5G技術發展與行業應用探討

（中國聯通研究院，北京 100176）

5G作為新一代信息技術，已成為全球各界高度關注的熱點話題。它不僅能滿足人際間的通信，還能促進各行業數字化、網絡化、智能化的發展。5G使移動通信技術演進為可以賦能各行各業的通用技術。5G與行業的深度融合將加速創新，產生新的收入來源，支持全球國內生產總值（GDP）長期可持續增長，對全球經濟社會產生深遠影響。

據全球移動通信系統協會（GSMA）預測，到2025年5G將會覆蓋超過全球1/3的人口，連接數將超過11億。據全球著名咨詢公司IHS Markit預測，到2035年5G將在全球創造12.3萬億美元的經濟產出，全球5G價值鏈將創造3.5萬億美元產出，并創造2 200萬個工作崗位。5G將成為中國推動產業升級、發展數字經濟、實現高質量發展的新動能。

目前中國通信產業總量為全球第一，手機終端出貨量達全球第一，設備商市場份額全球領先。以5G為核心的通信產業將成為推動中國企業全球化的重要力量。根據中國信息通信研究院《5G經濟社會影響白皮書》預測，到2030年5G將直接帶動中國直接經濟產出6.3萬億元人民幣，新增就業崗位800萬個。大力發展5G將有益于網絡強國和制造強國。

1 5G技術的發展現狀

5G是當前移動通信技術發展的下一階段，它將為客戶提供更快的數據連接，為新的工業應用開辟道路，5G技術是萬物互聯的開始。5G技術可以提供10倍于4G的峰值速率及用戶體驗速率、百萬的連接數以及超低的空口時延。5G不僅僅是以用戶為中心、全方位的信息生態系統，更能做到從線上到線下、從消費到生產、從平臺到生態，有效支撐垂直行業融合發展。

5G技術的蓬勃發展也進一步推動云計算、網絡、大數據的快速發展。其中，云計算是重要的基礎設施，網絡是構建萬物互聯的橋梁，大數據則通過匯聚海量數據以及挖掘其價值，實現服務的智能化。同時，工業制造系統的高度網絡化和智能化，要求網絡具備高帶寬、高速率和高可靠性，保證精準的工業生產。因此，5G網絡的高速率、高帶寬和高品質可助力產業互聯網與傳統互聯網的深度融合[1]。運營商將利用5G、云計算、網絡、大數據的資源，像消費互聯網時代一樣全面使能產業互聯網經濟。

1.1 5G技術標準進展

目前，多個國家組織都在積極進行5G技術的研究和標準制定工作，主要的國際標準組織包括國際電信聯盟（ITU）和第三代合作伙伴計劃（3GPP）。其中，ITU已經完成了5G愿景研究及5G技術方案征集，在評估方案后將于2020年完成5G標準制定。

3GPP作為制定5G標準的核心組織，已于2018年6月正式宣布5G新空口（NR）技術獨立組網（SA）功能凍結；2018年12月，完成了非獨立組網（NSA）標準的制定，5G已完成第一階段全功能標準化工作（如圖1所示），進入了產業全面沖刺新階段。雖然3GPP計劃最終5G的標準將于2020年凍結，但R15的部分標準提速，已滿足激進運營商的布網需求[2-3]。

在中國，國家相關部委、企業、科研機構也積極參與到5G國際標準的制定工作中，主導多項5G國際標準。國家工業和信息化部、發展和改革委員會、科學技術部還聯合成立了IMT-2020 5G推進組，共同積極推動中國5G技術的相關研發試驗。

1.2 5G組網方式

5G標準定義了新的無線空口和核心網架構，組網方式分為5G核心網NSA和SA 2種模式。

圖1 5G標準化工作進程

3GPP R15版本的第1期面向NSA，使用5G基站復用4G核心網的方式進行組網；第2期面向SA，即不再依賴4G核心網，而獨立部署核心網。運營商可以根據自身網絡的情況選擇部署模式，NSA組網能快速而且低成本地面向增強移動寬帶（eMBB）實現5G網絡覆蓋，SA組網在eMBB的基礎上實現了5G網絡切片管理、能力開放等一系列特性，是5G網絡最終的目標架構。

1.3 5G為用戶提供了更多的場景需求

相比于4G，5G可提供更高的速率（至少10倍）、更低的時延（毫秒級）、更多的連接數（千億級）、更高的安全性以及更靈活的業務部署能力，將實現eMBB、高可靠低時延通信（uRLLC）和海量機器類通信（mMTC）3大場景。其中，eMBB主要應用于對網絡傳輸速率有極高要求的領域；uRLLC主要應用于自動駕駛、工業控制等對時延要求和可靠性要求很高的行業中[4]；mMTC主要應用在智慧城市、智能家居這些連接數量龐大、接入成本低的場景，實現物物連接。

