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《创新的5G应用将带来革命性的变化》

  • 来源专题：宽带移动通信
  • 编译者： 张卓然
  • 发布时间：2020-01-08

  • 5G将重塑智能城市，云游戏，智能网格及许多其他行业

    到2023年，预计有13亿个5G连接

    到2035年，5G实现了高达13.2万亿美元的销售额并提供了2230万个工作岗位

    华盛顿州贝尔维尤-2019年11月18日-截至2019年11月，全球已部署了46个5G网络，5G网络正以前所未有的方式扩展无线通信的价值。根据IHS Markit的数据，到2035年，5G将实现多达13.2万亿美元的销售额度，并且提供了2230万个工作岗位。为了证明5G用途的价值在不断的增长，5G美洲今天发布了一份名为《 5G服务创新》的白皮书，该白皮书指出了新兴服务的广泛应用，包括家庭宽带替代、云游戏、智能电网增强、无人机等。

    5G美洲区总裁Chris Pearson说：“ 5G处于商业部署的早期阶段。但是，我们已经看到在一些早期用例中，它们已经完成了很多工作，例如固定无线访问和增强型移动宽带，这些在现在已经成为了现实。”

    白皮书全面介绍了5G的采用和实现的障碍。它重点介绍了一些详细的用例，这些用例可以为企业和网络提供商提供潜在的新收入来源。5G服务创新强调了几个关键领域，包括：

    解释每个用例的端到端架构方面，以及5G作为技术推动者的重要性

    5G组件对每个架构的要求和关键性能指标（KPI）

    1. 围绕每个用例部署的活动

    2. 需要为每个用例处理的关键问题

    此外，5G服务创新还探索了5G将如何大量使用各种可用的低，中和高频谱频段，并支持通过授权，共享和非授权频谱来提供新服务。频谱多样性使5G可以从传统的广域网扩展到企业，再到室内/室外热点部署。

    皮尔森说：“一旦把3GPP第15和第16版全部的商业功能都部署到5G中，那么随着新的超连接世界中新服务和应用的出现，用例机会将大大的增加。”

    根据Ovum的预测，到2023年，预计将有13亿5G用户，且至少有21个潜在的独特5G使用案例已经确定，这些用例将对工业领域的生产率产生广泛的影响并会增强经济活动。

    《5G服务创新》白皮书已经确定了其中一些有前途的用例，例如：

    固定无线接入（FWA）：55G FWA可以替代家庭或商业宽带，且无需部署昂贵的深光纤固定接入基础设施，并它还提供比4G网络多10至100倍容量的连接解决方案。。

    云游戏：云游戏代表了游戏的根本变化，因为它将计算密集型图形渲染和处理从用户设备转移到网络服务器。由边缘服务器支持的5G低延迟连接将需要在移动设备上提供增强的云游戏服务。

    智能电网：电网的双向通信网络将允许无线连接设备远程检测、监控和调整电力使用和功耗。 5G将成为一种催化剂，它将使网络能够提供智能电网应用必不可少的吞吐量和超低延迟。

    扩展现实（XR）–增强现实（AR）和虚拟现实（VR）：5G将为扩展XR市场提供新的动力。扩展现实（XR）应用程序是业界开发的一些最关键的边缘应用程序。

    5G非地面网络：由于在近地轨道(LEO)和高空平台站(Station，缩写为Station)系统领域的创新和投资，航空航天行业正处于一场革命的边缘。 LEO和HAPS系统为网络运营商提供了建立非地面网络（NTN）的新机遇，这些新机遇是用来服务于许多不同的用例，而这些用例在传统的地球网络中很难使用。

    无人机（UAV）：超低延迟是5G的关键要求，再加上机器人技术，这将开创远程医学，工厂机器人和无人机（或无人机）的新时代。 5G将增强无人机的功能和交通管理系统（UTM）的运营。

    医疗保健：医疗保健，特别是遥测技术，是领先的物联网用例之一，预计在2017-2022年预测期内将实现最快的支出增长。新的治疗设备将依靠5G的URLLC和时间同步功能来支持准确，及时的信息共享和控制。任务可能包括分享视频、诊断、控制胰岛素泵或进行机器人手术。

