肖子玉

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

1 5G標(biāo)準(zhǔn)研究和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展

1.1 5G標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展及提供的網(wǎng)絡(luò)能力（R15）

3GPP 5G第一個商用版本標(biāo)準(zhǔn)R15如期于2018年6月13日宣告凍結(jié)。5G R15版本標(biāo)準(zhǔn)主要面向5G eMBB(enhanced Mobile BroadBand，增強(qiáng)移動寬帶)業(yè)務(wù)場景，提供大帶寬的無線接入能力，并完成了5G核心網(wǎng)革命性的關(guān)鍵技術(shù)和新架構(gòu)的設(shè)計。5G核心網(wǎng)完成了服務(wù)化架構(gòu)（SBA）、網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算、C/U分離、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫UDR、按需的移動性管理、增強(qiáng)的會話管理和業(yè)務(wù)連續(xù)性、與4G的網(wǎng)間互操作、支持基于流的QoS控制、支持RRC Inactive狀態(tài)、支持緊急業(yè)務(wù)、位置定位功能，支持基于IMS的語音業(yè)務(wù)和基于NAS的短信業(yè)務(wù)等功能。

1.2 下一階段3GPP 5G標(biāo)準(zhǔn)的研究重點(R16)

5G R16版本標(biāo)準(zhǔn)主要面向uRLLC（ultra-Reliable and Low Latency Communications，超高可靠低時延通信）場景的網(wǎng)絡(luò)能力增強(qiáng)進(jìn)行研究，包括超低時延的要求，從R15無線空口時延4 ms降低到小于1 ms，同時實現(xiàn)面向垂直行業(yè)的高可靠性和精確定位等網(wǎng)絡(luò)能力要求，并對5G V2X、5G MEC、Non-3GPP統(tǒng)一接入和動態(tài)網(wǎng)絡(luò)切片能力進(jìn)行增強(qiáng)等。主要研究點如表1所示。R16標(biāo)準(zhǔn)同時支持eMBB和uRLLC，預(yù)計2019年底凍結(jié)。

表1 R16階段5G核心網(wǎng)研究重點

1.3 產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)展

通常在標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)后半年，產(chǎn)業(yè)鏈將推出滿足標(biāo)準(zhǔn)的可測試核心網(wǎng)和無線產(chǎn)品，并推出終端芯片；大部分設(shè)備廠商將在2018年底開始陸續(xù)推出基于R15的5G核心網(wǎng)、無線產(chǎn)品，2019年產(chǎn)品逐步成熟。主流芯片廠商將從2018年下半年至2019年陸續(xù)推出支持5G R15 NSA/SA的芯片，商用終端一般晚于芯片3-6個月。因此預(yù)計2019年底，支持5G R15標(biāo)準(zhǔn)的NSA/SA核心網(wǎng)、無線和終端將具備商用部署條件。

2018年中國移動、中國電信和中國聯(lián)通依托工信部和國家發(fā)改委的《5G產(chǎn)品研發(fā)規(guī)模試驗》和《5G規(guī)模組網(wǎng)建設(shè)及應(yīng)用示范工程》項目開展5G試驗網(wǎng)外場景測試工作。中國移動5G規(guī)模試驗將在5個城市開展，面向商用組網(wǎng)和規(guī)劃，開展真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的5G規(guī)模試驗，驗證5G技術(shù)在典型環(huán)境下的真實性能，加速端到端產(chǎn)品的成熟，同時探索5G的規(guī)劃、組網(wǎng)和優(yōu)化的理論與方法并形成體系，為5G的商用做好準(zhǔn)備。中國移動5G應(yīng)用示范計劃在12個城市開展，積極探索創(chuàng)新發(fā)展新模式新業(yè)態(tài)，有效推動5G與行業(yè)融合發(fā)展。

AI和智能化正在逐步融入5G技術(shù)的原生設(shè)計中，未來市場將會需要一個更加開放的5G網(wǎng)絡(luò)，能夠自我學(xué)習(xí)和預(yù)測，能夠?qū)崿F(xiàn)自我管理和優(yōu)化。這是6G提出的愿景，也是未來移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向。

2 5G初期應(yīng)用場景預(yù)判——4G改變生活，5G改變社會

按照IMT-2020和3GPP S1工作組對5G 技術(shù)能力和需求的定義，5G技術(shù)提供的網(wǎng)絡(luò)能力將滿足三大極限業(yè)務(wù)場景業(yè)務(wù)需求。5G eMBB(enhancement Mobile Broadband，增強(qiáng)移動寬帶)提供最高可達(dá)10 Gbit/s的高速率、高帶寬業(yè)務(wù)能力，可支持超高清3D視頻、VR、AR等業(yè)務(wù)。5G MMTC(Massive Machine Type Communication，大規(guī)模機(jī)器通信)提供低功耗、高達(dá)1000，000/km2的連接密度能力，可支持監(jiān)控、傳感器、智慧城市等應(yīng)用。uRLLC（ultra-Reliable and Low Latency Communications，）提供可達(dá)1 ms的超低時延、高可靠性通信能力，可支持自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧工廠、人工智能等應(yīng)用。因此5G技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可促進(jìn)各行各業(yè)的智能化和自動化通信需求。5G提供的技術(shù)能力融入各行各業(yè)，將改變社會生活和生產(chǎn)方式，帶動智慧化社會的發(fā)展。

