5G为深度赋能垂直行业提供更强动力

导读

从全球4G发展现状来看，不限量套餐已经成为主流的资费模式，随着用户月均流量的快速增长，网络不断扩容并不能带来相应的收入增长，个人市场传统的流量经营模式遭遇瓶颈。为了支持自身的持续发展，运营商需要“开源节流”，寻找新的市场空间，培育新的增长模式，同时节约成本以降低网络运维和建设的成本。NB-IoT/eMTC是运营商在4G时代面向低速率、低成本和低功耗的物联网市场的一次尝试，试图突破一个海量的市场空间。面对差异化和碎片化的物联网应用市场，NB-IoT/eMTC难以完全满足需求，5G通过全新的空口能力（低时延、高可靠等）、灵活的网络架构、端到端的网络切片和移动边缘计算等，将进一步深度赋能垂直行业应用。本文结合5G标准的发展和演进，分析5G如何满足垂直行业的差异化业务需求。

1 引言

4G和智能手机的快速发展给我们的日常工作和生活带来了极大的便利，使社会运行管理更加高效。4G的快速发展促进了互联网应用的繁荣，即时消息、网上购物、导航、网上支付、视频等应用层出不穷。智能手机已不仅是一种交流工具，同时也是个人和社交平台。手握智能手机，可以自由选择网购或者使用手机支付进行线下购物，使我们的日常生活变得比以往更加方便，改变了我们的消费行为和日常行为。4G的快速普及结合消费类电子产品的突破正在培育新的业务和应用，给移动通信网络自身带来了新的挑战。增强现实技术（AR），虚拟现实技术（VR）、高清晰度视频技术（4K/8K）、裸眼3D，这些梦幻般的应用对移动通信网络的能力、容量和效率提出了更高的要求[1]。

另一方面，从全球运营商的4G发展现状来看，不限量套餐已经成为主流的资费模式，随着用户月均流量的快速增长，网络不断扩容并不能带来相应的收入增长，个人市场传统的流量经营模式遭遇瓶颈。为了支持整个行业的持续发展，运营商需要“开源节流”，“开源”即是寻找新的市场空间，培育新的增长模式，“节流”则是节约成本，降低网络运维和建设的成本。为了拓展新的业务模式，运营商在4G网络上也试图利用边缘计算（MEC）、eMBMS、V2X等技术来拓展新的行业和新的商业模式，但都由于4G网络架构固化、商业模式不清晰等原因而仅仅停留在示范和演示阶段。NB-IoT/eMTC是运营商在4G时代面向低速率、低成本和低功耗的物联网市场的一次尝试，试图突破一个海量的市场空间，带来新的增长。

4G在行业和企业级应用中的拓展为我们提供了很好的经验和教训。首先，服务和内容应尽可能靠近用户部署，这样可以减少业务获取的延迟，提高用户体验；其次，新服务和应用的部署应该是快速和低成本的；此外，网络应支持灵活可重构的部署，满足差异化的应用场景和需求；而工业互联网和自动驾驶则要求更低的时延和更高的可靠性。

面对以上的应用需求，4G难以满足，这就让我们把期望寄托在新一代移动通信系统，即5G。5G的目标是通过自身能力的拓展成为新一代信息基础设施，通过万物互联，如图1所示，赋能社会各行各业，促进社会的信息化和数字化发展，提升经济发展的效率和质量，提升社会运行和治理的效率。

回顾移动通信技术发展的历史，1G、2G解决了在移动中打电话的问题，3G、4G着重解决了快速上网和看视频的问题，而5G则第一次把重点转向了对垂直行业市场需求的支持，面对差异化和碎片化的业务需求，5G通过全新的空口能力（低时延、高可靠等）、服务化的网络架构、端到端的网络切片、和移动边缘计算，将进一步深度赋能垂直行业应用。

图1 5G愿景：万物互联，赋能垂直行业

2 5G定义新能力，全面赋能垂直行业

5G标准的第一阶段（Rel-15）主要聚焦5G商用初期个人和行业的迫切需求，重点关注eMBB以及简化的URLLC场景，暂时没有针对mMTC场景设计标准。为此，Rel-15定义了5G系统的核心构架，包括5GC新的核心网、SA独立组网和NSA非独立组网方案，同时也针对5G系统的基本框架和核心功能进行了定义。下面我们从网络运营和业务提供的角度，全面阐释5G的全新空口能力、服务化的网络架构和网络切片、边缘计算等新特征。

