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物流沙龍號發布時間：05-2918:14摘要隨著時代的進步，各行業的迅猛發展，特別是計算機與物聯網領域日趨完善，對于作為傳輸數據信息的通信技術要求越來越高。尤其對于移動通信技術，從第一代到最近即將商用的第五代移動通信技術5G，改進的速度非常之快，因此通信技術的進步才能推動其他制造業和服務業的前進。物流行業是一個與通信技術息息相關的領域，移動通信技術幾乎能夠應用在物流中大部分應用中，新一代物流中短鏈、智慧以及共享的三大特征正是得益于計算機 與通信技術的提升，因此對于5G技術的研究既可以拓展新一代物流的應用場景，更能加速新一代物流體系架構的改革。本文從技術層面解析5G技術的實現方式，并提取出5G技術中哪些要素對于新一代物流行業具有促進意義。一、移動通信技術的發展歷程 隨著5G時代的即將到來，并且在2020年會實現商用，它有機會為很多新技術帶來促進作用。本節將具體介紹第一代移動通信 1G 到第四代移動通信技術 4G 的變革歷史。 每一代移動通信技術的發展時間在10年左右，但是每代移動通信的平臺和技術都有不斷的創新，將我們導向下一代移動通信時代，例如5G中要支持的大規模物聯網的功能已經在4G中出現。 圖1移動通信技術發展歷史第一代移動通信系統（1G）即模擬蜂窩移動通信，是第一代具有移動性和蜂窩組網的特性的通信平臺，但是1G完全采取模擬通信方式，模型信號由于抗干擾性能差，同時1G使用的FDMA技術使得頻率復用率不高，因此1G通信缺陷很多。 第二代移動通信技術（2G）中融入更多的多址技術，例如TDMA和CDMA技術，同時2G開始就不是模擬通信方式了，逐漸變成數字通信，因此相比1G在抗干擾能力上大幅度增強。圖2 2G基站架構在2.5G和3G之間具有2.5G的過渡，即指GSM運營商在GPRS后推出的EDGE技術作為3G的遷移時采用的網絡結構。2.5G技術的目的是使GSM運營商能夠以低比特率提供簡單的數據服務，這種技術后來也變成3G主要使用的方案。 第三代通信技術（3G）相對于2G來說主要是廣泛地采用了CDMA多址技術，大量擴展了頻譜，增加了頻譜復用率。因此，3G更加利于移動互聯網業務，同時3G的也延伸出很多多址技術結合的產物例如FDD-HSPA和-SCDMA。 圖3 3G基站架構第四代移動通信技術（4G）的標準的制定主要是兩個組織，一個是3GPP組織，另一個是IEEE組織。目前4G技術中LTE的應用最廣泛，所以以LTE是4G區別3G的最大改變。圖4 4G基站架構核心網構造中拋棄了原來的電路域，邁向全IP化形式。4G的空中接口關鍵技術也由3G的核心多址技術CDMA變成OFDM，這種多址技術使得4G通信更加具備可行性和適應性。 為了詳細說明1G到4G通信技術的發展、技術標準以及相應服務，下面的圖表對一些指標進行詳細統計。表1G-4G技術參數對比通過1G到4G通信技術的發展，移動通信技術不斷跨越提升，從語音、數字語音到文本圖像直至后來視頻數據，使得移動通信技術的應用范圍越來越廣。今年5G技術標準已經出臺，2019年到2020年可看到全球營運商將陸續推出5G商業服務試營，包括：物聯網、車聯網、智慧醫療、VRAR、工業4.0等關鍵應用，將驅動新產業生態鏈。