中国一流创新技术之5G:数字中国建设的开路先锋

  5G不仅是4G的扩展,具有速度快、覆盖范围广的特点,当和人工智能、物联网、云计算、大数据、边缘计算、VR/AR、无人机等技术相结合,能够在各个领域中得到高质量应用,进而催生各行各业的新应用、新业务和新商业模式,从而带来生态圈裂变式发展。5G表现出的巨大潜力让世界各大通讯强国都在蓄力争夺主动权。中国在5G竞赛中的领先有目共睹。对于中国而言,5G不仅仅是下一轮信息科技革命的主角,还是其巩固科技创新地位的敲门砖。目前,我国5G专利数量占比超过34%,位居全球第一,遥遥领先其他国家。截至今年7月,我国累计建成5G基站我国5G基站数累计开通185.4万个,实现“县县通5G”;在网络通信服务支撑社会发展方面,融合应用赋能提速,5G和千兆光网融合应用加速向工业、医疗、教育、交通等领域推广落地,5G应用案例数超过2万个;工业互联网在产业集群、绿色低碳、安全生产等领域深度拓展,打造了一大批车间级、企业级、集群级新标杆。

  5G不是简单地比4G多“1G”。5G是第五代移动通信技术的简称,是最新一代蜂窝移动通信技术,是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统。

  5G具有超高的频谱利用率和能效,在传输速率和资源利用率等方面较4G移动通信提高至少一个量级,无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验也将得到显著的提高。

中国一流创新技术之5G:数字中国建设的开路先锋(图1)

中国一流创新技术之5G:数字中国建设的开路先锋(图2)

  5G移动通信与其他无线移动通信技术密切结合,构成了新一代无所不在的移动信息网络,满足相比4G移动互联网流量增加1000倍的发展需求。5G移动通信系统的应用领域也将进一步扩展,对海量传感设备及机器与机器(M2M)通信的支撑能力将成为系统设计的重要指标之一。

  5G系统还具备充分的灵活性,具有网络自感知、自调整等智能化能力,以应对未来移动信息社会难以预计的快速变化。

  在移动通信产业的不断迭代升级中,行业市场的洗牌,带来的不仅是企业间为获得先发优势而开展的标准竞争,还有可能外拓为国家竞争的维度。相关的标准制定者选定并对关键技术进行标准化后,由于各项技术的副作用产生的路径依赖效应,最终将叠加成为行业成本。

中国一流创新技术之5G:数字中国建设的开路先锋(图3)

  在过去的3G、4G时代,中国虽然在一些标准如中国移动的TD-SCDMA通信制式上获得主导权,但在编码调制上并未占据重要地位。在2016年有关5G相关国际标准制定的3GPP RAN1中,由美国主导的LDPC取代了过去3G、4G时代的Turbo码,被采纳为5G长码方案,战胜了由欧洲主推的Turbo 2.0和中国主推的Polar(极化码)。然而,在一个月后的短码控制信道方案讨论中,具备超低通信时延的华为公司主推Polar Code方案被确认为5G控制信道eMBB场景编码最终方案。这是中国企业首次进入基础通信框架协议领域,为中国在5G标准中的“制定者”道路提供了基础。尽管美国高通主导5G中长编码及短码数据传输编码,华为仍为中国在信道编码这一技术领域赢得了一定话语权。

  基于国际电信联盟(ITU)提出的三大5G应用场景,eMBB(大带宽业务)、uRLLC(低时延业务)、mMTC(物联网业务),5G国际标准的基本版本是于2018年6月发布的R15版本。目前,R16标准已在2020年7月冻结,进一步强化了移动宽带等能力,从“通信技术”转向“通用技术”。在该标准的制定过程中,中国三大电信运营商中国电信、中国移动、中国联通所提供的文稿约占四成,可以说在此次国际标准贡献中扮演了重要角色。目前,我国5G标准的必要专利声明数量位居全球首位,占比已超过38%。另外,截至2021年2月,全球5G标准必要专利声明排行榜中,排名前五的公司分别是华为、高通、中兴、三星和诺基亚。

