基于5G关键技术的应用场景及发展研究

赵丽

摘   要：基于新型网络架构的5G关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、全频谱接入、新型多址以及新型的网络架构。由此，5G主要应用于云VR/AR，AI化的远程医疗、车联网、智能化无线视频监控等场景。未来5G与各行业的深度融合，将带来万物互联的新机遇。文章对此进行了研究。

关键词：5G关键技术;应用场景;发展趋势

2G萌生数据，3G催生数据，4G发展数据，4G移动互联网的发展空前繁荣，就中国移动集团而言，基站规模208万，用户数7亿，人口覆盖12亿，4G繁荣的同时推动着5G时代的到来。5G关注主要应用的能力指标：更高的用户体验速率，能够达到GBPS量级;设备密度达到每平方千米600万个，流量密度能够达到20 Tbs每平方千米;端到端时延降低到毫秒级水平;移动性达到500 km/h。

1    5G关键技术

5G关键技术包括大规模天线阵列、超密集組网、全频谱接入、新型多址以及新型的网络架构。大规模天线阵列可以大幅提升系统频谱效率;超密集组网以提升百倍量级的容量为目的，用增加基站的部署密度作为手段实现;新型多址技术通过发送信号的叠加传输来提升系统的接入能力，可以支撑千亿级设备的连接需求;全频谱接入技术可以满足频谱资源的需求;新型的网络架构就是采用软件定义网络/网络功能虚拟化（Software Defined Network/Network Function Virtualization，SDN＼NFV）和云计算等技术实现[1]。

1.1  SDN和NFV

网络虚拟化的实现是通过SDN作为技术支持的，负责分离控制面和数据面，将网络控制面整合于一体。这样，网络控制面对网络数据面就有一个宏观的、全面的视野。路由协议交换、路由表生成等路由功能均在统一的控制面完成，实现控制平面与数据平面分离，通过软件化集中控制网络资源。

通信网的一些私有的专用网元设备比较昂贵，NFV的目标就是用基于标准的服务器、存储和交换设备，取代专用网元，通过IT虚拟化技术将网络功能软件化，来达到降低设备成本的目的。通过软硬件解耦的方法实现网元的功能，NFV虚拟化的主要设备包括交换机、路由器、HLR，RNC，SGW，PGW，BARS和MME等，以实现网元功能配置的灵活性[2]。

1.2  5G核心网整体网络架构

服务化架构（Service-Based Architecture，SBA）是5G的重要特征，结合移动核心网的网络特点和技术发展趋势，将网络按照“自包含、可重用、独立管理”三原则，把网络功能定义为若干个可重用的服务模块。网络功能间的交互由“服务”调用实现，每个网络功能对外呈现通用的服务化接口，可被授权的网络功能或服务调用。而传统2G，3G，4G网络架构采用的是“点对点”的架构，网元和网元之间的接口需预先定义和配置，灵活性不强。传统3GPP的P2P架构和5G SBA服务化架构如图1所示。

5G标准架构概览（Service Based Architecture，SBA）：5G网络架构优越性体现在服务化、控制面板模块化、用户面归一化、网络切片、移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）支持和统一鉴权。通过功能解耦的模块化设计、控制与承载分离、功能间以服务的方式进行调用等颠覆性的设计支持端到端切片以实现网络的灵活性。

1.3  5G网络代表性服务能力

5G网络服务能力最具代表性的是网络切片和移动边缘计算。

网络功能虚拟化的关键特性就是网络切片。5G业务在带宽、时延、连接等要求上差异巨大，体现在对移动性、内容感知、高可靠、低时延、无缝覆盖以及大带宽等方面，所以网络需要端到端（End to End，E2E）切片满足不同业务差异化SLA需求。通过网络切片分层，能够按需求灵活地提供多种网络服务。运营商通过切片管理的功能，结合虚拟化资源平台，来提供专用的逻辑网络。

MEC利用无线接入网就近提供用户所需的服务和云端计算的功能，实现业务计算和数据缓存的能力，使数据存储和计算的能力部署更靠近用户的边缘。MEC技术是避免移动承载网被管道化，使服务向信息化服务平台跨越的关键性技术。MEC对无线网与业务进行融合，将传统的无线基站升级为智能化基站，从而可提供定制化、个性化的精准服务。

2    5G应用场景

5G主要应用场景可分为3大类：增强移动宽带场景（Enhanced Mobile Broadband，eMBB），包括连续广覆盖，热点高容量场景，具体应用于增强/虚拟现实;低时延高可靠场景（Ultra Reliable & Low Latency Communication，uRLLC），具体应用于车联网;低功耗大连接场景（Massive Machine Type of Communication，mMTC），具体应用于海量物联网。

