5G網絡關鍵技術介紹與行業應用融合探索

周曉健

摘要：在新技術成熟、行業需求以及國家戰略的大背景下，推動5G網絡作為新一代移動通信基礎網絡閃亮登場;5G關鍵技術如網絡切片、控制面和用戶面徹底分離、網絡功能虛擬機化等，使得5G網絡與其他新技術有非常廣泛的合作前景：5G SA（獨立組網）環境下移動通訊實時大數據應用、林業防火自動識別快速組網等應用場景應運而生。但5G網絡也面臨了前期部署成本、行業支持深度和廣度、行業應用跨界人才匱乏的各種困難，需要探索和解決行業深度應用、產業鏈培育和跨界知識教育等挑戰，最終實現5G技術與其他新技術的完全融合。

Abstract： In the context of new technology maturity， industry needs and national strategies， 5G networks are promoted as the new generation of mobile communication basic networks; 5G key technologies such as network slicing， complete separation of control and user planes， and virtualized network functions， make 5G networks a very broad prospect for cooperation with other new technologies. Application scenarios such as real-time big data applications for mobile communication in the 5G SA （independent networking） environment， and rapid networking for automatic identification of forestry fire protection have emerged. However， 5G networks also face various difficulties such as the early deployment costs， the depth and breadth of industry support， and the lack of cross-border talents in industry applications.? It is necessary to explore and solve the challenges of in-depth application of the industry， cultivation of the industrial chain and cross-border knowledge education， and finally realize the complete integration of 5G technology with other new technologies.

關鍵詞：5G;關鍵技術;行業應用;產業跨界

Key words： 5G;key technology;industry application;industry cross-border

中圖分類號：TP393? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）04-0290-03

1? 5G網絡發展的時代背景

社會生活方面：“智能手機+移動互聯網”使人們生活數字化，VR/AR、高清影像、移動可視電話等視頻類應用加速人們對移動通信大帶寬的需求;工業生產方面：大數據、人工智能、智能制造、物聯網等新技術的成熟發展，行業應用與新技術的融合創新產物如遠程自動監測、自動駕駛、智能機器人等，加速推進社會各行業的數字化轉型。在全球數字化轉型浪潮的深刻變革中，5G網絡，作為數字化社會的新一代關鍵移動通信基礎設施，以更靈活、更快速的方式加速這一人類行為。

1.1 全球5G的發展形勢

縱觀全球，各發達地區和國家正在加速部署5G網絡，為本地終端用戶和工業行業提供5G服務，借機推動本地5G產業鏈的發展和成熟進度：

北美地區2018年推出毫米波頻段的5G服務，商用了基于5G的FWA固定無線寬帶接入服務;2019年4月也推出商用5G移動網絡和支持5G制式的智能手機。

歐洲地區2019年將在中頻段部署NSA組網的5G，預計2020年將部署SA;

澳洲在2018年就已經發布了FWA固定無線寬帶接入的5G網絡;

南美、非洲等地區暫未看到太多動態，但個別跨國運營商已經開始討論和發布他們的5G計劃;

亞洲地區的5G浪潮是最為洶涌的，中國、韓國多家設備廠商在2019年上半年發布了多款5G智能手機。

1.2 中國5G戰略要求

在“2025制造”的偉大藍圖指引下，云計算、大數據、人工智能和物聯網等新技術已納入為國家高科技發展戰略框架下，作為與現代制造業和現代服務業進一步融合的新一代移動通信基礎網絡，5G網絡首當其沖的成為了戰略的最重要一環;同時，在世界新格局和新形勢下，也需要國家通過加快發展5G產業鏈，推動芯片技術、通信核心算法等高精尖行業的成熟，以擺脫在以上關鍵技術上受制于人的被動局面;因此，發展5G，刻不容緩！

我國已將5G寫入《十三五規劃》，支持產業界成立IMT-2020（5G）推進組，啟動了全球規模最大的5G技術研發試驗。

2019年6月6日，工信部正式發放了5G商用牌照，中國進入了5G商用元年，運營商5G建設和行業應用試點已加速，2020年基于5G的行業應用將正式進入商用軌道。

2? 5G網絡的技術創新

2.1 關鍵技術演變

5G網絡是由一系列最新的射頻天線技術、多用戶無線接入技術、幀結構技術、業務處理重構技術等技術集合體，最終通過無線網元、核心網網元、承載網網元等各物理或邏輯網元的無縫結合而展示出來的下一代移動通信網絡;而5G網絡之能較上一代移動通信網絡表現出新的生命力，在于通過這一系列關鍵技術，支撐生活和生產在各方面上的場景應用。

