国之重器出版工程 5G时代的承载网

Ⅰ.①5…　Ⅱ.①万…　Ⅲ.①无线电通信—移动网　Ⅳ.①TN929.5

中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第004312号

◆编著　万芬　余蕾　况璟　等

责任编辑　李强

责任印制　杨林杰

◆人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164　　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

固安县铭成印刷有限公司印刷

◆开本：710×1000　1/16

印张：23.75　　2019年2月第1版

字数：421千字　　2019年2月河北第1次印刷

内容提要

本书从5G概念入手，阐述5G的技术特点，罗列和展望5G技术与社会各行业的结合方式；从需求入手，阐明 5G 技术对承载网的要求。本书重点阐述和说明承载网的关键技术和发展方向，最后根据目前几大运营商的网络条件，结合各类技术演进情况，通过试点案例，对承载网的建设提出多种网络组织方案和规划思路，为5G时代的网络建设提供了有效的思路。

本书适合作为通信专业的大学生、研究生的入门教材；适合作为运营商的培训教程；适合作为从事通信规划设计行业的技术工作者的工作指南；适合作为行业分析师产业研究的基础说明材料；适合作为通信行业、物联网行业以及对5G有兴趣的广大读者朋友的专业阅读材料。

《国之重器出版工程》编辑委员会

专家委以会委员（按姓氏笔画排列）

李新亚　国家制造强国建设战略咨询委员会委员、中国机械工业联合会副会长

张宏科　北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室主任

陆燕荪　国家制造强国建设战略咨询委员会委员、原机械工业部副部长

屈贤明　国家制造强国建设战略咨询委员会委员、工业和信息化部智能制造专家咨询委员会副主任

项昌乐　“长江学者奖励计划”特聘教授，中国科协书记处书记，北京理工大学党委副书记、副校长

序言

相对于3G/4G来说，5G是革命性发展，它致力于应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景，同时与行业深度融合，满足垂直行业终端互联的多样化需求，将传统的人与人的通信不断向人与物、物与物之间的通信进行扩展，立足创建“万物互联”的新世界。

5G在带来革命性业务体验、新型商业应用模式的同时，对基础承载网络提出了多样化全新需求。5G网络拟提供业务的主要特征包括大带宽、低时延和海量连接，从而对承载网在带宽、容量、时延和组网灵活性方面提出新的需求。各个运营商现有承载网在网络架构、技术性能和组网功能等方面难以完全满足5G网络新型业务及应用的需求，因此，面向5G的承载网技术演进与革新势在必行。

“5G商用，承载先行”，5G承载已成为业界关注的焦点。运营商5G真正实现商用，离不开对承载网络的提前布局。目前正处于标准制订和产业化培育的关键时期，ITU-T、IEEE、IETF、OIF、CPRI、CCSA等国际和国内主要标准化组织和团体均已密集开展5G承载方面的标准化研究工作。

由于5G 网络采用了C-RAN 分布式架构和吉比特每秒以上的承载速率，另外，5G将工作在1.8GHz以上的高频段，基站密度也会大大提高，因此， 5G网络的建设很大程度上取决于运营商的光纤密度与光承载网络能力。为了帮助业界更好地掌握5G时代的承载技术与组网方案，《5G时代的承载网》一书从5G的基本概念与应用场景出发，分析5G时代承载网面临的挑战和需求，深入浅出地介绍了5G承载的几种关键技术，包括OTN、IPRAN和PTN，并通过对几大运营商的4G承载网现状、5G承载技术研究重点和现网试点案例的分析，对将来5G网络架构演进和技术方向选择做出进一步的探讨。

本书由通信设计单位的一线资深专家联合编写，对运营商的网络现状、面临的问题，以及5G时代的承载网该如何规划进行了深入全面的分析和阐述。这本书是他们丰富工作经验的智慧结晶，相信他们的研究和总结会给广大读者带来深刻的思考和启迪。当然，5G的规模建设和应用尚需时日，书中对5G承载技术的分析和判断还需要实践检验，但是本书至少能够成为读者全面了解和研究5G承载技术的重要参考资料。

中国通信学会光通信委员会副主任、中国通信标准化协会传送与接入网技术委员会副主席、教授级高工

前言

德国著名哲学家亚瑟·叔本华说过：“人的本质就在于他的意志有所追求，一个追求满足了又重新追求，如此永远不息”。

通信行业一代代技术的更替正是如此，一个追求满足了又重新追求另一个，科技改变生活，为满足人类信息服务的追求，通信人的脚步永不停歇。

处于5G时代来临的时间节点，人与人的通信正在向人与物、物与物的通信扩展，万物互联的时代正在到来，作为通信网络建设的从业人员，在新的技术周期里，应该对5G时代的通信网有一个前瞻性的认识，特别是对投资巨大的承载网的发展方向和演变格局有科学的认知。

本书共分4篇。第1篇为5G时代的到来，共分2章，主要阐述移动通信的发展历程、5G的基本概念，以及5G将来在各行业的应用、现阶段业内对5G的响应等。

第2篇为5G网络的演变。这一篇有3章，从5G网络架构入手，分别阐述了无线接入网、核心网的演变及关键技术，由无线架构的变化推演出5G基站接入网的前传、中传、回传的概念，并根据5G三大场景的业务需求提出了5G对承载的八大需求。

第3篇主要介绍几种主流的承载技术和承载网可能的组网方案，对目前运营商网络中广泛采用的OTN、IPRAN、PTN等主流技术，从原理、特点以及应用上进行了阐述和说明，旨在阐明目前承载网的现状和5G时代网络演变的基础条件。

第4篇主要阐述运营商的组网演变、5G承载网多层级设备组网和光缆网的计算、规划思路、建设步骤以及5G网络建设基础设施的准备等。本篇主要基于几大运营商的现网分析和目前的技术方向，罗列出多种可能的组网方式的备选方案，对运营商未来5G网络架构的演进和技术方向做出了进一步的探讨。通过对4G网络建设经验的分析，模拟计算5G设备组网的几种模型，并展望了5G承载建设设备和光缆两方面的建设要点。最后，以试点案例为附录，介绍一些5G网络建设中的具体问题。

万芬完成了全书架构和编整工作以及多个章节的编写。余蕾参与了本书第1章、第3章的编写工作。况璟参与了第5章、第6章以及附录编写工作。

衷心地感谢湖北邮电规划设计有限公司王庆总工及各级领导在本书编写过程中给予的支持与关注。感谢湖北邮电规划设计有限公司铁塔咨询设计院寿航涛副院长、信息网络咨询设计院胡建英副院长、信息咨询设计一院李维副总工在本书编写过程中提供的资料及给予的专业支持。

由于5G标准的制订尚未全面完成，编者的知识及视野也有一定的局限性，书中如有不准确、不完善之处，请广大读者与同行专家批评指正。

第1篇 5G时代的到来

第1章 5G的概念

随着无线技术的高速迭代发展，5G时代即将来临，5G到底是什么？5G有哪些标准？5G的发展近况如何？我们来一一揭晓。

|1.1 移动通信发展历程|

始于20世纪70年代的移动通信技术，经过40多年的蓬勃发展，已经渗透到现代社会的各行各业，深刻影响着人类的工作、生活方式以及各行业的发展趋势。在这些年的发展历程中，移动通信技术经历了从第一代到第四代的飞跃。基于模拟技术的第一代无线通信系统（1G）仅支持模拟语音业务，存在容量有限、保密性差、通话质量不高、不支持漫游、不支持数据业务等缺点；第二代数字通信系统（2G）实现了数字传送技术和交换技术，有效提升了语音质量和网络容量，同时引入了新服务和高级应用，如用于文本信息的存储和转发短消息，2G的演进又称为2.5G，在语音和数据电路交换之上，引入了数据分组交换的业务；第三代宽带通信系统（3G）则将业务范围扩展到图像传输、视频流传输以及互联网浏览等移动互联网业务，3G演进（3.5G）进一步提升了数据速率，下行速率提高到14.6Mbit/s，上行速率提高到5.76Mbit/s。移动互联网经过3G时代的培育已经进入了爆发期，人们对信息的巨大需求为第四代移动通信系统（4G）的发展提供了充足的动力。蜂窝通信标准演进如图1-1所示。

第四代移动通信技术（4G）被称为LTE，实现了系统容量的大幅提升，为终端用户真正带来了每秒百兆比特的数据业务传输速率，极大程度地满足了当前宽带移动通信业务的应用需求。

