1.1　5G网络概述

5G具备高速率、高容量、广连接、低时延、低能耗等网络属性，为创新应用铺就了信息高速公路。

1.1.1　5G性能指标

2015年，由国际电信联盟（ITU）发布《IMT愿景：5G架构和总体目标》，其中定义了5G网络的连接密度、峰值速率、流量密度等八大关键性能指标（KPI）[1]，见表1-1。

●流量密度：单位面积区域内的总流量，ITU给出的技术指标要求为10Tbit/（s∙km2）。

●连接密度：单位面积上支持的在线设备总和，ITU给出的技术指标要求为106/km2级。

●无线接口往返时延：无线网络空中接口（例如移动终端和基站之间，不包括承载网、核心网等环节）的双向时延，ITU给出的技术指标要求为1ms。

●移动性：满足一定性能要求时，收发双方的最大相对移动速度，ITU给出的技术指标为500km/h。

●能效：即网络能源效率，与ITU给出的4G技术指标相比提升了100倍。

●频谱效率：净比特率（有用信息速率，不包括纠错码）或最大吞吐量除以通信信道或数据链路的带宽（单位：Hz），与ITU给出的4G技术指标相比提升了2~5倍。

●用户体验速率：真实网络环境下用户可获得的最低传输速率，ITU给出的技术指标为0.1~1Gbit/s。

●峰值速率：单用户可获得的最高传输速率，ITU给出的技术指标要求为上行链路峰值速率为10Gbit/s，下行链路峰值速率为20Gbit/s。

1.1.2　5G业务场景

国际标准化组织3GPP定义了5G的三大业务场景：eMBB（enhanced Mobile Broadband，增强型移动宽带（如3D/超高清视频等））、mMTC（massive Machine-Type Communication，大连接物联网或大规模机器类通信）、uRLLC（ultra-Reliable Low-Latency Communication，超可靠低时延通信（如无人驾驶、工业自动化等））[2]。

（1）eMBB

增强型移动宽带是指在现有移动宽带业务场景的基础上，大幅提升用户体验速度。4G网络时代，一般用户实际体验的上传速率为6Mbit/s，下载速率为50Mbit/s，这个速率远不能满足高清视频等应用需求，而且体验也有欠缺；尤其是一些对大流量要求较高的业务（如视频直播等），4G视频直播上传速率为6Mbit/s，严重限制了市场上火热的直播带货等创新业务形态。增强型移动宽带的价值是大大提升原来移动宽带的速率，理论上最高可达1Gbit/s，用户的体验发生巨变。

增强型移动宽带对于需要大带宽的业务（诸如高清视频、虚拟现实（VR）等）的重要性不言而喻。这种改变在国内已经相当明显；针对因光缆部署不足而上网带宽受限较为严重的国家（如美国、德国等），采用增强型移动宽带即可带来网络生活翻天覆地的变化，其传输单位从Mbit/s到Gbit/s的改变能够带来创新网络应用的爆发。

在具体实现方式上，eMBB可以独立组网部署，也可以非独立组网部署。非独立组网部署下，可实现主体网络是4G，在重点地区部署增强型移动宽带。

（2）mMTC

大连接物联网可实现真正的万物互联。5G最主要的价值之一，是突破了人与人之间的通信，使人与机器、机器与机器的通信成为可能。

物联网并非全新的概念，其早在21世纪初即崭露头角，不过其万物互联的特性一直受网络技术的制约。大量的物联网载体（如电线杆、车位、井盖、家庭门锁、空气净化器、暖气、冰箱、洗衣机等）都要接入网络中，主要存在功耗和大容量两方面的问题。功耗方面，众多的物联网载体无法使用固定电源供电，只能使用电池，如果通信部分需要较大的功耗，就意味着部署起来非常困难，将大大限制物联网的发展。

mMTC提供的能力是让功耗降至极低的水平，让大量的物联网设备可以一个月甚至更长时间不需要充电，从而方便进行部署。

当然，大量物联网应用的加入也带来另一个问题，就是应用终端会极大地增加。预计2025年，中国的移动终端产品将达100亿台，其中包含80亿台以上的物联网终端，这需要网络有能力支持大量的设备接入，目前的4G网络显然没有这样的能力。只有5G时代的mMTC依托低功耗、海量接入等能力，才能支持大量的物联网设备的接入，真正实现“亿物互联”。

