摘要
随着时代的进步，各行业的迅猛发展，特别是计算机与物联网领域日趋完善，对于作为传输数据信息的通信技术要求越来越高。尤其对于移动通信技术，从第一代到最近即将商用的第五代移动通信技术5G，改进的速度非常之快，因此通信技术的进步才能推动其他制造业和服务业的前进。物流行业是一个与通信技术息息相关的领域，移动通信技术几乎能够应用在物流中大部分应用中，新一代物流中短链、智慧以及共享的三大特征正是得益于计算机
与通信技术的提升，因此对于5G技术的研究既可以拓展新一代物流的应用场景，更能加速新一代物流体系架构的改革。本文从技术层面解析5G技术的实现方式，并提取出5G技术中哪些要素对于新一代物流行业具有促进意义。
一、移动通信技术的发展历程
随着5G时代的即将到来，并且在2020年会实现商用，它有机会为很多新技术带来促进作用。本节将具体介绍第一代移动通信 1G 到第四代移动通信技术 4G 的变革历史。
每一代移动通信技术的发展时间在10年左右，但是每代移动通信的平台和技术都有不断的创新，将我们导向下一代移动通信时代，例如5G中要支持的大规模物联网的功能已经在4G中出现。
图1移动通信技术发展历史
第一代移动通信系统（1G）即模拟蜂窝移动通信，是第一代具有移动性和蜂窝组网的特性的通信平台，但是1G完全采取模拟通信方式，模型信号由于抗干扰性能差，同时1G使用的FDMA技术使得频率复用率不高，因此1G通信缺陷很多。
第二代移动通信技术（2G）中融入更多的多址技术，例如TDMA和CDMA技术，同时2G开始就不是模拟通信方式了，逐渐变成数字通信，因此相比1G在抗干扰能力上大幅度增强。
图2 2G基站架构
在2.5G和3G之间具有2.5G的过渡，即指GSM运营商在GPRS后推出的EDGE技术作为3G的迁移时采用的网络结构。2.5G技术的目的是使GSM运营商能够以低比特率提供简单的数据服务，这种技术后来也变成3G主要使用的方案。
第三代通信技术（3G）相对于2G来说主要是广泛地采用了CDMA多址技术，大量扩展了频谱，增加了频谱复用率。因此，3G更加利于移动互联网业务，同时3G的也延伸出很多多址技术结合的产物例如FDD-HSPA和-SCDMA。
图3 3G基站架构
第四代移动通信技术（4G）的标准的制定主要是两个组织，一个是3GPP组织，另一个是IEEE组织。目前4G技术中LTE的应用最广泛，所以以LTE是4G区别3G的最大改变。
图4 4G基站架构
核心网构造中抛弃了原来的电路域，迈向全IP化形式。4G的空中接口关键技术也由3G的核心多址技术CDMA变成OFDM，这种多址技术使得4G通信更加具备可行性和适应性。
为了详细说明1G到4G通信技术的发展、技术标准以及相应服务，下面的图表对一些指标进行详细统计。
表1G-4G技术参数对比
通过1G到4G通信技术的发展，移动通信技术不断跨越提升，从语音、数字语音到文本图像直至后来视频数据，使得移动通信技术的应用范围越来越广。今年5G技术标准已经出台，2019年到2020年可看到全球营运商将陆续推出5G商业服务试营，包括：物联网、车联网、智慧医疗、VR/AR、工业4.0等关键应用，将驱动新产业生态链。
二、5G 的网络架构与关键技术
5G通信将遵循网络业务融合和按需服务提供的核心理念，引入更丰富的无线接入网拓扑，提供更灵活的无线控制、业务感知和协议栈定制能力；重构网络控制和转发机制，改变单一管道和固化的服务模式；利用友好开放的信息基础设施环境，为不同的用户和行业提供可以满足对应需求的网络服务。
1.5G网络设计架构
5G网络架构的设计部分主要从5G网络的系统设计和5G组网设计这两个方面来描述。网络系统设计主要包含实现逻辑功能并建造不同功能之间的交流渠道，5G网络架构属于端到端架构，平面功能划分比较清晰；5G的组网部分主要关注使用的硬件设备以及平台架构和网络节点部署等，5G组网设计中将会充分利用SDN/NFV技术在新型集中式基础环境下加强5G通信的灵活性和安全性。
5G网络的系统结构中主要有三个功能平面：接入平面，控制平面和转发平面。这三个平面可以构建整个5G网络的逻辑视图。
图5 5G网络系统结构逻辑视图
