5G時(shí)代的演變 5G通訊是馬拉松而非短跑

　　盡管5G的變革性質(zhì)使其成為一種潛在的顛覆性技術(shù)，但從其推出的早期階段就可以清楚地看出，從今天的4G/LTE基礎(chǔ)設(shè)施遷移至5G將是漸進(jìn)式，而不是革命性的。盡管5G的承諾是實(shí)實(shí)在在的，但5G生態(tài)系統(tǒng)中的各個(gè)行業(yè)參與者要實(shí)現(xiàn)這一承諾還有大量工作要做，分析人士預(yù)測(cè)，到2025年，5G的采用率將達(dá)到4G的一半左右。

　　5G推出可以被認(rèn)為是在其第一階段，全球運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始推出基于3GPP Release 15（對(duì)應(yīng)NR 1），5G基礎(chǔ)級(jí)的規(guī)范的服務(wù)。盡管這些服務(wù)將為運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)增量收入，但只有在部署了第Release 16（對(duì)應(yīng)NR 2）中規(guī)定的、以及第Release 17中正在開(kāi)發(fā)的功能時(shí)，5G在垂直領(lǐng)域的實(shí)際價(jià)值才能得到體現(xiàn)。

　　到目前為止，5G的加速發(fā)展在很大程度上是通過(guò)強(qiáng)大的5G生態(tài)系統(tǒng)的努力實(shí)現(xiàn)的，特別是在標(biāo)準(zhǔn)制定方面，關(guān)鍵行業(yè)領(lǐng)袖都參與其中，確保了實(shí)用和一致的功能優(yōu)先順序。隨著政府、行業(yè)和學(xué)術(shù)界對(duì)新技術(shù)的開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)做出貢獻(xiàn)，未來(lái)的5G路線圖將更加重視這一生態(tài)系統(tǒng)。

　　作為這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵參與者，u-blox研究了影響5G推廣的一些經(jīng)濟(jì)、監(jiān)管和技術(shù)因素，這些因素告訴我們以及其他主要生態(tài)系統(tǒng)參與者，這種進(jìn)化的新網(wǎng)絡(luò)將補(bǔ)充而不是破壞現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

　　ITU定義的三個(gè)廣泛用例涵蓋了需求高度多樣化的現(xiàn)有和新興應(yīng)用。事實(shí)上，沒(méi)有一種5G技術(shù)能夠滿足所有這些要求，在決定如何使用5G進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，運(yùn)營(yíng)商必須解決以下因素。

　　商業(yè)案例的優(yōu)勢(shì)

　　由于大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商仍致力于持續(xù)的4G/LTE投資策略，而且許多運(yùn)營(yíng)商的收入正在趨于平緩甚至下降，因此5G商業(yè)案例需要一種有針對(duì)性的方法。人們對(duì)5G技術(shù)的信心很高，但目前尚不清楚如何以及何時(shí)將一些更具革命性的使用案例轉(zhuǎn)化為創(chuàng)收產(chǎn)品和服務(wù)。因此，大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商將重點(diǎn)放在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）上，這兩種技術(shù)都可以很容易地利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。

　　例如，5G-NR非獨(dú)立（NSA）可以通過(guò)升級(jí)現(xiàn)有的4G/LTE宏單元以與5G-NR系統(tǒng)互通來(lái)增強(qiáng)“覆蓋和容量層”（6GHz頻率以下）的吞吐量和容量。同時(shí)，3GPP在5G發(fā)布中采用了現(xiàn)有的LPWA（低功耗廣域網(wǎng)）技術(shù)實(shí)現(xiàn)LTE-M和NB-IoT，這為物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的持續(xù)性提供了基礎(chǔ)。此外，根據(jù)GSMA的數(shù)據(jù)，在截至2019年10月的12個(gè)月期間，實(shí)時(shí)LPWA網(wǎng)絡(luò)數(shù)量翻了一番，共推出了89個(gè)NB物聯(lián)網(wǎng)和34個(gè)LTE-M網(wǎng)絡(luò)。

