5G關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用場景分析
——以個性化定價的概念展開

□ 文 賈聿庸 湯建歡

1 概述

2019年6月6日，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G商用牌照，業(yè)界瞬間一片沸騰。上半年，韓國、美國、英國等均已發(fā)布商用5G手機。隨著我國正式步入5G時代，我國的各大設(shè)備商陸續(xù)推出5G手機等終端。3GPP定義的5G具有良好的性能，并制定相應(yīng)的5G場景，讓我們享受到萬物互聯(lián)的便捷，有了良好的用戶體驗。

2 5G技術(shù)架構(gòu)和設(shè)計原則

5G關(guān)鍵能力比前幾代移動通信更加豐富，其用戶體驗速率、連接設(shè)備數(shù)量的密度、端到端時延、峰值速率和移動性等都是5G的關(guān)鍵性能指標(biāo)。5G支持更多樣化的場景，融合多種無線接入方式，為5G的發(fā)展提供了廣闊的應(yīng)用前景。

2.1 5G技術(shù)架構(gòu)

5G技術(shù)架構(gòu)是按照服務(wù)化架構(gòu)來定義的，5G核心網(wǎng)（5GCore）控制平面的網(wǎng)絡(luò)功能（NF）使用服務(wù)化接口來進(jìn)行交互。國際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP為5G制定了全新的系統(tǒng)架構(gòu)，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時延、傳輸可靠性、連接密度、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和能效等關(guān)鍵性能指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)的5G系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

5G技術(shù)架構(gòu)通過一系列的網(wǎng)絡(luò)功能（NF）來完成端到端的系統(tǒng)流程，為用戶提供AMF（訪問和移動管理功能），UDM（統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理），AUSF（鑒權(quán)服務(wù)器功能）等功能服務(wù)，以確保用戶數(shù)據(jù)安全的情況下，完成這些服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、授權(quán)、注冊和去注冊等流程。

下圖深色框的地方，表示3GPP定義的控制面（由AMF、SMF等組成），5G核心網(wǎng)的應(yīng)用平面是由用戶平面功能（UPF）構(gòu)成的，其數(shù)據(jù)流量是由用戶平面功能轉(zhuǎn)發(fā)的，控制面與用戶面通過特定的通信原則和協(xié)議構(gòu)成了5G核心網(wǎng)。5G核心網(wǎng)的設(shè)計不僅提高了傳統(tǒng)服務(wù)的數(shù)據(jù)速率和性能，還支持5G場景的新用例。

圖1 5G非漫游的技術(shù)架構(gòu)

2.2 5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計原則

對于5G網(wǎng)絡(luò)，3GPP組織把接入網(wǎng)（5G NR：New Radio新空口）和核心網(wǎng)（5G Core）進(jìn)行拆分，使接入網(wǎng)和核心網(wǎng)獨自演進(jìn)到5G時代，這樣5G不僅滿足移動寬帶設(shè)計，而且還促進(jìn)了5G三大場景的發(fā)展。為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)質(zhì)、靈活、智能、友好的整體發(fā)展趨勢，5G網(wǎng)絡(luò)需要通過基礎(chǔ)設(shè)施平臺和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)兩個方面的技術(shù)創(chuàng)新和協(xié)同發(fā)展，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署。

◆ 5G基礎(chǔ)設(shè)施平臺

5G核心網(wǎng)主要采用的是SBA（Service Based Architecture）架構(gòu)，該服務(wù)化架構(gòu)支持網(wǎng)絡(luò)功能和服務(wù)的按需部署，使其能靈活地管理網(wǎng)絡(luò)切片。SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）和NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）是5G核心網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)，是實現(xiàn)5G基礎(chǔ)設(shè)施平臺的關(guān)鍵技術(shù)，兩者在網(wǎng)絡(luò)層面互不依賴。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）更偏向于硬件分離管理，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）偏向部分傳統(tǒng)硬件功能的軟件化，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)通過軟件與硬件的分離，為5G網(wǎng)絡(luò)提供更具彈性的基礎(chǔ)設(shè)施平臺，組件化的網(wǎng)絡(luò)功能模塊實現(xiàn)控制面功能可重構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）可以方便快捷地把網(wǎng)元功能部署在網(wǎng)絡(luò)的任意位置，同時對通用硬件資源實現(xiàn)按需分配和動態(tài)伸縮，以達(dá)到最優(yōu)的資源利用率。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)的實現(xiàn)，有利于通過網(wǎng)絡(luò)控制平面從全局視角來感知和調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的可編程。