这三个平面在5G架构中担任不同角色，例如接入平面负责构建接入网络的拓扑结构、接入应用或者网络的筛选和重新部署等；控制平面实现集中的网络控制和调度功能，是一个可重构、集中式的控制结构；转发平面肯定就是负责5G的数据转发和处理，为其提供更动态的网络节点部署。总而言之，5G这三个平面架构可以相互协助，接入平面负责外接网络的可控接入，控制平面完成5G网络的集中控制调度，最后转发层面负责底层数据的转发。
以上三个平面可以看作5G架构的横向逻辑设计，5G在架构的纵向设计可以看作是另一种设计模型，即采用功能模块化设计视图，通过在纵向组合不同模块化的功能结构以此实现满足不同类型的逻辑网络结构满足一些特定的应用场景。纵向架构可以将5G控制模块的功能视为5G核心，将其他网络的接入和数据的转发功能作为5G基础使用资源，最后5G可以向上给不同场景提供网络资源的管理编排和向不同用户提供网络能力的开放服务，以此可以形成三层网络功能视图。
图6 5G网络功能视图
在管理编排层面上，主要实现网络能力开放、网络资源管理和接口编排以及用户数据存储分析等三部分功能。
5G的网络控制层主要用来实现控制功能的模块化，可以灵活实现网络集中式控制方式。控制层面的主要功能模块包括下面几项：无线网络资源的集中分配控制、5G网络安全控制、5G移动网络控制、临时会话管理、多接口组合控制和5G流量调度控制等等。根据管理编排层的需求，在网络控制层可以对以上功能模型进行灵活组合，从而可以向下对底层网络资源层面进行调度和使用。
图7 5G基础平台
5G的最底层应当是网络提供的资源层面，这一层面与之前的转发平面相互对应，负责5G网络的底层架构。这一层对接入网络和网络自身功能负责。接入网络一侧包含两级功能单元即中心单元和分布单元，中心单元主要实现5G相关业务的汇聚；分布单元的目的是为5G给终端设备提供数据的接入点。自身网络一方就是为了实现5G数据报文转发、5G产生流量的优化和5G业务内容实现等功能。
5G的网络完全采取SDN/NFV技术完成集中式控制与分布式编排调度的平台模式，其中5G的基础平台构建过程中将使用通用硬件搭建的数据中心架构完成5G高质量通信需求和管理模式，同时完成移动通信网络的灵活部署。5G的基础平台设计中SDN/NFV是核心技术。
图8 5G组网设计
5G组网模式可以从四个层次来完成设计，中心级的主要职责是控制、管理和调度，在全国各地按照需求量进行节点部署，担任5G整体架构的监控维护职能。汇聚级的核心作用是控制网络相关业务功能，这一层级节点可以部署在省级各地。区域级的核心功能是完成网关控制任务，负责均衡承载用户产生的业务数据流量，这一层次节点部署于市一级。接入级是最接近客户的一级层次，中心单元和分布单元之间通过5G低时延通信完成多个用户节点之间的协作化，这一层级用户可以自由灵活组网。
2.5G网络中关键技术
移动通信技术中，5G不仅仅像前几代移动通信技术迭代方式，5G无论是组网技术还是通信编码技术领域都有了巨大改进，也引入了许多关键技术。
（1）基于SDN控制转发分离的网关设计
5G采取和SDN一样的分离控制功能和转发功能的网络设计。控制转发分离的5G网关，控制层面采取集中的方式统一进行策略设计，能够灵活地对移动流量进行调度以及其他附属网络的连接管理。转发层面将专注于业务数据的路由转发，因此更加简单高效和稳定，能够应对海量的大数据环境。5G这种网关设计使得网络架构显得更加扁平化，一些硬件设备只需要进行分布式部署，可以有效降低业务环境中存在的传输时延。
（2）多元场景下的网络连接管理和移动性服务
5G为了满足不同场景下的网络管理和数据传输，采取了新的网络连接管理手段，应对不同用户业务的QoS需求来提供个性化定制的服务。同时5G中的连接管理更加高效灵活，根据终端的相关属性来确定连接的参数，上传到控制层后根据这些参数生成由控制层发出的管理指令，然后转发平面会执行指令完成网络的连接。
移动性服务是移动通信技术的热点研究，5G提出的移动性管理协议相比4G更加集中统一。由于5G特征是多种接入技术融合，因此移动性服务要独立于各种接入技术，这样才能实现不同构造的网络结构进行无缝切换。5G的移动性服务对位置管理、网络切换以及附着状态等内容和方案进行了相关优化和改进。
（3）网络切片
