Labs 導讀
從全球4G發(fā)展現(xiàn)狀來看，不限量套餐已經(jīng)成為主流的資費模式，隨著用戶月均流量的快速增長，網(wǎng)絡不斷擴容并不能帶來相應的收入增長，個人市場傳統(tǒng)的流量經(jīng)營模式遭遇瓶頸。為了支持自身的持續(xù)發(fā)展，運營商需要“開源節(jié)流”，尋找新的市場空間，培育新的增長模式，同時節(jié)約成本以降低網(wǎng)絡運維和建設的成本。NB-IoT/eMTC是運營商在4G時代面向低速率、低成本和低功耗的物聯(lián)網(wǎng)市場的一次嘗試，試圖突破一個海量的市場空間。面對差異化和碎片化的物聯(lián)網(wǎng)應用市場，NB-IoT/eMTC難以完全滿足需求，5G通過全新的空口能力（低時延、高可靠等）、靈活的網(wǎng)絡架構、端到端的網(wǎng)絡切片和移動邊緣計算等，將進一步深度賦能垂直行業(yè)應用。本文結合5G標準的發(fā)展和演進，分析5G如何滿足垂直行業(yè)的差異化業(yè)務需求。
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引言
4G和智能手機的快速發(fā)展給我們的日常工作和生活帶來了極大的便利，使社會運行管理更加高效。4G的快速發(fā)展促進了互聯(lián)網(wǎng)應用的繁榮，即時消息、網(wǎng)上購物、導航、網(wǎng)上支付、視頻等應用層出不窮。智能手機已不僅是一種交流工具，同時也是個人和社交平臺。手握智能手機，可以自由選擇網(wǎng)購或者使用手機支付進行線下購物，使我們的日常生活變得比以往更加方便，改變了我們的消費行為和日常行為。4G的快速普及結合消費類電子產(chǎn)品的突破正在培育新的業(yè)務和應用，給移動通信網(wǎng)絡自身帶來了新的挑戰(zhàn)。增強現(xiàn)實技術（AR），虛擬現(xiàn)實技術（VR）、高清晰度視頻技術（4K/8K）、裸眼3D，這些夢幻般的應用對移動通信網(wǎng)絡的能力、容量和效率提出了更高的要求[1]。
另一方面，從全球運營商的4G發(fā)展現(xiàn)狀來看，不限量套餐已經(jīng)成為主流的資費模式，隨著用戶月均流量的快速增長，網(wǎng)絡不斷擴容并不能帶來相應的收入增長，個人市場傳統(tǒng)的流量經(jīng)營模式遭遇瓶頸。為了支持整個行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，運營商需要“開源節(jié)流”，“開源”即是尋找新的市場空間，培育新的增長模式，“節(jié)流”則是節(jié)約成本，降低網(wǎng)絡運維和建設的成本。為了拓展新的業(yè)務模式，運營商在4G網(wǎng)絡上也試圖利用邊緣計算（MEC）、eMBMS、V2X等技術來拓展新的行業(yè)和新的商業(yè)模式，但都由于4G網(wǎng)絡架構固化、商業(yè)模式不清晰等原因而僅僅停留在示范和演示階段。NB-IoT/eMTC是運營商在4G時代面向低速率、低成本和低功耗的物聯(lián)網(wǎng)市場的一次嘗試，試圖突破一個海量的市場空間，帶來新的增長。
4G在行業(yè)和企業(yè)級應用中的拓展為我們提供了很好的經(jīng)驗和教訓。首先，服務和內(nèi)容應盡可能靠近用戶部署，這樣可以減少業(yè)務獲取的延遲，提高用戶體驗；其次，新服務和應用的部署應該是快速和低成本的；此外，網(wǎng)絡應支持靈活可重構的部署，滿足差異化的應用場景和需求；而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和自動駕駛則要求更低的時延和更高的可靠性。
