（中國聯(lián)通研究院，北京 100176）

5G作為新一代信息技術，已成為全球各界高度關注的熱點話題。它不僅能滿足人際間的通信，還能促進各行業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的發(fā)展。5G使移動通信技術演進為可以賦能各行各業(yè)的通用技術。5G與行業(yè)的深度融合將加速創(chuàng)新，產(chǎn)生新的收入來源，支持全球國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）長期可持續(xù)增長，對全球經(jīng)濟社會產(chǎn)生深遠影響。

據(jù)全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會（GSMA）預測，到2025年5G將會覆蓋超過全球1/3的人口，連接數(shù)將超過11億。據(jù)全球著名咨詢公司IHS Markit預測，到2035年5G將在全球創(chuàng)造12.3萬億美元的經(jīng)濟產(chǎn)出，全球5G價值鏈將創(chuàng)造3.5萬億美元產(chǎn)出，并創(chuàng)造2 200萬個工作崗位。5G將成為中國推動產(chǎn)業(yè)升級、發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟、實現(xiàn)高質量發(fā)展的新動能。

目前中國通信產(chǎn)業(yè)總量為全球第一，手機終端出貨量達全球第一，設備商市場份額全球領先。以5G為核心的通信產(chǎn)業(yè)將成為推動中國企業(yè)全球化的重要力量。根據(jù)中國信息通信研究院《5G經(jīng)濟社會影響白皮書》預測，到2030年5G將直接帶動中國直接經(jīng)濟產(chǎn)出6.3萬億元人民幣，新增就業(yè)崗位800萬個。大力發(fā)展5G將有益于網(wǎng)絡強國和制造強國。

1 5G技術的發(fā)展現(xiàn)狀

5G是當前移動通信技術發(fā)展的下一階段，它將為客戶提供更快的數(shù)據(jù)連接，為新的工業(yè)應用開辟道路，5G技術是萬物互聯(lián)的開始。5G技術可以提供10倍于4G的峰值速率及用戶體驗速率、百萬的連接數(shù)以及超低的空口時延。5G不僅僅是以用戶為中心、全方位的信息生態(tài)系統(tǒng)，更能做到從線上到線下、從消費到生產(chǎn)、從平臺到生態(tài)，有效支撐垂直行業(yè)融合發(fā)展。

5G技術的蓬勃發(fā)展也進一步推動云計算、網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展。其中，云計算是重要的基礎設施，網(wǎng)絡是構建萬物互聯(lián)的橋梁，大數(shù)據(jù)則通過匯聚海量數(shù)據(jù)以及挖掘其價值，實現(xiàn)服務的智能化。同時，工業(yè)制造系統(tǒng)的高度網(wǎng)絡化和智能化，要求網(wǎng)絡具備高帶寬、高速率和高可靠性，保證精準的工業(yè)生產(chǎn)。因此，5G網(wǎng)絡的高速率、高帶寬和高品質可助力產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的深度融合[1]。運營商將利用5G、云計算、網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)的資源，像消費互聯(lián)網(wǎng)時代一樣全面使能產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟。

1.1 5G技術標準進展

目前，多個國家組織都在積極進行5G技術的研究和標準制定工作，主要的國際標準組織包括國際電信聯(lián)盟（ITU）和第三代合作伙伴計劃（3GPP）。其中，ITU已經(jīng)完成了5G愿景研究及5G技術方案征集，在評估方案后將于2020年完成5G標準制定。

3GPP作為制定5G標準的核心組織，已于2018年6月正式宣布5G新空口（NR）技術獨立組網(wǎng)（SA）功能凍結；2018年12月，完成了非獨立組網(wǎng)（NSA）標準的制定，5G已完成第一階段全功能標準化工作（如圖1所示），進入了產(chǎn)業(yè)全面沖刺新階段。雖然3GPP計劃最終5G的標準將于2020年凍結，但R15的部分標準提速，已滿足激進運營商的布網(wǎng)需求[2-3]。