（3）uRLLC

传统通信中，对于可靠性的要求是相对较低的，但是无人驾驶、工业机器人、柔性智能生产线等场景对通信提出了极高要求，主要体现在高可靠和低时延等方面。所谓“高可靠”就是网络必须保持稳定，保证在运行过程中不会拥堵、不会被干扰和不会经常受到各种外界的影响。而之前的4G网络时延最低只能达到20ms，但是uRLLC却可以将时延缩短到1~10ms，这样的时延才能提供高稳定性、高安全性的通信能力，从而让无人驾驶、工业机器人等高精尖设备，在接收命令时第一时间做出反应，迅速、及时地执行操作指令。当然，上述极致的网络时延能力需要采用边缘计算、网络切片等多种创新技术来实现，确保更多高可靠的通信场景。

上述三大场景基本上代表了世界移动通信业对于5G的基本愿景。

1.1.3　5G网络特性

5G通过结合更多创新技术，使其拥有完全不同于传统移动通信的特性，主要包括以下5点。

（1）大带宽

网络速率是消费者首要关心的，相对于4G，5G首先要解决的问题是高速率。每一代移动通信技术的更迭，用户最直接的感受就是网速的提升。5G技术很好地应用了传统技术闲置的毫米波高频段频谱，高频段频谱资源丰富，并成功地在28GHz波段达到了1Gbit/s的带宽。相比于4G网络目前仅为75Mbit/s的带宽，5G网络的带宽是其30倍左右，大宽带是5G网络的一个重要特性。

（2）低时延

作为反映数据从发送到被接收的时间指标，时延的重要性并不比网速低。LTE网络的出现使移动网络的时延迈进了100ms的关口，目前最先进的4G LTE平均时延在90ms左右，促进对时延要求较高的应用具备规模化部署的条件，因此催生了视频直播和小视频等全新的互联网应用；但是对网络时延要求极高的应用却无法实现。而5G的时延设计目标为4G的1/50，其中终端到空口的往返连接时延目标降到1ms，并采用各种技术实现将端到端的操控时延控制在10ms以内，XR（Extended Reality或Gross Reality，扩展现实）等创新应用拥有了展示的舞台。

（3）广连接

5G网络不仅支持更多的数据，还具有规模接入的能力。采用大规模机器类通信技术，把每平方千米的连接数量提升到百万级别，并把传统移动网络的以手机为终端，扩展到生活中每一个通过网络连接的终端，如眼镜、门锁、空调、冰箱等生活设施以及水表、电表、电线杆等公共设施。5G的广连接特性提供千亿设备的连接能力，非常适合物联网通信。

（4）泛在网

广连接的特性对5G网络提出了更高的要求，即网络广泛存在。只有无处不在的网络才能支撑日益增加的无线终端及日趋丰富的应用场景。泛在网包含广度覆盖及纵深覆盖：广度覆盖指人类足迹延伸的地方都需要被覆盖；纵深覆盖指人们的生产、生活的方方面面都需要具备联网属性，实现智能生产和智能生活。5G泛在网的特点支持所有连接网络的智能终端可以在任何角落接入网络，突破时间、地点和空间等限制。

（5）网络能力开放

与4G相比，5G依托NFV、SDN、网络切片等技术，能够灵活支撑多样化的业务服务，以满足不同应用场景下的性能指标需求，并具备多样性的网络功能，能够智能地感知用户需求，对网络功能进行简化、重构以及编排，提供高效灵活的网络控制和转发功能。同时5G网络具备按需定制服务的能力，并支撑灵活的业务部署，在满足差异化的业务需求的同时，提升网络服务价值。5G时代将重塑网络价值，真正的云网融合架构能够实现网络与应用的互促互生，彻底改变传统电信运营商在互联网产业中的地位。5G网络能力开放，就像是电信运营商为各种创新的网络应用提供了“肥沃的土壤”，而不像4G时代时其仅扮演一个输送流量的“管道”。