LTE网络全球范围的大规模部署以及LTE终端的日趋成熟，极大地促进了移动互联网和物联网的快速发展，涌现出多种多样的新型业务和琳琅满目的终端，持续刺激并培养着人们的数据消费习惯。

如图1-2所示，IMT-2020（5G）推进组于2014年发布的《5G愿景与需求白皮书》中预计，2010—2020年全球移动数据流量增长将超过200倍， 2010—2030年将增长近20000倍。中国的移动数据流量增速高于全球平均水平，预计2010—2020年将增长300倍以上，2010—2030年将增长超过40000倍。发达城市及热点地区的移动数据流量增速更快，2010—2020年上海移动数据流量的增长率可达原来的600倍，北京热点区域移动数据流量的增长率可达原来的1000倍。

如图1-3所示，预计到2020年，全球移动终端（不含物联网设备）的数量将超过100亿，其中中国将超过20亿。全球物联网设备连接数也将快速增长， 2020年将接近全球人口规模，达到70亿，其中中国将接近15亿。到2030年，全球物联网设备连接数将接近1000亿，其中中国超过200亿。在各类终端中，智能手机对流量的贡献最大，物联网终端数量虽大但流量占比较低。

为了能够更好地应对未来移动互联网和物联网高速发展带来的移动数据流量的高速增长、海量的设备连接，以及各种各样差异化新型业务应用不断涌现的局面，我们需要更加高速、更加高效、更加智能的新一代无线移动通信技术来支撑这些庞大的业务和连接数。

|1.2 什么是5G|

5G网络就是第五代移动通信网络。在5G概念被推出的这几年里，广大消费者了解到的5G特征往往是速度快。当前的第四代长期演进（4G LTE）服务的传输速率仅为75Mbit/s。而在5G网络中，最早三星电子利用64个天线单元的自适应阵列传输技术，成功地在28GHz波段下达到1Gbit/s的传输速率，实现了新的突破。未来5G网络的传输速率可达到10Gbit/s，这意味着手机用户在不到1s时间内即可下载一部高清电影。

当5G峰值理论传输速率可达数十吉比特每秒时，比4G网络的传输速率将快数百倍，可在1s之内下载整部超高画质电影。随着5G技术的诞生，广大消费者可以使用智能终端分享3D电影、游戏、超高画质（UHD）节目，以及多种多样的娱乐方式。

在通信业内人士眼里，5G网络的主要目标是让终端用户始终处于联网状态。5G网络将来支持的设备远远不止是智能手机和平板电脑，它还要承载个人智能通信工具、可穿戴设备（比如智能手表、健身腕带、智能家庭设备）等。5G网络将是4G网络的颠覆性升级版，它的基本要求并不仅仅体现在无线网络上，还有为实现5G功能而搭建的核心网、承载网以及接入网。

现在我们能预见的5G网络中最大的改进之处是它能够灵活地支持各种不同的设备，并且在一个给定的区域内支持无数台设备，这就是科学家的设计目标。在未来，每个人将需要拥有10～100台设备为其服务。但科学家目前也很难估算支持所有这些设备到底需要多大的数据容量，另外，他们也很难准确预料哪些基于5G的创新性服务会涌现。

|1.3 5G引发革新|

移动通信从1G到4G，经历了四代的发展，过去40年移动通信的发展已经极大地改变了人们的生活，个人通信的高速技术发展为人类和社会带来了广泛的便利和福利。如今，站在5G时代的历史节点，让我们来细数5G将为我们带来些什么。

5G只是速率更高吗？当然不仅仅是这样。

5G不再只是手机中所用文件格式的变化、文件传输速率的提升，而是将通信的作用从人与人之间的连接扩展到各行各业、万事万物之间的互相连接，形成崭新的数字化社会、物联网世界新格局。

5G（第五代移动通信）是IMT（国际移动通信）的下一阶段，ITU（国际电信联盟）将其正式命名为IMT-2020。目前，ITU正在对IMT-2020进行初步的规划。此外，端到端系统的大多数其他变革（既包括核心网络内的，又包括无线接入网络内的）也将会成为未来5G系统的一部分。在移动通信市场中， IMT-Advanced（包括LTE-Advanced与WMAN-Advanced）系统之后的系统即为“5G”。

在大力研发5G潜在“候选技术”的同时，全球移动通信行业对于5G技术研发驱动因素的理解也逐步达成了共识。ITU-R（国际电信联盟无线电通信局）确定未来的5G具有以下三大主要的应用场景：（1）增强型移动宽带；（2）超高可靠与低延迟的通信；（3）大规模机器类通信。具体包括吉比特每秒移动宽带数据接入、智慧家庭、智能建筑、语音通话、智慧城市、三维立体视频、超高清晰度视频、云工作、云娱乐、增强现实、行业自动化、紧急任务应用、自动驾驶汽车等。

在日益增大的网络容量需求、吞吐量增强需求、更多无线接入应用场景需求（所有可联网型设备均以一种“无缝”的方式接入到网络之中）之下，移动宽带网络正在向5G演进。ITU-R正在与包括全球移动通信行业在内的产业链上各利益主体进行密切协作，对下一代IMT系统——IMT-2020（5G）的研发方向、时间表与成果输出等进行定义，目的是把对于未来移动宽带通信的愿景最终变成现实。

为最终建成一个网络化的社会，未来的第五代移动通信网络应该能使用位于不同物理频段的无线频谱资源，以支撑各类应用场景，满足提高业务服务质量的需求，并采用比现有移动通信无线接入网络物理带宽大得多的射频信道。

第五代移动通信网络的无线频谱资源需求主要来自于对于系统容量的增长需求，以及对各类新兴应用场景的支持。为支撑未来各类5G应用场景的5G技术需求（比如，超过10Gbit/s的峰值数据传输速率、100Mbit/s的小区边缘数据传输速率、1ms的端到端延迟/时延等）有望在各个物理工作频段上均得到满足。

这些5G应用场景包括诸如高清晰度移动视频等的增强型移动宽带应用（既可运行于体育场馆等用户高度密集分布的区域，又可以进行泛在的覆盖）。而其余类型的5G应用场景则包括面向垂直行业/交通自动化的超高可靠通信、各类低时延敏感型通信应用、面向大规模机器类通信（MTC，Machine Type Communication，比如移动健康、车辆到车辆通信、虚拟现实、增强现实与触觉互联网等）的较高速/高速数据服务。这些应用场景将会进一步增大未来第五代移动通信网络对于更多无线频谱资源的需求。

未来，第五代移动通信无线接入网是否能很好地支撑各类应用场景，取决于从低频（频点在500MHz左右）到高频（频点高于60GHz）的各个物理工作频段的物理特性（无线射频传播特性）。低频段具有优良的无线传播特性、网络覆盖广，既可支撑宏蜂窝建设，又可支撑小基站部署；高频段的无线传播特性相对低频段较差，但是有较多可用的且连续的无线频谱资源（尤其是在毫米波频段），可提供更宽的物理信道。

全球移动通信行业中目前正在发生的面向未来第五代移动通信网络的技术演进，在各类可商用新型半导体芯片及天线阵列（可工作于不同的物理频段，比如厘米波频段、毫米波频段等）的驱动下，取得了较快的进展。

IMT-2000与IMT-Advanced为现有已商用部署的移动宽带通信系统提供了标准基础。IMT-2020（5G）是ITU现有国际移动通信标准族的延伸/扩展。按照相关规划，IMT-2020（5G）的标准化工作有望于2020年全部完成。

未来，5G应用不单单只限于个人的手机，它的应用将扩展到VR/AR、智慧城市、智慧农业、工业互联网、车联网、无人驾驶、智能家居、智慧医疗、无人机、应急安全等各行业和领域。这意味着5G将会为人类的生活方式和社会的发展方式带来一次彻底的革新。

一项技术创新可以分为渐进式创新、模块创新、架构创新和彻底创新4类。从2G到4G是频谱效率和安全性等逐步提升的渐进式创新，也是在维持集中式网络构架下的模块式创新，还有从网络构架向扁平化和分离化演进的架构创新。但到了5G时代，除了网络能力以外，还必须面向各种新的行业服务，提供随时需要的、高质量的连接服务，这也要求5G网络的建设是多方位的、彻底的创新。

