5G技術(shù)概述與產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢研究

王純?尹志東?彭睿?曾波?張宇?王政

摘 要：本文通過梳理5G的發(fā)展現(xiàn)狀，系統(tǒng)分析了5G產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新業(yè)務(wù)應(yīng)用及5G總體安全架構(gòu)，從未來應(yīng)用場景、加速實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)融合、實現(xiàn)萬物互聯(lián)三個方面預(yù)測了5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，以期為5G技術(shù)在萬物智能互聯(lián)時代發(fā)揮更重要的作用提供給一定理論參考。

關(guān)鍵詞：5G;安全架構(gòu);應(yīng)用場景;萬物互聯(lián)

中圖法分類號：TN92? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0216

5G不僅改變了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男?，也改變了各行各業(yè)的傳統(tǒng)規(guī)則，使傳統(tǒng)行業(yè)發(fā)生融合、協(xié)同，極大提升了生產(chǎn)效率，推動經(jīng)濟社會可持續(xù)、高質(zhì)量的發(fā)展。專家學(xué)者在全世界范圍內(nèi)進行統(tǒng)計，并依據(jù)預(yù)測模型得出：到2025年，5G將達到目前4G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋水平，全球用戶將突破10億。商業(yè)機構(gòu)對市場進測算，超過10萬億美元的全球GDP和超過2 000萬的就業(yè)崗位將直接和5G應(yīng)用相關(guān)[1]。當(dāng)前，以華為為代表的國內(nèi)通訊企業(yè)在全球處于領(lǐng)先地位。根據(jù)我國官方學(xué)術(shù)機構(gòu)研究結(jié)果，超過6萬億元的GDP和超過1 000萬的就業(yè)崗位將直接和5G應(yīng)用相關(guān)。大力發(fā)展5G將有利于網(wǎng)絡(luò)強國和制造強國戰(zhàn)略的實施，5G技術(shù)將成為我國經(jīng)濟社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展的持續(xù)推動力量之一。

1? 5G概述

5G是第五代移動通信技術(shù)的全稱，是第五代手機移動通信標(biāo)準(zhǔn)。雖然4G技術(shù)依然占據(jù)市場主流，但5G技術(shù)優(yōu)勢能全面超越4G。數(shù)據(jù)傳輸層面，5G網(wǎng)絡(luò)理論速度可以達到4G的100倍以上，下行速度更是可以達到10Gbps以上。網(wǎng)絡(luò)安全性上，5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全面提升。網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性上，變現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡脱舆t特性上，可以面向無人駕駛、遠(yuǎn)程工程操作和手術(shù)醫(yī)療等特定場景。5G技術(shù)對4G技術(shù)的升級迭代已經(jīng)不可避免，并將逐步實現(xiàn)商業(yè)化，通信產(chǎn)業(yè)將迎來新一輪的發(fā)展，將帶動數(shù)萬億規(guī)模的新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2? 5G技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

5G技術(shù)的快速發(fā)展改變了整個互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)。5G網(wǎng)絡(luò)三個基本要素是網(wǎng)絡(luò)基建、云計算設(shè)備以及大數(shù)據(jù)分析，其中5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上可以發(fā)展基于次時代網(wǎng)絡(luò)傳輸效率的遠(yuǎn)程實時計算，并且在4G不具備大規(guī)模應(yīng)用的大數(shù)據(jù)分析也將實現(xiàn)。尤其是在工業(yè)界，高精度的數(shù)據(jù)傳輸以及涉及商業(yè)機密的可靠性網(wǎng)絡(luò)需要，都將依托于5G網(wǎng)絡(luò)的高速率、低延遲和可靠特性，智能化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代已經(jīng)到來[2]。5G運營商將順勢而為，利用網(wǎng)絡(luò)基建、云計算設(shè)備以及大數(shù)據(jù)分析打造全新的萬物互聯(lián)新消費場景。