  全球标准化组织3GPP正致力于R17版本标准的制定,预计在2022年完成冻结。值得注意的是,围绕着“网络智慧化”“能力精细化”“业务外延化”三个维度,在R17已立项的23个标准中,有近一半的项目是由中国运营商、设备商、终端企业担当报告人/牵头人,如三大电信运营商、中兴、华为、vivo、oppo等,体现出了较高的国际线将重点放在多样化物联网和中高速大连接应用上,以满足工业企业等场景商用需求,有望实现规模化发展,拓展应用于各行业。

中国一流创新技术之5G:数字中国建设的开路先锋(图4)

  相对来说,率先行动并在标准上占据主要话语权的国家也将在市场上占据主动地位,而需要其他国家承担适应成本,比如5G带来的商业创新、对数据、金融业务场景的影响等等。由此可以说,制定技术标准的能力既是综合国力竞争的标志,也是一种竞争手段。

  曾经口号“4G改变生活,5G改变社会”,不难看出5G的商用价值。据中国信息通信研究院发布的《5G经济社会影响白皮书》显示,预计到2030年,5G将带动6.3万亿元的总产出、2.9万亿元的GDP和800万个就业机会;在间接贡献方面,5G将带动10.6万亿元的总产出、3.6万亿元的GDP和1150万个就业机会。

中国一流创新技术之5G:数字中国建设的开路先锋(图5)

  2020年—2030年十年间5G经济产出预估。(数据来源:中国信通院、中商产业研究院)

  基于领先技术的支持,加上全球最大的用户规模、巨大的4G网络、丰富的移动互联网应用等明显优势,我国5G商用牌照的发放可谓水到渠成。2019年6月6日,我国正式发布5G商用牌照。然而,两年之后的今天,我们作为普通人似乎也并没有享受到1秒钟下载1G电影的高速度,也有人开始怀疑5G只是在炒概念。

  5G目前还没有大规模普及,从技术层面来讲,一个通信技术从诞生到成熟通常要5-10年的周期,而且相关的配套设备也还没完全成熟。比如,5G基站的耗电量超大,5G每基站的能耗约为4G的2—3倍左右,总能耗可能是4G的4—9倍左右。为了确保5G基站的供电,甚至不得不重新建设供电线G基站耗电量过大而不得不在空闲时段关闭,这在以往的2G、3G、4G技术上都未曾出现过。

  5G芯片的技术成熟度不足,2019年商用5G的时候手机芯片普遍需要外挂5G基带芯片,本来5G手机芯片的功耗就高,5G基带芯片还要外挂导致手机的耗电量进一步加大,手机的续航普遍受到影响,为了确保续航5G手机的电池容量普遍超过4000mAh,然而,即使如此5G手机的续航依然差强人意,以致于一家手机企业的技术人员直接建议用户关闭5G功能以获得更佳的续航力。

  从市场层面来讲,5G投资规模大且投资回报期长。若5G的基站数按4G的2.5倍考虑(5G基站覆盖面小),基站价格按4G的2倍考虑,则5G基站总投资是4G的5倍。我国4G建设从2013年起到现在经历7年投资,目前4G用户已占全网移动用户的80%,5G的建设如要达到4G的用户规模,投资将需要8年甚至更长。而5G的投资回报期,目前韩国5G用户的ARPU值比4G增加37%,显示在来自消费者用户的收入方面,5G超过4G。

  除了成本高的因素外,即便在5G主战场的工业互联网领域,很多时候目前正在使用的WiFi已经能够很好得解决需求,且社会和消费者都习惯了使用,即便5G能够升级覆盖原有系统,但因为升级成本巨大,加上带来直观收益不大,往往出现升级失败的情况。

  其实,5G正在引发一场深刻的产业变革。不同于之前代际通信仅仅是在消费互联网领域实现升级,5G应用是在为实体经济打开想象空间,由此引发的乘数效应和聚变效应将对中国经济起到不可估量的作用。

  5G也在重塑互联网发展,计算机和互联网(IT)、手机和通讯技术(CT)、工业控制器和现场总线(OT),每对搭配都是为了解决特定领域的特定问题,相互之间的交集并不多,但是如今它们在各自领域的发展都遇到了瓶颈,而5G的到来促使它们进一步融合,进行互联互通的数字化转型,并开拓新蓝海。这片新蓝海目前的叫法是物联网、万物互联或者智联网(AIoT)。

