《探讨5G发展状况——机遇与挑战》的报告

摘要：报告指出，5G将改善用户体验，带来新的应用以及新的商业模式，产生显著的经济效益，但同时，5G的发展也面临着许多不可避免的挑战。

毫无疑问，5G是2019开年以来的最热话题之一。

为了帮助ICT政策制定者、国家监管机构（NRA）、运营商以及其它相关从业人员看清5G的发展前景，国际电信联盟(ITU)发布了一份名为《探讨5G发展状况——机遇与挑战》的报告。

报告指出，5G将改善用户体验，带来新的应用以及新的商业模式，产生显著的经济效益，但同时，5G的发展也面临着许多不可避免的挑战。

以下是经物联网智库编译的部分内容：

5G概述

5G是ITU定义的下一代移动通信标准，2015年10月26日至30日，在瑞士日内瓦召开的2015无线电通信全会上，国际电联无线电通信部门(ITU-R)正式批准了三项有利于推进未来5G研究进程的决议，并正式确定了5G的法定名称是“IMT-2020，其可提供的增强能力超过IMT-2000（3G）和IMT-Advanced（4G）系统。

IMT-2020的设定具有如下标准：

•为世界各地正在出现的5G研究活动奠定基础

•确定5G标准化流程的框架和总体目标

•制定路线图，并指导该流程顺利运行至2020年（见图1）。

图1:ITU对于IMT-2020设定的详细时间表和流程

从大的角度来讲，5G将为决策者带来增强公民和企业权能的机会。5G将在智慧城市建设方面发挥关键作用，这也使得公民和组织能够在数字经济中发挥重大作用。

图2: 从先进的综合管理技术到第五代移动通信技术的关键能力的增强

5G可提供超过千兆的速度，并能显著提高性能和可靠性，从而为用户带来更好的使用体验。当然，5G的建立离不开2G、3G、4G移动网络的成功，正是由于这些网络的发展，从而带来了新的商业和服务的模式，改变了社会。

5G也将为电信运营商带来新的机会，使他们不只可以提供连接服务，也可以以较低的成本为消费者和行业开发丰富的解决方案。同时，5G也将实现有线和无线网络的融合，特别为集成网络管理系统的发展提供了机会。

随着5G标准的最终确定，商业5G网络预计将在2020年后开始部署。

图3: 移动网络的发展

据GSMA预计，到2025年5G连接数将达到11亿个，约占移动连接总量的12%。同时，运营商总收入将增长2.5%，达到1.3万亿美元。

另外，与3G和4G相比，5G也将大幅提高数据传输速率、降低延迟。据悉，5G预计将显著降低延迟至1ms以下，适合对时间敏感的数据服务。同时，它的高传输速度能力也意味着5G网络可以提供一系列高速宽带服务，并提供最后一英里接入的替代方案。

5G应用案例 

5G所带来的高传输速度和低延迟能力将推动社会进入智能城市和物联网的新时代。据了解，相关从业者已经明确了5G网络的一些潜在用例，ITU也定义了5G应用的三个重要类别:

1．增强型移动宽带(eMBB)-增强型室内和室外宽带、企业协作、AR和VR的实现等。

2．大规模机器型通信(MMtc)–物联网、资产跟踪、智能农业、智能城市、能源监控、智能家居、远程监控等。

3．超可靠和低延迟通信(URLLC)——自动驾驶、智能电网、远程患者监控和远程医疗、工业自动化等。

图4：5G使用场景

电信运营商表示，eMBB有望成为5G早期部署的主要用例。eMBB将为拥挤的地区带来高速移动宽带，使消费者能够在室内、屏幕和移动设备上都具有享受高速流媒体的能力，并将促进企业协作服务的发展。同时，一些运营商也在考虑将eMBB作为缺乏光纤连接家庭的最后一英里解决方案。

5G还有望通过在城市和农村地区部署大量低功耗传感器网络来推动智能城市和物联网的发展。5G内置的安全性和稳健性将使其适用于公共安全以及一些关键性任务，如智能电网、安全服务、公用事业以及医疗保健，其低延迟特性也使其适用于远程手术、工厂自动化和实时过程控制等。

5G的低延迟和安全特性也将为智能交通系统的发展提供帮助，使智能车辆相互之间可以进行沟通，为自动驾驶汽车和卡车的连接创造机会。例如，通过基于云的自动驾驶系统进行操作的自动驾驶车辆（AV）必须能够在接收消息时及时停止、加速或转弯，而信号覆盖导致的任何网络延迟或丢失都将阻止消息的传递，这可能会带来灾难性后果。然而，运营商认为，尽管已经有大量企业正在进行试点和试验，但自动驾驶的大规模商用仍然还有很长的路要走。

