5G时代的演变 5G通讯是马拉松而非短跑

　　尽管5G的变革性质使其成为一种潜在的颠覆性技术，但从其推出的早期阶段就可以清楚地看出，从今天的4G/LTE基础设施迁移至5G将是渐进式，而不是革命性的。尽管5G的承诺是实实在在的，但5G生态系统中的各个行业参与者要实现这一承诺还有大量工作要做，分析人士预测，到2025年，5G的采用率将达到4G的一半左右。

　　5G推出可以被认为是在其第一阶段，全球运营商开始推出基于3GPP Release 15（对应NR 1），5G基础级的规范的服务。尽管这些服务将为运营商带来增量收入，但只有在部署了第Release 16（对应NR 2）中规定的、以及第Release 17中正在开发的功能时，5G在垂直领域的实际价值才能得到体现。

　　到目前为止，5G的加速发展在很大程度上是通过强大的5G生态系统的努力实现的，特别是在标准制定方面，关键行业领袖都参与其中，确保了实用和一致的功能优先顺序。随着政府、行业和学术界对新技术的开发、验证和实现做出贡献，未来的5G路线图将更加重视这一生态系统。

　　作为这个生态系统中的一个关键参与者，u-blox研究了影响5G推广的一些经济、监管和技术因素，这些因素告诉我们以及其他主要生态系统参与者，这种进化的新网络将补充而不是破坏现有的物联网技术。

　　ITU定义的三个广泛用例涵盖了需求高度多样化的现有和新兴应用。事实上，没有一种5G技术能够满足所有这些要求，在决定如何使用5G进入市场时，运营商必须解决以下因素。

　　商业案例的优势

　　由于大多数运营商仍致力于持续的4G/LTE投资策略，而且许多运营商的收入正在趋于平缓甚至下降，因此5G商业案例需要一种有针对性的方法。人们对5G技术的信心很高，但目前尚不清楚如何以及何时将一些更具革命性的使用案例转化为创收产品和服务。因此，大多数运营商将重点放在物联网（IoT）和增强型移动宽带（eMBB）上，这两种技术都可以很容易地利用现有的基础设施。

　　例如，5G-NR非独立（NSA）可以通过升级现有的4G/LTE宏单元以与5G-NR系统互通来增强“覆盖和容量层”（6GHz频率以下）的吞吐量和容量。同时，3GPP在5G发布中采用了现有的LPWA（低功耗广域网）技术实现LTE-M和NB-IoT，这为物联网战略的持续性提供了基础。此外，根据GSMA的数据，在截至2019年10月的12个月期间，实时LPWA网络数量翻了一番，共推出了89个NB物联网和34个LTE-M网络。

　　虽然重点可能是物联网和宽带，但有针对性地部署毫米波基础设施也能够实现高利润的细分市场，例如使用固定无线接入（FWA）在城市地区提供高速宽带。

　　全球监管政策，包括频谱可用性

　　5G的成功推广需要每个国家/地区都有一个支持性的总体监管框架，特别是在涉及无线电频谱分配的地方。3GPP的标准工作定义了5G的两个频谱范围：频率范围1（FR1，《7.125GHz）和FR2（26.25~52.6GHz）。

　　由于许多原因，正如本文其他部分所讨论的，最初的5G NR部署将主要在3.5GHz频段，而GSA最近的一项调查表明，全球大多数频谱分配活动实际上都集中在这一频段上。更高的频段，毫米波，24GHz及以上的情况是不太确定的；频谱分配是在ITU的世界无线电会议上最后确定的。

　　标准制定

　　标准的可用性和稳定性是任何新技术推出的关键，使硬件制造商、芯片制造商等能够设计和构建全球可互操作和兼容的组件。ITU将5G NR要求指定为IMT2020目标，3GPP是领先的标准开发组织，在第Release 15中开发了最初的5G标准。非独立5G新无线电规范（NSA 5G NR）于2017年12月获得批准，独立（SA）版本于2018年6月获得批准。Release 15可以被认为是5G NR的基础，它已经进入了一个全新的无线电技术的规范，为2018年底的初始服务铺平了道路。

　　5G下一阶段的标准开发

　　随着全球运营商为推出基于Release 15规范的服务而努力克服上述挑战，5G生态系统已经开始关注未来。我们现在展望下一步的发展，随着5G的不断推出，这一点可以预期。

　　Release 15被认为是5G NR第1阶段，Release 16是第2阶段，Release 16于2020年7月完成，Release 17的开发工作将于2021年末完成，目前正在进行中（图2）。

　　

　　图1:5G时代LPWA的演变，3GPP 5G发布时间表。（来源：u-blox）

　　Release 15侧重于移动网络技术的定义，而Release 16和Release 17则专注于添加所需的功能，以支持蜂窝行业以外的各种垂直行业所需的用例。

　　尽管Release 16和Release 17中正在开发或考虑的功能与许多垂直领域相关，但3GPP工作的重点是至少三个新兴应用对5G能力有潜在需求的特定行业——工业物联网（IIoT）、汽车行业和卫星行业。

　　工业4.0和工业物联网

　　随着物联网指数级增长的两个驱动因素以及当前对实现工业4.0愿景的关注，IIoT技术在Release 16和Release 17下构成了重要的工作主体也就不足为奇了（图2）。

　　
 