    高通技术公司的Prashanth Hande表示，“ 5G技术将增加移动网络的价值，使其比前几代人发挥更大的作用，并在一系列世界变化的用例中为许多新的联网服务提供更多的支持。”

    该论文可在5G Americas网站上免费下载。由克里斯·皮尔森(Chris Pearson)撰写的博客文章和演示幻灯片也将在5G美洲网站上展示。

    关于5G美洲：5G和LTE在美洲的声音

    5G美洲是由领先的电信服务提供商和制造商组成的行业贸易组织。该组织的使命是在整个美洲生态系统的网络，服务，应用程序和无线连接的设备中，倡导并促进LTE无线技术的进步和提升其综合能力，以及使它们向5G的方向演进。 5G美洲投资开发了一个连接的无线社区，同时领导了所有美洲地区的5G发展。 5G 美洲总部位于华盛顿州贝尔维尤。想要了解更多信息，请访问www.5gamericas.org或Twitter @ 5GAmericas。

    5G美洲理事会的成员包括：AT＆T，电缆和无线，Ciena，思科，康普，爱立信，英特尔，Kathrein，Mavenir，诺基亚，高通公司，三星，Shaw Communications Inc.，Sprint和T-Mobile US，Inc. ，Telefónica和WOM。

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    • 英特尔的宏旨是创造改变世界的技术，造福地球上每一个人。为此，我们正在把技术的力量融入通信产业，并将云经济扩展到网络和边缘。从核心到边缘的云化网络将有助于创建我们数据驱动的未来所需的5G通信基础设施。 与任何革命性的技术一样，5G的真正价值将来自跨行业的创新者生态系统。在此生态系统里，创新者以指数级的方式提升彼此能力，而英特尔在加速此类协作方面具有独特优势。从我们在 云、网络和边缘计算 的核心位置开始，我们正在推动5G摆脱炒作，带来更多经过验证的5G用例。我们致力于帮助更广泛的商业社区实现 5G 作为下一代和最佳无线网络的全部潜力，无论是基于超可靠连接的智能交通、人工智能助力的实时数据分析、工业制造还是任何我们尚未畅想过的事情。 为此，英特尔在西雅图签约成为 5G开放创新实验室 的创始成员。英特尔将与其他主要行业参与者，包括美国宇航局NASA和T-Mobile并肩合作，并与创业公司合作，推动新的5G技术能力、用例和市场类别的发展，这将改变我们现在乃至将来的工作、生活和娱乐方式。 创业公司将从资源和资本中受益，并且可以从这些技术市场领导者那里获得知识和生态系统资源。我们正共同为第一波5G商用创建一个新颖的测试平台。 5G开放创新实验室将为贝尔维尤充满活力的技术社区提供5G网络、设备和软件，以向世界展示5G能为经济带来的潜力。考虑到新冠肺炎疫情，首批17家创业公司将参加一个为期12周的虚拟项目。该项目将为这些创业公司提供线上指导和技术工具，以直接与技术和商业领袖合作，从而帮助他们新的5G应用愿景变成现实。这种快速、可访问的技术发展，与英特尔将5G推向市场的战略愿景完全吻合。 5G开放创新实验室将极大地突破传统通信的边界。例如，我们在美国宇航局NASA的合作伙伴将收集对纳米卫星联网、天气数据分析以及未来互联网服务扩展到太空用户这样的需求。 5G开放创新实验室由贝尔维尤市赞助，也是华盛顿州最新创新合作区（IPZ）的创始成员。该创新合作区是由华盛顿州商务部管理的一项全州性方案，旨在通过加强产业集群和智力资本来刺激区域经济增长，并加快新技术、畅销产品、企业组建和创造就业机会等方面的发展。这种独特的公私合营的合作关系包括太平洋西北国家实验室、斯诺霍米什县、华盛顿州立大学和华盛顿大学。 5G 开放创新实验室中丰富的行业合作能够带来可行的、经过测试的应用程序，这些应用程序将实现无线连接的全部潜力，实现亚毫秒级的延迟、1,000倍的容量以及比我们现在所体验的速度快100倍的速度。 正如我们通过处理器技术驱动云计算革命一样，英特尔将帮助培育初创企业开发专注于行业数字化转型的 5G和边缘应用 。机会如雨后春笋般激增，但要使之成为现实，就需要该实验室提供的此类协作，使得像英特尔这样的成熟公司和创业公司都能够去构建、加速并将创新的5G解决方案推向市场。
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5G技术目标.......................................................................................... 24 5G的概念......................................................................................................... 25 毫米波.............................................................................................................. 27 5G时间表.......................................................................................................... 30 5G设备可用性............................................................................................. 31 5G第一阶段（版本15）..................................................................................... 32 5G第二阶段（版本16）..................................................................................... 33 5G性能..................................................................................................... 34 5G架构..................................................................................................... 35 网络切片..................................................................................................... 37 4G LTE进展..................................................................................................39 LTE-Advanced和LTE-Advanced Pro的功能.......................................................... 39 LTE 1 Gbps功能............................................................................................. 42 3GPP发布......................................................................................................44 Cellular V2X通信.........................................................................47 关键支持技术.........................................................................48 人工智能（AI）........................................................................................ 48 多种蜂窝类型................................................................................................. 48 Neutral-Host小型蜂窝......................................................................................... 