5G技術為智能化社會提供發(fā)展機遇

1前言5G時代即將到來，引發(fā)了人們對未來重大變化的遐想。隨著工信部5G商用牌照的發(fā)放，我國正式進入5G商用元年。已拉開大幕的5G時代，我們的生活將會發(fā)生怎樣的改變？從科技創(chuàng)新帶來經濟效益提升的角度來看，5G是經濟社會數字化轉型的關鍵使能器。未來，5G與云計算、大數據、人工智能、虛擬增強現(xiàn)實等技術的深度融合，將連接人和萬物，成為各行業(yè)數字化轉型的關鍵基礎設施。一方面，5G將為用戶提供超高清視頻、下一代社交網絡、浸入式游戲等更加身臨其境的業(yè)務體驗，促進人類交互方式再次升級。另一方面，5G將支持海量的機器通信，以智慧城市、智能家居等為代表的典型應用場景與移動通信深度融合，預計千億量級的設備將接入5G網絡。5G還將以其高可靠性、低時延性能，引爆車聯(lián)網、移動醫(yī)療、工業(yè)互聯(lián)網等垂直行業(yè)應用?？傮w上看，5G促發(fā)社會變革。5G的廣泛應用將助推制造強國、網絡強國建設，使新一代移動通信成為引領國家數字化轉型的通用目的技術。何為5G？通俗來講，5G就是第五代移動通信技術的簡稱，4G技術的“升級”型產物。如果說4G是雙向8車道的高速公路，那5G就是雙向100車道的高速公路。5G應用已經成了熱門話題，如：5GAR/VR、5G車聯(lián)網、智能制造。由于5G技術具有得天獨厚的優(yōu)勢，業(yè)界普遍認為，5G將對智能工業(yè)、無人駕駛汽車、VR以及物聯(lián)網等領域產生重要推動作用。對于智能化社會發(fā)展，人們特別是關心：5G是什么概念，5G對于智能化社會有什么樣的意義？5G技術將為智能化提供怎樣的發(fā)展機遇？本文即針對此問題，談談個人的看法，以期引發(fā)業(yè)內共同探討。25G技術的主要特點“5G不僅是新一代移動通信技術，更是一種新的網絡、新的經濟、社會發(fā)展的基礎設施?！痹谥袊茀f(xié)信息通信科學傳播專家團隊首席專家、工業(yè)和信息化部通信科學技術委員會秘書長張新生看來，超寬帶、海量連接、高可靠、低時延，是5G主要的技術特征。5G成為新一代移動信息技術網絡的總稱，是新的通用技術。他認為：“今天的5G是通用技術，普遍適用于多個行業(yè)，帶來長期且持續(xù)的改進，并能催生新的創(chuàng)新。通用技術對廣泛行業(yè)以及人類社會可以產生深遠且持久的影響，將重新定義經濟競爭力，并改變社會?！?G技術定義的三大場景不但覆蓋了高帶寬、低延時等傳統(tǒng)應用場景，而且還能滿足工業(yè)環(huán)境下的設備互聯(lián)和遠程交互應用需求，這種廣域網全覆蓋的特點為企業(yè)構建統(tǒng)一的無線網絡提供了可能。經常有人說“4G改變生活，5G改變社會”。人們認為，5G最革命性的意義在于與文化娛樂、工業(yè)設施、醫(yī)療儀器、交通工具等的深度融合，有效滿足娛樂、工業(yè)、醫(yī)療、交通等各個垂直行業(yè)的多樣化業(yè)務需求，進而實現(xiàn)萬物互聯(lián)。根據國際電聯(lián)ITU的5G愿景，5G將會面向三大應用場景：增強移動寬帶場景（enhancedmobilebroadband，eMBB）、低時延高可靠場景（ultrareliableandlowlatencycommunications，uRLLC）和大連接低功耗場景（Massivemachinetypecommunications，mMTC）。5G帶來的關鍵技術在核心網方面，5G應該說很好地采用了NFV（網絡功能虛擬化）和SDN（軟件定義網絡）的理念，大部分是基于軟件和硬件分離的架構。在大家看起來都是服務器，在上面虛擬出很多不同的功能單元，從網絡功能設計來看，也更好地實現(xiàn)了控制和數據平面的分離。