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5G 第五代移动通信技术概要 干士联盟

   第五代移动通信技术(英语:5th Generation Mobile Communication Technology简称5G)是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术,是实现人机物互联的网络基础设施。

国际电信联盟(ITU)定义了5G的三大类应用场景,即增强移动宽带(eMBB)、超高可靠低时延通信(uRLLC)和海量机器类通信(mMTC)。增强移动宽带(eMBB)主要面向移动互联网流量爆炸式增长,为移动互联网用户提供更加极致的应用体验;超高可靠低时延通信(uRLLC)主要面向工业控制、远程医疗、自动驾驶等对时延和可靠性具有极高要求的垂直行业应用需求;海量机器类通信(mMTC)主要面向智慧城市、智能家居、环境监测等以传感和数据采集为目标的应用需求。
为满足5G多样化的应用场景需求,5G的关键性能指标更加多元化。ITU定义了5G八大关键性能指标,其中高速率、低时延、大连接成为5G最突出的特征,用户体验速率达1Gbps,时延低至1ms,用户连接能力达100万连接/平方公里。
2018年6月3GPP发布了第一个5G标准(Release-15),支持5G独立组网,重点满足增强移动宽带业务。2020年6月Release-16版本标准发布,重点支持低时延高可靠业务,实现对5G车联网、工业互联网等应用的支持。Release-17(R17)版本标准将重点实现差异化物联网应用,实现中高速大连接,计划于2022年6月发布。
2020年4月8日,中国移动、中国电信、中国联通携手11家合作伙伴共同发布《5G消息白皮书》[14] ,三大运营商计划在2020年内推出5G消息。[15] 

目录

  1. 1发展背景

  2. 2性能指标

  3. 3发展历程

  4. 4关键技术

  1. 5G无线关键技术

  2. 5G网络关键技术

  3. 5应用领域

  4. 工业领域

  5. 车联网与自动驾驶

  1. 能源领域

  2. 医疗领域

  3. 文旅领域

  4. 5G消息

发展背景

移动通信延续着每十年一代技术的发展规律,已历经1G、2G、3G、4G的发展。每一次代际跃迁,每一次技术进步,都极大地促进了产业升级和经济社会发展。从1G到2G,实现了模拟通信到数字通信的过渡,移动通信走进了千家万户;从2G到3G、4G,实现了语音业务到数据业务的转变,传输速率成百倍提升,促进了移动互联网应用的普及和繁荣。当前,移动网络已融入社会生活的方方面面,深刻改变了人们的沟通、交流乃至整个生活方式。4G网络造就了非常辉煌的互联网经济,解决了人与人随时随地通信的问题,随着移动互联网快速发展,新服务、新业务不断涌现,移动数据业务流量爆炸式增长,4G移动通信系统难以满足未来移动数据流量暴涨的需求,急需研发下一代移动通信(5G)系统。
5G作为一种新型移动通信网络,不仅要解决人与人通信,为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清(3D)视频等更加身临其境的极致业务体验,更要解决人与物、物与物通信问题,满足移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等物联网应用需求。最终,5G将渗透到经济社会的各行业各领域,成为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施。

性能指标

1.峰值速率需要达到10-20Gbit/s,以满足高清视频、虚拟现实等大数据量传输。
2.空中接口时延低至1ms,满足自动驾驶、远程医疗等实时应用。
3.具备百万连接/平方公里的设备连接能力,满足物联网通信。
4.频谱效率要比LTE提升3倍以上。
5.连续广域覆盖和高移动性下,用户体验速率达到100Mbit/s。
6.流量密度达到10Mbps/m2以上。
7.移动性支持500km/h的高速移动。

