5G融合应用发展白皮书

2021-02-25 07:49:14 中国计算机报 2021年3期

赛迪智库 无线电管理研究所

在5G商用一年多的时间里,我国在5G网络建设、5G应用创新、5G产业生态等方面都取得了骄人成绩。目前,我国已开通5G基站超过69万个,在国家和地方政策的大力支持下、在5G产业链上下游的共同努力下、在垂直行业用户的协同创新下,我国5G应用发展已进入加速导入的新阶段。

国际组织:持续推动5G标准化工作

降低5G部署成本、加速5G應用

过去的几十年里,在技术和需求的双轮驱动下,公众移动通信逐渐从1G演进到如今的5G。移动通信的应用场景从满足简单的语音通话,到如今面向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)三大应用场景的基础上,逐步实现万物互联并加速向千行百业广泛赋能。2019年4月3日,韩国三大运营商SK电讯、KT、LGUplus宣布开始提供5G商用服务,标志着全球正式进入5G商用元年。2019年6月6日,工业和信息化部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电四大基础电信运营商发放5G商用牌照。同年10月31日,在2019年中国国际信息通信展览会上,工业和信息化部与三大运营商举行5G商用启动仪式,中国移动、中国联通、中国电信正式公布5G套餐,意味着我国5G正式开启商用进程。

国际电信联盟(ITU)

ITU在管理无线电频谱和制定全球适用的IMT-2020标准方面发挥着主导作用。ITU指导制定和实施国际规则和标准,以确保5G网络的安全性和互操作性,并且相邻无线电业务在运行时不会受到相互之间的有害干扰。基于在2G、3G和4G领域设计国际移动通信(IMT)标准的经验,ITU正在致力于5G和未来几代移动宽带业务的相关标准化工作。

在2019年世界无线电通信大会(WRC-19)上,各国ITU代表就 5G 毫米波频谱使用达成共识,将24.25~27.5GHz、37~43.5GHz、45.5~47GHz、47.2~48.2GHz和66~71GHz频段确定用于5G网络的部署,这将有助于第5代(5G)移动通信网络的持续发展。在确保5G应用具备足够频率资源的同时,WRC-19同时采取措施对相邻频段中的卫星地球探测业务以及气象和其他无源业务,提供有效保护。2020年7月9日,ITU无线通信部门(ITU-R)国际移动通信工作组(WP 5D)第35次会议成功闭幕,会议确定3GPP标准系ITU认定的唯一5G标准,终结以往移动通信技术的多标准时代。

第三代合作伙伴计划(3GPP)

3GPP是一个成立于1998年12月的标准化机构,其最初的工作目标是为第三代移动通信系统(WCDMA,TD-SCDMA及CDMA2000) 制定全球统一的技术规范。随着通信技术的不断发展,其工作范围也随之扩大,增加了第四代(LTE FDD,TD-LTE)及 5G(LTE 演进及 NR)系统的研究和标准制定。

3GPP目前框架中有七个标准制定组织伙伴(OP),包括欧洲电信标准协会(ETSI)、日本电信技术委员会(TTC)和日本无线工业及商贸联合会(ARIB)、中国通信标准化协会(CCSA)、韩国电信技术协会(TTA)、美国电信行业解决方案联盟(ATIS)和印度电信标准开发协会(TSDSI)。除了上述组织合作伙伴,3GPP 的合作伙伴还包括市场代表合作伙伴(MRP)以及个体会员(IM)。

3GPP下设项目协调组(PCG)和技术规范组(TSG)两大职能部门,PCG作为3GPP的最高管理和决策机构,受OP委托进行协调工作,内容包括时间计划、工作分配、事务协调、人事任免等,并决定TSG工作项目的最终采用和实现向3GPP承诺的资源。TSG则在PCG领导下具体负责技术规范制定上的工作。3GPP中目前有三个TSG,分别是无线接入网络组(TSG RAN)、业务与系统组(TSG SA)、核心网络与终端组(TSG CT)。各组项下各有多个工作组(WG),具体承担技术任务。3GPP的标准制定有其规范流程,需要经过研究阶段(SI)和工作阶段(WI),从而得出研究报告和技术规范,再交由具体的WG完成。

