《電子技術應用》
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5G進展綜述及6G展望

2021-06-18
來源:5G行業(yè)應用

  自2015年國際電聯(lián)無線電通信部門( ITU-R)將5G正式命名為IMT-2020,,并推進5G研究以來,,到主要標準組織3GPP在2019年凍結第一個5G的完整版本——R15,5G的標準保持著一年半一個版本的發(fā)布,。2020年7月3日,R16版本凍結,,R17即將在今年6月的SA#92-e上完成功能凍結,,并在明年一季度、二季度分別完成協(xié)議凍結和協(xié)議編碼凍結,,也就是完成R17所有3個階段的標準制定工作,。至此,5G的首批3個版本標準將全部完成,,從R18開始,,將被視為5G的演進,命名為5G Advanced,。

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  回顧移動通信整個標準的歷史,,ITU給3G的命名是IMT-2000,4G命名為IMT Advanced,,加上5G的IMT-2020,,基本是10年一個標準。正如在2013年2月,,由工業(yè)和信息化部,、國家發(fā)展和改革委員會,、科學技術部聯(lián)合推動成立IMT-2020 (5G)推進組,在2019年,,同樣由工信部推動成立了立足于6G研究的IMT-2030(6G)推進組,,并于今年6月正式發(fā)布了《6G總體愿景與潛在關鍵技術》白皮書,闡述了對于6G總體愿景,、八大業(yè)務應用場景和10大潛在關鍵技術的展望,。自此,從標準層面,,可以說5G已經(jīng)完成了第一階段提供基本完善的標準版本工作,,業(yè)界已經(jīng)將目光投向了5G的演進和6G新技術的研究。在R17即將第二階段凍結之前,,我們概述下5G的進展,,簡單做一個總結。

  01 網(wǎng)絡商用進展

  據(jù)GSA的數(shù)據(jù),,到今年5月,,共166個運營商在69個國家和地區(qū)發(fā)布了3GPP標準的5G商用網(wǎng)絡(含移動網(wǎng)絡和FWA),77家運營商在試點,、規(guī)劃部署,,商用5G SA網(wǎng)絡。與此同時,,133個國家/地區(qū)的436家運營商正在以測試,、試驗、試點,、計劃和實際部署的形式投資5G網(wǎng)絡,。從頻段來看,主要在n77(3.3GHz,,4.2GHz),,n78(3.3GHz~3.8GHz)。

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  中國5G建設速度領先全球,。據(jù)信通院數(shù)據(jù),,截止到今年5月底,中國已建成5G基站81.9萬個,,盡管與4G基站544萬的總數(shù)相比還很少,但已占全球建設基站總數(shù)的70%以上,。與此同時,,國內(nèi)市場共上市5G手機337款,累計出貨量接近3億,,加上海外版機型,,5G手機接入終端已達3.1億,。

  02 5G終端進展

  5G終端發(fā)布數(shù)量快速增長。據(jù)GSA的數(shù)據(jù),,截止到2021年5月底,,共128 家設備商宣布商用或即將推出商用5G終端設備,全球發(fā)布的5G終端設備達到822款,,相比4月增長了8.7%,,其中62%已經(jīng)商用,達到511款,,相對于上個季度大幅增長了26.5%,。下圖統(tǒng)計了自2019年3月到2021年5月發(fā)布和商用終端的數(shù)量。

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  終端類別也很豐富,,包括416款手機(至少350款已商用),、144款FWA CPE(56款已商用),106款模組,,45款工業(yè)/企業(yè)級路由器/網(wǎng)關,,等等。占比如下圖所示:

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  03 5G芯片組進展

  作為5G終端設備的基礎,,芯片組在很大程度上制約了產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,。全球共有高通、聯(lián)發(fā)科,、華為海思,、三星和紫光展銳5家廠商設計和生產(chǎn)5G芯片組。據(jù)GSA數(shù)據(jù)統(tǒng)計,,截止到2021年5月,,5個芯片組廠家共發(fā)布了35個商用移動平臺和14個商用的5G調(diào)制解調(diào)器模組。與此同時,,還有4個移動平臺及5個5G調(diào)制解調(diào)器模組即將商用,,芯片廠家努力擴展產(chǎn)品范圍的同時,終端廠家的芯片組選擇越來越多,。