業界普遍認為，未來的5G將重點解決“移動數據流量的爆炸式增長”“物聯網設備的海量連接”“垂直行業應用的廣泛需求”3類重要場景（如圖2所示）。5G帶來的將是更快的速率、更低的功耗、更短的延遲、更強的穩定性，并能支持更多用戶。5G發展的前期，雖然仍將主要面向消費互聯網，但是基于5G的、面向行業用戶的工業互聯網業務布局和落地的重要性已開始顯現。5G網絡的精益化、運營的智能化以及生態的開放化是未來支撐工業互聯網快速發展的基礎。

圖2 5G應用的3大場景

2 5G關鍵技術分析

5G網絡的總體架構包括無線接入網、傳輸網以及核心網，需要大規模天線陣、超密集組網、新型多址、網絡切片、云化網絡等多種關鍵性技術做支撐，它們保證了5G網絡的高速率、低時延、廣覆蓋、大連接、高安全及靈活部署能力。5G的關鍵技術包括毫米波通信、大規模天線、網絡切片和邊緣計算等，具體如圖3所示。

2.1 毫米波通信

5G在無線側的關鍵技術以毫米波通信和大規模天線技術為代表，但目前中低頻段的帶寬已被廣播和2G/3G/4G占用；因此5G將開拓高頻段的毫米波進行無線網絡部署。毫米波具體是指波長為1～10 mm的電磁波，對應頻率為30～300 GHz。相比而言，4G 長期演進（LTE）頻段最高頻率的載波在2 GHz左右，而可用頻譜帶寬只有100 MHz；因此，如果使用毫米波頻段，帶寬寬度是4G的幾十倍，傳輸速率也可得到巨大提升。

2.2 大規模天線

隨著5G進一步發展和運行效率的不斷提升，傳統的多天線技術已難以有效滿足5G通信網絡呈指數式增長的無線數據發展需求；因此，在面臨5G傳輸速率和系統容量等多方面重大挑戰的同時，天線數目將隨之不斷增長[6]。毫米波的缺點是傳輸損耗大，因此需要配合使用大規模天線技術。大規模天線技術是指多根天線同時發送，接收多路信號流，這樣能有效提升信號的覆蓋范圍以及傳輸速率，彌補毫米波在傳輸過程中的損耗，進而提高無線頻譜效率，提升信號質量。

圖3 5G關鍵技術

2.3 網絡切片

網絡切片是指對于不同用戶的業務流量，無線接入網和核心網進行不同的處理[6]。5G時代的業務場景極為豐富，不同場景對網絡的時延、可靠性、移動性甚至是計費方式都有著不同的需求，為不同的應用場景單獨鋪設專用的網絡成本巨大且不現實；因此，需要將一張物理網絡切分成多個虛擬網絡切片，每個虛擬切片提供差異化的網絡性能及業務功能。通過網絡切片分層，能夠按需求靈活地提供多種網絡服務。運營商通過切片管理的功能，結合虛擬化資源平臺，來提供專用的邏輯網絡[7]。

2.4 邊緣計算

5G的邊緣計算是將運算與存儲能力部署到離用戶和應用更近的網絡邊緣，極大降低信令、消息的回傳時延，實現海量數據的實時化處理，以滿足無人駕駛、工業控制等對網絡時延要求極高的業務需求。同時，邊緣計算還可以將“云”靈活部署在網絡的各個位置，為用戶提供靈活、敏捷的網絡體驗。

3 5G產業創新業務應用分析

3.1 5G賦能垂直行業

5G技術的特性能夠更好地推動其他新興技術的發展，將5G技術與云計算、大數據、物聯網、人工智能等技術融合，為新媒體、工業互聯網、智慧交通、公共安全、教育醫療、無人機、電競等領域提供信息技術賦能，有望產生顛覆性的效果，重構產業形態。

在智能互聯的網絡時代，如何推進5G行業應用是電信行業面對的問題。運營商具備強大的資源整合能力，可匯聚大數據處理方法、云計算先進技術，構筑智能的業務平臺。面向不同行業輸出5G服務是電信行業的重要業務，更是今后工作的發展方向。

智慧交通領域是5G主要應用領域之一，其中一個非常重要的方向是智能聯網汽車及車路云協作。利用5G通過車路協同實現智慧交通是目前普遍認可的技術途徑。5G作為端-管-云之間的銜接橋梁，實現車、路、云實時信息交互，助力構建車路云協同的新型交通體系，服務眾多的智慧交通業務。