2.1 5G R15網(wǎng)絡(luò)能力

為滿足5G宏大的技術(shù)愿景和目標(biāo)，3GPP已完成5G第一個商用版本R15版本的5G標(biāo)準(zhǔn)制定工作，R15對4G 網(wǎng)絡(luò)功能和架構(gòu)進(jìn)行了大量優(yōu)化和變革，提出服務(wù)化架構(gòu)（SBA），控制平面NF間通信使用統(tǒng)一的服務(wù)化接口(SBI)，基于服務(wù)進(jìn)行通信；提出按需的移動性管理，實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)、不同終端的移動性管控；提出新型會話管理，實現(xiàn)按需業(yè)務(wù)分流；提出網(wǎng)絡(luò)切片，實現(xiàn)端到端虛擬化邏輯專網(wǎng)；提出移動邊緣計算，實現(xiàn)本地計算和低時延業(yè)務(wù)能力；提出能力開放，實現(xiàn)面向垂直行業(yè)和第三方定制化服務(wù)。R15標(biāo)準(zhǔn)的5G架構(gòu)不僅具備滿足eMBB場景業(yè)務(wù)需求，其架構(gòu)的靈活性和優(yōu)化設(shè)計可滿足面向垂直行業(yè)的多樣性的業(yè)務(wù)需求。5G R15不僅可滿足大帶寬的需求，同時還可滿足較低時延的要求，用戶終端到5G基站單向時延≤4 ms，因此5G R15網(wǎng)絡(luò)可以滿足端到端時延要求≥10 ms的垂直行業(yè)業(yè)務(wù)需求。

2.2 5G R15滿足的應(yīng)用場景

5G R15可滿足大帶寬的應(yīng)用場景，為用戶提供更高速率和更好的業(yè)務(wù)體驗。對比4G網(wǎng)絡(luò)無法提供的業(yè)務(wù)，5G可提供包括360°視頻；4K/8K高清視頻的直播娛樂節(jié)目和體育賽事；高速或中低速移動的交通工具上的信息服務(wù)；虛擬現(xiàn)實（VR）、混合現(xiàn)實（MR）、增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）應(yīng)用。其中VR/MR/AR的應(yīng)用要求5G系統(tǒng)應(yīng)支持7～15 ms范圍內(nèi)的移動到光子延遲，同時保持所需的用戶數(shù)據(jù)速率為250 Mbit/s和動作—聲音延遲＜20 ms。為支持語音會話過程中的交互任務(wù)完成，5G系統(tǒng)將支持交互式會話服務(wù)的低延遲語音編碼(100 ms，單向口對耳)。涉及場景包括密集城區(qū)、重要體育、娛樂場館、會議中心等。網(wǎng)絡(luò)可為用戶提供的單用戶體驗速率如表2所示。

表2 5G eMBB應(yīng)用場景單用戶體驗速率需求表[1]

5G R15可滿足端到端時延大于10 ms的低時延業(yè)務(wù)需求，可滿足部分工業(yè)制造、智慧園區(qū)、監(jiān)控專網(wǎng)等的應(yīng)用需求。應(yīng)用場景涉及工業(yè)制造和園區(qū)中的流程自動化控制，端到端時延要求50 ms，如煉油廠的流程控制等；監(jiān)控專網(wǎng)中的配電網(wǎng)絡(luò)和智能交通系統(tǒng)，端到端時延要求10～25 ms。其中工業(yè)和園區(qū)應(yīng)用場景只需局部無線覆蓋，配電網(wǎng)絡(luò)和智能交通系統(tǒng)需要廣域無線覆蓋。而對于工業(yè)制造中的運動控制，如對機(jī)械臂的操控，端到端時延要求在1 ms左右，R15網(wǎng)絡(luò)無法滿足業(yè)務(wù)需求。低時延場景業(yè)務(wù)需求如表3所示。

表3 低時延場景業(yè)務(wù)需求[1]

2.3 5G第一階段應(yīng)用場景總結(jié)

在面臨4G到5G網(wǎng)絡(luò)革新和演進(jìn)的技術(shù)替代中，用戶增加、終端改進(jìn)、資費下降、應(yīng)用和內(nèi)容更加豐富、技術(shù)進(jìn)步多因素將驅(qū)動數(shù)據(jù)流量增長。同時5G關(guān)鍵技術(shù)面向垂直行業(yè)連接和控制需求，將有效推動社會生活和工業(yè)生產(chǎn)的智能化進(jìn)步。本文基于前期研究，提出5G技術(shù)第一階段主要面向的應(yīng)用場景如圖1所示。

