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2020/8/5 17:38

5G為深度賦能垂直行業提供更強動力

移動Labs  劉光毅

Labs 導讀

從全球4G發展現狀來看,不限量套餐已經成為主流的資費模式,隨著用戶月均流量的快速增長,網絡不斷擴容并不能帶來相應的收入增長,個人市場傳統的流量經營模式遭遇瓶頸。為了支持自身的持續發展,運營商需要“開源節流”,尋找新的市場空間,培育新的增長模式,同時節約成本以降低網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網市場的一次嘗試,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網應用市場,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)、靈活的網絡架構、端到端的網絡切片和移動邊緣計算等,將進一步深度賦能垂直行業應用。本文結合5G標準的發展和演進,分析5G如何滿足垂直行業的差異化業務需求。

1 引言

4G和智能手機的快速發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的快速發展促進了互聯網應用的繁榮,即時消息、網上購物、導航、網上支付、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品的突破正在培育新的業務和應用,給移動通信網絡自身帶來了新的挑戰。增強現實技術(AR),虛擬現實技術(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發展現狀來看,不限量套餐已經成為主流的資費模式,隨著用戶月均流量的快速增長,網絡不斷擴容并不能帶來相應的收入增長,個人市場傳統的流量經營模式遭遇瓶頸。為了支持整個行業的持續發展,運營商需要“開源節流”,“開源”即是尋找新的市場空間,培育新的增長模式,“節流”則是節約成本,降低網絡運維和建設的成本。為了拓展新的業務模式,運營商在4G網絡上也試圖利用邊緣計算(MEC)、eMBMS、V2X等技術來拓展新的行業和新的商業模式,但都由于4G網絡架構固化、商業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網市場的一次嘗試,試圖突破一個海量的市場空間,帶來新的增長。

4G在行業和企業級應用中的拓展為我們提供了很好的經驗和教訓。首先,服務和內容應盡可能靠近用戶部署,這樣可以減少業務獲取的延遲,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;而工業互聯網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,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,如圖1所示,賦能社會各行各業,促進社會的信息化和數字化發展,提升經濟發展的效率和質量,提升社會運行和治理的效率。

回顧移動通信技術發展的歷史,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和看視頻的問題,而5G則第一次把重點轉向了對垂直行業市場需求的支持,面對差異化和碎片化的業務需求,5G通過全新的空口能力(低時延、高可靠等)、服務化的網絡架構、端到端的網絡切片、和移動邊緣計算,將進一步深度賦能垂直行業應用。

圖1 5G愿景:萬物互聯,賦能垂直行業

2 5G定義新能力,全面賦能垂直行業

5G標準的第一階段(Rel-15)主要聚焦5G商用初期個人和行業的迫切需求,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系統的核心構架,包括5GC新的核心網、SA獨立組網和NSA非獨立組網方案,同時也針對5G系統的基本框架和核心功能進行了定義。下面我們從網絡運營和業務提供的角度,全面闡釋5G的全新空口能力、服務化的網絡架構和網絡切片、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向了垂直行業,所以從5G研發之初,業界就對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的峰值數據速率、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的業務密度、以及100倍的功效提升等。為了保持整個生態系統的可持續發展,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)通過靈活統一的5G新空口設計滿足5G多場景和多樣化的業務需求,與垂直行業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,對網絡調度時延及系統靈活性提出更高要求。Rel-15標準通過引入靈活幀結構、短時域調度單元、免調度傳輸、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、提高調度優先級、降低編碼階數、多次傳輸等,已可以支持數據包大小小于32字節的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,基于現網4G站址進行建設實現連續覆蓋存在一定困難。Rel-15標準通過大規模天線設計、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、系統參數優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網絡的性能和能力進行了持續的優化和提升,拓展支持更廣闊的垂直行業應用。一是解決5G網絡的個性化問題,如5G遠端基站的干擾管理、高頻無線回傳(IAB)、大規模天線增強、終端功耗的降低等;二是增強垂直行業應用,如面向低成本、中高速率的物聯網,進一步增強V2X、URLLC和IIoT應用;三是深度挖潛5G網絡能力,包括5G空口定位、大數據采集與應用等新能力。與垂直行業賦能相關的能力增強包括如下:

-實現米級定位(室外水平定位精度10m,室內水平定位精度3m),并與衛星、藍牙、傳感器等技術結合進一步實現亞米級定位;

-通過終端節能,延長電池工作時間,可以在中等業務負載下,節約空口能耗35%左右,節約整機能耗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據中斷,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,增加對更大數據速率的支持,將端到端可靠性從99.999%提高到99.9999%;