二、5G 的網絡架構與關鍵技術5G通信將遵循網絡業務融合和按需服務提供的核心理念，引入更豐富的無線接入網拓撲，提供更靈活的無線控制、業務感知和協議棧定制能力；重構網絡控制和轉發機制，改變單一管道和固化的服務模式；利用友好開放的信息基礎設施環境，為不同的用戶和行業提供可以滿足對應需求的網絡服務。 1.5G網絡設計架構5G網絡架構的設計部分主要從5G網絡的系統設計和5G組網設計這兩個方面來描述。網絡系統設計主要包含實現邏輯功能并建造不同功能之間的交流渠道，5G網絡架構屬于端到端架構，平面功能劃分比較清晰；5G的組網部分主要關注使用的硬件設備以及平臺架構和網絡節點部署等，5G組網設計中將會充分利用SDNNFV技術在新型集中式基礎環境下加強5G通信的靈活性和安全性。 5G網絡的系統結構中主要有三個功能平面：接入平面，控制平面和轉發平面。這三個平面可以構建整個5G網絡的邏輯視圖。 圖5 5G網絡系統結構邏輯視圖這三個平面在5G架構中擔任不同角色，例如接入平面負責構建接入網絡的拓撲結構、接入應用或者網絡的篩選和重新部署等；控制平面實現集中的網絡控制和調度功能，是一個可重構、集中式的控制結構；轉發平面肯定就是負責5G的數據轉發和處理，為其提供更動態的網絡節點部署。總而言之，5G這三個平面架構可以相互協助，接入平面負責外接網絡的可控接入，控制平面完成5G網絡的集中控制調度，最后轉發層面負責底層數據的轉發。 以上三個平面可以看作5G架構的橫向邏輯設計，5G在架構的縱向設計可以看作是另一種設計模型，即采用功能模塊化設計視圖，通過在縱向組合不同模塊化的功能結構以此實現滿足不同類型的邏輯網絡結構滿足一些特定的應用場景。縱向架構可以將5G控制模塊的功能視為5G核心，將其他網絡的接入和數據的轉發功能作為5G基礎使用資源，最后5G可以向上給不同場景提供網絡資源的管理編排和向不同用戶提供網絡能力的開放服務，以此可以形成三層網絡功能視圖。圖6 5G網絡功能視圖在管理編排層面上，主要實現網絡能力開放、網絡資源管理和接口編排以及用戶數據存儲分析等三部分功能。 5G的網絡控制層主要用來實現控制功能的模塊化，可以靈活實現網絡集中式控制方式。控制層面的主要功能模塊包括下面幾項：無線網絡資源的集中分配控制、5G網絡安全控制、5G移動網絡控制、臨時會話管理、多接口組合控制和5G流量調度控制等等。根據管理編排層的需求，在網絡控制層可以對以上功能模型進行靈活組合，從而可以向下對底層網絡資源層面進行調度和使用。圖7 5G基礎平臺5G的最底層應當是網絡提供的資源層面，這一層面與之前的轉發平面相互對應，負責5G網絡的底層架構。這一層對接入網絡和網絡自身功能負責。接入網絡一側包含兩級功能單元即中心單元和分布單元，中心單元主要實現5G相關業務的匯聚；分布單元的目的是為5G給終端設備提供數據的接入點。自身網絡一方就是為了實現5G數據報文轉發、5G產生流量的優化和5G業務內容實現等功能。 5G的網絡完全采取SDNNFV技術完成集中式控制與分布式編排調度的平臺模式，其中5G的基礎平臺構建過程中將使用通用硬件搭建的數據中心架構完成5G高質量通信需求和管理模式，同時完成移動通信網絡的靈活部署。5G的基礎平臺設計中SDNNFV是核心技術。 圖8 5G組網設計5G組網模式可以從四個層次來完成設計，中心級的主要職責是控制、管理和調度，在全國各地按照需求量進行節點部署，擔任5G整體架構的監控維護職能。匯聚級的核心作用是控制網絡相關業務功能，這一層級節點可以部署在省級各地。區域級的核心功能是完成網關控制任務，負責均衡承載用戶產生的業務數據流量，這一層次節點部署于市一級。