移动网构络架主要包括核心网和无线接入网，到了5G时代，移动网络按循序渐进的方式引入5G网元设备。

第1步，5G NR（新无线）先行，5G基站（gNodeB）与4G基站（eNodeB）以双连接的方式共同接入4G核心网。

第2步，5G基站独立接入5G核心网（NGCN，下一代核心网）。

第3步，5G基站和4G基站统统接入5G核心网，4G核心网退出历史舞台。以上5G网络架构演进看似整体一致，实际上，我们把核心网和无线接入网分开来看，其内部架构发生了颠覆性的改变。核心网的网元由4G时代的MME/S-GW变为5G时代的AMF/UPF（AMF/UPF是由中国移动牵头提出的SBA 5G核心网基础架构）。

另外一个概念是5G系统服务架构，这是一个基于云原生设计原则的架构，不仅要对传统4G核心网网元NFV虚拟化，网络功能还将进一步软件模块化，实现从驻留于云到充分利用云的跨越，以实现未来以软件化、模块化的方式灵活、快速地组装和部署业务应用。

AMF（Mobility Management Function）负责控制面的移动性和接入管理，代替了MME的功能。

UPF（User Plane Function）负责用户面，它代替了原来4G中执行路由和转发功能的SGW和PGW。

无线接入网发生的主要改变是分离，首先是控制面和用户面的分离，其次是基站被分离为AAU、DU和CU这3个部分。

值得一提的5G无线关键技术有微基站（Small Cell）和Massive MIMO。5G的容量是4G的1000倍，峰值速率10～20Gbit/s，要提升容量和速率无非就是频谱带宽、频谱效率和小区数量三要素。

首先是频谱带宽，高频段的频率资源丰富，同时，目前小于3GHz的低频段基本被2G/3G/4G占用，所以5G必然要向高频段3.5～30GHz（甚至更高）扩展。那么如何解决频段越高，穿透能力越差，覆盖范围越小的问题就引出了5G的两大关键技术——Massive MIMO和微基站。

毋庸置疑，微基站已成为未来解决网络覆盖和容量的关键。未来城市路灯、广告牌、电杆等各种街道设施都将成为微基站挂靠的地方。

Massive MIMO就是在基站侧配置远多于现有系统的大规模天线阵列的MU-MIMO，来同时服务多个用户。它可以大幅提升无线频谱效率，增强网络覆盖和系统容量，简而言之，就是通过分集技术提升传输可靠性、空间复用提升数据速率、波束赋形提升覆盖范围。

MU-MIMO将多个终端联合起来空间复用，同时使用多个终端的天线，这样一来，大量的基站天线和终端天线形成一个大规模的、虚拟的MIMO信道系统。这是从整个网络的角度更宏观地去思考提升系统容量。

波束赋形是指大规模多天线系统可以控制每一个天线单元的发射（或接收）信号的相位和信号幅度，产生具有指向性的波束，消除来自四面八方的干扰，增强波束方向的信号。它可以补偿无线传播损耗。

自从各大厂家的Massive MIMO在2017年举行的中国国际信息通信展览会（PT展）上亮相以来，在近一年时间里，各大厂家的Massive MIMO产品均在不断更新和进步，相信不久我们能看到更多、更新的设备。

5G超高速上网和万物互联将产生呈指数级上升的海量数据，这些数据需要云存储和云计算，并通过大数据分析和人工智能产出价值。

与此同时，为了面向未来多样化和差异化的5G服务，一场基于虚拟化、云化的ICT融合技术革命正在推动着网络重构与转型。

为了灵活应对智慧城市、车联网、物联网等多样化的服务，使能网络切片，核心网基于云原生构架设计，面临毫秒级时延、海量数据存储与计算等挑战，云化的C-RAN构架和实时的移动边缘计算（MEC）应运而生。从核心网到接入网，未来5G网络将分布式部署巨量的计算和存储于云基础设施之中，核心数据中心和分布式云数据中心构成网络拓扑的关键节点。

这是一场由海量数据引发的从量变到质变的数据革命，是一场由技术创新去推动社会进步的革命，因此，5G需广泛地与各行业深入合作，共同激发创新，从而持续为社会创造价值。

|1.4 关于5G的标准|

1.4.1 ITU和3GPP

5G最重要的标准化组织有ITU和3GPP。其中，ITU是联合国负责国际电信事务的专业机构，其下分为电信标准化部门（ITU-T）、无线电通信部门（ITU-R）和电信发展部门（ITU-D），每个部门下设多个研究组，每个研究组下设多个工作组，5G的相关标准化工作是在ITU-R WPSD下进行的。ITU-R WPSD是专门研究和制订移动通信标准IMT（包括IMT-2000和IMT-Advanced）的组织，根据ITU的工作流程，每一代移动通信技术国际标准的制订过程包括业务需求、频率规划和技术方案3个部分，目前对5G的时间表已经确定了3个阶段：第一个阶段截至2015年年底，完成IMT-2020国际标准前期研究，重点是完成5G宏观描述，包括5G的愿景、5G的技术趋势和ITU的相关决议，并在2015年世界无线电大会上获得必要的频率资源；第二个阶段是2016—2017年年底，主要完成5G性能需求、评估方法研究等内容；第三个阶段是收集5G的候选方案。而3GPP是一个产业联盟，其目标是根据ITU的相关需求，制订更加详细的技术规范与产业标准，规范产业行为。

3GPP（the 3rd Generation Partnership Project）是领先的3G技术规范机构，是由欧洲的ETSI、日本的ARIB和TTC、韩国的TTA以及美国的T1在1998年年底发起成立的，旨在研究制订并推广基于演进的GSM核心网络的3G标准，即WCDMA、TD-SCDMA、EDGE等。中国无线通信标准组（CWTS）于1999年加入3GPP。3GPP的会员包括组织伙伴、市场代表伙伴和个体会员3类。3GPP的组织伙伴包括欧洲的ETSI、日本的ARIB和TTC、韩国的TTA、美国的T1和中国通信标准化协会6个标准化组织。3GPP市场代表伙伴不是官方的标准化组织，它们是向3GPP提供市场建议和统一意见的机构组织。TD-SCDMA技术论坛的加入使得3GPP合作伙伴计划市场代表伙伴的数量增加到6个，包括GSM协会、UMTS论坛、IPv6论坛、3G美国（3G Americas）、全球移动通信供应商协会（The Global Mobile Supplier Association）。

中国无线通信标准组（CWTS）于1999年6月在韩国正式签字，同时加入3GPP和3GPP2，成为这两个组织的伙伴。在此之前，我国是以观察员的身份参与这两个组织的标准化活动。

1.4.2 3GPP的几个阶段性标准

根据3GPP此前公布的5G网络标准制订过程，5G整个网络标准分几个阶段完成，如图1-4所示。

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（New Radio）首发版本正式发布，这是全球第一个可商用部署的5G标准。非独立组网的NSA 5G标准被冻结，但这只是一种过渡方案，仍然依托4G基站和网络，只是空口采用5G，算不上真正的5G标准，大家都在等待独立组网标准。非独立组网标准的确立，可以让一些运营商在已有的4G网络上进行改造，在不进行大规模设备替换的前提下，将移动网速提升到5G网络，即1000Mbit/s的速率。

R15阶段重点满足增强移动宽带（eMBB）和低时延高可靠（uRLLC）应用需求，该阶段又分为两个子阶段：第一个子阶段，5G NR非独立组网特性已于2017年12月完成，2018年3月冻结；第二个子阶段，5G NR独立组网标准于2018年6月14日冻结。2018年6月，已经完成了5G独立组网（SA）标准，支持增强移动宽带和低时延高可靠物联网，完成了网络接口协议。现在的R15 5G标准只能算是第一阶段，重点满足增强移动宽带（eMBB）和低时延高可靠（uRLLC）应用需求，可用于设计制造专业5G设备以及网络建设，单独建立一张全新的5G网络，可以满足超高视频、VR直播等对移动带宽的要求，而无人驾驶、工业自动化等需要高可靠连接的业务也有了网络保证。

5G第二个标准版本R16计划于2019年12月完成，2020年3月冻结，全面满足eMBB、uRLLC、大连接低功耗场景mMTC等各种场景的需求。可以说，预计2020年3月形成的5G标准才是完整的5G标准。

5G技术标准由3GPP确定之后，还需要经过ITU认定。“一定程度上， ITU成员代表的是其所在国及政府的立场，ITU的会议通过，某种程度上相当于‘盖章’认定，代表一项标准的方案被承认为最后的官方结果，也意味着这一国际标准的正式确定”。2019年年底前最终完成的R16标准，将添加支持大规模物联网的场景。当前NB-IoT是主流且已商用的物联网网络，但其缺点在于时延较长，类似智能水表、电表数据传输量小，对网络等待时间要求也不高的场景，使用NB-IoT相当合适。但对于智能血压计等对时延要求较高的应用，mMTC更加适合。而真正完整的R16标准，除了前两个需求外，还应该要满足大连接低功耗场景mMTC等各种场景的需求。届时，整个5G组网方案才会全部被确定，各种终端设备才可能陆续大规模商用化。