53 未经许可的频谱整合............................................................................. 53 物联网和机器对机器............................................................... 57 大规模MIMO....................................................................................................... 61 虚拟化......................................................................................................... 62 多址边缘计算.................................................................................. 64 组播和广播.......................................................................................... 64 以信息为中心的网络............................................................................... 65 VOLTE、5G语音、RCS、WebRTC和WI-FI呼叫..........................................67 语音支持和VoLTE........................................................................................ 67 5G语音支持................................................................................................... 67 丰富的通信套件..................................................................................... 67 WebRTC............................................................................................................... 68 Wi-Fi呼叫.......................................................................................................... 69 公共安全......................................................................................................70 LTE公共安全功能................................................................................. 70 部署方法......................................................................................... 72 公共安全的设备考量.................................................................... 73 从LTE到5G，Rysavy Research/5G美洲，2018年8月，第二页 扩容...........................................................................................75 频谱发展....................................................................................78 广播激励拍卖（600MHz）.................................................................... 80 3550—3700MHz................................................................................................. 80 3.7—4.2GHz....................................................................................................... 81 5G频带.............................................................................................................. 82 协调....................................................................................................... 85 未经许可的频谱.............................................................................................. 86 频谱共享.................................................................................................. 87 总结..........................................................................................................91 附录：技术细节........................................................................92 3GPP发布....................................................................................................... 92 数据吞吐量对比.................................................................................. 94 延迟对比............................................................................................. 100 频谱效率................................................................................................ 101 流媒体和虚拟现实消耗的数据.................................................... 108 频谱带（3G到5G）.................................................................................. 110 5G ..................................................................................................................... 114 架构..................................................................................................... 114 架构选项......................................................................................... 118 LTE-NR共存.......................................................................................... 121 整合接入和回程......................................................................... 