◆ 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為了滿足業(yè)務(wù)需求與運營需求，將5G接入網(wǎng)和5G核心網(wǎng)進(jìn)行分離，使邏輯功能界面更加清晰，部署方式更加靈活。5G核心網(wǎng)是負(fù)責(zé)處理和管理數(shù)據(jù)的中樞網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)功能在演進(jìn)的分組核心網(wǎng)（EPC）的基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡化與重構(gòu)，以提供高效靈活的網(wǎng)絡(luò)控制與轉(zhuǎn)發(fā)功能。

5G接入網(wǎng)是一個滿足多場景的以用戶為中心的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，利用宏站和基站結(jié)合的方式，統(tǒng)一采用新空口（NR：New Radio）的多種接入技術(shù)，來提升小區(qū)邊緣協(xié)同處理效率，提高無線和回傳資源利用率。5G NR是一種新空口技術(shù)，其特點是不依賴、不受限于頻譜資源，在低、中、高頻段均可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的部署，在發(fā)射端和接收端支持?jǐn)?shù)量眾多的、方向可控的天線單元。

3 5G關(guān)鍵技術(shù)分析

5G系統(tǒng)支持靈活、開放和可擴展性的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并給整個生態(tài)系統(tǒng)帶來良好的技術(shù)功能，提供這種靈活性的技術(shù)功能包括網(wǎng)絡(luò)切片，網(wǎng)絡(luò)能力開放功能，可擴展性和多樣化的移動性。其他網(wǎng)絡(luò)操作要求解決必要的控制和數(shù)據(jù)平面資源效率，以及通過最終用戶和應(yīng)用服務(wù)器之間的路由來優(yōu)化服務(wù)交付的網(wǎng)絡(luò)配置，增強的計費和安全機制處理以不同方式連接到網(wǎng)絡(luò)的新類型的UE。

3.1 網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片允許運營商根據(jù)用戶需求提供定制的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，例如，對功能（例如，優(yōu)先級、計費、策略控制、安全性和移動性），性能要求的差異（例如，延遲、移動性、可用性、可靠性和數(shù)據(jù)速率）有不同的要求，或者他們只能為特定用戶（例如，MPS（4G系統(tǒng)）用戶、公共安全用戶、企業(yè)客戶）提供服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)切片可以提供完整網(wǎng)絡(luò)的功能，包括無線電接入網(wǎng)絡(luò)功能，核心網(wǎng)絡(luò)功能（例如，可能來自不同供應(yīng)商）和IP多媒體系統(tǒng)（IMS）功能。

5G中的網(wǎng)絡(luò)切片支持同一網(wǎng)絡(luò)切片中為家庭和漫游用戶提供連接服務(wù)，在共享5G網(wǎng)絡(luò)配置時，每個運營商可根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活性合理分配網(wǎng)絡(luò)資源，定義和更新網(wǎng)絡(luò)切片中支持的一系列服務(wù)和功能。

3.2 網(wǎng)絡(luò)能力開放功能

隨著5G的出現(xiàn)，新的網(wǎng)絡(luò)功能需要提供給第三方，以讓第三方提供特定的服務(wù)給用戶，例如，允許第三方在服務(wù)托管環(huán)境中管理受信任的第三方應(yīng)用程序以改善用戶體驗，并有效地利用反饋信息和應(yīng)用程序資源。5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)根據(jù)運營商政策提供合適的API，允許可信的第三方創(chuàng)建、修改和刪除為第三方使用的網(wǎng)絡(luò)切片。根據(jù)運營商策略，5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)提供合適的API，以允許受信任的第三方將UE分配給用于第三方的網(wǎng)絡(luò)切片，將UE從用于第三方的一個網(wǎng)絡(luò)切片移動到用于第三方的另一網(wǎng)絡(luò)切片，并且基于由網(wǎng)絡(luò)切片提供的訂購，UE能力和服務(wù)從用于第三方的網(wǎng)絡(luò)切片中移除UE。

3.3 資源利用率提升

5G引入設(shè)計系統(tǒng)的概念，該系統(tǒng)被優(yōu)化以支持不同的UE和服務(wù)。雖然EPS（4G系統(tǒng)）提供了對物聯(lián)網(wǎng)的支持，但是有效的資源利用仍有改進(jìn)的空間可以設(shè)計到5G系統(tǒng)中，而在4G系統(tǒng)中很難進(jìn)行改裝。與5G網(wǎng)絡(luò)中的UE的有效配置、部署和使用相關(guān)聯(lián)的潛在服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)操作要求的一些基本原理包括批量配置，資源有效接入，UE發(fā)起的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)化以及基于減少的需求效率，與固定UE和具有受限移動范圍的UE的移動性管理有關(guān)。

