5G移動通信典型應用場景分析研究

屈剛 蔣川

摘要：隨著5G愿景和概念逐漸地清晰，業界越發意識到網絡技術發展對 5G 系統的重要價值。本文旨在通過從不同角度梳理的方式，研究5G通信系統的典型業務場景需求，基于通信服務升級、業務需求分析、部署角度思考、以及實際應用角度這四個方面來梳理5G的各類應用場景，以期為5G的后續研究和發展提供借鑒思路。

關鍵詞：5G技術;應用場景;關鍵技術

中圖分類號：TN929.5? ? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1007-9416（2018）10-0000-00

1 前沿

4G向5G演進，主要聚焦于增強移動寬帶場景（eMBB）、低時延高可靠場景 （uRLLC）、低功耗大連接場景（mMTC）這三大應用場景，意味著網絡的三個“形態”。簡單地說，eMBB是給人聯網用的，uRLLC和mMTC是給物聯網用的。在不斷高速發展的移動互聯網和持續增長的物聯網需求的共同推動下，5G作為新一代的無線通信技術，將用于滿足2020 年以后的移動通信市場的需求。5G通信技術將使移動通信突破時間和空間限制，極大縮短人與人、人與物之間的距離，給用戶帶來極佳的交互體驗，實現人與萬物實現快速互聯互通。

2 典型應用場景

2.1 基于通信服務升級的分析

從通信的歷史來看，通信系統進行換代的最根本動力是用戶的需求升級，因此如何把握用戶的需求，以及合理的預測未來的通信場景將是進行技術升級的必要前提。IMT-2020 5G需求組結合中國的通信特點，為中國未來通信提出了“三高” 場景：高轉換、高密度以及高速度。

高轉換場景：表示通信的場景前后差異較大，會在很短的時間內快速的切換場景，如從一個人頭攢動的大商場到單獨一人的電梯內，5G的通信必須要適應不同場景之間的快速來回切換。

高密度場景：意味著移動移動用戶在某些特定的地點和時間上所交互的信息內容密度將遠超4G通信的場景，并且基站在單一的小區和面積中將需要支持更多的移動用戶。目前，5G技術的解決辦法就是部署大量的小基站，通過小基站來提高網絡的容量并支撐更多的用戶。

高速度場景：此場景主要為應用在高鐵場景（500km/h）下保持高可靠的穩定信號，5G移動通信必須要解決并提高抗干擾能力。

2.2 基于業務需求角度的考慮

2.2.1 業務的類型和特點

未來5G通信的目標是要達到光纖般的傳輸速度，讓移動互聯網互用得到不一般的體驗。在500km/h行駛的高速列車上用戶體驗速率達到100Mbps;在熱點高容量區域用戶體驗速率達到1Gbps、峰值速率20Gbps;在無人駕駛的車聯網中滿足單向空口時延1ms、可靠性達到99.999%;在低功耗大連接的物聯網中連接數密度： 10*6/km2。5G系統對各種應用都能提供優良的支持，提供海量的接入，滿足如：智慧城市、智能制造、智能車聯網、智能農業化等多用應用。

到2010年，云網絡將會存儲全球超過1/3的數字信息，這要求用戶和云端之間的連接必須要達到光纖級別的傳輸速率。對于移動物聯網，根據業務的要求不同，將服務進行了劃分。第一類：智能抄表和環境監控，其特點就是低速率（< 100kbps）、海量連接、低功耗（續航10年）、低成本等;第二類：視頻監控和智能家居，其特點就是中速率（100kbps -10Mbps），對功耗不敏感、對語音能力有要求;第三類：遠程治療和車聯網等，其特點要求高速率（>10Mbps）、高可靠的控制對時延敏感度很高，對功耗無要求。

2.2.2 業務應用場景分類

針對5G的業務需求進行分析，提出如下七大應用場景：

（1）密集居住區、高校、CBD等場景：流量密度下行可達3.2T /km2（上行130G/km2），連接密度數106/km2，端到端的時延10～20ms，用戶體驗下行速率1024Mbps（上行512Mbps）。

（2）辦公區域場景：流量密度下行可達15T /km2（上行2T/km2），連接密度數7.5*105/km2，端到端的時延20ms，用戶體驗下行速率1024Mbps（上行512Mbps）。

（3）大型商場、大賣場場景：流量密度下行可達120G /km2（上行150G/km2），連接密度數1.6*105/km2，端到端的時延5～10ms，用戶體驗下行速率15Mbps（上行60Mbps）。

（4）大型場館和集會中心場景：流量密度下行可達800G/km2（上行1.3T/km2），連接密度數4.5*105/km2，端到端的時延5～10ms，用戶體驗下行速率60Mbps（上行60Mbps）。

（5）地鐵、輕軌場景：流量密度下行可達10T/km2（上行300G/km2），連接密度數6*106/km2，端到端的時延10～20ms，用戶體驗下行速率60Mbps（上行15Mbps），移動速率110Km/h。

（6）火車站、汽車站、機場場景：流量密度下行可達2.3T/km2（上行330G/km2），連接密度數1.1*106/km2，端到端的時延10～20ms，用戶體驗下行速率60Mbps（上行15Mbps），移動速率110Km/h。

（7）高鐵場景：流量密度下行可達1.6T/km2（上行500G/km2），連接密度數7*105/km2，端到端的時延50ms，用戶體驗下行速率15Mbps（上行15Mbps），移動速率500Km/h。