這里重點提及的是網絡切片技術，網絡切片技術通俗的解釋，就是將一張物理5G網絡，根據不同的用戶數、QoS、帶寬等業務應用切割成多張相互獨立的邏輯5G網絡。而每個獨立的邏輯5G網絡（網絡切片）可完全獨立定義和部署，運營商可快速部署網絡，最終客戶需求可快速滿足。

目前最重要的三個切片類型分別為：eMBB（增強型移動寬帶）、mMTC（大規模的機器通信業務）、URLLC（超可靠低時延通信業務）。在5G網絡定義的網絡切片技術中，這三個切片應用類型還單獨使用其他全新關鍵技術，用于實現其不同的業務支持。如eMBB采用業務Qos保證、mMIMO等關鍵技術，支持對無線信號質量、速率、接入時延等性能指標敏感類業務;mMTC采用核心網計算存貯分離、超密集異構網絡、無線多用戶共享接入等關鍵技術，支持對接入數、連接數密度高的業務;URLLC采用承載網FlexO＼FlexE技術、MEC移動邊緣計算、無線新型幀結構等關鍵技術，支持對覆蓋范圍、實時性和可靠性要求非常高的業務。

2.2 網絡結構演變

5G網絡架構發生重大變化，采用網絡功能模塊化設計模式，通過“功能組件搭積木”的方式快速建立專用邏輯網絡來滿足不同的應用場景需求。

核心網：5G核心網絡較上一代核心網，徹底分離控制面和用戶面，使用戶面處理模塊可靈活部署在無線接入網，地理位置上更靠近終端，處理時延更低。最重要的是，對上一代核心網的網元模塊功能重新定義，將各業務處理模塊抽象定義為NF（網絡功能），再加之NFV（網絡功能虛擬化）技術成熟，使核心網物理模塊更易部署于云端虛擬機上，符合“云計算”時代的要求，使得運營商進一步擺脫通信設備廠家的硬件依賴，更利于上下游產業鏈的培育。

5G網絡架構變化如下所描述：AMF（接入移動性管理功能）和SMF（會話管理功能）負責接替原4G核心網（簡稱EPC）中MME、SGW-C和PGW-C的控制面功能;AUSF（鑒權服務器功能）配合UDM（統一數據管理）完成EPC中MME和HSS網元所負責的用戶數據管理功能;UPF（用戶面功能）完成則完成EPC中的SGW-U和PGW-U的用戶面功能;新增NEF（網絡開放功能）、NRF（網絡存儲功能）和NSSF（網絡切片選擇功能），用于負責對外開發網絡數據、新增NF的登記和管理以及提供支持新業務進行網絡切片管理，這些功能模塊使得5G網絡更加開發、模塊化和靈活。

無線接入網：RAN網絡從4G網絡的BBU+RRU兩級模式演進到CU（集中單元）、DU（分布單元）和AAU（有源天線處理單元）三級模塊模式，即射頻部分“RRU+天線”整合成AAU，BBU的實時處理部分和非實時處理部分分離成CU+DU;其中CU和DU可靈活部署，可分散或合并。其中，AAU和DU之間是前傳網絡、DU和CU之間是中傳網絡、CU以上是回傳網絡。

承載網：在功能上已實現L3功能下沉至接入端，逐步實現FlexE捆綁、交叉等新技術，實現承載網切片能力，提供低成本、大帶寬、低時延解決方案。

在這樣的靈活網絡架構下，5G網絡無論從物理層面還是邏輯層面，組網更加靈活，結合網絡切片等關鍵技術，更有利于網絡的快速部署和業務支持。

3? 5G網絡的行業應用趨勢分析和案例探討

21世紀，社會分工更加細化，制造行業和服務行業更加追求低成本、高效率、易管理等，由此需要生產工具快速地進行更新換代。隨著數據、算力和算法三要素都取得重大技術突破后，自動駕駛、遠程醫療、工業自動化等新技術應用與人類近在咫尺;而5G網絡作為最新一代移動通信基礎網絡，如何與其他新技術融合，推動行業應用進一步發展的同時又相互促進新技術的更加成熟穩定，是我們持續探討的話題。