1.4.3 解读3GPP R15

2018年6月14日，在美国圣地亚哥举办的600多名ICT行业代表参与的3GPP全会批准了首个5G独立组网（SA）标准，这意味着3GPP首个完整的5G标准R15正式落地，5G产业链进入商用阶段。

3GPP正式最终确定5G第二阶段标准（R16）的15个研究方向。

（1）对5G第一阶段标准（R15）中MIMO的进一步演进：在5G第二阶段标准（R16）中，必须对R15中MIMO进行进一步增强，多用户MIMO（MU-MIMO）增强、multi-TRP增强、波束管理增强。

（2）52.6GHz以上的5G新空口：5G第二阶段标准（R16）将对5G系统使用52.6GHz以上的频谱资源进行研究。

（3）5G NR与5G NR之“双连接”：5G第一阶段标准（R15）定义了EUTRA-NR双连接、NR-EUTRA双连接、NR-NR双连接，但不支持异步的NR-NR双连接。而5G第二阶段标准（R16）将研究异步的NR-NR双连接方案。

（4）无线接入/无线回传“一体化”：随着5G网络密度的增加，无线回传是一种潜在的方案。基于5G新空口的无线回传技术研究已在R15阶段启动， 3GPP将在R16阶段继续研究并考虑无线接入/无线回传联合设计。

（5）工业物联网：5G第二阶段标准（R16）将进一步研究URLLC（超高可靠与低时延通信）增强来满足诸如“工业制造”“电力控制”等更多的5G工业物联网应用场景。

（6）5G新空口移动性增强，5G第一阶段标准（R15）只是定义了5G新空口独立组网（SA）移动性的基本功能，而5G第二阶段标准（R16）将对上述5G新空口的移动性进一步增强。研究内容包括提高移动过程的可靠性、缩短由移动导致的中断时间。

（7）基于5G新空口的V2X：目前，3GPP已经完成了LTE V2X标准、R15 eV2X标准。5G第二阶段标准（R16）将研究基于5G新空口的V2X技术，使得其满足由SA1定义的“高级自动驾驶”应用场景，与LTE V2X形成“互补”。

（8）5G新空口的新型定位方式：虽然5G第一阶段标准（R15）已支持“RAT-independent”定位，但3GPP刚刚确定5G第二阶段标准（R16）将研究更精确的定位技术，包括“RAT-dependent”以及混合定位技术。

（9）非正交多址接入（NOMA）：面向5G的NOMA有多种候选技术。而R16将研究潜在的技术方案并完成标准化工作。

（10）基于非授权频谱的5G新空口部署（5G NR-U）：在5G第二阶段标准（R16）中，5G NR-U需可利用非授权频谱提升5G系统容量。

（11）非地面5G网络：非地面5G网络是指利用卫星或者高空平台来提供5G通信服务。5G第二阶段标准（R16）将研究面向“非地面5G网络”的物理层的控制机制、随机接入和HARQ切换、系统架构等。

（12）远程干扰管理+交叉链路干扰抑制：5G系统多在TDD系统中，而由于大气波导现象，本地5G基站的上行信号会受到远端5G基站下行信号的干扰。5G第二阶段标准（R16）将研究如何识别造成强干扰的远端5G基站，以及如何进行干扰抑制。

（13）5G新空口终端功耗：5G大带宽等特性对5G终端的功耗提出了较大挑战，这将比较严重影响用户的体验。于是，5G第二阶段标准（R16）将研究5G终端工作在“CONNECTED”模式下如何降低功耗。

（14）5G终端能力：5G第二阶段标准（R16）将研究5G终端上报“终端能力”并降低5G终端上报信令开销的方法。

（15）5G新空口以无线接入网为中心的数据收集与利用：5G第二阶段标准（R16）将研究SON、MDT等技术。

2018年6月发布的SA标准完成了5G核心网架构，实现了5G独立组网。SA标准可以实现5G的高可靠、超低时延、高效率等特性，这是将5G渗透到医疗、工业互联网、车联网等行业的核心属性。

此次独立组网标准的冻结，让5G确定了全新的网络架构和核心网，将让网络向IT化、互联网化、极简化、服务化转变。

在IT化方面，全软件化的核心网实现了统一的IT基础设施和调度。功能软件化、计算和数据分离是代表性的技术。传统“网元”重构为5G的“网络功能”，以“软件”的形式部署，充分发挥云化、虚拟化技术的优势。将处理逻辑和数据存储分离，更便于提升系统的可靠性、动态性、大数据分析的能力。

在互联网化方面，从固定网元、固定连接的刚性网络到动态调整的柔性网络。服务化架构（SBA，Service-based Architecture）、新一代核心网协议体系（基于HTTP2.0/JSON）是其代表性技术。SBA的设计是由模块化、可独立管理的 “服务”来构建的。服务可灵活调用、灰度发布，实现网络能力的按需编排和快速升级。传统电信特有的接口协议代之以互联网化的API调用，使得5G网络更加开放、灵活。

在极简化方面，极简的转发面提高性能，集中灵活的控制面提升效率。C/U分离（控制面和用户面分离）、新型移动性及会话管理是其代表性技术。通过C/U分离，一方面实现控制面集中部署、集中管控、集中优化，另一方面实现用户面功能简化，实现高效、低成本、大流量的数据转发。移动性管理和会话管理解耦，使得终端可以按需建立会话连接，节省了网络地址和存储资源。同时，针对不同的终端类型定义了多种类型的移动性管理，简化了终端和网络的状态。

在服务化方面，从通用化服务到个性化、定制化服务。网络切片（Network Slicing）、边缘计算（Edge Computing）是其代表性技术。网络切片提供定制化、逻辑隔离、专用的端到端虚拟移动网络（包括接入网、核心网），是5G面向垂直行业、实现服务可保障的基本技术形式。而边缘计算将网络的功能应用靠近用户部署，使得极致的低时延、本地特色应用成为可能，是5G满足如智能工厂等垂直行业业务需求的重要基础。

同时，在无线侧，5G NR为设计、架构、频段、天线4个方面带来新变化。

在设计上，与以往通信系统不同，通信行业和垂直行业的跨界融合是5G发展的关键之一。为满足垂直行业的各种差异性需求，并应对部署场景的多样性与复杂性，5G在帧结构等方面提出了全新的设计。与4G相比，5G提供了更多可选择的帧结构参数，可根据5G基础通信业务、物联网和车联网等多样化应用场景，以及宏基站、小基站等不同网络部署需求灵活地配置，通过“软件定义空口”的设计理念使无线信号“量体裁衣”，通过同一个空口技术来满足5G多样化的业务需求，大幅提升5G网络部署的效率。

在架构上，为了使组网方式更加灵活并提升网络效率，5G引入了接入网CU（中心单元）/DU（分布单元）分离的无线接入网架构，可将基站的功能分成实时处理的DU部分和非实时处理的CU部分，从而使得中心单元CU可以部署到集中的物理平台，以承载更多的小区和用户，提升了小区间协作和切换的效率。

在频段上，5G系统需要不同频段来共同满足其覆盖、容量、连接数密度等关键性能指标要求。因此，与4G不同的是，5G通过灵活的参数设计（子载波间隔和CP长度等），可支持更大范围的频率部署，包括6GHz以下以及6GHz以上的毫米波频段。其中，6GHz以下频段主要用于实现5G系统的连续广域覆盖，保证高移动性场景下的用户体验以及海量设备的连接；而6GHz以上频段能够提供连续较大带宽，可满足城市热点、郊区热点与室内场景极高的用户体验速率和极高容量需求。

在天线上，5G支持大规模天线以大幅度提升系统效率。大规模天线实现三维的波束赋形，形成能量更集中、覆盖更立体、方向更精准的波束。在大规模天线的架构下，波束扫描与波束管理等多个5G先进技术成为可能，网络覆盖及用户体验的顽健性可得到进一步的提升，实现更好的控制信道和业务信道的覆盖平衡。

|1.5 业内对5G的响应|

自2014年5月13日三星电子宣布其已率先开发出了首个基于5G核心技术的移动传输网络，并表示将在2020年之前进行5G网络的商业推广以来，关于5G的话题如火如荼。

