Fundamentals of 5G Mobile Communication
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來源：通信产业网
從全球來看，目前5G無論是在技術、標準、產業生態還是網路部署等方面，都取得了階段性的成果，5G落地的最後一環——應用場景正逐漸在各行各業實現。5G應用落地有哪些規律？哪些應用最先走向成熟？
5G是第五代行動通信技術的簡稱，作為4G通信技術的延伸，將在全社會數位化轉型進程中，擔負著不可替代的重要使命。5G時代，「人」與「人」、「人」與「物」和「物」與「物」之間原有的互聯互通界線將被打破，所有的「人」和「物」，都將存在於一個有機的數位生態系統裡，數據或者資訊將透過最優化的方式進行傳遞。
從全球視角來看，目前5G無論是在技術、標準、產業生態還是網路部署等方面，都取得了階段性的成果，5G落地的最後一環——應用場景正逐漸成為業界關注的焦點。
(一)5G性能指標和關鍵技術
相較於4G，在傳輸速率方面，5G峰值速率為10-20Gbps，提升了10-20倍，用戶體驗速率將達到0.1Gbps-1Gbps，提升了10-100倍；流量密度方面，5G目標值為10Tbs/km2，提升了100倍；網路能效方面，5G提升了100倍；可連接數密度方面，5G每平方公里可聯網設備的數量高達100萬個，提升了10倍；頻譜效率方面，5G相對於4G提升了3-5倍；端到端時延方面，5G將達到1ms級，提升了10倍；行動性方面，5G支持時速高達 500km/h 的通信環境，提升了1.43倍。具體指標對比如表1-1所示。
為了達到性能指標的要求，5G將綜合運用大規模多天線技術(Massive MIMO)、新型多址、新型資訊編碼、毫米波通信、超密集組網、D2D等關鍵技術。
除此之外，5G還將引入全新的構架解決方案——允許在通用實體資訊基礎設施上，創建一組邏輯上獨立的網路，稱之為「網路切片」。網路切片可以根據，垂直行業的業務需求，量身訂製，使5G能夠真正成為全社會共用的，新一代資訊基礎設施。
(二)本報告研究的5G十大應用場景
ITU 定義了 5G 三大應用場景：增強型行動寬頻(eMBB)、海量機器類通信(mMTC)，及低時延高可靠通信(uRLLC)，如下圖所示。eMBB 場景，主要提升以「人」為中心的娛樂、社交等個人消費業務的通信體驗，適用於高速率、大頻寬的行動寬頻業務。
mMTC 和uRLLC ，則主要面向物物連接的應用場景，其中eMTC 主要滿足海量物聯的通信需求，面向以感策和數據採集為目標的應用場景；uRLLC 則基於其低時延，和高可靠的特點，主要面向垂直行業的特殊應用需求。
本報告立足ITU定義的三大應用場景，並結合當前5G應用的實際情況和未來發展趨勢，主要研究VR/AR、超高清影像、車聯網、聯網無人機、遠端醫療、智慧電力、智慧工廠、智慧安控、個人AI助理，以及智慧園區等十大應用場景。
5G產業影響力及商業模式分析
(一)5G產業鏈全景圖
(二)5G對相關產業的影響
1、核心產業
5G所具有的高速率、廣覆蓋、低時延特性，為經濟社會各行各業數位化、智慧化轉型，提供了技術前提和基礎平台。依託技術領先、產業先發和市場龐大等優勢，5G的快速發展，將帶動行動通信產業，取得突破性進展。
由於5G高速率大頻寬的要求，需要優先進行骨幹網升級，將明顯驅動光模組、光纖光纜等，通信設備產業優先發展，預計對岸中國2021年光模組產業規模將達到140億元，光纖光纜產業規模將達到500億元。