发展历程

2013年2月,欧盟宣布将拨款5000万欧元,加快5G移动技术的发展,计划到2020年推出成熟的标准
2013年4月,工信部、发展改革委、科技部共同支持成立IMT-2020(5G)推进组,作为5G推进工作的平台,推进组旨在组织国内各方力量、积极开展国际合作,共同推动5G国际标准发展。2013年4月19日,IMT-2020(5G)推进组第一次会议在北京召开。[1] 
2014年5月8日,日本电信营运商NTT DoCoMo正式宣布将与Ericsson、Nokia、Samsung等六家厂商共同合作,开始测试超越现有4G网络1000倍网络承载能力的高速5G网络,传输速度可望提升至10Gbps。预计在2015年展开户外测试,并期望于2020年开始运作
2016年1月,中国5G技术研发试验正式启动,于2016-2018年进行实施,分为5G关键技术试验、5G技术方案验证和5G系统验证三个阶段。
2016年5月31日,第一届全球5G大会在北京举行。本次会议由中国、欧盟、美国、日本和韩国的5个5G推进组织联合主办。工业和信息化部部长苗圩出席会议并致开幕词。苗圩指出,发展5G已成为国际社会的战略共识。5G将大幅提升移动互联网用户业务体验,满足物联网应用的海量需求,推动移动通信技术产业的重大飞跃,带动芯片、软件等快速发展,并将与工业、交通、医疗等行业深度融合,催生工业互联网、车联网等新业态。[2] 
2017年11月15日,工信部发布《关于第五代移动通信系统使用3300-3600MHz和4800-5000MHz频段相关事宜的通知》,确定5G中频频谱,能够兼顾系统覆盖和大容量的基本需求。
2017年11月下旬中国工业和信息化部发布通知,正式启动5G技术研发试验第三阶段工作,并力争于2018年年底前实现第三阶段试验基本目标。
2017年12月21日,在国际电信标准组织3GPP RAN第78次全体会议上,5G NR首发版本正式冻结并发布。
2017年12月,发改委发布《关于组织实施2018年新一代信息基础设施建设工程的通知》,要求2018年将在不少于5个城市开展5G规模组网试点,每个城市5G基站数量不少50个、全网5G终端不少于500个。
2018年2月27日,华为在MWC2018大展上发布了首款3GPP标准5G商用芯片巴龙5G01和5G商用终端,支持全球主流5G频段,包括Sub6GHz(低频)、mmWave(高频),理论上可实现最高2.3Gbps的数据下载速率。
2018年6月13日,3GPP 5G NR标准SA(Standalone,独立组网)方案在3GPP第80次TSG RAN全会正式完成并发布,这标志着首个真正完整意义的国际5G标准正式出炉。
2018年2月1日,“绽放杯”5G应用征集大赛项目申报正式开始。大赛由工业和信息化部指导,中国信息通信研究院和IMT-2020(5G)推进组主办。[3] 
2018年12月1日,韩国三大运营商SK、KT与LG U+同步在韩国部分地区推出5G服务,这也是新一代移动通信服务在全球首次实现商用。第一批应用5G服务的地区为首尔、首都圈和韩国六大广域市的市中心,以后将陆续扩大范围。按照计划,韩国智能手机用户2019年3月份左右可以使用5G服务,预计2020年下半年可以实现5G全覆盖。
2018年12月10日,工信部正式对外公布,已向中国电信、中国移动、中国联通发放了5G系统中低频段试验频率使用许可。这意味着各基础电信运营企业开展5G系统试验所必须使用的频率资源得到保障,向产业界发出了明确信号,进一步推动我国5G产业链的成熟与发展
2019年1月25日,工业和信息化部副部长陈肇雄在第十七届中国企业发展高层论坛上表示,在各方共同努力下,我国5G发展取得明显成效,已具备商用的产业基础。[4] 
2019年4月3日,韩国电信公司(KT)、SK电讯株式会社以及LG U+三大韩国电信运营商正式向普通民众开启第五代移动通信(5G)入网服务。[5] 
2019年4月3日,美国最大电信运营商Verizon宣布,即日起在芝加哥和明尼阿波利斯的城市核心地区部署“5G超宽带网络”。[6] 
2019年6月6日,工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照,中国正式进入5G商用元年。
2019年10月,5G基站正式获得了工信部入网批准。工信部颁发了国内首个5G无线电通信设备进网许可证,标志着5G基站设备将正式接入公用电信商用网络。
2019年10月31日,三大运营商公布5G商用套餐,并于11月1日正式上线5G商用套餐。 2020年3月24日,工信部发布关于推动5G加快发展的通知,全力推进5G网络建设、应用推广、技术发展和安全保障,特别提出支持基础电信企业以5G独立组网为目标加快推进主要城市的网络建设,并向有条件的重点县镇逐步延伸覆盖。[7] 
2020年6月1日,工信部部长苗圩在两会“部长通道”接受媒体采访时说,2020年以来5G建设加快了速度,虽然疫情发生后,1-3月份发展受到影响,但各企业正在加大力度,争取把时间赶回来。目前,中国每周增加1万多个5G基站。4月份,5G客户增加了700多万户,累计超过3600万户。[8] 
2020年9月5日,工业和信息化部部长肖亚庆在中国国际服务贸易交易会举行的数字贸易发展趋势和前沿高峰论坛上表示,当前中国5G用户已超过6000万,2020年将推动5G大规模商用。[9] 
2020年12月22日,在此前试验频率基础上,工信部向中国电信、中国移动、中国联通三家基础电信运营企业颁发5G中低频段频率使用许可证。同时许可部分现有4G频率资源重耕后用于5G,加快推动5G网络规模部署。[10] 
2021年2月23日,工业和信息化部副部长刘烈宏出席2021年世界移动通信大会(上海),在大会数字领导者闭门会议上,刘烈宏表示,5G赋能产业数字化发展,是5G成功商用的关键。[11] 
2021年3月8日,在十三届全国人大四次会议第二场“部长通道”,工业和信息化部部长肖亚庆表示,我国数字经济发展正大步向前,截至2020年底,我国已累计建成5G基站71.8万个,“十四五”期间,我国将建成系统完备的5G网络,5G垂直应用的场景将进一步拓展。[12]
2021年4月19日,在国新办举行的政策例行吹风会上,工业和信息化部副部长刘烈宏表示,我国已初步建成了全球最大规模的5G移动网络。[
5G国际技术标准重点满足灵活多样的物联网需要。在OFDMA和MIMO基础技术上,5G为支持三大应用场景,采用了灵活的全新系统设计。在频段方面,与4G支持中低频不同,考虑到中低频资源有限,5G同时支持中低频和高频频段,其中中低频满足覆盖和容量需求,高频满足在热点区域提升容量的需求,5G针对中低频和高频设计了统一的技术方案,并支持百MHz的基础带宽。为了支持高速率传输和更优覆盖,5G采用LDPC、Polar新型信道编码方案、性能更强的大规模天线技术等。为了支持低时延、高可靠,5G采用短帧、快速反馈、多层/多站数据重传等技术。

