5G进展综述及6G展望

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2021-12-29 14:00:41 2

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回顾移动通信整个标准的历史，ITU给3G的命名是IMT-2000，4G命名为IMT Advanced，加上5G的IMT-2020，基本是10年一个标准。正如在2013年2月，由工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立IMT-2020 (5G)推进组，在2019年，同样由工信部推动成立了立足于6G研究的IMT-2030（6G）推进组，并于今年6月正式发布了《6G总体愿景与潜在关键技术》白皮书，阐述了对于6G总体愿景、八大业务应用场景和10大潜在关键技术的展望。自此，从标准层面，可以说5G已经完成了第一阶段提供基本完善的标准版本工作，业界已经将目光投向了5G的演进和6G新技术的研究。在R17即将第二阶段冻结之前，我们概述下5G的进展，简单做一个总结。

01 网络商用进展

据GSA的数据，到今年5月，共166个运营商在69个国家和地区发布了3GPP标准的5G商用网络（含移动网络和FWA），77家运营商在试点、规划部署，商用5G SA网络。与此同时，133个国家/地区的436家运营商正在以测试、试验、试点、计划和实际部署的形式投资5G网络。从频段来看，主要在n77（3.3GHz，4.2GHz），n78（3.3GHz~3.8GHz）。

中国5G建设速度领先全球。据信通院数据，截止到今年5月底，中国已建成5G基站81.9万个，尽管与4G基站544万的总数相比还很少，但已占全球建设基站总数的70%以上。与此同时，国内市场共上市5G手机337款，累计出货量接近3亿，加上海外版机型，5G手机接入终端已达3.1亿。

02 5G终端进展

5G终端发布数量快速增长。据GSA的数据，截止到2021年5月底，共128 家设备商宣布商用或即将推出商用5G终端设备，全球发布的5G终端设备达到822款，相比4月增长了8.7%，其中62%已经商用，达到511款，相对于上个季度大幅增长了26.5%。下图统计了自2019年3月到2021年5月发布和商用终端的数量。

终端类别也很丰富，包括416款手机（至少350款已商用）、144款FWA CPE（56款已商用），106款模组，45款工业/企业级路由器/网关，等等。占比如下图所示：

03 5G芯片组进展

作为5G终端设备的基础，芯片组在很大程度上制约了产业链的发展。全球共有高通、联发科、华为海思、三星和紫光展锐5家厂商设计和生产5G芯片组。据GSA数据统计，截止到2021年5月，5个芯片组厂家共发布了35个商用移动平台和14个商用的5G调制解调器模组。与此同时，还有4个移动平台及5个5G调制解调器模组即将商用，芯片厂家努力扩展产品范围的同时，终端厂家的芯片组选择越来越多。

下图中统计了从2018年第四季度到今年5月5G芯片组（移动平台和调制解调器组）的发布数量，可以明显看到加速的趋势。

04 5G应用进展

5G网络大规模建设和商用，拉动了产业链（终端、芯片）的加速发展，但在应用侧，尽管用户数发展速度较快，以中国为例，5G用户渗透率超过了20%的的应用”爆发点”，然而并未出现能够引爆网络流量大幅增长的“杀手级”应用，5G的流量占比远远低于用户渗透率，运营商纷纷将目光聚焦在垂直行业领域。

行业专网是5G的重要应用领域，据美国知名调查机构Grand View Research报告，预计全球专用5G网络市场规模在2020年至2027年期间的复合年增长率（CAGR）为37.8％，到2027年达到71亿美元。随着国家和地方政策均鼓励5G和行业的结合，行业专网很自然成为运营商的重要拓展方向。2020年，国内三大运营商都都发布了5G专网产品，并和行业共同推动专网的建设，据工信部消息透露，目前“5G+工业互联网”在建项目已超过1500个，覆盖20余个国民经济重要行业。

