5G技术概述与产业发展趋势研究

王纯?尹志东?彭睿?曾波?张宇?王政

摘 要：本文通过梳理5G的发展现状，系统分析了5G产业创新业务应用及5G总体安全架构，从未来应用场景、加速实现产业融合、实现万物互联三个方面预测了5G产业发展趋势，以期为5G技术在万物智能互联时代发挥更重要的作用提供给一定理论参考。

关键词：5G;安全架构;应用场景;万物互联

中图法分类号：TN92             文献标志码：A                DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0216

5G不仅改变了网络传输的效率，也改变了各行各业的传统规则，使传统行业发生融合、协同，极大提升了生产效率，推动经济社会可持续、高质量的发展。专家学者在全世界范围内进行统计，并依据预测模型得出：到2025年，5G将达到目前4G网络的覆盖水平，全球用户将突破10亿。商业机构对市场进测算，超过10万亿美元的全球GDP和超过2 000万的就业岗位将直接和5G应用相关[1]。当前，以华为为代表的国内通讯企业在全球处于领先地位。根据我国官方学术机构研究结果，超过6万亿元的GDP和超过1 000万的就业岗位将直接和5G应用相关。大力发展5G将有利于网络强国和制造强国战略的实施，5G技术将成为我国经济社会实现可持续发展、高质量发展的持续推动力量之一。

1  5G概述

5G是第五代移动通信技术的全称，是第五代手机移动通信标准。虽然4G技术依然占据市场主流，但5G技术优势能全面超越4G。数据传输层面，5G网络理论速度可以达到4G的100倍以上，下行速度更是可以达到10Gbps以上。网络安全性上，5G网络实现全面提升。网络稳定性上，变现在数据传输的低延迟特性上，可以面向无人驾驶、远程工程操作和手术医疗等特定场景。5G技术对4G技术的升级迭代已经不可避免，并将逐步实现商业化，通信产业将迎来新一轮的发展，将带动数万亿规模的新兴产业发展。

2  5G技术的发展现状

5G技术的快速发展改变了整个互联网生态。5G网络三个基本要素是网络基建、云计算设备以及大数据分析，其中5G网络的基础设施建设是基础，在此基础上可以发展基于次时代网络传输效率的远程实时计算，并且在4G不具备大规模应用的大数据分析也将实现。尤其是在工业界，高精度的数据传输以及涉及商业机密的可靠性网络需要，都将依托于5G网络的高速率、低延迟和可靠特性，智能化的工业互联网时代已经到来[2]。5G运营商将顺势而为，利用网络基建、云计算设备以及大数据分析打造全新的万物互联新消费场景。

2.1  5G技术标准进展

5G技术还未建立统一标准。世界各国的科研机构、科技公司都在积极争取先机。其中较为有影响力的是国际电信联盟发布的合作伙伴计划（下文简称3GPP），这一举动使得国际电信联盟在5G技术标准制定上暂时领先。3GPP在2018年发布了两项重要的技术标准：空中接口技术（NR）和独立组网功能（SA），这是5G独有的技术，并且在此基础上继续制定了非独立组网标准（NSA），可以说5G网络的基本标准已经在这个时期制定完成（如图2所示）。2020年，3GPP继续更新早先制定的标准，宣布R16标准，这被业界视为5G网络第一次技术升级。同一时间，我国在政府主导下，国家发改委、科技部、中科院以及国有龙头通讯企业也在大力推进我国的5G技术发展，并且成立了IMT-2020 5G推广小组[3]。

2.2  5G 组网方式

3GPP对5G技术的标准定义了空中接口技术（NR）和独立组网功能（SA），实际上这就是R16的前身R15，即5G基站的第一代技术，相当于将4G组网方式进行了升级，但是没有换代。到R16阶段，4G组网方式已经被完全取消，采用独立组网方式，好处是不同的运营商可以根据自己的基站布设情况来优化自己的网络。实际上，R15的优势在经济，因为不需要大规模的基站更新就可以實现5G网络应用。R16的优势在于真正实现了5G网络的一系列独有功能。

2.3  5G为用户提供了更多的场景应用

5G作为次世代的通信技术，它实现了网络互联效率的质变，数以百倍的速度提升以及数以千倍的用户连接支持数量，更高等级的网络稳定性和信息安全性可以应对未来各种场景对数据传输的需求。因此，多数研究机构将5G未来应用场景归结为海量数据流、海量互联网设备以及海量的新应用场景。例如，海量的大容量资源下载和实时传输，高稳定的数据互换，以及远程工业控制甚至是远程医疗这种几乎没有延迟的数据传输才能实现的应用场景[4]。此外，随着智能生活时代的到来，数量惊人的智能设备以及用户都将介入5G网络。