其次，在網絡架構方面，進一步向扁平化發(fā)展，過去2G、3G的四層，到4G已經變成三層，到5G更加簡潔，變成兩層，而且很多應用了移動邊緣計算。核心網標準重點落實像網絡切片、移動邊緣計算，確保端到端用戶的安全。另外，5G技術的技術優(yōu)勢還體現(xiàn)在毫米波、小基站、大規(guī)模天線、波束成形等技術上。考慮到5G的先進性和經濟性兩個方面，5G網絡建設分為非獨立組網和獨立組網兩種模式。所謂獨立組網就是采用5G新的空口接入到5G新的核心網，端到端都是完整5G的標準。非獨立方式更多體現(xiàn)在核心網部分，也就是說，有些運營企業(yè)在初級階段仍然用4G核心網接入5G新的接口作為過渡以減少初期投資。在推動物聯(lián)網落地過程中，比如eMBB能支撐起遠程視頻監(jiān)控、視頻會議等高帶寬的應用場景；mMTC能滿足大量低功耗嵌入式終端的數據連接與傳輸需求。URLLC可以將網絡等待時間的目標壓低到1毫秒以下，以支撐工業(yè)自動化控制過程中系統(tǒng)和設備對數據傳輸的實時性的諸多指標和要求。從專業(yè)角度出發(fā)，5G新技術的關鍵能力比前幾代移動通信更加豐富。用戶體驗速率、連接數密度、端到端時延、峰值速率和移動性等都將成為5G的關鍵性能指標。5G對于第四次工業(yè)革命的意義在哪里？網絡上有一篇文章，其中有這樣一段文字：“高性能的無線網絡連接工廠內的海量傳感器、機器人和信息系統(tǒng)，連接產生的海量數據、優(yōu)質數據不斷‘喂食’人工智能，并將分析、決策反饋至工廠。同時，5G廣覆蓋的物聯(lián)網絡覆蓋全球，連接廣泛分布或跨區(qū)域的商品、客戶和供應商等，保持對整個產品生命周期的全連接。總之，未來的工廠是數字虛擬和物理現(xiàn)實相融合，ICT技術與現(xiàn)代制造業(yè)相融合，以提高工業(yè)生產的靈活性、可追溯性、多功能性和生產效率，為制造業(yè)開辟新的商業(yè)模式。工廠內部和外部之間的界限也越來越模糊，工廠不再是獨立的封閉實體，而是龐大的價值鏈和生態(tài)系統(tǒng)的一部分，這就是所謂的‘虛擬工廠’?！毙驴湛冢∟R），這里指的是5G的無線連接能力。新空口、網絡切片和邊緣計算是三大具關鍵性的5G技術，也是驅動第四次工業(yè)革命的核心技術。各種新興的應用是5G商用的主要推動力，這些應用通常對帶寬和時延要求較高，而5G網絡的高帶寬和低時延特性正好滿足了這些新興技術的應用。5G有三個方面的進展。除了網速得到百倍的提升，網絡的時延也將低至百萬分之一秒，此外，5G能夠廣覆蓋，實現(xiàn)萬物互聯(lián)，在每一平方公里可以支撐100萬個移動終端。在4G時代，僅僅是網速提升了，移動互聯(lián)網就讓我們的生活如此便捷，5G的未來更值得憧憬。因為5G的發(fā)展，整個社會將進入到萬物互聯(lián)的狀態(tài)，“城市大腦”得到全面普及。在這些城市中，每一條道路、每一個井蓋、每一塊草地，都可能接入網絡來管理，整個城市中的學校、醫(yī)院、工廠、劇院等大型公共和私人空間都可以在網上進行遠程訪問，比如攝像頭、計算機系統(tǒng)以及這些空間內的小型設備，大到鍋爐、小到桌椅板凳垃圾桶，都擁有了“智慧”。35G技術的應用研究當前，5G技術的應用研究正如火如荼地廣泛開展，大致有以下幾種：3.1物聯(lián)網隨著工廠智能化轉型的推進，物聯(lián)網作為連接人、機器和設備的關鍵技術正受到企業(yè)的高度關注。這種需求在推動物聯(lián)網應用落地的同時，也極大地刺激了5G技術的發(fā)展。面對復雜的工業(yè)互聯(lián)需求，5G技術需要適應不同的工業(yè)場景，能滿足物聯(lián)網的絕大部分連接需求。