從目前5G通信網絡的經濟價值及實施難度來看，業務短期以eMBB行業應用場景為主，中遠期則將集中于URLLC低時延和mMTC大連接場景。近期：設備監控、超高清適配、工業AR/VR、自動駕駛地圖更新、移動安防等;中長期：無人機巡檢、編隊駕駛、數據采集、工廠內實時控制、遠程作業、自動駕駛等等。

以下列舉兩個應用場景的描述和實施步驟探索：

3.1 通信大數據應用

4G核心網中，用戶簽約信息單獨存儲于HSS（歸屬用戶服務器），用戶會話信息則跟隨其他業務處理網元（如MME、SGW、PGW）本地存儲，這些網元還要擔負業務處理功能，計算和存儲的徹底分離，導致通信業務大數據實時采集、清洗和分析變得異常繁瑣和困難。如，大數據探針部署到核心網內部用于采集用戶簽約信息和用戶會話信息，而采集前需了解不同廠家設備之間的私有協議、評估生產環境中網元的業務處理能力負荷、單一簽約信息和多會話信息之間的及時關聯性等，這將導致通信大數據實時場景無法實現，比如區域用戶流向實時分析導控、社會安全應急指揮調度等應用。

但5G網絡提供了較好的解決思路，3GPP在5G的TS 23.501標準規范中，增加了AMF、SMF等計算類功能模塊，同時增加UDR（統一數據存儲功能）和UDSF（非結構化數據存儲功能）兩大數據存儲功能模塊，實現了計算和存儲的徹底分離;加之NFV技術成熟，各功能模塊的物理件采用標準X86服務器，使業務處理單元不再依賴于專用硬件，而用戶簽約信息和用戶會話信息單獨存儲;在這種網絡邏輯架構和物理組網的方式下，大數據探針可作為計算類NF對UDR和UDSF進行實時訪問，訪問的過程不僅不會造成AMF、SMF的業務處理能力負擔，同時還能及時獲取用戶會話信息，用戶簽約信息和會話信息及時關聯，使得通信類大數據實時業務應用場景更加廣泛化。

3.2 林業防火快速組網應用

在森林防火自動判定業務場景中，某客戶需要在森林某處部署一款遠程紅外和圖像自動識別攝像頭（太陽能供電），該攝像頭自帶圖像識別算法，當監控區域出現險情時，攝像頭自動識別并向后臺回傳告警和位置信息。在現有的復雜地理環境下如果采用光纖連接，工程造價高;如使用4G網絡，基站的天線功率分配算法影響同頻可服務的普通語音業務，同時攝像頭與監控中心之間的數據流回傳組網方式異常復雜;如單獨組建異頻段專用無線通信網絡，客戶需單獨購買無線基站和核心網設備，設備造價、后續維護成本等因素將使項目風險不可控。

而在5G的SBA（基于服務的架構）下，以上業務場景變得簡單明了。首先在AAU側，mMIMO（大規模多數輸入多路輸出）天線完成對攝像頭所處位置的3D波束賦形，提高信號強度并避免了信號干擾，解決最后一公里組網問題;在5G核心網側，使用eMBB網絡切片類型，在無線子切片和承載子切片的配合下完成該場景的邏輯組網搭建。業務管理端，對業務的編排部署也極其簡單，大致采用以下4個步驟：

①CSMF（通信服務管理功能）將客戶需求轉換為相應的SLA（服務等級協議）;

②NSMF（切片管理功能）選擇合適的子切片，NSSMF（子切片管理功能）完成子切片的資源申請和業務周期;

③MANO（管理和編排）負責在NFVI（網絡功能虛擬化基礎設施）上完成物理資源的部署;

