5G的发展演进 - 技术栈

5G发展的驱动力

什么是5G

[远程会议，2020年7月10日] 在来自世界各地的政府主管部门、电信制造及运营企业、研究机构约200多名会议代表和专家们的共同见证下，ITU-R WP 5D#35e远程会议宣布3GPP 5G技术（含NB-IoT）满足IMT-2020 5G技术标准的各项指标要求，正式被接受为ITU IMT-2020 5G技术标准。在全球各个国家，产业界各方的紧密协同下，ITU按计划完成IMT-2020 5G技术标准的里程碑，开启万物互联的智能世界。

**IMT-2020技术标准是ITU对5G标准的称呼，即面向2020年之后使用的新一代移动通信技术。**为确保5G技术的先进性，ITU制定了详细的评估方法和指标要求。从2016年至今，对征集的各项候选技术，**按照eMBB（增强移动宽带）、URLLC（低时延高可靠通信）和mMTC（大规模机器通信）**三大5G目标应用场景进行了详细的评估，最终确定3GPP 5G技术在业务、频谱、技术性能指标等各个方面均满足IMT-2020技术标准的要求，具备了峰值速率超过20Gbps、通信时延小于1ms、支持每平方公里100万个设备等先进技术能力，能够满足5G的各种应用要求。

5G上升国家战略

美国

美国在5G技术上投入了大量资源，旨在确保其在全球5G领域的领先地位。美国政府和私营部门正在积极推动5G网络的部署，特别是在城市和农村地区。此外，美国还在与其他国家合作，推动5G技术的国际标准化和安全性。

中国

中国在5G技术上的投入也非常大，是全球首个大规模部署5G网络的国家。中国政府和企业已经在多个城市和地区部署了5G网络，并计划在未来几年内实现全国范围的覆盖。中国还在积极推动5G技术的国际合作，与多个国家签署了5G合作协议。

欧盟

欧盟各成员国也在积极推动5G技术的部署和应用。欧盟正在制定统一的5G政策框架，以促进跨国界的5G网络部署和互操作性。此外，欧盟还在与其他国家和地区合作，推动5G技术的国际标准化和安全性。

日本

日本在5G技术上的投入也非常大，特别是在2020年东京奥运会期间，日本政府和企业加大了对5G网络部署的力度。日本正在积极推动5G技术的应用，特别是在智慧城市、自动驾驶和物联网等领域。

印度

印度也在积极推动5G技术的部署和应用，政府和企业正在合作，以实现全国范围的5G网络覆盖。印度还在与其他国家和地区合作，推动5G技术的国际标准化和安全性。

5G和4G在应用上的区别

速度和延迟

4G: 速度较快，但有较高延迟，主要适用于基本的互联网连接和高清视频播放。
5G: 提供更快的速度和极低的延迟，更适合实时应用，如高分辨率视频会议、云游戏和虚拟现实。

连接设备数量

4G: 连接设备数量有限，适用于个人和少量智能设备连接。
5G: 支持更多设备同时连接，非常适合物联网应用，如智能城市、智能交通和工业自动化。

网络可靠性

4G: 网络可靠性较好，但在拥挤的区域或网络负载高时，可能会出现性能下降。
5G: 提供更高的网络可靠性和稳定性，适用于需要高可用性和高可靠性的场景。

新兴应用

4G: 主要支持移动互联网、社交媒体、在线视频等传统应用。
5G: 推动新兴技术的发展，如自动驾驶汽车、远程医疗、增强现实和虚拟现实等。

总体来说，5G在速度、连接设备数量、网络可靠性和支持新兴应用方面 都有显著提升，打开了更多可能性。

5G的三大应用场景

从信息交互对象不同的角度出发，目前5G应用分为三大类场景：eMMB,mMTC与uRLLC。

eMMB(Enhanced Mobile Broadband，增强型移动宽带)

eMMB是指现有的移动宽带业务场景的基础上，对于用户体验等性能的进一步提升，eMMB的应用场景包括超高清视屏、虚拟现实、增强现实等。所以eMMB主要面向的是个人

mMTC(massive Machine Type of Communication，海量机器类通信)

mMTC的应用场景包括智慧城市、智能家居等。这类应用对接密度要求较高，同时呈现行业多样化和差异化。所以mMTC主要面对的是连接数量大且对时延相对不敏感的需要布置大量联网传感器的设备使用

uRLLC（Ultra-Reliable Low-Latency Communications，超可靠低时延通信）

uRLLC就是低时延业务的应用场景，旨在支持对时延和稳定性高度敏感的业务，可通过网络切片技术来保障。比如车联网、智慧工厂中的远程控制、智慧医疗中的远程手术等对时延非常敏感的应用。

5G协议标准的最新进展

5G 从3GPP Release 15 开始

3GPP的Release 15（简称R15）标志着5G标准的正式起点。它主要侧重于增强型移动宽带（eMBB），支持高带宽、低延迟的网络需求。R15包含了5G非独立组网（NSA）的规范，即在现有4G LTE网络基础上引入5G NR（新无线电）技术，从而加速了5G的初步部署。2017年12月，R15的第一阶段被正式冻结，为运营商提供了早期的5G网络架构参考

KEYSIGHT EVENT

。

日韩5G最激进的运营商与Verizon结成联盟

韩国和日本的电信公司如SK电讯、NTT DoCoMo等，采取了快速推进5G的策略，并与美国的Verizon等公司结成联盟。此类合作推动了5G技术的全球发展，尤其是在网络基础设施和设备兼容性方面的互通性测试。这些公司通过合作，得以共享技术资源，加速了5G网络的成熟和商用

