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广为人知的“5G之花”描绘了eMBB、URLLC和mMTC三大类应用场景，3GPP第一个5G完整标准版本R15主要在eMBB上比较成熟，随着基于R15版本的5G网络在中国规模建成和商用，eMBB也得到了广泛的应用。而2020年7月初R16版本冻结，在这一标准版本中，除了eMBB继续得到增强，URLLC也进一步成熟。
在公众对5G价值预期不太乐观的情况下，5G的行业应用，即将5G视为数字新基建的关键和核心内容。希望通过5G与各行业的融合创新，使得5G的价值得到更好的体现，同时在行业数字化的乘数效应下拉动经济的转型和发展，已经成为不仅是运营商的强烈期望，同时更得到了各级政策制定者的关注。
作为5G网络服务的提供者，运营商也都将目光聚焦在垂直行业市场上，纷纷推出5G专网服务，并探索5G在行业的解决方案和应用案例。2020年举行的第三届“绽放杯5G应用大赛”上我们看到了5G在垂直行业的丰富应用，大多基于5G的高带宽、低时延特性，同时也利用5G网络切片、MEC技术，提供了安全隔离、云网融合的专网服务。
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文 | 无界
01 5G eMBB规模商用，然商业模式并未闭环
2020年，中国在5G的建设上取得了巨大成就，新增建成约58万个5G基站，其中建成共享5G基站33万个，累计建成5G基站71.8万个，已经成为了全球最大的5G网络。5G用户数也达到了2.5亿，发展速率远远超过了行业的预期，同时也占据了全球5G用户数的80%以上，C端用户数的增长大大拉动了5G手机的销量。
然而C端市场并不是运营商关注的重点领域，在移动用户数达到16亿的高位数后，依靠渗透率提升实现用户增长已经不可持续。
一方面，既然以5G来拉动整体用户数增长的模式不再成立，运营商也就没有了大规模推动发展5G用户的动力，尤其是以促销的方式，更多的也就是推出5G套餐，给有需要的用户签约新的套餐，同时能够维持和一定程度上增加ARPU值。
而另一方面，在原本4G移动互联网使用体验尚可，新的应用并未流行的情况下，用户也并没有更换5G套餐的强烈动力。这也就出现了一个独特现象：三大运营商统计的5G用户数总计约2.5亿（中国联通并未公布，为估计值），但实际国内5G手机出货量仅1.63亿部，这用手机多卡是比较难解释的，一定程度上说明部分用户仅用了5G套餐，但实际并没用5G网络。
B端市场是运营商真正关注的重点领域。为了将5G网络服务应用到行业，三大运营商均推出了5G专网服务。
中国移动推出“优享”、“专享”、“尊享”三类专网服务，提出“公网公用”、“公网专用”、“专网专用”的概念，为垂直行业提供满足不同SLA质量、安全隔离的专网服务。据统计，在中国移动的100个集团级龙头示范项目中，有超过七成的项目已经提出了明确的网络专用需求，分级的5G专网预期能够成为主要的增量市场。
中国联通也推出了“虚拟专网”、“混合专网”、“独立专网”三类专网服务，分别提供“广域专网、优先保障”、“公专隔离、定制增强”、“物理专网、安全可靠”特点的分级专网服务。
中国电信的专网服务分别命名为“致远”、“比邻”和“如翼”，“致远”基于公网提供广域接入、云网一体的专网服务；“比邻”则定位本地，实现业务的本地处理、云边协同；“如翼”则是区域专属、安全可信的物理专用网。
然而，和C端5G用户数快速形成规模不同，B端的5G专网服务还处在探索期，实际形成商用销售的专网服务并不多，不管是技术还是商业模式都并未成熟。
以《5G应用创新发展白皮书（2020）》对第三届“绽放杯5G应用大赛”的洞察来看，2018年第一届“绽放杯”大赛有67%的参赛项目处于创意、调研、功能设计的初级阶段，这一比例在2020年第三届“绽放杯”大赛的参赛项目中下降到16%，更有31%的项目已经实现落地商用。不过已经商用落地的项目仍属于“样板间”，定制化程度高，尚不具备大规模商用和复制推广的条件，很多商用落地项目仅能收回成本，尚未形成盈利。
可见，5G不管是在C端还是B端市场的商业模式都并未进入良性状态。
02 5G行业应用成熟，URLLC仍是关键
同样以“绽放杯”5G应用大赛作为观察点，第三届大赛共有来自全国30个省、自治区、直辖市的2388家企业、科研院所、行业协会、政府机构等单位参与申报，申报项目达4289个。参赛项目继续围绕产业数字化、智慧化生活、数字化治理三大方向创新发展，三大方向分别占比63%、31%、6%。与2019年相比，产业数字化项目比例获得17%的增长，5G技术加速与垂直行业深度融合。
5G应用的行业方面，工业互联网、医疗健康、智慧交通、园区（政务、商业等）、城市管理领域的项目数量位居前列，这五个领域项目数量占全部项目数量的65%。工业互联网项目占比连续三年增长，占据全部项目的28%，成为最具热度的5G融合应用领域。
