5G業務需求分析及技術標準進程

移動通信大約每10年推出新一代的技術。2010年國際電聯（ITU）確定LTE-Advanced為第四代移動通信技術（4G）國際標準。目前，4G已在全球開始規模商用，業界開始啟動面向2020年及未來的第五代移動通信技術（5G）的研究工作。5G研究處于初期階段，主要集中在5G需求、頻譜、關鍵技術及預標準化[1-15]。

1 5G業務需求及主要技術

挑戰

移動互聯網和物聯網市場與業務應用的迅猛發展成為推動5G發展的主要驅動力。這迫切要求5G具有媲美光纖的接入速率、千億設備的連接能力、享受本地操作的實時體驗、隨時隨地的寬帶無線接入能力，促使5G成為構建泛信息化社會的重要基礎設施。

1.1 市場與業務需求

智能終端、連接數激增，無線流量20年呈萬倍增長。智能終端的普及、移動應用的蓬勃發展，促使移動互聯網呈現出爆炸式發展。而物聯網面向多種行業應用，呈現出多樣化發展趨勢，其泛在化特征日益顯現。根據工業和信息化部電信研究院的預測，到2020年，中國的移動用戶數將突破22億戶，物聯網機器對機器通信（M2M）連接數近15億個；與2010年相比，中國移動數據流量增長350倍，移動用戶月均流量增長130倍，其中視頻類業務流量占比將超過70%。如果面向2030年，則中國的移動數據流量增長將超過4萬倍，移動用戶月均流量增長1萬倍，上海、北京等發達城市和西單、國貿等熱點區域的增長幅度將更大。具體如圖1、圖2所示。

業務應用驅動，提升用戶體驗成為5G技術挑戰的源動力。移動互聯網領域，智能終端顯示、計算等能力不斷提升，云計算模式日漸成熟，增強現實等新型應用成為主流。用戶追求極致的使用體驗，要求獲得與光纖相似的接入速率、媲美本地操作的實時體驗以及隨時隨地的寬帶接入能力。物聯網領域，服務對象將擴展至各行業用戶，M2M終端數量將大幅激增，應用無所不在，與行業應用的深入結合將導致應用場景和終端能力呈現巨大的差異。這使得物聯網行業用戶提出了靈活適應差異化、支持豐富無線連接能力和海量設備連接的需求。此外，網絡與信息安全的保障，低功耗、低輻射，實現性能價格比的提升成為所有用戶的訴求。

1.2 5G技術主要應對的挑戰

5G主要業務包括移動互聯網及物聯網業務應用。參考3GPP業務分類，我們對移動互聯網業務進行了分類，并新增了M2M類業務。具體分類如圖3所示。

移動互聯網的流類和會話類業務，由于超高清、3D和浸入式顯示方式的出現，用戶體驗速率對無線技術形成新的挑戰，例如8K（3D）的無壓縮視頻傳輸速率可達100 Gb/s，經過百倍壓縮后，也需要1 Gb/s。

交互類業務也發展迅猛，如Juniper公司預測2018年增強現實用戶達2億戶，IDC公司預測2017年游戲下載量將占總下載量的40%。對交互類挑戰最大的是交互的快速響應能力，要達到用戶對時延基本無感知的使用體驗。

傳輸類業務在采用云存儲方式之后，大量數據需要在無線接口傳送，用戶希望能夠達到與光纖可類比的接入體驗，這無疑對傳輸速率也提出了挑戰。在消息類業務中，OTT消息類業務將逐步成為主導性應用，其大量數據包頻發消耗信令資源問題迫切需要解決。

物聯網采集類業務以海量連接數量的激增對無線技術形成挑戰，而控制類業務中，如車聯網、自動控制等時延敏感業務要求時延低至毫秒量級，且需要保證高可靠性。

哪些場景及業務應用是現有4G技術無法實現，而需要在5G階段重點解決的？5G技術需要達到的技術指標數值是多少？這里，我們選擇了辦公室、密集住宅區、快速路、體育場等多種典型場景并結合視頻播放、增強現實、OTT消息、車聯網等多種典型應用進行綜合分析，設定每種場景下典型的業務應用類別，確定業務模型和用戶模型，計算出受限的技術指標值。經過每種場景的分析，在一些場景下，無線技術成為瓶頸，存在挑戰的主要場景存在于密集住宅區的用戶體驗速率、辦公室場景下的高流量密度、地鐵場景下的連接數密度、高鐵環境的高速移動性等指標。

