《电子技术应用》
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5G网络关键技术和业务
2018年电子技术应用第9期
朱雪田,夏 旭,齐 飞
中国电信股份有限公司北京研究院 网络技术与规划部,北京102209
摘要: 2018年6月14日,3GPP全会(TSG#80)批准了第五代移动通信技术标准(5G NR)独立组网功能冻结。加之2017年12月完成的非独立组网NR标准,5G已经完成第一阶段全功能标准化工作,进入了产业全面冲刺新阶段。此次SA功能冻结,不仅使5G NR具备了独立部署的能力,也带来了全新的端到端新架构,赋能企业级客户和垂直行业的智慧化发展,为运营商和产业合作伙伴带来新的商业模式,开启一个全连接的新时代。首先介绍大规模天线、服务化架构、边缘计算和网络切片等5G网络关键技术,并在阐述三大场景应用的未来商业模式的基础上,就5G商用进程与发展现状进行了分析。
中图分类号: TN929.5
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.189020
中文引用格式: 朱雪田,夏旭,齐飞. 5G网络关键技术和业务[J].电子技术应用,2018,44(9):1-4,8.
英文引用格式: Zhu Xuetian,Xia Xu,Qi Fei. 5G key technologies and business forecast[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(9):1-4,8.
5G key technologies and business forecast
Zhu Xuetian,Xia Xu,Qi Fei
Department of Network Technology and Planning,China Telecom Beijing Research Institute,Beijing 102209,China
Abstract: On June 14,2018,the 3GPP plenary meeting(TSG#80) approved the freeze of the independent networking function of the fifth generation mobile communication technology standard(5G NR). Coupled with the NR standard which was completed in December 2017, 5G has completed the first phase of full function standardization, and has entered a new stage of industrial sprint. The SA function freeze not only enables the 5G NR to have the ability to deploy independently, but also brings a new end to end new architecture, enabling the intelligent development of enterprise customers and vertical industries, bringing new business models for operators and industrial partners, and opening a new era of full connection. This paper firstly introduces 5G network key technologies, such as large-scale antenna, service-oriented architecture, edge calculation and network slicing, and analyzes the process and development status of 5G commercial application on the basis of elaborating the future business model applied in the three scenarios.
Key words : 5G;NR;MIMO;network slicing;MEC

0 引言

    第五代移动通信(5G)以全新的移动通信系统架构,提供至少十倍于4G的峰值速率、毫秒级的传输时延和千亿级的连接能力,实现网络性能新的跃升。5G是数字经济的关键基础设施。5G将与云计算、大数据、人工智能等技术深度融合,加速5G在各行各业的融合应用,创新商业模式,促进5G技术向经济社会各领域的扩散渗透,拓展数字经济发展新空间。

    3GPP Rel-15标准冻结是5G标准化工作的一个重要里程碑。5G NR具备独立部署能力的同时,也带来全新的端到端新型架构,赋能企业级客户和垂直行业的智慧化发展,为运营商和产业合作伙伴带来全新商业模式。本文基于5G典型应用场景,分析了5G网络关键技术,并就未来商业模式发展趋势进行展望。

1 5G典型应用场景

    5G主要有三大应用场景包括:eMBB(增强移动宽带)、uRLLC(低时延高可靠)、mMTC(海量大连接)。eMBB将为移动互联网业务提供前所未有的极致体验,主要满足超高清视频、下一代社交网络、浸入式游戏、全息视频等移动互联网业务需求,随时随地(包括小区边缘、高速移动等恶劣环境和局部热点地区)为用户提供无缝的高速业务。uRLLC和mMTC将满足物联网和垂直行业的多样化应用需求。其中,uRLLC面向车联网、工业控制、远程手术等对时延和可靠性具有极高要求的垂直行业,为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。而mMTC主要面向智慧城市、环境监测、智慧农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景,具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。

2 5G关键技术

2.1 大规模天线技术(Massive MIMO)[1-2]

    大规模天线技术是在基站收发信机上使用大数量阵列天线,实现了更大的无线数据流量和连接可靠性,如图1所示。相比于以往单/双极化天线和4/8通道天线,大规模天线技术能够通过不同的维度(空域、时域、频域、极化域等)提升频谱和能量的利用效率。5G基站天线数端口数将有大幅度增长,并可以通过多用户MIMO技术,支持更多用户的空间复用传输,大幅提升5G系统频谱效率,用于在用户密集的高容量场景提升用户体验。大规模多天线系统还可以控制每一个天线通道信号的相位和幅度,从而产生具有指向性的波束,以增强波束方向的信号,补偿无线传播损耗,获得赋形增益,赋形增益则可用于提升小区覆盖。

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2.2 服务化架构(Service-Based Architecture,SBA)