过去二十年,3GPP已成为引领全球通信业发展的主导性标准化组织。特别是进入5G时代,3GPP的影响力进一步彰显,目前已制定完成R15和R16两个版本的5G标准。

Release 15——首个可用的5G标准。作为5G的第一个版本,R15 于2017年正式启动,于2017年12月完成非独立组网(NSA)标准,于2018年6月完成独立组网(SA)标准,并在2019年3月完成最终方案的冻结。在5G定义三大场景中,R15主要针对eMBB和基础的URLLC场景。移动宽带是3G和4G移动通信系统的主要驱动力,在5G的第一阶段,同样是最重要的应用和发展场景。R15在已有基础上不断优化用户体验,加速eMBB标准化产品具备商用条件,满足以人为中心更加极致的通信体验和市场上相对急迫的商用需求,实现5G标准的“可用”。

Release 16——实现5G从“能用”到“好用”。5G R16标准于2020年 7 月发布,主要包括5G技术规范的增强、行业相关技术规范等内容。Release 16标准涉及两大重要的垂直行业:车联网与工业互联网。此外,Release 16还将为交通(如:轨道交通的未来移动通信系统)和媒体(如:5G增强移动宽带媒体分配)等其他垂直行业提供支持,并带来多个行业受益的通用改进技术,例如引入了多种5G空口定位技术,定位精度提高十倍以上,达到米级。R15的若干基础功能在R16中得到持续增强,包括显著提升小区边缘频谱效率、切换性能、降低终端功耗等。

Release 17——进一步释放5G的潜能。R17将围绕“网络智慧化、能力精细化、业务外延化”三大方向,增强 Release 15和Release 16标准中定义的功能,并增加新特性,服务于更多的行业及业务。

全球各国:5G应用整体处于起步阶段

GSA最新报告显示,截至2020年11月中旬,全球129个国家和地区的407家运营商,正在进行5G方面的投资,包括网络试验、牌照购买、网络规划、网络部署和商用5G服务。其中,49个国家和地区的 122家运营商已经推出了一种或多种符合3GPP标准的5G商用服务。全球5G商用网络的快速部署为5G应用的渗透和普及提供了优质的土壤。

韩国:以文体娱应用为突破口

促进5G市场发展

韩国作为5G最先商用的国家,AR/VR和高清视频等消费应用是运营商开发的重点。韩国三大电信运营商SK电讯(SK Telecom)、韩国电信(KT)和LG U+(LG Uplus)在5G发展初期一致认为,个人消费业务是当前5G业务的重点,行业应用是未来5G业务的重点。在5G个人消费领域,韩国三大运营商结合本国在文化、娱乐和体育上的优势,依托超高清视频、VR/AR等大流量的使用场景,针对VR/AR、视频直播、云游戏、流媒体推出丰富的5G内容和应用服务,比如LG U+推出“U+职业棒球”超高清直播、“U+AR”等服务,SK电讯推出 VR/AR电竞直播、虚拟社交、流媒体和云游戏等服务。在“杀手级”新应用尚未爆发的情况下,韩国三大运营商依靠高清视频、AR/VR等业务,在商用仅半年的时候就实现了数据流量3倍的增长,在商用一周年时5G用户总数超500万,渗透率超11%,营业收入平均增长超5%。在行业应用方面,目前韩国运营商仍处于早期探索阶段。三家运营商重点发展《实现创新增长的5G+战略》提出的十大产业和五个关键性服务领域,但各自在行业应用布局的聚焦点有所不同:SK电讯重点在制造业、智慧城市、智慧医院等垂直行业中探索5G融合应用创新;KT目前正在加大5G与医疗、安全、能源等方面的融合应用;LG U+则是瞄准自动驾驶等方面不断发力。

日本:商用较晚

但在5G专网方面布局较早

2020年3月底,日本三大电信运营商相继推出5G商用服务,日本正式进入5G时代。截至2020年6月,日本5G签约用户数为10到20万。由于5G商用时间相对韩国、中国、美国等国家较晚,目前日本5G应用尚处于探索和验证阶段。在个人应用领域,日本运营商目前主要向消费者提供超高清视频、VR/AR、云游戏等增强移动宽带服务。例如NTT DoCoMo为用户提供8K超高清的VR音乐会、体育赛事直播服务以及多种云游戏。与此同时,运营商也积极探索行业融合应用。NTT DoCoMo面向行业企业提供了面部识别、远程医疗、智慧农业等20余种解决方案。KDDI利用5G网络开展无人机进行4K视频传输的试验,探索无人机在监控、安防、预警等方面的应用。值得注意的是,日本在5G专网方面布局较早,大力鼓励运营商以外的企业等实体建设本地5G专网,发展特色5G应用。2019年12月,内务和通信部开始受理本地5G广播电台许可证的申请,并计划在2020年扩大可用于5G专网的无线频谱资源,从而使更多的公司可以使用5G网络。目前,富士通、三菱电机等公司相继部署本地5G专网,验证5G智慧安防、远程操作和维护支持等应用。