2.1  云VR/AR

虚拟现实（Virtual Reality，VR）与增强现实（Augmented Reality，AR）是一种变革性的技术，与云存储、云计算相结合，利用云端的服务器处理数据和计算密集型的任务，从而有效地提高数据处理能力。云VR/AR将在很大程度上降低设备成本，扩大更多的受众群体。连接到云端的各种人机界面将被使用，更多的交互方式（包括语音和触摸等）将被引用。VR/AR对带宽的需求是巨大的，所以它将成为未来移动网络最有潜力的大流量数据业务，这些云服务的访问速度将极大地依赖于5G网络的发展程度。

2.2  AI化的远程医疗

关于医疗的应用场景，除了远程诊断，还包括医疗机器人和医疗认知计算，这些应用对连接提出了不间断保障的要求（如生物遥测，基于VR的医疗培训，救护车无人机，生物信息的实时数据传输等）。移动运营商可以积极与医疗行业伙伴合作，创建一个有利的生态系统，提供医疗物联网（Internet of Medical Things，IoMT）连接和相关服务，如数据分析和云服务等，从而支持各种功能和服务的部署。

2.3  車联网

自动驾驶、远控驾驶、编队行驶以及车辆的生命周期维护，还有传感器等都需要安全可靠、高带宽和低时延的连接，这样的需求只有通过5G技术能够满足。当E2E时延控制在10 ms以内时，在时速90 km下远程紧急制动所产生的刹车距离不超过25 cm，这将推动车联网产业的发展进程。另外，5G能够通过为汽车和道路基础设施提供大带宽和低时延的网络，提供高阶道路感知和精确导航服务。通过车联网，5G+无人驾驶，未来或许可以有效地解决即将面临的物流难题。

2.4  智能化无线视频监控

随着云和移动边缘计算的推出，电信云计算基础设施可以支持更多的人工智能辅助监控应用。摄像机则需要7×24 h不间断地进行视频采集以支持这些应用。摄像头技术的发展，使得最新的视频监控摄像头具有很多增强的特性，这些特性将产生大量的数据流量。这些新的需求必然会依赖5G的技术支持。5G时代的视频监控正在演变成4K全高清监控。视频系统对以下监控场景非常有用：公共场所、商业领域、交通中心、高犯罪率地区、防洪、关键基础设施等。

除了上述的几种应用场景，5G技术还有更多的应用，例如超高清全景直播的社交网络、支持专业巡检和安防的联网无人机、智慧能源和智能制造等。

3    5G发展趋势

从2016年关键技术验证，到2017年外场样机试验（北京/上海/广州/苏州/宁波），到2018年规模试验（20站/城市），再到2019年预商用试验，面向2020年规模商用的5G试验规划已经基本实现。

通信行业的创新，无论是技术的创新还是应用的创新都来自外部。5G不再是单纯的技术支持，更是一种社会生产力，需要面向各个行业，面临更多的社会问题。相比4G的“修路”，5G则是“造城”，打造跨行业生态，包括通信、工业制造、智能车联、增强/虚拟现实和物联网等产业。

5G场景应用的实现需要更多的产业融合创新、资本的持续投入，因此，全面应用的爆发是需要时间的，时间的长短取决于需求的改变、技术的创新和资本的投入。对于社会来说，还会有可能改变法律。未来的前景很乐观，但是爆发的时间一定会是一个漫长的过程。

“4G改变生活，5G改变社会”，5G与各行业深度融合，渗透到未来社会的各个领域，带来万物互联的新机遇，致使各行业的繁荣，最终实现新连接、新应用、新产业、新生态。

[参考文献]

[1]蒋雅丽.推进标准化建设中国移动加快“5G+”融合发展[J].通信世界，2019（5）：8-9.

[2]钱志鸿，王雪.面向5G通信网的D2D技术综述[J].通信学报，2016（7）：1-14.

Research on the application and development of the key technology of 5G

Zhao Li

（China Mobile Tietong Co.， Ltd.， Shenyang Branch， Shenyang 110000， China）

Abstract：The key technologies of 5G based on new network architecture include large-scale antenna array， ultra-dense networking， full spectrum access， new multiple access and new network architecture. Therefore， 5G is mainly used in cloud VR/AR， AI-based telemedicine， vehicle networking， intelligent wireless video surveillance and other scenarios. The deep integration of 5G and other industries in the future will bring new opportunities for the interconnection of all things. This paper analyzes and studies it.

Key words：5G key technology; application scenario; development trend