3  5G总体安全架构

随着新的5G应用场景、网络架构、空中接口技术的出现，用户隐私和安全需求与现有的4G网络将会不同。特别是物联网应用场景带来的大连接认证，在高可用性、低延迟、低能耗等条件下将提出更高的安全需求。此外，5G引入的SDN/NFV、移动边缘计算等新技术将带来更多的变化和安全风险。上述各种新技术、新需求都对5G安全架构的设计提出了新挑战。3GPP工作组SA3负责5G网络安全架构的设计，指出5G安全架构设计中需要注意的领域[5]（如图3所示）。在5G整体安全架构的能力部署层面，各种创新思路尚未趋同，但是内生安全已成为一个引人注目的发展趋势。从5G安全能力部署的角度来看，当前的发展趋势是在5G安全架构的基础上，结合5G网络云化、池化、虚拟化的特点，探索内生安全的机制进而设计部署框架。目前，业界对5G安全的关注和重点研究主要是结合5G安全需求和系统内生安全机制，从空中接口和地面网络两个层面探讨5G网络内生安全要素，引入新的防御机制，提出5G内生安全部署架构。从而在这个架构中，进一步研究物理层安全、轻量级加密、5G网络切片安全、模拟防御、用户隐私保护、区块链技术等关键技术及其在5G中的应用，最终形成防范已知和未知安全风险的高性能、高可靠性的综合技术解决方案[6]。

4  5G产业创新业务应用分析

5G技术还可以推动其他行业进步，甚至催生出新的技术行业。例如在新冠疫情期间，远程办公、教育、医疗的重要性逐渐凸显，越来越多的无人驾驶载具也日臻成熟，5G技术将会在这些领域提供强大的信息技术支持，甚至改变整个行业规则[7]。这就要求5G网络运营商解决好三要素问题：扎实的基站建设、优化的网络架构以及先进的大数据算法，将5G技术向不同行业进行渗透，实现“5G+”。

在智慧交通方面，无人驾驶等技术依靠极其高效的通讯、算法，并且整个路网系统必须进行“云计算”改造，依托于5G技术实现载具和实时路况的适应和交互，也就是所谓的智能交通系统组建[8]。

在工业互联网方面，我国“十四五”规划明确提出要实现经济社会高质量发展，工业互联网升级应用就是重要抓手。实际上，智能制造一直是国家大力发展的产业，工厂智能化、资产管理智能化，尤其是通过工业互联网技术实现安全生产，都将基于5G技术得以实现[9]。

在远程医疗方面，解决医疗资源分配不均衡问题的有效途径就是共享。多医院间通过5G网络进行运营、诊疗甚至手术共享协作，特别是对于传染性疾病进行非接触式的诊疗也将得以真正实现。这一切都将有效使大城市的医疗资源下沉到三四线城市甚至是县城，平衡区域医疗资源不充分，跨区域交通条件受限等问题[10] 。

对数据交换方面，5G技术具有预导频、小帧结构、上下行自由调度等升级功能，解决了空中接口数据传输时延这个最大的技术桎梏[11]。5G网络已经突破现有所有网络设备需要的带宽需求，并且自身网络构架上保证了数据传输上的安全可靠性，在能源、航天、环保、安全巡查、森林防火等关系国家安全领域将得到大规模应用[12]。

5  5G产业发展趋势

5.1  未来应用场景

目前主流观点认为，大规模、大流量的人流场景以及低延迟需求的应用场景是5G技术未来应用的主要场景。例如：我国即将全面进入高铁时代，同时一、二线城市的地铁建设也迎来了高峰，5G网络将首先在高铁、地铁上实现全域覆盖;一、二线城市已经相继建立的城市智慧治理中心，不仅是利用海量信息数据管理城市，同时需要环境检测、应急响应等需5G技术支持的数字化实时管理手段;工业互联网、无人驾驶等技术也将依托于5G技术的安全可靠以及低延迟特性，尤其是虚拟现实技术为各种场景模拟提供了有效解决手段[13]。

5.2  加速实现产业融合

5G技术为支撑，可以实现跨行业加速融合发展。例如：工业互联网的实现就是信息化技术加入到传统工业界[14]。4G时代的商业、服务业领域已经发生巨大变革，5G技术将进一步加速服务业智能化进程，引发产业迭代升级，即是管理方式和供应链体系的智能化。