124 性能.................................................................................................... 127 服务质量................................................................................................ 132 LTE与LTE-Advanced......................................................................................... 134 LTE-Advanced术语................................................................................ 134 OFDMA与调度..................................................................................... 135 LTE智能天线......................................................................................... 137 LTE-Advanced的天线技术.................................................................. 141 载波聚合.......................................................................................... 145 多点协调（CoMP）.......................................................................... 149 用户平面拥塞管理（UPCON）...................................................... 151 网络辅助干扰消除和抑制（NAICS）..................... 152 多用户叠加传输（MUST）..................................................... 152 IPv4/IPv6 ........................................................................................................ 152 TDD协调........................................................................................... 152 LTE网络中的短信...................................................................................................... 153 用户设备类别................................................................................ 154 LTE-Advanced中继技术........................................................................................ 155 邻近服务（设备到设备）................................................................. 155 LTE吞吐量................................................................................................ 156 VoLTE和RCS ................................................................................................ 162 LTE高可靠和低延迟通信............................................ 168 演进分组核心网（EPC）................................................................................. 168 异构网络和小型蜂窝................................................................ 171 强化的蜂窝间干扰协调....................................................... 175 双连接............................................................................................. 180 物联网和机器对机器............................................................. 182 云无线接入网和网络虚拟化.................................. 183 从LTE到5G，Rysavy Research/5G美洲，2018年8月，第三页 其他未经许可的频谱整合.................................................................. 188 版本6 I-WLAN............................................................................................. 189 版本8 双栈移动IPv6和代理移动IPv6 ....................................... 189 版本11 基于S2a的GTP移动............................................................. 189 多路径TCP................................................................................................... 190 ANDSF............................................................................................................ 190 双向卸载挑战..................................................................... 191 其他集成技术（SIPTO、LIPA、IFOM、MAPCON）............................... 193 热点2.0...................................................................................................... 193 自组织网络（SON）............................................................................ 195 IP多媒体子系统（IMS）............................................................................. 197 广播/组播服务................................................................................. 199 回程............................................................................................................ 200 远程SIM配置...................................................................................... 