1.1.4　5G网络应用

在5G时代，结合物联网、大数据、智能学习等技术，互联网将从移动互联网时代逐步迈向智能互联网时代。智能互联网时代，不仅改变了人们的生活方式，而且正在改变生产方式。

5G更快、更广、更强的本质，提供了更高效、更及时的资源运用，并且随着性能的大幅提升，各种创新技术应用带来多方面的社会效益及经济效益。在市场价值方面，5G呈现以内容、算力及体验为主的创新价值，终端厂商、渠道商、内容提供商等将积极探索新的产业模式。电信运营商和互联网应用提供商的服务模式和获利手段也将随着云网融合能力、业务场景的多元化而演绎更多的创新模式和方法。

依托5G创新技术，通过与文化娱乐、交通、医疗、工业等各个行业融合，进一步地催生和重塑行业创新应用的发展，5G应用将全面发展。5G创新应用如图1-1所示。

（1）3D、超高清视频

作为继数字化、高清媒体之后的新一代革新技术，超高清视频浪潮已至，被认为是5G时代最明确的应用方向之一，并有望最早实现商用。其典型特征是大数据、高速率，按照产业主流标准，4K视频传输速率为12~40Mbit/s，8K视频传输速率为48~160Mbit/s，4G网络或Wi-Fi网络环境已经无法完全满足其网络流量、存储空间及回传时延等技术指标要求，难以承载超高清视频的播放需求，从而影响用户观看超高清视频的良好体验。用户渠道流量受限，上游的视频内容生产者无法在超高清视频上获得投资回报，超高清视频的发展受到了阻碍。超高清视频网络需求见表1-2。

5G基于大宽带、超可靠、低时延等特征赋能超高清视频行业，可以解决超高清视频网络承载问题，并刺激终端屏幕数量的爆发，促进超高清终端产业链的生成。结合5G技术，超高清视频被广泛应用于直播领域（如各种大型赛事、活动等）以及商业性领域（如远程现场实时展示等）。

（2）自动驾驶

自动驾驶实现的关键是需要稳定和高效的车联网。车联网涉及人与车、车与车、车与路之间的通信，通过5G通信技术实现“人—车—路—云”一体化协同，使其成为低时延、高可靠应用场景中最为典型的应用之一。5G技术通过与车联网技术的结合，实现了车与车、车与路、车与人、车与云平台之间的互通互联，推动与低时延、高可靠密切相关的远控驾驶、自动驾驶等具体应用场景。远控驾驶，其特点是通过车内摄像头和传感器将车辆场景传输到远程控制中心，驾驶员在控制中心控制车辆，其往返时延（RTT）需要小于10ms；自动驾驶，包含诸如紧急刹车、车对行人（V2P）、车对基础设施（V2I）、车对车（V2V）、车对网络（V2N）等多路通信同时进行的大部分应用场景，其特点是采集以及处理的数据量极大，所以对网络的要求是10Gbit/s峰值速率的大带宽、1ms的低时延、1 000亿连接的超高连接数以及99.999%的高可靠性。可以看出，只有通过5G通信网络技术满足车联网典型应用场景对网络高要求的需求。

总的来说，5G技术利用其低时延和大带宽等特性为车联网赋能，随着技术的逐步演进，无人驾驶将成为可能。其中，低时延在交通运行过程中，对路权分配等信息具有高并发性和高时效性，而大带宽则保证每辆车的信息都能实时有效地接入，保证位置/车辆状态等信息共享，快速响应和处理海量数据，以便有效地提升交通管理水平，促进城市交通智能化。