　　雖然重點(diǎn)可能是物聯(lián)網(wǎng)和寬帶，但有針對(duì)性地部署毫米波基礎(chǔ)設(shè)施也能夠?qū)崿F(xiàn)高利潤(rùn)的細(xì)分市場(chǎng)，例如使用固定無(wú)線接入（FWA）在城市地區(qū)提供高速寬帶。

　　全球監(jiān)管政策，包括頻譜可用性

　　5G的成功推廣需要每個(gè)國(guó)家/地區(qū)都有一個(gè)支持性的總體監(jiān)管框架，特別是在涉及無(wú)線電頻譜分配的地方。3GPP的標(biāo)準(zhǔn)工作定義了5G的兩個(gè)頻譜范圍：頻率范圍1（FR1，《7.125GHz）和FR2（26.25~52.6GHz）。

　　由于許多原因，正如本文其他部分所討論的，最初的5G NR部署將主要在3.5GHz頻段，而GSA最近的一項(xiàng)調(diào)查表明，全球大多數(shù)頻譜分配活動(dòng)實(shí)際上都集中在這一頻段上。更高的頻段，毫米波，24GHz及以上的情況是不太確定的；頻譜分配是在ITU的世界無(wú)線電會(huì)議上最后確定的。

　　標(biāo)準(zhǔn)制定

　　標(biāo)準(zhǔn)的可用性和穩(wěn)定性是任何新技術(shù)推出的關(guān)鍵，使硬件制造商、芯片制造商等能夠設(shè)計(jì)和構(gòu)建全球可互操作和兼容的組件。ITU將5G NR要求指定為IMT2020目標(biāo)，3GPP是領(lǐng)先的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)組織，在第Release 15中開(kāi)發(fā)了最初的5G標(biāo)準(zhǔn)。非獨(dú)立5G新無(wú)線電規(guī)范（NSA 5G NR）于2017年12月獲得批準(zhǔn)，獨(dú)立（SA）版本于2018年6月獲得批準(zhǔn)。Release 15可以被認(rèn)為是5G NR的基礎(chǔ)，它已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)全新的無(wú)線電技術(shù)的規(guī)范，為2018年底的初始服務(wù)鋪平了道路。

　　5G下一階段的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)

　　隨著全球運(yùn)營(yíng)商為推出基于Release 15規(guī)范的服務(wù)而努力克服上述挑戰(zhàn)，5G生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注未來(lái)。我們現(xiàn)在展望下一步的發(fā)展，隨著5G的不斷推出，這一點(diǎn)可以預(yù)期。

　　Release 15被認(rèn)為是5G NR第1階段，Release 16是第2階段，Release 16于2020年7月完成，Release 17的開(kāi)發(fā)工作將于2021年末完成，目前正在進(jìn)行中（圖2）。

　　圖1:5G時(shí)代LPWA的演變，3GPP 5G發(fā)布時(shí)間表。（來(lái)源：u-blox）

　　Release 15側(cè)重于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的定義，而Release 16和Release 17則專注于添加所需的功能，以支持蜂窩行業(yè)以外的各種垂直行業(yè)所需的用例。

　　盡管Release 16和Release 17中正在開(kāi)發(fā)或考慮的功能與許多垂直領(lǐng)域相關(guān)，但3GPP工作的重點(diǎn)是至少三個(gè)新興應(yīng)用對(duì)5G能力有潛在需求的特定行業(yè)——工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）、汽車(chē)行業(yè)和衛(wèi)星行業(yè)。

　　工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)因素以及當(dāng)前對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0愿景的關(guān)注，IIoT技術(shù)在Release 16和Release 17下構(gòu)成了重要的工作主體也就不足為奇了（圖2）。

