5G网络应用场景及规划设计要素

2018-07-04肖子玉

电信工程技术与标准化 2018年7期

肖子玉

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 5G标准研究和产业进展

1.1 5G标准进展及提供的网络能力（R15）

3GPP 5G第一个商用版本标准R15如期于2018年6月13日宣告冻结。5G R15版本标准主要面向5G eMBB(enhanced Mobile BroadBand，增强移动宽带)业务场景，提供大带宽的无线接入能力，并完成了5G核心网革命性的关键技术和新架构的设计。5G核心网完成了服务化架构（SBA）、网络切片、边缘计算、C/U分离、统一数据库UDR、按需的移动性管理、增强的会话管理和业务连续性、与4G的网间互操作、支持基于流的QoS控制、支持RRC Inactive状态、支持紧急业务、位置定位功能，支持基于IMS的语音业务和基于NAS的短信业务等功能。

1.2 下一阶段3GPP 5G标准的研究重点(R16)

5G R16版本标准主要面向uRLLC（ultra-Reliable and Low Latency Communications，超高可靠低时延通信）场景的网络能力增强进行研究，包括超低时延的要求，从R15无线空口时延4 ms降低到小于1 ms，同时实现面向垂直行业的高可靠性和精确定位等网络能力要求，并对5G V2X、5G MEC、Non-3GPP统一接入和动态网络切片能力进行增强等。主要研究点如表1所示。R16标准同时支持eMBB和uRLLC，预计2019年底冻结。

表1 R16阶段5G核心网研究重点

1.3 产业链的进展

通常在标准冻结后半年，产业链将推出满足标准的可测试核心网和无线产品，并推出终端芯片；大部分设备厂商将在2018年底开始陆续推出基于R15的5G核心网、无线产品，2019年产品逐步成熟。主流芯片厂商将从2018年下半年至2019年陆续推出支持5G R15 NSA/SA的芯片，商用终端一般晚于芯片3-6个月。因此预计2019年底，支持5G R15标准的NSA/SA核心网、无线和终端将具备商用部署条件。

2018年中国移动、中国电信和中国联通依托工信部和国家发改委的《5G产品研发规模试验》和《5G规模组网建设及应用示范工程》项目开展5G试验网外场景测试工作。中国移动5G规模试验将在5个城市开展，面向商用组网和规划，开展真实网络环境下的5G规模试验，验证5G技术在典型环境下的真实性能，加速端到端产品的成熟，同时探索5G的规划、组网和优化的理论与方法并形成体系，为5G的商用做好准备。中国移动5G应用示范计划在12个城市开展，积极探索创新发展新模式新业态，有效推动5G与行业融合发展。

AI和智能化正在逐步融入5G技术的原生设计中，未来市场将会需要一个更加开放的5G网络，能够自我学习和预测，能够实现自我管理和优化。这是6G提出的愿景，也是未来移动通信网络发展的方向。

2 5G初期应用场景预判——4G改变生活，5G改变社会

按照IMT-2020和3GPP S1工作组对5G 技术能力和需求的定义，5G技术提供的网络能力将满足三大极限业务场景业务需求。5G eMBB(enhancement Mobile Broadband，增强移动宽带)提供最高可达10 Gbit/s的高速率、高带宽业务能力，可支持超高清3D视频、VR、AR等业务。5G MMTC(Massive Machine Type Communication，大规模机器通信)提供低功耗、高达1000，000/km2的连接密度能力，可支持监控、传感器、智慧城市等应用。uRLLC（ultra-Reliable and Low Latency Communications，）提供可达1 ms的超低时延、高可靠性通信能力，可支持自动驾驶、远程医疗、智慧工厂、人工智能等应用。因此5G技术应用领域广泛，可促进各行各业的智能化和自动化通信需求。5G提供的技术能力融入各行各业，将改变社会生活和生产方式，带动智慧化社会的发展。

2.1 5G R15网络能力

为满足5G宏大的技术愿景和目标，3GPP已完成5G第一个商用版本R15版本的5G标准制定工作，R15对4G 网络功能和架构进行了大量优化和变革，提出服务化架构（SBA），控制平面NF间通信使用统一的服务化接口(SBI)，基于服务进行通信；提出按需的移动性管理，实现不同业务、不同终端的移动性管控；提出新型会话管理，实现按需业务分流；提出网络切片，实现端到端虚拟化逻辑专网；提出移动边缘计算，实现本地计算和低时延业务能力；提出能力开放，实现面向垂直行业和第三方定制化服务。R15标准的5G架构不仅具备满足eMBB场景业务需求，其架构的灵活性和优化设计可满足面向垂直行业的多样性的业务需求。5G R15不仅可满足大带宽的需求，同时还可满足较低时延的要求，用户终端到5G基站单向时延≤4 ms，因此5G R15网络可以满足端到端时延要求≥10 ms的垂直行业业务需求。