由於5G頻段提升，5G基地台數量會大幅增加，預計大型基地台2021年將建成50萬個，微基站將突破150萬個，這將進一步帶動射頻等通信設備產業爆發式成長，預計產業規模將達到860億元。綜合分析預計5G核心產業規模，將在2025年達到1萬億元。
2、相關產業
5G和大數據、人工智慧等新一代IT技術結合，催生多種新應用、新產品和新商業模式，推動VR/AR、超高清影像、車聯網、聯網無人機等產業升級，極大地滿足了消費領域的多樣化、高層次需求。預計在5G帶動相關垂直行業市場規模，將在2025年達到3萬億元。
虛擬現實/增強現實：融合5G的VR/AR產業將進一步充分滲透互動娛樂、智慧製造、醫療健康、教育商業等相關產業，推動其產生全新模式的變革。預計到2025年，全球VR/AR應用市場規模將達到3000億元，其中對岸中國市場將佔超過35%。
超高清影像：隨著網路速率的提升、應用終端的逐步完善，行動互聯網和產業互聯網，也將向超高清影像能力快速演進。預計2025年，在5G的帶動下，超高清影像應用市場規模，將達到約1.75萬億元。
車聯網：隨著5G技術與汽車工業的結合，對岸中國汽車生產商如比亞迪、長安汽車、廣汽集團、上汽集團等，積極佈局智慧網聯汽車的生產。而電信商、設備商(如中國聯通、百度、中興等)則透過與自動駕駛垂直領域合作夥伴(如清華、大唐、福特、一汽等)的聯合創新，來建構協同化汽車駕駛生態系統。預計到2025年，中國5G聯網汽車將達到1000萬輛，市場規模將達到約5000億元。
聯網無人機：成熟的5G技術將增強無人機製造、各類傳感器、無人機運營企業的產品和服務，同時拓展5G電信運營商、雲服務商的業務範圍。預計到2025年，小型無人機軟件、硬件、應用和服務等市場規模將達到約2000億元。
(三)商業模式
1、基於流量的商業模式
5G早期最先成熟的，是增強行動寬頻(eMBB)應用場景，該場景主要面向個人消費者(2C)，該場景下流量經營，仍然是營運商的主要商業模式。5G時代，營運商需要加快用戶分級的智慧管道升級，實現差異化的流量收費模式。
2、基於連接的商業模式
對於大連接場景，連接是基本收入來源。該場景下，可以單獨提供連接，也可能包括一些終端設備和模組，營運商可以按照物聯網設備，採用卡用戶收益(月 / 年)等方式收費。
3、基於網路切片的商業模式
5G時代，營運商能夠根據不同垂直行業，和特定區域客製化網路切片，以支撐相應的業務開展。對於垂直行業用戶。可以直接向營運商購買網路切片，一般採用按年計費的方式
4、基於完整解決方案的的商業模式
對於某些垂直行業，如製造業，當前製造業企業面臨數位化、網路化和智慧化轉型的挑戰。營運商可以依託5G服務提供商的優勢，為工業企業提供包括工廠內外連接、設備終端數位化改造、平台層一整套解決方案，按年度收取服務費。相較於前幾種模式，該商業模式的附加值更高，但營運商在垂直行業的專業對手更多，競爭也更加激烈。
細分應用場景
(一)VR/AR
1、應用場景概述
VR/AR是近眼現實、感知交互、渲染處理、網路傳輸和內容製作等新一代資訊技術相互融合的產物，新形勢下高品質VR/AR業務對頻寬、時延要求逐漸提升，速率從25Mbps逐步提高到3.5Gbps，時延從30ms降低到5ms以下。
伴隨大量數據和計算密集型任務轉移到雲端，未來「Cloud VR+」將成為VR/AR與5G融合創新的典型範例。憑借5G超寬頻高速傳輸能力，可以解決VR/AR渲染能力不足、互動體驗不強，和終端移動性差等痛點問題，推動媒體行業轉型升級，在文化宣傳、社交娛樂、教育科普等大眾和行業領域，培育5G的第一波「殺手級」應用。下圖為VR/AR業務指標要求。
2、5G融合應用時間表
3、應用案例