在中國，國家相關部委、企業(yè)、科研機構也積極參與到5G國際標準的制定工作中，主導多項5G國際標準。國家工業(yè)和信息化部、發(fā)展和改革委員會、科學技術部還聯(lián)合成立了IMT-2020 5G推進組，共同積極推動中國5G技術的相關研發(fā)試驗。

1.2 5G組網(wǎng)方式

5G標準定義了新的無線空口和核心網(wǎng)架構，組網(wǎng)方式分為5G核心網(wǎng)NSA和SA 2種模式。

圖1 5G標準化工作進程

3GPP R15版本的第1期面向NSA，使用5G基站復用4G核心網(wǎng)的方式進行組網(wǎng)；第2期面向SA，即不再依賴4G核心網(wǎng)，而獨立部署核心網(wǎng)。運營商可以根據(jù)自身網(wǎng)絡的情況選擇部署模式，NSA組網(wǎng)能快速而且低成本地面向增強移動寬帶（eMBB）實現(xiàn)5G網(wǎng)絡覆蓋，SA組網(wǎng)在eMBB的基礎上實現(xiàn)了5G網(wǎng)絡切片管理、能力開放等一系列特性，是5G網(wǎng)絡最終的目標架構。

1.3 5G為用戶提供了更多的場景需求

相比于4G，5G可提供更高的速率（至少10倍）、更低的時延（毫秒級）、更多的連接數(shù)（千億級）、更高的安全性以及更靈活的業(yè)務部署能力，將實現(xiàn)eMBB、高可靠低時延通信（uRLLC）和海量機器類通信（mMTC）3大場景。其中，eMBB主要應用于對網(wǎng)絡傳輸速率有極高要求的領域；uRLLC主要應用于自動駕駛、工業(yè)控制等對時延要求和可靠性要求很高的行業(yè)中[4]；mMTC主要應用在智慧城市、智能家居這些連接數(shù)量龐大、接入成本低的場景，實現(xiàn)物物連接。

業(yè)界普遍認為，未來的5G將重點解決“移動數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長”“物聯(lián)網(wǎng)設備的海量連接”“垂直行業(yè)應用的廣泛需求”3類重要場景（如圖2所示）。5G帶來的將是更快的速率、更低的功耗、更短的延遲、更強的穩(wěn)定性，并能支持更多用戶。5G發(fā)展的前期，雖然仍將主要面向消費互聯(lián)網(wǎng)，但是基于5G的、面向行業(yè)用戶的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務布局和落地的重要性已開始顯現(xiàn)。5G網(wǎng)絡的精益化、運營的智能化以及生態(tài)的開放化是未來支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的基礎。

圖2 5G應用的3大場景

2 5G關鍵技術分析

5G網(wǎng)絡的總體架構包括無線接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)以及核心網(wǎng)，需要大規(guī)模天線陣、超密集組網(wǎng)、新型多址、網(wǎng)絡切片、云化網(wǎng)絡等多種關鍵性技術做支撐，它們保證了5G網(wǎng)絡的高速率、低時延、廣覆蓋、大連接、高安全及靈活部署能力。5G的關鍵技術包括毫米波通信、大規(guī)模天線、網(wǎng)絡切片和邊緣計算等，具體如圖3所示。

2.1 毫米波通信

5G在無線側的關鍵技術以毫米波通信和大規(guī)模天線技術為代表，但目前中低頻段的帶寬已被廣播和2G/3G/4G占用；因此5G將開拓高頻段的毫米波進行無線網(wǎng)絡部署。毫米波具體是指波長為1～10 mm的電磁波，對應頻率為30～300 GHz。相比而言，4G 長期演進（LTE）頻段最高頻率的載波在2 GHz左右，而可用頻譜帶寬只有100 MHz；因此，如果使用毫米波頻段，帶寬寬度是4G的幾十倍，傳輸速率也可得到巨大提升。