网络切片可以理解为一组逻辑功能集合，可以用来支持特殊场景的通信服务，主要依赖于基础服务设施，这些逻辑功能来源于EPC下的网络功能分解而得。因此，可以认为网络切片是一种端到端的解决方案，不仅可以应用于核心网，还可以应用于无线接入网RAN。
网络切片具体可以从服务层和基础设施层的角度分别考虑。在5G 代，移动网络服务的对象也不再是单纯的移动手机，而是各种类型的设备。移动通信技术的应用场景也多样化。5G是通过网络切片技术根据客户需求业务，在一个物理网络上分出多个能够满足不同场景需求的逻辑网络，既能够提供更好的客服体验，又能节约成本。
（4）移动边缘计算
移动边缘计算即MECC技术，是一门新兴发展的技术，具体内容是在靠近移动用户一侧提供计算机技术服务环境包括大数据分析和云计算能力，最近还包括基于深度学习的计算机视觉分析能力，并将获得的内容推送到靠近用户的基站，使得计算应用、网络服务以及传输内容部署在一个高分布的架构环境中，因此这项技术可以更好的支撑5G通信的低时延、高带宽的业务要求。
图9 移动边缘计算技术
MECC技术目前有很多可以研究的空间，例如移动边缘计算如何运营商、设备制造商以及使用客户的相互协作，5G采用MECC技术可以实现更多的功能。
（5）按需组网技术
5G组网技术相比传统组网技术更具有场景适配能力，因为不同客户需求的业务场景各有特征，多元化的业务场景就需要5G在组网技术上考虑按需分配，按需组网的能力同时也使得5G业务场景更加丰富。
网络切片的组网技术主要利用虚拟化将5G基础实施资源根据实际的客户需求化为多个独立的网络切片，享用虚拟资源。每个网络切片单独根据客户需求的场景和业务模型进行功能制定和资源的编排管理，相当于一个实例化的5G核心网。同时每个网络切片可以被运营商根据资源的大小进一步实现虚拟分割，从而得到更小的子网结构。
图10 网络切片的按需组网技术
图中的网络编排功能是为了实现对网络切片的创建、管理和删除，运营商主要的任务就是根据客户的场景需求来生成切片，切片的模块中包括网络功能、功能模块之间接口以及网络资源分配等。然后网络编排功能按照切片模板进行数据资源的申请，申请到后就可以实例化虚拟网络的构建模块和接口等。
按需组网技术使得5G网络能够根据业务需求灵活地进行组网，可以通过需求算法设计出最优的组网方案和路由部署方案，既能够提高5G网络的资源利用率，也能够增强网络的可靠性。
（6）先进的新型无线技术
5G很多技术也是基于现有的4G成熟技术。
大规模MIMO天线技术从原来的2*2提高到了现在的4*4，天线数量的增多同时也需要应用占用额外的空间，如果空间环境太小那么5G的MIMO技术就不太现实，因此5G只能在原有基站端一侧叠加更多数量的MIMO。最新的研究发现，5G的NR结构可以在基站端架设的天线高达256根，通过二维分布可以实现5G通信的3D波束成型，一定程度上提高了信道容量和信号覆盖范围。
毫米波技术证明了5G能够将大于24GHz以上频段即毫米波用在移动通信技术领域， 属于首例。高频段频谱如果大量可供使用，5G将具有很快的数据传输速度和网络容量。但是毫米波是否能够被广泛应用还需要更多的研究，需要考虑毫米波损耗问题。
频谱共享技术即5G可以通过共享频谱和非授权频谱扩展到多个通信维度，使得5G能够支持更多的部署环境。5G的NR结构目前提出支持所有频谱类型，同时5G能够对各种频谱灵活兼容，实现一种全新的频谱共享模式。
最后就是5G具有先进的信道编码，美国高通提出的LDPC传输效率远远优于法国提出的LTE Turbo，解码设计平行化，具有低时延的特点，可以扩展成更高效的传输速率，因此成为5GeMMB场景控制的长码编码方案。另外，中国华为为首代表的Polar码因其具有较低复杂度且没有错误平层现象等优势被选为5G的短码编码方案。
（7）无线 MESH 和动态自组织
无线MESH被应用与5G网络中成为最重要的无线组网技术，能够实现连续广域覆盖和超密集组网场景。无线MESH网络能够使得5G构建出最高效的基站间数据传输模式，提高了基站之间的协同能力，降低了数据传输的时延，使得基站更加容易部署和维护，显得更加轻型。
图11 MESH无线组网
动态自组织网络技术是5G移动通信控制下，可以将基站和应用终端以及各种通信节点自组织地构建成新网络结构，相比传统网络组网技术这样更加灵活方便，同时动态自组织网络可以提升网络频谱效率，因此可以用于低功耗的多连接场景。