随着5G SA网络部署的加速和切片技术的发展成熟，三大运营商在2020年都启动了SA的商用，第三届“绽放杯”大赛参赛项目中有19%使用了5G专网技术，主要应用在工业互联网、医疗健康、智慧交通、智能电网/能源等对时延、可靠性等技术指标敏感度较高的行业。
具体到重点应用领域，5G智慧工厂中，基于5G的高清视频监控、无人巡检、云化AGV等已经成为传统基于有线网络和WiFi网络的有益补充，尤其5G+机器视觉，在实现产品质量检测、预测性维护等方面效果明显，成为关注的重点。然而工厂场景大多是确定性的场景，对关键业务的连续性和稳定性要求很高、部分基于机器视觉的产品质量检测、实时控制等对时延的要求也很高。
5G智慧矿山通过构建井下“一张网”，解决煤矿6大作业系统（煤系统、掘进系统、通风系统、运输系统、排水系统、机电系统）独立建设光纤网络造成的重复投资、维护成本高、不能满足移动场景需求的痛点问题。以焦煤集团5G无人矿山项目的经验，通过5G网络开展运输车无人驾驶、器械远程无人操作等应用，人员减少50%，人员伤亡降低为0，直接受益4800万/年。但同时煤矿安全生产要求核心网故障时（由于矿山环境的特殊性，这种情况并不罕见），业务不中断，对可靠性要求很高。
5G智慧港口通过用5G无线网络的远程控制替代传统有线控制，实现作业现场的无人化操作，提升了操作灵活性和可靠性，人工成本大幅降低，改善了工人的作业环境，港口作业效率显著提高。
在岸桥区和堆场区，通过5G方案，相比人工码头，目前单台设备可节省75%的人力，预计未来整个港区的人力会因此大幅降低，同时，生产效率整体提高约50%。但是，为满足5G无人港口的要求，目前5G网络的端到端稳定性需要进一步提升。现阶段，5G网络还不能完全支持某些场景的商用要求，特别是在稳定性这方面，还需要从设备层面进行进一步的增强。
基于以上典型重点应用领域的分析，对于5G的低时延、高可靠性都提出了明确的要求，而定义这方面技术的URLLC标准在2020年7月刚刚冻结，产品实现相对于标准还有一定滞后，接下来介绍URLLC的标准和实现情况。
03 URLLC典型业务需求
下表是3GPP TS 22.261标准规定的一些典型URLLC场景及其时延、可靠性要求：
R16定义的典型URLLC业务需求和流量模型
04 URLLC实现超低时延的关键技术
在「5G行业应用」公众号之前的文章“5G网络切片的七种武器（二）”中介绍了5G实现超低时延的途径。这里我们从标准的层面介绍下R15、R16中的实现情况。
R15中定义了以下几种减少时延的关键技术：
上行免授权：指5G基站gNB通过激活一次上行授权给UE，在UE不收到去激活的情况下，将会一直使用第一次上行授权所指定资源进行上行传输，其有两种传输类型：type 1——由半静态无线资源控制RRC通过高层信令进行配置和type2——由态下行控制信息DCI进行指示上行免授权的激活和去激活。上行免授权调度通过一次授权，可以多次使用资源，减少了信令交互的时延。
Mini-slot（微时隙）：5G NR可以通过增大子载波间隔（SCS）可减小时隙长度，缩短调度周期，但这种方式系统调度周期仍然需要与时隙周期耦合。因此定义了Mini-slot进一步缩小调度周期，Mini-Slot 的起始位置是可变的，且持续时间比典型的 14 个符号的时隙更短，原则上可以最小一个OFDM符号，实际在R15中定义下行的支持2/4/7个持续符号的配置。上行支持1/....../13个持续符号配置。
URLLC抢占eMBB：在资源调度中，规定URLLC业务可以抢占eMBB的资源，也可以使得低时延业务可以更快的传输，降低时延。R15规定了下行的抢占。
R16中，进一步对URLLC进行了增强，主要包括：
DCI Format for URLLC：重新对于调度URLLC的DCI Format进行设计，DCI Format的最小长度相对于R15中的fallback DCI将缩短10~16 bit，而最大长度将于R15中的fallback DCI。
PUCCH增强：主要关注进一步优化时延。在R15中，在1个slot中只有1个用于HARQ-ACK的PUCCH可以进行传输。而在R16中考虑1个slot中可有多个PUCCH可用于HARQ-ACK反馈。此外在R16中考虑对1个UE可以同时构建2个或2个以上的HARQ-ACK码本，以支持不同的业务传输。
PUSCH增强：为了增强无线传输的可靠性，R15定义了slot级别的重复传输，但这不利于降低时延，R16中增强支持Mini-slot级别的重复，同时支持多套免授权配置。弥补R15的不足，R15支持了上行的URLLC抢占。
