5G環(huán)境下的新業(yè)務(wù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢
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董振江1衛(wèi)，董昊1，韋薇1，杜守富1，劉明1，吉鋒，
（1．中興通訊股份有限公司，江蘇南京2.10012：2．江蘇省大數(shù)據(jù)存儲及應(yīng)用重點實驗室，江蘇南京210012）
摘 要：5G相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外移動通信領(lǐng)域的研究熱點。對5G環(huán)境下的業(yè)務(wù)應(yīng)用形態(tài)、相關(guān)技術(shù)及發(fā)展趨勢進行研究。在媒體類業(yè)務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、云計算和人工智能技術(shù)等幾個方面，分別從對移動帶寬的需求、當(dāng)前的業(yè)務(wù)限制以及5G環(huán)境下業(yè)務(wù)發(fā)展和趨勢等多個維度進行分析和闡述。
關(guān)鍵詞：5G;業(yè)務(wù)應(yīng)用；發(fā)展趨勢 中圖分類號：TN929
doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2016181
1 引言
5G作為2020年以后順應(yīng)移動通信需求而發(fā)展的新一代移動通信系統(tǒng)，已經(jīng)成為國內(nèi)外移動通信領(lǐng)域的研究熱點。國際電信聯(lián)盟(ITU)近年開展5G需求愿景、技術(shù)趨勢等方面的研究，提出未來IMT-2020系統(tǒng)的總體框架、目標、能力以及后續(xù)研究方向，并對外發(fā)布了IMT-2020工作計劃。韓國和中國分別成立了5G技術(shù)論壇和IMT-2020(5G)推進組，分別發(fā)表了5G Forum White Paper_5G ServiceRoadmap 2022、5G概念白皮書和5G愿景與需求白皮書。5G具備低成本、低能耗、安全可靠的特點，相對4G網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率提升10~100倍，峰值傳輸速率達到10 Gbit/s，端到端時延達到ms級，連接設(shè)備密度增加10~100倍，流量密度提升1 000倍，頻譜效率提升5~10倍，能夠在500 km/h的速度下保證用戶體驗。
媒體類業(yè)務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展是5G移動通信的主要驅(qū)動力，而云計算環(huán)境下的云端互動對5G移動通信系統(tǒng)提出了更高的傳輸質(zhì)量與系統(tǒng)容量要求。本文擬研究未來5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的業(yè)務(wù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢，從媒體類業(yè)務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、云計算幾個方面探討5G環(huán)境下的業(yè)務(wù)形式、用戶體驗、關(guān)鍵技術(shù)和未來發(fā)展趨勢。
2媒體類業(yè)務(wù)
媒體類業(yè)務(wù)包括用戶熟知的視頻類業(yè)務(wù)以及近10年來逐漸興起的虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)、增強現(xiàn)實(augmented reality，AR)等。在5G環(huán)境下，這些業(yè)務(wù)在移動性、用戶體驗、性能提升等方面將有新的發(fā)展。
2.1 大視頻業(yè)務(wù)
據(jù)貝爾實驗室咨詢部門報告，2012年移動設(shè)備的在線視頻觀看時長占全球在線視頻觀看總時長的22.9%，2014年，該比例就上升至40.1%，預(yù)計2016年將達到52.7%，2017年達到58.1%。到2020年，33%的流量由5G/4G等無線網(wǎng)絡(luò)承載，4K超清業(yè)務(wù)需要50Mbit/s的穩(wěn)定帶寬，平均40 Mbit/s的4G網(wǎng)絡(luò)已無法滿足。