5.3  实现万物互联

基于5G技术可以实现真正意义上的“万物互联”。在4G时代，人与物之间通过数字化手段已经实现了“互联”，但没有做到“互动”，通过5G网络的信息交换能力，可以实现生活学习、工作生产数字化。另一方面，因为万物互联的实现，消费模式将发生巨大变化，随之而来的是用户体验的升级，继而反向刺激新产业、新业态、新模式的迅速发展[15]。根据国内学术机构以及头部通信企业研究成果，到2030年左右，5G技术将拉动超过6万亿的直接产业价值，间接拉动价值超过10万亿。并且这种拉动呈现出爆发式增长趋势，直接产出：2020年约5千亿元——2025年约3万亿元——2030年约6万亿;间接产出：2020年约1万亿元——2025年约6万亿元——2030年约10万亿。智能制造行业将会是5G时代最大的收益者。根据国际组织IHSMarkit测算，2030年前后，基于5G技术衍生创造的商业价值将达到12万亿美元，智能制造行业将在其中占据非常大的份额，即是超过3万亿美元（如图4所示）。

6  結语

5G技术以百倍量级增加4G网络带宽，不断优化大数据分析算法，提供高可靠性、低延迟的网络连接保障。5G将极大提高个人工作、学习的效率，并彻底改变社会生产传统模式，构建基于5G网络的下一代工业互联网生态，重塑行业应用场景和商业形态，推动通信网络、互联网、物联网的深度融合，使人与人、物与物、人与物更加方便、快捷、广泛地互联互通，推动社会数字化进程。

另一方面，功能的丰富和性能增强必然增加网络设备基建成本和维护优化的复杂性。在实现“万物互联”的过程中，5G网络的建设者要改变自身定位，迅速由互联网的管理者转变为互联网服务的提供者。从网络基础建设、网络资源分配到优化运营多个角度满足5G时代的应用场景。充分利用5G网络优势，不断完善智能互联的各项功能，以创新实践、多方协作，共同构建信息融合的智能产业生态环境。

参考文献：

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[2]黄宗伟.5G通信技术应用场景及关键技术[J].电子技术与软件工程，2019（15）：19-20.

[3]3GPP. Technical Specification Group Servicesand System Aspects;System Architecture forthe 5G System; Stage 2（Release 15）;V2.0.1;3GPP TS 23.501[S]. 2017.

[4]段超.5G若干关键技术研究[J].电子世界，2019，（15）：108.

[5]黄开枝，金梁，赵华.5G安全威胁及防护技术研究[J].邮电设计技术，2015（6）：8-12.

[6]杨静. 基于物理层安全的认证机制研究[D].郑州：解放军信息工程大学，2016：19-28.

[7]季新生，杨静，黄开枝，等.基于哈希方法的物理层认证机制[J].电子与信息学报，2016，38（11）：2900-2907.

[8]朱浩，项菲.5G网络架构设计与标准化进展[J].电信科学，2016，32（4）：126-132.

[9]林伟宏.5G技术对工业互联网应用的影响[J].电子测试，2018，（9）：116-117.

[10]沈飞，杨林玉，方剑，等.5G技术在医疗领域的应用探索[J]. 通信企业管理，2019（08）：31-33.

[11]石丽梅，朱又敏，郑颖，等.基于移动通信技术的5G时代核心网架构研究[J].无线互联科技，2019，16（12）：7-8.

[12]朱浩，项菲. 5G网络架构设计与标准化进展[J].电信科学，2016，32（4）：126-132.

[13]陈山枝. 发展5G的分析与建议[J].电信科学，2016，32（7）：1-10.

[14]张建敏，谢伟良，杨峰义，等.移动边缘计算技术及其本地分流方案[J].电信科学，2016，32（7）：132-139.

[15]赵丽.基于5G关键技术的应用场景及发展研究[J].无线互联科技，2019，16（12）：139-140.

5G Technology Overview and Industry Development Trend Research

Wang Chun  Yin Zhidong  Peng Rui  Zeng Bo  Zhang Yu  Wang Zheng

（Office of the People's Government of Chenghua District，Chengdu City，Chengdu 610051，China）

Abstract：This article systematically analyzes the 5G industry's innovative business applications and the overall security architecture of 5G by sorting out the status quo of 5G development. The article predicts the development trend of the 5G industry from the three aspects of future application scenarios，accelerating the realization of industrial integration，and realizing the interconnection of all things，and provides a theoretical reference for 5G technology to play a more important role in the era of intelligent interconnection of all things.

Keywords：5G; security architecture; application scenarios; Internet of Everything

收稿日期：2020-03-22

基金項目：本文系2020年成都哲学社会科学规划项目“5G背景下成都新兴产业发展路径选择研究”（项目编号：2020BZ115）

阶段性成果

作者简介：王纯，男，主要研究方向为信息技术、产业规划发展。