5G全球发展经验对我国运营商的启示(上)

[《通信企业管理》2017年第07期], 德国电信国际咨询公司 王安 李文娟 欧阳轩宇 许可 发布于 2017/9/30


2017年是5G发展元年,5G国际标准的第一个基础版本也将于年底完成。在欧美日韩先进运营商近年来的创新引领下,全球5G时代的网络部署、业务推广和商业模式逐渐显现出了新的发展与变革趋势。本文通过扫描全球运营商标杆经验,从5G网络特征、5G核心业务场景梳理、国际运营商优秀实践等维度进行深入解读与剖析,最终为国内运营商提出了适合国情的5G时代发展建议。

2017年是5G发展元年,5G国际标准的第一个基础版本也将于年底完成。在欧美日韩先进运营商近年来的创新引领下,全球5G时代的网络部署、业务推广和商业模式逐渐显现出了新的发展与变革趋势。本文通过扫描全球运营商标杆经验,从5G网络特征、5G核心业务场景梳理、国际运营商优秀实践等维度进行深入解读与剖析,最终为国内运营商提出了适合国情的5G时代发展建议。

5G业务指标概述

根据3GPP发布的标准制定进程,全球移动通信产业将于2020年迈入第五代移动通信(5G)发展阶段。在5G时代,通信关键能力指标将得到大幅提升,可同时满足互联网和物联网用户的多样化应用场景需求,全面支撑工业制造、医疗仪器、交通运输等多个垂直领域的差异化信息服务需求。

5G关键能力指标

面对未来移动互联网和物联网各类场景与业务的差异化需求,较4G而言,5G在流量密度、连接数密度、用户体验速率、传输时延等多个能力指标上将实现大幅跨越。关键网络能力指标对比如表1

1  5G4G关键能力指标对比

 

流量密度

T bps/km2

连接数密度

/km2

时延

ms

移动性

km/h

用户体验速率

峰值速率

G bps

4G

0.1

10

空口10

350

10Mbps

1

5G

10

100

空口1

500

0.11Gbps

20

流量密度:指在一定区域内所有设备在预设时间内交换的数据量除以预设时间长度和区域面积。流量密度的重要性体现在有大流量传输需求的业务场景时,如媒体点播、大型室内外活动等,流量密度期望值通常可以达到700Gbit/s/km2以上。

连接数密度:指在特定区域和特定时间段内,在保证用户体验质量的前提下,单位面积可以同时激活的终端或者用户数。在大型体育赛事、音乐会、城市商场等场景下,用户密度较大,对网络的连接密度要求较高,如大型体育赛事、音乐会场景下的连接密度期望值达4用户/平方米以上。

端到端时延:时延是数据在空中接口MAC层的参数,包括单程时延和往返时延两个指标。涉及交通安全、工业控制和用户体验的业务场景对时延要求严格,如自动驾驶车辆时延期望值在5ms以下,工业自动化时延期望值在1ms以下,虚拟和增强现实往返时延期望值在10ms以下。

移动性:是指在保证标准用户体验的前提下,收发双方间的最大相对移动速度。例如在高速列车场景下,移动性期望值达到500km/h

用户体验速率:单位时间用户获得的MAC(media access control,介质访问控制)层的数据传输速率。用户体验速率指标在以人为中心的业务场景中较为重要,如高速列车、大型室内外活动、媒体点播等。

峰值速率:5G时代峰值速率大幅提高,将实现20倍于4G的峰值速率。

5G关键效率指标

除关键能力指标外,5G还将提升业务的能耗效率、频谱效率和成本效率。关键效率指标对比如表2

2  5G4G关键效率指标对比

 

能耗效率

频谱效率

成本效率

4G

1

1

——

5G

100倍提升(网络)

35倍提升

——

频谱效率:指每小区或单位面积内单位频谱资源提供的数据吞吐量。5G将利用空分多址(SDMA)、大规模天线阵列(Massive MIMO)和超密组网(UDN)等技术有效提高现有频谱利用效率。通过中高频段(26GHz6100GHz)频谱资源拓展和高低频资源高效协同,满足5G时代多种场景下的差异化业务需求。

能耗效率:在城市环境中通常指传输1比特信息需消耗的能量,在郊区和农村通常指每单位面积覆盖消耗的功率。应急通信、智能抄表等场景下的能耗需求相对较低,5G时代需有效提高能耗效率,方可保障运营商的投资回报。