經過分析，我們認為5G與4G相比較，需滿足以下關鍵技術指標：

·傳輸速率提高10～100倍，用戶體驗速率0.1～1 Gb/s，用戶峰值速率可達10 Gb/s。

·時延降低5～10倍，達到毫秒量級。

·連接設備密度提升10～100倍，達到每平方公里數百萬個。

·流量密度100～1 000倍提升，達到每平方公里每秒數十太比特。

·移動性達到500 km/h以上，實現高鐵環境下的良好用戶體驗。

此外，能耗效率、頻譜效率及峰值速率等指標也是重要的5G技術指標，需要在5G系統設計時綜合考慮。

2 面向2020年的頻譜需求

研究

頻譜資源是引領無線移動通信持續創新發展的重要動力源泉。由于頻譜資源是國際共用、國家支配的稀缺性戰略資源。因此，需要實現頻譜資源的科學管理，一方面，要為新的頻譜需求及時規劃分配資源，以促進相關行業和產業的發展；另一方面，也要對頻譜需求做出合理估計，避免超前分配導致的資源浪費。

當前，中國的國際移動通信系統（IMT）包括2G、3G系統，以及剛商用的4G（LTE）系統。中國為IMT系統劃分頻率總計687 MHz，其中時分雙工（TDD）頻率總計345 MHz，頻分復用（FDD）頻率總計342 MHz。

面對未來巨大的移動數據業務需求，業界考慮從技術演進、頻率分配、網絡建設和異構網絡分流等方面解決網絡壓力，其中，為IMT系統分配新的頻率資源是最直接、最有效的手段之一。現有劃分用于IMT系統的頻率或將難以適應未來業務量急速發展帶來的頻譜缺口。目前，國際標準組織ITU已經著手研究為IMT系統分配新的頻率資源。針對中國2020年面臨的IMT系統頻率缺口問題，各相關機構與部門已開始研究制訂中國中長期的寬帶無線頻率規劃，并積極參與到國際上關于劃分新的IMT頻率工作當中，向ITU提交中國在IMT頻率需求和合適頻段（SFR）方面的建議。endprint

根據中國移動通信業務市場需求，在充分分析國際主流機構的IMT頻譜需求測算方法基礎上，結合中國IMT實際運營情況，中國IMT-2020（5G）推進組提出了適合中國國情的IMT頻譜需求測算方法。經過計算，得出2020年頻譜需求及對應的頻譜缺口，如表1所示。

針于IMT具體頻率范圍，一方面，需要在低頻段優質資源中，將具備IMT使用條件的頻段充分挖掘，包括450～470 MHz、698～806 MHz、3 400～3 600 MHz等已經標示為IMT的頻段，及3 300～3 400 MHz、4 400～4 500 MHz和4 800～4 990 MHz等WRC-15 1.1在研的候選頻段；另一方面，在毫米波無線通信設備發展日漸成熟的趨勢下，有必要尋求高頻段潛在可用頻譜資源，開展相關研究，如6～7 GHz、26 GHz、28 GHz等。

3 5G技術標準路徑

2012年，國際電聯ITU已啟動5G需求、頻譜及技術趨勢等研究工作。歐盟、韓國等政府紛紛開始啟動5G研究項目，積極引導技術發展，爭取在新一輪的國際競爭中占據優勢地位。5G發展的階段劃分如圖4所示。中國也在2013年成立了IMT-2020（5G）推進組推進5G的發展。根據國際整體情況，預計2015年將形成5G愿景、關鍵能力需求及頻譜規劃，之后將啟動5G標準化工作，并在2020年后開始商用。因此，“十三五”期間將是5G概念提出、技術標準形成、產品研發的關鍵期。