德国:高度重视

5G在工业领域的应用发展

德国作为世界一流工业强国,一直高度重视推动5G在工业领域的应用。2018年,德国电信及汉堡港务局在工业环境中联合开展5G研发测试。2019年12月,德国弗劳恩霍夫制造技术研究所与爱立信等合作伙伴一起,启动了欧洲最大规模的5G工业应用研究项目——“欧洲5G工业园”,探索不同的工业应用场景。为了鼓励企业利用5G探索新应用,助推行业发展,德国在全球范围内率先支持本地5G网络(5G专网)建设。2019年11月,德国联邦网络管理局(BNetzA)全球率先启动本地5G频率(3700-3800MHz频段)的申请流程。同时,为进一步引导中小企业发展本地5G网络,德国联邦运输和数字基础设施部(BMVI)2020年4月底发布了面向中小型企业的5G园区网络指南。截至目前,德国联邦网络管理局已发放了70多份5G独立专网许可证,包括宝马、博世、大众、巴斯夫和德国汉莎航空等知名公司积极响应,并且已经建设完成多个5G专网。例如,汉莎技术股份公司建立了一个用于发动机的远程检查和三维机舱的远程设计的本地专用5G网络。

美国:个人应用进展缓慢

行业应用仍处于测试期

美国运营商目前主要面向消费者提供固定无线接入和增强的移动无线接入业务,但受限于高频段5G网络部署的高成本,整体网络相比4G速率提升有限,并且美国国内5G手机终端数量较少且价格高昂,导致5G用户发展相对缓慢。行业应用方面,美国从2017年起就开始着手扩大5G的应用,美国联邦通信委员会FCC通过设置5G基金等方式促进5G技术向精准农业、远程医疗、智能交通等领域覆盖。但总体来看,美国5G行业应用目前仍处于行业自行探索和技术验证阶段,医疗、制造、零售业、交通、餐饮等行业正陆续开展场景验证。此外,美国政府部门重视5G潜在价值,目前已在救援和军事等领域有所布局。紧急救援领域,美国紧急救援者网络管理局(FirstNet)将斥资2.18亿美元将部分网络升级到5G核心网。军事领域,美国国防部高度重视5G在军事上的价值,开展了多项5G军事用途的测试和验证,主要包括AR/VR军事训练系统、AR单兵作战系统、智能仓库、自动驾驶、远程维修和保障等。

中国:“以建促用”发展模式效果明显

5G應用处于加速导入期

5G网络加快部署建设

为5G向垂直行业赋能奠定坚实基础。作为5G建设的关键之年,2020年我国5G网络建设步伐加快,在5G助推各行业数字化转型中发挥了重要的先导性作用。根据统计数据,截至2020年9月底,全国累计建设开通5G基站超69万个,超过全球总数的70%。北京、上海、广州、杭州等城市实现5G网络城区连片覆盖,提前完成了全年的既定目标,保持适度的超前建设态势,为5G向垂直行业赋能奠定坚实基础。

与此同时,基础电信运营商加大投资力度,全面推进5G网络建设。公开数据显示,中国移动2020年5G相关投资计划约1000亿元,是2019年5G建设投资4倍;截至2020年9月底已提前完成全年建设开通30万个5G基站的目标,目前已建设开通5G基站超38.5万个;全国所有地市级以上城市以及部分重点县城已实现5G商用。中国电信、中国联通规划的2020年5G开支分别为453亿元和350亿元,截至目前,共同建设5G共享基站超过38万个,提前完成全年共建共享5G基站25万个的目标,SA核心网覆盖31个省(区、市)所有地级以上城市。中国广电正通过“全国一网”的整合、推动700MHz频段频率迁移等措施,加快5G网络的建设和商用。