  下圖中統(tǒng)計了從2018年第四季度到今年5月5G芯片組(移動平臺和調(diào)制解調(diào)器組)的發(fā)布數(shù)量,,可以明顯看到加速的趨勢。

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  04 5G應用進展

  5G網(wǎng)絡大規(guī)模建設和商用,,拉動了產(chǎn)業(yè)鏈(終端,、芯片)的加速發(fā)展,但在應用側,,盡管用戶數(shù)發(fā)展速度較快,,以中國為例,5G用戶滲透率超過了20%的的應用“爆發(fā)點”,然而并未出現(xiàn)能夠引爆網(wǎng)絡流量大幅增長的“殺手級”應用,,5G的流量占比遠遠低于用戶滲透率,,運營商紛紛將目光聚焦在垂直行業(yè)領域。

  行業(yè)專網(wǎng)是5G的重要應用領域,,據(jù)美國知名調(diào)查機構Grand View Research報告,,預計全球?qū)S?G網(wǎng)絡市場規(guī)模在2020年至2027年期間的復合年增長率(CAGR)為37.8%,到2027年達到71億美元,。隨著國家和地方政策均鼓勵5G和行業(yè)的結合,,行業(yè)專網(wǎng)很自然成為運營商的重要拓展方向。2020年,,國內(nèi)三大運營商都都發(fā)布了5G專網(wǎng)產(chǎn)品,,并和行業(yè)共同推動專網(wǎng)的建設,據(jù)工信部消息透露,,目前“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”在建項目已超過1500個,,覆蓋20余個國民經(jīng)濟重要行業(yè)。

  行業(yè)應用層面,,在2019年11月發(fā)布《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512工程推進方案》及隨后的政策,、產(chǎn)業(yè)層面的共同推動下,大量5G行業(yè)應用涌現(xiàn),,今年5月31日,,工信部發(fā)布了《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”十個典型應用場景和五個重點行業(yè)實踐情況》,對電子設備制造業(yè),、裝備制造業(yè),、鋼鐵行業(yè)、采礦行業(yè)和電力行業(yè)共5個行業(yè)的案例,,以及協(xié)同研發(fā)設計,、遠程設備操控、設備協(xié)同作業(yè),、柔性生產(chǎn)制造,、現(xiàn)場輔助裝配、機器視覺質(zhì)檢,、設備故障診斷,、廠區(qū)智能物流、無人智能巡檢,、生產(chǎn)現(xiàn)場檢測等10個場景就行了發(fā)布,,以指導行業(yè)應用的發(fā)展。

  05 3GPP R17標準主要項目概述

  3GPP R17標準主要項目概述

  我們在去年R16的分析文章《一圖讀懂3GPP R16》中對R17的主要項目進行了匯總,,主要如下:

  NR多播廣播服務(NR_MBS)

  多播和廣播服務在4G中就已經(jīng)存在,,即3GPP在R9版本定義的eMBMS,可支持包括移動電視直播、視頻點播,、廣告推送、車載娛樂,、公共安全,、場地體育直播等商用用例。在R14版本中進一步增強了eMBMS功能,,推出了enTV,,系統(tǒng)性地定義了如何通過移動通信網(wǎng)絡廣播數(shù)字電視內(nèi)容。

  NR_MBS即在5G中提供多播廣播服務,,被中國移動通信第4運營商——中國廣電視為差異化的應用,,實際上該項目就是中國廣電提議立項的,該服務可根據(jù)實時網(wǎng)絡需求智能,、動態(tài)切換常規(guī)單播服務和廣播/組播服務,,在保證網(wǎng)絡利用效率的同時融合單播、組播,、廣播方式,,形成“新廣播”,拓展個人服務與行業(yè)服務的支撐能力,。

  IIoT和URLLC增強(IIoT_URLLC_enh)

  主要目標是解決更廣泛用例中的需求,。

  衛(wèi)星/非地面網(wǎng)絡(NTN)

  為解決偏遠山區(qū)、海上等場景的通信問題,,將衛(wèi)星網(wǎng)絡等非地面網(wǎng)絡與5G融合,,實現(xiàn)立體式的網(wǎng)絡覆蓋。R16已經(jīng)研究5G NR與非地面網(wǎng)絡的融合,, R17進一步研究NB-IoT與非地面網(wǎng)絡集成,。

  NR Sidelink增強(D2D)