2.2 5G R15满足的应用场景

5G R15可满足大带宽的应用场景，为用户提供更高速率和更好的业务体验。对比4G网络无法提供的业务，5G可提供包括360°视频；4K/8K高清视频的直播娱乐节目和体育赛事；高速或中低速移动的交通工具上的信息服务；虚拟现实（VR）、混合现实（MR）、增强现实（AR）应用。其中VR/MR/AR的应用要求5G系统应支持7～15 ms范围内的移动到光子延迟，同时保持所需的用户数据速率为250 Mbit/s和动作—声音延迟＜20 ms。为支持语音会话过程中的交互任务完成，5G系统将支持交互式会话服务的低延迟语音编码(100 ms，单向口对耳)。涉及场景包括密集城区、重要体育、娱乐场馆、会议中心等。网络可为用户提供的单用户体验速率如表2所示。

表2 5G eMBB应用场景单用户体验速率需求表[1]

5G R15可满足端到端时延大于10 ms的低时延业务需求，可满足部分工业制造、智慧园区、监控专网等的应用需求。应用场景涉及工业制造和园区中的流程自动化控制，端到端时延要求50 ms，如炼油厂的流程控制等；监控专网中的配电网络和智能交通系统，端到端时延要求10～25 ms。其中工业和园区应用场景只需局部无线覆盖，配电网络和智能交通系统需要广域无线覆盖。而对于工业制造中的运动控制，如对机械臂的操控，端到端时延要求在1 ms左右，R15网络无法满足业务需求。低时延场景业务需求如表3所示。

表3 低时延场景业务需求[1]

2.3 5G第一阶段应用场景总结

在面临4G到5G网络革新和演进的技术替代中，用户增加、终端改进、资费下降、应用和内容更加丰富、技术进步多因素将驱动数据流量增长。同时5G关键技术面向垂直行业连接和控制需求，将有效推动社会生活和工业生产的智能化进步。本文基于前期研究，提出5G技术第一阶段主要面向的应用场景如图1所示。

5G网络的定位将是满足热点区域大带宽需求和面向垂直行业的数字化、智能化的连接需求。

图1 5G第一阶段应用场景预判

3 5G网络设计要素

3.1 5G网络的设计是面向场景的设计

5G网络将主要用于满足热点区域大带宽需求，作为4G的补充，同时满足垂直行业的连接需求，满足多样化和极限业务需求。因此和4G相比，5G将满足流量热点和多样化网络能力需求，而4G将与5G长期共存，并满足移动宽带业务的基本需求。4G网络的设计是基于业务设计的；而5G将发挥其架构优化和灵活性的技术优势，满足多样化需求，基于场景化设计。

3.2 5G网络的设计是面向切片的设计

5G网络切片的定义是端到端的逻辑功能集合和其所需的物理或虚拟资源，包括接入网、核心网、传输网。因此网络切片可认为是5G网络中的虚拟化“专网”，是满足垂直行业和特定应用场景需求的关键技术。网络切片可实现切片级的资源分配、隔离和质量保证，实现不同切片内流量的差异化处理，匹配不同类型业务需求，实现切片的隔离和端到端质量保证，并为不同场景定制不同的功能特性（移动性、会话管理、边缘计算等），实现切片选择和切片的协同管理。

面向垂直行业和特定应用场景的业务需求，5G网络设计将是面向切片的设计，5G网络将由一张张网络切片形成的逻辑“专网”组成。以5G车联网的设计为例，5G网络的设计流程将包括车联网应用场景设计、切片的划分、功能需求设计、网络分工设计、互联互通设计、漫游设计等，如表4所示。

3.3 5G的设计是面向网络全生命周期设计

5G网络设计不仅包括功能模型、部署模型、配置模型，还包括监控模型设计，5G网络设计将适应虚拟化网络设计态和运维态的生命周期模式，形成面向全生命周期的设计模式。如表4和图2所示。

图2 以车联网为例的切片网络功能设计示意图

表4 以车联网为例面向切片的设计要素示例表

3.4 5G网络的设计要素总结

5G网络设计是场景化、面向切片和网络全生命周期的设计。如图3所示。

图3 5G网络的设计要素

5G网络的设计包括以下重要设计环节，包括业务场景设计、网络切片划分策略设计、切片部署策略设计、切片内网元功能设计、切片容量参数设计、切片监控及弹性策略设计等环节，如图4所示。

4 5G核心网演进关键要素

5G技术架构的选择策略：5G NSA Option3能够实现5G快速部署，但仅能满足初期eMBB大带宽容量补充需求，定位为过渡方案，适用于SA架构系统不成熟，无法提供连续覆盖的场景。而5G SA Option2作为目标网架构，能够实现5G网络全部功能，定位于5G目标方案，产业成熟稍晚，覆盖能力还需进一步试验验证。5G技术路径选择的关键要素取决于5G频谱资源分配、无线覆盖能力、端到端成熟度与商用时间的匹配关系。