接入級是最接近客戶的一級層次，中心單元和分布單元之間通過5G低時延通信完成多個用戶節點之間的協作化，這一層級用戶可以自由靈活組網。 2.5G網絡中關鍵技術移動通信技術中，5G不僅僅像前幾代移動通信技術迭代方式，5G無論是組網技術還是通信編碼技術領域都有了巨大改進，也引入了許多關鍵技術。 （1）基于SDN控制轉發分離的網關設計5G采取和SDN一樣的分離控制功能和轉發功能的網絡設計。控制轉發分離的5G網關，控制層面采取集中的方式統一進行策略設計，能夠靈活地對移動流量進行調度以及其他附屬網絡的連接管理。轉發層面將專注于業務數據的路由轉發，因此更加簡單高效和穩定，能夠應對海量的大數據環境。5G這種網關設計使得網絡架構顯得更加扁平化，一些硬件設備只需要進行分布式部署，可以有效降低業務環境中存在的傳輸時延。（2）多元場景下的網絡連接管理和移動性服務5G為了滿足不同場景下的網絡管理和數據傳輸，采取了新的網絡連接管理手段，應對不同用戶業務的QoS需求來提供個性化定制的服務。同時5G中的連接管理更加高效靈活，根據終端的相關屬性來確定連接的參數，上傳到控制層后根據這些參數生成由控制層發出的管理指令，然后轉發平面會執行指令完成網絡的連接。 移動性服務是移動通信技術的熱點研究，5G提出的移動性管理協議相比4G更加集中統一。由于5G特征是多種接入技術融合，因此移動性服務要獨立于各種接入技術，這樣才能實現不同構造的網絡結構進行無縫切換。5G的移動性服務對位置管理、網絡切換以及附著狀態等內容和方案進行了相關優化和改進。 （3）網絡切片網絡切片可以理解為一組邏輯功能集合，可以用來支持特殊場景的通信服務，主要依賴于基礎服務設施，這些邏輯功能來源于EPC下的網絡功能分解而得。因此，可以認為網絡切片是一種端到端的解決方案，不僅可以應用于核心網，還可以應用于無線接入網RAN。 網絡切片具體可以從服務層和基礎設施層的角度分別考慮。在5G 代，移動網絡服務的對象也不再是單純的移動手機，而是各種類型的設備。移動通信技術的應用場景也多樣化。5G是通過網絡切片技術根據客戶需求業務，在一個物理網絡上分出多個能夠滿足不同場景需求的邏輯網絡，既能夠提供更好的客服體驗，又能節約成本。（4）移動邊緣計算移動邊緣計算即MECC技術，是一門新興發展的技術，具體內容是在靠近移動用戶一側提供計算機技術服務環境包括大數據分析和云計算能力，最近還包括基于深度學習的計算機視覺分析能力，并將獲得的內容推送到靠近用戶的基站，使得計算應用、網絡服務以及傳輸內容部署在一個高分布的架構環境中，因此這項技術可以更好的支撐5G通信的低時延、高帶寬的業務要求。 圖9 移動邊緣計算技術MECC技術目前有很多可以研究的空間，例如移動邊緣計算如何運營商、設備制造商以及使用客戶的相互協作，5G采用MECC技術可以實現更多的功能。（5）按需組網技術5G組網技術相比傳統組網技術更具有場景適配能力，因為不同客戶需求的業務場景各有特征，多元化的業務場景就需要5G在組網技術上考慮按需分配，按需組網的能力同時也使得5G業務場景更加豐富。網絡切片的組網技術主要利用虛擬化將5G基礎實施資源根據實際的客戶需求化為多個獨立的網絡切片，享用虛擬資源。每個網絡切片單獨根據客戶需求的場景和業務模型進行功能制定和資源的編排管理，相當于一個實例化的5G核心網。同時每個網絡切片可以被運營商根據資源的大小進一步實現虛擬分割，從而得到更小的子網結構。 