5G关键技术及行业应用论文

摘要：当前，世界各国都高度重视5G发展，积极推进5G布局，并将人工智能与5G纳入国家发展的重点对象。5G的发展快于预期，5G产业也正全方位提速。文章在分析5G关键技术的基础上，对5G垂直行业发展的趋势及运营商需推进的方向进行阐述，并以智慧工厂为样本，对AR远程辅助等相关场景应用进行介绍。

关键词：5G;关键技术;行业发展趋势;应用场景;

0 引言

纵观1G～5G移动通信发展史，全球主要国家在移动通信价值链上呈现动态变化。中国的技术实力和国际影响力逐步增强：在经历了一无所有的1G时代、技术落后的2G时代、TD-SCDMA跟随世界标准的3G时代，在4G时代TD-LTE首次成为了世界主流，而在迎面而来的5G时代，我国在技术、标准、产业、应用等方面都呈现引领态势，实现了由主流到主导。5G具有通信速度快、覆盖范围广的特点，虽然其技术本身只是一种网络能力，但当它和人工智能、物联网、云计算、大数据、边缘计算、VR/AR、无人机等技术相结合，可在各个领域中得到高质量应用[1]，进而催生各行各业的新应用、新业务和新商业模式，从而带来生态圈裂变式发展。

1 5G关键技术

从5G应用的角度，在4G考虑人与人的连接的基础上，也考虑人与物、物与物的连接，聚焦于eMBB(增强移动带宽)、uRLLC(超可靠超低时延)、mMTC(海量物联网连接)三大业务特征场景。相比4G主要追求速率，5G则同时关注速率、连接密度和时延三大关键性能指标，其与4G在主要性能指标上的对比如表1所示。

简单地说，5G关键性能的实现与无线新技术、网络切片、边缘计算三大核心能力密不可分。

(1)无线新技术：

无线侧的技术突破使得5G网络支持更高带宽和更低时延，如大规模天线阵列(64天线)、新空口(F-OFDM/Polar/LDPC、灵活的Numerology)等。

(2)网络切片：

将物理网络划分为多个虚拟网络，每一个虚拟网络根据不同的服务需求，如时延、带宽、安全性和可靠性等来划分，以灵活地应对不同的网络应用场景;与传统网络相比，网络切片通过灵活的网络资源组合，实现按需购买差异化服务品质。

(3)边缘计算：

随着通信网络的发展，运营商原有核心网集中式部署无法满足新业务需求，网络随业务流向边缘迁移是产业趋势，这对于运营商而言是一种网络架构和业务模式的创新[2]。并且通过按需在地市/客户侧园区级按需就近部署边缘计算(MEC)节点实现内容与应用的下沉，满足垂直行业客户低时延、数据不出厂等定制化需求的网络结构成为5G时代行业专网建设的主要形态。

2 5G发展中运营商推进重点

任何一代网络技术的发展及普及都需经历起步、渐进发展、成熟的过程。如果将5G垂直行业的应用发展划分为上下半场的话，正在经历的上半场主要聚焦eMBB，通过提升下载速率和系统容量，满足4K/8K高清视频、VR/AR等业务的发展;而下半场的5G成熟阶段，行业关注点转向低时延、高可靠的网络特性，需通过uRLLC与mMTC使能垂直行业，如智能网联汽车(L4以上的智能驾驶)、智能制造、智能电网等高价值应用。整个发展过程中，如下几个方向是运营商必须重点开展并持续完善。

(1)运营商需要夯实网络基础，统筹基站布局，强化网络保障，持续推进5G网络的深度覆盖;加快切片网络的落地验证、加快MEC边缘网络的属地建设工作、并探索主流频段的网络特色和典型应用场景，使网络更好的助力垂直行业应用实践。

(2)5G行业应用培育依赖于技术产业的不断成熟，而行业典型应用场景的探索也需要在持续时间中摸索并逐步成熟，故过程中运营商需要积极联合行业龙头客户，结合生产实际诉求，探索典型业务应用场景，推进产业升级，在技术革新升级的同时，也加大应用的行业推广，使之的行业应用性得到普及及完善。