5G技術(shù)的應(yīng)用將帶來移動視頻點播／直播、視頻通話、視頻會議和視頻監(jiān)控領(lǐng)域的飛速發(fā)展和用戶體驗質(zhì)的飛躍。
·移動高清視頻的普及，將由標清走向高清與超高清。
·高清、超高清游戲?qū)⑵占�，云與端的融合架構(gòu)成為 常態(tài)。
·視頻會議在5G時代任何位置的移動終端均可輕松實現(xiàn)且體驗更佳，實時視頻會議會讓用戶身臨其境。
·高清視頻監(jiān)控中的應(yīng)用：突破有線網(wǎng)絡(luò)無法到達或者布線成本過高的限制，輕松部署在任意地點，成本更低，5G時代的無線視頻監(jiān)控將成為有線監(jiān)控的重要補充而廣泛使用。
2.2虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實業(yè)務(wù)
2.2.1 虛擬現(xiàn)實業(yè)務(wù)
虛擬現(xiàn)實技術(shù)利用電腦或其他智能計算設(shè)備模擬產(chǎn)生一個3度空間的虛擬世界，提供用戶關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶如同身臨其境一般。近年來，隨著芯片、網(wǎng)絡(luò)、傳感、計算機圖形學(xué)等技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)取得了長足的進步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已成功應(yīng)用于游戲、影視、直播、教育、工業(yè)仿真、醫(yī)療等領(lǐng)域。
隨著5G的發(fā)展、萬物互聯(lián)時代的到來，多數(shù)機構(gòu)預(yù)測虛擬現(xiàn)實很可能成為下一代互聯(lián)網(wǎng)時代的流量人口，承載流量整合、軟件分發(fā)、信息共享等。近年來一大批初創(chuàng)公司、IT巨頭和通信廠商等涌人虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域。
主流虛擬現(xiàn)實設(shè)備分為連PC式頭盔和插手機式頭盔兩類，連PC式頭盔是目前的主流方向，主機完成運算和圖像渲染，通過HDMI線纜進行數(shù)據(jù)傳輸，預(yù)計2020年全球銷量達3 990萬臺，銷售收入達210億美元，主要面向具有深度游戲體驗需求的中高端用戶。通常需要配置可以感知用戶視覺、聽覺、觸覺、運動信息的傳感設(shè)備，為了保證用戶具有較強的存在感，需要對畫面進行精細繪制，頭盔與主機間需要傳輸大量數(shù)據(jù)，受限于現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和傳輸時延，通常采用HDMI線纜連接，這極大地限制了用戶的使用范圍，影響用戶體驗。5G較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、低時延和較大的通信容量，將使用戶擺脫線纜的約束，盡情地享受虛擬現(xiàn)實游戲帶來的快樂。
插手機式頭盔定位為人門級虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品，該種類型設(shè)備均價普遍在100美元以下，比較適合具有觀影與輕度游戲需求的用戶，是未來1～3年市場普及的主流設(shè)備，預(yù)計2016年國內(nèi)銷量將超過100萬臺。智能手機感知用戶頭部位姿信息、負責(zé)高質(zhì)量視頻渲染，功耗大，很難長時間使用，同時受制于智能手機的計算能力較弱、視頻質(zhì)量不高、有很強的顆粒感并且有一定的時延，體驗不佳。5G環(huán)境下，該類型的應(yīng)用采用云端配合的架構(gòu)，頭盔僅負責(zé)獲取用戶頭部位姿信息和顯示視頻，計算能力要求較高的視頻渲染放在云端進行，通過無線網(wǎng)絡(luò)將渲染好的視頻幀傳遞給頭盔進行顯示，用戶可獲得長時間的高質(zhì)量視頻觀影體驗。
2.2.2增強現(xiàn)實業(yè)務(wù)