2.3 基于部署方向的場景思考

5G技術中指標眾多，為了方便比較選取三個能夠量化，且較為重要的性能指標：第一個：下行速率隨時隨地100Mbps和用戶在特點區域體驗速率達到1Gbps;第二個：連接數密度相比4G有100倍的提高;第三個：空口時延更低只有4G的1/5，達到1ms的端到端時延。從部署方向思考，能夠和技術更為緊密，可以分為四大典型的應用場景：廣覆蓋增強場景、超密集部署場景、物聯網場景、低時延高可靠場景。

2.3.1 宏覆蓋增強場景

在該場景中，不同用戶到基站的路損差異很大，使得信噪比差別也很大。場景所用頻段以低頻段為主，宏基站的覆蓋半徑較大，可達幾公里。用戶體驗速率的性能指標要達到100 Mbps，具有相當的挑戰性。而且該場景下，不光人與人，人與物之間的通信量都相當巨大。因此比較合適該場景的技術有：新型調制編碼、NOMA以及Massive MIMO技術。如將這些技術較好的融合應用，總體的增益基本可以與數個技術疊加相比。

2.3.2 超密集部署場景

5G技術與密集部署息息相關，例如：密集居住區、高校、CBD、辦公區域、大型場館等。在該場景下，不管是終端接入數量，還是要達到1Gbps的用戶體驗速率，都具有相當高的挑戰。小區的部署類型呈現多樣性，有宏基站、Micro cell、Pico cell、Femto cell，它們的天線高度、天線增益、發射功率也均不相同。適合的潛在技術有：Virtual Cell、無線回傳、增強的干擾協調技術、高階調制編碼、增強SON等。

2.3.3 物聯網場景

物聯網場景需要解決最大問題就是支持海量的終端數，而要讓用戶消費如此龐大的終端，就必須使每個機器的成本要遠低于手機終端，且功耗足夠低，電池蓄電容量足夠大，以保證終端幾年穩定運行。而且覆蓋還要求達到室內深度覆蓋，信號能夠到達地下室。潛在的技術包括能有效降低設備費用并提高覆蓋的窄帶傳輸技術、可顯著降低控制信道開銷的控制信令優化技術、以及支持多個終端同時同頻共享無線資源的非正交傳輸技術。

2.3.4 低時延和高可靠場景

幾種應用的一個共同要求就是低時延和高可靠。例如在某些智能制造行業中的機器間的通信，毫秒級的時延會嚴重影響產品的質量。在智能交通系統中，想要避免交通事故，必須達到ms級的時延和近乎為零的檢測率的硬性要求。潛在技術包括增強型鏈路自適應，物理幀新設計、終端的直通技術等。

2.4 基于實際應用角度的研究

2.4.1 虛擬化平臺實現NFV網關的應用

NFV網關由云計算平臺、信令網關、安全網關、Nanocell網管、云管理等系統組成。

虛擬化平臺操作系統通過獨立的物理設備作為控制節點，管理業務節點上運行的信令網關虛擬機和安全網關虛擬機。為避免業務虛擬機物理設備單點失效造成的業務中斷，可為每個物理設備配置冗余備份設備來提高可靠性保障：虛擬化平臺操作系統分別針對每個控制節點和業務節點實現1：1備份，虛擬機實例可通過狀態同步與路由協議避免主用虛擬機故障造成的業務中斷。

2.4.2 MEC技術的應用

從整個網絡的MEC的架構上來看，希望未來的MEC是一個平臺化的架構，能夠更好的去靈活加載相應的應用。目前，各運營商正在積極開展相關技術研究，并在現網中進行試點驗證，涉及緩存應用、本地應用等。當然，MEC應用于現網還需在計費、安全、移動性管理等方面進一步完善技術方案。業界之所以在MEC上投入很精力摸索適用場景，是為了更好地對現有移動網絡業務進行“革命性”改變，并為5G應用建立新型的產業鏈和網絡生態圈。5G網絡架構將以用戶為中心，通過網絡切片功能實現靈活部署，所以在網絡架構上.MEC已成為5G的重要組成部分，而在功能上5G網絡已與MEC實現融合。

3 結語

移動通信新技術會不斷研究并應用，網絡性能更優質，網絡功能更靈活，網絡運營更智能，網絡生態更友好將成為未來5G網絡發展的方向。本文從四個大的方面對5G的典型應用場景進行了分析，分析了基于通信服務升級的應用場景;描述了基于業務需求角度出發的各業務類型和特點并給出場景分類;從部署角度出發的場景進行了思考;最后從實際應用角度，介紹了增強移動互聯網業務中采用的兩種典型場景。隨著對5G關鍵技術和應用場景的深入研究，對提升全新的業務體驗，推動全社會信息化發展，增強企業競爭力，增加經濟效益都具有重要意義。

參考文獻

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Analysis and Study on The Typical Application of 5G Mobile Communication

QU Gang1，JIANG Chuan2

（1.China Information Consulting & Designing Institute Co.， Ltd， Nanjing，Jiangsu， 210019;

2.Nanjing Chang Zhuo Network Technology Co.， Ltd. Nanjing，Jiangsu， 210019）

Abstract：As the prospect and the concept of 5G have been ever-clear， the industry has come to be aware that the development of network technology is of great significance to 5G system. The paper is designed to make a study on the typical applications of 5G mobile communication system from different perspectives. It is expected to provide the ensuing study and development of 5G with a reference and idea based on the analysis of 5G applications from four aspects， namely， communication service upgrading， business demand analysis， deployment thinking and actual application.

Key word： 5G Technology， Typical Application， Key Technology