5G网络关键技术介绍与行业应用融合探索

周晓健

摘要：在新技术成熟、行业需求以及国家战略的大背景下，推动5G网络作为新一代移动通信基础网络闪亮登场;5G关键技术如网络切片、控制面和用户面彻底分离、网络功能虚拟机化等，使得5G网络与其他新技术有非常广泛的合作前景：5G SA（独立组网）环境下移动通讯实时大数据应用、林业防火自动识别快速组网等应用场景应运而生。但5G网络也面临了前期部署成本、行业支持深度和广度、行业应用跨界人才匮乏的各种困难，需要探索和解决行业深度应用、产业链培育和跨界知识教育等挑战，最终实现5G技术与其他新技术的完全融合。

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.

关键词：5G;关键技术;行业应用;产业跨界

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

中图分类号：TP393                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）04-0290-03

1  5G网络发展的时代背景

社会生活方面：“智能手机+移动互联网”使人们生活数字化，VR/AR、高清影像、移动可视电话等视频类应用加速人们对移动通信大带宽的需求;工业生产方面：大数据、人工智能、智能制造、物联网等新技术的成熟发展，行业应用与新技术的融合创新产物如远程自动监测、自动驾驶、智能机器人等，加速推进社会各行业的数字化转型。在全球数字化转型浪潮的深刻变革中，5G网络，作为数字化社会的新一代关键移动通信基础设施，以更灵活、更快速的方式加速这一人类行为。

1.1 全球5G的发展形势

纵观全球，各发达地区和国家正在加速部署5G网络，为本地终端用户和工业行业提供5G服务，借机推动本地5G产业链的发展和成熟进度：

北美地区2018年推出毫米波频段的5G服务，商用了基于5G的FWA固定无线宽带接入服务;2019年4月也推出商用5G移动网络和支持5G制式的智能手机。

欧洲地区2019年将在中频段部署NSA组网的5G，预计2020年将部署SA;

澳洲在2018年就已经发布了FWA固定无线宽带接入的5G网络;

南美、非洲等地区暂未看到太多动态，但个别跨国运营商已经开始讨论和发布他们的5G计划;

亚洲地区的5G浪潮是最为汹涌的，中国、韩国多家设备厂商在2019年上半年发布了多款5G智能手机。

1.2 中国5G战略要求

在“2025制造”的伟大蓝图指引下，云计算、大数据、人工智能和物联网等新技术已纳入为国家高科技发展战略框架下，作为与现代制造业和现代服务业进一步融合的新一代移动通信基础网络，5G网络首当其冲的成为了战略的最重要一环;同时，在世界新格局和新形势下，也需要国家通过加快发展5G产业鏈，推动芯片技术、通信核心算法等高精尖行业的成熟，以摆脱在以上关键技术上受制于人的被动局面;因此，发展5G，刻不容缓！

我国已将5G写入《十三五规划》，支持产业界成立IMT-2020（5G）推进组，启动了全球规模最大的5G技术研发试验。

2019年6月6日，工信部正式发放了5G商用牌照，中国进入了5G商用元年，运营商5G建设和行业应用试点已加速，2020年基于5G的行业应用将正式进入商用轨道。

2  5G网络的技术创新

2.1 关键技术演变

5G网络是由一系列最新的射频天线技术、多用户无线接入技术、帧结构技术、业务处理重构技术等技术集合体，最终通过无线网元、核心网网元、承载网网元等各物理或逻辑网元的无缝结合而展示出来的下一代移动通信网络;而5G网络之能较上一代移动通信网络表现出新的生命力，在于通过这一系列关键技术，支撑生活和生产在各方面上的场景应用。

这里重点提及的是网络切片技术，网络切片技术通俗的解释，就是将一张物理5G网络，根据不同的用户数、QoS、带宽等业务应用切割成多张相互独立的逻辑5G网络。而每个独立的逻辑5G网络（网络切片）可完全独立定义和部署，运营商可快速部署网络，最终客户需求可快速满足。