2.2 大規(guī)模天線

隨著5G進一步發(fā)展和運行效率的不斷提升，傳統(tǒng)的多天線技術已難以有效滿足5G通信網(wǎng)絡呈指數(shù)式增長的無線數(shù)據(jù)發(fā)展需求；因此，在面臨5G傳輸速率和系統(tǒng)容量等多方面重大挑戰(zhàn)的同時，天線數(shù)目將隨之不斷增長[6]。毫米波的缺點是傳輸損耗大，因此需要配合使用大規(guī)模天線技術。大規(guī)模天線技術是指多根天線同時發(fā)送，接收多路信號流，這樣能有效提升信號的覆蓋范圍以及傳輸速率，彌補毫米波在傳輸過程中的損耗，進而提高無線頻譜效率，提升信號質量。

圖3 5G關鍵技術

2.3 網(wǎng)絡切片

網(wǎng)絡切片是指對于不同用戶的業(yè)務流量，無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)進行不同的處理[6]。5G時代的業(yè)務場景極為豐富，不同場景對網(wǎng)絡的時延、可靠性、移動性甚至是計費方式都有著不同的需求，為不同的應用場景單獨鋪設專用的網(wǎng)絡成本巨大且不現(xiàn)實；因此，需要將一張物理網(wǎng)絡切分成多個虛擬網(wǎng)絡切片，每個虛擬切片提供差異化的網(wǎng)絡性能及業(yè)務功能。通過網(wǎng)絡切片分層，能夠按需求靈活地提供多種網(wǎng)絡服務。運營商通過切片管理的功能，結合虛擬化資源平臺，來提供專用的邏輯網(wǎng)絡[7]。

2.4 邊緣計算

5G的邊緣計算是將運算與存儲能力部署到離用戶和應用更近的網(wǎng)絡邊緣，極大降低信令、消息的回傳時延，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的實時化處理，以滿足無人駕駛、工業(yè)控制等對網(wǎng)絡時延要求極高的業(yè)務需求。同時，邊緣計算還可以將“云”靈活部署在網(wǎng)絡的各個位置，為用戶提供靈活、敏捷的網(wǎng)絡體驗。

3 5G產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新業(yè)務應用分析

3.1 5G賦能垂直行業(yè)

5G技術的特性能夠更好地推動其他新興技術的發(fā)展，將5G技術與云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術融合，為新媒體、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧交通、公共安全、教育醫(yī)療、無人機、電競等領域提供信息技術賦能，有望產(chǎn)生顛覆性的效果，重構產(chǎn)業(yè)形態(tài)。

在智能互聯(lián)的網(wǎng)絡時代，如何推進5G行業(yè)應用是電信行業(yè)面對的問題。運營商具備強大的資源整合能力，可匯聚大數(shù)據(jù)處理方法、云計算先進技術，構筑智能的業(yè)務平臺。面向不同行業(yè)輸出5G服務是電信行業(yè)的重要業(yè)務，更是今后工作的發(fā)展方向。

智慧交通領域是5G主要應用領域之一，其中一個非常重要的方向是智能聯(lián)網(wǎng)汽車及車路云協(xié)作。利用5G通過車路協(xié)同實現(xiàn)智慧交通是目前普遍認可的技術途徑。5G作為端-管-云之間的銜接橋梁，實現(xiàn)車、路、云實時信息交互，助力構建車路云協(xié)同的新型交通體系，服務眾多的智慧交通業(yè)務。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)被認為是未來實現(xiàn)經(jīng)濟高質量發(fā)展的關鍵點，正確地理解工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有利于推動它的健康發(fā)展[8]。5G是工業(yè)數(shù)字化的重要手段，5G的3個應用場景可以解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化痛點，如智能工廠、智能產(chǎn)線、工業(yè)控制與監(jiān)測控制、工業(yè)物聯(lián)、工業(yè)資產(chǎn)管理與安全，實現(xiàn)產(chǎn)品的智能制造，推動了產(chǎn)業(yè)的智能升級。