威爾文教「VR超感教室」：2019年北京教育裝備展上，北京威爾文教科技有限責任公司展示了「VR超感教室」。威爾文教將基於「5G+雲計算+VR」，打造便捷高效的端到端雲計算平台，構建VR智慧教學生態系統。
華為視訊VR版：華為在上海發佈了全球首款，基於雲的 VR連接服務，同時計劃在今年下半年，會發佈一款顛覆性的VR終端。透過智終端、寬管道、雲應用的5G典型業務模式，Cloud VR將成為5G元年最重要的eMBB業務之一。
江西5G+VR春節聯歡晚會：2019年江西省春節聯歡晚會首次採用5G+8K+VR進行錄制播出。現場觀眾可以透過手機、PC以及VR頭顯等多種方式體驗觀看，尤其是VR頭顯用戶可以體驗沈浸式觀看。
(二)超高清影像
1、應用場景概述
作為繼數位化、高清化媒體之後的新一代革新技術，超高清影像被業界認為，將是5G 網路最早實現商用的核心場景之一。
超高清影像的典型特徵，就是大數據、高速率，按照產業主流標準，4K、8K影像傳輸速率，至少為12-40Mbps、48-160 Mbps，4G網路己無法完全滿足其網路流量、儲存空間，和回傳時延等技術指標要求，5G網路良好的承載力，成為解決該場景需求的有效手段。
當前4K/8K 超高清影像，與5G技術結合的場景不斷出現，廣泛應用於大型賽事/活動/事件直播、影像監控、商業性遠端現場即時展示等領域，成為市場前景廣闊的基礎應用。
2、5G融合應用時間表
3、應用案例
北京冬奧會賽事8K直播：2022 年北京- 張家口冬奧會中，將充分利用5G開展重大活動、重要體育賽事直播，北京明確了「5G+8K」超高清影像發展方向。產業界將以此為契機，加快推動8K超高清的轉播/直播落地，助推他們中國8K超高清影像產業發展。
央視春晚5G+4K/5G+VR超高清直播：2019年央視春晚主會場，與深圳分會場，進行了5G 4K超高清影像直播，畫面流暢、清晰、穩定，標誌著中國電信央視春晚5G 4K超高清直播工作圓滿完成。
雲棲大會5G+8K遠端醫療模擬：在2018年雲棲大會上，中國聯通、阿里雲、京東方等企業，創造性地完成了首個5G+8K影像技術在遠端醫療上的應用展示，標誌著8K超高清直播技術實現商用成為可能。
(三)車聯網
1、應用場景概述
車聯網是智慧交通中最具代表性的應用之一，透過5G等通信技術實現「人—車—路—雲」一體化協同，使其成為低時延、高可靠場景中，最為典型的應用之一。
融入5G元素的車聯網體系將更加靈活，實現車內、車際、車載互聯網之間的資訊互通，推動與低時延、高可靠密切相關的遠控駕駛、編隊行駛、自動駕駛具體場景的應用。
遠控駕駛，車輛由遠端控制中心的司機進行控制，5G用於解決其往返時延(RTT)，需要小於10毫秒的要求。編隊行駛，主要應用於卡車或貨車，提高運輸安全和效率，5G用於解決3輛以上的編隊網路高可靠低時延要求。
自動駕駛，大部分應用場景如緊急剎車，V2P、V2I、V2V、V2N 等多路通信同時進行，數據採集及處理量大，需要5G網路，滿足其大頻寬(10Gbps的峰值速率)、低時延(1毫秒)和超高連接數(1000億連接)、高可靠性(99.999%)和高精度定位等能力。
2、5G融合應用時間表
3、應用案例
北京房山適中國首個5G自動駕駛示範區：房山區政府與中國移動在北京高端製造業基地，打造他們國內第一個5G自動駕駛示範區，建成中國第一條，5G自動駕駛車輛開放測試道路，可提供5G智慧化汽車試驗場環境。
R&S、華為5G V2X測試：華為和羅德與施瓦茨(R&S)合作，在德國慕尼黑開展5G V2X通信，用於移動汽車現場測試中的協同駕駛應用，對5G應用於遠端自動駕駛控制奠定良好基礎。