圖10 網絡切片的按需組網技術圖中的網絡編排功能是為了實現對網絡切片的創建、管理和刪除，運營商主要的任務就是根據客戶的場景需求來生成切片，切片的模塊中包括網絡功能、功能模塊之間接口以及網絡資源分配等。然后網絡編排功能按照切片模板進行數據資源的申請，申請到后就可以實例化虛擬網絡的構建模塊和接口等。 按需組網技術使得5G網絡能夠根據業務需求靈活地進行組網，可以通過需求算法設計出最優的組網方案和路由部署方案，既能夠提高5G網絡的資源利用率，也能夠增強網絡的可靠性。 （6）先進的新型無線技術5G很多技術也是基于現有的4G成熟技術。 大規模MIMO天線技術從原來的2*2提高到了現在的4*4，天線數量的增多同時也需要應用占用額外的空間，如果空間環境太小那么5G的MIMO技術就不太現實，因此5G只能在原有基站端一側疊加更多數量的MIMO。最新的研究發現，5G的NR結構可以在基站端架設的天線高達256根，通過二維分布可以實現5G通信的3D波束成型，一定程度上提高了信道容量和信號覆蓋范圍。 毫米波技術證明了5G能夠將大于24GHz以上頻段即毫米波用在移動通信技術領域， 屬于首例。高頻段頻譜如果大量可供使用，5G將具有很快的數據傳輸速度和網絡容量。但是毫米波是否能夠被廣泛應用還需要更多的研究，需要考慮毫米波損耗問題。頻譜共享技術即5G可以通過共享頻譜和非授權頻譜擴展到多個通信維度，使得5G能夠支持更多的部署環境。5G的NR結構目前提出支持所有頻譜類型，同時5G能夠對各種頻譜靈活兼容，實現一種全新的頻譜共享模式。最后就是5G具有先進的信道編碼，美國高通提出的LDPC傳輸效率遠遠優于法國提出的LTE Turbo，解碼設計平行化，具有低時延的特點，可以擴展成更高效的傳輸速率，因此成為5GeMMB場景控制的長碼編碼方案。另外，中國華為為首代表的Polar碼因其具有較低復雜度且沒有錯誤平層現象等優勢被選為5G的短碼編碼方案。 （7）無線 MESH 和動態自組織無線MESH被應用與5G網絡中成為最重要的無線組網技術，能夠實現連續廣域覆蓋和超密集組網場景。無線MESH網絡能夠使得5G構建出最高效的基站間數據傳輸模式，提高了基站之間的協同能力，降低了數據傳輸的時延，使得基站更加容易部署和維護，顯得更加輕型。 圖11 MESH無線組網動態自組織網絡技術是5G移動通信控制下，可以將基站和應用終端以及各種通信節點自組織地構建成新網絡結構，相比傳統網絡組網技術這樣更加靈活方便，同時動態自組織網絡可以提升網絡頻譜效率，因此可以用于低功耗的多連接場景。 （8）其他一些關鍵技術除了上述5G很重要的關鍵技術點外，5G為了營造更高質量的通信模式，采取了很多關鍵技術。5G具有控制功能重構技術，有效的功能劃分使得5G能夠根據實際應用場景重構功能控制層面。5G具有統一的多無線接入技術，能夠實現終端同時接入不同制式下的網絡節點，提高網絡吞吐量。5G是一個超密集異構網絡，因此網絡具有很多措施保障系統性能。5G 延續LTE中的OFDM技術并進行優化波形和多址接入，實現高能效的上行鏈路傳輸等等。三、5G技術的主流應用場景分析5G相比傳統的移動通信技術具有很多優勢，不僅僅是帶寬和時延、功耗上具有很大性可以帶動很多原來不能落地的應用場景變為商業使用，同時也會推動現有制造業和服務業的信息化。專家認為將來5G會主要被應用在三個主流場景即即時可靠通信場景（uRLLC）、高能通信寬帶場景（eMBB）以及海量機器通信場景（mMTC）。 1.