5G与物联网技术趋势分析

目录

1、5G的前世今生

1.1 从1G到5G发展

2、5G标准的演化

2.1 R16目前是行业标准

2.2 R17已经上路

3、5G推广面临问题：

3.1 基站成本

3.2 高耗电

3.3 信号有效覆盖半径

4、5G新产业、新机遇

4.1 产业链

4.2 应用场景

5、5G技术分解

关键技术1：高频段传输

关键技术2：新型多天线传输

关键技术3：同时同频全双工

关键技术4：D2D

关键技术5：密集网络

关键技术6：新型网络架构

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5G专有名词解释：

•  频谱效率：数字通信系统的链路频谱效率定义为净比特率（有用信息速率，不包括纠错码）或最大吞吐量除以通信信道或数据链路的带宽（单位：赫兹）。
•  移动性：移动通信系统重要的性能指标，指在满足一定系统性能的前提下，通信双方最大相对移动速度。
•  非独立组网模式（NSA）：使用现有的4G基础设施，进行5G网络的部署。基于NSA架构的5G载波仅承载用户数据，其控制信令仍通过4G网络传输。
•  独立组网模式（SA）：指新建5G网络，包括新基站、回程链路以及核心网。
•  Massive MIMO：大量天线波束赋形，大量天线组成的阵列在同一时间和频率资源空间上分离多位用户的需求。
•  分布式能源：分布在用户端的能源综合利用系统。
•  NFV：Network Functions Virtualization，网络功能虚拟化，利用虚拟化技术，将网络节点阶层的功能，分割成几个功能区块，分别以软件方式实作，不再局限于硬件架 构。
•  LoRa：由Semtech公司研发的低功耗广域网无线通信技术。
•  蜂窝通信技术：采用蜂窝无线组网方式，通过无线通道将终端和网络设备相连接，用户在活动中可相互通信。
•  NB-IoT： Narrow Band Internet of Things，窄带物联网由通信行业标准化组织3GPP制定的构建于蜂窝网络的标准化物联网授权频谱通信技术。
•  QoS保障：Quality of Service，服务质量，一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力，是网络的一种安全机制。
•  网络切片：一种按需组网的方式，可以让运营商在统一的基础设施上分离出多个虚拟的端到端网络，每个网络切片从无线接入网承载网再到核心网上进行逻辑隔离，以 适配各种各样类型的应用。

通信发展经历了邮政、电信、有线通信还是无线通信，通信技术标准从1G发展5G，一种技术能否最终获得推广应用的标准始终没有变化：单位能耗所传输的信息量是否更大。本文结合5G通信技术标准，简要回顾无线通信发展史、5G产业应用形态、5G技术标准、5G目前推广的瓶颈。

1、5G的前世今生

1.1 从1G到5G发展

回顾1G到5G的无线通信发展史就是一部标准的发展史，不难得出结论：统一标准的制定是最重要的，第五代移动电话行动通信标准。

1G是由摩托罗拉公司创造的，注意是创造标准，不是制定标准。由于军方项目上的技术优势，摩托罗拉在20世纪80年代，引领了移动通信的商用时期。摩托罗拉当然也就成为了1G时代的霸主。很快，第二代移动通信技术标准开始了。

在1G的民用时期，诺基亚开始提前布局，研发2G的通信设备和新的通信标准，并在90年代投入使用。仅仅经历了10年，摩托罗拉便没有维持住自己的霸主地位，2G是诺基亚的主导时期。1G是模拟电路，2G是数字电路。在数字电路的应用下，一个小小的芯片就能替代模拟电路的几十个芯片，所以2G时代手机变小了，更加便携了。另外，我们也都知道摩尔定律：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。同时也意味着，同样大小的芯片，每隔18-24个月性能翻一番。因此，摩尔效应也让手机越来越小，性能越来越强。

随着3G网络的覆盖，一代巨头诺基亚黯然离场。3G比2G改进了哪里？从语音通讯到数据传输。2G时代，通信方式主要是打电话、发短信，无线上网速度非常慢。在3G时代，数据传输的速度提升了40倍。现在我们看到的移动互联网行业巨头，不得不说，都受益于3G网络。所以张瑞敏说“没有成功的企业，只有时代的企业”。但是到了3G，我们的语音通信网络和上网用的数据传输网络，还依然是分开的。而且因为3G时期，基站之间的通信需要多次转接，通信效率较低，网速虽然比2G有质的飞跃，速度却不怎么快，很多需要高速传输的应用场景无法实现。