廈門是中國首個商用級5G智慧網聯駕駛平台：廈門市交通運輸局、公交集團，與大唐移動通信設備有限公司簽署協議，在廈門BRT上，建設中國首個商用級5G智慧網聯駕駛平台，推動廈門BRT最終實現無人駕駛。
(四)聯網無人機
1、應用場景概述
5G網路將賦予網聯無人機，超高清圖影像傳輸(50-150Mbps)、低時延控制(10-20ms)、遠端聯網協作，和自主飛行(100kbps，500ms)等重要能力，可以實現對聯網無人機設備的監視管理、航線規範、效率提升。
5G網聯無人機，將使無人機群協同作業，和7x24小時不間斷工作成為可能，在農藥噴灑、森林防火、大氣取樣、地理測繪、環境監測、電力巡檢、交通巡查、物流運輸、演藝直播、消費娛樂等各種行業，及個人服務領域，獲得巨大發展空間。
2、5G融合應用時間表
3、應用案例
上海5G無人機高清現場直播：搭載5G通信技術模組的無人機，在上海虹口北外灘，成功實現了一場，基於5G網路傳輸疊加無人機，全景4K高清影像的現場直播。
5G無人機電力巡檢：南方電網廣東東莞供電局，變電運行專業，在他們中國率先實現「5G無人機+程序化操作」，由東莞聯通提供5G網路信號支持，進行電力線設備巡檢，變電站設備上的信號燈、字跡在電腦螢幕上均清晰可見。
杭未來研創園5G無人機物流：杭州餘杭未來研創園，已實現無人機利用5G網路，將攝影機辨識的畫面，傳輸到後台監控平台規劃路徑，並依靠5G即時視覺辨識來確認投放點，完成物流配送。
(五)遠端醫療
1、應用場景概述
通過5G和物聯網技術，可承載醫療設備和行動用戶的全連接網路，對無線監護、移動護理和患者即時位置等數據，進行採集與監測，並在醫院內業務伺服器上，進行分析處理，提升醫護效率。
借助5G、人工智慧、雲計算技術，醫生可以透過基於影像與圖像的醫療診斷系統，為患者提供遠端即時會診、應急救援指導等服務，例如基於AI和觸覺反饋的遠端超音波，理論上需要30Mbps的數據速率，和10ms的最大延時。
患者可通過便攜式5G醫療終端，與雲端醫療伺服器，與遠端醫療專家進行溝通，隨時隨地享受醫療服務。
借助5G、人工智慧、雲計算技術，醫生可以透過基於影像與圖像的醫療診斷系統，為患者提供遠端即時會診、應急救援指導等服務，例如基於AI和觸覺反饋的遠端超音波，理論上需要30Mbps的數據速率，和10ms的最大延時。
患者可通過便攜式5G醫療終端，與雲端醫療伺服器，與遠端醫療專家進行溝通，隨時隨地享受醫療服務。
2、5G融合應用時間表
3、應用案例
中國說已有首例5G遠端心臟手術：中國移動、華為協助海南總醫院，透過操控接入5G網路的遠端機械臂，成功完成了位於北京的患者的遠端人體手術——全國首例5G網路下，實施的遠端手術。
5G智慧醫療聯合創新中心：上海市第一醫院正在打造5G智慧醫療聯合創新中心，將涵蓋遠端查房、區域醫學影像中心遠端會診、遠端手術教學、遠端操作機械臂診療等服務。
中日友好醫院5G室內數位化系統：北京移動攜手華為完成了中日友好醫院5G室內數位化系統部署，為行動通訊查房、行動護理、行動檢測、行動會診等，應用提供了5G網路環境。
(六)智慧電力
1、應用場景概述
5G技術將在智慧電力的多個環節得到應用。在發電領域特別是，在可再生能源發電領域，需實現高效的分布式電源接入調控，5G可滿足其即時數據採集和傳輸、遠路調度與協調控制、多系統高速互聯等功能。
在輸變電領域，具有低時延和大頻寬特性的，客製化的5G電力切片，可以滿足智慧電網高可靠性、高安全性的要求，提供輸變電環境即時監測，與故障定位等智能服務。