4G即將進入規模商用，而5G是繼4G后新一代的移動通信技術。4G向5G的技術產業發展緊密銜接，存在3條演進路線。首先，LTE/LTE-Advanced是事實上的全球統一4G標準，將會在5G階段繼續演進；其次，無線局域網（WLAN）具有良好的產業和用戶基礎，下一代WLAN將提升運營商業務支撐能力，是一種重要補充技術；此外，我們還應特別關注可能出現的革命性5G技術。

LTE-Advanced的技術標準主要在3GPP國際標準化組織制訂。業界初步認為在3GPP R14階段（預計于2016年）將啟動面向5G的標準研究工作。目前，LTE-Advanced特別注重熱點/室內場景的優化，及與WLAN的融合發展。LTE-Advanced向熱點/室內（LTE-Hi）、設備間直接通信（D2D）、M2M、集群通信/公共安全等領域拓展。針對目前寬帶無線大量流量源于熱點與室內環境，LTE-Advanced的重要特征正是提供密集/熱點網絡的解決方案。通過提升小小區的頻譜效率、運營效率、移動性，減少小區間干擾等手段來大幅度提升容量，實現業務分流、靈活的網絡部署，更高效的頻率復用。同時，通過網絡管理、無線資源調度等緊耦合方式實現與WLAN的深度融合發展。

WLAN則向高效率、可運營的方向發展。2013年3月，IEEE已經啟動了下一代WLAN標準——高效率無線局域網（HEW）研究，旨在提升實際網絡運行環境中WLAN的頻譜效率和實際承載吞吐量。預計HEW標準化將于2018—2019年結束。

5G無線關鍵技術的方向包括：

（1）新型信號處理技術，如更先進的干擾消除信號處理技術、新型多載波技術、增強調制分集等。

（2）超密集網絡和協同無線通信技術，如小基站的優化、分布式天線的協作傳輸、分層網絡的異構協同、蜂窩/WLAN/傳感器等不同接入技術的協同通信等。

（3）新型多天線技術，如有源天線陣列、三維波束賦型、大規模天線等等。

（4）新的頻譜使用方式，如TDD/FDD的融合使用、實現頻譜共享的認知無線電技術等。

（5）高頻段的使用，如6 GHz以上高頻段通信技術等。

為適應移動互聯網發展，移動網絡向著扁平化、控制與轉發分離、智能化、虛擬化等方向發展，與無線網絡資源協同緊密結合，實現互聯網內容的有效存儲與轉發，新型移動網絡架構成為5G研究的重點，并將帶動新型移動網絡技術及設備的研發。

4 結束語

移動互聯網和物聯網的強勁推動力驅動下產業能力快速提升，面向2020年及未來的5G時代正向我們走近，高流量、低時延、高智能、低能耗的5G無線技術及新型網絡成為技術研究方向，充足的頻率資源是5G發展的基礎，全球統一的頻譜、統一的標準是產業的訴求也是5G獲得成功的關鍵。endprint

根據中國移動通信業務市場需求，在充分分析國際主流機構的IMT頻譜需求測算方法基礎上，結合中國IMT實際運營情況，中國IMT-2020（5G）推進組提出了適合中國國情的IMT頻譜需求測算方法。經過計算，得出2020年頻譜需求及對應的頻譜缺口，如表1所示。

針于IMT具體頻率范圍，一方面，需要在低頻段優質資源中，將具備IMT使用條件的頻段充分挖掘，包括450～470 MHz、698～806 MHz、3 400～3 600 MHz等已經標示為IMT的頻段，及3 300～3 400 MHz、4 400～4 500 MHz和4 800～4 990 MHz等WRC-15 1.1在研的候選頻段；另一方面，在毫米波無線通信設備發展日漸成熟的趨勢下，有必要尋求高頻段潛在可用頻譜資源，開展相關研究，如6～7 GHz、26 GHz、28 GHz等。

