5G技術概述與產業發展趨勢研究

王純?尹志東?彭睿?曾波?張宇?王政

摘 要：本文通過梳理5G的發展現狀，系統分析了5G產業創新業務應用及5G總體安全架構，從未來應用場景、加速實現產業融合、實現萬物互聯三個方面預測了5G產業發展趨勢，以期為5G技術在萬物智能互聯時代發揮更重要的作用提供給一定理論參考。

關鍵詞：5G;安全架構;應用場景;萬物互聯

中圖法分類號：TN92? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0216

5G不僅改變了網絡傳輸的效率，也改變了各行各業的傳統規則，使傳統行業發生融合、協同，極大提升了生產效率，推動經濟社會可持續、高質量的發展。專家學者在全世界范圍內進行統計，并依據預測模型得出：到2025年，5G將達到目前4G網絡的覆蓋水平，全球用戶將突破10億。商業機構對市場進測算，超過10萬億美元的全球GDP和超過2 000萬的就業崗位將直接和5G應用相關[1]。當前，以華為為代表的國內通訊企業在全球處于領先地位。根據我國官方學術機構研究結果，超過6萬億元的GDP和超過1 000萬的就業崗位將直接和5G應用相關。大力發展5G將有利于網絡強國和制造強國戰略的實施，5G技術將成為我國經濟社會實現可持續發展、高質量發展的持續推動力量之一。

1? 5G概述

5G是第五代移動通信技術的全稱，是第五代手機移動通信標準。雖然4G技術依然占據市場主流，但5G技術優勢能全面超越4G。數據傳輸層面，5G網絡理論速度可以達到4G的100倍以上，下行速度更是可以達到10Gbps以上。網絡安全性上，5G網絡實現全面提升。網絡穩定性上，變現在數據傳輸的低延遲特性上，可以面向無人駕駛、遠程工程操作和手術醫療等特定場景。5G技術對4G技術的升級迭代已經不可避免，并將逐步實現商業化，通信產業將迎來新一輪的發展，將帶動數萬億規模的新興產業發展。

2? 5G技術的發展現狀

5G技術的快速發展改變了整個互聯網生態。5G網絡三個基本要素是網絡基建、云計算設備以及大數據分析，其中5G網絡的基礎設施建設是基礎，在此基礎上可以發展基于次時代網絡傳輸效率的遠程實時計算，并且在4G不具備大規模應用的大數據分析也將實現。尤其是在工業界，高精度的數據傳輸以及涉及商業機密的可靠性網絡需要，都將依托于5G網絡的高速率、低延遲和可靠特性，智能化的工業互聯網時代已經到來[2]。5G運營商將順勢而為，利用網絡基建、云計算設備以及大數據分析打造全新的萬物互聯新消費場景。

2.1? 5G技術標準進展

5G技術還未建立統一標準。世界各國的科研機構、科技公司都在積極爭取先機。其中較為有影響力的是國際電信聯盟發布的合作伙伴計劃（下文簡稱3GPP），這一舉動使得國際電信聯盟在5G技術標準制定上暫時領先。3GPP在2018年發布了兩項重要的技術標準：空中接口技術（NR）和獨立組網功能（SA），這是5G獨有的技術，并且在此基礎上繼續制定了非獨立組網標準（NSA），可以說5G網絡的基本標準已經在這個時期制定完成（如圖2所示）。2020年，3GPP繼續更新早先制定的標準，宣布R16標準，這被業界視為5G網絡第一次技術升級。同一時間，我國在政府主導下，國家發改委、科技部、中科院以及國有龍頭通訊企業也在大力推進我國的5G技術發展，并且成立了IMT-2020 5G推廣小組[3]。