在醫(yī)療健康領域，可借助安全可靠的5G高速網(wǎng)絡，積極嘗試智慧移動醫(yī)療服務，從輔助智慧院前到院內(nèi)智能運維，以及遠程院間協(xié)同，全流程賦能醫(yī)療向無線化、遠程化、智能化發(fā)展。借助5G網(wǎng)絡，使遠程監(jiān)測護理、遠程診斷與指導，甚至遠程控制等醫(yī)療應用成為可能，可進一步推進醫(yī)療資源實時共享，緩解地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展不均、交通條件受限等問題帶來的醫(yī)療困境。5G技術在醫(yī)療領域的大規(guī)模應用正在一步步地實現(xiàn)[9]。

面向空中服務，5G引入了前置導頻、迷你幀結構、上下行免調(diào)度等機制，極大地降低了空口的數(shù)據(jù)傳輸時延[10]。5G解決了傳輸帶寬限制，實現(xiàn)高效傳輸和實時計算，促使無人機向無人化、智能化和自動化轉變，從而在安防、能源、環(huán)保、交通等領域輸出應用解決方案，涉及地空通信、飛行服務、數(shù)據(jù)處理，管線巡線、水域檢測、農(nóng)林植保、森林防火等應用場景。

3.2 5G網(wǎng)聯(lián)無人機

3.2.1 無人機產(chǎn)業(yè)背景介紹

無人機不僅是一種交通方式，在各行業(yè)領域應用廣泛，更是催生了“無人機+”的新興產(chǎn)業(yè)模式。無人機農(nóng)林植保、物流運輸、管線巡檢、江河巡視、公共安全將隨處可見，對第一、二、三產(chǎn)業(yè)諸多領域產(chǎn)生深遠影響，基礎電信運營商都在積極拓展產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場。工業(yè)無人機應用市場作為產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場的重要組成部分，擁有巨大的商業(yè)機會。目前各大電信運營商均正在其中積極探索與布局，力爭占領先發(fā)優(yōu)勢。

5G與無人機創(chuàng)新業(yè)務的融合，將有利于兩者共同發(fā)展。5G憑借自身特性，可將無人機核心的測控及數(shù)據(jù)傳輸服務提升到全新的高度，并有助于無人機創(chuàng)新業(yè)務向垂直行業(yè)和特定場景進行滲透。相應地，無人機創(chuàng)新業(yè)務必將成為5G技術應用的重要分支。

3.2.2 網(wǎng)聯(lián)無人機技術體系

網(wǎng)聯(lián)無人機也稱為網(wǎng)絡化無人機或物聯(lián)網(wǎng)無人機，即利用現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡或專用移動通信網(wǎng)絡，替代傳統(tǒng)的點對點測控鏈路，為無人機飛行提供測控通道，為業(yè)務應用提供實時的數(shù)據(jù)回傳通道。網(wǎng)聯(lián)無人機是一種不受距離限制的廣域無人機應用模式，必須具備機載移動通信終端、移動通信網(wǎng)絡、無人機云服務平臺、地面控制站和業(yè)務終端5部分。網(wǎng)聯(lián)無人機具體的架構如圖4所示。

圖4 網(wǎng)聯(lián)無人機技術架構

3.2.3 網(wǎng)聯(lián)無人機對4G/5G網(wǎng)絡的要求

（1）對網(wǎng)絡速率的要求。

由于無人機應用的特殊性，相比于普通移動通信終端，無人機主要對網(wǎng)絡上行速率提出較高的要求。網(wǎng)聯(lián)無人機通過上行鏈路來向地面控制站實時傳送視頻圖像或其他紅外雷達數(shù)據(jù)，該鏈路傳輸速率一般為8 Mbit/s（高清1 080 p視頻）和30 Mbit/s（4K超高清視頻）。