2014年7月，爱立信宣布，在5G无线技术的一项无线测试中，传输速率峰值达到了5Gbit/s。无线传输速率达到5Gbit/s，比LTE连接标准快了250倍，标志着无线传输速率再创新纪录。无论是对智能手机，还是对汽车、医疗和其他设备而言，均将受益于此。网络达到5Gbit/s的速率，下载一部50GB的电影仅需80s，而这一速率为谷歌光纤1Gbit/s传输速率的5倍。

2015年9月，中国联通已公布新一代网络架构CUBE-Net 2.0。希望基于NFV的物联网核心专网，成为5G核心网的一部分。但5Gbit/s传输速率仅为实验室理想状态下的数据，而实际商业部署则要等到2020年。

2016年8月4日，诺基亚与电信传媒公司贝尔再次在加拿大完成了5G信号的测试。在测试中，诺基亚使用了73GHz范围内的频谱，数据传输速率也达到了现有4G网络的6倍。

2017年8月22日，德国电信联合华为在商用网络中成功部署了基于最新3GPP标准的5G新空口连接，该5G新空口承载在Sub 6GHz（3.7GHz），可支持移动性、广覆盖以及室内覆盖等场景，速率直达每秒吉比特级，时延低至毫秒级。同时采用5G新空口与4G LTE非独立组网架构，实现无处不在、实时在线的用户体验。

为抢占未来市场，当前全球多个国家已竞相展开5G网络技术的开发，中国和欧盟正在投入大量资金用于5G网络技术的研发。

中国从国家宏观层面已明确了未来5G的发展目标和方向。《中国制造2025》提出全面突破5G技术，突破“未来网络”核心技术和体系架构。在《“十三五”规划纲要》《“十三五”国家信息化规划》《国家信息化发展战略纲要》等重要文件中，均提出要积极推进5G产业发展。工业和信息化部此前发布的《信息通信行业发展规划（2016—2020年）》明确提出，2020年启动5G商用服务。根据工业和信息化部等部门提出的5G推进工作部署以及三大电信运营商的5G商用计划，我国于2017年展开5G网络第二阶段测试，2018年进行大规模试验组网，并在此基础上将于2019年启动5G网络建设，最快2020年正式推出商用服务。

为此，我国在北京怀柔区建设了全球最大的5G外场试验环境，华为、中兴、爱立信、诺基亚贝尔、大唐、英特尔等全球重要的系统、芯片、仪器仪表等领域企业共同参与了该项目。

2017年6月，我国IMT-2020（5G）推进组公布5G第二阶段测试，测试结果全面满足ITU的指标。

随着SA标准的落地，中国电信已经表示计划扩大现有的城市外场测试，以引领5G性能验证和网络功能优化工作。

2017年年底，国家发展和改革委员会在《关于组织实施2018年新一代信息基础设施建设工程的通知》要求开展5G规模组网建设及应用示范工程，明确提出在不少于5个城市开展5G网络建设，且每个城市基站数量不少于50个。

随后，国内三大电信运营商均在十多个城市中陆续开启5G试点。根据2018年5月底广东省发布的《广东省信息基础设施建设三年行动计划（2018—2020年）》，广东全省预计到2020年共建设5G基站7300个，其中广东移动规划建设5G基站1240个。

与此同时，三家运营商密集发布5G试点进展。中国移动宣布在上海已经新建两座5G基站，预计将建设超过百座5G基站，上海极有可能成为近年国内最大的5G试点城市。中国联通也在多地宣布开通5G基站，其中贵州联通测试速率达到了1.8Gbit/s。

此外，上海、浙江、安徽、江苏三省一市的长三角地区将投资2000亿元打造以5G为引领的长三角新一代信息基础设施体系，预计2018年建成国内规模最大的5G外场技术试验网，2019年率先在国内开展试商用。

2018年6月27～29日，在上海MWCS 2018的展馆，三大电信运营商展示的5G、物联网方案备受关注。中国移动通过展示面向未来的5G商用环境，介绍政务、金融、交通、教育、医疗、农商、互联网、工业能源8个行业正在推动5G应用的重点领域，让现场观众感受到未来生活的便捷，展区的一大亮点是通过现场打造的智慧城市场景，让观众通过全景互动来感受智慧之城的风采。中国联通展馆的一大特色是通过演绎远程医疗、AI+网络优化等多项5G领域的前沿技术成果，仿佛把观众带到了触手可及的5G时代。中国联通展示的国内首个基于增强现实技术5G全息通信系统受关注度颇高。该系统依托中国联通5G、超大带宽、超低时延和稳定可靠的网络，以AR设备为载体、定制研发的AR应用为入口，可应用于远程条件下的工业制造、现场勘探、高精尖技术维修质检、远程医疗等涉及现场作业的领域，有效改善远程与现场无法实现同步协作的问题。中国电信在展会上则通过实实在在的产品带我们走进5G时代，“5G 8K”“5G无人机”等前沿5G产品，体现了5G网络承载高流量业务的能力。除了这些，中国电信展示的车联网从信息服务到智慧泊车，从监测高空抛物到保护古树名木，从智能烟感联动消防到饮用水水质安全保障等场景，无一不在预示着5G的美好前景。在现场，中国电信还演示了5G技术与VR高清传输、智慧动感单车、智慧小区、智慧停车等领域结合的案例，真正推动了技术落地。

5G技术涉及基础通信设备、云服务方案等，华为、大唐、烽火都是这个领域的专家。

在展会上，华为通过展示一系列商用5G系统和应用，比如主推了一个新远程医疗服务场景，也是前景无限。在远程医疗中进行人体远程操作时，5G的超低延迟特性将发挥重要作用。此外，华为还展示了其千兆LTE与网络云化等技术方案。

大唐电信将自身的技术方案在不同场景上应用，让观众感受到5G带来的变革。在展会上，大唐电信展示了5G技术应用在智慧旅游、全景直播、AI高危环境远程遥控操作、工业视觉识别等多个领域，其方案在物联网、智慧城市、智慧家居、智慧电网、远程医疗手术、远程驾驶等均可应用。

在推动、助力国家5G技术试验以及推动车联网、工业互联网等应用落地上，大唐电信以实现5G网络大带宽、低时延和海量连接为目标，推动中国移动通信产业的发展。

针对5G带来的海量数据处理需求，烽火围绕5G高带宽、高密度、高速率等核心需求，推出了具备多元化应用场景的光纤光缆解决方案。其成熟的10G PON产品在国内外市场上广泛应用，智能化OLT有效提升网络接入能力，智能型家庭网关提供全业务家庭组网。烽火通信在展会上的另一大亮点是FitTelecomOS，该产品将从平台的可靠性、运维性、高性能、安全性及解耦性等多维度进行打磨，形成真正意义上的电信级云平台产品。

构建5G网络，不仅需要强大的运营商和技术支撑，还需要光纤、光缆、天线等基础设施以及终端企业的支持，展会也有中天科技、亨通光电、通宇通讯等企业参加。

作为一家以光纤通信产品起家的上市公司，中天科技在展会上展示了5G、物联网、智能制造等领域的高端产品及解决方案。中天科技的智能互联集成云平台、智慧能源管理云平台、一体化位置服务平台等，已经在工业级企业中有了广泛的应用。

亨通光电在光纤光缆、光棒、各类光器件等产品上耕耘已久，这一次展示了很多相关产品和方案，它的耐高温传感光纤、激光光纤、光子晶体光纤等高端特种光纤产品成为展会亮点，它们可应用于物联网精确感知、精密激光器、生物传感与监测等领域。光纤光缆近几年需求大涨，在5G时代，它的需求还将大幅增长。

通宇通讯作为基站天线供应商，在展会上展示了其射频技术方案和生产工艺技术，其168探头近场测试系统应用很广泛。通宇通讯的产品包括微波天线、微波器件、基站天线、智能天线、有源天线、AISG电缆等，目前公司的基站天线测试微波室是行业最大的。

管中窥豹，通过MWCS2018可以看到，5G时代带来的机遇是巨大的，在车联网、智慧城市/智能家居等众多领域应用上，5G技术极大地提升了用户体验，而从展示的5G标准、产品、应用案例等，都可以看出5G行业在高速发展，前景可期。

纵观通信发展历程，从2000年3G开始成熟并商用，2010年4G开始成熟并商用，现在到5G商业化，这些都是符合移动通信技术发展规律的。作为移动通信技术的一次大变革，5G技术的成熟和规模商用，将成为推动国民经济发展、提升社会信息化水平的重要引擎。