3GPP。

3GPP加速5G标准进程

为了满足全球对5G的迫切需求，3GPP加快了5G标准的制定进程。R15的冻结仅仅是5G的第一阶段，随后3GPP迅速开始了R16的研发工作。R16扩展了5G的能力，支持超高可靠性和低延迟通信（URLLC）等功能，为更广泛的应用场景提供技术支持，例如工业自动化和车联网。3GPP的快速推进使得5G标准更加完善，为后续的全球5G网络普及奠定了基础

R15 Ph1NSA标准（eMBB）子啊17.12冻结

2017年12月，3GPP正式冻结了R15的第一阶段NSA标准。此阶段的标准旨在为增强型移动宽带（eMBB）提供技术规范，帮助运营商在现有的4G LTE网络上引入5G服务。非独立组网（NSA）模式主要利用LTE作为控制信道，5G NR提供数据传输，兼顾了性能和成本，推动了全球5G早期部署

5G的组网方式

5G网络的组网方式主要包括三种：独立组网（Standalone, SA）、非独立组网（Non-Standalone, NSA）和混合组网。这些组网方式不同程度地影响网络性能和基础设施需求：

非独立组网（NSA）：这是5G初期广泛应用的模式，通过依赖现有的4G核心网来加速5G部署。该模式在提升速率方面有效，但无法完全实现5G的低延时和高可靠性功能。其适合短期过渡阶段的快速扩展。

独立组网（SA）：这是完全独立的5G网络架构，不再依赖4G网络，使用5G核心网及新空口技术，能够实现5G的完整功能，包括低延时（如URLLC应用场景）和高连接数。SA支持垂直行业需求，如工业自动化和车联网，是未来网络建设的最终目标。

混合组网：这种方式结合了NSA和SA的优势，使得运营商可以平衡成本和性能，逐步从NSA过渡到SA网络。

对于5G的uRLLC（超可靠低延时通信），应用场景多集中在对高可靠性和极低延时要求极高的领域，如自动驾驶、远程医疗和工业控制。uRLLC实现面临挑战，包括高能耗、复杂的算法需求以及设备间的干扰问题

uRLLC：探索业务需求和可行的部署模式

超可靠低延迟通信（uRLLC）是5G网络的重要应用场景，主要针对需要高可靠性和极低延时的业务需求。其典型应用包括自动驾驶、远程医疗、工业自动化等，这些场景对通信延时和可靠性有严格的要求。为支持这些高要求的业务，uRLLC利用5G的灵活帧结构、先进的多址接入技术和强大的信道编码等技术，尽量减少数据传输的延迟并提升可靠性

业务需求探索

uRLLC的应用需求不同于eMBB（增强型移动宽带），它需要更严格的延迟控制和可靠性保障。典型业务需求如下：

自动驾驶：自动驾驶需要极低的延迟，以保证车辆的实时决策和操控响应。uRLLC可实现毫秒级延迟，为自动驾驶的安全性提供支撑。
远程医疗：远程手术等应用对数据传输的实时性和可靠性要求极高，uRLLC可通过超低延时的通信保障医疗操作的精准度。
工业自动化：智能工厂的设备之间的协同和实时反馈至关重要。uRLLC可以确保机器与控制中心之间的通信无缝衔接，避免任何可能的延时带来的效率下降或安全隐患

可行的部署模式

uRLLC的部署通常采用独立组网（SA）方式，因为SA能够支持完整的5G核心网络功能，有助于实现低延时和高可靠性的需求。然而，uRLLC在实施中仍面临挑战，包括：

高能耗问题：实现超低延迟需要强大的信道编码和高阶调制，这会导致较高的能耗
算法复杂性：uRLLC需要更复杂的算法和协议，这在网络优化方面带来挑战。
设备干扰：在大规模设备应用时，设备间的信号干扰会影响通信的可靠性和延时

随着5G技术的发展，uRLLC将逐步在垂直行业中得到更广泛应用。未来，通过网络切片和边缘计算等技术的引入，uRLLC的业务需求和部署模式将进一步优化。

mMTC、NB-IoT、eMTC

mMTC、NB-IoT、和eMTC是5G和物联网（IoT）领域中的三种主要通信技术，它们专注于不同类型的物联网应用需求：

mMTC（Massive Machine Type Communication）
mMTC，即海量机器类通信，是5G系统中为物联网设备提供连接的重要组成部分。其目标是支持大量设备的连接 ，如智能家居、智能城市和环境监控等。这些设备通常只需传输少量数据，且对延迟要求不高，因此mMTC更注重设备数量的承载能力，而非数据速率。
NB-IoT（Narrowband Internet of Things）
NB-IoT，即窄带物联网，是一种低功耗广域网（LPWAN）技术，专为需要低数据速率、低功耗和广覆盖的物联网应用而设计 ，如智能水表、智能电表和智能垃圾桶。NB-IoT在较低的频段上运行，因此具有强穿透性，可以覆盖更广的区域，并延长设备电池寿命。
eMTC（Enhanced Machine Type Communication）
eMTC，即增强型机器类通信，也属于LPWAN技术，与NB-IoT相似，但提供更高的数据速率和移动性支持。eMTC适用于需要稍高传输速率的应用场景，如可穿戴设备和可移动的传感器设备。它能支持语音和实时数据传输，使其适用于更高要求的场景，但功耗比NB-IoT略高。

总结

mMTC 适合大规模连接，但对速率和延时要求较低。
NB-IoT 适合静态、低数据需求和电池寿命长的应用。
eMTC 提供较高的速率，适合移动设备和对延时较敏感的场景。

这些技术结合使用，为不同的物联网应用需求提供了多样的选择，助力5G物联网生态系统的构