王純?尹志東?彭睿?曾波?張宇?王政

摘 要：本文通過(guò)梳理5G的發(fā)展現(xiàn)狀，系統(tǒng)分析了5G產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新業(yè)務(wù)應(yīng)用及5G總體安全架構(gòu)，從未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景、加速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)融合、實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)三個(gè)方面預(yù)測(cè)了5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，以期為5G技術(shù)在萬(wàn)物智能互聯(lián)時(shí)代發(fā)揮更重要的作用提供給一定理論參考。

關(guān)鍵詞：5G;安全架構(gòu);應(yīng)用場(chǎng)景;萬(wàn)物互聯(lián)

中圖法分類號(hào)：TN92? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0216

5G不僅改變了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男?，也改變了各行各業(yè)的傳統(tǒng)規(guī)則，使傳統(tǒng)行業(yè)發(fā)生融合、協(xié)同，極大提升了生產(chǎn)效率，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)、高質(zhì)量的發(fā)展。專家學(xué)者在全世界范圍內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并依據(jù)預(yù)測(cè)模型得出：到2025年，5G將達(dá)到目前4G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋水平，全球用戶將突破10億。商業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)市場(chǎng)進(jìn)測(cè)算，超過(guò)10萬(wàn)億美元的全球GDP和超過(guò)2 000萬(wàn)的就業(yè)崗位將直接和5G應(yīng)用相關(guān)[1]。當(dāng)前，以華為為代表的國(guó)內(nèi)通訊企業(yè)在全球處于領(lǐng)先地位。根據(jù)我國(guó)官方學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)研究結(jié)果，超過(guò)6萬(wàn)億元的GDP和超過(guò)1 000萬(wàn)的就業(yè)崗位將直接和5G應(yīng)用相關(guān)。大力發(fā)展5G將有利于網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)和制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，5G技術(shù)將成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、高質(zhì)量發(fā)展的持續(xù)推動(dòng)力量之一。

1? 5G概述

5G是第五代移動(dòng)通信技術(shù)的全稱，是第五代手機(jī)移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。雖然4G技術(shù)依然占據(jù)市場(chǎng)主流，但5G技術(shù)優(yōu)勢(shì)能全面超越4G。數(shù)據(jù)傳輸層面，5G網(wǎng)絡(luò)理論速度可以達(dá)到4G的100倍以上，下行速度更是可以達(dá)到10Gbps以上。網(wǎng)絡(luò)安全性上，5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全面提升。網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性上，變現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡脱舆t特性上，可以面向無(wú)人駕駛、遠(yuǎn)程工程操作和手術(shù)醫(yī)療等特定場(chǎng)景。5G技術(shù)對(duì)4G技術(shù)的升級(jí)迭代已經(jīng)不可避免，并將逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，通信產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)新一輪的發(fā)展，將帶動(dòng)數(shù)萬(wàn)億規(guī)模的新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2? 5G技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

5G技術(shù)的快速發(fā)展改變了整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)。5G網(wǎng)絡(luò)三個(gè)基本要素是網(wǎng)絡(luò)基建、云計(jì)算設(shè)備以及大數(shù)據(jù)分析，其中5G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上可以發(fā)展基于次時(shí)代網(wǎng)絡(luò)傳輸效率的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)計(jì)算，并且在4G不具備大規(guī)模應(yīng)用的大數(shù)據(jù)分析也將實(shí)現(xiàn)。尤其是在工業(yè)界，高精度的數(shù)據(jù)傳輸以及涉及商業(yè)機(jī)密的可靠性網(wǎng)絡(luò)需要，都將依托于5G網(wǎng)絡(luò)的高速率、低延遲和可靠特性，智能化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)[2]。5G運(yùn)營(yíng)商將順勢(shì)而為，利用網(wǎng)絡(luò)基建、云計(jì)算設(shè)備以及大數(shù)據(jù)分析打造全新的萬(wàn)物互聯(lián)新消費(fèi)場(chǎng)景。