到2020年不管5G发展到什么程度，我们可以肯定的是，科技改变生活， 5G将给我们带来更多的惊喜。

第2章 5G的行业应用

5G不仅仅是下一代的无线网，以5G无线网为基础，将带来耳目一新的新一代应用。就像4G网络推动了“互联网+”产业的发展， 5G将为现在的各行各业带来什么样的行业新应用，万物互联的未来世界将是什么模样？本章我们进行展望。

|2.1 物联网的概念与应用|

2.1.1 物联网的概念和关键技术

物联网（IoT，Internet of Things）是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。因此，应用创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新2.0是物联网发展的灵魂。

ITU发布的互联网报告，对物联网做了如下定义：通过射频识别（RFID）（RFID+互联网）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。简而言之，物联网就是“物物相连的互联网”。

物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、路灯照明管控、景观照明管控、楼宇照明管控、广场照明管控、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。在物联网应用中有3项关键技术。

（1）传感器技术。这也是计算机应用中的关键技术。大家都知道，到目前为止绝大部分计算机处理的都是数字信号。自从有计算机以来，就需要传感器把模拟信号转换成数字信号，计算机才能处理。

（2）RFID标签。它也是一种传感器技术，RFID技术是融合了无线射频技术和嵌入式技术为一体的综合技术，RFID在自动识别、物品物流管理方面有着广阔的应用前景。

（3）嵌入式系统技术。它是综合了计算机软硬件技术、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。经过几十年的演变，以嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见，小到人们身边的MP3，大到航天航空的卫星系统。嵌入式系统正在改变着人们的生活，推动着工业生产以及国防工业的发展。如果把物联网用人体做一个简单的比喻，传感器相当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感官，网络就是神经系统，用来传递信息，嵌入式系统则是人的大脑，在接收到信息后要进行分类处理。这个例子很形象地描述了传感器、嵌入式系统在物联网中的位置与作用。

2.1.2 关键应用领域

物联网根据其实质用途可以归结为两种基本应用模式。

对象的智能标签。通过NFC、二维码、RFID等技术标识特定的对象，用于区分对象个体，例如，在生活中我们使用的各种智能卡，条码标签的基本用途就是用来获得对象的识别信息。此外，通过智能标签还可以用于获得对象物品所包含的扩展信息，例如，智能卡上的金额余额、二维码中所包含的网址和名称等。

对象的智能控制。物联网基于云计算平台和智能网络，可以依据传感器网络用获取的数据进行决策，对对象的行为进行控制和反馈。例如，根据光线的强弱调整路灯的亮度，根据车辆的流量自动调整红绿灯间隔等。

一般来讲，物联网的开展步骤主要如下。

（1）对物体属性进行标识，属性包括静态和动态属性，静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需要先由传感器实时探测。

（2）需要识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式；将物体的信息通过网络传输到信息处理中心，由处理中心完成物体通信的相关计算。

在现有的4G网络时代，已经有多项物联网应用落地。下面我们将简单列举几类。

物联网传感器产品已率先在上海浦东国际机场防入侵系统中得到应用。该系统铺设了3万多个传感节点，覆盖了地面、栅栏和低空探测，可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。上海世博会也曾与中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心签订单，购买防入侵微纳传感网产品。

ZigBee路灯控制系统点亮济南园博园。ZigBee无线路灯照明节能环保技术的应用是此次园博园中的一大亮点。园区所有的功能性照明都采用了ZigBee无线技术，实现无线路灯控制。

将移动终端与电子商务相结合的模式，让消费者可以与商家进行便捷的互动交流，随时随地体验品牌的品质，传播分享信息，实现互联网向物联网的从容过渡，缔造出一种全新的零接触、高透明、无风险的市场模式。手机物联网购物其实就是闪购。广州闪购通过手机扫描条形码、二维码等方式，可以购物、比价、鉴别产品等。这种智能手机和电子商务的结合，是“手机物联网”其中的一项重要功能。

一个完整的门禁系统由读卡器、控制器、电锁、出门开关、门磁、电源、处理中心共7个模块组成，无线物联网门禁将门点的设备简化到了极致：一把电池供电的锁具。除了门上面要开孔装锁外，门的四周不需要任何辅佐设备。整个系统简洁明了，大幅缩短了施工工期，也能降低后期维护的成本。无线物联网门禁系统的安全与可靠首要体现在无线数据通信的安全性保管和传输数据的安稳性两个方面。

物联网的智能处理依靠先进的信息处理技术，如云计算、模式识别等技术。云计算可以从两个方面促进物联网和智慧地球的实现：首先，云计算是实现物联网的核心；其次，云计算促进物联网和互联网的智能融合。

物联网的应用在与移动互联网相结合后，发挥了巨大的作用。

智能家居使得物联网的应用更加生活化，具有网络远程控制、遥控器控制、触摸开关控制、自动报警和自动定时等功能，普通电工即可安装，变更、扩展和维护非常容易，开关面板颜色多样、图案个性，给每一个家庭带来不一样的生活体验。

物联网在指挥中心已得到很好的应用，网连网智能控制系统可以控制指挥中心的大屏幕、窗帘、灯光、摄像头、DVD、电视机、电视机顶盒、电视电话会议；也可以调度马路上摄像头的图像到指挥中心，同时还可以控制摄像头的转动。网连网智能控制系统还可以通过3G网络进行控制，可以分级控制多个指挥中心，也可以连网控制，还可以显示机房温度、湿度，可以远程控制需要控制的各种设备的开关电源。

从2003年开始，中国已开始将先进的RFID射频识别技术运用于现代化的动物养殖加工企业，开发出了RFID实时生产监控管理系统。该系统能够实时监控生产的全过程，自动、实时、准确地采集主要生产工序与卫生检验、检疫等关键环节的有关数据，较好地满足质量监管的要求，过去市场上常出现的肉质问题得到了妥善的解决。此外，政府监管部门可以通过该系统有效地监控产品质量安全，及时追踪、追溯问题产品的源头及流向，规范肉食品企业的生产操作过程，从而有效地提高肉食品的质量安全。

总而言之，物联网在实际应用中的开展需要各行各业的参与，并且需要政府的主导以及相关法规政策上的扶持，物联网的开展具有规模性、广泛参与性、管理性、技术性等特征，其中，技术上的问题是物联网最关键的问题。

物联网技术是一项综合性的技术，理论上的研究已经在各行各业展开，而实际应用还仅局限于行业内部。关于物联网的规划和设计以及研发关键在于RFID、传感器、嵌入式软件以及传输数据计算等领域的研究。

物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展。物联网被正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一。物联网产业具有产业链长、涉及多个产业群的特点，其应用范围几乎覆盖了各行各业，未来的发展前景不可限量。

|2.2 5G时代的万物互联|

2.2.1 万物互联与无线技术

5G作为新一代移动通信，与之前几代移动通信最大的区别就是，5G不仅是解决人与人之间的通信，它将带来万物互联的概念。万物互联（IoE）定义为将人、流程、数据和事物结合一起使得网络连接变得更加相关，更有价值。万物互联将信息转化为行动，给国家、企业和个人创造新的功能，并带来更加丰富的体验和前所未有的经济发展机遇。在5G时代，物联网将向万物互联的方向发展。

而实现这一切的基础，是无线网的发展。基于蜂窝的窄带物联网（NB-IoT， Narrow Band Internet of Things）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络上，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络上，以降低部署成本，实现平滑升级。

NB-IoT聚焦于低功耗、广覆盖（LPWA）物联网（IoT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术，具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IoT使用许可频段，可采取带内、保护带或独立载波3种部署方式，与现有网络共存。

2.2.2 R14、R15定义的5G与物联网

2018年，华为发布了全球首个基于3GPP R14协议的NB-IoT商用版本eRAN 13.1。与以前的版本相比，eRAN 13.1可提供7倍用户速率、2倍小区容量、2倍小区覆盖、定位服务四大性能，探索全面替代GPRS物联网的应用之路。

自从NB-IoT协议冻结以来，NB-IoT以其特有的大容量、低功耗、深度覆盖等特点，迅速占据低功耗、广覆盖的物联网市场。截至2018年5月，全球共部署了45张NB-IoT商用网络，建设了超过50万个基站。无线抄表、车联网、智能井盖、无线烟感、智能门锁等40个用例已在批量部署中，现在已经有超过数万个NB-IoT连接广泛应用于城市管理及个人生活的方方面面。