④CSMF返回該場景下的切片部署完成，包括用戶面的各項接入資源，客戶完成業務部署。

4? 現階段5G網絡面臨挑戰的思考

所有新生事物降臨之初，均會面臨所處環境對它在接納過程中其固有慣性所帶來的敵意，5G也不例外！

4.1 前期建設成本和現階段維護成本

在5G即將部署之初，一直存在NSA（非獨立組網）和SA（獨立組網）之爭，這兩種組網方式的爭執背后是對建設成本的考慮;是先快速提供基礎業務，后續網絡逐步更新換代，還是一步到位建網但面臨產業鏈不成熟的風險，都需要國情戰略、經濟投入產出比、技術成熟度等綜合評估。而且在現階段2G、3G、4G、5G多種制式長期共存的移動網絡狀態下，網絡管理和優化的難度大大增加，對運營商運維團隊提出更高要求;另外，虛擬化分層解耦、故障的定界和定位變得更加復雜困難，“云網絡”動態變化、資源調度和管理都是巨大的挑戰，這些隱性成本非常巨大。

4.2 5G網絡與其他產業結合的深度和廣度

隨著大數據和人工智能產業逐步推進、硬件基礎設施“云化”轉型深入和物聯網業務場景的探索，人與人通信的單一模式已演變為人與人、人與物、物與物的全場景通信模式，業務場景更加復雜，服務等協議更加差異化，與之配套的網絡配套和管理更加復雜。5G網絡雖然能接受業務體驗多元化、個性化和顛覆性的挑戰，但這是一次產業與產業之間的大融合，前景絕非一帆風順。

如工業自動化遠程控制場景下，在URLLC子切片網絡技術可靠性達到要求的前提下，無線機械手與控制臺之間的工業通訊協議如何適配5G切片網絡協議、機床上的5G終端通信控制模塊與其他聯動模塊之間的接口兼容性、5G網絡故障倒換機制對生產線業務的保護機制等等，都是5G網絡與工業自動化成功結合的決定性因素;產業之間的融合前景，不是移動通信產業鏈者在紙上的自我陶醉，而是產業之間的互相深度學習和磨合。

即便是對于5G網絡，自身網絡重構和業務重構的內在需求，也要借鑒IT行業組織架構設計思路和DevOps（一系列促進開發、技術運營和質量保證部門之間溝通協作的方法、過程和系統的集合）模式，充分利用大數據技術、機器深度學習技術，實現網絡告警的自動研判和自我修復能力，讓網絡運維自主化和智能化，通訊業者還在努力中。

4.3 5G網絡時代跨界人才的匱乏

無論何種生產關系社會，生產者是決定性要素。5G網絡承載著各行各業信息化與自動化的重任，它的協議體系、網絡架構、業務共享能力決定了5G需要跨界擴展和融合，而產業跨界和融合需要人才去推動，以下為筆者對現階段產業跨界人才的調查概況（調查抽樣有限，以下調研結果可能不具有普遍性）：

4.3.1 5G網絡研發廠商? 研發隊伍人員對所負責研發模塊非常專業化，但卻需要在需求工程師配合下完成跨界理解;需求采集部門跨界知識豐富，可根據業務調整知識結構，但人數占整個5G技術隊伍比例極少;設備維護和服務支撐團隊均是上一代網絡維護隊伍的轉型，對產業跨界和異廠家業務了解程度遠遠不足。

4.3.2 5G網絡運營商? 維護隊伍熟悉現有設備和業務流程，對產業跨界了解同樣不足;營銷團隊是用戶業務跨界的第一手信息接收者，在研發廠商支持和原有技術知識背景下，是產業跨界推動的生力軍，但存在嚴重的傳統營銷慣性思維，針對企業級客戶的業務流程調研能力和提出綜合解決方案能力較弱。

4.3.3 企業級客戶? 熟悉自身業務和效率短板，但出于對成本增加和風險管控的急切關注，對業務跨界有抵觸，這些企業級客戶中不乏業務需求者和上下游生產廠家。

4.3.4 科研院校? 院校延續原有專業教學體系，教學知識待更新，“產學研”結合不足導致產業跨界教學隊伍無法普遍和快速地建立，新知識的快速廣泛傳播，才是行業產業廣泛融合的基石。

5G時代已然到來，5G作為國家戰略，未來將扮演越來越重要的角色，它將對我們的生活方式、生產工具形態和生產制造方式帶來深遠的影響和變革。我們必須找出差距，加快對5G網絡的技術研究和產業鏈培育，尤其是與大數據、人工智能、智能制造和物聯網等新興產業的融合，利用這百年一遇的大好機會，縮小與發達國家之間的差距，是提升綜合國力、保障國家安全和建設世界科技強國的必由之路，為實現中華民族偉大復興夯實基礎。

參考文獻：

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