-5G車聯網V2X,滿足業務3-10ms端到端時延、99.999%的可靠性、10-1000 Mbps高速率等需求,實現5G V2X與LTE V2X車聯網的互補共存;

-空天地一體通信,為后續面向5G演進的空天地一體互聯網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網絡服務質量、提升用戶體驗,擴大5G產業規模,更好地賦能各行各業轉型和能力升級。

5G Rel-17標準會引入面向垂直行業應用的進一步能力提升,如車聯網V2X增強、工業互聯網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網絡功能更加完備、網絡性能更加穩健,比如支持更高速率要求的大規模物聯網(mMTC)解決方案、經量級NR設計、簡化的多播廣播傳輸(MBMS)、無線網絡切片增強、公共安全等等。

總之,從5G新空口的標準發展可以看出,5G系統對垂直行業的支持正在不斷完善和增強,必將能夠更好地支持5G與垂直行業應用的結合。

2.2服務化和網絡切片[2]

傳統的4G網絡是一張結構固化的網絡,各個功能一應俱全。但是對于差異化的企業級和垂直行業的應用,對網絡功能的要求千差萬別,采用這種傳統的大而全的網絡建設方式,必將導致資源的巨大浪費,以及由于固化的網絡結構而不能對時延和路由拓撲等進行必要的優化,難以滿足個性化的業務拓展需求。

5G網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,實現網絡的定制化、開放化、服務化。服務化的架構使得業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使得網絡的功能可以按需要靈活部署和容量的彈性伸縮。

圖2網絡切片示意圖

如圖2所示,對于5G網絡來說,可以根據不同場景下的部署需求和業務需求,選擇性地部署相關的網絡功能,以及靈活地選擇網絡功能的部署位置,最佳地適應業務和客戶的需求,同時做到網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,在優化性能的同時并不需要對整個網絡的功能全集進行部署,從而可以實現差異化的服務保證,也節約了網絡投資。同時,在同一個物理區域的多個不同的應用場景重疊的情況下,網絡基礎設施還可以實現動態共享,通過切片的動態生成和按需編排、部署,滿足不同業務的需求,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絡的邊緣(可以是單獨的網元,也可以和無線基站合設),如圖3所示,可以為網絡帶來如下好處:

-將業務和內容部署在盡可能靠近用戶的位置,最小化業務訪問的時延;

-將路由功能下放到距離用戶盡可能近的位置,實現用戶數據的快速路由和本地交換,縮短數據交互時延;

-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移到云端,同時也可以保證數據和處理結果的快速交互,從而簡化終端的實現,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,可以提供用戶數據的高度隔離,實現用戶數據的隱私性保護;

-通過標準的API接口,可以實現無線網絡的能力開放,如位置定位等,將網絡能力開放給第三方,進而培育新的業務和新的商業模式。

所以,MEC可以根據實際業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,人們總是期望著出現一種或者多種殺手級的應用來支持網絡的大規模發展。但是從3G開始,我們就發現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,所以5G網絡的建設和發展更應該致力于構建基本的網絡能力開放平臺[6] [7],通過網絡能力的開放,讓更多的合作伙伴去圍繞5G的業務進行創新和拓展,構建一個多贏的生態體系,聯合培育和孵化新的業務、應用和新的商業模式,通過量變到質變的積累,加速5G網絡的普及和應用,實現5G網絡能力的變現,以及5G網絡的可持續發展。

圖4 無線網網絡能力開放示意圖

所以,未來5G網絡需要構建一個網絡能力開放的平臺,如圖4所示,通過標準的開放API,把網絡能力提供給第三方調用,用于生成其自身的業務和應用,通過收入分成的形式實現共贏。5G網絡可以開放的能力范圍非常廣,可以是傳統的一些核心網的能力,如短信生成等,也可以是更廣泛的用戶泛化和統計信息等,還可以是無線側的位置能力、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,可以大大降低業務創新的門檻,讓更多的企業和個人參與到5G的業務和應用的創新當中,帶來5G業務的快速發展。

3 5G垂直行業應用拓展的思考

提起5G規模商用,就不得不提到業內人士一直在討論的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,但也需要繼續去培育和摸索。而面向垂直行業市場,由于各垂直行業之間存在較大的差異,行業與行業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,很難爆發出類似于個人消費市場規模的殺手級應用,需要逐行業的突破,聚少成多,從量變到質變[6]。

傳統垂直領域的發展模式是“煙囪式”的,各行各業都有自己的生態系統和行業壁壘,很多領域是運營商之前沒有嘗試過的。在5G時代,由于垂直行業市場的碎片化和業務需求的差異化,傳統的2C的模式很難復制到垂直行業。如何核算成本?如何定價?如何滿足差異化的業務和部署需求?如何拓展用戶?運營商現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。