最近普及的物流服務，共享單車、共享出行、共享辦公空間、重型機械的租賃等模式，都在向服務轉型。這些都是基于設備聯(lián)網形成中心管理的基礎設施。未來所有工具類的產品，都有可能聯(lián)網，作為基礎設施以服務的形式提供服務。人類社會將會從產品作為主要商品，升級到以服務作為主要商品，在此基礎上，形成生產關系的變革。3.2工業(yè)自動化控制制造業(yè)在國家層面乃至整個人類社會扮演著至關重要的角色，智能制造已然成為全球化課題和國家級戰(zhàn)略課題，很多國家都在智能制造領域進行規(guī)劃和部署，如中國“中國制造2025”、德國“工業(yè)4.0”、美國“工業(yè)互聯(lián)網計劃”等。其中信息通信系統(tǒng)升級是智能制造中很重要的一環(huán)，5G在使能智能工廠多樣化需求方面，占據絕對優(yōu)勢。簡而言之，智能制造具有以下特征：以智能工廠為載體，以關鍵制造環(huán)節(jié)的智能化為核心，以端到端數據流為基礎，以通信網絡為基礎支撐。通過自組織的柔性制造系統(tǒng)，實現(xiàn)高效的個性化生產目標。自動化控制是制造工廠中最基礎的應用，核心是閉環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)的控制周期內每個傳感器進行連續(xù)測量，測量數據傳輸給控制器以設定執(zhí)行器。典型的閉環(huán)控制過程周期低至ms級別，所以系統(tǒng)通信的時延需要達到ms級別甚至更低才能保證控制系統(tǒng)實現(xiàn)精確控制，同時對可靠性也有極高的要求。如果在生產過程中由于時延過長，或者控制信息在數據傳送時發(fā)生錯誤可能導致生產停機，會造成巨大的經濟損失。5G可提供極低時延長、高可靠、海量連接的網絡，使得閉環(huán)控制應用通過無線網絡連接成為可能。基于華為5G的實測能力：空口時延可到0.4ms，單小區(qū)下行速率達到20Gbps，小區(qū)最大可支持1000萬+連接數。由此可見，移動通信網絡中僅有5G網絡可滿足閉環(huán)控制對網絡的要求。在智能制造自動化控制系統(tǒng)中，低時延的應用尤為廣泛，比如對環(huán)境敏感高精度的生產制造環(huán)節(jié)、化學危險品生產環(huán)節(jié)等。智能制造閉環(huán)控制系統(tǒng)中傳感器（如壓力、溫度等）獲取到的信息需要通過極低時延的網絡進行傳遞，最終數據需要傳遞到系統(tǒng)的執(zhí)行器件（如：機械臂、電子閥門、加熱器等）完成高精度生產作業(yè)的控制，并且在整個過程需要網絡極高可靠性，來確保生產過程的安全高效。此外，在規(guī)模生產的工廠中，大量生產環(huán)節(jié)都用到自動控制過程，所以將有高密度海量的控制器、傳感器、執(zhí)行器需要通過無線網絡進行連接。在自動化工廠內部，為了提高產線生產效率，需對各個子部件進行實時監(jiān)控，對生產的產品質量進行實時測量，乃至對生產線進行實時優(yōu)化，這就要求具有超低時延超高可靠的無線連接，同時，視覺控制機器人手臂、3D模型傳送、遠程數字工廠等應用需要高可靠的高帶寬通信，因此，這就需要同時支持mMTC、eMMB和URLLC三大場景。高可靠無線通信技術在工廠的應用來看，一方面，生產制造設備無線化使得工廠模塊化生產和柔性制造成為可能。另一方面，因為無線網絡可以使工廠和生產線的建設、改造施工更加便捷，并且通過無線化可減少大量的維護工作從而降低成本。3.3物流追蹤在目前已成規(guī)模的機器對機器市場中，其應用將包括人員跟蹤和在途高價商品等。但（較）高連接成本限制了該市場的增長。預計5G將在深度覆蓋、低功耗和低成本（規(guī)模經濟）以及作為3GPP標準技術方面提供額外優(yōu)勢。