網(wǎng)聯(lián)無人機測控系統(tǒng)為無人機提供遙控遙測服務，通過上下行鏈路來實時控制無人機的飛行，并向地面控制站實時報告飛行的狀態(tài)參數(shù)，該鏈路的一般傳輸速率為64～115 kbit/s。網(wǎng)聯(lián)無人機測控系統(tǒng)如圖5所示。

（2）對網(wǎng)絡覆蓋的要求。

無人機的工作高度一般可以達到100～3 000 m，如果地面移動通信4G/5G網(wǎng)絡不能滿足覆蓋的要求，需要根據(jù)工作高度要求，完成必要的對空專網(wǎng)覆蓋。網(wǎng)聯(lián)無人機對網(wǎng)絡覆蓋要求如圖6所示。

（3）對網(wǎng)絡時延的要求。

圖5 網(wǎng)聯(lián)無人機技術架構

圖6 網(wǎng)聯(lián)無人機對網(wǎng)絡覆蓋要求

5G空口時延相比于4G有了較大的降低，同時無人機平臺的端到端時延也可以大幅度降低。如果加入移動邊緣計算技術，無人機云平臺時延會進一步降低。網(wǎng)聯(lián)無人機對時延最低要求是20 ms，對于遙控遙測延時一般建議200 ms以內(nèi)。網(wǎng)聯(lián)無人機對網(wǎng)絡覆蓋要求如圖7所示。

3.2.4 網(wǎng)聯(lián)無人機對4G/5G核心網(wǎng)的要求

為便于對網(wǎng)聯(lián)無人機終端管理，更加有效利用5G網(wǎng)絡對無人機進行控制，也區(qū)分于普通地面終端的應用策略，需要為網(wǎng)聯(lián)無人機建立專用的核心網(wǎng)。5G核心網(wǎng)切片正適應了這一發(fā)展要求，通過建立專用的邏輯網(wǎng)絡的網(wǎng)絡切片技術，在邏輯上實現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)無人機與地面終端的業(yè)務和無線策略區(qū)分。進一步地，可以細化無人機網(wǎng)絡切片，區(qū)分不用應用行業(yè)的無人機UE，以及使用不同切片分別保障控制數(shù)據(jù)和應用數(shù)據(jù)業(yè)務。此外，5G可以實現(xiàn)更細顆粒度的服務質量保障，保證網(wǎng)聯(lián)無人機通信不同的數(shù)據(jù)類型得到相應的最佳承載，對于視頻流和控制流的承載，設置不同的優(yōu)先級，保證通信的可靠性。

3.2.5 網(wǎng)聯(lián)無人機對無人機云平臺的要求

圖7 網(wǎng)聯(lián)無人機技術架構

無人機飛行后會產(chǎn)生大量的飛行數(shù)據(jù)，包括遙測數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)。行業(yè)應用的不同對數(shù)據(jù)的處理要求也有不同，有實時處理需求也有離線非實時處理需求，需要由統(tǒng)一的無人機數(shù)據(jù)云平臺進行管理。無人機云平臺應包括基礎功能和增值業(yè)務功能2部分：基礎業(yè)務功能包括飛行任務申請、飛行監(jiān)測控制管理、飛行服務審核、視頻數(shù)據(jù)存儲等；增值業(yè)務服務功能包括飛行安全服務、健康分析服務、飛行保險服務、空域代理服務以及數(shù)據(jù)增值處理服務等。