现在，NB-IoT已经被3GPP和GSMA认可为5G时代的物联网技术，将在低功耗、广覆盖的物联网市场中长期演进。然而，随着物联网市场的不断发展， NB-IoT的第一代R13协议已经不能满足不断丰富的物联网应用对NB-IoT性能的需求，比如资产/宠物跟踪需要低功耗的定位功能来降低设备成本和充电的频度。此外，由于GPRS的频谱效率较低，需要有能够支撑高通信速率的物联网技术来替代GPRS，以加速GSM频谱的重耕。

在R14协议中，3GPP定义了NB-IoT性能增强特性，华为eRAN 13.1是全球首个基于R14协议的商用版本。

第一，7倍用户速率：上行峰值速率达157kbit/s，下行单用户峰值速率达102kbit/s，在单用户速率上具备全面替代GPRS应用的能力。

第二，2倍小区容量：单个小区最大用户数可到8万以上，接近R13协议小区容量的2倍，为连接万物提供容量上的有力支撑。

第三，2倍小区覆盖：上行信道估计增强技术，增强小区的深度覆盖能力，降低运营商投资建网的成本。

第四，不依赖GPS的位置定位：终端无须集成GPS模块，定位精度可低至50m，耗电量和定位时延仅为GPS方案的一半，能更好地服务于资产跟踪、物流运输、宠物跟踪等应用场景。

未来几年，逐步构建全业务能力已经成为全球运营商的共识，物联网将成为运营商深耕垂直行业的最佳实践。基于R14的NB-IoT商用版本的发布，在用户速率、小区容量、小区覆盖等方面提升了NB-IoT网络的性能，通过定位服务扩展NB-IoT的应用范围。

我们相信在设备商的技术推动下，通过NB-IoT开放实验室和产业联盟，进行深入的生态建设和商业探索，设备商会与运营商一起开启物联网规模商用的黄金时代。

2.2.3 5G相对4G对物联网的革新发展

物联网的发展要具备两个关键性条件：一是要有完整的标准和网络体系，必须有网络覆盖支持物的互联与移动，4G网络全面覆盖后，推出的NB-IoT、eMTC等物联网技术才能在其基础上形成真正支撑市场需求的全覆盖网络，满足物联网的高可靠、低速率、低功耗等需求；二是安全性，移动通信网络对安全性有很高的要求，不仅要有QoS的保障机制，还要有行业安全机制的要求来保障其安全性，物的互联才能有可靠的安全保障，物联网才能具备大规模发展的条件，而此前的一些技术尚不具备这种安全性保障条件。

移动通信网络与物联网融合的优势在于移动通信网络有多大，物联网覆盖就有多大，不需要客户单独建网，这为物联网的应用提供了非常大的便利，而且大幅度降低了建网的成本。随着4G演进中的NB-loT、eMTC的成熟，物联网的发展开始起步。

未来物联网的需求不断增长，现有的4G网络难以支持未来万物互联的两个最重要的核心需求：海量的连接和1ms左右的时延。但未来5G网络由于其低时延、广域覆盖、超密集组网、海量链接等技术特点将可满足物联网的需求。5G网络相比于4G网络对物联网的提升将是质的飞跃。

5G网络建成后，速率将会是4G网络的100倍，这意味着以手机、平板电脑为代表的移动终端，信息获取的标准质量会有质的提高。从智能家居的角度来看，信息获取会从4G网络的控制信号转变为多元信息，为云计算、大数据等新兴技术与物联网的融合奠定基础，从而迈向智能化时代，与4G相比，5G的时延大幅下降，这意味着工业控制、远程医疗等一些对时延有要求的物联网应用将有可能实现。

5G网络采用的高频段传输技术、多天线传输技术、设备间直接通信技术，在增强了传统蜂窝数据网络模型的同时，也增加了终端与终端之间的通信手段，在改善传统网络结构的基础上增大了网络的覆盖面和频段的使用率，大大减小了终端通信模块的体积，且融入了智能交互的技术保障。植入性能的提高为更多终端入网提供了条件，真正意义上实现了万物互联，更能够为5G网络的人性化、个性化创新提供思路，比如低功耗、低辐射、低噪声，都是5G网络进步的关键因素。

由于网络瓶颈的突破，许多在4G网络无法实现的功能将得以实现，会为新技术的研发带来更高的平台，如智能导航驾驶、人工智能、虚拟现实等高科技研发和应用，都必将得到突破性进展。这就会引发大量关于5G网络、物联网的技术创新思维，众多的新兴技术应用会不断涌现，将物联网的作用发挥到极致，更好地服务社会。从长远来看，5G网络也不是网络发展的终结，而是更高的起点，随着5G网络和物联网的深度融合与革新，下一代网络也将快速被实现，而物联网的升级版和创新技术都将指日可待。

2.2.4 5G时代的应用场景

下面我们来展望，在“互联网+”以及5G时代，移动通信将在哪些行业出现新的应用，以及具体的应用方式。

R15中已经进一步明确了5G NR的基础技术，但3GPP仍在继续提升核心技术，以带来更好的用户体验。多个旨在进一步增强移动宽带的R16项目得到批准，包括连接态终端功耗优化、NR—NR双连接、网络干扰管理、多输入多输出（MIMO）和多传输点提升（主要面向5G NR，兼顾LTE）、移动性增强（5G NR和LTE）以及面向NR的自组织网络（SON）。此外，对非正交多址接入（NOMA）的研究已持续开展了一段时间，R16还将继续研究。最后，将开始初步探索在更高频段（52.5GHz以上）使用5G NR。

R16对eMBB的性能提升，在较大程度上增强了5G eMBB的下一代移动互联网能力。

面向工业物联网的5G NR专用网和uRLLC标志着5G NR向工业物联网用例的扩展，助力实现未来由无线连接重构的工厂。结合目前3GPP SA工作组正在进行的一些项目，以上这些项目将带来一系列提升，比如在更低层使用CoMP技术、在一定时延限定内提供足够的可靠性、在5G NR上部署无线工业以太网和系统架构的协议层。高通在这一领域已经进行了很多研究，在MWC 2018上，高通进行了业界首次演示，利用5G NR支持1ms超低时延的无线PROFINET工业以太网。

IIoT以及以智能电网应用等为典型代表的uRLLC，是国内及全球其他主要国家的重点发展对象。3GPP及时启动该研究项目并在R16进行标准化，对于5G发挥“助力智慧工厂、智能制造等的跨越式发展”的潜在作用具有重大意义。

基于5G NR的蜂窝车联网（C-V2X）新项目将为R16注入新功能，以应对自动驾驶等用例。该项目将成为R14/15中C-V2X的重要补充，C-V2X发展迅猛，已应用于行业中。该项目将研究基于5G NR的车辆间直接通信的接口。高通在5G NR C-V2X上已经研究了很长时间，在MWC 2018上也展示了相关技术。LTE V2X标准以及5G eV2X标准已经完成，而3GPP对R16 5G NR C-V2X的立项，将使车联网“高级自动驾驶”这一应用场景最终得到实现，意义重大。

5G NR将支持各种各样的频谱类型——许可频谱、免许可频谱和共享频谱。该项目还覆盖“许可辅助”场景（类似于LTE LAA）以及“独立组网”场景（类似于面向LTE MuLTEfire），它将探索面向待开发频谱使用的先进的空间技术。高通在MWC 2018上演示的5G NR频谱共享为该技术的发展提供了方向，获得了业界关注。5G NR-U既可增大许可频谱5G NR系统的容量，又可使一些重点垂直行业的企业快速建立更高质量的专网。

3GPP已经制订了强大的技术路线图支持基于LTE IoT的海量物联网，包括两项互补性窄带技术——NB-IoT和eMTC。该路线图将演进到5G时代，这些技术将持续提升以满足5G海量物联网的需求。值得注意的是，在5G NR宽带载波中进行NB-IoT和eMTC“带内”部署是可能的。

NB-IoT和eMTC已经在2017年和2018年取得市场发展的阶段性胜利。未来R16在5G NR宽带载波中进行NB-IoT和eMTC“带内”部署，使上述两项蜂窝物联网又有了未来演进的保障，可持续繁荣发展。

3GPP在R14中引入了用于数字电视广播的LTE EnTV技术。R16将再次评估LTE EnTV，并且可能增强以满足5G广播的需求，这也再次兑现了3GPP对这一行业细分领域的承诺。