行业应用层面，在2019年11月发布《“5G+工业互联网”512工程推进方案》及随后的政策、产业层面的共同推动下，大量5G行业应用涌现，今年5月31日，工信部发布了《“5G+工业互联网”十个典型应用场景和五个重点行业实践情况》，对电子设备制造业、装备制造业、钢铁行业、采矿行业和电力行业共5个行业的案例，以及协同研发设计、远程设备操控、设备协同作业、柔性生产制造、现场辅助装配、机器视觉质检、设备故障诊断、厂区智能物流、无人智能巡检、生产现场检测等10个场景就行了发布，以指导行业应用的发展。

05 3GPP R17标准主要项目概述

3GPP R17标准主要项目概述

我们在去年R16的分析文章《一图读懂3GPP R16》中对R17的主要项目进行了汇总，主要如下：

NR多播广播服务（NR_MBS）

多播和广播服务在4G中就已经存在，即3GPP在R9版本定义的eMBMS，可支持包括移动电视直播、视频点播、广告推送、车载娱乐、公共安全、场地体育直播等商用用例。在R14版本中进一步增强了eMBMS功能，推出了enTV，系统性地定义了如何通过移动通信网络广播数字电视内容。

NR_MBS即在5G中提供多播广播服务，被中国移动通信第4运营商——中国广电视为差异化的应用，实际上该项目就是中国广电提议立项的，该服务可根据实时网络需求智能、动态切换常规单播服务和广播/组播服务，在保证网络利用效率的同时融合单播、组播、广播方式，形成”新广播”，拓展个人服务与行业服务的支撑能力。

IIoT和URLLC增强（IIoT_URLLC_enh）

主要目标是解决更广泛用例中的需求。

卫星/非地面网络（NTN）

为解决偏远山区、海上等场景的通信问题，将卫星网络等非地面网络与5G融合，实现立体式的网络覆盖。R16已经研究5G NR与非地面网络的融合， R17进一步研究NB-IoT与非地面网络集成。

NR Sidelink增强（D2D）

主要包括 V2X、商业和关键通信等方面，比如在V2X中利用Sidelink接口（也称为PC5）在UE之间传输V2X消息。还包括实现一些关键用例中的通用功能，并在满足特定要求的同时，实现Sidelink的商业应用、V2X 和关键通信等应用场景之间的最大通用性。

IAB增强（NR_IAB_enh）

IAB即5G NR集成无线接入和回传，通过扩展NR以支持无线回传来替代光纤回传，包括带内（接入链路与回传链路使用相同频段）和带外（接入链路与回传链路使用不同频段），IAB可以大幅降低网络部署难度和成本，尤其是毫米波频段网络。R17的IAB增强致力于提升效率和支持更广泛的用例。包括双工增强，提高网络编码的潜力，移动IAB等。

MIMO进一步增强（NR_feMIMO）

进一步增强MIMO能力，支持更多用例，支持高速移动，更好的支持FDD，改善波束赋形和波束管理，并减少相关开销等。

动态频谱共享增强（NR_DSS）

在R16基础上，R17进一步探索更优的跨载波调度方式。

扩展支持71GHz

5G NR频谱范围分为FR1（410MHz ~ 7.125GHz）和FR2（24.25GHz ~ 52.6GHz）。R17将5G NR的频段范围从52.6GHz扩展到了71GHz。

5G定位服务增强阶段2（5G_LCS_ph2）

R16中对LCS进行了增强，具体是利用MIMO的多波束特性，定义信号往返时间（RTT）、信号到达时间差（TDOA）、到达角测量法（AoA）、离开角测量法（AoD）等室内定位技术，定位精度可达到3-10米。R17旨在为极低延迟和极高精度定位提供支持，包括水平和垂直定位服务水平、5G定位服务区域。该工作项目还将使 MCX UE 能够使用 5G 定位服务来确定其位置。