2.1? 5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進展

5G技術(shù)還未建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。世界各國的科研機構(gòu)、科技公司都在積極爭取先機。其中較為有影響力的是國際電信聯(lián)盟發(fā)布的合作伙伴計劃（下文簡稱3GPP），這一舉動使得國際電信聯(lián)盟在5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定上暫時領(lǐng)先。3GPP在2018年發(fā)布了兩項重要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：空中接口技術(shù)（NR）和獨立組網(wǎng)功能（SA），這是5G獨有的技術(shù)，并且在此基礎(chǔ)上繼續(xù)制定了非獨立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（NSA），可以說5G網(wǎng)絡(luò)的基本標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在這個時期制定完成（如圖2所示）。2020年，3GPP繼續(xù)更新早先制定的標(biāo)準(zhǔn)，宣布R16標(biāo)準(zhǔn)，這被業(yè)界視為5G網(wǎng)絡(luò)第一次技術(shù)升級。同一時間，我國在政府主導(dǎo)下，國家發(fā)改委、科技部、中科院以及國有龍頭通訊企業(yè)也在大力推進我國的5G技術(shù)發(fā)展，并且成立了IMT-2020 5G推廣小組[3]。

2.2? 5G 組網(wǎng)方式

3GPP對5G技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)定義了空中接口技術(shù)（NR）和獨立組網(wǎng)功能（SA），實際上這就是R16的前身R15，即5G基站的第一代技術(shù)，相當(dāng)于將4G組網(wǎng)方式進行了升級，但是沒有換代。到R16階段，4G組網(wǎng)方式已經(jīng)被完全取消，采用獨立組網(wǎng)方式，好處是不同的運營商可以根據(jù)自己的基站布設(shè)情況來優(yōu)化自己的網(wǎng)絡(luò)。實際上，R15的優(yōu)勢在經(jīng)濟，因為不需要大規(guī)模的基站更新就可以實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。R16的優(yōu)勢在于真正實現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)的一系列獨有功能。

2.3? 5G為用戶提供了更多的場景應(yīng)用

5G作為次世代的通信技術(shù)，它實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)效率的質(zhì)變，數(shù)以百倍的速度提升以及數(shù)以千倍的用戶連接支持?jǐn)?shù)量，更高等級的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和信息安全性可以應(yīng)對未來各種場景對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。因此，多?shù)研究機構(gòu)將5G未來應(yīng)用場景歸結(jié)為海量數(shù)據(jù)流、海量互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及海量的新應(yīng)用場景。例如，海量的大容量資源下載和實時傳輸，高穩(wěn)定的數(shù)據(jù)互換，以及遠(yuǎn)程工業(yè)控制甚至是遠(yuǎn)程醫(yī)療這種幾乎沒有延遲的數(shù)據(jù)傳輸才能實現(xiàn)的應(yīng)用場景[4]。此外，隨著智能生活時代的到來，數(shù)量驚人的智能設(shè)備以及用戶都將介入5G網(wǎng)絡(luò)。

3? 5G總體安全架構(gòu)

隨著新的5G應(yīng)用場景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、空中接口技術(shù)的出現(xiàn)，用戶隱私和安全需求與現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)將會不同。特別是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景帶來的大連接認(rèn)證，在高可用性、低延遲、低能耗等條件下將提出更高的安全需求。此外，5G引入的SDN/NFV、移動邊緣計算等新技術(shù)將帶來更多的變化和安全風(fēng)險。上述各種新技術(shù)、新需求都對5G安全架構(gòu)的設(shè)計提出了新挑戰(zhàn)。3GPP工作組SA3負(fù)責(zé)5G網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)的設(shè)計，指出5G安全架構(gòu)設(shè)計中需要注意的領(lǐng)域[5]（如圖3所示）。在5G整體安全架構(gòu)的能力部署層面，各種創(chuàng)新思路尚未趨同，但是內(nèi)生安全已成為一個引人注目的發(fā)展趨勢。從5G安全能力部署的角度來看，當(dāng)前的發(fā)展趨勢是在5G安全架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)云化、池化、虛擬化的特點，探索內(nèi)生安全的機制進而設(shè)計部署框架。目前，業(yè)界對5G安全的關(guān)注和重點研究主要是結(jié)合5G安全需求和系統(tǒng)內(nèi)生安全機制，從空中接口和地面網(wǎng)絡(luò)兩個層面探討5G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生安全要素，引入新的防御機制，提出5G內(nèi)生安全部署架構(gòu)。從而在這個架構(gòu)中，進一步研究物理層安全、輕量級加密、5G網(wǎng)絡(luò)切片安全、模擬防御、用戶隱私保護、區(qū)塊鏈技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)及其在5G中的應(yīng)用，最終形成防范已知和未知安全風(fēng)險的高性能、高可靠性的綜合技術(shù)解決方案[6]。