面對上述挑戰,除運營商自己布局相關業務的開發、拓展、運營和管理上的轉變之外,運營商還需要在幾個方面布局:一是盡快構建端到端5G網絡能力,通過5G網絡的全新能力和網絡切片、邊緣計算相結合,實現對差異化和碎片化的垂直行業需求的支持;二是構建5G網絡能力開放平臺,將運營商網絡的各種能力開放給第三方使用,鼓勵更多的應用開發者基于5G能力去開發和創造創新的業務;三是構建面向垂直行業應用的APP Store,并以此為支撐,構建網絡運營商、應用開發商和應用使用者的生態系統,實現網絡能力、應用工具和被服務對象的多方對接,創造多贏的商業模式。

3.1通過5G公網提供專網服務

5G SA具備端到端的5G全新能力,可以基于網絡切片和邊緣計算,通過虛擬化和軟件定制,把網絡能力按需聚合在邏輯的或者是物理的網元上,比如聚合在基站或者服務器上,來滿足不同行業的特定業務需求。這樣可以很好地適應垂直行業應用的需求差異化和碎片化、部署靈活快速的需求。

以傳統的專網方式去滿足垂直行業的個性化需求存在用戶規模過小、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和維護成本,才能降低運營商的網絡部署成本,構建運營商解決方案的競爭力。所以,利用網絡切片和邊緣計算等技術來實現公網的“專網化”應該是運營商的服務垂直行業的首選解決方案,在必要的場景下,可以以物理專網為補充,滿足差異化和碎片化的市場需求,這樣整個業務的發展才會成本可控,快速實現從量變到質變的跨越。

3.2打造5G的能力開放平臺和應用平臺

在企業用戶和垂直行業的拓展上,運營商未來的方向是開放網絡能力和做平臺,但僅僅發動運營商自身資源去開發新業務是不夠的,需要將各行各業的應用開發者動員起來,因為他們更接近企業和垂直行業的需求,更有創新的思維和基因,結合運營商的網絡能力開放平臺和統一的API接口,去開發和創造適合企業級應用和垂直行業應用的第三方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、大數據采集與應用等服務。這樣,圍繞運營商的5G網絡這樣一個“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”,供垂直行業按需使用,在這個過程中三方的商業模式就可以在應用訂閱和下載中形成。

這種全新的5G業務模式設想具有兩點優勢。第一,平臺是共享、開放的,可以形成規模效應。第二,很多對垂直行業十分熟悉的企業和專家還沒有完全參與到5G業務拓展中,運營商可以通過能力的開放,鼓勵和支持這個群體去開發面向垂直行業的應用,而不僅僅依賴于自身研發資源的開發,從而創造新的合作模式。

這種新的模式會讓整個產業更加繁榮、開放和更具活力。將來,不論是虛擬運營商、垂直行業的合作伙伴、開發者,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大眾創業、萬眾創新。

4 結語

5G的成功在于與社會各行各業的充分結合,通過5G的賦能,實現整個社會的信息化和數字化,提升經濟發展和社會治理的質量和效率。面向垂直行業的拓展,5G系統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特征,通過全新的空口能力、網絡切片和邊緣計算來滿足垂直行業應用場景的靈活、快速的部署要求。面向2B市場的挑戰,運營商傳統的經營和管理模式也需要轉型與變革,除加強自身研發資源外,還需明確思路,在垂直行業應用的平臺和生態建設方面提前布局,利用社會資源加快5G應用的發展。

參考文獻

[1] 劉光毅,方敏,關皓,李云剛,孫程君等,5G移動通信系統:面向全連接的世界. 人民郵電出版社,2019.

[2] 3GPP TSG SA meeting#70, SP-150853, study on Architecture for Next Generation System.

[3] Network function virtualization (NFV) management and orchestration: GS NFV-MAN 001 V0.3.14[S]. 2014.

[4] Software-defined networking: the new norm for networks [EB/OL].[2016-03-15]. https://www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdn-resources/white-papers/wp-sdn-newnorm. pdf.

[5] Pavel Mach, Zdenek Becvar, “Mobile Edge Computing: A Survey on Architecture and Computation Of?oading”, IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS, VOL. 19, NO. 3, THIRD QUARTER 2017.

[6] 呂萌, 通信世界全媒體. 中國移動劉光毅:推動5G應用發展,打造5G的App Store [EB/OL]. http://www.cww.net.cn/article?id=445936.

[7] 陳琴, 中國投資. 5G更大機會在垂直行業[EB/OL]. http://www.chinainvestment.com.cn/type_qycy/37675.html.

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寫得不太好

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