  主要包括 V2X、商業(yè)和關鍵通信等方面,,比如在V2X中利用Sidelink接口(也稱為PC5)在UE之間傳輸V2X消息,。還包括實現(xiàn)一些關鍵用例中的通用功能,并在滿足特定要求的同時,,實現(xiàn)Sidelink的商業(yè)應用,、V2X 和關鍵通信等應用場景之間的最大通用性。

  IAB增強(NR_IAB_enh)

  IAB即5G NR集成無線接入和回傳,,通過擴展NR以支持無線回傳來替代光纖回傳,,包括帶內(nèi)(接入鏈路與回傳鏈路使用相同頻段)和帶外(接入鏈路與回傳鏈路使用不同頻段),IAB可以大幅降低網(wǎng)絡部署難度和成本,,尤其是毫米波頻段網(wǎng)絡,。R17的IAB增強致力于提升效率和支持更廣泛的用例。包括雙工增強,提高網(wǎng)絡編碼的潛力,,移動IAB等,。

  MIMO進一步增強(NR_feMIMO)

  進一步增強MIMO能力,支持更多用例,,支持高速移動,,更好的支持FDD,改善波束賦形和波束管理,,并減少相關開銷等,。

  動態(tài)頻譜共享增強(NR_DSS)

  在R16基礎上,R17進一步探索更優(yōu)的跨載波調(diào)度方式,。

  擴展支持71GHz

  5G NR頻譜范圍分為FR1(410MHz ~ 7.125GHz)和FR2(24.25GHz ~ 52.6GHz),。R17將5G NR的頻段范圍從52.6GHz擴展到了71GHz。

  5G定位服務增強階段2(5G_LCS_ph2)

  R16中對LCS進行了增強,,具體是利用MIMO的多波束特性,,定義信號往返時間(RTT)、信號到達時間差(TDOA),、到達角測量法(AoA),、離開角測量法(AoD)等室內(nèi)定位技術,定位精度可達到3-10米,。R17旨在為極低延遲和極高精度定位提供支持,,包括水平和垂直定位服務水平、5G定位服務區(qū)域,。該工作項目還將使 MCX UE 能夠使用 5G 定位服務來確定其位置,。

  終端節(jié)能增強(NR_UE_pow_sav_enh)

  探索進一步降低5G設備功耗的技術。

  多USIM支持(FS_MUSIM)

  支持使用 Multi-USIM 設備處理移動終端服務的增強功能,。

  其它R17標準研究項目還包括:SON/MDT數(shù)據(jù)收集增強(NR_ENDT_SON_MDT_enh),、提高能效和覆蓋的增強型中繼(REFEC)、網(wǎng)絡控制的交互服務(NCIS),、多設備和多身份增強(MuDE),、多媒體優(yōu)先服務第二階段(MBS2)、網(wǎng)聯(lián)無人機增強(CAV),、多接入雙連接進一步增強(LTE_NR-DC_enh2)等,,我們將在另外的文章中進行詳細分析。

  06 3GPP R18標準主要項目概述

  R18作為5G Advanced的第一個版本,,正處于第一階段提案階段,,計劃將在2021年底的SA#94上結束,參考「網(wǎng)優(yōu)雇傭軍」文章《5G R18在講什么》收集整理:

  網(wǎng)絡切片接入和支持增強

  網(wǎng)絡切片是5G的關鍵功能,,R18中將繼續(xù)對網(wǎng)絡切片接入和支持相關功能進行增強,,包括:當存在不同類型的限制(比如無線資源,、頻段等)時,支持UE接入網(wǎng)絡切片,,并當網(wǎng)絡切片或分配的資源發(fā)生變化時,,將服務中斷影響降到最低;支持向第三方公開網(wǎng)絡切片控制/配置等服務等,。

  5G彈性授時系統(tǒng)

  電力,、交通、金融等垂直行業(yè)對時鐘同步的要求越來越高,,R16中提供了通過5G進行授時的手段,5G Timing Resiliency System主要針對GNSS衛(wèi)星授時服務脆弱性,,研究與5G系統(tǒng)一致的其他時鐘同步技術作為終端用戶的彈性的時鐘源,,以作為GNSS衛(wèi)星授時的補充、備份或替代,。