5G網(wǎng)絡(luò)對控制平面或用戶平面進(jìn)行了優(yōu)化，提高UE的高連接密度，滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的大量連接要求，未來云機器人等云應(yīng)用程序在網(wǎng)絡(luò)中而不是在UE中執(zhí)行計算，這要求系統(tǒng)在上行鏈路中具有高數(shù)據(jù)速率并且具有非常低的往返延遲，對于未來部署高密度云機器人，5G系統(tǒng)將發(fā)揮優(yōu)化資源效率的功能。

3.4 兼容4G的網(wǎng)絡(luò)能力

早期5G商用，絕大部分用戶還在使用4G提供的服務(wù)，要求5G系統(tǒng)除了支持新功能外，還需要支持大多數(shù)現(xiàn)有的4G系統(tǒng)服務(wù)功能，5G系統(tǒng)應(yīng)考慮5G核心網(wǎng)絡(luò)和EPC之間的遷移流程，以減少對用戶體驗的影響。

在漫游環(huán)境下，假設(shè)能夠支持5GC NAS（即移動性管理和會話管理）流程的UE也能夠支持EPC NAS在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中操作，UE將根據(jù)自己的核心網(wǎng)絡(luò)來選擇使用EPC NAS流程還是5GC NAS流程。為了達(dá)到平滑遷移，假設(shè)EPC和5GC可以訪問公共用戶數(shù)據(jù)庫，即EPC下的HSS（歸屬簽約用戶服務(wù)器）和5GC下的UDM，作為給定的主數(shù)據(jù)庫，PCF（策略控制功能）可以訪問UDR（用戶數(shù)據(jù)寄存器），該UDR（用戶數(shù)據(jù)寄存器）充當(dāng)由SUPI（簽約用戶永久標(biāo)識）基于服務(wù)標(biāo)識的給定用戶的公共訂戶數(shù)據(jù)庫，其UE在4G核心網(wǎng)與5G核心網(wǎng)的遷移方案結(jié)構(gòu)如圖2所示。

5G系統(tǒng)將為該案例提供一種機制，用于網(wǎng)絡(luò)運營商將UE指引到伙伴關(guān)系網(wǎng)絡(luò)上，以便根據(jù)運營商之間的協(xié)議在伙伴網(wǎng)絡(luò)上路由全部或部分UE用戶平面和相關(guān)聯(lián)的控制平面業(yè)務(wù)。

3.5 5G網(wǎng)絡(luò)安全功能

圖2 EPC和5G CN遷移方案

互聯(lián)網(wǎng)成為當(dāng)代溝通、支付的主要媒介，網(wǎng)絡(luò)安全成為每一個利益相關(guān)者關(guān)注的重點，3GPP制定的5G網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)訪問控制包含六大功能：網(wǎng)絡(luò)選擇、身份認(rèn)證和鑒權(quán)、授權(quán)、接入控制、策略控制和合法監(jiān)聽，這些功能確保了用戶設(shè)備能正常訪問5G網(wǎng)絡(luò)，3GPP為5G定義了相關(guān)的安全架構(gòu)及流程，具體安全架構(gòu)如圖3所示。

5G網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)涉及的網(wǎng)絡(luò)訪問安全性、網(wǎng)絡(luò)域安全性、用戶域安全性、應(yīng)用程序域安全性、SBA域安全性、安全性的可見性和可配置性，這6大安全域滿足了5G多元化的場景安全需求，5G技術(shù)推動了對IoT設(shè)備處于活動狀態(tài)時無縫訪問的獨立安全的需求。我們生活中的智能手機、無人機和工廠自動化等設(shè)備設(shè)施都需要防止盜竊和欺詐，再擴展到企業(yè)，車輛和公共安全市場都需要對最終用戶的隱私進(jìn)行保護(hù)，可見，應(yīng)研究5G系統(tǒng)的安全需求，確保與3GPP系統(tǒng)一致的安全性。

4 5G應(yīng)用場景分析

圖3 5G網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)示意圖

隨著5G技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)展，5G場景下的消費電子產(chǎn)品不僅發(fā)生新的變化，而且還帶動物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，3GPP為5G定義三大不同的服務(wù)場景：eMBB（Enhanced Mobile Broadband增強型移動寬帶）、mMTC（Massive Machine-type Communications海量機器類通信）和URLLC（Ultra-reliable and Low Latency Communications超可靠低時延通信）。