2.1? 5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

5G技術(shù)還未建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。世界各國(guó)的科研機(jī)構(gòu)、科技公司都在積極爭(zhēng)取先機(jī)。其中較為有影響力的是國(guó)際電信聯(lián)盟發(fā)布的合作伙伴計(jì)劃（下文簡(jiǎn)稱3GPP），這一舉動(dòng)使得國(guó)際電信聯(lián)盟在5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定上暫時(shí)領(lǐng)先。3GPP在2018年發(fā)布了兩項(xiàng)重要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：空中接口技術(shù)（NR）和獨(dú)立組網(wǎng)功能（SA），這是5G獨(dú)有的技術(shù)，并且在此基礎(chǔ)上繼續(xù)制定了非獨(dú)立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（NSA），可以說(shuō)5G網(wǎng)絡(luò)的基本標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在這個(gè)時(shí)期制定完成（如圖2所示）。2020年，3GPP繼續(xù)更新早先制定的標(biāo)準(zhǔn)，宣布R16標(biāo)準(zhǔn)，這被業(yè)界視為5G網(wǎng)絡(luò)第一次技術(shù)升級(jí)。同一時(shí)間，我國(guó)在政府主導(dǎo)下，國(guó)家發(fā)改委、科技部、中科院以及國(guó)有龍頭通訊企業(yè)也在大力推進(jìn)我國(guó)的5G技術(shù)發(fā)展，并且成立了IMT-2020 5G推廣小組[3]。

2.2? 5G 組網(wǎng)方式

3GPP對(duì)5G技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)定義了空中接口技術(shù)（NR）和獨(dú)立組網(wǎng)功能（SA），實(shí)際上這就是R16的前身R15，即5G基站的第一代技術(shù)，相當(dāng)于將4G組網(wǎng)方式進(jìn)行了升級(jí)，但是沒(méi)有換代。到R16階段，4G組網(wǎng)方式已經(jīng)被完全取消，采用獨(dú)立組網(wǎng)方式，好處是不同的運(yùn)營(yíng)商可以根據(jù)自己的基站布設(shè)情況來(lái)優(yōu)化自己的網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上，R15的優(yōu)勢(shì)在經(jīng)濟(jì)，因?yàn)椴恍枰笠?guī)模的基站更新就可以實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。R16的優(yōu)勢(shì)在于真正實(shí)現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)的一系列獨(dú)有功能。

2.3? 5G為用戶提供了更多的場(chǎng)景應(yīng)用

5G作為次世代的通信技術(shù)，它實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)效率的質(zhì)變，數(shù)以百倍的速度提升以及數(shù)以千倍的用戶連接支持?jǐn)?shù)量，更高等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和信息安全性可以應(yīng)對(duì)未來(lái)各種場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。因此，多?shù)研究機(jī)構(gòu)將5G未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景歸結(jié)為海量數(shù)據(jù)流、海量互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及海量的新應(yīng)用場(chǎng)景。例如，海量的大容量資源下載和實(shí)時(shí)傳輸，高穩(wěn)定的數(shù)據(jù)互換，以及遠(yuǎn)程工業(yè)控制甚至是遠(yuǎn)程醫(yī)療這種幾乎沒(méi)有延遲的數(shù)據(jù)傳輸才能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景[4]。此外，隨著智能生活時(shí)代的到來(lái)，數(shù)量驚人的智能設(shè)備以及用戶都將介入5G網(wǎng)絡(luò)。

3? 5G總體安全架構(gòu)

隨著新的5G應(yīng)用場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、空中接口技術(shù)的出現(xiàn)，用戶隱私和安全需求與現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)不同。特別是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景帶來(lái)的大連接認(rèn)證，在高可用性、低延遲、低能耗等條件下將提出更高的安全需求。此外，5G引入的SDN/NFV、移動(dòng)邊緣計(jì)算等新技術(shù)將帶來(lái)更多的變化和安全風(fēng)險(xiǎn)。上述各種新技術(shù)、新需求都對(duì)5G安全架構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了新挑戰(zhàn)。3GPP工作組SA3負(fù)責(zé)5G網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)的設(shè)計(jì)，指出5G安全架構(gòu)設(shè)計(jì)中需要注意的領(lǐng)域[5]（如圖3所示）。在5G整體安全架構(gòu)的能力部署層面，各種創(chuàng)新思路尚未趨同，但是內(nèi)生安全已成為一個(gè)引人注目的發(fā)展趨勢(shì)。從5G安全能力部署的角度來(lái)看，當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)是在5G安全架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)云化、池化、虛擬化的特點(diǎn)，探索內(nèi)生安全的機(jī)制進(jìn)而設(shè)計(jì)部署框架。目前，業(yè)界對(duì)5G安全的關(guān)注和重點(diǎn)研究主要是結(jié)合5G安全需求和系統(tǒng)內(nèi)生安全機(jī)制，從空中接口和地面網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)層面探討5G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生安全要素，引入新的防御機(jī)制，提出5G內(nèi)生安全部署架構(gòu)。從而在這個(gè)架構(gòu)中，進(jìn)一步研究物理層安全、輕量級(jí)加密、5G網(wǎng)絡(luò)切片安全、模擬防御、用戶隱私保護(hù)、區(qū)塊鏈技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)及其在5G中的應(yīng)用，最終形成防范已知和未知安全風(fēng)險(xiǎn)的高性能、高可靠性的綜合技術(shù)解決方案[6]。

