5G进展概述及6G前景展望

2021-12-28 446

回顾移动通信标准的整个发展历程，国际电信联盟（ITU）将3G标准命名为IMT-2000，4G标准命名为IMT Advanced，5G标准命名为IMT-2020，这基本上是一个持续了十年的标准。正如2013年10月，工信部、国家发展和改革委员会、科技部联合推动成立了IMT-2020（5G）推进小组一样，2019年，工信部再次推动成立了基于6G的IMT-2020（5G）推进小组。今年6月，IMT-2030（6G）推进小组正式发布了《6G总体愿景及潜在关键技术》白皮书，详细阐述了6G的总体愿景、八大业务应用场景以及十项潜在关键技术的展望。自此，从标准层面来看，可以说5G已经完成了提供基本完整标准版本的第一阶段，业界的关注点也转向了5G的演进和10G新技术的研究。在R17即将进入第二阶段冻结之前，我们将概述5G的发展历程并作简要总结。

01网络商业进展

根据GSA的数据，截至今年5月，共有166家运营商在69个国家和地区发布了符合3GPP标准的5G商用网络（包括移动网络和固定无线接入），另有77家运营商正在进行5G SA商用网络的试点、规划和部署。同时，133个国家/地区的436家运营商正在以测试、试验、试点、规划和实际部署等形式投资5G网络。从频段来看，主要集中在n77（3.3GHz、4.2GHz）和n78（3.3GHz~3.8GHz）频段。

中国的5G建设速度领先全球。据信息通信研究院数据显示，截至今年5月底，中国已建成81.9万个5G基站。虽然与4G基站总数5.44万个相比仍占比不高，但已占全球5G基站总数的70%以上。与此同时，国内市场已推出337款5G手机，累计出货量接近3亿部。加上海外机型，5G手机接入终端数量已达3.1亿部。

025G终端进展

5G终端发布数量正快速增长。根据GSA的数据，截至2021年5月底，共有128家设备制造商宣布了商用或即将商用的5G终端设备。全球已发布的5G终端设备数量达到822款，较4月份增长8.7%，其中62%已实现商用，达到511款，较上一季度显著增长26.5%。下图统计了2019年3月至2021年5月期间已发布和已商用的终端设备数量。

终端产品种类也非常丰富，包括416款移动电话（至少350款已商用）、144款FWA CPE（56款已商用）、106款模块、45款工业/企业级路由器/网关等。各产品占比如下图所示：

035G芯片组进展

作为5G终端设备的基础，芯片组在很大程度上制约着产业链的发展。全球共有五家厂商设计和生产5G芯片组，分别是高通、联发科、华为、海思、三星和紫光展锐。据GSA统计，截至2021年5月，这五家芯片组厂商共发布了35款商用移动平台和14款商用5G调制解调器模块。同时，还有4款移动平台和5款5G调制解调器模块即将商用。芯片厂商不断拓展产品线，终端厂商也拥有了越来越多的芯片组选择。

下图统计了 2018 年第四季度至今年 5 月 5G 芯片组（移动平台和调制解调器组）的发布数量，我们可以清楚地看到加速增长的趋势。

045G应用进展

5G网络的大规模建设和商用加速了产业链（终端、芯片）的发展。然而，在应用方面，虽然用户数量快速增长，以中国为例，5G用户渗透率已超过应用“爆发点”的20%，但尚未出现能够引发网络流量大幅增长的“杀手级”应用。5G流量占比远低于用户渗透率，运营商也主要关注垂直行业领域。

行业专用网络是5G的重要应用领域。据美国知名市场调研机构Grand View Research的报告显示，2020年至2027年，全球5G专用网络市场规模预计将以37.8%的复合年增长率增长，到2027年达到7.1亿美元。随着国家和地方政策鼓励5G与产业融合，行业专用网络自然而然地成为运营商的重要拓展方向。2020年，国内三大运营商均已发布5G专用网络产品，并与业界携手推进专用网络建设。据工信部统计，目前全国在建的“5G+产业互联网”项目超过1,500个，覆盖国民经济20多个重要行业。