终端节能增强（NR_UE_pow_sav_enh）

探索进一步降低5G设备功耗的技术。

多USIM支持（FS_MUSIM）

支持使用 Multi-USIM 设备处理移动终端服务的增强功能。

其它R17标准研究项目还包括：SON/MDT数据收集增强（NR_ENDT_SON_MDT_enh）、提高能效和覆盖的增强型中继（REFEC）、网络控制的交互服务（NCIS）、多设备和多身份增强（MuDE）、多媒体优先服务第二阶段（MBS2）、网联无人机增强（CAV）、多接入双连接进一步增强（LTE_NR-DC_enh2）等，我们将在另外的文章中进行详细分析。

06 3GPP R18标准主要项目概述

R18作为5G Advanced的第一个版本，正处于第一阶段提案阶段，计划将在2021年底的SA#94上结束，参考「网优雇佣军」文章《5G R18在讲什么》收集整理：

网络切片接入和支持增强

网络切片是5G的关键功能，R18中将继续对网络切片接入和支持相关功能进行增强，包括：当存在不同类型的限制（比如无线资源、频段等）时，支持UE接入网络切片，并当网络切片或分配的资源发生变化时，将服务中断影响降到最低；支持向第三方公开网络切片控制/配置等服务等。

5G弹性授时系统

电力、交通、金融等垂直行业对时钟同步的要求越来越高，R16中提供了通过5G进行授时的手段，5G Timing Resiliency System主要针对GNSS卫星授时服务脆弱性，研究与5G系统一致的其他时钟同步技术作为终端用户的弹性的时钟源，以作为GNSS卫星授时的补充、备份或替代。

基于测距的服务

测距是实现定位的一类算法，有比较广泛的应用范围，R18将研究测距服务需求的相关规范，涵盖UE之间的测距操作、运营商对许可频谱下的测距功能的控制、测距的KPI（距离精度和方位精度等）和安全性方面等。

工业物联网场景的低功耗高精度定位

高精度定位是工业互联网的关键应用。项目通过降低定位的功耗和提高定位精度，以满足更多工业互联网场景的需求，如化工厂、井工矿等危险场景。

网外铁路通信

指独立于基于网络的通信之外的，UE与UE之间的直接通信，被称作Off-Network技术，该技术已在3GPP MCX标准中引入。当网络出现故障，或者在偏远山区没有网络覆盖时，铁路通信可以采用Off-Network来进行通信。3GPP MCX规范中定义，即使在网络可用的情况下，铁路通信也可以采用Off-Network，R18将研究基于Off-Network的未来铁路移动通信系统的新用例，以及QoS、优先级、UE ID和位置识别、多播/广播/单播、通信范围、潜在频谱等相关技术。

支持触觉和多模态通信服务

触觉和多模态通信，指通过视频、音频、环境感知、触觉等影响用户体验的多种通信信道响应输入，并结合超低时延、超高可靠性和安全性等网络能力，来实现真正的沉浸式用户体验。为支持触觉和多模态通信服务，5G系统需满足不同数据流的不同的网速、时延和可靠性需求，还需要实现并行多数据流的同步。R18将研究涉及触觉和多模态通信技术的新用例，以及这些用例相关的网络可靠性、可用性、安全性、私密性、数据速率、时延、传输间隔等技术指标。

其它还包括5G智能电网通信基础设施、车载5G中继、住宅5G增强功能、个人物联网等项目，后续我们将继续对提案及提案的研究内容进行跟踪和相对比较详细的分析。

07 6G愿景、应用及潜在关键技术

作为6G研究的推进组织，IMT-2030（6G）推进组，在成立一年半以后发布了《6G总体愿景与潜在关键技术》白皮书，据IMT-2020（5G）推进组发布《5G愿景与需求白皮书》刚过去了7年。白皮书主要内容包括：