增強現(xiàn)實技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項技術(shù)，借助計算機圖形技術(shù)和可視化技術(shù)將虛擬對象準確疊加在物理世界中，呈現(xiàn)給用戶感知效果更豐富的新環(huán)境。通信技術(shù)的發(fā)展、移動智能終端處理能力的變強、移動傳感器設(shè)備的性能提升為在智能終端上增強現(xiàn)實業(yè)務(wù)的普及提供了基礎(chǔ)，為分層次打造個性化的信息服務(wù)提供了必要的支撐條件，也將極大地促進移動互聯(lián)網(wǎng)在教育、游戲、促銷和購物、社交網(wǎng)絡(luò)、商業(yè)統(tǒng)計、旅游等業(yè)務(wù)的創(chuàng)新。據(jù)Digi-Capital預(yù)測，至2020年，增強現(xiàn)實／虛擬現(xiàn)實市場份額將達到1500億美元，其中，增強現(xiàn)實占1200億美元，虛擬現(xiàn)實占300億美元，目前增強現(xiàn)實還處于市場啟動期。
一個典型的增強現(xiàn)實業(yè)務(wù)處理流程如圖1所示，用戶開啟增強現(xiàn)實應(yīng)用，通過攝像頭采集圖像，對圖像進行壓縮，通過無線網(wǎng)絡(luò)將其上傳到服務(wù)端進行圖像識別，然后依據(jù)識別結(jié)果獲取虛擬信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將其傳遞給智能終端側(cè)，由跟蹤注冊模塊獲取虛擬信息疊加位置，并由渲染模塊最終將虛擬信息與真實場景進行融合渲染，展示給用戶。較好的用戶體驗對實時性提出了很高的要求.5G環(huán)境下，可以很好地解決查詢圖像以及虛擬信息傳輸帶來的網(wǎng)絡(luò)傳輸時延長的問題，可以將跟蹤模塊和渲染模塊轉(zhuǎn)移到服務(wù)端／云端，無線網(wǎng)絡(luò)將渲染好的圖像傳遞給智能終端，同步解決了增強現(xiàn)實應(yīng)用導(dǎo)致的手機耗電問題。
3物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用
5G將滲透到物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，與工業(yè)設(shè)施、醫(yī)療器械、醫(yī)療儀器、交通工具等進行深度融合，全面實行萬物互聯(lián)，有效滿足工業(yè)、醫(yī)療、交通等垂直行業(yè)的信息化服務(wù)需要。
交通行業(yè)的車聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛：遠程設(shè)備的關(guān)鍵控制，如重型機械的遠程控制、遠程手術(shù)等：人與物聯(lián)網(wǎng)的實時交互，因為5G而更加精彩紛呈。
3.1 智能汽車、交通運輸和基礎(chǔ)設(shè)施
如圖2所示，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用之一為智能汽車、交通運輸和基礎(chǔ)設(shè)施。
交通行業(yè)主要有3個挑戰(zhàn)：一是出行效率：二是駕駛安全和聯(lián)網(wǎng)安全；三是可持續(xù)的能源消耗模式。有效應(yīng)對方案是萬物互聯(lián)+網(wǎng)絡(luò)協(xié)作+信息融合+智能分析決策。在網(wǎng)絡(luò)本身連接之上，通過多源、異構(gòu)信息的融合創(chuàng)造出更多的價值，服務(wù)于高效、安全的交通出行。
車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)屬于低時延、高可靠應(yīng)用場景，通過終端直通技術(shù)，可以實現(xiàn)在汽車之間、汽車與路側(cè)設(shè)備間的通信，從而實現(xiàn)汽車主動安全控制與自動駕駛。V2X (vehicle to X)自主安全駕駛，在99.999%的傳輸可靠性下可將時延縮小到ms級，還支持多種場景的防碰撞檢測與告警／車速導(dǎo)引、車車安全和交叉路口協(xié)同等。通過車與車、車與路邊設(shè)備的通信，實現(xiàn)汽車的主動安全，比如緊急剎車的告警、汽車緊急避讓、紅綠燈緊急信號切換等，在未來，這些會成為汽車自動駕駛業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。
·車在公路上高速行駛，即將經(jīng)過的道路有結(jié)冰或者有動物／小孩橫穿公路，類似這樣的信息可以通過V21(vehicle to infrastructure)發(fā)到基礎(chǔ)設(shè)施上。基礎(chǔ)設(shè)施可以再通過網(wǎng)絡(luò)對周邊車輛進行提醒，從而提高車輛出行的安全性。