即時可靠通信場景(uRLLC)即時可靠通信場景即uRLLC作為5G通信使用最廣泛的應用場景之一。即時通信對數據傳輸的速度和效率要求極高。5G的高傳輸和可靠性這些特征使得其能夠被用于實現這種場景。目前研究中，5G的理論下行速度為10Gbs，同時由于5G各種核心技術的融入，使得其也具有很高質量的傳輸性，這些性質使得5 能夠成功實現數據通信即時、數據傳輸可靠與數據處理高效的uRLLC場景，這種場景以自動駕駛場景為首。圖12 5G的三大應用場景ITU等組織對uRLLC場景進行嚴格歸類，這種場景的主要業務包含自動駕駛、智能電網、遠程操控、互聯網（觸覺觸發類）、即時游戲以及制造流程自動化等。目前，5G已經采取一些關鍵技術來降低時延。除此，5G需要滿足uRLLC端到端1ms（自動駕駛技術）的超低時延，對網絡架構進行了相關優化。 2.高能通信寬帶場景(eMBB)高能通信寬帶場景即eMBB，eMBB場景是5G應用最基礎的應用場景。5G作為新一代移動通信技術，速度快、性能高以及可靠性穩定的特征使得其能夠很好地適應eMBB場景。理論研究發現，5G網絡的速度相比同是移動通信的4G要快上10幾倍，這完全是一個質的提升，從人類的直觀感覺就是一部2G的高清質量電影如果用5G傳輸那么僅僅需要1s，一眨眼就會完成整個下載工作。 以往發表的官方白皮書中，eMBB包括超高清視頻、虛擬現實、增強現實等對帶寬要求極高的場景。這些場景一些關鍵性能指標包括必須具有100Mbits高速體驗帶寬，有些熱點場景甚至達到1Gbs、峰值速率達到10Gbs、數據流量密度每公里10TBs、移動性每秒10km等；其次，eMBB也對時延比較敏感，如果應用場景中涉及到一些交互，例如 VR 游戲中的體驗時延必須達到10ms的量級。 除此外，3GPP提出eMBB場景作為新時代移動互聯網發展的基礎條件，是能夠提升人們生活質量的關鍵領域。因此基于5G的這種場景很多技術規范都已經成熟，除了剛剛提到的性能KPI，還有LDPC和Polar的終端編碼使得eMBB將成為5G首個落地的商業產品，5G中還對這種場景進行網絡部署設計，要求能夠兼容4G網絡。3.海量機器通信場景(mMTC)海量機器通信場景即mMTC是5G與物聯網深度結合的場景，這些場景是物聯網落地的場景。uRLLC和eMBB其實微觀上5G術的應用場景，高帶寬、低時延和可靠性使得5G能夠對這兩類場景進行有效支撐，海量機器通信的應用場景是因為5G具有可觀連接能力而產生的，5G強大的兼容能力使得其可以實現從產品的生產直至消費的整個流程環節實現人與人、人與物的整個場景信號覆蓋，真正意義上促進了互聯網、物聯網與其他制造業、物流業和零售業等各行業進行橫縱向的深層次融合，能夠實現多年來提出的萬物互聯局面。所以在這種場景下，5G的無線接入技術更為重要，只需要將各種終端設備和網絡結構無縫接入到基于5G的平臺機構，就能實現mMTC場景。 mMTC官方描述就是海量接入的場景，那么智慧城市、智慧家庭以及智能工廠還有智慧物流這些大型的制造業場景和服務業場景都屬于這一范疇，5G在這一場景中的優勢主要是具有有效的接入控制技術。新一代的物流行業將會是集合物聯網、大數據、云計算以及人工智能等新興智慧物流產業，因此5G與物流業的融合是勢在必行。來源 | 圓通研究院整理 | 物流沙龍此文系作者個人觀點，不代表物流沙龍立場

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