总体愿景

从移动互联（4G）到万物互联（5G），6G时代将实现万物智联、数字孪生的总体愿景。扩展来说，面向2030年及未来：

社会层面：

人类社会将进入智能化时代，体现出社会服务均衡化、高端化，社会治理科学化、精准化，社会发展绿色化、节能化将成为未来社会的发展趋势。

技术层面：

6G将构建人机物智慧互联、智能体高效互通的新型网络，在大幅提升网络能力的基础上，具备智慧内生、多维感知、数字孪生、安全内生等新功能。充分利用低中高全频谱资源，实现空天地一体化的全球无缝覆盖，随时随地满足安全可靠的“人机物”无限连接需求。

业务层面：

6G将提供完全沉浸式交互场景，多维感知与普惠智能融合共生，虚拟与现实深度融合。

6G发展宏观驱动力

社会结构变革驱动力：

收入结构失衡要求数字技术提升普惠包容；

人口结构失衡呼唤数字技术提升人力资本及配置效率；

社会治理结构变化倒逼社会治理能力现代化。

经济高质量发展驱动力：

经济可持续发展需要新技术注入新动能；

服务的全球化趋势要求进一步降低全方位信息沟通成本。

环境可持续发展驱动力：

降低碳排放、推动“碳中和“要求提升能效、实现绿色发展；极端天气、疫情等重大事件驱动建立更广泛的感知能力和更密切的智能协同能力。

6G潜在应用场景

沉浸化业务

1）沉浸式云XR业务，要求端到端时延＜10ms，用户体验速率Gbps量级；

2）全息通信业务要求用户体验速率Tbps量级；

3）感官互联业务需要毫秒级时延、高精度定位和高安全性（隐私保护）；

4）智慧交互业务要求时延＜1ms、体验速率＞10Gbps、可靠性达到99.99999%。

智慧化业务

5）通信感知业务要求6G网络可以利用通信信号实现对目标的检测、定位、识别、成像等感知功能，无线通信系统将可以利用感知功能获取周边环境信息，智能精确地分配通信资源，挖掘潜在通信能力，增强用户体验；

6）普惠智能业务将个人和家用设备、各种城市传感器、无人驾驶车辆、智能机器人等新型智能终端成为智能体，可以通过不断的学习、交流、合作和竞争，可以实现对物理世界运行及发展的超高效率模拟和预测，并给出最优决策；

7）数字孪生业务将物理世界中的实体或过程在数字世界中进行数字化镜像复制，人与人、人与物、物与物之间可以凭借数字世界中的映射实现智能交互。通过在数字世界中对物理实体或者过程实现模拟、验证、预测、控制，从而获得物理世界的最优状态。数字孪生要求网络具有万亿级连接能力、亚毫秒级时延、Tbps级传输速以及安全需求。

全域化业务

8）全域覆盖将地面蜂窝网与包括高轨卫星网络、中低轨卫星网络、高空平台、无人机在内的空间网络相互融合，构建起全球广域覆盖的空天地一体化三维立体网络，为用户提供无盲区的宽带移动通信服务。

潜在关键技术

增强型无线空口技术：

无线空口物理层基础技术、超大规模MIMO技术、全双工技术。

新物理维度无线传输技术：

智能超表面技术、轨道角动量、智能全息无线电技术。

太赫兹与可见光通信技术：

太赫兹通信技术、可见光技术。

跨域融合关键技术：

通信感知一体化。

内生智能的新型网络：

内生智能的新型空口、内生智能的新型网络架构。

网络关键技术：

分布式自治网络架构、星地一体化网络、确定性网络、算力感知网络、支持多模信任的网络内生安全。

6G的研究刚开始起步，在此之前，5G将得到更多的部署和应用，而5G的成功商用将为6G的演进奠定坚实的基础。

参考资料

GSA，《5G Devices List executive Summary 》，June 2021
GSA,《LTE, 5G & 3GPP IoT CHIPSET REPORT: executive Summary 》，May 2021
GSA，《Networks, Technologies & Spectrum Snapshot》，June 2021
网优雇佣军，《5G R18在讲些什么？》，May 2021
IMT-2030（6G）推进组，《6G总体愿景与潜在关键技术白皮书》，June 2021

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