2.2? 5G 組網方式

3GPP對5G技術的標準定義了空中接口技術（NR）和獨立組網功能（SA），實際上這就是R16的前身R15，即5G基站的第一代技術，相當于將4G組網方式進行了升級，但是沒有換代。到R16階段，4G組網方式已經被完全取消，采用獨立組網方式，好處是不同的運營商可以根據自己的基站布設情況來優化自己的網絡。實際上，R15的優勢在經濟，因為不需要大規模的基站更新就可以實現5G網絡應用。R16的優勢在于真正實現了5G網絡的一系列獨有功能。

2.3? 5G為用戶提供了更多的場景應用

5G作為次世代的通信技術，它實現了網絡互聯效率的質變，數以百倍的速度提升以及數以千倍的用戶連接支持數量，更高等級的網絡穩定性和信息安全性可以應對未來各種場景對數據傳輸的需求。因此，多數研究機構將5G未來應用場景歸結為海量數據流、海量互聯網設備以及海量的新應用場景。例如，海量的大容量資源下載和實時傳輸，高穩定的數據互換，以及遠程工業控制甚至是遠程醫療這種幾乎沒有延遲的數據傳輸才能實現的應用場景[4]。此外，隨著智能生活時代的到來，數量驚人的智能設備以及用戶都將介入5G網絡。

3? 5G總體安全架構

隨著新的5G應用場景、網絡架構、空中接口技術的出現，用戶隱私和安全需求與現有的4G網絡將會不同。特別是物聯網應用場景帶來的大連接認證，在高可用性、低延遲、低能耗等條件下將提出更高的安全需求。此外，5G引入的SDN/NFV、移動邊緣計算等新技術將帶來更多的變化和安全風險。上述各種新技術、新需求都對5G安全架構的設計提出了新挑戰。3GPP工作組SA3負責5G網絡安全架構的設計，指出5G安全架構設計中需要注意的領域[5]（如圖3所示）。在5G整體安全架構的能力部署層面，各種創新思路尚未趨同，但是內生安全已成為一個引人注目的發展趨勢。從5G安全能力部署的角度來看，當前的發展趨勢是在5G安全架構的基礎上，結合5G網絡云化、池化、虛擬化的特點，探索內生安全的機制進而設計部署框架。目前，業界對5G安全的關注和重點研究主要是結合5G安全需求和系統內生安全機制，從空中接口和地面網絡兩個層面探討5G網絡內生安全要素，引入新的防御機制，提出5G內生安全部署架構。從而在這個架構中，進一步研究物理層安全、輕量級加密、5G網絡切片安全、模擬防御、用戶隱私保護、區塊鏈技術等關鍵技術及其在5G中的應用，最終形成防范已知和未知安全風險的高性能、高可靠性的綜合技術解決方案[6]。

4? 5G產業創新業務應用分析

5G技術還可以推動其他行業進步，甚至催生出新的技術行業。例如在新冠疫情期間，遠程辦公、教育、醫療的重要性逐漸凸顯，越來越多的無人駕駛載具也日臻成熟，5G技術將會在這些領域提供強大的信息技術支持，甚至改變整個行業規則[7]。這就要求5G網絡運營商解決好三要素問題：扎實的基站建設、優化的網絡架構以及先進的大數據算法，將5G技術向不同行業進行滲透，實現“5G+”。

在智慧交通方面，無人駕駛等技術依靠極其高效的通訊、算法，并且整個路網系統必須進行“云計算”改造，依托于5G技術實現載具和實時路況的適應和交互，也就是所謂的智能交通系統組建[8]。

在工業互聯網方面，我國“十四五”規劃明確提出要實現經濟社會高質量發展，工業互聯網升級應用就是重要抓手。實際上，智能制造一直是國家大力發展的產業，工廠智能化、資產管理智能化，尤其是通過工業互聯網技術實現安全生產，都將基于5G技術得以實現[9]。

在遠程醫療方面，解決醫療資源分配不均衡問題的有效途徑就是共享。多醫院間通過5G網絡進行運營、診療甚至手術共享協作，特別是對于傳染性疾病進行非接觸式的診療也將得以真正實現。這一切都將有效使大城市的醫療資源下沉到三四線城市甚至是縣城，平衡區域醫療資源不充分，跨區域交通條件受限等問題[10] 。