成本效率:每单位成本所能传输的数据比特数。成本一般来源于基础设施、频谱资源和用户获取。5G利用大规模天线阵列、空分多址等技术可减少硬件成本、频谱资源成本,以新型网络架构为基础的运营模式创新可节约用户获取成本,从整体上提升成本效率。但目前看来,5G频谱获取成本和业务运营模式尚存在较大不确定性,因此本文暂不做预估。

5G其他性能指标

可用性:指在一定地理区域内5G网络能够满足用户体验质量(QoE)的百分比。如自动驾驶、应急通信、智能抄表等业务场景对网络的可用性要求较高,可用性期望值均达到99.9%

可靠性:指在一定时间内从发送端到接收端成功发送数据的概率。如自动驾驶、远程手术可靠性期望值达99.9%

安全性:通信系统的安全性通常难以量化,但个人信息安全、企业网络信息安全在5G时代尤为重要,5G时代信息传输的安全性必将大幅提升。

5G业务场景分析

ITU定义5G将应用于增强型移动宽带、超高可靠与低延迟通信、大规模机器类通信三大类业务场景,而IMT-2020(5G)推进组将5G业务场景分为连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四类。两种分类方式均从5G网络业务性能提升的角度出发。连续广覆盖和热点高容量网络可支持增强型移动宽带(eMBB)业务场景,低功耗大连接主要支持大规模机器类通信(mMTC)业务场景,低时延高可靠网络主要支持超高可靠与低延迟机器类通信(uMTC)业务场景。本文综合两种分类方式,以ITU定义5G业务场景类型为主进行5G业务场景分析。

增强型移动宽带(eMBB)业务场景

场景描述

5G增强型移动宽带服务将满足用户对极高数据速率、高移动性等极致需求,5G将在两个方面促进该业务场景的实现。

第一个方面是将蜂窝覆盖范围扩展到范围更广的建筑物中,包括办公楼、工业园区、购物中心和大型场所,即连续广域覆盖。连续广域覆盖主要满足移动通信用户的基本连接需求,在较大范围内支持移动、漫游等连接业务。能够在保证移动性和业务连续性的前提下,用户无论是静止还是高速移动,无论是处在覆盖中心还是处在覆盖边缘,都可以随时随地享受100Mbit/s以上的体验速率。

第二个方面是提升容量以满足有大流量数据传输和多终端连接需求的用户,尤其是在具有超高密集连接需求的局部区域,即热点高容量。5G网络的改进将支持更高效的数据传输,降低每比特数据传输成本,从而实现宽带级应用在移动网络中的可用性。例如,体育场总会聚集大量观众,他们对语音、图片、视频等大流量内容有线上实时分享和沟通需求,而这些大流量传输需求往往发生在活动的间歇或结束时,用户体验与峰值流量的关联性极强,由于人们在同一时间接入网络,单位面积的数据流量传输是主要挑战。5G热点高容量网络可高效满足该类场景下的用户连接需求。

核心应用举例

利用毫米波进行无线网络接入是eMBB业务场景的核心应用之一。例如,在密集楼宇的室内信号盲区设置毫米波基站,为用户提供媲美千兆光纤的移动网络连接体验;在光纤覆盖欠缺的市郊、乡村等偏远地区,利用毫米波技术向用户提供网络连接服务。

在体育馆、火车站、露天聚会等室内外密集场景下,5G利用超密集组网、大规模天线、边缘计算等技术为用户提供高速连接服务。该类场景下,用户可传输4K甚至8K高清视频、360度视频直播或转播、通过AR/VR改善游戏体验等。

大规模机器类通信(mMTC)业务场景

场景描述

大规模机器类通信业务场景以低功耗、大连接为主要特点,面向用小型、大量传感器终端进行的数据采集、数据分析和数据应用的应用场景。这些应用场景具有小数据包传输、终端低功耗、网络部署低成本、终端海量连接等特点。

5G将充分利用运营商在4G时代的M2MIoT应用方面的投入,促进其在全部行业的普及和应用,实现规模经济效应。5G能更好地满足低功耗需求,并提供更灵活的网络覆盖,从而在mMTC场景中显著降低成本,从而促进物联网应用的大规模扩展。