　　
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　　圖2: 5G技術(shù)在3GPP版本中的演變。（來(lái)源：u-blox）

　　IIoT在Release 16和Release 17中開(kāi)發(fā)的特定功能包括：

　　超可靠低延遲通信（URLLC）：Release 16工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)預(yù)計(jì)將提供IIoT應(yīng)用所需的“六個(gè)9”級(jí)別的可靠性，例如智能工廠裝配和控制操作。

　　時(shí)間敏感通信（TSC）：Release 16引入了基于與IEEE時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）集成的TSC支持，TSN是目前工廠自動(dòng)化的主要協(xié)議。Release 17將開(kāi)發(fā)本地TSC支持，即獨(dú)立于IEEE TSN之外，支持廣泛的用例，包括物流、航運(yùn)港口、程序制定和特殊事件（pmse）。

　　支持非公用網(wǎng)絡(luò)和中性主機(jī)：3GPP Release 16既支持獨(dú)立的NPN，也支持公網(wǎng)集成的NPN，兩者都有身份驗(yàn)證方法。Release 17通過(guò)使用第三方服務(wù)提供商（包括公共網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商）的憑據(jù)訪問(wèn)獨(dú)立的專用網(wǎng)絡(luò)，引入了對(duì)中性主機(jī)的支持。Release 17還將為接入專用網(wǎng)絡(luò)的用戶接入提供支持。

　　NR-unlicensed：與上述相關(guān)，Release 16引入了對(duì)NR在未授權(quán)頻譜中運(yùn)行的支持，為服務(wù)提供商和專用網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)增加容量的重要工具。Release 16最初關(guān)注的NR-U是在5GHz和6GHz頻段上的eMBB服務(wù)。Release 17將包括增強(qiáng)功能，允許在未經(jīng)許可的頻譜中使用URLLC特性。

　　NR-Light:Release 17將引入對(duì)“低性能NR設(shè)備”的支持，也稱為“NR-Light”，如監(jiān)控?cái)z像機(jī)、工業(yè)傳感器、可穿戴設(shè)備和消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。因?yàn)檫@些設(shè)備受外形因素和功耗的限制，可能需要比高端5G NR設(shè)備更窄的帶寬和更低的峰值數(shù)據(jù)速率。NR-Light打算降低5G-NR設(shè)備的成本和復(fù)雜性，同時(shí)仍然支持5G-NR連接。

　　高精度定位：Release 16擴(kuò)展了Release 15的定位支持，引入了利用5G無(wú)線電信號(hào)本身定位設(shè)備的能力，提供了幾米的潛在精度。Release 17下的進(jìn)一步增強(qiáng)可以提供厘米以下的精度水平，這是許多室內(nèi)工業(yè)過(guò)程應(yīng)用所要求的。

　　LPWA技術(shù)——NB-IoT和LTE-M，3GPP于2015年作為Release 13的一部分引入，NB-IoT和LTE-M可滿足物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)主體的基本物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的簡(jiǎn)化要求。Release 16規(guī)定了如何將NB-IoT和LTE-M傳輸直接并入5G-NR部署，鞏固其作為5G標(biāo)準(zhǔn)的未來(lái)地位，并確保與現(xiàn)有NB-IoT和LTE-M部署兼容。Release 17中LPWA將進(jìn)一步減少延遲，增強(qiáng)功率效率以及提高峰值傳輸速率。

　　衛(wèi)星通信的復(fù)蘇

　　空間接入成本的下降推動(dòng)了小型低地球軌道（LEO）衛(wèi)星數(shù)量的大幅增長(zhǎng)，使衛(wèi)星通信在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上可滿足遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。在Release 17中，3GPP將開(kāi)始5G NR增強(qiáng)工作，以支持非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN），并研究基于衛(wèi)星的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展NB-IoT和eMTC連接的可行性。