在产业应用层面，随着2019年11月“5G+工业互联网”512项目推进计划的发布以及后续政策和产业层面的出台，大量5G产业应用涌现。今年5月31日，工业和信息化部发布了《“5G+工业互联网”十大典型应用场景及五大重点行业实践》，以电子设备制造业为例，选取了装备制造、钢铁、矿业、电力五大行业的案例，并提出了协同研发设计、远程设备控制、设备协同操作、柔性制造、现场辅助组装、机器视觉质量检测、设备故障诊断、工厂智能物流、无人智能巡检、生产现场巡检等十大应用场景，为产业应用的发展提供指导。

053GPP R17 标准主要项目概述

3GPP R17 标准主要项目概述

我们去年发表的关于R16的分析文章“一张图搞懂3GPP R16”R17的主要项目概述如下：

NR组播广播服务（NR_MBS）

4G 网络中已存在组播和广播服务，即 3GPP 在 R9 版本中定义的 eMBMS，它支持包括移动电视直播、视频点播、广告推送、车载娱乐、公共安全以及体育赛事直播等商业应用场景。在 R14 版本中，eMBMS 功能得到进一步增强，并推出了 enTV，它系统地定义了如何通过移动通信网络广播数字电视内容。

NR_MBS 为 5G 网络提供组播广播服务，被中国移动第四大运营商——中国广播电视总公司视为一项差异化应用。事实上，该项目正是由中国广播电视总公司提出的。NR_MBS 可根据实时网络需求，在传统的单播服务和广播/组播服务之间智能动态切换。在保证网络利用效率的同时，它融合了单播、组播和广播三种方式，形成“新广播”，并扩展了个人服务和行业服务的支持能力。

IIoT和URLLC增强（IIoT_URLLC_enh）

主要目标是满足更广泛使用场景的需求。

卫星/非地面网络（NTN）

为了解决偏远山区、海洋等场景下的通信问题，将卫星网络等非地面网络与5G融合，以实现三维网络覆盖。R16已研究了5G NR与非地面网络的融合，R17则进一步研究了NB-IoT与非地面网络的融合。

NR Sidelink增强（D2D）

它主要包括V2X、业务通信和关键通信等。例如，Sidelink接口（也称为PC5）用于V2X中UE之间传输V2X消息。它还包括在一些关键用例中实现通用功能，并在满足特定需求的同时，最大限度地提高Sidelink业务应用、V2X和关键通信应用场景之间的通用性。

IAB增强（NR_IAB_enh）

IAB 是 5G NR 的集成无线接入和回传技术。通过扩展 NR 以支持无线回传（而非光纤回传），包括带内（接入链路和回传链路使用同一频段）和带外（接入链路和回传链路使用不同频段），IAB 可以显著降低网络部署的难度和成本，尤其适用于毫米波频段网络。R17 版本的 IAB 增强功能侧重于提高效率并支持更广泛的应用场景，包括双工增强、增强的网络编码能力、移动 IAB 等。

MIMO进一步增强（NR_feMIMO）

进一步增强 MIMO 能力，支持更多用例，支持高速移动性，更好地支持 FDD，改进波束成形和波束管理，并降低相关开销。

动态频谱共享增强（NR_DSS）

在 R16 的基础上，R17 进一步探索了更好的跨运营商调度方法。

扩展支持 71GHz

5G NR频谱范围分为FR1（410MHz~7.125GHz）和FR2（24.25GHz~52.6GHz）。R17将5G NR频段范围从52.6GHz扩展到71GHz。

5G 位置服务增强第二阶段 (5G_LCS_ph2)