4G时代，依然是苹果一统天下，也成为了第二个突破万亿美金市值的公司。但同时，4G又给了一些新兴公司发展的机会，包括移动支付领域的支付宝和微信支付；设备商、终端商：华为和小米；移动互联网：字节跳动（头条、抖音）、滴滴打车、美团外卖、移动电商拼多多等等。这些现在蓬勃发展中的公司无一不是4G时代下的产物，又是一批“时代的现象级企业”崛起了。

4G比3G改进了哪里？

首先，网络结构扁平化了，端到端的通信转发次数变少了。其次，基站之间的光纤带宽变宽。最关键的是，4G网络同时应用了互联网和电信网络的技术进步。刚才我们提到3G时期，语音和数据的传输网络是分开的，到4G才实现了真正的统一，这让4G的网络速度得到了大幅提升。4G的理论网速已经很快了，大部分的民用场景都够用了。所以在4G时期，一系列基于手机端的应用场景都得到了实现，我们的生活越来越便捷。以至于我们现在很难想象没法手机支付、没法手机点外卖、没法看短视频和朋友圈来消磨时间的漫长时间，我们都是怎样度过的。但4G还有一个硬伤：网络拥塞。4G网络的缺陷是万物互联的瓶颈。

从1G到5G的改进过程视角来看，每一代的变化，一直以来都不是速度的进步而已。

• 1G到2G是模拟电路到数字电路，让终端变小变轻。（质变）
• 2G到3G是从语音通信到数据通信，我们从移动语音过渡到了移动上网时期。
• 3G到4G是减少了转发次数，并进行了“通信网”、“互联网”的融合，这一跨越实现了数据传输速率的升级。
• 4G到5G是解决终端接入密度问题，这是实现万物互联的基础，当然也伴随着传输速率的提升。（质变）

纵观1G到5G发展史，每一代的通信技术标准的迭代，速率的提升似乎只是一个结果，而不是目的。

2、5G标准的演化

       国际标准组织3GPP已于2018年冻结了5G第一版R15。作为R15标准的后续版本，R16原定于2019年底完成，但因R15 Late drop版本冻结时间推迟，R16的冻结时间也被延迟到2020年3月，后又因新冠肺炎疫情推迟到7月初才正式冻结，5G R16标准也因此成为了3GPP史上第一个通过非面对面会议审议完成的技术标准。3GPP RAN全会副主席、中国移动首席专家徐晓东介绍，R15在制定过程中，力求以最快的速度产出“能用”的标准，满足了5G多方面的基本功能。而本次冻结的R16，实现了从“能用”到“好用”，围绕“新能力拓展”“已有能力挖潜”和“运维降本增效”三方面，进一步增强了5G更好地服务行业应用的能力，提高了5G的效率。

2.1 R16目前是行业标准

国际电信联盟ITU为5G定义了三大应用场景，即eMBB（增强型移动宽带）、mMTC（海量机器类通信）、uRLLC（超可靠、低时延通信）。

“R16一个很大的特点是对5G支持这三种场景的能力的完善。R15是5G第一个版本，以eMBB为主。R16的明显特征是对大连接和低时延高可靠能力进行补足。”

一是增加了对5G NR免许可频谱（NR-U）的支持，包括两种运行模式：许可辅助接入（LAA），以及不需要任何许可频谱的独立部署。LAA模式支持移动运营商在LTE LAA基础上利用免许可频谱增加5G带宽。独立NR-U模式不需要许可频谱，使更广泛的生态系统受益于5G优势，包括移动运营商、服务提供商、无线互联网服务提供商（ISP）和5G企业专网运营商。此外，NR-U还支持在新的6GHz频段部署5G。

　　二是更为节电，并且能更好地切换场景。

　　三是更为精准的终端定位。例如在公共安全和室内导航上，R16支持多/单小区定位和基于终端的定位，定义了一种全新的定位参考信号（PRS），可应用于往返时间（RTT）、到达角/出发角（AoA/AoD）、到达时间差（TDOA）等多种5G定位技术，可以满足室内3米和室外10米的初步5G定位精度要求。

　　四是支持面向蜂窝车联网（C-V2X）的基于5G NR的直连通信。R16增强特性将支持协作式驾驶和传感器共享等先进应用，在更高吞吐量、更低时延、基于距离的可靠多播、分布式同步和统一服务质量（QoS）控制等多方面带来显著提升——这些将有助于提高自动驾驶和半自动驾驶的效率和安全性。

　　五是增强5G系统性能支持行业应用，比如工业4.0工厂自动化。R16可以满足更严格的可靠性要求（高达99.9999%的可靠性），同时保持毫秒级时延。

　　六是加速5G企业专网部署。企业专网可通过利用独立管理的专用资源（比如小基站）支持在本地保存敏感数据，保障企业的安全性和隐私，还能面向本地应用（比如低时延应用）进行优化。