(3)5G本质上仍然是提供泛在连接的基础网络，只有与云计算、大数据、人工智能等多种技术相互融合、协同创新，才能充分发挥出行业赋能效果。而5G行业应用培育需各方协同发力，需要政府政策的鼓励支持，需要信息通信及垂直行业等产业各方互相促进、携手解决，进而培育5G相关的产业生态。因此，运营商聚合全行业的生态合作伙伴，打造5G产业链和生态圈至关重要。

3 垂直行业5G应用探索分析

3.1 技术及应用发展方向

随着技术的成熟和5G产业生态链的成熟，5G在各行各业都将提供高质量的网络服务及应用支持。如以eMBB场景为主的起步阶段，5G解锁上行带宽业务(如无线视频监控)，可提供上行60 Mbps、下行500 Mbps的体验速率，因此无线视频监控是运营商5G进入垂直行业第一波业务，如大型赛事/晚会的4K视频直播、智慧城市的移动视频监控(巡逻车)、特色旅游景点的VR全景展现等。但在URLLC、mMTC业务特征应用为主的阶段，5G势必将跳出监控应用的局限，更多得聚焦行业生产过程，在工业制造、智慧能源、智慧交通等领域发挥更举足轻重的作用。而这一系列5G应用的落地及推广，也将带来各行业商业模式和经济价值的双重升级。图1从技术成熟度与商业成熟度的角度示意了后续数年5G应用发展的方向。

3.2 工业场景现状及网络性能对比

从现状上说，工业制造领域使用的无线通信协议众多、各有不足且相对封闭。如传感数据采集常用的Bluetooh仅支持短程组网并设备数量受限、ZigBee虽支持大量设备组网但工作距离受限(20 m);AGV调度常使用的Wi-Fi网络支持160 m范围组网，但性能不稳定且存在安全风险;既有的蜂窝无线技术如4G无法支持远程监控、远程维护等需要大量连接和高实时性的场景。并且，工业应用场景设备众多、标准各异，工业设备间的互联互通难度高，这些都要求工业应用中需构建能够兼容、多种协议的新一代无线技术体系，来实现工业制造的无线化、智能化转型。

针对工业制造厂区智能化改造可以基于无线替代有线、5G替代Wi-Fi的思路。通过5G对部分有线场景、Wi-Fi场景的替代，摆脱部署线缆的束缚，提供无处不在的连接。表2是5G与Wi-Fi网络在工业场景性能对比。

3.3 工业场景网络模型及典型应用介绍

整个工业场景5G解决方案，以1张5G工业专网、1个工业互联网平台及N个行业应用共同组成。根据企业生产作业需求衍生出的AR远程辅助、机器视觉检测、大规模数据采集等应用直接作用于生产环节场景，依托5G网络大带宽、低时延、海量连接的网络性能实现落地，将对企业提升生产效能、降低成本、甚至改善企业科技化水平都起到重要作用。

3.3.1 5G工业专网

一张5G的工业网络，是针对工业场景定制安全可靠、超大带宽、超低时延、海量连接的高品质5G网络，是支撑企业工业生产的“骨架”，也是智慧工厂的应用实现基础设施能力。工业企业统筹也对数据安全非常重视，数据涉及产品参数、生产状况等，一旦泄露将造成难以弥补的损失;通过5G网络实现的各类设备接入，对网络性能、稳定性有很高要求，将影响产品的质量、生产产品的质量和稳定性等。因而推荐采用边缘网络下沉园区的方式提供专网，特殊涉及低时延要求的场景(如机器人控制等)，也建议用户功能模块(UPF)下沉至园区。智慧工厂 5G专网架构示意如图2所示。