5G网络关键技术

5G采用全新的服务化架构,支持灵活部署和差异化业务场景。5G采用全服务化设计,模块化网络功能,支持按需调用,实现功能重构;采用服务化描述,易于实现能力开放,有利于引入IT开发实力,发挥网络潜力。5G支持灵活部署,基于NFV/SDN,实现硬件和软件解耦,实现控制和转发分离;采用通用数据中心的云化组网,网络功能部署灵活,资源调度高效;支持边缘计算,云计算平台下沉到网络边缘,支持基于应用的网关灵活选择和边缘分流。通过网络切片满足5G差异化需求,网络切片是指从一个网络中选取特定的特性和功能,定制出的一个逻辑上独立的网络,它使得运营商可以部署功能、特性服务各不相同的多个逻辑网络,分别为各自的目标用户服务,目前定义了3种网络切片类型,即增强移动宽带、低时延高可靠、大连接物联网。

应用领域

工业领域
5G在工业领域的应用涵盖研发设计、生产制造、运营管理及产品服务4个大的工业环节,主要包括16类应用场景,分别为:AR/VR研发实验协同、AR/VR远程协同设计、远程控制、AR辅助装配、机器视觉、AGV物流、自动驾驶、超高清视频、设备感知、物料信息采集、环境信息采集、AR产品需求导入、远程售后、产品状态监测、设备预测性维护、AR/VR远程培训等。当前,机器视觉、AGV物流、超高清视频等场景已取得了规模化复制的效果,实现“机器换人”,大幅降低人工成本,有效提高产品检测准确率,达到了生产效率提升的目的。未来远程控制、设备预测性维护等场景预计将会产生较高的商业价值,5G在工业领域丰富的融合应用场景将为工业体系变革带来极大潜力,使能工业智能化发展。

车联网与自动驾驶

5G车联网助力汽车、交通应用服务的智能化升级。5G网络的大带宽、低时延等特性,支持实现车载VR视频通话、实景导航等实时业务。借助于车联网C-V2X(包含直连通信和5G网络通信)的低时延、高可靠和广播传输特性,车辆可实时对外广播自身定位、运行状态等基本安全消息,交通灯或电子标志标识等可广播交通管理与指示信息,支持实现路口碰撞预警、红绿灯诱导通行等应用,显著提升车辆行驶安全和出行效率,后续还将支持实现更高等级、复杂场景的自动驾驶服务,如远程遥控驾驶、车辆编队行驶等。5G网络可支持港口岸桥区的自动远程控制、装卸区的自动码货以及港区的车辆无人驾驶应用,显著降低自动导引运输车控制信号的时延以保障无线通讯质量与作业可靠性,可使智能理货数据传输系统实现全天候全流程的实时在线监控。