在配電領域，以5G網絡為基礎，可以支持實現智慧分布式配電自動化，實現故障處理過程的全自動進行。在電力通信基礎設施建設建設領域，通信網將不再局限於有線方式，尤其在山地、水域等複雜地貌特徵中，5G 網路部署相比有線方式成本更低，部署更快。
2、5G融合應用時間表
3、應用案例
河南高壓變電站5G測試站：在其國網河南省電力公司與河南移動的密切配合下，中國他們首個500千伏級以上高壓/特高壓變電站，5G測試站在鄭州官渡變電站建成投入使用，透過5G網路成功實現了，變電站與省電力公司的遠端高清影像交互。
廣東5G智慧電網試點：在廣州舉行的中國移動全球合作夥伴大會開幕日，廣東移動與南方電網、中國信息通信研究院、華為共同啓動了面向商用的5G智慧電網試點。目前，已開展的智慧電網探索包括分布式，配網差動保護、應急通信、配網計量、在線監測等方面。
江蘇5G電力切片測試：中國電信江蘇公司、國網南京供電公司與華為公司，在南京成功完成了全球首個基於5G SA網路的電力切片測試。測試證實切片具備安全隔離性，能夠實現電網，對於負荷單元毫秒級，精準管理的業務需求。
(七)智慧工廠
1、應用場景概述
在工業網路領域，5G獨立網路切片，支持企業實現多用戶，和多業務的隔離和保護，大連接的特性，滿足工廠內資訊採集，以及大規模機器間通信的需求，5G工廠外通信，可以實現遠端問題定位，以及跨工廠、跨地域遠端遙控和設備維護。
在智慧製造過程中，高頻和多天線技術，支持工廠內的精準定位和高寬頻通信，毫秒級低時延技術，將實現工業機器人之間，和工業機器人與機器設備，前所未有的互動和協調，提供精確高效的工業控制。
在柔性製造模式中，5G可滿足工業機器人的靈活行動性和差異化業務處理的高要求，提供涵蓋供應鏈、生產車間和產品全生命週期製造服務。智慧工廠建設過程中，5G可以替代有線工業乙太網，節約建設成本。
2、5G融合應用時間表
3、應用案例
5G三維掃描建模檢測系統：浙江移動通過與杭汽輪集團合作，建立了5G三維掃描建模檢測系統。該系統使得檢測時間從2-3天降低到3-5分鐘，在實現產品全量檢測的基礎上，還建立了品質資訊數據庫，便於後期品質問題分析追溯。
5G航天雲網接入試驗：貴陽市5G實驗網綜合應用，示範項目已完成，5G創新實驗室對航天雲網的平台接入，透過5G網路，將海量工業設備資訊，以超低時延，即時上傳到雲端，實現對整個生產製造過程，及設備狀態情況，進行即時監測。
大眾5G微縮汽車流水線：德國福斯公司展示了，一條基於5G技術的微縮汽車組裝流水線。與現有的隨機監測相比，這種生產方式的準確性和可靠性，大幅提升。
(八)智慧安控
1、應用場景概述
影像監控是智慧安控最重要的一個組成部分，5G超過10Gbit/s的高速傳輸速率和毫秒級低時延，將有效提升現有監控影像的傳輸速度，和反饋處理速遞，將使智慧安控實現遠端即時控制和提前預警，做出更有效的安全防範措施。
安防監控範圍將進一步擴大，獲取到更多維的監控數據。在公交車、警車、救護車、火車等，行動的交通工具上的即時監控將成為可能。森林防火、易燃易爆品等監管人員，無法接近的危險環境，展開監測的成本將大幅下降。
在家庭安控領域，5G將使單位流量的資費費率，進一步下降，將推動智慧安控保全設備，將走入普通家庭。
2、5G融合應用時間表
3、應用案例
南昌智慧影像雲監控：江西電信、華為公司、雲眼大視界，攜手在南昌新建區麗水佳園，完成了江西省內首個5G網路環境下的，智慧影像雲監控實驗點。借助5G網路，智慧雲眼透過人臉、車牌辨識、分析功能，可實現小區進出人員、車輛的辨識。
新松5G智慧巡檢機器人：瀋陽新松與遼寧移動，共同建立的5G創新技術聯合創新中心，展開了基於5G環境下，智慧巡檢機器人設備的測試和驗證，調試完成後將被應用在華晨寶馬、新松、瀋陽機床等工業企業廠區巡檢、園區巡邏等領域。