目前最重要的三个切片类型分别为：eMBB（增强型移动宽带）、mMTC（大规模的机器通信业务）、URLLC（超可靠低时延通信业务）。在5G网络定义的网络切片技术中，这三个切片应用类型还单独使用其他全新关键技术，用于实现其不同的业务支持。如eMBB采用业务Qos保证、mMIMO等关键技术，支持对无线信号质量、速率、接入时延等性能指标敏感类业务;mMTC采用核心网计算存贮分离、超密集异构网络、无线多用户共享接入等关键技术，支持对接入数、连接数密度高的业务;URLLC采用承载网FlexO＼FlexE技术、MEC移动边缘计算、无线新型帧结构等关键技术，支持对覆盖范围、实时性和可靠性要求非常高的业务。

2.2 网络结构演变

5G网络架构发生重大变化，采用网络功能模块化设计模式，通过“功能组件搭积木”的方式快速建立专用逻辑网络来满足不同的应用场景需求。

核心网：5G核心网络较上一代核心网，彻底分离控制面和用户面，使用户面处理模块可灵活部署在无线接入网，地理位置上更靠近终端，处理时延更低。最重要的是，对上一代核心网的网元模块功能重新定义，将各业务处理模块抽象定义为NF（网络功能），再加之NFV（网络功能虚拟化）技术成熟，使核心网物理模块更易部署于云端虚拟机上，符合“云计算”时代的要求，使得运营商进一步摆脱通信设备厂家的硬件依赖，更利于上下游产业链的培育。

5G网络架构变化如下所描述：AMF（接入移动性管理功能）和SMF（会话管理功能）负责接替原4G核心网（简称EPC）中MME、SGW-C和PGW-C的控制面功能;AUSF（鉴权服务器功能）配合UDM（统一数据管理）完成EPC中MME和HSS网元所负责的用户数据管理功能;UPF（用户面功能）完成则完成EPC中的SGW-U和PGW-U的用户面功能;新增NEF（网络开放功能）、NRF（网络存储功能）和NSSF（网络切片选择功能），用于负责对外开发网络数据、新增NF的登记和管理以及提供支持新业务进行网络切片管理，这些功能模块使得5G网络更加开发、模块化和灵活。

无线接入网：RAN网络从4G网络的BBU+RRU两级模式演进到CU（集中单元）、DU（分布单元）和AAU（有源天线处理单元）三级模块模式，即射频部分“RRU+天线”整合成AAU，BBU的实时处理部分和非实时处理部分分离成CU+DU;其中CU和DU可灵活部署，可分散或合并。其中，AAU和DU之间是前传网络、DU和CU之间是中传网络、CU以上是回传网络。

承载网：在功能上已实现L3功能下沉至接入端，逐步实现FlexE捆绑、交叉等新技术，实现承载网切片能力，提供低成本、大带宽、低时延解决方案。

在这样的灵活网络架构下，5G网络无论从物理层面还是逻辑层面，组网更加灵活，结合网络切片等关键技术，更有利于网络的快速部署和业务支持。

3  5G网络的行业应用趋势分析和案例探讨

21世纪，社会分工更加细化，制造行业和服务行业更加追求低成本、高效率、易管理等，由此需要生产工具快速地进行更新换代。随着数据、算力和算法三要素都取得重大技术突破后，自动驾驶、远程医疗、工业自动化等新技术应用与人类近在咫尺;而5G网络作为最新一代移动通信基础网络，如何与其他新技术融合，推动行业应用进一步发展的同时又相互促进新技术的更加成熟稳定，是我们持续探讨的话题。

从目前5G通信网络的经济价值及实施难度来看，业务短期以eMBB行业应用场景为主，中远期则将集中于URLLC低时延和mMTC大连接场景。近期：设备监控、超高清适配、工业AR/VR、自动驾驶地图更新、移动安防等;中长期：无人机巡检、编队驾驶、数据采集、工厂内实时控制、远程作业、自动驾驶等等。