　　5G生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)作用

　　5G推廣的一個(gè)關(guān)鍵因素是行業(yè)、政府、監(jiān)管機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)界之間的密切合作。許多此類合作伙伴正在全球范圍內(nèi)進(jìn)行一系列試驗(yàn)，以證明、驗(yàn)證和評(píng)估5G在各個(gè)垂直領(lǐng)域的潛力，從而確定未來(lái)5G路線圖。在歐洲內(nèi)部，5G基礎(chǔ)設(shè)施公私伙伴關(guān)系（5G-PPP）是一項(xiàng)關(guān)鍵舉措，由歐盟委員會(huì)設(shè)立，旨在資助和協(xié)調(diào)相關(guān)項(xiàng)目，以便建立歐洲在5G領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，重點(diǎn)關(guān)注提高工業(yè)效率和生產(chǎn)率。

　　5G-SMART項(xiàng)目是由5G-PPP資助的試驗(yàn)的一個(gè)重要例子；該項(xiàng)目基于愛(ài)立信、博世、ABB和包括瑞士u-blox在內(nèi)的領(lǐng)先技術(shù)公司的合作。5G-SMART旨在測(cè)試最先進(jìn)的5G集成制造應(yīng)用，如數(shù)字孿生、工業(yè)協(xié)作機(jī)器人和機(jī)器視覺(jué)輔助的實(shí)時(shí)人機(jī)交互。在國(guó)家層面也可以找到類似的舉措，比如英國(guó)文化、媒體和體育部（DCMS）資助的英國(guó)5G倡議，顯示了政府利用5G潛力的強(qiáng)大動(dòng)機(jī)。

　　現(xiàn)在是時(shí)候兌現(xiàn)Release 16和Release 17的承諾了

　　期待已久的5G推出的第一階段目前正在順利進(jìn)行，全球運(yùn)營(yíng)商都在部署基于3GPP Release 15功能的服務(wù)。盡管有必要為5G演進(jìn)打下基礎(chǔ)，但目前不足以充分發(fā)揮這一變革性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的全部力量。

　　隨著Release 16和Release 17開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的技術(shù)，測(cè)試和驗(yàn)證這些功能并確保它們投放市場(chǎng)的任務(wù)落在了5G生態(tài)系統(tǒng)上。這一生態(tài)系統(tǒng)建立在政府、行業(yè)和學(xué)術(shù)界之間的獨(dú)特合作基礎(chǔ)上，成功地加快了5G NR的快速部署，并準(zhǔn)備提供確保實(shí)現(xiàn)5G承諾所需的架構(gòu)、解決方案和商業(yè)模式。

　　本文作者：Sylvia Lu，U-Blox 蜂窩產(chǎn)品中心技術(shù)戰(zhàn)略主管。她是一位屢獲殊榮的工程師，在無(wú)線通信研發(fā)、蜂窩調(diào)制解調(diào)器開(kāi)發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)戰(zhàn)略方面擁有超過(guò)10年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。自2013年以來(lái)，Sylvia的興趣和工作一直集中在最新的技術(shù)發(fā)展上，這些技術(shù)使智能設(shè)備能夠更好地連接起來(lái)，包括5G、NB-IoT、Cat-M、V2X，并有助于推動(dòng)下一代無(wú)線連接和標(biāo)準(zhǔn)，以加速各行業(yè)的數(shù)字轉(zhuǎn)型。Sylvia擁有伯明翰城市大學(xué)電子工程一級(jí)學(xué)位和布里斯托爾大學(xué)通信系統(tǒng)和信號(hào)處理碩士學(xué)位。Sylvia是劍橋無(wú)線有限公司的董事會(huì)成員兼董事，同時(shí)也是UK5G咨詢委員會(huì)的成員，該委員會(huì)就未來(lái)5G部署向英國(guó)政府提供獨(dú)立建議。她最近加入了工程技術(shù)學(xué)會(huì)（IET）的數(shù)字政策小組。