5G技术和频谱要求

对于5G部署早期来讲，特别是在增强型移动宽带方面，核心网络和无线接入网络的无线电频谱、回程、软件化等至关重要。

无线接入网络

大多数室外4G移动网络部署目前都基于宏小区（在蜂窝式移动电话的建网初期，采用蜂窝技术的小区被称为“宏蜂窝”小区。宏小区是面积很大的区域，基站发射天线通常架设在周围建筑物上方），然而，覆盖大地理区域的宏小区将难以提供一些5G应用所需的密集覆盖，低延迟和高带宽（如图所示） 。

目前大多数室外4G移动网络的部署都是通过基站，然而，广域覆盖的基站将难以提供某些5G应用所需的密集覆盖、低延迟和高带宽。

图5:5G应用程序的带宽和延迟要求

为了提供5G所需的覆盖密度和高容量网络，电信运营商正在通过部署微型基站构建其4G无线接入网络（RAN）的密集化，特别是在一些人口稠密的城市地区。微型基站虽然服务的地理范围比广域基站小得多，但却增加了网络覆盖范围、容量和服务质量。

微型基站无需额外的频谱就能提高网络容量，因此对低频谱容量或频谱稀缺的运营商具有很大的吸引力。此外，行业观点认为，在密集的城市区域部署微型基站可以提高现有的4G网络质量，并能支持5G网络和早期eMBB服务的预期高容量需求。

图6:广域基站网络与微型基站网络

由于微型基站所需要的覆盖范围十分密集，因此需要将其安装在如公交站台、路灯、交通信号灯等公共设施上，而这一般也会伴随有一个街道柜，以容纳操作员的无线电设备、电源和现场连接。

图7：小型蜂窝天线系统和街道机柜的示例

大规模MIMO（多输入，多输出）可扩展至数百甚至数千个天线，支持波束成形以提高数据传输速率，这对于高效的电力传输至关重要。大规模MIMO提高了频谱效率，并与密集的微型基站部署相结合，将帮助运营商满足5G的挑战性容量需求。

核心网络

端到端的灵活性将是5G网络的定义特征之一，这种灵活性在很大程度上源于网络软件化的引入，其中核心网络硬件和软件功能是分开的。网络软件化是指通过网络功能虚拟化（NFV）、软件定义网络（SDN）、网络切片和Cloud-RAN（C-RAN）等技术，提高创新和移动网络转型的速度。

•NFV——替换专用设备（如路由器，负载平衡器和防火墙）上的网络功能，虚拟化实例在商用现成硬件上运行，从而降低网络更改和升级的成本。

•SDN——允许实时动态重新配置网络元素，使5G网络能够通过软件而非硬件进行控制，从而提高网络弹性，性能和服务质量。

•网络切片——允许将物理网络分成多个虚拟网络（逻辑段），这些网络可以支持不同的RAN或某些客户群的多种类型的服务，从而通过更有效地使用通信信道大大降低网络建设成本。

•C-RAN——一种关键的颠覆性技术，对实现5G网络至关重要。它是一种使用虚拟化技术与集中处理单元相结合的基于云的无线网络架构，可取代移动基站的分布式信号处理单元、降低部署基于微型基站的密集移动网络的成本。

此外，边缘计算对于实时和对延迟敏感的应用程序而言越来越重要。边缘计算使数据更接近最终用户设备，为要求苛刻的应用提供极低延迟的计算能力，加快了可操作数据的传递、降低运输成本。

5G频谱

5G网络（而不是4G）的高容量部署能力需要更多的频谱带宽，从而增加了对频谱的需求。目前，行业正在共同努力为5G频谱谋发展，例如，国际电信联盟正在协调5G移动系统开发附加频谱的国际协调(方框5)。国际电联的标准化部门(ITU-T)在制定5G系统有线元件的技术和架构标准方面发挥着关键作用。

5G用例可能通过各种频谱频率来满足。例如，低频和短距离应用（适用于密集的城市区域）可能适用于mmWave频率（24 GHz以上）。远程，低带宽应用（更适合农村地区）可能适用于低于1 GHz的频率。虽然较低频率具有更好的传播特性可以获得更好的覆盖，但较高的频率可以支持较高的带宽，这是由于mmWave频带具有较大的频谱可用性。例如，华为提出了一种多层频谱方案，该方案最好地总结了这套理论。

图8：WRC-19研究中的新频段

虽然欧盟已指出700 MHz频谱对于实现5G业务的广域和室内覆盖至关重要，但在非洲部分地区可以使用不同的频率来增强4G覆盖范围。预计到2020年，只有35％的撒哈拉以南人口将被4G网络覆盖，许多农村地区很少或根本没有4G移动网络覆盖，相比之下，全球平均水平为78％.8。因此，撒哈拉以南非洲的政策制定者可能会考虑将700MHz频谱作为提高农村4G覆盖率的理想方式，而不是将其用于5G。

GSMA期望3.3-3.8 GHz频谱能够成为许多最初5G业务的基础，特别是提供增强型移动宽带。这是因为3.4-3.6 GHz几乎覆盖全球，因此能够很好地推动低成本设备所需的规模经济。