2.1全新空口能力[1]

5G第一次将服务的重点转向了垂直行业，所以从5G研发之初，业界就对5G需要覆盖的应用场景达成了共识，即包括增强移动宽带（eMBB）、低成本低功耗的大规模连接（mMTC）、超高可靠性和超低延迟通信（URLLC）。针对上述应用场景，ITU-R和3GPP详细定义了相应的性能需求，例如， 20Gbps的峰值数据速率、0.5ms空口传输时延、比4G提高3?5倍的频谱效率、每平方公里千兆的连接密度、每平方公里10Tbps的业务密度、以及100倍的功效提升等。为了保持整个生态系统的可持续发展，我们期望5G具有极低成本特性，每比特性价比能提高1000倍。

5G标准的第一个版本（Rel-15）通过灵活统一的5G新空口设计满足5G多场景和多样化的业务需求，与垂直行业应用需求相关的能力有：

-低时延：5G要求达到0.5ms单向空口时延，对网络调度时延及系统灵活性提出更高要求。Rel-15标准通过引入灵活帧结构、短时域调度单元、免调度传输、移动边缘计算MEC (端到端时延可降至10ms)等技术满足低时延需求。

-高可靠：5G通过提高编码冗余度、提高调度优先级、降低编码阶数、多次传输等，已可以支持数据包大小小于32字节的99.999%的高可靠应用。

-高速率：5G面临高速率、高容量等要求，频谱效率需提升至4G的3~5倍以满足用户需求。Rel-15标准通过大带宽(100MHz, 400MHz)、大规模天线和MU-MIMO增强、取消CRS参考信号、信道信息反馈设计、Polar/LDPC编码、及毫米波(5G商用初期未引入)等技术提升5G峰值速率和容量。

-广覆盖：5G部署频段较高，基于现网4G站址进行建设实现连续覆盖存在一定困难。Rel-15标准通过大规模天线设计、广播信道波束扫描、控制信道覆盖增强、高功率终端等技术扩展了5G网络覆盖能力。

-高速移动：针对高铁等特定场景，抑制500km/h高速场景下信道时变快、频率偏移大、切换频繁的影响。Rel-15通过参考信号设计、随机接入流程设计、系统参数优化等技术保证高速移动的性能。

5G标准的第二个版本(Rel-16),对5G网络的性能和能力进行了持续的优化和提升，拓展支持更广阔的垂直行业应用。一是解决5G网络的个性化问题，如5G远端基站的干扰管理、高频无线回传（IAB）、大规模天线增强、终端功耗的降低等；二是增强垂直行业应用，如面向低成本、中高速率的物联网，进一步增强V2X、URLLC和IIoT应用；三是深度挖潜5G网络能力，包括5G空口定位、大数据采集与应用等新能力。与垂直行业赋能相关的能力增强包括如下：

-实现米级定位（室外水平定位精度10m，室内水平定位精度3m），并与卫星、蓝牙、传感器等技术结合进一步实现亚米级定位；

-通过终端节能，延长电池工作时间，可以在中等业务负载下，节约空口能耗35%左右，节约整机能耗11%左右；

-移动性增强方面，“0”ms方案能避免切换中的用户面数据中断，保证UE在切换过程中一致性的速率体验，而基于条件切换的鲁棒性增强方案能提升控制面的鲁棒性，提升切换的成功率；

-URLLC增强，在满足空口低时延需求（如0.5-1ms）的同时，增加对更大数据速率的支持，将端到端可靠性从99.999%提高到99.9999%；

-5G车联网V2X，满足业务3-10ms端到端时延、99.999%的可靠性、10-1000 Mbps高速率等需求，实现5G V2X与LTEV2X车联网的互补共存；

-空天地一体通信，为后续面向5G演进的空天地一体互联网络的关键技术研究打牢基础。

总体而言，Rel-16技术演进将有助于进一步提升5G网络服务质量、提升用户体验，扩大5G产业规模，更好地赋能各行各业转型和能力升级。