·車對車(vehicle to vehicle，V2V)的產(chǎn)品，比如后面有警車或醫(yī)療急救車出現(xiàn)，可以通過車與車的溝通，把它的信息發(fā)送給前方100 m范圍內(nèi)同行的汽車，提醒后者緊急事件的發(fā)生，加快對應(yīng)急車輛通行的支撐。
·公交樞紐站和公交站臺可以把公交汽車、其他汽車、地鐵、飛機等交通工具的聯(lián)網(wǎng)信息整合起來，做成智能出行的指引助手，幫助用戶選擇用什么方式出行，也可以提供手機實時支付功能，幫助用戶購票。
3.2遠程設(shè)備的關(guān)鍵控制
如圖3所示，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用之二為遠程設(shè)備的關(guān)鍵控制。
正如巴塞羅那通信展上的遠程控制挖掘機，坐在巴塞羅那的會場便可以通過現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)遠程控制2500km之外的一臺挖掘機。未來，在諸如遠程礦山挖掘、礦山運輸?shù)葘Π踩兄鴺O高要求的環(huán)境里或在危險、有害健康的環(huán)境里，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實現(xiàn)安全作業(yè)。
有了5G技術(shù)，遠程醫(yī)療將不再是夢想，超短的時延使醫(yī)生能實施2 000 km的遠程診療和順暢的異地遠程手術(shù)，偏遠地區(qū)的病患也能享受到優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源。
3.3人與物聯(lián)網(wǎng)的交互
如圖4所示，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用之三為人與物聯(lián)網(wǎng)的交互。騎自行車的人在經(jīng)過十字路口或視線不太好的地方時，網(wǎng)絡(luò)會根據(jù)騎行人的位置、方向和周邊路況進行適配，判斷會不會有相撞的風(fēng)險，通過頭盔的振動來提醒要注意車速、安全等。
在未來的5G時代，萬物互聯(lián)將促進IPv6地址的大規(guī)模應(yīng)用，類似6LoWPAN的低功耗IPv6技術(shù)將迎來應(yīng)用的春天。
4 5G下的CDN架構(gòu)變化與智能運維
未來5G將帶來一個全連接、深融合、高智能的世界，全連接引發(fā)海量的數(shù)據(jù)處理，傳統(tǒng)CDN架構(gòu)如何滿足低時延的用戶體驗？海量跨界連接以及各種垂直應(yīng)用需要更智能化的網(wǎng)絡(luò)，如何對5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進行數(shù)字化、智能化管理？
4.1 從云計算到邊緣計算
現(xiàn)在正在流行的云計算(cloud computing)，是把大量數(shù)據(jù)放到“云”里計算或存儲。在5G時代，隨著物聯(lián)網(wǎng)(Io T)的成長、越來越多4K/8K高清視頻的消耗和越來越豐富的業(yè)務(wù)（如車載通信、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實）的出現(xiàn)，對網(wǎng)絡(luò)的時延帶來很高的要求，單純依靠5G提高網(wǎng)絡(luò)性能、降低時延，很難滿足未來業(yè)務(wù)的要求，邊緣計算(edgecomputing)將是解決這一問題的重要途徑。
所謂邊緣計算，也有指霧計算(fog computing)，它將應(yīng)用、數(shù)據(jù)和服務(wù)從中心化模式的云計算移向了位于網(wǎng)絡(luò)末端、離用戶更近、更為分散的地方，而不是單獨依賴云端的服務(wù)器，這是網(wǎng)絡(luò)與典型的云計算原理結(jié)合來創(chuàng)造去中心化和分布式的云平臺。萬物互聯(lián)的數(shù)據(jù)、高清的視頻數(shù)據(jù)被越來越多地在靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣的地方進行存儲、處理、分析和執(zhí)行。
5G網(wǎng)絡(luò)存儲和內(nèi)容分發(fā)向用戶端下沉，下沉到接入網(wǎng)，核心網(wǎng)用戶面功能將下沉到基站。ETSI提出的MEC(mobile edge computing，移動邊緣計算)是基于5G演進架構(gòu)，將基站與各種業(yè)務(wù)深度融合的一種技術(shù)，具有低時延、臨近用戶、高寬帶、實時了解無線網(wǎng)絡(luò)信息和位置識別的特性。聯(lián)網(wǎng)汽車、電子醫(yī)療、工業(yè)自動化、增強現(xiàn)實、智能視頻加速、游戲以及Io T服務(wù)等應(yīng)用從移動網(wǎng)絡(luò)邊緣計算中獲益。基于MEC的邊緣云(edge cloud)將助力ICT融合的各種業(yè)務(wù)，如圖5所示。