推出5G的主要挑战

1.微型基站部署挑战

在一些国家，有关部门和地方当局政策对运营商要求过高的行政和财务义务阻碍了投资，减缓了微型基站的发展。另外，部署微型基站的制约因素还包括许可程序延长、采购活动冗长，费用过高以及阻止访问的过时条例。

此外，许多地方的当地法规禁止在城市中心等5G需求量极大的区域快速、经济地推广微型基站，这也使得提供简化和灵活监管流程的决策者能够从5G带来的创新和经济增长中获得最大收益。

另外，尽管日本和韩国的运营商使用广域基站C-RAN建设的网络已经十分密集，但微型基站还未在亚洲大规模部署。由于光纤回程的广泛可用性，尽管在日本和韩国可以部署C-RAN，但在其他市场可能并非如此。

2.光纤回程

由于许多城市光纤网络可用性差，为微型基站部署光纤回程网络(以支持高数据速率和低延迟)将是运营商面临的最大挑战之一。

例如，英国是欧洲光纤渗透率最低的国家之一，渗透率为2％。相比之下，欧洲的平均水平约为9％。为了激励对光纤网络的投资，英国政府推出了一项为期五年的新光纤网络基础设施业务税率减免措施。

如果部署光纤回程成本效益极低，运营商应考虑无线回程技术。在这种情况下，除光纤外，还应考虑包括PMP、mmWave和卫星在内的无线技术组合。

3．频谱

在一系列频率上分配和识别全球统一频谱需要国际组织、区域电信组织和国家监管机构之间的协调，这是成功部署5G网络时NRA面临的最大挑战之一。协调分配具有许多优点，因为它最大限度地减少了边界的无线电干扰、便于国际漫游并降低了设备成本。这种总体协调是ITU-R在世界无线电通信大会（WRC）进程中的主要目标。

对WRC-19来讲，这一进程目前正处于对24GHz 以上可获得大带宽的世界协调无线电频谱的大型毗连区块的IMT分配和识别达成共识的阶段，这些区块有大带宽可用。WRC-19关于这一主题的决定将基于ITU对移动服务和现有服务在这些频带和相邻频带中的广泛共享和兼容性的研究。

发达国家的一些NRA正在考虑将700 MHz、3.4 GHz和24 GHz频段用于5G的初始部署，以满足5G的覆盖范围和容量要求。

此外，业内还应考虑共享频谱，以便更有效地利用现有资源。传统上，NRA只向移动运营商分配频谱。但是，由于需求的增长，共享可以作为一种提高现有频谱的有效利用率的手段。

另外，NRA还需要进一步考虑特别是24 GHz以上5G频谱的许可和使用模式。传统上，分成小带宽（例如5MHz、10MHz、20MHz）的移动频谱很少，因此可以在拍卖中吸引高价。而24 GHz以上的频谱相对更容易获得，因此不具备很强的稀缺性，而这也将影响商业模式和频谱拍卖。其实，ITU已公布了频谱共用方法的国家实例：例如ITU关于WTDC-14的报告，第9号决议。

4．其他因素

设备可用性–兼容性对用户在5G标准和频谱的使用方面至关重要。制造商目前正在开发将5G、4G、3G和2G嵌入单个芯片的技术，预计从2019年开始，到2020年以后，全球统一标准将会推出。

垂直行业的协调——电信业是一个由设备和芯片制造商、设备供应商以及零售和批发运营商组成的完整生态系统。因此，在开发新的标准和服务时，这个生态系统内的协作相对简单。

网络中立——欧洲电信监管机构BEREC发布了关于如何加强网络中立的最终指导方针，要求互联网服务提供商平等对待所有网络流量，不偏袒某些服务。然而，包括德国电信、诺基亚、奥兰治、沃达丰和英国电信在内的17家移动运营商大力游说BEREC方面对这些规则采取更宽松的解释，称这些“在5G投资回报方面造成了巨大的不确定性”。此外，他们表示，除非BEREC对网络中立采取更温和的方法，否则他们不会引入高速5G网络。

结论 

在5G发展用例发展成熟之前行业和决策者应该谨慎对待5G相关的投资，同时提高现有4G网络的可用性和质量。

5G预计将在数字经济、促进经济增长、增强公民生活体验和创造新的商业机会方面发挥关键作用。

尽管有这些好处，但在确立商业案例时，以及5G是否是经济的真正优先事项时，必须小心谨慎。5G投资决策必须有可靠的投资案例支持。

由于投资金额高，运营商对投资回报持怀疑态度。他们目前正在大城市投资5G测试台和试点网络，这些城市拥有先进的4G部署和更适合网络经济的支持性基础设施。

这种“城市主导”的战略可能会对数字鸿沟产生不利影响，因为5G在农村地区的情况不太令人信服。地方当局和监管机构应该认识到这一风险，并予以应对。