2.2 R17已经上路

　　继R16之后，5G R17标准化工作进展也成为业界广泛关注的话题。5G R17标准化工作已于今年第二季度正式启动，暂定于2021年9月完成标准冻结，但目前看来，延期的可能性很大。

　　徐晓东介绍，R17主要涉及“天地一体化”。一是5G的MBMS（广播组播）能力，其实这一能力在3G、4G网络中已经有了，但5G MBMS将更匹配用户使用APP的习惯；二是天地空一体化通信，包括上星基站，基站可能部署在卫星上，实现卫星通信；还有对空基站，利用地面基站覆盖整个航线。此外，切片技术、人工智能如何提高5G性能领域也要进一步开拓；卫星、无人机与5G网络的融合也会在R17中展开。

3、5G推广面临问题：

3.1 基站成本

据统计目前，每个5G基站成本大约20万人民币，4G大约6万人民币。每个基站的建设成本是4G的3~4倍左右，后续随着技术成熟和量产，成本可能会逐步降低。

3.2 高耗电

平均每基站耗电量较大，高昂电费。按照运营商官方的统计，5G基站最大功耗约为4G的3-4倍。 根据中国铁塔的一份分析材料，目前几家主流的厂商的5G基站单系统的典型功耗分别为：华为3500W，中兴为3255W、大唐为4940W，作为对比，4G的单系统功耗仅为1300W，5G是4G的3-4倍。

3.3 信号有效覆盖半径

有效辐射半径为300米，4G基站辐射半径为1Km左右。

4、5G新产业、新机遇

4.1 产业链

工信部此前发布的《5G经济社会影响白皮书》给出权威答案：按照2020年5G才大规模商用算起，预计2020年至2025年期间，中国5G发展将直接带动经济总产出10.6万亿元，直接创造经济增加值3.3万亿元，造就直接就业岗位达310万个。巨大规模的市场机会，关键在于网络的融合；没有技术含量的简单产品没有机会，系统级的创新才有。

电信运营商和电信设备制造商：中国移动、中国联通、中国电信等电信运营商提供基础服务；具备科技含量的智能终端设备（手机、眼镜等）制造商，比如：华为、中兴、大唐电信、小米等将获得巨大红利；

新软件和服务：北京云智软通信息技术有限公司提供无线云机器人解决方案、提供定制化的5G专线服务；智能云科以制造装备互联为基础，采用“工业互联+云服务+智能终端”模式，提供基于 数据驱动的工业服务等企业；

4.2 应用场景

5G网络的三大应用场景 国际标准化组织3GPP为5G应用场景定义了三大方向，包括增强型移动宽带 （eMBB）、超高可靠低时延通信（uRLLC）、海量机器通信（mMTC）:

• （1）增强型移动宽带（eMBB）：在现有移动宽带业务场景的基础上，eMBB 通过提供更高体验速率和更大带宽的接入能力，优化人与人之间的通信体验。 在此场景下，用户体验速率可达100Mbps至1Gbps（4G最高体验速率为 10Mbps），峰值速度可达10至20Gbps。eMBB场景主要面向3D/4K/8K超高清 视频、AR/VR、云工作/娱乐、5G移动终端等大流量移动宽带业务；
• （2）超高可靠低时延通信（uRLLC）：uRLLC应用场景提供低时延和高可靠 的 信息交互能力，支持互联物体间高度实时、精密及安全的业务协作。在此场景 下，端到端时延为ms级别（如工业自动化控制时延约为10ms；无人驾驶传输 时延低至1ms），可靠性接近100%。uRLLC场景主要面向工业自动化、车联网、 无人驾驶、远程制造、远程医疗等业务；
• （3）海量机器类通信（mMTC）：mMTC应用场景主要是人与物之间的信息交 互，通过提供高连接密度时优化的信令控制能力，支持大规模、低成本、低消 耗IoT设备的高效接入和管理。在此场景下，连接设备密度为每平方公里100万 台装置连接，中端电池使用寿命达15年。mMTC场景主要面向智慧城市、智能 家居、智能制造等。

5、5G技术分解

面对多样化场景的极端差异化性能需求，5G很难像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的解决方案，5G技术创新主要来源于无线技术和网络技术两方面。在无线技术领域，大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入等技术已成为业界关注的焦点；在网络技术领域，基于软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的新型网络架构已取得广泛共识。此外，基于滤波的正交频分复用（F-OFDM）、滤波器组多载波（FBMC)、全双工、灵活双工、终端直通（D2D）、多元低密度奇偶检验（Q-ary LDPC）码、网络编码、极化码等也被认为是5G重要的潜在无线关键技术。