（3）智能制造

智能制造是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，通过人与智能机器的协同，扩大、延伸甚至部分取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。具有以智能工厂为载体、以关键制造环节智能化为核心、以端到端数据流为基础、以网络互联为支撑等特征，在制造过程中能进行智能活动，如分析、推理、判断、构思和决策等，可有效缩短产品研制周期、降低运营成本、提高生产效率、提升产品质量以及降低资源能源消耗。

近些年，Wi-Fi、蓝牙和WirelessHART等无线解决方案已经在制造车间立足，但对于最新、最尖端的智慧制造应用，这些无线解决方案不能满足其灵活、可移动、高带宽、低时延和高可靠等通信要求。而5G三大场景切合智能制造的通信需求，为智能制造提供宽带、可靠和安全的连接，确保工厂自动化控制和传感系统在几百甚至几万平方千米的工作范围内，具有安全高效的生产保障。

（4）远程医疗

远程医疗指通过现代通信技术，以双向传输数据、图像、语言等信息为手段，打破传统医疗受空间限制的短板，提供远程医疗服务。从20世纪50年代末至今，远程医疗已经有了很大的突破，但是仍然存在一些问题：网络通信质量无法支撑整个医疗过程，而导致诊疗过程的连续受阻；带宽不够致使网络传输出现滞后性，传输不了高清图片、影像。信息的不准确会影响医生的判断，从而导致诊断效率降低，影响治疗方案的决策。

而5G的全范围覆盖以及不间断的网络能够提供远程医疗所需的信号，而不至于出现网络中断导致医疗过程停止。在5G网络高质量、高速率的保障下，能够高速传输具有高分辨率特性的图片和视频，以辅助医生更加及时准确地判断病情。

（5）XR

XR作为虚拟与现实的有效融合，是近眼现实、渲染处理、感知交互以及网络传输等新一代信息技术交融的产物。XR在实际市场应用中，主要包括VR（Virtual Reality，虚拟现实）和AR（Argumented Reality，增强现实）两大分支，其中MR（Mixed Reality，混合现实）可作为AR的一种。

带宽和时延导致的互动性体验不强、终端移动性差以及时延导致的眩晕感等痛点问题，一直是遏制XR行业发展的短板。高质量的XR业务对带宽、时延要求逐渐提升，而5G网络能够满足XR业务高清（8K以上，全景传输带宽要求接近700Mbit/s）、低时延（MTP，头动到显示相应画面的时间为20ms以内）的苛刻网络传输需求。虽然MTP可以通过终端侧异步渲染扭曲等创新技术解决，但是对于云XR业务来讲，其网络传输时延也具有较高的要求。这些要求在4G时代已经无法满足，而在5G加持下，XR业务的通信传输短板将被弥补，使XR潜能从现有的技术缺陷中释放。具体如下。

●5G的高速传输是促进XR行业发展的关键，有效解决了制约XR产业发展的网速瓶颈问题。

●5G的低时延是优化XR应用体验的核心，而依托不同于4G网络的基站布局及移动边缘计算技术，XR应用的时延得到极大缩短。根据IMT-2020制定的指导方针，5G将提供1ms的空口往返时延。因此，5G时代将消除XR因时延出现的眩晕感，优化XR应用的用户体验，并推动XR行业发展。

●5G的广连接是加速XR内容推广的动力，5G网络的目标是实现万物互联，这意味着将有海量的信息和内容通过5G网络辐射到各个终端节点。例如，在5G大背景下，各类超高清视频应用可以通过5G网络在不同终端（如VR、AR等）中运行。这种信息与内容的互通互联使XR内容得到大幅的改善，实现从内容端打通XR产业。

5G技术铺就了一条高速信息智能“管道”，XR是其中重要的信息数据洪流之一。依托5G移动边缘计算，借助网络边缘设备的计算和存储能力，实现XR业务的实时分发和低时延传输；依托5G网络切片技术，为XR提供端到端的网络资源保障。

以上种种有助于XR技术演进及应用场景落地，极大地改变大众生活、学习、工作及娱乐等方式，并促进XR成为5G网络杀手级应用之一。