面對以上的應用需求，4G難以滿足，這就讓我們把期望寄托在新一代移動通信系統(tǒng)，即5G。5G的目標是通過自身能力的拓展成為新一代信息基礎設施，通過萬物互聯(lián)，如圖1所示，賦能社會各行各業(yè)，促進社會的信息化和數(shù)字化發(fā)展，提升經(jīng)濟發(fā)展的效率和質(zhì)量，提升社會運行和治理的效率。
回顧移動通信技術發(fā)展的歷史，1G、2G解決了在移動中打電話的問題，3G、4G著重解決了快速上網(wǎng)和看視頻的問題，而5G則第一次把重點轉(zhuǎn)向了對垂直行業(yè)市場需求的支持，面對差異化和碎片化的業(yè)務需求，5G通過全新的空口能力（低時延、高可靠等）、服務化的網(wǎng)絡架構、端到端的網(wǎng)絡切片、和移動邊緣計算，將進一步深度賦能垂直行業(yè)應用。
圖1 5G愿景：萬物互聯(lián)，賦能垂直行業(yè)
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5G定義新能力，全面賦能垂直行業(yè)
5G標準的第一階段（Rel-15）主要聚焦5G商用初期個人和行業(yè)的迫切需求，重點關注eMBB以及簡化的URLLC場景，暫時沒有針對mMTC場景設計標準。為此，Rel-15定義了5G系統(tǒng)的核心構架，包括5GC新的核心網(wǎng)、SA獨立組網(wǎng)和NSA非獨立組網(wǎng)方案，同時也針對5G系統(tǒng)的基本框架和核心功能進行了定義。下面我們從網(wǎng)絡運營和業(yè)務提供的角度，全面闡釋5G的全新空口能力、服務化的網(wǎng)絡架構和網(wǎng)絡切片、邊緣計算等新特征。
2.1全新空口能力[1]
5G第一次將服務的重點轉(zhuǎn)向了垂直行業(yè)，所以從5G研發(fā)之初，業(yè)界就對5G需要覆蓋的應用場景達成了共識，即包括增強移動寬帶（eMBB）、低成本低功耗的大規(guī)模連接（mMTC）、超高可靠性和超低延遲通信（URLLC）。針對上述應用場景，ITU-R和3GPP詳細定義了相應的性能需求，例如， 20Gbps的峰值數(shù)據(jù)速率、0.5ms空口傳輸時延、比4G提高3?5倍的頻譜效率、每平方公里千兆的連接密度、每平方公里10Tbps的業(yè)務密度、以及100倍的功效提升等。為了保持整個生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，我們期望5G具有極低成本特性，每比特性價比能提高1000倍。
5G標準的第一個版本（Rel-15）通過靈活統(tǒng)一的5G新空口設計滿足5G多場景和多樣化的業(yè)務需求，與垂直行業(yè)應用需求相關的能力有：
-低時延：5G要求達到0.5ms單向空口時延，對網(wǎng)絡調(diào)度時延及系統(tǒng)靈活性提出更高要求。Rel-15標準通過引入靈活幀結構、短時域調(diào)度單元、免調(diào)度傳輸、移動邊緣計算MEC (端到端時延可降至10ms)等技術滿足低時延需求。
-高可靠：5G通過提高編碼冗余度、提高調(diào)度優(yōu)先級、降低編碼階數(shù)、多次傳輸?shù)?，已可以支持?shù)據(jù)包大小小于32字節(jié)的99.999%的高可靠應用。
-高速率：5G面臨高速率、高容量等要求，頻譜效率需提升至4G的3~5倍以滿足用戶需求。Rel-15標準通過大帶寬(100MHz, 400MHz)、大規(guī)模天線和MU-MIMO增強、取消CRS參考信號、信道信息反饋設計、Polar/LDPC編碼、及毫米波(5G商用初期未引入)等技術提升5G峰值速率和容量。
-廣覆蓋：5G部署頻段較高，基于現(xiàn)網(wǎng)4G站址進行建設實現(xiàn)連續(xù)覆蓋存在一定困難。Rel-15標準通過大規(guī)模天線設計、廣播信道波束掃描、控制信道覆蓋增強、高功率終端等技術擴展了5G網(wǎng)絡覆蓋能力。