5G 应用顶层设计持续优化

为5G向垂直行业赋能指明方向。我国国家层面高度重视5G产业发展,顶层设计体系不断优化。早在“十三五”期间,国家层面就在加快推进5G商用、5G建设和5G应用等方面出台了多个重要文件。《“十三五”规划纲要》要求加快构建高速、移动、安全、泛在的新一代信息基础设施,积极推进5G商用。《国家信息化发展战略纲要》要求2020年我国5G技术研发和标准制定要有突破性进展。《“十三五”国家信息化规划》十六次提到了“5G”。《关于进一步扩大和升级信息消费持续释放内需潜力的指导意见》要求进一步扩大和升级信息消费,力争2020年启动5G商用。

2020年以来,中央部署“新基建”,其中5G多次被提及,意味着5G在“新基建”七大领域的地位举足轻重。2020年3月4日,中央政治局常务委员会议,明确指出“要加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度,要注重调动民间投资积极性”。国家发改委、工业和信息化部、国资委等国家部委先后出台了《智能汽车创新发展战略》《关于促进消费扩容提质加快形成强大国内市场的实施意见》《关于推动5G加快发展的通知》《关于推动工业互联网加快发展的通知》《有色金属行业智能矿山建设指南(试行)》等多个与5G有关的重要文件,在加快推进5G网络建设的基础上,为5G在工业互联网、新型信息消费、车联网、建筑业、矿业等行业的融合创新应用进一步明确了行动路径和发展目标。

地方政府

加快5G应用实践探索

在5G+工业互联网等领域取得积极进展。2019年以来,各地方政府密集出台5G发展政策文件,加快5G网络建设和产业布局。根据相关数据统计,截至2020年7月底,全国省(区、市)共出台5G相关政策文件(包括规划、计划、行动方案、意见及措施等)超400个,主要涉及5G网络建设、5G技术创新、5G产业培育、5G推广应用等内容。尤其是在推动5G与垂直行业融合应用方面,各地聚焦工业互联网、智能制造、超高清视频、智慧医疗等领域发力,为进一步加快5G应用探索和项目落地提供了政策指引和支持。

在地方政策的大力支持下,各地5G与垂直行业的融合应用已经逐步由探索阶段进入落地实施阶段,试点示范应用效果进一步凸显,全国各地涌现出一批成功的5G+垂直行业落地案例。广东省:广东省第二人民医院完成全省首次5G+4K 远程手术直播;南方电网与中国移动、华为共同研发出业界首款配网差动保护5G通信终端,通过5G基站为电力终端提供高精度的同步授时信号;美的集团和中国电信合作打造5G智慧工厂,开展柔性制造、智能质检安防、低延时工业控制、MES产品扫码和信息看板等5G创新应用。江苏省:徐州以徐工集团为龙头,开展基于5G的设备互联和远程控制试点应用,利用无人化设备实现复杂场景下的应急管理和智能化服务;江苏(无锡)车联网先导区正在加快5G与车联网融合创新;江苏省人民医院已在基于5G的远程癌症手术方面取得了成功,江苏省中医院在利用5G远程诊断方面积累了经验。上海市:根据出台的《上海5G产业发展和应用创新三年行动计划(2019—2021年)》,上海推动“5G+4K/8K+AI”应用示范,包括推进5G与智能制造、工业互联网、大数据、人工智能、超高清视频等深度融合,打造若干5G建设和应用先行示范区等。

运营商

加大2B侧业务拓展

垂直行业内在需求驱动5G加速应用。我国以四大运营商为主体,持续推动5G融合应用示范和创新业务拓展。通过加强与垂直领域相关企业的深度合作,5G已衍生出丰富多样的应用场景,如超高清视频直播、VR/AR、车联网、工业互联网等。“5G+直播”是最快最广实现落地的融合应用,特别是 4K/8K 超高清级别的视频、游戏等细分领域创新应用活跃,在国庆70周年阅兵、春节晚会、全国两会、篮球世界杯等多个国际体育赛事、重大活动中都采用了5G技术,进行多视角超高清直播。“5G+工业互联网”应用在企业生产线和工厂内不断渗透,助力工厂数字化转型和智能制造落地。在“新基建”背景和“512工程”的大力推动下,全国已有超1100个5G+工业互联网项目,超3.2万个5G基站应用于工业互联网场景,涌现出机器视觉检测、精准远程操控、现场辅助装配、智能理货物流、无人巡检安防等一系列应用成果。在2020年至今的新冠肺炎疫情中,医疗行业依托5G技术开展远程医疗等智慧医疗服务,在疫情防控中发挥了重要作用,“5G+医疗健康”等新应用已经在全国范围内加速落地。