关键技术1：高频段传输

移动通信传统工作频段主要集中在3GHz以下，这使得频谱资源十分拥挤，而在高频段（如毫米波、厘米波频段）可用频谱资源丰富，能够有效缓解频谱资源紧张的现状，可以实现极高速短距离通信，支持5G容量和传输速率等方面的需求。

高频段在移动通信中的应用是未来的发展趋势，业界对此高度关注。足够量的可用带宽、小型化的天线和设备、较高的天线增益是高频段毫米波移动通信的主要优点，但也存在传输距离短、穿透和绕射能力差、容易受气候环境影响等缺点。射频器件、系统设计等方面的问题也有待进一步研究和解决。

监测中心目前正在积极开展高频段需求研究以及潜在候选频段的遴选工作。高频段资源虽然目前较为丰富，但是仍需要进行科学规划，统筹兼顾，从而使宝贵的频谱资源得到最优配置。

关键技术2：新型多天线传输

多天线技术经历了从无源到有源，从二维（2D）到三维（3D），从高阶MIMO到大规模阵列的发展，将有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高，是目前5G技术重要的研究方向之一。

由于引入了有源天线阵列，基站侧可支持的协作天线数量将达到128根。此外，原来的2D天线阵列拓展成为3D天线阵列，形成新颖的3D-MIMO技术，支持多用户波束智能赋型，减少用户间干扰，结合高频段毫米波技术，将进一步改善无线信号覆盖性能。

目前研究人员正在针对大规模天线信道测量与建模、阵列设计与校准、导频信道、码本及反馈机制等问题进行研究，未来将支持更多的用户空分多址（SDMA），显著降低发射功率，实现绿色节能，提升覆盖能力。

关键技术3：同时同频全双工

最近几年，同时同频全双工技术吸引了业界的注意力。利用该技术，在相同的频谱上，通信的收发双方同时发射和接收信号，与传统的TDD和FDD双工方式相比，从理论上可使空口频谱效率提高1倍。

全双工技术能够突破FDD和TDD方式的频谱资源使用限制，使得频谱资源的使用更加灵活。然而，全双工技术需要具备极高的干扰消除能力，这对干扰消除技术提出了极大的挑战，同时还存在相邻小区同频干扰问题。在多天线及组网场景下，全双工技术的应用难度更大。

关键技术4：D2D

传统的蜂窝通信系统的组网方式是以基站为中心实现小区覆盖，而基站及中继站无法移动，其网络结构在灵活度上有一定的限制。随着无线多媒体业务不断增多，传统的以基站为中心的业务提供方式已无法满足海量用户在不同环境下的业务需求。

D2D技术无需借助基站的帮助就能够实现通信终端之间的直接通信，拓展网络连接和接入方式。由于短距离直接通信，信道质量高，D2D能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗；通过广泛分布的终端，能够改善覆盖，实现频谱资源的高效利用；支持更灵活的网络架构和连接方法，提升链路灵活性和网络可靠性。

目前，D2D采用广播、组播和单播技术方案，未来将发展其增强技术，包括基于D2D的中继技术、多天线技术和联合编码技术等。

关键技术5：密集网络

在未来的5G通信中，无线通信网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向演进。随着各种智能终端的普及，数据流量将出现井喷式的增长。未来数据业务将主要分布在室内和热点地区，这使得超密集网络成为实现未来5G的1000倍流量需求的主要手段之一。

超密集网络能够改善网络覆盖，大幅度提升系统容量，并且对业务进行分流，具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用。未来，面向高频段大带宽，将采用更加密集的网络方案，部署小小区/扇区将高达100个以上。

与此同时，愈发密集的网络部署也使得网络拓扑更加复杂，小区间干扰已经成为制约系统容量增长的主要因素，极大地降低了网络能效。干扰消除、小区快速发现、密集小区间协作、基于终端能力提升的移动性增强方案等，都是目前密集网络方面的研究热点。

关键技术6：新型网络架构

目前，LTE接入网采用网络扁平化架构，减小了系统时延，降低了建网成本和维护成本。未来5G可能采用C-RAN接入网架构。C-RAN是基于集中化处理、协作式无线电和实时云计算构架的绿色无线接入网构架。

C-RAN的基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。C-RAN架构适于采用协同技术，能够减小干扰，降低功耗，提升频谱效率，同时便于实现动态使用的智能化组网，集中处理有利于降低成本，便于维护，减少运营支出。

目前的研究内容包括C-RAN的架构和功能，如集中控制、基带池RRU接口定义、基于C-RAN的更紧密协作，如基站簇、虚拟小区等。

 

参考资料：

“黑客”扩展学习之“5G技术详解”

1G到5G极简史

一文尽览5G全产业链及新机遇