  基于測距的服務

  測距是實現(xiàn)定位的一類算法,,有比較廣泛的應用范圍,R18將研究測距服務需求的相關規(guī)范,,涵蓋UE之間的測距操作,、運營商對許可頻譜下的測距功能的控制、測距的KPI(距離精度和方位精度等)和安全性方面等,。

  工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景的低功耗高精度定位

  高精度定位是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關鍵應用,。項目通過降低定位的功耗和提高定位精度,以滿足更多工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景的需求,,如化工廠,、井工礦等危險場景。

  網(wǎng)外鐵路通信

  指獨立于基于網(wǎng)絡的通信之外的,,UE與UE之間的直接通信,,被稱作Off-Network技術,該技術已在3GPP MCX標準中引入,。當網(wǎng)絡出現(xiàn)故障,,或者在偏遠山區(qū)沒有網(wǎng)絡覆蓋時,鐵路通信可以采用Off-Network來進行通信,。3GPP MCX規(guī)范中定義,,即使在網(wǎng)絡可用的情況下,鐵路通信也可以采用Off-Network,,R18將研究基于Off-Network的未來鐵路移動通信系統(tǒng)的新用例,,以及QoS、優(yōu)先級,、UE ID和位置識別,、多播/廣播/單播,、通信范圍、潛在頻譜等相關技術,。

  支持觸覺和多模態(tài)通信服務

  觸覺和多模態(tài)通信,,指通過視頻、音頻,、環(huán)境感知,、觸覺等影響用戶體驗的多種通信信道響應輸入,并結合超低時延,、超高可靠性和安全性等網(wǎng)絡能力,,來實現(xiàn)真正的沉浸式用戶體驗。為支持觸覺和多模態(tài)通信服務,,5G系統(tǒng)需滿足不同數(shù)據(jù)流的不同的網(wǎng)速,、時延和可靠性需求,還需要實現(xiàn)并行多數(shù)據(jù)流的同步,。R18將研究涉及觸覺和多模態(tài)通信技術的新用例,,以及這些用例相關的網(wǎng)絡可靠性、可用性,、安全性,、私密性、數(shù)據(jù)速率,、時延,、傳輸間隔等技術指標。

  其它還包括5G智能電網(wǎng)通信基礎設施,、車載5G中繼,、住宅5G增強功能、個人物聯(lián)網(wǎng)等項目,,后續(xù)我們將繼續(xù)對提案及提案的研究內(nèi)容進行跟蹤和相對比較詳細的分析,。

  07 6G愿景、應用及潛在關鍵技術

  作為6G研究的推進組織,,IMT-2030(6G)推進組,,在成立一年半以后發(fā)布了《6G總體愿景與潛在關鍵技術》白皮書,據(jù)IMT-2020(5G)推進組發(fā)布《5G愿景與需求白皮書》剛過去了7年,。白皮書主要內(nèi)容包括:

  總體愿景

  從移動互聯(lián)(4G)到萬物互聯(lián)(5G),,6G時代將實現(xiàn)萬物智聯(lián)、數(shù)字孿生的總體愿景,。擴展來說,,面向2030年及未來:

  社會層面:人類社會將進入智能化時代,體現(xiàn)出社會服務均衡化,、高端化,,社會治理科學化,、精準化,社會發(fā)展綠色化,、節(jié)能化將成為未來社會的發(fā)展趨勢,。

  技術層面:6G將構建人機物智慧互聯(lián)、智能體高效互通的新型網(wǎng)絡,,在大幅提升網(wǎng)絡能力的基礎上,,具備智慧內(nèi)生、多維感知,、數(shù)字孿生,、安全內(nèi)生等新功能。充分利用低中高全頻譜資源,,實現(xiàn)空天地一體化的全球無縫覆蓋,,隨時隨地滿足安全可靠的“人機物”無限連接需求。

  業(yè)務層面:6G將提供完全沉浸式交互場景,,多維感知與普惠智能融合共生,虛擬與現(xiàn)實深度融合,。

  6G發(fā)展宏觀驅(qū)動力

  社會結構變革驅(qū)動力:收入結構失衡要求數(shù)字技術提升普惠包容,;人口結構失衡呼喚數(shù)字技術提升人力資本及配置效率;社會治理結構變化倒逼社會治理能力現(xiàn)代化,。

  經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展驅(qū)動力:經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展需要新技術注入新動能,;服務的全球化趨勢要求進一步降低全方位信息溝通成本。