工業互聯網被認為是未來實現經濟高質量發展的關鍵點，正確地理解工業互聯網有利于推動它的健康發展[8]。5G是工業數字化的重要手段，5G的3個應用場景可以解決工業互聯網的數字化痛點，如智能工廠、智能產線、工業控制與監測控制、工業物聯、工業資產管理與安全，實現產品的智能制造，推動了產業的智能升級。

在醫療健康領域，可借助安全可靠的5G高速網絡，積極嘗試智慧移動醫療服務，從輔助智慧院前到院內智能運維，以及遠程院間協同，全流程賦能醫療向無線化、遠程化、智能化發展。借助5G網絡，使遠程監測護理、遠程診斷與指導，甚至遠程控制等醫療應用成為可能，可進一步推進醫療資源實時共享，緩解地區經濟發展不均、交通條件受限等問題帶來的醫療困境。5G技術在醫療領域的大規模應用正在一步步地實現[9]。

面向空中服務，5G引入了前置導頻、迷你幀結構、上下行免調度等機制，極大地降低了空口的數據傳輸時延[10]。5G解決了傳輸帶寬限制，實現高效傳輸和實時計算，促使無人機向無人化、智能化和自動化轉變，從而在安防、能源、環保、交通等領域輸出應用解決方案，涉及地空通信、飛行服務、數據處理，管線巡線、水域檢測、農林植保、森林防火等應用場景。

3.2 5G網聯無人機

3.2.1 無人機產業背景介紹

無人機不僅是一種交通方式，在各行業領域應用廣泛，更是催生了“無人機+”的新興產業模式。無人機農林植保、物流運輸、管線巡檢、江河巡視、公共安全將隨處可見，對第一、二、三產業諸多領域產生深遠影響，基礎電信運營商都在積極拓展產業互聯網市場。工業無人機應用市場作為產業互聯網市場的重要組成部分，擁有巨大的商業機會。目前各大電信運營商均正在其中積極探索與布局，力爭占領先發優勢。

5G與無人機創新業務的融合，將有利于兩者共同發展。5G憑借自身特性，可將無人機核心的測控及數據傳輸服務提升到全新的高度，并有助于無人機創新業務向垂直行業和特定場景進行滲透。相應地，無人機創新業務必將成為5G技術應用的重要分支。

3.2.2 網聯無人機技術體系

網聯無人機也稱為網絡化無人機或物聯網無人機，即利用現有移動通信網絡或專用移動通信網絡，替代傳統的點對點測控鏈路，為無人機飛行提供測控通道，為業務應用提供實時的數據回傳通道。網聯無人機是一種不受距離限制的廣域無人機應用模式，必須具備機載移動通信終端、移動通信網絡、無人機云服務平臺、地面控制站和業務終端5部分。網聯無人機具體的架構如圖4所示。

圖4 網聯無人機技術架構

3.2.3 網聯無人機對4G/5G網絡的要求

（1）對網絡速率的要求。

由于無人機應用的特殊性，相比于普通移動通信終端，無人機主要對網絡上行速率提出較高的要求。網聯無人機通過上行鏈路來向地面控制站實時傳送視頻圖像或其他紅外雷達數據，該鏈路傳輸速率一般為8 Mbit/s（高清1 080 p視頻）和30 Mbit/s（4K超高清視頻）。

網聯無人機測控系統為無人機提供遙控遙測服務，通過上下行鏈路來實時控制無人機的飛行，并向地面控制站實時報告飛行的狀態參數，該鏈路的一般傳輸速率為64～115 kbit/s。網聯無人機測控系統如圖5所示。

（2）對網絡覆蓋的要求。

無人機的工作高度一般可以達到100～3 000 m，如果地面移動通信4G/5G網絡不能滿足覆蓋的要求，需要根據工作高度要求，完成必要的對空專網覆蓋。網聯無人機對網絡覆蓋要求如圖6所示。

（3）對網絡時延的要求。

圖5 網聯無人機技術架構

圖6 網聯無人機對網絡覆蓋要求

5G空口時延相比于4G有了較大的降低，同時無人機平臺的端到端時延也可以大幅度降低。如果加入移動邊緣計算技術，無人機云平臺時延會進一步降低。網聯無人機對時延最低要求是20 ms，對于遙控遙測延時一般建議200 ms以內。網聯無人機對網絡覆蓋要求如圖7所示。