  5G商用成为关键落子。相关数据显示,中国5G发展已走在世界前列。越来越多的5G应用从辅助生产向核心领域渗透,推动各行各业加快数字化转型,提升了中国经济的创新力和竞争力。更为重要的是,随着5G朝着万物互联方向演进,自动驾驶、智慧交通、智慧能源、智慧城市……将越来越多地从梦想照进现实。在业内看来,5G的“乘数效应”将催生经济实现聚变式发展,一场难以估量的颠覆性变革新图景即将展开。

  5G不仅为经济社会数字化转型开辟了新路径、提供了新引擎,也进一步激发科技革命新动力。一方面带动核心芯片、关键元器件、基础软件等技术突破。另一方面,5G与制造、交通、能源、医疗等深度融合,推动人工智能、大数据、虚拟现实、高清视频等不断实现技术升级。

中国一流创新技术之5G:数字中国建设的开路先锋(图6)

中国一流创新技术之5G:数字中国建设的开路先锋(图7)

  5G核心技术保持领先。我国企业声明5G标准必要专利数、国产品牌5G系统设备出货量、芯片设计能力等方面在全球具有领先优势。前三季度,国内市场5G手机出货量达到1.83亿部,同比增长70.4%,占同期手机出货量的73.8%。

  与4G相比,5G的网络传输平均速度提升10倍,峰值速度甚至可以达到更快,同时具有超高可靠低时延、海量机器类终端通信等特点。性能的大幅提升,让垂直行业应用进入移动通信行业视野,为5G改变工业,赋能传统产业升级拓展了巨大空间。

  以被三大运营商列入5G试点的城市上海为例,累计建设5G基站超4.3万个,目前与4G基站保有量基本持平。5G应用在智能制造和智慧医疗两个方向表现突出。例如,中国商飞利用5G+AR辅助装配和远程维护、利用5G+高清视频进行零部件检测等,洋山港用5G网络远程操控码头的龙门吊,上海交大医学院附属瑞金医院用5G网络推进远程会诊、远程手术等等。

  从全国来看,两年多时间,涌现出上万个5G应用创新案例,覆盖22个国民经济重要行业。其中,采矿业由于作业环境恶劣,且出于工作人员安全考虑,对5G有刚需;钢铁、水泥等行业出于人力短缺和提升效率的考虑,且近两年效益较好,对尝试5G有较强动力;而医疗行业因为更贴近老百姓,应用进展同样较快,主要需求是惠民和提升会诊效率。

  以建设专网为基础,通过协同云计算、边缘计算、大数据分析等技术,5G在垂直行业提供各类创新应用。138个钢铁企业、194个电力企业、175个矿山、89个港口实现5G应用商用落地。

  此外,“5G+工业互联网”在建项目超过1800个;5G空中课堂、5G虚拟实验室、5G智慧校园等应用初具规模;超过600家三甲医院开展了5G+急诊急救、远程诊断、健康管理等应用;增强现实导游、4K/8K直播等5G应用在信息消费领域快速发展。

  截至今年7月,我国累计建成5G基站我国5G基站数累计开通185.4万个,实现“县县通5G”;在网络通信服务支撑社会发展方面,融合应用赋能提速,5G和千兆光网融合应用加速向工业、医疗、教育、交通等领域推广落地,5G应用案例数超过2万个;工业互联网在产业集群、绿色低碳、安全生产等领域深度拓展,打造了一大批车间级、企业级、集群级新标杆。

  接下来,我国将深化5G共建共享,持续提升“双千兆”网络覆盖深度和广度,继续推进电信普遍服务,力争今年全年新建开通5G基站60万个,总数超过200万个;加快推动工业互联网提档升级,一体化推进工业互联网试点示范,实施5G行业应用“十百千”工程,助力产业数字化转型。

  尤肖虎、潘志文、高西奇、曹淑敏、邬贺铨. 5G移动通信发展趋势与若干关键技术.中国科学.2014-05

  腾讯新闻棱镜深网.关于5G发展的28个核心问题,来自华为内部的深度解读.

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