在5G時代，集中式云計算與RAN側(cè)部署的分布式邊緣計算的結(jié)合能有效減少網(wǎng)絡(luò)時延，為物聯(lián)網(wǎng)、大視頻、AR/VR等多種業(yè)務(wù)提升用戶體驗。
4.2基于人工智能使得5G網(wǎng)絡(luò)更加智能
2016年是人工智能誕生60周年，目前產(chǎn)業(yè)界關(guān)于人工智能的討論非�；馃�，普遍認為將引發(fā)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的深刻變革，可以在國防、醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、金融、商業(yè)、教育、公共安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，催生新的業(yè)態(tài)和商業(yè)模式。對于5G時代的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和各種5G業(yè)務(wù)，產(chǎn)業(yè)界基本達成共識，人工智能／機器學(xué)習(xí)將成為5G時代的一項基礎(chǔ)支撐技術(shù)，特別地，給5G網(wǎng)絡(luò)的自組織組網(wǎng)(SON)、故障修復(fù)、網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等帶來便利。
人工智能、機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)挖掘分析等技術(shù)可以使無線網(wǎng)絡(luò)變得更方便、智能，重點實現(xiàn)5G上下文感知增強，支撐如下幾類感知業(yè)務(wù)：位置相關(guān)感知，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)下高精度定位、軌跡預(yù)測并考慮移動性管理與優(yōu)化，如網(wǎng)絡(luò)切換下參數(shù)優(yōu)化等；業(yè)務(wù)相關(guān)的感知，DPI業(yè)務(wù)識別、高清視頻Q oE /Q oS評價模型與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)整等：用戶行為習(xí)慣的感知，實現(xiàn)對單個用戶進行畫像；智能運維感知，如智能化的性能檢測、故障原因監(jiān)控與預(yù)測等。在MWC2016,日本KDDI實驗室聯(lián)合HP、Brocade等推出基于AI輔助的5G網(wǎng)絡(luò)智能運維系統(tǒng)原型。針對SDN/NFV的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),NFV平臺中嵌入AI監(jiān)控模塊，能夠自動監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)異常，并進行自動恢復(fù)，預(yù)計準確率超過90%，且效率是傳統(tǒng)監(jiān)控方式的5倍。
5結(jié)束語
5G移動通信技術(shù)帶來的高速率傳輸、低時延特征，給媒體類業(yè)務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)形態(tài)和用戶體驗都帶來質(zhì)的變化。除此之外，未來5G網(wǎng)絡(luò)與云計算、人工智能技術(shù)的結(jié)合，將出現(xiàn)云無線接入網(wǎng)絡(luò)、移動邊緣計算等新的技術(shù)特征，改變了原來的業(yè)務(wù)流程和交付形式，為用戶提供了智能化和極致體驗的業(yè)務(wù)和應(yīng)用。在未來爆炸性的移動數(shù)據(jù)流量增長、海量的設(shè)備連接、不斷涌現(xiàn)的各類新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景中，5G移動通信技術(shù)為構(gòu)建以用戶為中心的信息生態(tài)系統(tǒng)提供了支撐。