    未来5G的不同服务对网络存在多样化和定制化的要求,例如:智能家居、智能电网、智能农业和智能秒表需要大量的额外连接和频繁传输小型数据包的服务支撑,自动驾驶和工业控制要求毫秒级时延和趋于100%的高可靠性,而娱乐信息服务则要求固定或移动宽带连接。上述服务需求表明,5G核心网架构需要支持控制与转发分离、网络功能模块化设计、接口服务化和IT化、增强的能力开放等新特性,以满足5G网络灵活、高效、开放的发展趋势。5G服务化系统架构如图2所示。

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    面向业务的5G网络架构将现有网络侧的控制面功能进行融合和统一,并分解成为多个独立的网络服务,可以根据业务需求进行灵活的组合。每个网络服务和其他服务在业务功能上解耦,并且对外提供统一类型的服务化接口,向其他调用者提供服务,从而实现全方位能力开放。

2.3 边缘计算(Edge Computing,EC)

    边缘计算是在靠近人、物或数据源头的网络边缘侧,融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台,就近提供边缘智能服务,满足行业数字化在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。在3GPP R15中,基于服务化架构,5G协议模块可以根据业务需求灵活调用,为构建边缘网络提供了技术标准,从而使得MEC可以按需、分场景灵活部署在无线接入云、边缘云或者汇聚云,从而一定程度解决了5G eMBB(增强移动宽带)、uRLLC(关键任务)、mMTC(海量连接)等技术场景的业务需求。同时MEC通过充分挖掘网络数据和信息,实现网络上下文信息的感知和分析,并开放给第三方业务应用,有效提升了网络的智能化水平,促进网络和业务的深度融合。5G边缘计算架构图如图3所示。

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2.4 网络切片(Network Slicing,NS)[3-4]

    网络切片将在5G的实施中发挥关键作用,该技术允许运营商在单一的物理基础设施之上运行多个虚拟网络。5G网络切片是面向特定的业务需求,满足差异化SLA(Service Level Agreement),自动化按需构建相互隔离的网络实例。5G网络切片具备了“端到端网络保障SLA、业务隔离、网络功能按需定制、自动化”的典型特征。3GPP定义的网络切片管理功能包括通信业务管理、网络切片管理、网络切片子网管理。其中,通信业务管理功能实现业务需求到网络切片需求的映射;网络切片管理功能实现切片的编排管理,并将整个网络切片的SLA分解为不同切片子网(如核心网切片子网、无线网切片子网和承载网切片子网)的SLA;网络切片子网管理功能实现将SLA映射为网络服务实例和配置要求,并将指令下达给MANO,通过MANO进行网络资源编排,对于承载网络的资源调度将通过与承载网络管理系统的协同来实现。

    5G网络切片服务于垂直行业典型场景如图4所示。

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3 5G垂直行业应用

    5G对垂直行业的真正意义是通过前所未有的连接能力支撑不同行业用户生产、销售、运营、商业模式的数字化变革,并最终给行业机构和消费者用户带来更多的收益和体验。在5G应用的初期阶段,将主要延续4G的业务发展路线,提升下载速度和系统容量的需求,例如:赛事/大型活动、教学培训、视频监控等应用将催生更大数据流量的使用,进一步促进高清视频、虚拟现实(VR)和增强现实(AR)等业务的发展。在5G应用的成熟阶段,行业关注点将转向低时延、高可靠的网络特性,网联智能汽车、智能制造和产业园区等高价值应用将助力运营商通过开放网络能力,打造差异化的网络优势,推动移动通信行业与其他垂直行业合作探索新领域。

3.1 增强型移动宽带场景业务应用

    增强型移动宽带将是5G网络最早实现商用的场景,同时也是最为核心的场景,它将满足个人用户对高数据速率、高移动性的业务需求。如4K/8K超高清视频、虚拟现实和增强现实等新业务将广泛应用于赛事/大型活动、教学培训、智慧旅游和视频监控等领域,成为5G的基础业务应用。4K/8K、VR/AR等新业务必须解决两大网络问题:(1)Gb/s以上的无线传输速率;(2)毫秒级的网络传输时延。目前,5G网络在高带宽、低时延方面已经达到或部分超越了4K/8K、VR/AR等新业务对于实时传输速率的要求,未来在任何一个有5G网络覆盖的场所,可以不受地域限制地享受移动宽带业务带来的极致体验。虚拟现实应用的典型场景如虚拟游戏、现场体育赛事转播、远程展示、远程设备控制等;增强现实应用的典型场景如智能导航、导游、教育培训等。