3 5G技術標準路徑

2012年，國際電聯ITU已啟動5G需求、頻譜及技術趨勢等研究工作。歐盟、韓國等政府紛紛開始啟動5G研究項目，積極引導技術發展，爭取在新一輪的國際競爭中占據優勢地位。5G發展的階段劃分如圖4所示。中國也在2013年成立了IMT-2020（5G）推進組推進5G的發展。根據國際整體情況，預計2015年將形成5G愿景、關鍵能力需求及頻譜規劃，之后將啟動5G標準化工作，并在2020年后開始商用。因此，“十三五”期間將是5G概念提出、技術標準形成、產品研發的關鍵期。

4G即將進入規模商用，而5G是繼4G后新一代的移動通信技術。4G向5G的技術產業發展緊密銜接，存在3條演進路線。首先，LTE/LTE-Advanced是事實上的全球統一4G標準，將會在5G階段繼續演進；其次，無線局域網（WLAN）具有良好的產業和用戶基礎，下一代WLAN將提升運營商業務支撐能力，是一種重要補充技術；此外，我們還應特別關注可能出現的革命性5G技術。

LTE-Advanced的技術標準主要在3GPP國際標準化組織制訂。業界初步認為在3GPP R14階段（預計于2016年）將啟動面向5G的標準研究工作。目前，LTE-Advanced特別注重熱點/室內場景的優化，及與WLAN的融合發展。LTE-Advanced向熱點/室內（LTE-Hi）、設備間直接通信（D2D）、M2M、集群通信/公共安全等領域拓展。針對目前寬帶無線大量流量源于熱點與室內環境，LTE-Advanced的重要特征正是提供密集/熱點網絡的解決方案。通過提升小小區的頻譜效率、運營效率、移動性，減少小區間干擾等手段來大幅度提升容量，實現業務分流、靈活的網絡部署，更高效的頻率復用。同時，通過網絡管理、無線資源調度等緊耦合方式實現與WLAN的深度融合發展。

WLAN則向高效率、可運營的方向發展。2013年3月，IEEE已經啟動了下一代WLAN標準——高效率無線局域網（HEW）研究，旨在提升實際網絡運行環境中WLAN的頻譜效率和實際承載吞吐量。預計HEW標準化將于2018—2019年結束。

5G無線關鍵技術的方向包括：

（1）新型信號處理技術，如更先進的干擾消除信號處理技術、新型多載波技術、增強調制分集等。

（2）超密集網絡和協同無線通信技術，如小基站的優化、分布式天線的協作傳輸、分層網絡的異構協同、蜂窩/WLAN/傳感器等不同接入技術的協同通信等。

（3）新型多天線技術，如有源天線陣列、三維波束賦型、大規模天線等等。

（4）新的頻譜使用方式，如TDD/FDD的融合使用、實現頻譜共享的認知無線電技術等。

（5）高頻段的使用，如6 GHz以上高頻段通信技術等。

為適應移動互聯網發展，移動網絡向著扁平化、控制與轉發分離、智能化、虛擬化等方向發展，與無線網絡資源協同緊密結合，實現互聯網內容的有效存儲與轉發，新型移動網絡架構成為5G研究的重點，并將帶動新型移動網絡技術及設備的研發。

4 結束語

移動互聯網和物聯網的強勁推動力驅動下產業能力快速提升，面向2020年及未來的5G時代正向我們走近，高流量、低時延、高智能、低能耗的5G無線技術及新型網絡成為技術研究方向，充足的頻率資源是5G發展的基礎，全球統一的頻譜、統一的標準是產業的訴求也是5G獲得成功的關鍵。endprint

根據中國移動通信業務市場需求，在充分分析國際主流機構的IMT頻譜需求測算方法基礎上，結合中國IMT實際運營情況，中國IMT-2020（5G）推進組提出了適合中國國情的IMT頻譜需求測算方法。經過計算，得出2020年頻譜需求及對應的頻譜缺口，如表1所示。