-高速移動：針對高鐵等特定場景，抑制500km/h高速場景下信道時變快、頻率偏移大、切換頻繁的影響。Rel-15通過參考信號設計、隨機接入流程設計、系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化等技術保證高速移動的性能。
5G標準的第二個版本(Rel-16),對5G網(wǎng)絡的性能和能力進行了持續(xù)的優(yōu)化和提升，拓展支持更廣闊的垂直行業(yè)應用。一是解決5G網(wǎng)絡的個性化問題，如5G遠端基站的干擾管理、高頻無線回傳（IAB）、大規(guī)模天線增強、終端功耗的降低等；二是增強垂直行業(yè)應用，如面向低成本、中高速率的物聯(lián)網(wǎng)，進一步增強V2X、URLLC和IIoT應用；三是深度挖潛5G網(wǎng)絡能力，包括5G空口定位、大數(shù)據(jù)采集與應用等新能力。與垂直行業(yè)賦能相關的能力增強包括如下：
-實現(xiàn)米級定位（室外水平定位精度10m，室內(nèi)水平定位精度3m），并與衛(wèi)星、藍牙、傳感器等技術結合進一步實現(xiàn)亞米級定位；
-通過終端節(jié)能，延長電池工作時間，可以在中等業(yè)務負載下，節(jié)約空口能耗35%左右，節(jié)約整機能耗11%左右；
-移動性增強方面，“0”ms方案能避免切換中的用戶面數(shù)據(jù)中斷，保證UE在切換過程中一致性的速率體驗，而基于條件切換的魯棒性增強方案能提升控制面的魯棒性，提升切換的成功率；
-URLLC增強，在滿足空口低時延需求（如0.5-1ms）的同時，增加對更大數(shù)據(jù)速率的支持，將端到端可靠性從99.999%提高到99.9999%；
-5G車聯(lián)網(wǎng)V2X，滿足業(yè)務3-10ms端到端時延、99.999%的可靠性、10-1000 Mbps高速率等需求，實現(xiàn)5G V2X與LTE V2X車聯(lián)網(wǎng)的互補共存；
-空天地一體通信，為后續(xù)面向5G演進的空天地一體互聯(lián)網(wǎng)絡的關鍵技術研究打牢基礎。
總體而言，Rel-16技術演進將有助于進一步提升5G網(wǎng)絡服務質(zhì)量、提升用戶體驗，擴大5G產(chǎn)業(yè)規(guī)模，更好地賦能各行各業(yè)轉(zhuǎn)型和能力升級。
5G Rel-17標準會引入面向垂直行業(yè)應用的進一步能力提升，如車聯(lián)網(wǎng)V2X增強、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IIoT增強、空口定位能力增強、NTN空天一體通信等；另一方面，Rel-17標準也會考慮新增一些新的功能，來滿足新場景下的新需求，使得5G網(wǎng)絡功能更加完備、網(wǎng)絡性能更加穩(wěn)健，比如支持更高速率要求的大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）解決方案、經(jīng)量級NR設計、簡化的多播廣播傳輸（MBMS）、無線網(wǎng)絡切片增強、公共安全等等。
總之，從5G新空口的標準發(fā)展可以看出，5G系統(tǒng)對垂直行業(yè)的支持正在不斷完善和增強，必將能夠更好地支持5G與垂直行業(yè)應用的結合。
2.2服務化和網(wǎng)絡切片[2]
傳統(tǒng)的4G網(wǎng)絡是一張結構固化的網(wǎng)絡，各個功能一應俱全。但是對于差異化的企業(yè)級和垂直行業(yè)的應用，對網(wǎng)絡功能的要求千差萬別，采用這種傳統(tǒng)的大而全的網(wǎng)絡建設方式，必將導致資源的巨大浪費，以及由于固化的網(wǎng)絡結構而不能對時延和路由拓撲等進行必要的優(yōu)化，難以滿足個性化的業(yè)務拓展需求。