4? 5G產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新業(yè)務(wù)應(yīng)用分析

5G技術(shù)還可以推動(dòng)其他行業(yè)進(jìn)步，甚至催生出新的技術(shù)行業(yè)。例如在新冠疫情期間，遠(yuǎn)程辦公、教育、醫(yī)療的重要性逐漸凸顯，越來(lái)越多的無(wú)人駕駛載具也日臻成熟，5G技術(shù)將會(huì)在這些領(lǐng)域提供強(qiáng)大的信息技術(shù)支持，甚至改變整個(gè)行業(yè)規(guī)則[7]。這就要求5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商解決好三要素問(wèn)題：扎實(shí)的基站建設(shè)、優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及先進(jìn)的大數(shù)據(jù)算法，將5G技術(shù)向不同行業(yè)進(jìn)行滲透，實(shí)現(xiàn)“5G+”。

在智慧交通方面，無(wú)人駕駛等技術(shù)依靠極其高效的通訊、算法，并且整個(gè)路網(wǎng)系統(tǒng)必須進(jìn)行“云計(jì)算”改造，依托于5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)載具和實(shí)時(shí)路況的適應(yīng)和交互，也就是所謂的智能交通系統(tǒng)組建[8]。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方面，我國(guó)“十四五”規(guī)劃明確提出要實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)升級(jí)應(yīng)用就是重要抓手。實(shí)際上，智能制造一直是國(guó)家大力發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，工廠智能化、資產(chǎn)管理智能化，尤其是通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，都將基于5G技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)[9]。

在遠(yuǎn)程醫(yī)療方面，解決醫(yī)療資源分配不均衡問(wèn)題的有效途徑就是共享。多醫(yī)院間通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)、診療甚至手術(shù)共享協(xié)作，特別是對(duì)于傳染性疾病進(jìn)行非接觸式的診療也將得以真正實(shí)現(xiàn)。這一切都將有效使大城市的醫(yī)療資源下沉到三四線城市甚至是縣城，平衡區(qū)域醫(yī)療資源不充分，跨區(qū)域交通條件受限等問(wèn)題[10] 。

對(duì)數(shù)據(jù)交換方面，5G技術(shù)具有預(yù)導(dǎo)頻、小幀結(jié)構(gòu)、上下行自由調(diào)度等升級(jí)功能，解決了空中接口數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延這個(gè)最大的技術(shù)桎梏[11]。5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)突破現(xiàn)有所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要的帶寬需求，并且自身網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架上保證了數(shù)據(jù)傳輸上的安全可靠性，在能源、航天、環(huán)保、安全巡查、森林防火等關(guān)系國(guó)家安全領(lǐng)域?qū)⒌玫酱笠?guī)模應(yīng)用[12]。

5? 5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

5.1? 未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景

目前主流觀點(diǎn)認(rèn)為，大規(guī)模、大流量的人流場(chǎng)景以及低延遲需求的應(yīng)用場(chǎng)景是5G技術(shù)未來(lái)應(yīng)用的主要場(chǎng)景。例如：我國(guó)即將全面進(jìn)入高鐵時(shí)代，同時(shí)一、二線城市的地鐵建設(shè)也迎來(lái)了高峰，5G網(wǎng)絡(luò)將首先在高鐵、地鐵上實(shí)現(xiàn)全域覆蓋;一、二線城市已經(jīng)相繼建立的城市智慧治理中心，不僅是利用海量信息數(shù)據(jù)管理城市，同時(shí)需要環(huán)境檢測(cè)、應(yīng)急響應(yīng)等需5G技術(shù)支持的數(shù)字化實(shí)時(shí)管理手段;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)人駕駛等技術(shù)也將依托于5G技術(shù)的安全可靠以及低延遲特性，尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為各種場(chǎng)景模擬提供了有效解決手段[13]。