    增强型移动宽带场景下业务对网络指标的要求如表1所示。

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3.2 低时延高可靠场景业务应用

    5G不是简单的通信网络升级换代,低时延高可靠是5G区别于2G/3G/4G的一个典型场景,也是移动通信行业切入垂直行业的一个重要突破口,成为多产业融合的信息化革命重要推手。自2015年以来,国务院先后出台了《中国制造2025》、《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》、《深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》等一系列指导性文件,旨在推动互联网与垂直行业融合创新,形成多重优势叠加,促进实体经济转型升级。垂直行业与信息通信结合,将产生更广阔的市场空间。5G定义的超高可靠、低时延的特性,将突破原有移动通信的行业局限,广泛应用于网联智能汽车、智能制造、智慧电力、无线医疗等更多领域,不同业务对网络可靠性和低时延也有着不同的要求。低时延高可靠场景下业务对网络指标的要求如表2所示。

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3.3 低功耗大连接场景业务应用

    低功耗大连接是5G三大应用场景中面向物联网业务的场景,对网络感知实时性要求低,但对终端密集程度要求高。延续现有的NB-IoT/eMTC物联网云平台,以传感资产标识类信息、状态开关类信息以及数字传感类终端不断发展,未来还将承载更密集海量机器类通信。物联网应用将会渗透到人们的居住、工作、休闲、交通等各个领域,典型应用场景包括基于园区的智慧安防、资产/人员管理、楼宇管理等,以及基于城市的市政管理、环境管理、物流、农业等众多领域。

    面向未来低功耗大连接场景下海量机器类终端和繁杂碎片化的应用,NB-IoT/eMTC等现有版本物联网技术已无法完全满足网络的需求。如基于市政管理、环境管理等城市联网节点,需要支持超100万/km2的连接密度,终端具备超低能耗效率、超高安全性能及超低成本要求;基于园区的智慧安防、资产/人员管理、楼宇管理等业务,某些业务对上行传输速率要求达到1 Mb/s,同时要求网络为不同类型的终端提供可自由通信的通信框架及管理的功能。由此可见,只有依靠5G网络才能应对如此庞大的联网系统。

    低功耗大连接场景下业务网络指标要求如表3所示。

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4 5G商用进程与发展现状[5]

    各国政府和主要运营商在5G标准推进、技术研发和业务部署等方面积极推动,旨在通过5G实现互联网与垂直行业融合创新,达到促进实体经济转型升级的目标。

    美国运营商竞相布局5G商用网络,Verizon 2018年H2将在5个城市商用5G,并计划在2019年将其5G网络升级至兼容3GPP 5G标准。AT&T 2018年底将在12个城市推出5G商用服务,Sprint 2019年H1将在9个城市商用5G,T-Mobile US计划2019~2020年间在30个城市推出5G商用服务。

    2018年6月,韩国完成5G频谱拍卖(包括3.5 GHz频段与28 GHz频段),随着5G设备供应商的选定,韩国三大运营商将会在2019年初大规模建设5G网络,并提供5G商用服务。

    2013年,中国IMT-2020(5G)推进组成立,全面组织开展5G的推进工作,特别是在技术创新、标准推进、产业协作和国际合作方面发挥重要作用。随着5G标准逐步完善,推进组工作也进一步转向产业化和业务应用的推进。通过电信运营商、互联网公司,以及系统设备商、终端制造商组成的产业圈,各方通力合作,进行5G全方位生态建设,打造5G业务落地的示范效应,提升其他垂直领域对5G的信心,从而推动5G生态圈不断壮大。

5 结论

    5G技术从开始阶段即引入新一代空中接口和全面云化的网络架构设计理念,通过在统一的底层物理设施基础上按需组合封装出不同的网络切片,各类行业应用可通过定制和租赁运营商的切片网络,满足未来市场需求的多样化和不确定性。

    各种创新技术的组合使用,使5G相比于其他通信方式在综合能力上呈现出更突出的优势,5G作为通信基础设施平台,将成为兑付“一张网络使能多个行业”目标的最佳使能平台,5G快速、可靠、大连接的通信能力,也必将使运营商网络的半径延伸覆盖到各行各业中。

参考文献

[1] 中国电信.中国电信5G技术白皮书[EB/OL].(2018-06-xx)[2018-08-03].http://www.chinatelecom.com.cn/2018/ct5g/.

[2] Rong Bo,Qiu Xuesong,KADOCH M,et al.5G heteroge-neous networks: self-organizing and optimization[M].Springer International Publishing,2016.

[3] 夏旭,朱雪田,邢燕霞,等.5G网络切片按需定制使能电力智能化服务[J].通信世界,2017(20):51.

[4] 中国电信,国家电网,华为.5G网络切片使能智能电网[R].2018.

[5] IMT-2020(5G)推进组[OL].(2017-07-07)[2018-08-03].http://www.imt-2020.org.cn/zh.



作者信息:

朱雪田,夏  旭,齐  飞

(中国电信股份有限公司北京研究院 网络技术与规划部,北京102209)