  環(huán)境可持續(xù)發(fā)展驅(qū)動力:降低碳排放,、推動“碳中和”要求提升能效,、實現(xiàn)綠色發(fā)展;極端天氣,、疫情等重大事件驅(qū)動建立更廣泛的感知能力和更密切的智能協(xié)同能力,。

  6G潛在應用場景

  沉浸化業(yè)務

  1)沉浸式云XR業(yè)務,要求端到端時延<10ms,,用戶體驗速率Gbps量級,;

  2)全息通信業(yè)務要求用戶體驗速率Tbps量級;

  3)感官互聯(lián)業(yè)務需要毫秒級時延,、高精度定位和高安全性(隱私保護),;

  4)智慧交互業(yè)務要求時延<1ms,、體驗速率>10Gbps,、可靠性達到99.99999%,。

  智慧化業(yè)務

  5)通信感知業(yè)務要求6G網(wǎng)絡可以利用通信信號實現(xiàn)對目標的檢測,、定位,、識別,、成像等感知功能,,無線通信系統(tǒng)將可以利用感知功能獲取周邊環(huán)境信息,,智能精確地分配通信資源,挖掘潛在通信能力,,增強用戶體驗,;

  6)普惠智能業(yè)務將個人和家用設備、各種城市傳感器,、無人駕駛車輛,、智能機器人等新型智能終端成為智能體,可以通過不斷的學習,、交流,、合作和競爭,可以實現(xiàn)對物理世界運行及發(fā)展的超高效率模擬和預測,,并給出最優(yōu)決策,;

  7)數(shù)字孿生業(yè)務將物理世界中的實體或過程在數(shù)字世界中進行數(shù)字化鏡像復制,人與人,、人與物,、物與物之間可以憑借數(shù)字世界中的映射實現(xiàn)智能交互。通過在數(shù)字世界中對物理實體或者過程實現(xiàn)模擬,、驗證,、預測、控制,,從而獲得物理世界的最優(yōu)狀態(tài),。數(shù)字孿生要求網(wǎng)絡具有萬億級連接能力、亞毫秒級時延,、Tbps級傳輸速以及安全需求,。

  全域化業(yè)務

  8)全域覆蓋將地面蜂窩網(wǎng)與包括高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡、中低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡,、高空平臺,、無人機在內(nèi)的空間網(wǎng)絡相互融合,構建起全球廣域覆蓋的空天地一體化三維立體網(wǎng)絡,,為用戶提供無盲區(qū)的寬帶移動通信服務,。

  潛在關鍵技術

  增強型無線空口技術:無線空口物理層基礎技術、超大規(guī)模MIMO技術,、全雙工技術,。

  新物理維度無線傳輸技術:智能超表面技術、軌道角動量,、智能全息無線電技術,。

  太赫茲與可見光通信技術:太赫茲通信技術、可見光技術,。

  跨域融合關鍵技術:通信感知一體化,。

  內(nèi)生智能的新型網(wǎng)絡:內(nèi)生智能的新型空口,、內(nèi)生智能的新型網(wǎng)絡架構。

  網(wǎng)絡關鍵技術:分布式自治網(wǎng)絡架構,、星地一體化網(wǎng)絡,、確定性網(wǎng)絡、算力感知網(wǎng)絡,、支持多模信任的網(wǎng)絡內(nèi)生安全,。

  6G的研究剛開始起步,在此之前,,5G將得到更多的部署和應用,,而5G的成功商用將為6G的演進奠定堅實的基礎。

  END

  參考資料

  GSA,,《5G Devices List Executive Summary 》,,June 2021GSA,《LTE, 5G & 3GPP IoT CHIPSET REPORT: Executive Summary 》,May 2021GSA,,《Networks, Technologies & Spectrum Snapshot》,,June 2021網(wǎng)優(yōu)雇傭軍,《5G R18在講些什么,?》,,May 2021IMT-2030(6G)推進組,《6G總體愿景與潛在關鍵技術白皮書》,,June 2021

  | 作者:無界

  「5G行業(yè)應用」特邀專欄作家,,超15年TMT從業(yè)經(jīng)歷,,長期關注通信,、信息技術和相關產(chǎn)業(yè)領域,對5G,、人工智能,、物聯(lián)網(wǎng)等關鍵使能技術及其對行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的相互作用有深入洞察。




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