支撑5G的技术革新

3类典型应用场景

在了解5G所带来的变化之前，有必要理解5G到底是什么。从4G到5G的进化是从技术意义上来看的变化，要想理解5G，必须理解支撑5G的技术。由于本书不是技术方面的书籍，所以不能详细介绍，只能介绍其中的一小部分。

在上文介绍移动通信系统的历史演进时，涉及了要开展标准化作业的内容。要想由各国通信行业的相关者共同制定出各国都接受的国际标准，首先必须对“5G到底能够实现什么目标”这一愿景达成一致意见。

关于通信的国际标准化组织是国际电信联盟（International Telecommunication Union, ITU）下属的无线电通信组（ITU Radio communication Sector, ITU-R）。该组织在标准化之前，于2015年9月，针对5G发布了被称为ITU-R M.2083的愿景。其中，给出了5G的3类典型应用场景：

1．高速率、大容量通信（enhanced Mobile Broad Band, eMBB）；

2．高可靠、低时延通信（Ultra Reliable and Low Latency Commu-nications, URLLC）；

3．大规模IoT（massive Machine Type Communications, mMTC）。

这就意味着5G不仅要实现此前的“通信变快”这一进化，还要实现“高可靠、低时延的通信”“大量存在的终端能够同时接通的通信”这种跨越式的进化。

作为给出愿景之后的标准化进展，3GPP（3G Partnership Project，意即3G伙伴关系计划，是制定移动通信系统技术版本的项目组）于2018年6月制定了被称为R15的初期标准版本，为5G的商业化做好了准备，预定在2019年末制定完全满足上述3个条件的R16标准版本。

实现高速率、大容量通信的技术

下面来介绍为了实现上述3类典型应用场景的技术。

高速率、大容量通信就是要实现多种技术的组合。5G与4G的最大区别，就在于4G以前的移动通信系统难以被广泛应用，而如今控制高频率值的电波的技术已经相当成熟了。

分摊给5G的电波由被称为sub6频谱的3.7GHz频谱、4.5GHz频谱及毫米波的28GHz组成。在4G以前所利用的电波中，最高的频率值是2014年12月被分摊的3.5GHz频谱。由此可知，5G电波的频率值是多么地高。

通过如下两种技术：一是收集基站天线信号的大规模天线（Multiple Input Multiple Output, Massive-MIMO）技术；二是将天线信号发出的具有高度指向性的电波传送给手机终端的波束成型（beam forming）技术，可以将容易减弱（无法做到长距离传输）的高频率值的电波在减轻各基站之间干扰的同时实现远距离传输。

传送数据的电波群被称作副载波，5G可以用高频率值确保连续的电波带宽，所以，5G能够把副载波的幅度变得更长。也就是说，5G能够用更大的电波群传送数据。

为了给出具体的场景，我们把依靠电波传送数据比作利用公交车运送乘客。所谓5G，就好比在新铺设的、更加宽广的道路上行驶比以往更大型的公交车，与以往相比能够运送更多的乘客。

通过将具备这种要素的多种技术组合在一起，5G时代的网速将能够超过4G时代的10倍以上。

具体来说，4G下坡（从基站朝着手机终端的通信传送）充其量可以传输1Gbps（bit per second, bps,1秒之间传送的数据通信量）的速度带宽，上坡（从手机终端往基站方向的通信）充其量可以传输几百Mbps的速度带宽。而5G下坡可以传输20Gbps的速度带宽，上坡能够达到10Gbps的速度带宽。

这是5G在规格方面所必须达到的性能要求。当然，实际的网速还要看终端的款式及通信运营商的网络设计。但总体来看，5G具有4G无法比拟的高速率，特别是在上坡方面优势更加明显。这是应该瞩目的一点。

在第2章，我将要举出灵活运用5G的具体事例，那样大家就会真正感受到上坡功能得到强化的应用场景。

“边缘计算”成为可能

5G的时延是1毫秒，为4G的1/10。这样的低时延可以实现多种技术的组合。

在此本来应该涉及类似于缩短数据传输间隔的、在无线通信的各区间内低时延的技术，但本书仅举如下一点，作为从直观上容易理解的技术革新，边缘计算（edge computing）的实装变得更加容易了。

譬如，用某部手机获取互联网上的某些内容这一通信方式，通常的下载流程是，先通过手机→基站→通信运营商的网络（核心网络）→互联网上的服务器来获取内容，再沿着互联网上的服务器→通信运营商的网络→基站→手机这一反方向的流程来下载。

与上述流程完全不同的边缘计算，是指手机→基站→在基站旁边设置的服务器→基站→手机这一大大缩短的通信路径来完成下载任务的方式。换句话说，在通信运营商网络边缘（edge）的基站进行必要的数据处理，也就是计算（computing），故称边缘计算。

边缘计算的架构如图2所示。

将边缘计算也类比为利用公交车运送乘客。

请在大脑中浮想如下场景：某人要到政府部门办一件事，需要乘坐公交车到市政府。假如在他家附近有市政府的派出机构的话，那么他就会很容易往返那里，与需要乘坐公交车到遥远的市政府相比，办事所花费的移动时间就会大大缩短。重要的问题是，为了给更多的市民提供这种行政服务，必须遍地设置政府的派出机构。

话题回到边缘计算上来，为了实现用户的实时传送的愿望，必须在每个用户的附近设置处理数据的服务器，那样无疑会投入巨额的费用并耗费太长的时间。因此，与面向全国提供服务相比，为限定区域提供服务就成为最佳选择。

实装边缘计算这种方式变得容易起来，起因于5G的网络采用了C/U分离这一架构。

通信有两种：一种是以控制为目的的通信，需要能够识别哪个终端与哪座基站相连接，终端是不是处于能够通信的状态；一种是以传送数据为目的的通信，或者下载内容，或者在线订货。