5G提供的改進將包括在廣泛產業(yè)中優(yōu)化物流，提升工人安全和提高資產定位與跟蹤的效率，從而最小化成本。它還將擴展能力以實現(xiàn)動態(tài)跟蹤更廣泛的在途商品。隨著在線購物增多，資產跟蹤將變得更加重要。在物流方面，從倉庫管理到物流配送均需要廣覆蓋、深覆蓋、低功耗、大連接、低成本的連接技術。此外，虛擬工廠的端到端整合跨越產品的整個生命周期，要連接分布廣泛的已售出的商品，也需要低功耗、低成本和廣覆蓋的網絡，企業(yè)內部或企業(yè)之間的橫向集成也需要無所不在的網絡，5G網絡能很好地滿足這類需求。此外，虛擬工廠的端到端整合跨越產品的整個生命周期，要連接分布廣泛的已售出的商品，也需要低功耗、低成本和廣覆蓋的5G物聯(lián)網，這也對應了5G的mMTC場景。企業(yè)內部/企業(yè)之間的橫向集成也需要無所不在的、無縫的5G聯(lián)網?！半S時隨地設計，隨時隨地生產”是智能工廠的愿景，進而要求網絡必須適應及時變化的容量和移動性要求，乃至能靈活融合各種不同的無線接入技術，因此，5G網絡的包容性和支持業(yè)務的多樣性不可或缺。3.4工業(yè)AR在未來智能工廠生產過程中，人將發(fā)揮更重要的作用。然而由于未來工廠具有高度的靈活性和多功能性，這將對工廠車間工作人員有更高的要求。為快速滿足新任務和生產活動的需求，增強現(xiàn)實AR將發(fā)揮關鍵作用，在智能制造過程中可用于如下場景：監(jiān)控生產流程、遠程維護等。在這些應用中，輔助AR設施需要最大程度具備靈活性和輕便性，以便維護工作高效開展。因此需要將設備信息處理功能上移到云端，AR設備僅僅具備連接和顯示的功能，AR設備和云端通過無線網絡連接。AR設備將通過網絡實時獲取必要的信息，如生產環(huán)境數據、生產設備數據以及故障處理指導信息等。從行業(yè)應用看，5G具有更高的可靠性，更低的時延，能夠滿足智能制造、自動駕駛等行業(yè)應用的特定需求，拓寬融合產業(yè)的發(fā)展空間，支撐經濟社會創(chuàng)新發(fā)展。作為新一代移動通信技術，5G技術的迅猛發(fā)展正好契合了傳統(tǒng)制造企業(yè)智能制造轉型對無線網絡的應用需求。5G應用主要集中在VR、AR、無人機、高清視頻等領域，高清直播可以連接VR、AR，實現(xiàn)360度的沉浸式體驗。同時，智慧交通、智慧醫(yī)療、公共安全和文體娛樂都是資本關注度較高的應用場景?！癡R、AR將成為5Ｇ時代具有較大潛力的大流量業(yè)務。因為高質量VR、AR內容處理要滿足用戶日益增長的體驗要求需要高帶寬、低延時的網絡走向云端?！惫I(yè)和信息化部互動媒體產業(yè)聯(lián)盟副秘書長楊崑預計，在文化娛樂、教育培訓、工業(yè)生產、醫(yī)療健康和商貿創(chuàng)意等領域應用將會發(fā)展較快。3.5云化機器人在智能制造生產場景中，需要機器人有自組織和協(xié)同的能力來滿足柔性生產，這就帶來了機器人對云化的需求。和傳統(tǒng)的機器人相比，云化機器人需要通過網絡連接到云端的控制中心，基于超高計算能力的平臺，并通過大數據和人工智能對生產制造過程進行實時運算控制。通過云技術機器人將大量運算功能和數據存儲功能移到云端，這將大大降低機器人本身的硬件成本和功耗。并且為了滿足柔性制造的需求，機器人需要滿足可自由移動的要求。因此在機器人云化的過程中，需要無線通信網絡具備極低時延和高可靠的特征。5G網絡是云化機器人理想的通信網絡，是使能云化機器人的關鍵。5G切片網絡能夠為云化機器人應用提供端到端定制化的網絡支撐。5G網絡可以達到低至1ms的端到端通信時延，并且支持99.999%的連接可靠性，強大的網絡能力能夠極大滿足云化機器人對時延和可靠性的挑戰(zhàn)。