對數據交換方面，5G技術具有預導頻、小幀結構、上下行自由調度等升級功能，解決了空中接口數據傳輸時延這個最大的技術桎梏[11]。5G網絡已經突破現有所有網絡設備需要的帶寬需求，并且自身網絡構架上保證了數據傳輸上的安全可靠性，在能源、航天、環保、安全巡查、森林防火等關系國家安全領域將得到大規模應用[12]。

5? 5G產業發展趨勢

5.1? 未來應用場景

目前主流觀點認為，大規模、大流量的人流場景以及低延遲需求的應用場景是5G技術未來應用的主要場景。例如：我國即將全面進入高鐵時代，同時一、二線城市的地鐵建設也迎來了高峰，5G網絡將首先在高鐵、地鐵上實現全域覆蓋;一、二線城市已經相繼建立的城市智慧治理中心，不僅是利用海量信息數據管理城市，同時需要環境檢測、應急響應等需5G技術支持的數字化實時管理手段;工業互聯網、無人駕駛等技術也將依托于5G技術的安全可靠以及低延遲特性，尤其是虛擬現實技術為各種場景模擬提供了有效解決手段[13]。

5.2? 加速實現產業融合

5G技術為支撐，可以實現跨行業加速融合發展。例如：工業互聯網的實現就是信息化技術加入到傳統工業界[14]。4G時代的商業、服務業領域已經發生巨大變革，5G技術將進一步加速服務業智能化進程，引發產業迭代升級，即是管理方式和供應鏈體系的智能化。

5.3? 實現萬物互聯

基于5G技術可以實現真正意義上的“萬物互聯”。在4G時代，人與物之間通過數字化手段已經實現了“互聯”，但沒有做到“互動”，通過5G網絡的信息交換能力，可以實現生活學習、工作生產數字化。另一方面，因為萬物互聯的實現，消費模式將發生巨大變化，隨之而來的是用戶體驗的升級，繼而反向刺激新產業、新業態、新模式的迅速發展[15]。根據國內學術機構以及頭部通信企業研究成果，到2030年左右，5G技術將拉動超過6萬億的直接產業價值，間接拉動價值超過10萬億。并且這種拉動呈現出爆發式增長趨勢，直接產出：2020年約5千億元——2025年約3萬億元——2030年約6萬億;間接產出：2020年約1萬億元——2025年約6萬億元——2030年約10萬億。智能制造行業將會是5G時代最大的收益者。根據國際組織IHSMarkit測算，2030年前后，基于5G技術衍生創造的商業價值將達到12萬億美元，智能制造行業將在其中占據非常大的份額，即是超過3萬億美元（如圖4所示）。

6? 結語

5G技術以百倍量級增加4G網絡帶寬，不斷優化大數據分析算法，提供高可靠性、低延遲的網絡連接保障。5G將極大提高個人工作、學習的效率，并徹底改變社會生產傳統模式，構建基于5G網絡的下一代工業互聯網生態，重塑行業應用場景和商業形態，推動通信網絡、互聯網、物聯網的深度融合，使人與人、物與物、人與物更加方便、快捷、廣泛地互聯互通，推動社會數字化進程。

另一方面，功能的豐富和性能增強必然增加網絡設備基建成本和維護優化的復雜性。在實現“萬物互聯”的過程中，5G網絡的建設者要改變自身定位，迅速由互聯網的管理者轉變為互聯網服務的提供者。從網絡基礎建設、網絡資源分配到優化運營多個角度滿足5G時代的應用場景。充分利用5G網絡優勢，不斷完善智能互聯的各項功能，以創新實踐、多方協作，共同構建信息融合的智能產業生態環境。

參考文獻：

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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年成都哲學社會科學規劃項目“5G背景下成都新興產業發展路徑選擇研究”（項目編號：2020BZ115）

階段性成果

作者簡介：王純，男，主要研究方向為信息技術、產業規劃發展。