以下列举两个应用场景的描述和实施步骤探索：

3.1 通信大数据应用

4G核心网中，用户签约信息单独存储于HSS（归属用户服务器），用户会话信息则跟随其他业务处理网元（如MME、SGW、PGW）本地存储，这些网元还要担负业务处理功能，计算和存储的彻底分离，导致通信业务大数据实时采集、清洗和分析变得异常繁琐和困难。如，大数据探针部署到核心网内部用于采集用户签约信息和用户会话信息，而采集前需了解不同厂家设备之间的私有协议、评估生产环境中网元的业务处理能力负荷、单一签约信息和多会话信息之间的及时关联性等，这将导致通信大数据实时场景无法实现，比如区域用户流向实时分析导控、社会安全应急指挥调度等应用。

但5G网络提供了较好的解决思路，3GPP在5G的TS 23.501标准规范中，增加了AMF、SMF等计算类功能模块，同时增加UDR（统一数据存储功能）和UDSF（非结构化数据存储功能）两大数据存储功能模块，实现了计算和存储的彻底分离;加之NFV技术成熟，各功能模块的物理件采用标准X86服务器，使业务处理单元不再依赖于专用硬件，而用户签约信息和用户会话信息单独存储;在这种网络逻辑架构和物理组网的方式下，大数据探针可作为计算类NF对UDR和UDSF进行实时访问，访问的过程不仅不会造成AMF、SMF的業务处理能力负担，同时还能及时获取用户会话信息，用户签约信息和会话信息及时关联，使得通信类大数据实时业务应用场景更加广泛化。

3.2 林业防火快速组网应用

在森林防火自动判定业务场景中，某客户需要在森林某处部署一款远程红外和图像自动识别摄像头（太阳能供电），该摄像头自带图像识别算法，当监控区域出现险情时，摄像头自动识别并向后台回传告警和位置信息。在现有的复杂地理环境下如果采用光纤连接，工程造价高;如使用4G网络，基站的天线功率分配算法影响同频可服务的普通语音业务，同时摄像头与监控中心之间的数据流回传组网方式异常复杂;如单独组建异频段专用无线通信网络，客户需单独购买无线基站和核心网设备，设备造价、后续维护成本等因素将使项目风险不可控。

而在5G的SBA（基于服务的架构）下，以上业务场景变得简单明了。首先在AAU侧，mMIMO（大规模多数输入多路输出）天线完成对摄像头所处位置的3D波束赋形，提高信号强度并避免了信号干扰，解决最后一公里组网问题;在5G核心网侧，使用eMBB网络切片类型，在无线子切片和承载子切片的配合下完成该场景的逻辑组网搭建。业务管理端，对业务的编排部署也极其简单，大致采用以下4个步骤：

①CSMF（通信服务管理功能）将客户需求转换为相应的SLA（服务等级协议）;

②NSMF（切片管理功能）选择合适的子切片，NSSMF（子切片管理功能）完成子切片的资源申请和业务周期;

③MANO（管理和编排）负责在NFVI（网络功能虚拟化基础设施）上完成物理资源的部署;

④CSMF返回该场景下的切片部署完成，包括用户面的各项接入资源，客户完成业务部署。

4  现阶段5G网络面临挑战的思考

所有新生事物降临之初，均会面临所处环境对它在接纳过程中其固有惯性所带来的敌意，5G也不例外！

4.1 前期建设成本和现阶段维护成本

在5G即将部署之初，一直存在NSA（非独立组网）和SA（独立组网）之争，这两种组网方式的争执背后是对建设成本的考虑;是先快速提供基础业务，后续网络逐步更新换代，还是一步到位建网但面临产业链不成熟的风险，都需要国情战略、经济投入产出比、技术成熟度等综合评估。而且在现阶段2G、3G、4G、5G多种制式长期共存的移动网络状态下，网络管理和优化的难度大大增加，对运营商运维团队提出更高要求;另外，虚拟化分层解耦、故障的定界和定位变得更加复杂困难，“云网络”动态变化、资源调度和管理都是巨大的挑战，这些隐性成本非常巨大。