4.1 增強型移動寬帶場景

今天的無線網(wǎng)絡(luò)的頻譜帶寬和網(wǎng)絡(luò)容量難以滿足日益增長的消費者服務(wù)類型。3GPP已經(jīng)確定增強型移動寬帶的部署方案，這些方案側(cè)重于高速度和大規(guī)模輸入輸出的天線陣列，該增強型移動寬帶方案可提供高頻譜效率，準(zhǔn)確的信道預(yù)測，以及用于大規(guī)模輸入輸出的應(yīng)用。增強型移動寬帶的特點是可處理極高的數(shù)據(jù)速率，用戶密度和流量、容量，適用于熱點場景以及無縫覆蓋和高移動性場景，并且提高使用數(shù)據(jù)的速率。

成功實施增強型移動寬帶方案后，其網(wǎng)絡(luò)可滿足消費者對移動數(shù)據(jù)無止境的需求，自動駕駛車輛、高速列車和數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用等（如發(fā)布會現(xiàn)場）和增加覆蓋范圍和容量需求的一些應(yīng)用場景、新的應(yīng)用，如虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）和特定需求的游戲都有適合其帶寬和高容量的數(shù)據(jù)。希望運營商利用這一機會，制定屬于他們的5G部署和運營戰(zhàn)略，可獲取巨大的經(jīng)濟效益。

4.2 海量機器類通信

海量機器類通信是以機器為中心而不是以人為中心的通信，其特點是大量連接的設(shè)備需要低功耗和低數(shù)據(jù)速率，能夠提供與大量低成本、低復(fù)雜度設(shè)備連接的無線技術(shù)，海量機器類通信是擴大5GIoT所需的關(guān)鍵技術(shù)，該方案將成為自動化社會的支柱。若實施海量機器類通信的物聯(lián)網(wǎng)連接解決方案將帶來諸多優(yōu)勢，例如通過支持新業(yè)務(wù)模式增加收入，提高有效性和降低成本，而且還可以使用該物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用于智能照明、廢物處理、資產(chǎn)跟蹤、流程監(jiān)控和優(yōu)化等。

在5G時代，海量機器類通信的應(yīng)用被開發(fā)用于服務(wù)大量的設(shè)備。大規(guī)模的挑戰(zhàn)推動了5G新無線技術(shù)的發(fā)展，特別是在M2M設(shè)備領(lǐng)域，主要目標(biāo)是開發(fā)能夠支持大量低成本設(shè)備的系統(tǒng)。這些設(shè)備分布在廣泛的地區(qū)，將消耗超低功耗，并將支持各種類型的服務(wù)，如智能城市、智能計量、智能農(nóng)業(yè)、物流和運輸?shù)葢?yīng)用程序。

4.3 超可靠低時延通信

超可靠低時延通信是5G中的一個新的業(yè)務(wù)場景，是5G范圍內(nèi)的關(guān)鍵使用場景之一，滿足主要安全并具有嚴(yán)格延遲和可靠性要求的新興業(yè)務(wù)和應(yīng)用程序。5G在垂直領(lǐng)域的新服務(wù)和應(yīng)用發(fā)揮著重要作用，如工廠自動化、自動駕駛領(lǐng)域等。可靠低時延通信最重要的關(guān)鍵性能指標(biāo)是延遲、可靠性和可用性。

配電自動化的特點是對通信服務(wù)的可用性提出了更高的要求，配電系統(tǒng)存在于公共場所中，由于配電是一項基本的基礎(chǔ)設(shè)施，因此通常由私人網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。智能交通系統(tǒng)與配電自動化系統(tǒng)一樣，其設(shè)備出現(xiàn)在公眾的眼中，智能交通系統(tǒng)支持街道交通的基礎(chǔ)設(shè)施的自動化解決方案，此用例處理路邊基礎(chǔ)設(shè)施（例如，路邊單元）與其他基礎(chǔ)設(shè)施（例如，交通引導(dǎo)系統(tǒng)）的連接。

5 展望

今年是5G商用元年，是網(wǎng)絡(luò)信息與大數(shù)據(jù)錯綜復(fù)雜的時代，同時也是萬物互聯(lián)的開端，其中5G關(guān)鍵功能和場景需求的研究關(guān)乎著5G技術(shù)的發(fā)展。近日，中美競爭激烈，我們需要雄厚的科學(xué)技術(shù)作為支撐，我們需要運營商、設(shè)備商及終端廠商的通力合作，推動國產(chǎn)芯片的研發(fā)及研究分析5G場景需求，齊心協(xié)力部署能支撐行業(yè)發(fā)展的具有靈活高效安全屬性的5G網(wǎng)絡(luò)，力爭將5G相關(guān)場景發(fā)展同步推進(jìn)，完成國家優(yōu)先重點發(fā)展的5G技術(shù)，領(lǐng)跑全球5G技術(shù)發(fā)展?！?/p>