能源领域

在电力领域,能源电力生产包括发电、输电、变电、配电、用电五个环节,目前5G在电力领域的应用主要面向输电、变电、配电、用电四个环节开展,应用场景主要涵盖了采集监控类业务及实时控制类业务,包括:输电线无人机巡检、变电站机器人巡检、电能质量监测、配电自动化、配网差动保护、分布式能源控制、高级计量、精准负荷控制、电力充电桩等。当前,基于5G大带宽特性的移动巡检业务较为成熟,可实现应用复制推广,通过无人机巡检、机器人巡检等新型运维业务的应用,促进监控、作业、安防向智能化、可视化、高清化升级,大幅提升输电线路与变电站的巡检效率;配网差动保护、配电自动化等控制类业务现处于探索验证阶段,未来随着网络安全架构、终端模组等问题的逐渐成熟,控制类业务将会进入高速发展期,提升配电环节故障定位精准度和处理效率。
在煤矿领域,5G应用涉及井下生产与安全保障两大部分,应用场景主要包括:作业场所视频监控、环境信息采集、设备数据传输、移动巡检、作业设备远程控制等。当前,煤矿利用5G技术实现地面操作中心对井下综采面采煤机、液压支架、掘进机等设备的远程控制,大幅减少了原有线缆维护量及井下作业人员;在井下机电硐室等场景部署5G智能巡检机器人,实现机房硐室自动巡检,极大提高检修效率;在井下关键场所部署5G超高清摄像头,实现环境与人员的精准实时管控。煤矿利用5G技术的智能化改造能够有效减少井下作业人员,降低井下事故发生率,遏制重特大事故,实现煤矿的安全生产。当前取得的应用实践经验已逐步开始规模推广。

医疗领域

5G通过赋能现有智慧医疗服务体系,提升远程医疗、应急救护等服务能力和管理效率,并催生5G+远程超声检查、重症监护等新型应用场景。
5G+超高清远程会诊、远程影像诊断、移动医护等应用, 在现有智慧医疗服务体系上,叠加5G网络能力,极大提升远程会诊、医学影像、电子病历等数据传输速度和服务保障能力。在抗击新冠肺炎疫情期间,解放军总医院联合相关单位快速搭建5G远程医疗系统,提供远程超高清视频多学科会诊、远程阅片、床旁远程会诊、远程查房等应用,支援湖北新冠肺炎危重症患者救治,有效缓解抗疫一线医疗资源紧缺问题。
5G+应急救护等应用,在急救人员、救护车、应急指挥中心、医院之间快速构建5G应急救援网络,在救护车接到患者的第一时间,将病患体征数据、病情图像、急症病情记录等以毫秒级速度、无损实时传输到医院,帮助院内医生做出正确指导并提前制定抢救方案,实现患者“上车即入院”的愿景。
5G+远程手术、重症监护等治疗类应用,由于其容错率极低,并涉及医疗质量、患者安全、社会伦理等复杂问题,其技术应用的安全性、可靠性需进一步研究和验证,预计短期内难以在医疗领域实际应用。

文旅领域

5G在文旅领域的创新应用将助力文化和旅游行业步入数字化转型的快车道。5G智慧文旅应用场景主要包括景区管理、游客服务、文博展览、线上演播等环节。5G智慧景区可实现景区实时监控、安防巡检和应急救援,同时可提供VR直播观景、沉浸式导览及AI智慧游记等创新体验。大幅提升了景区管理和服务水平,解决了景区同质化发展等痛点问题;5G智慧文博可支持文物全息展示、5G+VR文物修复、沉浸式教学等应用,赋能文物数字化发展,深刻阐释文物的多元价值,推动人才团队建设;5G云演播融合4K/8K、VR/AR等技术,实现传统曲目线上线下高清直播,支持多屏多角度沉浸式观赏体验,5G云演播打破了传统艺术演艺方式,让传统演艺产业焕发了新生。

5G消息

5G消息,是短信业务的升级,是运营商的一种基础电信服务,基于IP技术实现业务体验的飞跃,支持的媒体格式更多,表现形式更丰富[16] 。5G消息基于GSMA RCS Universal Profile构建,要求终端及运营商网络支持GSMA RCS Universal Profile 2.4版及后续版本。[17] 
2021年3月3日,新华网重磅推出全国两会5G消息模拟体验产品,带你全新视角看两会。这是新华网继发布传媒行业首个5G消息应用标准后,在5G应用领域的又一次重大突破。[18] 
2021年4月15日,第八届中国(上海)国际技术进出口交易会上,大汉三通控股集团有限公司亮相科技创新展区,此次展出了5G RCS在电商等各垂直领域的应用,包括智能门锁识别系统、沉浸式游戏互动等。[19] 


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