现在这两种通信可以一体化运用。5G将系属于控制的通信作为控制维度（Control plain）捆在一起，将系属于传送数据的通信作为用户维度（User plain）分开设计，因此称其为C/U分离。据此，经由互联网的通信和需要经过边缘计算做出处理的通信并存下的网络管理就变得容易起来。

网络的灵活性大大提高

通信因其被利用的方法不同而要求满足各种不同的条件。

例如，要想实现汽车的自动驾驶，必须能够监测周围的车辆、交通标识、信号灯及行人等信息，根据解析结果控制方向盘、油门及刹车，这些通信的接续绝对不能被切断。我们可以想象一下，监测到有行人突然出现时必须刹车的场景，绝对不允许出现通信的延时。

如果是自动收集水、电、燃气这些仪表的数据，将这些数据汇总计算缴费的通信，对实时性的要求就显得不那么重要了，只要定期在通信量比较少的时间带进行即可，即使出现通信失败重新传送也不是不可以，不至于出现致命性的事故。这种通信很可能还要计算平均每次通信的成本，尽可能将成本降到最低。

由于5G采用C/U分离的方式，在多种通信混杂的情况下，充分考虑整个网络的混杂状况并进行最佳的资源配置就变得很容易。这时，可以根据通信的种类不同，将网络层次假想为切为薄片分成多层的网络作业切片技术。网络作业切片的架构如图3所示。这一技术在5G条件下变得很容易实装。

因为C/U分离和网络作业切片并非无线区间的技术革新，因此目前还很少有人谈论。但是，两者都是能够提高网络设计灵活性的技术革新，有必要将其作为扩展5G商业化运用最好应该具备的知识记到脑海里。

使大规模物联网成为可能的技术

同时接通许多终端，意味着一座基站可以为大量的终端提供服务。

在4G情况下，一座基站有时会出现100部左右的终端同时接入就会因过于拥挤而无法接通的情况。而5G超过它的100倍，即使有10000部左右的终端同时接入也能保证网络畅通无阻。

这样一来，大家可能都会想到在一个区域内有众多的人都在同时使用手机的场景，但这种技术可以说是在各种地方埋设了传感器，这是利用通信来收集这些传感器发来的数据的IoT（Internet of Things，物联网）时代（所有物品都与互联网联通的时代）所必须具备的条件。

接通许多终端的技术目前还仍然处于标准化作业阶段，在此介绍一下日本提议的被称为无须许可（Grant Free，或互赠）的方式。这个方式是日本国立研究开发法人信息通信研究机构（NICT）提出的。简而言之，就是将终端和基站的系属于控制的通信做简化处理（simple），以此来避免出现网络拥挤。

通常情况下，终端和基站之间开始通信的时候，两者之间要对利用电波的频率和利用的时间进行沟通，基站要发出事前许可（Grant）。而无须许可方式将这种事前许可的沟通省略了，直接传送数据。无须许可的架构示意图如图4所示。虽然也将冒着传送失败、数据出现缺损的风险，但事前已设计好一旦出现这种情况将会再次传送的架构。

在这里依然举用公交车输送乘客的例子。此前的通信是为了确定把乘客送达目的地，在乘客上车之前，司机（或售票员）要与乘客反复沟通，确认之后再让乘客上车。这是以往的场景。如果出现忽然有大批乘客涌来的情况，司机（或售票员）就可能出现精神崩溃的情况。所以，无奈之下，事前沟通就可免去了，先让这些乘客上车再说。可以让更多的乘客上车，对司机和乘客来说两全其美。这是另外一种场景。

4G以前的通信都进行了合乎以下载为中心的利用方式的设计：用户要按动想观看的视频的开始键，下载观看或者重放观看。在从现在开始进入的IoT时代，海量的传感器发出的大大小小的数据同时上传，这时作为回避上传拥挤的设计，无须许可方式那样的大规模同时接通的技术就显得非常重要了。

数字转换的基础

德国为了充分利用数字技术推进其主导产业即制造业的发展，正在实施被称为“工业4.0”的战略规划。根据产品的订货状况，对设置在工厂的操作机器人进行远程控制和自动控制，利用AI解析安装在操作机器人身上的传感器得到的数据，监测故障及停电的预兆并做出应对，以提高工作效率。

与此同时，德国正在谋求从将操作机器人当作商品销售的商务模式转向另一种商务模式，即把“使用操作机器人大幅提高工厂生产线效率和设备运转效率”这一给客户带来的好处本身作为附加价值的销售服务的商务模式。

其代表性企业之一就是德国的博世（Bosch）。在2018年的世界移动通信大会（Mobile World Congress, MWC，移动通信行业世界最大规模展会）上，博世充分展示了5G在“工业4.0”中发挥的重要作用，其中大部分内容都是依靠前文介绍的网络作业切片给该公司的制造/销售业务带来的革新。虽然网络作业切片这一想法或者说这一技术以前就存在，但是依靠5G，其应用价值得以大大提升。这也是人们期盼5G时代尽快到来的原因之一。

“工业4.0”战略规划的主要目的在于将数字技术最大限度地应用于制造业，像这种针对传统产业（原有产业），通过利用通信、AI和内置各种传感器等技术手段，实现公司内部决策模式及商务模式的革新，被称为数字转换（digital transformation）。

企业在描绘数字转换的面貌时，必须将控制和数据的流程嵌入商务或操作的各个环节之中，紧跟每时每刻都有庞大的控制信号和数据产生的时代步伐，对5G的架构及技术要素进行设计，所以，5G被称为数字转换的基础。

本书将在第3章介绍数字转换应用于各种产业的可能性。在此只对数字转换这一词语做一简要介绍。