5G網(wǎng)絡通過功能解耦的模塊化設計、控制與承載分離、功能間以服務的方式進行調(diào)用、底層云化等顛覆性的設計支持端到端切片能力、能力按需位置部署等，實現(xiàn)網(wǎng)絡的定制化、開放化、服務化。服務化的架構使得業(yè)務和功能的部署非常地靈活，基于SDN/NFV[3] [4]的平臺之上的核心網(wǎng)使得網(wǎng)絡的功能可以按需要靈活部署和容量的彈性伸縮。
圖2網(wǎng)絡切片示意圖
如圖2所示，對于5G網(wǎng)絡來說，可以根據(jù)不同場景下的部署需求和業(yè)務需求，選擇性地部署相關的網(wǎng)絡功能，以及靈活地選擇網(wǎng)絡功能的部署位置，最佳地適應業(yè)務和客戶的需求，同時做到網(wǎng)絡投資的性價比最高。從圖中的不同場景的功能選擇可以看出，不同場景所需要部署和配置的功能因需求的不同而不同，在優(yōu)化性能的同時并不需要對整個網(wǎng)絡的功能全集進行部署，從而可以實現(xiàn)差異化的服務保證，也節(jié)約了網(wǎng)絡投資。同時，在同一個物理區(qū)域的多個不同的應用場景重疊的情況下，網(wǎng)絡基礎設施還可以實現(xiàn)動態(tài)共享，通過切片的動態(tài)生成和按需編排、部署，滿足不同業(yè)務的需求，避免硬件資源的浪費。
2.3邊緣計算（MEC）
MEC[5]將計算、存儲和路由等能力引入到網(wǎng)絡的邊緣（可以是單獨的網(wǎng)元，也可以和無線基站合設），如圖3所示，可以為網(wǎng)絡帶來如下好處：
-將業(yè)務和內(nèi)容部署在盡可能靠近用戶的位置，最小化業(yè)務訪問的時延；
-將路由功能下放到距離用戶盡可能近的位置，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的快速路由和本地交換，縮短數(shù)據(jù)交互時延；
-將計算能力部署在靠近用戶的位置，從而將用戶端的計算轉(zhuǎn)移到云端，同時也可以保證數(shù)據(jù)和處理結果的快速交互，從而簡化終端的實現(xiàn)，降低其尺寸、重量、功耗和成本。比如，對于AR/VR類應用，如果將內(nèi)容處理和渲染的功能上移到MEC，則可以大大降低AR/VR設備開發(fā)的門檻，同時也大大降低成本和重量等，使得設備更輕便和易于普及；
-將核心網(wǎng)的UPF功能下放到MEC，支持必要的計費、安全等功能，可以提供用戶數(shù)據(jù)的高度隔離，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的隱私性保護；
-通過標準的API接口，可以實現(xiàn)無線網(wǎng)絡的能力開放，如位置定位等，將網(wǎng)絡能力開放給第三方，進而培育新的業(yè)務和新的商業(yè)模式。
所以，MEC可以根據(jù)實際業(yè)務部署的需求而靈活配置，其平臺能力和位置都可以靈活地按需選擇，以適應差異化的部署和業(yè)務需求。
圖3 MEC原理
2.4能力開放
對于新一代移動通信系統(tǒng)，人們總是期望著出現(xiàn)一種或者多種殺手級的應用來支持網(wǎng)絡的大規(guī)模發(fā)展。但是從3G開始，我們就發(fā)現(xiàn)所謂殺手級的應用很難提早預測到，也很難像當年的話音和短消息那樣再出現(xiàn)，所以5G網(wǎng)絡的建設和發(fā)展更應該致力于構建基本的網(wǎng)絡能力開放平臺[6] [7]，通過網(wǎng)絡能力的開放，讓更多的合作伙伴去圍繞5G的業(yè)務進行創(chuàng)新和拓展，構建一個多贏的生態(tài)體系，聯(lián)合培育和孵化新的業(yè)務、應用和新的商業(yè)模式，通過量變到質(zhì)變的積累，加速5G網(wǎng)絡的普及和應用，實現(xiàn)5G網(wǎng)絡能力的變現(xiàn)，以及5G網(wǎng)絡的可持續(xù)發(fā)展。