R16版本增强了LCS功能。具体而言，它利用MIMO的多波束特性定义了室内定位技术，例如信号往返时间（RTT）、信号到达时间差（TDOA）、到达角测量（AoA）和离开角测量（AoD）。定位精度可达3-10米。R17版本旨在提供对极低延迟和极高精度定位的支持，包括水平和垂直定位服务级别以及5G定位服务区域。该工作项还将使MCX UE能够利用5G定位服务确定自身位置。

终端节能增强（NR_UE_pow_sav_enh）

探索进一步降低 5G 设备功耗的技术。

支持多种 USIM 卡FS_MUSIM）

增强功能以支持使用多USIM卡的移动终端服务。

其他 R17 标准研究项目包括：SON/MDT 数据收集增强（NR_ENDT_SON_MDT_enh）、增强中继以提高能源效率和覆盖范围（REFEC），对于网络控制交互服务（NCIS）、多设备和多身份增强（MuDE）、多媒体优先服务第二阶段（MBS2）、联网无人机增强（CAV）、多接入双连接进一步增强（LTE_NR-DC_enh2）等，我们将另行撰文进行详细分析。

063GPP R18 标准主要项目概述

R18 作为 5G Advanced 的第一个版本，目前处于提案阶段的第一阶段，计划于 2021 年底 SA#94 版本结束。请参考“网络优化雇佣兵”的文章《5G R18 谈论的是什么》进行收集和整理：

网络切片访问和支持增强

网络切片是 5G 的一项关键功能。R18 将继续增强网络切片接入和支持相关功能，包括：支持 UE 在存在不同类型限制（例如无线资源、频段等）的情况下接入网络切片，并最大限度地减少网络切片或分配资源发生变化时对服务中断的影响；支持向第三方开放网络切片控制/配置和其他服务。

5G灵活定时系统

电力、交通和金融等垂直行业对时钟同步的要求日益提高。R16 通过 5G 提供授时服务。5G 授时弹性系统主要针对 GNSS 卫星授时服务的脆弱性，并研究其他与 5G 系统兼容的时钟同步技术，为终端用户提供灵活的时钟源，以补充、备份或替代 GNSS 卫星授时服务。

基于测距的服务

测距是一种实现定位的算法，应用范围广泛。R18 将研究测距服务需求的相关规范，涵盖用户设备间的测距操作、运营商在授权频谱下对测距功能的控制、测距关键绩效指标（距离精度和方位精度等）以及安全方面。

工业物联网场景中的低功耗和高精度定位

高精度定位是工业互联网的关键应用之一。该项目旨在降低定位功耗，提高定位精度，以满足更多工业互联网应用场景的需求，例如化工厂、矿井等危险场景。

非联网铁路通信

指的是用户设备（UE）之间独立于网络通信的直接通信，称为离网通信技术。该技术已在3GPP MCX标准中引入。当网络故障或偏远山区无网络覆盖时，铁路通信可以使用离网通信。3GPP MCX规范规定，即使网络可用，铁路通信也可以使用离网通信。R18将研究基于离网通信的未来铁路移动通信系统的新用例，以及服务质量（QoS）、优先级、UE ID和位置识别、组播/广播/单播、通信范围、潜在频谱和其他相关技术。

支持触觉和多模态通信服务

触觉和多模态通信是指通过多种通信渠道（例如视频、音频、环境感知、触觉等）响应用户输入，并结合超低延迟、超高可靠性和安全性等网络能力，实现真正沉浸式的用户体验。为了支持触觉和多模态通信服务，5G系统需要满足不同数据流对网络速度、延迟和可靠性的不同要求，并实现多个并行数据流的同步。R18将研究涉及触觉和多模态通信技术的新应用场景，以及与这些应用场景相关的网络可靠性、可用性、安全性、隐私性、数据速率、延迟、传输间隔等技术指标。