(1)无线侧：

各类终端可通过内嵌的5G模组或5G CPE的方式连接5G基站。

(2)传输侧：

传输网部署策略结合5G基站部署情况，以及垂直行业用户发展需求，采用PTN或SPN的网络连接核心网与基站前端。

(3)核心网侧：

采用SA组网模式，通过5G切片技术，实现不同等级能力划分，满足工业企业办公管理与生产管理的差异化网络性能需求。

3.3.2 5G工业互联网平台

工业互联网平台是5G+智慧工厂的核心，起到承上启下的作用。其具备设备连接、设备管理等能力，用于采集并控制工厂生产中工业设备状态、进出以满足生产作业需要，同时也便于经营者灵活管理和监控设备的需求，多数可提供数据分析与建模的服务，辅助制造业企业挖掘数据价值。工业互联网平台的定制需根据客户生产所需的平台功能，结合各类前端采集设备采集所需的车间、工业设备的主要数据，结合大规模数据采集的能力，形成数据采集+工业互联网平台的业务流程融合与数据融合。

工业互联网平台根据需要有两种部署方式：私有化部署，可就近部署于工厂园区内边缘计算所在的服务器集群(MEP)，满足客户生产对更低的时延要求，并且也便于与企业内部供应链、生产等作业系统对接，保障生产数据的安全性，做到数据不出园区。公有化部署，多见于政府统一规划建设的区域工业互联网平台，通常在基础架构基础上，还定制有区域特色的几个工业细分行业子系统以满足对应行业的共性需求。各接入单位需要开通账号以访问特定资源。

3.3.3 5G工业典型场景

智慧工厂中根据行业不同，常见的应用场景也各有不同，也将随着技术的成熟逐步丰富。现仅就当前常见的AR远程辅助及机器视觉检测进行介绍。

AR远程辅助场景，以5G+智能AR眼镜的形态，解决专家团队“去不了”“人不够”的痛点，改善一线作业人员“状况说不清”“协作配合难”的现状，将远程作业端通过现场人员以轻便的终端实时可视化地接入，由专家团队给予一线作业人员指导帮助，从而在提升协作时效的同时，也降低业务支持成本。而结合具体行业定制化的远程辅助，将AR系统与设备管理系统打通，作业人员还能从服务后台获取相关实时信息，如卡件、控制器的CPU符合或温度等，高效协助作业人员快速了解设备信息及状态。

机器视觉检测场景，通过搭载4K/8K工业相机及5G模组的远程采集前端获取被检测对象的实时图像数据，通过5G传输网络将数据传到云端;云端通过部署定制化开发的应用，对采集的图像进行实时检测、识别、分析，结合AI深度学习的视觉处理功能还包括根据确定训练模型，对采集图像进行推理预测，达到提升检测成功率的目的;云端根据检测结果反馈至现场设备进行远程控制，如在检测出瑕疵产品时进行告警灯闪烁、指示机械臂移动到指定位置、引导机器人/AGV设备移动至指定位置等。前端相机、远控设备与云端之间，都通过5G+MEC构建的企业5G专网，实现图像数据及控制数据的大带宽、低时延、高可靠的传输。

4 结束语

引用中国移动通信集团有限公司董事长杨杰在博鳌亚洲论坛2021年年会“5G的未来”分论坛的发言“如果把5G比作一辆车行驶在信息高速公路的话，现在车刚刚进入高速路口，正在换挡提速”。5G垂直行业的发展是一项长期性、系统性工程，无法一蹴而就。但是相信，随着标准的逐步完善、技术的日渐成熟，以及网络建设覆盖等基础配套建设的日益健全，并且通过产业界多行业、多主体持续不断地努力探索，推动深度应用场景案例的实践推广，必将促进5G行业应用生态百花齐放新局面的加速形成。

参考文献

[1] 何琦，高聪慧，单彬.5G通信技术应用场景及关键技术分析[J].无线互联科技，2020,7(2):1-2.

[2] 马洪源.面向5G的边缘计算及部署思考[J].中兴通讯技术，2019,25(3):77-81.