（8）其他一些关键技术
除了上述5G很重要的关键技术点外，5G为了营造更高质量的通信模式，采取了很多关键技术。
5G具有控制功能重构技术，有效的功能划分使得5G能够根据实际应用场景重构功能控制层面。
5G具有统一的多无线接入技术，能够实现终端同时接入不同制式下的网络节点，提高网络吞吐量。
5G是一个超密集异构网络，因此网络具有很多措施保障系统性能。
5G 延续LTE中的OFDM技术并进行优化波形和多址接入，实现高能效的上行链路传输等等。
三、5G技术的主流应用场景分析
5G相比传统的移动通信技术具有很多优势，不仅仅是带宽和时延、功耗上具有很大性可以带动很多原来不能落地的应用场景变为商业使用，同时也会推动现有制造业和服务业的信息化。专家认为将来5G会主要被应用在三个主流场景即即时可靠通信场景（uRLLC）、高能通信宽带场景（eMBB）以及海量机器通信场景（mMTC）。
1.即时可靠通信场景(uRLLC)
即时可靠通信场景即uRLLC作为5G通信使用最广泛的应用场景之一。即时通信对数据传输的速度和效率要求极高。5G的高传输和可靠性这些特征使得其能够被用于实现这种场景。目前研究中，5G的理论下行速度为10Gb/s，同时由于5G各种核心技术的融入，使得其也具有很高质量的传输性，这些性质使得5 能够成功实现数据通信即时、数据传输可靠与数据处理高效的uRLLC场景，这种场景以自动驾驶场景为首。
图12 5G的三大应用场景
ITU等组织对uRLLC场景进行严格归类，这种场景的主要业务包含自动驾驶、智能电网、远程操控、互联网（触觉触发类）、即时游戏以及制造流程自动化等。目前，5G已经采取一些关键技术来降低时延。除此，5G需要满足uRLLC端到端1ms（自动驾驶技术）的超低时延，对网络架构进行了相关优化。
2.高能通信宽带场景(eMBB)
高能通信宽带场景即eMBB，eMBB场景是5G应用最基础的应用场景。5G作为新一代移动通信技术，速度快、性能高以及可靠性稳定的特征使得其能够很好地适应eMBB场景。理论研究发现，5G网络的速度相比同是移动通信的4G要快上10几倍，这完全是一个质的提升，从人类的直观感觉就是一部2G的高清质量电影如果用5G传输那么仅仅需要1s，一眨眼就会完成整个下载工作。
以往发表的官方白皮书中，eMBB包括超高清视频、虚拟现实、增强现实等对带宽要求极高的场景。这些场景一些关键性能指标包括必须具有100Mbit/s高速体验带宽，有些热点场景甚至达到1Gb/s、峰值速率达到10Gb/s、数据流量密度每公里10TB/s、移动性每秒10km等；其次，eMBB也对时延比较敏感，如果应用场景中涉及到一些交互，例如 VR 游戏中的体验时延必须达到10ms的量级。
除此外，3GPP提出eMBB场景作为新时代移动互联网发展的基础条件，是能够提升人们生活质量的关键领域。因此基于5G的这种场景很多技术规范都已经成熟，除了刚刚提到的性能KPI，还有LDPC和Polar的终端编码使得eMBB将成为5G首个落地的商业产品，5G中还对这种场景进行网络部署设计，要求能够兼容4G网络。
3.海量机器通信场景(mMTC)
海量机器通信场景即mMTC是5G与物联网深度结合的场景，这些场景是物联网落地的场景。uRLLC和eMBB其实微观上5G术的应用场景，高带宽、低时延和可靠性使得5G能够对这两类场景进行有效支撑，海量机器通信的应用场景是因为5G具有可观连接能力而产生的，5G强大的兼容能力使得其可以实现从产品的生产直至消费的整个流程环节实现人与人、人与物的整个场景信号覆盖，真正意义上促进了互联网、物联网与其他制造业、物流业和零售业等各行业进行横纵向的深层次融合，能够实现多年来提出的万物互联局面。所以在这种场景下，5G的无线接入技术更为重要，只需要将各种终端设备和网络结构无缝接入到基于5G的平台机构，就能实现mMTC场景。
mMTC官方描述就是海量接入的场景，那么智慧城市、智慧家庭以及智能工厂还有智慧物流这些大型的制造业场景和服务业场景都属于这一范畴，5G在这一场景中的优势主要是具有有效的接入控制技术。
新一代的物流行业将会是集合物联网、大数据、云计算以及人工智能等新兴智慧物流产业，因此5G与物流业的融合是势在必行。