圖4 無線網(wǎng)網(wǎng)絡能力開放示意圖
所以，未來5G網(wǎng)絡需要構建一個網(wǎng)絡能力開放的平臺，如圖4所示，通過標準的開放API，把網(wǎng)絡能力提供給第三方調(diào)用，用于生成其自身的業(yè)務和應用，通過收入分成的形式實現(xiàn)共贏。5G網(wǎng)絡可以開放的能力范圍非常廣，可以是傳統(tǒng)的一些核心網(wǎng)的能力，如短信生成等，也可以是更廣泛的用戶泛化和統(tǒng)計信息等，還可以是無線側(cè)的位置能力、云平臺的計算能力和存儲能力、人工智能的計算能力等等。通過這些能力的開放，可以大大降低業(yè)務創(chuàng)新的門檻，讓更多的企業(yè)和個人參與到5G的業(yè)務和應用的創(chuàng)新當中，帶來5G業(yè)務的快速發(fā)展。
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5G垂直行業(yè)應用拓展的思考
提起5G規(guī)模商用，就不得不提到業(yè)內(nèi)人士一直在討論的5G殺手級應用[3]。我們通常上說的5G殺手級應用主要是面向個人消費市場來說的，類似于短信、電話、微信、直播這種擁有龐大用戶群體的應用，但也需要繼續(xù)去培育和摸索。而面向垂直行業(yè)市場，由于各垂直行業(yè)之間存在較大的差異，行業(yè)與行業(yè)之間的需求可能是完全不一樣的，在這種情況下，一種應用很難得到全部市場的響應，很難爆發(fā)出類似于個人消費市場規(guī)模的殺手級應用，需要逐行業(yè)的突破，聚少成多，從量變到質(zhì)變[6]。
傳統(tǒng)垂直領域的發(fā)展模式是“煙囪式”的，各行各業(yè)都有自己的生態(tài)系統(tǒng)和行業(yè)壁壘，很多領域是運營商之前沒有嘗試過的。在5G時代，由于垂直行業(yè)市場的碎片化和業(yè)務需求的差異化，傳統(tǒng)的2C的模式很難復制到垂直行業(yè)。如何核算成本？如何定價？如何滿足差異化的業(yè)務和部署需求？如何拓展用戶？運營商現(xiàn)有的運營和管理體系如何適應2B市場的變化？這些都是運營商正在面臨的挑戰(zhàn)。
面對上述挑戰(zhàn)，除運營商自己布局相關業(yè)務的開發(fā)、拓展、運營和管理上的轉(zhuǎn)變之外，運營商還需要在幾個方面布局：一是盡快構建端到端5G網(wǎng)絡能力，通過5G網(wǎng)絡的全新能力和網(wǎng)絡切片、邊緣計算相結合，實現(xiàn)對差異化和碎片化的垂直行業(yè)需求的支持；二是構建5G網(wǎng)絡能力開放平臺，將運營商網(wǎng)絡的各種能力開放給第三方使用，鼓勵更多的應用開發(fā)者基于5G能力去開發(fā)和創(chuàng)造創(chuàng)新的業(yè)務；三是構建面向垂直行業(yè)應用的APP Store，并以此為支撐，構建網(wǎng)絡運營商、應用開發(fā)商和應用使用者的生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡能力、應用工具和被服務對象的多方對接，創(chuàng)造多贏的商業(yè)模式。
3.1通過5G公網(wǎng)提供專網(wǎng)服務
5G SA具備端到端的5G全新能力，可以基于網(wǎng)絡切片和邊緣計算，通過虛擬化和軟件定制，把網(wǎng)絡能力按需聚合在邏輯的或者是物理的網(wǎng)元上，比如聚合在基站或者服務器上，來滿足不同行業(yè)的特定業(yè)務需求。這樣可以很好地適應垂直行業(yè)應用的需求差異化和碎片化、部署靈活快速的需求。