5G融合应用未来发展展望

(一)多方发力助推5G融合应用发展。从政策层面看,《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二○三五年远景目标的建议》,明确指出要“加快第五代移动通信(5G)等建设”。意味着5G在“十四五”乃至2035年的远景目标中都将扮演极其重要的角色。從标准层面看,5G R16版本标准已完成,5G R17版本标准化工作正在稳步推进,预计2021年该版本将完成冻结。届时,5G网络的性能将进一步得到增强,赋能千行百业的能力也将进一步提升。从基建层面看,5G网络建设将保持快速增长态势,网络覆盖将进一步下沉,不断从地市级向区县级延伸,5G应用的网络基础将进一步夯实。从需求层面看,5G与行业的融合应用很多来自垂直行业的内在需求,通信业与各行业在前期合作的基础上,未来将进一步围聚焦行业需求,推出更多的解决方案,探索更多元化的商业模式。

(二)未来3年5G整体仍处于“导入期”。一是5G自身需要时间发展完善。尽管R16标准已经冻结,但是移动通信技术从标准制定完成到设备研发、网络升级、终端生态普及以及广泛应用等过程需要经历一段时间,这是技术和产业发展的基本规律,5G技术和产业也将遵循这一规律,不会短时间内一蹴而就。二是5G赋能千行百业更需要时间和耐心。5G作为一种新的“通用目的技术”(GPT)在改变社会的同时也需要全社会的协同。5G的应用创新需要电信运营商、设备商、行业客户、第三方开发等产业生态圈的多个主体同时参与,在深入理解5G技术和行业痛点的基础上,共同探索解决方案,同时也将打破传统产业固有的利益分配模式,形成新的商业模式。在这个过程中,需要解决很多新问题,并且也没有成功案例可循,必然需要一定的时间成本。

(三)C端應用有望迎来爆发式增长。在前期的5G融合应用试点示范过程中,超高清视频传输和虚拟现实等方面的案例较多,例如重要活动直播,表明该类型5G融合应用场景正在加速落地。随着4K/8K视频的不断推广与普及,以及VR/AR技术的不断升级,5G+超高清视频、5G+VR等网络直播方式将成为主流。对于C端用户来说,5G可以在超高清视频直播、VR/AR等领域为用户带来更加极致的体验,形成更多的增值业务类型,推动多元化商业模型的构建。随着5G应用规模效应显现,手机等多形态的终端设备在全新的5G网络架构下也将迎来全面升级,带动5G换机热潮。电信运营商也将通过向用户提供更多元化的5G增值服务来进一步提升ARPU值。

(四)B/G端融合应用发展前景巨大。以物联网智能感知为代表的工业互联网、车联网等B端5G融合应用场景,以及智慧城市、智慧水务、智慧电网等G端5G融合应用场景具备企业和政府两个巨大量级的客户群。工业互联网以感知技术为基底,应用5G网络的高速率传播以及超低时延,能够大大降低工业过程中的成本,提高工业生产效率,促进工业数字化发展。依靠5G可靠传输的智能网联汽车5G-V2X技术也正在加紧进行研发和试验。同时,在智慧城市、智慧物流、智慧电力、智慧水利、政府数据管理、安防监控、政府大数据等方面,B和G端融合应用利用5G网络的特性可大幅提高工作效率,将为5G新基建释放更多需求,未来前景可期。

(五)加速形成5G建设与应用双促进新局面。5G时代,数字化社会的理念将逐步变为现实,人与人之间的单一通信方式将演变为人与人、人与物以及物与物之间的万物互联新模式。5G所依赖的关键核心技术仍然在不断演进,相应的商业模式尚处于探索发展阶段。近两年的5G行业级应用主要面向eMBB应用场景。随着面向uRLLC和mMTC场景的R16标准发布、R17标准推进,以及全国5G新基建大范围铺开,5G业务将逐步从消费领域向各垂直行业延伸拓展,5G+各行业融合应用场景也将全面打开。5G与其他产业,尤其是传统产业的融合发展将成为未来产业发展的主旋律,垂直行业的融合应用将呈现百花齐放的壮观景象,相应的商业模式也将更加完善,5G建设与5G应用将形成相互促进的良好局面。