AR會在文化宣傳、社交娛樂以及教育科普等行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

5.1.3 5G游戲

5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時延，被認(rèn)為將顛覆傳統(tǒng)游戲行業(yè)，會出現(xiàn)大量的云端游戲。手游、PC游戲、主機(jī)游戲等游戲有望在5G時代被云端化。將來游戲放在云端平臺處理好，玩家無需購買昂貴的高性能設(shè)備就可以體驗一些大型重度游戲。5G游戲有可能會是5G網(wǎng)絡(luò)流量拉動的主力軍。

5.2 聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)

聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)需要網(wǎng)絡(luò)提供遠(yuǎn)程控制、高清圖像傳輸、狀態(tài)監(jiān)控、精準(zhǔn)定位及安全等能力，對速率、時延、定位和覆蓋都提出了非常高的要求，而5G網(wǎng)絡(luò)將賦予無人機(jī)超高清圖像視頻傳輸（50～150 Mb/s）、低時延控制（10～20 ms）、遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)協(xié)作和自主飛行（100 kb/s，500 ms）等重要能力，可以實現(xiàn)對聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)設(shè)備的監(jiān)視管理、航線規(guī)范、效率提升。聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)可應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施巡檢、農(nóng)業(yè)種植、物流、監(jiān)控和救援等領(lǐng)域。

5.3 智慧城市

感知、傳輸、存儲、計算是智慧城市建設(shè)必備的四大能力。5G將與物聯(lián)網(wǎng)、AI等技術(shù)結(jié)合從數(shù)據(jù)采集、移動傳輸、實時響應(yīng)、室內(nèi)外連續(xù)定位及創(chuàng)新應(yīng)用5個方面助力智慧城市建設(shè)。

智慧城市的建設(shè)，需要探知城市每個角落，如水電煤氣、交通、空氣、人流和管線等，采集這些數(shù)據(jù)，經(jīng)過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街腔鄢鞘械臎Q策中心，經(jīng)過分析計算，為城市決策提供數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)應(yīng)急等實時響應(yīng)。同時，相比GPS，5G網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)室內(nèi)外的連續(xù)精準(zhǔn)定位，為公安等條線的案情追蹤等類似業(yè)務(wù)提供支撐。基于5G網(wǎng)絡(luò)及采集數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)智慧城市的各類創(chuàng)新應(yīng)用，如智慧交通（實現(xiàn)路況快速感知和實時調(diào)度）、公共設(shè)施管理以及智慧井蓋等，對損壞的公共設(shè)施能快速感知和快速處理，從而更好地服務(wù)百姓。