4.2 5G网络与其他产业结合的深度和广度

随着大数据和人工智能产业逐步推进、硬件基础设施“云化”转型深入和物联网业务场景的探索，人与人通信的单一模式已演变为人与人、人与物、物与物的全场景通信模式，业务场景更加复杂，服务等协议更加差异化，与之配套的网络配套和管理更加复杂。5G网络虽然能接受业务体验多元化、个性化和颠覆性的挑战，但这是一次产业与产业之间的大融合，前景绝非一帆风顺。

如工业自动化远程控制场景下，在URLLC子切片网络技术可靠性达到要求的前提下，无线机械手与控制台之间的工业通讯协议如何适配5G切片网络协议、机床上的5G终端通信控制模块与其他联动模块之间的接口兼容性、5G网络故障倒换机制对生产线业务的保护机制等等，都是5G网络与工业自动化成功结合的决定性因素;产业之间的融合前景，不是移动通信产业链者在纸上的自我陶醉，而是产业之间的互相深度学习和磨合。

即便是对于5G网络，自身网络重构和业务重构的内在需求，也要借鉴IT行业组织架构设计思路和DevOps（一系列促进开发、技术运营和质量保证部门之间沟通协作的方法、过程和系统的集合）模式，充分利用大数据技术、机器深度学习技术，实现网络告警的自动研判和自我修复能力，让网络运维自主化和智能化，通讯业者还在努力中。

4.3 5G网络时代跨界人才的匮乏

无论何种生产关系社会，生产者是决定性要素。5G网络承载着各行各业信息化与自动化的重任，它的协议体系、网络架构、业务共享能力决定了5G需要跨界扩展和融合，而产业跨界和融合需要人才去推动，以下为笔者对现阶段产业跨界人才的调查概况（调查抽样有限，以下調研结果可能不具有普遍性）：

4.3.1 5G网络研发厂商  研发队伍人员对所负责研发模块非常专业化，但却需要在需求工程师配合下完成跨界理解;需求采集部门跨界知识丰富，可根据业务调整知识结构，但人数占整个5G技术队伍比例极少;设备维护和服务支撑团队均是上一代网络维护队伍的转型，对产业跨界和异厂家业务了解程度远远不足。

4.3.2 5G网络运营商  维护队伍熟悉现有设备和业务流程，对产业跨界了解同样不足;营销团队是用户业务跨界的第一手信息接收者，在研发厂商支持和原有技术知识背景下，是产业跨界推动的生力军，但存在严重的传统营销惯性思维，针对企业级客户的业务流程调研能力和提出综合解决方案能力较弱。

4.3.3 企业级客户  熟悉自身业务和效率短板，但出于对成本增加和风险管控的急切关注，对业务跨界有抵触，这些企业级客户中不乏业务需求者和上下游生产厂家。

4.3.4 科研院校  院校延续原有专业教学体系，教学知识待更新，“产学研”结合不足导致产业跨界教学队伍无法普遍和快速地建立，新知识的快速广泛传播，才是行业产业广泛融合的基石。

5G时代已然到来，5G作为国家战略，未来将扮演越来越重要的角色，它将对我们的生活方式、生产工具形态和生产制造方式带来深远的影响和变革。我们必须找出差距，加快对5G网络的技术研究和产业链培育，尤其是与大数据、人工智能、智能制造和物联网等新兴产业的融合，利用这百年一遇的大好机会，缩小与发达国家之间的差距，是提升综合国力、保障国家安全和建设世界科技强国的必由之路，为实现中华民族伟大复兴夯实基础。

参考文献：

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