3.2.4 網聯無人機對4G/5G核心網的要求

為便于對網聯無人機終端管理，更加有效利用5G網絡對無人機進行控制，也區分于普通地面終端的應用策略，需要為網聯無人機建立專用的核心網。5G核心網切片正適應了這一發展要求，通過建立專用的邏輯網絡的網絡切片技術，在邏輯上實現網聯無人機與地面終端的業務和無線策略區分。進一步地，可以細化無人機網絡切片，區分不用應用行業的無人機UE，以及使用不同切片分別保障控制數據和應用數據業務。此外，5G可以實現更細顆粒度的服務質量保障，保證網聯無人機通信不同的數據類型得到相應的最佳承載，對于視頻流和控制流的承載，設置不同的優先級，保證通信的可靠性。

3.2.5 網聯無人機對無人機云平臺的要求

圖7 網聯無人機技術架構

無人機飛行后會產生大量的飛行數據，包括遙測數據和載荷數據。行業應用的不同對數據的處理要求也有不同，有實時處理需求也有離線非實時處理需求，需要由統一的無人機數據云平臺進行管理。無人機云平臺應包括基礎功能和增值業務功能2部分：基礎業務功能包括飛行任務申請、飛行監測控制管理、飛行服務審核、視頻數據存儲等；增值業務服務功能包括飛行安全服務、健康分析服務、飛行保險服務、空域代理服務以及數據增值處理服務等。

3.2.6 網聯無人機對機載終端的要求

機載終端是網聯無人機的端到端核心產品，應包括設計圖傳和數傳的通信協議設計，完成與地面移動通信網絡體制的適配以及與飛行控制系統的適配；實現多鏈路接入調度、載荷智能控制、遙控遙測數據傳輸、視頻疊加、編碼和壓縮、高精度定位要求；實現機載終端人工智能（AI）前端算法的能力、合作目標認證、數據傳輸加密、影像和視頻的前置預處理等功能。此外，在機載終端的重量、尺寸、發射功率、空中電磁兼容、航空飛行穩定性等方面也要滿足要求。

3.3 網聯無人機解決方案

網聯無人機云平臺實現了無人機中遠距離飛行測控、多機協同智能化調度、身份識別綜合管控、規劃審批飛行計劃、數據采集存儲、實時分發、智能分析等服務，具體如圖8所示。

當無人機搭載專用任務計算機執行定制化飛行任務時，通過4G/5G網絡支撐無人機與平臺實時互聯，保證飛控指令、遙測參數、業務數據安全可靠傳輸。同時，平臺側根據用戶需求對各類數據進行存儲、分發以及處理，用戶可利用多種客戶端實時查看數據，并從平臺獲取測繪建模、智能分析等數據產品。

網聯無人機云平臺作為物聯網、云計算、大數據和人工智能的綜合載體，提供包含存儲、分發與處理的一站式數據服務，主要包括遙測及影像數據的存儲，視頻直播、點播、組播，各類地理信息建模，目標識別、變化檢測等智能分析服務。

4 結束語

圖8 網絡無人機云平臺架構

5G不僅提升個人移動終端的傳輸速率，同時也將推動人們生產生活中的技術升級與變革：5G將驅動移動互聯網向產業互聯網升級，重塑行業應用場景及業務形態，推動社會數字化演進。透過一系列的行業應用與案例分析發現，5G核心技術疊加靈活、彈性、開放的網絡架構為全社會全行業提供數字化轉型的動力。未來將出現數以萬計的5G行業應用，具體的場景將由5G基本場景疊加其他領域通用技術，與垂直行業中的具體應用場景相結合形成具體的5G行業應用。

隨著5G移動通信技術的日趨成熟，信息互聯將進入嶄新的時代。5G技術將增強網絡帶寬，大幅提高海量物聯，提供高可靠低時延的連接保障。同時也將促進通信網、互聯網、物聯網的深度融合，使人與人、物與物、人與物之間能夠更為便捷、快速、廣泛的連接與交互。功能的豐富、性能的增強勢必提升網絡規劃建設與維護優化的復雜程度；因此如何研發設計通信架構，靈活調度網絡資源，合理規劃網絡建設，維護優化網絡性能，以應對不同場景對網絡差異的需求，是電信行業正在積極探索，且也面對競爭的技術課題。

作為萬物智慧互聯時代的建設者，電信行業正踏入升級轉型之路，由互聯互通管理者的角色向智聯服務的供給者邁進。運營商將充分利用5G網絡的優勢，不斷提升智慧互聯的各類功能，以創新實踐、多方協作的姿態，共同建設信息融合的智能產業環境生態。