5G網(wǎng)絡(luò)的定位將是滿足熱點區(qū)域大帶寬需求和面向垂直行業(yè)的數(shù)字化、智能化的連接需求。

圖1 5G第一階段應(yīng)用場景預(yù)判

3 5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要素

3.1 5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是面向場景的設(shè)計

5G網(wǎng)絡(luò)將主要用于滿足熱點區(qū)域大帶寬需求，作為4G的補(bǔ)充，同時滿足垂直行業(yè)的連接需求，滿足多樣化和極限業(yè)務(wù)需求。因此和4G相比，5G將滿足流量熱點和多樣化網(wǎng)絡(luò)能力需求，而4G將與5G長期共存，并滿足移動寬帶業(yè)務(wù)的基本需求。4G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是基于業(yè)務(wù)設(shè)計的；而5G將發(fā)揮其架構(gòu)優(yōu)化和靈活性的技術(shù)優(yōu)勢，滿足多樣化需求，基于場景化設(shè)計。

3.2 5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計是面向切片的設(shè)計

5G網(wǎng)絡(luò)切片的定義是端到端的邏輯功能集合和其所需的物理或虛擬資源，包括接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)。因此網(wǎng)絡(luò)切片可認(rèn)為是5G網(wǎng)絡(luò)中的虛擬化“專網(wǎng)”，是滿足垂直行業(yè)和特定應(yīng)用場景需求的關(guān)鍵技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)切片可實現(xiàn)切片級的資源分配、隔離和質(zhì)量保證，實現(xiàn)不同切片內(nèi)流量的差異化處理，匹配不同類型業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)切片的隔離和端到端質(zhì)量保證，并為不同場景定制不同的功能特性（移動性、會話管理、邊緣計算等），實現(xiàn)切片選擇和切片的協(xié)同管理。

面向垂直行業(yè)和特定應(yīng)用場景的業(yè)務(wù)需求，5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計將是面向切片的設(shè)計，5G網(wǎng)絡(luò)將由一張張網(wǎng)絡(luò)切片形成的邏輯“專網(wǎng)”組成。以5G車聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計為例，5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計流程將包括車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景設(shè)計、切片的劃分、功能需求設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)分工設(shè)計、互聯(lián)互通設(shè)計、漫游設(shè)計等，如表4所示。

3.3 5G的設(shè)計是面向網(wǎng)絡(luò)全生命周期設(shè)計

5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不僅包括功能模型、部署模型、配置模型，還包括監(jiān)控模型設(shè)計，5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計將適應(yīng)虛擬化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計態(tài)和運維態(tài)的生命周期模式，形成面向全生命周期的設(shè)計模式。如表4和圖2所示。

圖2 以車聯(lián)網(wǎng)為例的切片網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計示意圖

表4 以車聯(lián)網(wǎng)為例面向切片的設(shè)計要素示例表

3.4 5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計要素總結(jié)

5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是場景化、面向切片和網(wǎng)絡(luò)全生命周期的設(shè)計。如圖3所示。

圖3 5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計要素

5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計包括以下重要設(shè)計環(huán)節(jié)，包括業(yè)務(wù)場景設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)切片劃分策略設(shè)計、切片部署策略設(shè)計、切片內(nèi)網(wǎng)元功能設(shè)計、切片容量參數(shù)設(shè)計、切片監(jiān)控及彈性策略設(shè)計等環(huán)節(jié)，如圖4所示。

4 5G核心網(wǎng)演進(jìn)關(guān)鍵要素

5G技術(shù)架構(gòu)的選擇策略：5G NSA Option3能夠?qū)崿F(xiàn)5G快速部署，但僅能滿足初期eMBB大帶寬容量補(bǔ)充需求，定位為過渡方案，適用于SA架構(gòu)系統(tǒng)不成熟，無法提供連續(xù)覆蓋的場景。而5G SA Option2作為目標(biāo)網(wǎng)架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)全部功能，定位于5G目標(biāo)方案，產(chǎn)業(yè)成熟稍晚，覆蓋能力還需進(jìn)一步試驗驗證。5G技術(shù)路徑選擇的關(guān)鍵要素取決于5G頻譜資源分配、無線覆蓋能力、端到端成熟度與商用時間的匹配關(guān)系。

圖4 5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的主要環(huán)節(jié)示意圖

4G/5G融合核心網(wǎng)部署策略：5G核心網(wǎng)控制面云化部署，用戶面根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能要求采用物理或云化部署多種形態(tài)；云化EPC網(wǎng)元可升級支持5G核心網(wǎng)，現(xiàn)網(wǎng)4G應(yīng)加快EPC云化演進(jìn)。

[1] 3GPP TS 22.261 V15.0.0 Technical Specification Group Services and System Aspects; Service Requirements for the 5G System; Stage 1(Release 15)[S].