4? 5G產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新業(yè)務(wù)應(yīng)用分析

5G技術(shù)還可以推動其他行業(yè)進步，甚至催生出新的技術(shù)行業(yè)。例如在新冠疫情期間，遠(yuǎn)程辦公、教育、醫(yī)療的重要性逐漸凸顯，越來越多的無人駕駛載具也日臻成熟，5G技術(shù)將會在這些領(lǐng)域提供強大的信息技術(shù)支持，甚至改變整個行業(yè)規(guī)則[7]。這就要求5G網(wǎng)絡(luò)運營商解決好三要素問題：扎實的基站建設(shè)、優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及先進的大數(shù)據(jù)算法，將5G技術(shù)向不同行業(yè)進行滲透，實現(xiàn)“5G+”。

在智慧交通方面，無人駕駛等技術(shù)依靠極其高效的通訊、算法，并且整個路網(wǎng)系統(tǒng)必須進行“云計算”改造，依托于5G技術(shù)實現(xiàn)載具和實時路況的適應(yīng)和交互，也就是所謂的智能交通系統(tǒng)組建[8]。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方面，我國“十四五”規(guī)劃明確提出要實現(xiàn)經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)升級應(yīng)用就是重要抓手。實際上，智能制造一直是國家大力發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，工廠智能化、資產(chǎn)管理智能化，尤其是通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)安全生產(chǎn)，都將基于5G技術(shù)得以實現(xiàn)[9]。

在遠(yuǎn)程醫(yī)療方面，解決醫(yī)療資源分配不均衡問題的有效途徑就是共享。多醫(yī)院間通過5G網(wǎng)絡(luò)進行運營、診療甚至手術(shù)共享協(xié)作，特別是對于傳染性疾病進行非接觸式的診療也將得以真正實現(xiàn)。這一切都將有效使大城市的醫(yī)療資源下沉到三四線城市甚至是縣城，平衡區(qū)域醫(yī)療資源不充分，跨區(qū)域交通條件受限等問題[10] 。

對數(shù)據(jù)交換方面，5G技術(shù)具有預(yù)導(dǎo)頻、小幀結(jié)構(gòu)、上下行自由調(diào)度等升級功能，解決了空中接口數(shù)據(jù)傳輸時延這個最大的技術(shù)桎梏[11]。5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)突破現(xiàn)有所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要的帶寬需求，并且自身網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架上保證了數(shù)據(jù)傳輸上的安全可靠性，在能源、航天、環(huán)保、安全巡查、森林防火等關(guān)系國家安全領(lǐng)域?qū)⒌玫酱笠?guī)模應(yīng)用[12]。

5? 5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

5.1? 未來應(yīng)用場景

目前主流觀點認(rèn)為，大規(guī)模、大流量的人流場景以及低延遲需求的應(yīng)用場景是5G技術(shù)未來應(yīng)用的主要場景。例如：我國即將全面進入高鐵時代，同時一、二線城市的地鐵建設(shè)也迎來了高峰，5G網(wǎng)絡(luò)將首先在高鐵、地鐵上實現(xiàn)全域覆蓋;一、二線城市已經(jīng)相繼建立的城市智慧治理中心，不僅是利用海量信息數(shù)據(jù)管理城市，同時需要環(huán)境檢測、應(yīng)急響應(yīng)等需5G技術(shù)支持的數(shù)字化實時管理手段;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛等技術(shù)也將依托于5G技術(shù)的安全可靠以及低延遲特性，尤其是虛擬現(xiàn)實技術(shù)為各種場景模擬提供了有效解決手段[13]。