未來的人機界面應用將發(fā)生顛覆性的改變，其借助工業(yè)智能與大數據的融合，使可穿戴工業(yè)設備、增強現(xiàn)實（AR）在人機融合中扮演重要角色，如讓工人們穿上機器人外骨骼裝備，利用“可穿戴工業(yè)設備+AR技術”，將信息與真實世界場景融為一體，隨時捕捉信息、接收云端指令和操作協(xié)助等，這需要網絡支持eMMB和URLLC兩大場景。3.6網聯(lián)無人機無人機是利用無線遙控和程序控制的不載人飛機，它涉及傳感器技術、通信技術、信息處理技術、智能控制技術以及航空動力推進技術等，是信息時代高技術含量的產物。無人機價值在于形成空中平臺，結合其他部件擴展應用，替代人類完成空中作業(yè)。目前，消費類無人機占據更多的市場份額，但行業(yè)無人機也正被看好，諸多領域已顯現(xiàn)出“無人機+行業(yè)應用”的發(fā)展勢頭。無人機在農林植保、電力及石油管線巡查、應急通信、氣象監(jiān)視、農林作業(yè)、海洋水文監(jiān)測、礦產勘探等領域有廣泛的應用前景，在災害評估、生化探測、污染采樣、遙感測繪、緝毒緝私、邊境巡邏、治安反恐、野生動物保護等方面也有廣闊前景。接入低空移動通信網絡的網聯(lián)無人機，可以實現(xiàn)設備的監(jiān)視和管理、航線的規(guī)范、效率的提升，促進空域的合理利用，從而極大地延展無人機的應用領域，產生巨大經濟價值。5G為網聯(lián)無人機賦予了實時超高清圖傳、遠程低時延控制、永遠在線等重要能力，全球將形成一個數以千萬計的無人機智能網絡，7×24小時不間斷地提供航拍、送貨、勘探等各種各樣的個人及行業(yè)服務，進而構成一個全新的“網聯(lián)天空”。4智能化社會與5G技術綜上可以看出，智能化社會的發(fā)展與5G技術有著密切聯(lián)系。和傳統(tǒng)的移動通信技術相比，5G將進一步提升用戶體驗：在容量方面，5G通信技術將比4G實現(xiàn)單位面積移動數據流量增長1000倍；在傳輸速率方面，單用戶典型數據速率提升10到100倍，峰值傳輸速率可達10Gbps（相當于4G網絡速率的100倍）；端到端時延縮短5倍；在可接入性方面：可聯(lián)網設備的數量增加10到100倍；在可靠性和能耗方面：每比特能源消耗應降至千分之一，低功率電池續(xù)航時間增加10倍。5G是變革世界連接、計算與通信的網絡平臺，是數字經濟的全面實踐和完整體現(xiàn)。5G網絡變革將帶來技術和產業(yè)的顛覆式發(fā)展，將促使產業(yè)鏈劇烈調整、利益重新分配。未來，5G技術能干些什么？主要體現(xiàn)在以下3大應用場景：（1）增強移動型寬帶：能夠實現(xiàn)Gbps移動寬帶數據接入，三維立體視頻、超高清晰度視頻、云工作、云娛樂、增強現(xiàn)實等。（2）超高可靠與超低時延通信：應用方向為無人駕駛、遠程醫(yī)療、工業(yè)自動化、緊急任務應用等。（3）大規(guī)模機器類通信：主要針對物聯(lián)網、智慧家庭、智慧城市、智能樓宇等。5G高投資將帶來高回報。5G與產業(yè)的深度融合，將進一步催生5G發(fā)展的潛在動力，5G應用的深度和廣度也將不斷增加，不僅能拉動產業(yè)鏈上下游加速發(fā)展，還將帶動我國實體經濟轉型升級，形成新的生產方式、業(yè)務模式，激活新的經濟增長點。5G將成為擴大內需、釋放消費的新動力。一方面，5G的超高速率、超大連接、超低時延三大特性，將推動信息產品和服務不斷豐富創(chuàng)新；另一方面，5G與垂直行業(yè)的深度融合，將催生工業(yè)、交通、醫(yī)療、教育等領域的新應用、新業(yè)態(tài)、新模式，給用戶帶來前所未有的信息產品和信息消費體驗，拉動“5G+互