核心应用举例

智慧城市是mMTC业务场景的核心应用之一。城市路灯、垃圾桶、井盖等基础设施的规划布局、能耗管理、安全防范都将通过5G网络进行线上操作,相应的业务管理平台将根据采集的数据信息自动化进行指令发送和危险报警等。

物流跟踪是mMTC业务场景的另一个核心应用。将包裹、货车、穿戴设备等传感器终端接入5G网络,实时跟踪资产位置、状态、货车路线等,物联网平台将采集的物流数据实时分析,实现物流路线最优规划、车辆状况监测、资产安全定位等功能。

超高可靠与低延迟机器类通信(uMTC)业务场景

场景描述

超高可靠与低延迟机器类通信业务需求为移动通信领域提供了全新的市场机会。5G将支持那些需要超高可靠、超低时延、高可用性和高安全性的应用。通过无线和有线无缝切换、端到端的QoS控制和平台的高可靠性机制,5G网络将实现零容错级别的高可靠性。终端可通过设备到设备直连或本地业务路由实现低时延,满足业务和系统的低时延要求。5G将为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。

核心应用举例

切片网络是uMTC业务场景的核心应用,目前在电力行业国内已有初步研究和应用。电网切片是按照电力企业的独有需求定制的网络形态,切片网络可与运营商其他业务运行网络相互隔离,实现电力资源的灵活管理、监测和调度,切片网络保障电力企业业务的高安全性和强灵活性。

国际运营商5G进展及经验总结

国际运营商5G进展扫描

国际先进运营商的5G商用或试商用计划已提上日程。本文对美、欧、日、韩四个地区的8家运营商的5G业务商用进展以及后续推进计划进行了整理。

Verizon

Verizon2016年年初开始进行5G网络测试,并计划于2017年在亚特兰大、达拉斯、丹佛、迈阿密等11个城市进行5G试商用,于2018年正式提供5G服务。

5G业务方面,Verizon主要在VR/AR、无线流媒体直播、全息视频通话、车联网领域进行了业务测试。例如,Verizon利用三星的Gear VR成功展示了17个现场直播影片;在行进中的车辆上利用Beamforming MIMO技术传送4K影音;与英特尔、爱立信合作进行5G互联家居试验,利用VR4K 360度无线视频流媒体直播技术对赛道进行360度实况展示;与KT打通全球首个5G全息视频通话。

频谱资源方面,Verizon积极向美国联邦通信委员会(FCC)争取频谱资源,提出将37GHz (3738.6GHz)39GHz(38.640GHz)整合为单一频段的构想,整合后将可以拥有连续的3GHz频谱资源。Verizon Wireless还向XO Communications租用其28GHz39GHz无线频谱作为5G网络测试所用,后期欲对其进行收购。

AT&T

AT&T2016年第二季度开始进行5G网络解决方案的研究工作,计划在2019年实现5G商用。

AT&T 5G业务测试聚焦在基于毫米波的4K超高清视频、VR和物联网应用等方面。例如,AT&T联合高通、英特尔等供应商对部分企业和家庭用户进行了流媒体与视频会议服务测试;通过固定5G连接进行流媒体DirecTV Now视频服务的测试,旨在了解毫米波技术如何处理大量视频流量;AT&T还将于今年推出基于毫米波5G系统的多媒体数据、高速互联网接入、视频点播、在线游戏等业务(待查)AT&T也将对VR、自动驾驶车、机器人、智慧城市等新体验服务进行5G网络测试。

AT&T主要通过收购的方式获取频谱,优先在39GHz频段上进行5G业务测试,同时兼顾28GHz频段。

T-Mobile US

T-Mobile US将从2019年开始推出全国性5G服务,到2020年完成全国部署。

T-Mobile US5G业务测试在超高清视频、VR/AR、工业自动化等领域展开。例如,T-Mobile US和诺基亚通过对预标准5G网络进行的一系列测试,实现了每秒几千兆的吞吐速率、1.8毫秒的即时延迟,可支持四个同步4K视频;诺基亚和T-Mobile US还在其一处体验中心共同进行了创新性应用演示,包括超高清360度虚拟现实、极端工业自动化以及多连接等。

T-Mobile US通过收购获得600MHz频段资源,优先在600MHz频段上部署网络,但不排除使用毫米波在28GHz39GHz高频段进行5G部署。

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