TSN：R16引入了时延敏感网络TSN，通过将5G系统作为一个网桥，透明集成在TSN网络中，实现5G系统的时延确定性，具体实现可以参考[5G行业应用]公众号之前的文章“冻结在即，提前揭秘5G Rel-16标准重要组网技术--5G Rel-16支持垂直行业组网的新特性”。
05 URLLC实现超高可靠性的关键技术
在提高可靠性方面，5G采用了以下关键技术：
URLLC高可靠映射表：5G支持根据不同的可靠性目标，配置不同的CQI和MCS映射表格，以下是99%可靠性的MCS映射表。
CQI和MCS映射表格原理是根据传输业务的BLER设定调制阶数，通过降低调制阶数来获得空口传输的可靠性，但其代价是降低了频谱效率。
数据重复传输：在上下行信道上进行slot的重复传输，可以放宽时延要求的条件下提升传输的可靠性。R15仅能进行slot的重复，R16增强为Mini-slot的重复传输，降低了对时延的影响。
UE间的上行复用：UE可以基于UL Cancelation指示取消对应的上行传输。URLLC的UE还可以通过动态Power Boosting的方式提升功率，提高上行传输的可靠性。
PDCP复制：前面介绍的都是在单链路上提高可靠性的技术。为了提升可靠性，还可以采用多个载波的方式提高可靠性。这种情况下通过PDCP在不同载波的复制，能够提高可靠性，并保持低时延。R15支持1个PDCP到2个RLC的复制，R16增加到4个。
无线网络的超高可靠设计，5G网络在应用中还面临其它的可靠性风险，比如gNB与核心网的传输链路中断，这在某些环境下是常常发生的，比如矿山、港口等，而这些行业的应用对于可靠性又有异乎寻常的要求，尤其是在承载的是生产业务的情况下，业务终端将会导致比较大的损失。因此URLLC还提供了以下冗余手段实现可靠性，以及在出现故障时保持业务的可用性：
端到端用户面冗余：即在UE和用户网络之间建立两条独立的PDU会话，用于URLLC业务的传输。这适用于无线环境可能无法满足传输要求的场景。
N3/N9接口冗余：即为PDU会话建立两条独立的N3隧道，适合无线满足要求，但是回传网络可能容易出现故障的场景。
单业务双终端冗余：在一个业务中通过两个终端两个PDU会话实现冗余传输，适合到无线和回传网络都可能无法满足要求的场景。
N4链路中断会话保持：对于下沉UPF的场景，由于传输链路导致N4接口断链，可在UPF中实现会话保持功能，保持业务的持续，这时原本建立会话的业务不会中断，但是新的业务无法建立。
N4断链新用户可接入：对于部署了下沉5GC的场景，因为用户签约数据在大网5GC上，通过UDM数据在两套5GC之间保持同步，当与大网5GC的链路中断时，可以在备用5GC上实现新业务的接入，提高网络整体可靠性。
06 写在最后
URLLC作为5G赋能行业的关键应用场景，其实现超低时延和超高可靠性的技术集经过R15、R16两个标准版本的演进，已经基本具备，但是仍然需要看到，不管是系统厂家在功能的支持上，还是终端的支持程度都还存在较大的差距。而由于垂直行业的应用，尤其是生产相关类的应用，对于可靠性的要求又非常高，因此只有5G URLLC实现比较成熟商用的时候，才能更好的为垂直行业提供统一的基础网络服务。
而我们也看到，5G原定场景也是处在发展过程中，在仅商用一年的时候，5.5G的概念已经提出，在原有三大应用场景外，提出了UCBC、RTBC、HCS三种应用场景。
UCBC上行超宽带，实质上是针对垂直行业需求的eMBB应用。RTBC宽带实时交互，是在低时延基础上，带宽提升10倍，以打造人与虚拟世界交互时的沉浸式体验，支持比如XR Pro和全息等应用。HCS融合感知通信则针对车联网和无人机两大场景，在提供通信能力的同时，通过将蜂窝网络MassiveMIMO的波束扫描技术应用于感知领域，实现无人机和车辆的感知；如果延展到室内场景，还可提供定位服务。可以预期，随着5G和行业融合的深入，还会有更多的典型场景出现。
END
▎作者：无界
「5G行业应用」特邀专栏作家，超15年TMT从业经历，长期关注通信、信息技术和相关产业领域，对5G、人工智能、物联网等关键使能技术及其对行业数字化转型的相互作用有深入洞察。
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吴冬升 主编
主编简介：东南大学博士，对5G、车联网、物联网、大数据、人工智能、数字化转型、智慧城市有深刻洞察。5G产业技术联盟车联网专委会主任委员，粤港澳大湾区自动驾驶产业联盟副理事长，广州市智能网联汽车示范区运营中心理事，广东省智能网联汽车与智能交通应用专委会副主任委员，广州市互联网协会5G专委会副主任委员，广东省车联网产业联盟专委会委员，广东省物联网协会专委会委员，深圳市人工智能协会专委会委员等。
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