其他项目包括5G智能电网通信基础设施、车载5G中继、住宅5G增强功能、个人物联网等。未来，我们将继续跟踪和分析这些提案及其研究内容，并进行较为深入的探讨。

07 6G愿景、应用及潜在关键技术

作为6G研究的推进机构，IMT-2030（6G）推进小组在成立一年半后发布了《6G总体愿景及潜在关键技术》白皮书。而IMT-2020（5G）推进小组发布《5G愿景及需求白皮书》至今也已过去七年。该白皮书的主要内容包括：

整体愿景

从移动互联网（4G）到万物互联（5G），6G时代将实现智能连接和万物数字孪生的总体愿景。进而，展望2030年及以后：

社会层面：

人类社会将进入智能化时代，均衡、高端的社会服务、科学、精准的社会治理以及绿色、节能的社会发展将成为未来社会的发展趋势。

技术水平：

6G将构建人、机器、物智能互联、智能实体高效互操作的新型网络。在大幅提升网络能力的基础上，它将具备内生智能、多维感知、数字孪生、内生安全等新功能，并充分利用低、中、高频谱资源，实现空、空、地无缝全球覆盖，随时随地满足“人、机器、物”安全可靠的无限连接需求。

业务层：

6G 将提供完全沉浸式的交互场景、多维感知和包容性智能融合与共生，以及虚拟与现实的深度融合。

6G发展的宏观驱动力

社会结构变革的驱动力：

收入结构不平衡需要利用数字技术来提高包容性；

人口结构失衡需要利用数字技术来提高人力资本和资源配置效率；

社会治理结构的变化迫使社会治理能力实现现代化。

高质量经济发展的驱动力：

可持续的经济发展需要新技术注入新的动力；

服务业全球化趋势要求进一步降低全方位的信息通信成本。

环境可持续发展的驱动因素：

减少碳排放和促进“碳中和”需要提高能源效率和实现绿色发展；极端天气和流行病等重大事件推动建立更广泛的感知能力和更紧密的智能协作能力。

6G潜在应用场景

沉浸式商务

1）沉浸式云 XR 服务要求端到端延迟小于 10 毫秒，用户体验速率达到 Gbps 级别；

2) 全息通信服务需要 Tbps 的用户体验速率；

3）传感互连服务需要毫秒级延迟、高精度定位和高安全性（隐私保护）；

4) 智能交互服务要求延迟小于 1 毫秒，体验速率大于 10Gbps，可靠性达到 99.99999%。

精明的商业

5）通信感知业务需求：6G网络可以利用通信信号实现目标检测、定位、识别和成像等感知功能。无线通信系统将能够利用感知功能获取周围环境信息，智能、准确地分配通信资源，挖掘潜在的通信能力，并提升用户体验；

6）普惠智能业务将个人和家用设备、各种城市传感器、无人驾驶车辆、智能机器人和其他新型智能终端转化为智能实体。通过持续学习、通信、合作和竞争，它可以实现对物理世界运行和发展的超高效模拟和预测，并做出最优决策；

7) 数字孪生技术将物理世界中的实体或流程以数字方式镜像到数字世界中。通过在数字世界中进行映射，可以实现人与人之间、人与物之间以及物与物之间的智能交互。通过在数字世界中模拟、验证、预测和控制物理实体或流程，可以获得物理世界的最佳状态。数字孪生需要具备万亿级连接能力、亚毫秒级延迟、Tbps级传输速度以及安全要求的网络。

Global business

8）全区域覆盖将地面蜂窝网络与包括高轨道卫星网络、中低轨道卫星网络、高空平台和无人机在内的空间网络相结合，构建全球广域覆盖的空地一体化三维网络，为用户提供无盲区的宽带移动通信服务。

潜在关键技术

增强型无线空中接口技术：

无线空中接口物理层基础技术、超大规模MIMO技术和全双工技术。

新型物理维度无线传输技术：

智能超表面技术、轨道角动量、智能全息无线电技术。

太赫兹和可见光通信技术：

太赫兹通信技术，可见光技术。

跨领域集成关键技术：

沟通感知整合。

一种具有内生智能的新型网络：