　　图2: 5G技术在3GPP版本中的演变。（来源：u-blox）

　　IIoT在Release 16和Release 17中开发的特定功能包括：

　　超可靠低延迟通信（URLLC）：Release 16工业物联网预计将提供IIoT应用所需的“六个9”级别的可靠性，例如智能工厂装配和控制操作。

　　时间敏感通信（TSC）：Release 16引入了基于与IEEE时间敏感网络（TSN）集成的TSC支持，TSN是目前工厂自动化的主要协议。Release 17将开发本地TSC支持，即独立于IEEE TSN之外，支持广泛的用例，包括物流、航运港口、程序制定和特殊事件（pmse）。

　　支持非公用网络和中性主机：3GPP Release 16既支持独立的NPN，也支持公网集成的NPN，两者都有身份验证方法。Release 17通过使用第三方服务提供商（包括公共网络运营商）的凭据访问独立的专用网络，引入了对中性主机的支持。Release 17还将为接入专用网络的用户接入提供支持。

　　NR-unlicensed：与上述相关，Release 16引入了对NR在未授权频谱中运行的支持，为服务提供商和专用网络提供了一个增加容量的重要工具。Release 16最初关注的NR-U是在5GHz和6GHz频段上的eMBB服务。Release 17将包括增强功能，允许在未经许可的频谱中使用URLLC特性。

　　NR-Light:Release 17将引入对“低性能NR设备”的支持，也称为“NR-Light”，如监控摄像机、工业传感器、可穿戴设备和消费物联网设备。因为这些设备受外形因素和功耗的限制，可能需要比高端5G NR设备更窄的带宽和更低的峰值数据速率。NR-Light打算降低5G-NR设备的成本和复杂性，同时仍然支持5G-NR连接。

　　高精度定位：Release 16扩展了Release 15的定位支持，引入了利用5G无线电信号本身定位设备的能力，提供了几米的潜在精度。Release 17下的进一步增强可以提供厘米以下的精度水平，这是许多室内工业过程应用所要求的。

　　LPWA技术——NB-IoT和LTE-M，3GPP于2015年作为Release 13的一部分引入，NB-IoT和LTE-M可满足物联网市场主体的基本物联网服务的简化要求。Release 16规定了如何将NB-IoT和LTE-M传输直接并入5G-NR部署，巩固其作为5G标准的未来地位，并确保与现有NB-IoT和LTE-M部署兼容。Release 17中LPWA将进一步减少延迟，增强功率效率以及提高峰值传输速率。

　　卫星通信的复苏

　　空间接入成本的下降推动了小型低地球轨道（LEO）卫星数量的大幅增长，使卫星通信在经济上和技术上可满足远程物联网应用需求。在Release 17中，3GPP将开始5G NR增强工作，以支持非地面网络（NTN），并研究基于卫星的物联网开展NB-IoT和eMTC连接的可行性。

　　5G生态系统的持续作用

　　5G推广的一个关键因素是行业、政府、监管机构、标准机构和学术界之间的密切合作。许多此类合作伙伴正在全球范围内进行一系列试验，以证明、验证和评估5G在各个垂直领域的潜力，从而确定未来5G路线图。在欧洲内部，5G基础设施公私伙伴关系（5G-PPP）是一项关键举措，由欧盟委员会设立，旨在资助和协调相关项目，以便建立欧洲在5G领域的领导地位，重点关注提高工业效率和生产率。

　　5G-SMART项目是由5G-PPP资助的试验的一个重要例子；该项目基于爱立信、博世、ABB和包括瑞士u-blox在内的领先技术公司的合作。5G-SMART旨在测试最先进的5G集成制造应用，如数字孪生、工业协作机器人和机器视觉辅助的实时人机交互。在国家层面也可以找到类似的举措，比如英国文化、媒体和体育部（DCMS）资助的英国5G倡议，显示了政府利用5G潜力的强大动机。

　　现在是时候兑现Release 16和Release 17的承诺了

　　期待已久的5G推出的第一阶段目前正在顺利进行，全球运营商都在部署基于3GPP Release 15功能的服务。尽管有必要为5G演进打下基础，但目前不足以充分发挥这一变革性网络技术的全部力量。

　　随着Release 16和Release 17开发了先进的技术，测试和验证这些功能并确保它们投放市场的任务落在了5G生态系统上。这一生态系统建立在政府、行业和学术界之间的独特合作基础上，成功地加快了5G NR的快速部署，并准备提供确保实现5G承诺所需的架构、解决方案和商业模式。

　　本文作者：Sylvia Lu，U-Blox 蜂窝产品中心技术战略主管。她是一位屡获殊荣的工程师，在无线通信研发、蜂窝调制解调器开发、标准和技术战略方面拥有超过10年的行业经验。自2013年以来，Sylvia的兴趣和工作一直集中在最新的技术发展上，这些技术使智能设备能够更好地连接起来，包括5G、NB-IoT、Cat-M、V2X，并有助于推动下一代无线连接和标准，以加速各行业的数字转型。Sylvia拥有伯明翰城市大学电子工程一级学位和布里斯托尔大学通信系统和信号处理硕士学位。Sylvia是剑桥无线有限公司的董事会成员兼董事，同时也是UK5G咨询委员会的成员，该委员会就未来5G部署向英国政府提供独立建议。她最近加入了工程技术学会（IET）的数字政策小组。