針于IMT具體頻率范圍，一方面，需要在低頻段優質資源中，將具備IMT使用條件的頻段充分挖掘，包括450～470 MHz、698～806 MHz、3 400～3 600 MHz等已經標示為IMT的頻段，及3 300～3 400 MHz、4 400～4 500 MHz和4 800～4 990 MHz等WRC-15 1.1在研的候選頻段；另一方面，在毫米波無線通信設備發展日漸成熟的趨勢下，有必要尋求高頻段潛在可用頻譜資源，開展相關研究，如6～7 GHz、26 GHz、28 GHz等。

3 5G技術標準路徑

2012年，國際電聯ITU已啟動5G需求、頻譜及技術趨勢等研究工作。歐盟、韓國等政府紛紛開始啟動5G研究項目，積極引導技術發展，爭取在新一輪的國際競爭中占據優勢地位。5G發展的階段劃分如圖4所示。中國也在2013年成立了IMT-2020（5G）推進組推進5G的發展。根據國際整體情況，預計2015年將形成5G愿景、關鍵能力需求及頻譜規劃，之后將啟動5G標準化工作，并在2020年后開始商用。因此，“十三五”期間將是5G概念提出、技術標準形成、產品研發的關鍵期。

4G即將進入規模商用，而5G是繼4G后新一代的移動通信技術。4G向5G的技術產業發展緊密銜接，存在3條演進路線。首先，LTE/LTE-Advanced是事實上的全球統一4G標準，將會在5G階段繼續演進；其次，無線局域網（WLAN）具有良好的產業和用戶基礎，下一代WLAN將提升運營商業務支撐能力，是一種重要補充技術；此外，我們還應特別關注可能出現的革命性5G技術。

LTE-Advanced的技術標準主要在3GPP國際標準化組織制訂。業界初步認為在3GPP R14階段（預計于2016年）將啟動面向5G的標準研究工作。目前，LTE-Advanced特別注重熱點/室內場景的優化，及與WLAN的融合發展。LTE-Advanced向熱點/室內（LTE-Hi）、設備間直接通信（D2D）、M2M、集群通信/公共安全等領域拓展。針對目前寬帶無線大量流量源于熱點與室內環境，LTE-Advanced的重要特征正是提供密集/熱點網絡的解決方案。通過提升小小區的頻譜效率、運營效率、移動性，減少小區間干擾等手段來大幅度提升容量，實現業務分流、靈活的網絡部署，更高效的頻率復用。同時，通過網絡管理、無線資源調度等緊耦合方式實現與WLAN的深度融合發展。

WLAN則向高效率、可運營的方向發展。2013年3月，IEEE已經啟動了下一代WLAN標準——高效率無線局域網（HEW）研究，旨在提升實際網絡運行環境中WLAN的頻譜效率和實際承載吞吐量。預計HEW標準化將于2018—2019年結束。

5G無線關鍵技術的方向包括：

（1）新型信號處理技術，如更先進的干擾消除信號處理技術、新型多載波技術、增強調制分集等。

（2）超密集網絡和協同無線通信技術，如小基站的優化、分布式天線的協作傳輸、分層網絡的異構協同、蜂窩/WLAN/傳感器等不同接入技術的協同通信等。

（3）新型多天線技術，如有源天線陣列、三維波束賦型、大規模天線等等。

（4）新的頻譜使用方式，如TDD/FDD的融合使用、實現頻譜共享的認知無線電技術等。

（5）高頻段的使用，如6 GHz以上高頻段通信技術等。

為適應移動互聯網發展，移動網絡向著扁平化、控制與轉發分離、智能化、虛擬化等方向發展，與無線網絡資源協同緊密結合，實現互聯網內容的有效存儲與轉發，新型移動網絡架構成為5G研究的重點，并將帶動新型移動網絡技術及設備的研發。

4 結束語

移動互聯網和物聯網的強勁推動力驅動下產業能力快速提升，面向2020年及未來的5G時代正向我們走近，高流量、低時延、高智能、低能耗的5G無線技術及新型網絡成為技術研究方向，充足的頻率資源是5G發展的基礎，全球統一的頻譜、統一的標準是產業的訴求也是5G獲得成功的關鍵。endprint