5.2? 加速實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)融合

5G技術(shù)為支撐，可以實現(xiàn)跨行業(yè)加速融合發(fā)展。例如：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)就是信息化技術(shù)加入到傳統(tǒng)工業(yè)界[14]。4G時代的商業(yè)、服務(wù)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生巨大變革，5G技術(shù)將進一步加速服務(wù)業(yè)智能化進程，引發(fā)產(chǎn)業(yè)迭代升級，即是管理方式和供應(yīng)鏈體系的智能化。

5.3? 實現(xiàn)萬物互聯(lián)

基于5G技術(shù)可以實現(xiàn)真正意義上的“萬物互聯(lián)”。在4G時代，人與物之間通過數(shù)字化手段已經(jīng)實現(xiàn)了“互聯(lián)”，但沒有做到“互動”，通過5G網(wǎng)絡(luò)的信息交換能力，可以實現(xiàn)生活學(xué)習(xí)、工作生產(chǎn)數(shù)字化。另一方面，因為萬物互聯(lián)的實現(xiàn)，消費模式將發(fā)生巨大變化，隨之而來的是用戶體驗的升級，繼而反向刺激新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式的迅速發(fā)展[15]。根據(jù)國內(nèi)學(xué)術(shù)機構(gòu)以及頭部通信企業(yè)研究成果，到2030年左右，5G技術(shù)將拉動超過6萬億的直接產(chǎn)業(yè)價值，間接拉動價值超過10萬億。并且這種拉動呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長趨勢，直接產(chǎn)出：2020年約5千億元——2025年約3萬億元——2030年約6萬億;間接產(chǎn)出：2020年約1萬億元——2025年約6萬億元——2030年約10萬億。智能制造行業(yè)將會是5G時代最大的收益者。根據(jù)國際組織IHSMarkit測算，2030年前后，基于5G技術(shù)衍生創(chuàng)造的商業(yè)價值將達到12萬億美元，智能制造行業(yè)將在其中占據(jù)非常大的份額，即是超過3萬億美元（如圖4所示）。

6? 結(jié)語

5G技術(shù)以百倍量級增加4G網(wǎng)絡(luò)帶寬，不斷優(yōu)化大數(shù)據(jù)分析算法，提供高可靠性、低延遲的網(wǎng)絡(luò)連接保障。5G將極大提高個人工作、學(xué)習(xí)的效率，并徹底改變社會生產(chǎn)傳統(tǒng)模式，構(gòu)建基于5G網(wǎng)絡(luò)的下一代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)，重塑行業(yè)應(yīng)用場景和商業(yè)形態(tài)，推動通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的深度融合，使人與人、物與物、人與物更加方便、快捷、廣泛地互聯(lián)互通，推動社會數(shù)字化進程。

另一方面，功能的豐富和性能增強必然增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基建成本和維護優(yōu)化的復(fù)雜性。在實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”的過程中，5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)者要改變自身定位，迅速由互聯(lián)網(wǎng)的管理者轉(zhuǎn)變?yōu)榛ヂ?lián)網(wǎng)服務(wù)的提供者。從網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)資源分配到優(yōu)化運營多個角度滿足5G時代的應(yīng)用場景。充分利用5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，不斷完善智能互聯(lián)的各項功能，以創(chuàng)新實踐、多方協(xié)作，共同構(gòu)建信息融合的智能產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

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5G Technology Overview and Industry Development Trend Research

Wang Chun? Yin Zhidong? Peng Rui? Zeng Bo? Zhang Yu? Wang Zheng

（Office of the People's Government of Chenghua District，Chengdu City，Chengdu 610051，China）

Abstract：This article systematically analyzes the 5G industry's innovative business applications and the overall security architecture of 5G by sorting out the status quo of 5G development. The article predicts the development trend of the 5G industry from the three aspects of future application scenarios，accelerating the realization of industrial integration，and realizing the interconnection of all things，and provides a theoretical reference for 5G technology to play a more important role in the era of intelligent interconnection of all things.

Keywords：5G; security architecture; application scenarios; Internet of Everything

收稿日期：2020-03-22

基金項目：本文系2020年成都哲學(xué)社會科學(xué)規(guī)劃項目“5G背景下成都新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑選擇研究”（項目編號：2020BZ115）

階段性成果

作者簡介：王純，男，主要研究方向為信息技術(shù)、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃發(fā)展。