以傳統(tǒng)的專網(wǎng)方式去滿足垂直行業(yè)的個性化需求存在用戶規(guī)模過小、成本過高的問題。5G時代，這種模式需要改變，這是5G和4G不同的地方之一。差異化的服務必須要有靈活的網(wǎng)絡支持，能力也要靈活地部署，通過和龐大的個人用戶群去分攤建網(wǎng)和維護成本，才能降低運營商的網(wǎng)絡部署成本，構建運營商解決方案的競爭力。所以，利用網(wǎng)絡切片和邊緣計算等技術來實現(xiàn)公網(wǎng)的“專網(wǎng)化”應該是運營商的服務垂直行業(yè)的首選解決方案，在必要的場景下，可以以物理專網(wǎng)為補充，滿足差異化和碎片化的市場需求，這樣整個業(yè)務的發(fā)展才會成本可控，快速實現(xiàn)從量變到質(zhì)變的跨越。
3.2打造5G的能力開放平臺和應用平臺
在企業(yè)用戶和垂直行業(yè)的拓展上，運營商未來的方向是開放網(wǎng)絡能力和做平臺，但僅僅發(fā)動運營商自身資源去開發(fā)新業(yè)務是不夠的，需要將各行各業(yè)的應用開發(fā)者動員起來，因為他們更接近企業(yè)和垂直行業(yè)的需求，更有創(chuàng)新的思維和基因，結合運營商的網(wǎng)絡能力開放平臺和統(tǒng)一的API接口，去開發(fā)和創(chuàng)造適合企業(yè)級應用和垂直行業(yè)應用的第三方5G應用，例如，通過運營商能力開放平臺和接口，向用戶提供5G蜂窩定位、大數(shù)據(jù)采集與應用等服務。這樣，圍繞運營商的5G網(wǎng)絡這樣一個“智能硬件”，運營商的能力開放平臺上就會聚集大量的5G“應用軟件”，供垂直行業(yè)按需使用，在這個過程中三方的商業(yè)模式就可以在應用訂閱和下載中形成。
這種全新的5G業(yè)務模式設想具有兩點優(yōu)勢。第一，平臺是共享、開放的，可以形成規(guī)模效應。第二，很多對垂直行業(yè)十分熟悉的企業(yè)和專家還沒有完全參與到5G業(yè)務拓展中，運營商可以通過能力的開放，鼓勵和支持這個群體去開發(fā)面向垂直行業(yè)的應用，而不僅僅依賴于自身研發(fā)資源的開發(fā)，從而創(chuàng)造新的合作模式。
這種新的模式會讓整個產(chǎn)業(yè)更加繁榮、開放和更具活力。將來，不論是虛擬運營商、垂直行業(yè)的合作伙伴、開發(fā)者，都可以從運營商的開放平臺中找到機會，也間接幫助國家實現(xiàn)大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新。
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結語
5G的成功在于與社會各行各業(yè)的充分結合，通過5G的賦能，實現(xiàn)整個社會的信息化和數(shù)字化，提升經(jīng)濟發(fā)展和社會治理的質(zhì)量和效率。面向垂直行業(yè)的拓展，5G系統(tǒng)正在構建全新的端到端能力，以適應需求差異化和碎片化的行業(yè)特征，通過全新的空口能力、網(wǎng)絡切片和邊緣計算來滿足垂直行業(yè)應用場景的靈活、快速的部署要求。面向2B市場的挑戰(zhàn)，運營商傳統(tǒng)的經(jīng)營和管理模式也需要轉(zhuǎn)型與變革，除加強自身研發(fā)資源外，還需明確思路，在垂直行業(yè)應用的平臺和生態(tài)建設方面提前布局，利用社會資源加快5G應用的發(fā)展。
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