廣州5G公交實時監控：廣州新穗巴士有限公司，在廣州國際投資年會上，展示了5G公車即時監控。展出的樣車，實現了全車六路720P高清制式影像即時監控，具備了人臉圖像採集、即時比對分析、即時自動報警提示的功能。
(九)個人AI設備
1、應用場景概述
5G時代將有更多的可穿戴設備，加入虛擬 AI 助理功能，個人AI設備可借助5G大頻寬、高速率和低延時的優勢，充分利用雲端人工智慧和大數據的力量，實現更快速精準的檢索資訊、預定機票、購買商品、預約醫生等基礎功能。
另外，對於視障人士等特殊人群，透過佩戴連接5G的AI設備，能夠大幅提升生活品質。除了消費者領域外，個人AI設備將應用在企業業務中，製造業工人透過個人AI設備，能夠即時收到來自雲端，最新的語音和流媒體指令，能夠有效提高工作效率，和改善工作體驗。
2、5G融合應用時間表
3、應用案例
導盲頭盔：華為META透過雲端智慧控制終端DATA，實現頭盔與雲端平台之間的連接，可為視力障礙人群，提供人臉辨識、物體辨識、路徑規劃、避障等服務。
虛擬鍵盤：NEC公司推出利用新型增強現實(AR)技術的ARmKeypad，允許用戶借助頭戴式眼鏡設備，和手上佩戴的智慧手錶，來使用虛擬鍵盤。
智慧手錶：Apple、華為等主流智慧手錶廠商，紛紛瞄準5G，積極整合各類5G應用如AR、AI監護等到新智慧手錶產品中。
(十)智慧園區
1、應用園區概述
智慧園區是指運用資訊和通信技術，感測、分析、整合城市運行核心系統的各項關鍵資訊，對民生、環保、公共安全、城市服務、工商業活動在內的各種需求，做出智能響應。
在5G時代，利用5G高速率、低時延、大連接的特性，將智慧工廠、智慧出行、智慧醫療、智慧家庭、智慧金融等多種應用場景，融於園區中，為園區中的人，創造更美好的工作，和生活環境，為園區產城融合提供新的路徑。
2、5G融合應用時間表
3、應用案例
杭州新天地5G智慧園區：2019年3月21日，「創見·未來 杭州新天地5G戰略合作簽約儀式」在杭州新天地舉行，宣告浙江首個華為-聯通5G智慧園區，正式落戶杭州新天地。
河南5G智慧物流園區：2019年4月7日，傳化智聯攜手中國電信、華為科技、河南省工業和資訊化廳，簽訂測略合作協議，推動河南首個5G智慧物流園區——傳化物流小鎮5G智慧物流園區建設，預計明年將投入試運營。
首鋼5G智慧園區：2018年10月，中國聯通和首鋼集團在首鋼園區舉行戰略合作夥伴簽約儀式，雙方將攜手把首鋼園區打造成國內首個5G示範園區，並在建設5G產業園區、奧林匹克文化推廣、冰雪運動發展等方面，展開測略合作。
5G應用規律
從我們的研究來看，5G應用有如下規律：
一是5G應用首先從eMBB類場景開始，逐漸向uRLLC和mMTC類場景滲透。
二是5G應用未來的主要市場將面向垂直行業應用，跨界融合是5G的「必修課」。
三是5G應用時間與網路部署進度、垂直行業發展情況、國家政策推動密不可分。
四是5G應用中VR/AR、超高清影像、聯網無人機等應用，是基礎型應用，其他應用場景多是以上三者的疊加態。
總而言之，5G網路具有大頻寬、低時延、高可靠、廣覆蓋等「天然」特性，結合人工智慧、行動邊緣計算、端到端網路切片、無人機等技術，在VR/AR、超高清影像、車聯網、無人機及智慧製造、電力、醫療、智慧城市等領域，有著廣闊應用前景，5G與垂直行業的「無縫」融合應用，必將帶來個人用戶及行業客戶，體驗的巨大變革。
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