5G广播，不仅仅面向视频业务，更面向物联网、车联网等场景，潜在的应用价值很大。高通从最早的MBMS开始，积极推动LTE广播、LTE EnTV的发展，有着深厚的相关积累。

该项目已经进展了一段时间，主要解决如何面向回程链路使用5G NR。这是基站密集部署的使用技术（由于有线回程的物理限制）。同时，这一技术将在向更高频段（特别是毫米波）扩展5G的过程中发挥重要作用。5G时代，基站将密集/超高密集度部署，届时，有线回传将不是最优选项，基于5G NR的无线接入/无线回传“一体化”将受到运营商的青睐。

在R15中，5G NR已支持基本定位技术，此项新研究将着眼于如何利用5G NR接入支持那些需要更精确定位的全新垂直行业用例，例如，5G定位技术可为室内用例带来助益。

5G需要有“高精度”的室内定位。目前，4G的定位技术主要以卫星定位为主，多种定位技术间缺乏有机和深层次的融合，只能解决定位精度或适用范围等某一方面的问题，缺乏一种能够将多种定位技术融合在一起的、全面的、系统的、层次化的融合定位技术架构。“融合定位”是5G高精度定位的主要趋势，面向5G的融合定位需要在定位精度及覆盖范围上实现定位性能的整体提升。

该项目着眼于如何利用5G NR技术支持非地面无线部署，例如低轨道卫星。移动通信和卫星通信在过去几十年都已取得巨大成功，但若它们继续独立发展，则难以顺应目前电信业务中泛在通信和万物互联的发展趋势，相信R16“5G NR面向非地面部署”的研究会把5G与卫星通信的融合推向一个新的高度。

2.2.5 物联网对5G的指标要求

图2-1给出了中国IMT-2020（5G）推进组于2014年5月发布的《5G愿景与需求白皮书》中描述的未来5G总体愿景，可以看出，未来移动互联网主要面向以人为主体的通信，注重提供更好的用户体验，进一步改变人类社会信息交互方式，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清视频、云端办公、休闲娱乐等更加身临其境的极致业务体验。为了保证未来人们在各种应用场景，如体育场、露天集会、演唱会等超密集场景，以及高铁、快速路、地铁等高速移动环境下获得一致的业务体验，5G在对上下行传输速率和时延有更高要求的同时，还面临着超高用户密度和超高移动速度带来的挑战。

物联网进一步扩大了移动通信的服务范围，从人与人之间的通信延伸到物与物、人与物之间的智能互联，促使移动通信渗透到工业、农业、医疗、教育、交通、金融、能源、智能家居、环境监测等领域。未来，物联网在各类行业领域将进一步推广应用，将会促使各种具备差异化特征的物联网业务应用爆发式增长，将有数百亿物联网设备接入网络，真正实现“万物互联”。为了更好地支持物联网业务推广，5G需要满足海量终端连接以及各类业务的差异化需求（低时延、低能耗、低成本、高可靠等）。

前面我们已经提过，在3GPP会议上定义了5G的三大场景：eMBB、mMTC和uRLLC。eMBB：3D/超高清视频等大流量移动宽带业务；mMTC：大规模物联网业务；uRLLC：如无人驾驶、工业自动化等需要低时延、高可靠连接的业务。

2017年，全球移动宽带论坛（Global Mobile Broadband Forum）上，华为无线应用场景实验室（Wireless X Lab）发布“5G十大应用场景白皮书”，首次面向业界给出未来的十大应用场景。

华为白皮书从两个维度出发，分析多个5G未来应用场景，给出Top10应用场景的名单和排序。第一个维度是应用场景对5G技术的依赖性。这种依赖性指的是对网络带宽和时延的要求。不同的应用场景对网络带宽和时延的要求不同。例如，云VR/AR对网络带宽和时延的要求最严格，需要最高9.4Gbit/s的带宽和低于5ms的时延才能保证优质的体验。目前的移动通信技术只有5G才能实现云VR/AR。第二个维度是场景的商业价值。这种价值体现在运营商及垂直行业在该领域的市场空间大小。这也是业务发展的驱动力所在。如云VR/AR业务，华为白皮书预测，到2025年其市场空间将达到2920亿美元。这对于运营商及垂直行业来说无疑是一个巨大的机遇。

华为白皮书在分析多个场景对5G的依赖性和商业价值后，给出十大应用场景的排序，分别是云VR/AR、车联网、智能制造、智慧能源、无线医疗、无线家庭娱乐、联网无人机、社交网络、个人AI助手和智慧城市（如图2-2所示）。

华为白皮书还分析了各个场景的商业模式，这对于发展业务也非常关键。如云VR/AR，白皮书指出其有3种商业模式。其一是广告经营模式，具体为用户向VR内容付费，广告公司向平台付费；其二是基于用户订阅模式，用户可以向平台方付费订阅，VR平台与内容生产者收入分成；其三是基于用户使用量模式，用户按照次数或下载量付费，而平台方可以与内容生产者收入分成。不同的公司可以选择符合自身特点的模式发展业务。但对用户而言，不管哪种模式都无须再购买昂贵的处理设备，只需要购买VR/AR终端和内容即可，使用成本将大幅降低，这对于业务的普及非常关键。

按照华为白皮书设想，未来通过VR/AR看超高清赛事直播、自动驾驶或远程驾驶、远在千里之外进行医疗诊断、无线连接的智慧家庭、超高清的视频直播、辅助个人的AI设备等，在5G网络下都将成为现实。

在2018年6月27日上海举办的世界移动大会上，大唐发布了《5G业务应用白皮书》。白皮书围绕5G三大典型应用场景，选取与5G结合点较强的十大应用领域进行研究，其中包括赛事/大型活动、教学培训、景点导览、视频监控、网联智能汽车、智能制造、智慧电力、无线医疗、智慧城市和产业园区等；分别从四大维度展开，阐述大唐对5G业务价值和商业模式的理解，打造5G业务落地的示范效应，为5G在垂直行业的应用指明发展方向。

大唐白皮书提到，在5G应用的初期阶段，将主要延续4G的业务发展路线，提升下载速率和系统容量，预计于2019年下半年最先推出增强型移动宽带服务。如赛事/大型活动、教学培训、视频监控等应用，将催生更大数据流量的使用，进一步促进高清视频、虚拟现实（VR）和增强现实（AR）等业务的发展。在5G应用的成熟阶段，行业关注点将转向低时延、高可靠的网络特性，包括网联智能汽车、智能制造和产业园区等高价值应用。

同时，大唐白皮书也提到，5G在商业模式上有多种突破和创新。针对增强移动宽带场景下，面向特定场所可以采用推出专属的流量套餐，或是向商户按年/月来收取增值服务费、广告费等多种方式。针对低功耗大连接、低时延高可靠的场景，除了有条件的企业可考虑申请专用频段、自建专网外，大多数企业可考虑以租代建的方式使用运营商的5G网络，以按照软硬件流量整体打包的方式，给运营商缴纳功能服务费（月/年）。对于物联网的前端监控设备、智能传感终端，可采用按卡收费等方式进行收费。

综上所述，5G将是以人为中心的通信和机器类通信共存的时代，各种各样具备差异化特征的业务应用将同时存在，这些都将为未来5G网络带来极大的挑战。表2-1所示为5G最为相关的主要用例的总结，这些用例主要的性能指标（KPI）如下。

可用性：指在一定地理区域内，用户或通信链路能够满足体验质量（QoE）的百分比。

连接密度：指在特定地区和特定的时间段内，单位面积可以同时激活的终端或用户数。

用户体验速率：单位时间用户获得的（去除控制信令）MAC层的数据速率。

流量密度：指在考量区域内所有设备在预定时间内交换的数据量除以区域面积和预设时间长度。

时延：指数据在空中接口MAC层的参数。有两个相关的时延定义：单程时延（OTT）和往返时延（RTT）。单程时延是数据分组从发送端到接收端的时间，往返时延是发送端从数据分组发送，到接收到从接收端返回的接受确认信息的时间。

可靠性：指在一定时间内从发送端到接收端成功发送数据的概率。

安全性：通信中的安全性非常难以量化，可能要通过有经验的黑客接入信息内容需要的时间来衡量。

成本：成本一般来自基础设施、最终用户和频谱授权3个方面。一个简单的模型可以是基于运营商的总体拥有成本和基础设施节点的个数、终端的个数以及频谱的带宽来估算。

能量消耗：在城市环境中通常是指每信息比特消耗的能量，在郊区和农村地区通常是指每单位面积覆盖消耗的功率。