201 UMTS-HSPA ........................................................................................................ 201 HSDPA ............................................................................................................ 202 HSUPA............................................................................................................ 205 HSPA的演进（HSPA+）................................................................................... 206 高级接收器.......................................................................................... 206 MIMO.............................................................................................................. 207 连续分组连接.......................................................................... 208 高阶调制.................................................................................... 209 多载波HSPA............................................................................................ 209 下行链路多流传输........................................................................ 210 HSPA+吞吐率.................................................................................. 211 UMTS TDD和TD-SCDMA.................................................................................... 215 EDGE/EGPRS....................................................................................................... 216 缩写与首字母缩略词........................................................................220 附加信息................................................................................230 随着2018年第一个5G标准的完成，无线行业在转变人们与世界互动的方式上又迈出了重要的一步。通过支持新类型的应用和灵活使用频谱，包括从前从未在蜂窝系统中使用过的频率，5G将为未来的增强和虚拟现实世界、自动驾驶汽车、智能城市、可穿戴计算机、人工智能，以及一切与之相关的环境和尚未构思的创新提供通信基础。 4G LTE展示了无线技术在支持移动和固定宽带以及物联网（IoT）方面的优势，它为5G大规模增加容量、提高吞吐速度、降低延迟和提高可靠性奠定了基础。5G不会取代LTE，在大多数情况下，至少在20世纪20年代后期，这两种技术将紧密结合并共存。早期部署基于最近完成的第一阶段5G标准，强调增强型移动宽带，将于2018年底开始实施。2019年，随着第一批5G智能手机问世，人们的接受度将加快。完整的5G标准将在2020年初发布，该标准将增加对工业物联网、集成接入和回程（IAB）以及未经许可频谱等项目的支持。正如LTE在这十年中不断发展一样，工程师将继续强化5G。 许多能强化5G的功能都出现在高级形式的LTE中。例如，通过载波聚合，运营商不仅利用其频谱潜力来增强容量和性能，而且该技术也是全新功能的基础，例如在未经许可的频段中运行LTE。 如今掌上电脑的计算能力可与过去的大型计算机相媲美，为直观的操作系统和数百万的应用程序提供了动力。再加上经济实惠的移动宽带连接，这些设备提供了前所未有的实用性，数十亿人正在使用它们。 随着智能手机和其他移动设备使用的长期增长受到人口的限制，创新者开始专注于物联网，其已涵盖了广泛的应用。LTE的增强，5G物联网功能，将连接可穿戴计算机、传感器和其他设备，从而带来更好的健康、经济收益和其他优势。5G不仅解决了大规模的物联网部署问题，而且使应用程序能够依靠超可靠和低延迟的通信，有时称为“关键任务型应用程序”，这在以前是不可能的。 随着首个5G标准的完成，以及定于2018年下半年发布的更完整版本，运营商将最早于2018年底开始部署5G版本。该版本使用LTE作为核心网络（称为非独立版本）。部署工作将在2019年加速，并将持续整个2020年。5G正被设计为与LTE集成，为运营商如何推出5G提供了相当大的灵活性。 确定了5G NR的关键方面，例如无线电信道宽度和OFDMA的使用。版本15中指定的第一个版本支持低延迟、基于波束的信道；具有大量可控天线单元的大规模多输入多输出（MIMO）；可扩展的widt子信道；载波聚合；云无线接入网（RAN）功能；网络切片，并与LTE共存。 光纤密度化数十万个新的小型蜂窝，以支持5G、3.5GHz和LAA，将需要大量的新光纤。然而，计划中的5G功能（例如IAB），并不意味着每个基站都必须有光纤连接，尤其是在mmWave频率下。 包括大规模MIMO和波束成形在内的无线电方案，让我们能够使用6GHz以上的频谱，这在以前的蜂窝网络中是不可行的。6GHz以上的巨大频谱将导致更宽的信道，相应地数据速率加快、容量增加，或者两者兼有之。 LTE已成为全球蜂窝标准，之前分散的无线行业已在全球范围内巩固了LTE，LTE的部署速度比上一代任何无线技术都要快。 随着载波聚合、1Gbps峰值吞吐量、高阶MIMO、扩展未许可频谱容量的多种方法、新的物联网功能、车载通信、包括增强型蜂窝间干扰协调在内的小蜂窝支持（eICIC）、低延迟、自组织网络（SON）功能和多点协调的增强，LTE的功能得到不断的改进。 从机器到机器（M2M）通信发展而来的物联网正在迅速普及，预计在未来10年内将有数百亿个新的联网设备被使用。驱动程序包括改进的LTE支持，如低成本、低功耗的调制解调器，增强的覆盖率，更高的容量和服务层标准化，例如OneM2M。5G物联网支持包括更高的密度、更高的可靠性、更长的电池寿命和网络切片。 行业还开发并正在部署可以在未经许可的频谱中运行的LTE版本，例如未经许可的LTE（LTE-U）、LTE许可辅助接入（LTE-LAA）和MulteFire。NR对未经许可频谱的支持将在5G标准的第16版中实施。 一般而言，频谱，特别是许可频谱对于该行业仍然是至关重要的。 美国即将推出的新频谱包括3.5GHz公民宽带无线电服务（CBRS）和定于2018年11月进行的28GHz的首次5G频谱拍卖，随后将进行24GHz的拍卖。 运营商已经开始安装小型蜂窝，目前已经达到数万个。最终，数十万甚至数百万个小型蜂窝将增加容量，并为有线宽带提供可行的替代方案。该行业正在慢慢克服挑战，包括限制性法规、站点获取、自组织、干扰管理、电源和回程。 网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）工具和架构使运营商能够降低网络成本、简化新服务的部署、缩短部署时间并扩展其网络。一些运营商也在虚拟化无线接入网络，以及寻求一种称为云无线接入网络（云RAN）的相关开发。NFR和云RAN是5G的组成部分。 本文的主要部分涵盖了宽带的转型、无线服务需求的爆炸式增长、5G的路径，包括已完成和计划中的功能、新的LTE创新、支持技术和架构、LTE语音（VoLTE）、Wi-Fi呼叫、LTE公共安全、扩容的选择以及频谱的发展。 附录探讨了下列主题的更多技术层面：3GPP发布、数据吞吐量、延迟、5G、LTE、LTE-Advanced、LTE-Advanced Pro、HetNets和小型蜂窝、物联网、云RAN、未经许可频谱集成、自组织网络、IP多媒体子系统、广播/组播服务、回程、UMTS/WCDMA、1 HSPA、HSPA、UMTS TDD和EDGE/EGPRS。
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