5.2? 加速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)融合

5G技術(shù)為支撐，可以實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)加速融合發(fā)展。例如：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)就是信息化技術(shù)加入到傳統(tǒng)工業(yè)界[14]。4G時(shí)代的商業(yè)、服務(wù)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生巨大變革，5G技術(shù)將進(jìn)一步加速服務(wù)業(yè)智能化進(jìn)程，引發(fā)產(chǎn)業(yè)迭代升級(jí)，即是管理方式和供應(yīng)鏈體系的智能化。

5.3? 實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)

基于5G技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的“萬(wàn)物互聯(lián)”。在4G時(shí)代，人與物之間通過(guò)數(shù)字化手段已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“互聯(lián)”，但沒(méi)有做到“互動(dòng)”，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)的信息交換能力，可以實(shí)現(xiàn)生活學(xué)習(xí)、工作生產(chǎn)數(shù)字化。另一方面，因?yàn)槿f(wàn)物互聯(lián)的實(shí)現(xiàn)，消費(fèi)模式將發(fā)生巨大變化，隨之而來(lái)的是用戶體驗(yàn)的升級(jí)，繼而反向刺激新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式的迅速發(fā)展[15]。根據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)以及頭部通信企業(yè)研究成果，到2030年左右，5G技術(shù)將拉動(dòng)超過(guò)6萬(wàn)億的直接產(chǎn)業(yè)價(jià)值，間接拉動(dòng)價(jià)值超過(guò)10萬(wàn)億。并且這種拉動(dòng)呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)趨勢(shì)，直接產(chǎn)出：2020年約5千億元——2025年約3萬(wàn)億元——2030年約6萬(wàn)億;間接產(chǎn)出：2020年約1萬(wàn)億元——2025年約6萬(wàn)億元——2030年約10萬(wàn)億。智能制造行業(yè)將會(huì)是5G時(shí)代最大的收益者。根據(jù)國(guó)際組織IHSMarkit測(cè)算，2030年前后，基于5G技術(shù)衍生創(chuàng)造的商業(yè)價(jià)值將達(dá)到12萬(wàn)億美元，智能制造行業(yè)將在其中占據(jù)非常大的份額，即是超過(guò)3萬(wàn)億美元（如圖4所示）。

6? 結(jié)語(yǔ)

5G技術(shù)以百倍量級(jí)增加4G網(wǎng)絡(luò)帶寬，不斷優(yōu)化大數(shù)據(jù)分析算法，提供高可靠性、低延遲的網(wǎng)絡(luò)連接保障。5G將極大提高個(gè)人工作、學(xué)習(xí)的效率，并徹底改變社會(huì)生產(chǎn)傳統(tǒng)模式，構(gòu)建基于5G網(wǎng)絡(luò)的下一代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)，重塑行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景和商業(yè)形態(tài)，推動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的深度融合，使人與人、物與物、人與物更加方便、快捷、廣泛地互聯(lián)互通，推動(dòng)社會(huì)數(shù)字化進(jìn)程。

另一方面，功能的豐富和性能增強(qiáng)必然增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基建成本和維護(hù)優(yōu)化的復(fù)雜性。在實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)物互聯(lián)”的過(guò)程中，5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)者要改變自身定位，迅速由互聯(lián)網(wǎng)的管理者轉(zhuǎn)變?yōu)榛ヂ?lián)網(wǎng)服務(wù)的提供者。從網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)資源分配到優(yōu)化運(yùn)營(yíng)多個(gè)角度滿足5G時(shí)代的應(yīng)用場(chǎng)景。充分利用5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，不斷完善智能互聯(lián)的各項(xiàng)功能，以創(chuàng)新實(shí)踐、多方協(xié)作，共同構(gòu)建信息融合的智能產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

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5G Technology Overview and Industry Development Trend Research

Wang Chun? Yin Zhidong? Peng Rui? Zeng Bo? Zhang Yu? Wang Zheng

（Office of the People's Government of Chenghua District，Chengdu City，Chengdu 610051，China）

Abstract：This article systematically analyzes the 5G industry's innovative business applications and the overall security architecture of 5G by sorting out the status quo of 5G development. The article predicts the development trend of the 5G industry from the three aspects of future application scenarios，accelerating the realization of industrial integration，and realizing the interconnection of all things，and provides a theoretical reference for 5G technology to play a more important role in the era of intelligent interconnection of all things.

Keywords：5G; security architecture; application scenarios; Internet of Everything

收稿日期：2020-03-22

基金項(xiàng)目：本文系2020年成都哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目“5G背景下成都新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑選擇研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2020BZ115）

階段性成果

作者簡(jiǎn)介：王純，男，主要研究方向?yàn)樾畔⒓夹g(shù)、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃發(fā)展。