3.2.6 網(wǎng)聯(lián)無人機對機載終端的要求

機載終端是網(wǎng)聯(lián)無人機的端到端核心產(chǎn)品，應包括設計圖傳和數(shù)傳的通信協(xié)議設計，完成與地面移動通信網(wǎng)絡體制的適配以及與飛行控制系統(tǒng)的適配；實現(xiàn)多鏈路接入調(diào)度、載荷智能控制、遙控遙測數(shù)據(jù)傳輸、視頻疊加、編碼和壓縮、高精度定位要求；實現(xiàn)機載終端人工智能（AI）前端算法的能力、合作目標認證、數(shù)據(jù)傳輸加密、影像和視頻的前置預處理等功能。此外，在機載終端的重量、尺寸、發(fā)射功率、空中電磁兼容、航空飛行穩(wěn)定性等方面也要滿足要求。

3.3 網(wǎng)聯(lián)無人機解決方案

網(wǎng)聯(lián)無人機云平臺實現(xiàn)了無人機中遠距離飛行測控、多機協(xié)同智能化調(diào)度、身份識別綜合管控、規(guī)劃審批飛行計劃、數(shù)據(jù)采集存儲、實時分發(fā)、智能分析等服務，具體如圖8所示。

當無人機搭載專用任務計算機執(zhí)行定制化飛行任務時，通過4G/5G網(wǎng)絡支撐無人機與平臺實時互聯(lián)，保證飛控指令、遙測參數(shù)、業(yè)務數(shù)據(jù)安全可靠傳輸。同時，平臺側根據(jù)用戶需求對各類數(shù)據(jù)進行存儲、分發(fā)以及處理，用戶可利用多種客戶端實時查看數(shù)據(jù)，并從平臺獲取測繪建模、智能分析等數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

網(wǎng)聯(lián)無人機云平臺作為物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能的綜合載體，提供包含存儲、分發(fā)與處理的一站式數(shù)據(jù)服務，主要包括遙測及影像數(shù)據(jù)的存儲，視頻直播、點播、組播，各類地理信息建模，目標識別、變化檢測等智能分析服務。

4 結束語

圖8 網(wǎng)絡無人機云平臺架構

5G不僅提升個人移動終端的傳輸速率，同時也將推動人們生產(chǎn)生活中的技術升級與變革：5G將驅動移動互聯(lián)網(wǎng)向產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)升級，重塑行業(yè)應用場景及業(yè)務形態(tài)，推動社會數(shù)字化演進。透過一系列的行業(yè)應用與案例分析發(fā)現(xiàn)，5G核心技術疊加靈活、彈性、開放的網(wǎng)絡架構為全社會全行業(yè)提供數(shù)字化轉型的動力。未來將出現(xiàn)數(shù)以萬計的5G行業(yè)應用，具體的場景將由5G基本場景疊加其他領域通用技術，與垂直行業(yè)中的具體應用場景相結合形成具體的5G行業(yè)應用。

隨著5G移動通信技術的日趨成熟，信息互聯(lián)將進入嶄新的時代。5G技術將增強網(wǎng)絡帶寬，大幅提高海量物聯(lián)，提供高可靠低時延的連接保障。同時也將促進通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的深度融合，使人與人、物與物、人與物之間能夠更為便捷、快速、廣泛的連接與交互。功能的豐富、性能的增強勢必提升網(wǎng)絡規(guī)劃建設與維護優(yōu)化的復雜程度；因此如何研發(fā)設計通信架構，靈活調(diào)度網(wǎng)絡資源，合理規(guī)劃網(wǎng)絡建設，維護優(yōu)化網(wǎng)絡性能，以應對不同場景對網(wǎng)絡差異的需求，是電信行業(yè)正在積極探索，且也面對競爭的技術課題。

作為萬物智慧互聯(lián)時代的建設者，電信行業(yè)正踏入升級轉型之路，由互聯(lián)互通管理者的角色向智聯(lián)服務的供給者邁進。運營商將充分利用5G網(wǎng)絡的優(yōu)勢，不斷提升智慧互聯(lián)的各類功能，以創(chuàng)新實踐、多方協(xié)作的姿態(tài)，共同建設信息融合的智能產(chǎn)業(yè)環(huán)境生態(tài)。