5G业务需求分析及技术标准进程

移动通信大约每10年推出新一代的技术。2010年国际电联（ITU）确定LTE-Advanced为第四代移动通信技术（4G）国际标准。目前，4G已在全球开始规模商用，业界开始启动面向2020年及未来的第五代移动通信技术（5G）的研究工作。5G研究处于初期阶段，主要集中在5G需求、频谱、关键技术及预标准化[1-15]。

1 5G业务需求及主要技术

挑战

移动互联网和物联网市场与业务应用的迅猛发展成为推动5G发展的主要驱动力。这迫切要求5G具有媲美光纤的接入速率、千亿设备的连接能力、享受本地操作的实时体验、随时随地的宽带无线接入能力，促使5G成为构建泛信息化社会的重要基础设施。

1.1 市场与业务需求

智能终端、连接数激增，无线流量20年呈万倍增长。智能终端的普及、移动应用的蓬勃发展，促使移动互联网呈现出爆炸式发展。而物联网面向多种行业应用，呈现出多样化发展趋势，其泛在化特征日益显现。根据工业和信息化部电信研究院的预测，到2020年，中国的移动用户数将突破22亿户，物联网机器对机器通信（M2M）连接数近15亿个；与2010年相比，中国移动数据流量增长350倍，移动用户月均流量增长130倍，其中视频类业务流量占比将超过70%。如果面向2030年，则中国的移动数据流量增长将超过4万倍，移动用户月均流量增长1万倍，上海、北京等发达城市和西单、国贸等热点区域的增长幅度将更大。具体如图1、图2所示。

业务应用驱动，提升用户体验成为5G技术挑战的源动力。移动互联网领域，智能终端显示、计算等能力不断提升，云计算模式日渐成熟，增强现实等新型应用成为主流。用户追求极致的使用体验，要求获得与光纤相似的接入速率、媲美本地操作的实时体验以及随时随地的宽带接入能力。物联网领域，服务对象将扩展至各行业用户，M2M终端数量将大幅激增，应用无所不在，与行业应用的深入结合将导致应用场景和终端能力呈现巨大的差异。这使得物联网行业用户提出了灵活适应差异化、支持丰富无线连接能力和海量设备连接的需求。此外，网络与信息安全的保障，低功耗、低辐射，实现性能价格比的提升成为所有用户的诉求。

1.2 5G技术主要应对的挑战

5G主要业务包括移动互联网及物联网业务应用。参考3GPP业务分类，我们对移动互联网业务进行了分类，并新增了M2M类业务。具体分类如图3所示。

移动互联网的流类和会话类业务，由于超高清、3D和浸入式显示方式的出现，用户体验速率对无线技术形成新的挑战，例如8K（3D）的无压缩视频传输速率可达100 Gb/s，经过百倍压缩后，也需要1 Gb/s。

交互类业务也发展迅猛，如Juniper公司预测2018年增强现实用户达2亿户，IDC公司预测2017年游戏下载量将占总下载量的40%。对交互类挑战最大的是交互的快速响应能力，要达到用户对时延基本无感知的使用体验。

传输类业务在采用云存储方式之后，大量数据需要在无线接口传送，用户希望能够达到与光纤可类比的接入体验，这无疑对传输速率也提出了挑战。在消息类业务中，OTT消息类业务将逐步成为主导性应用，其大量数据包频发消耗信令资源问题迫切需要解决。

物联网采集类业务以海量连接数量的激增对无线技术形成挑战，而控制类业务中，如车联网、自动控制等时延敏感业务要求时延低至毫秒量级，且需要保证高可靠性。

哪些场景及业务应用是现有4G技术无法实现，而需要在5G阶段重点解决的？5G技术需要达到的技术指标数值是多少？这里，我们选择了办公室、密集住宅区、快速路、体育场等多种典型场景并结合视频播放、增强现实、OTT消息、车联网等多种典型应用进行综合分析，设定每种场景下典型的业务应用类别，确定业务模型和用户模型，计算出受限的技术指标值。经过每种场景的分析，在一些场景下，无线技术成为瓶颈，存在挑战的主要场景存在于密集住宅区的用户体验速率、办公室场景下的高流量密度、地铁场景下的连接数密度、高铁环境的高速移动性等指标。

经过分析，我们认为5G与4G相比较，需满足以下关键技术指标：

・传输速率提高10～100倍，用户体验速率0.1～1 Gb/s，用户峰值速率可达10 Gb/s。

・时延降低5～10倍，达到毫秒量级。

・连接设备密度提升10～100倍，达到每平方公里数百万个。

・流量密度100～1 000倍提升，达到每平方公里每秒数十太比特。

・移动性达到500 km/h以上，实现高铁环境下的良好用户体验。

此外，能耗效率、频谱效率及峰值速率等指标也是重要的5G技术指标，需要在5G系统设计时综合考虑。

2 面向2020年的频谱需求

研究

频谱资源是引领无线移动通信持续创新发展的重要动力源泉。由于频谱资源是国际共用、国家支配的稀缺性战略资源。因此，需要实现频谱资源的科学管理，一方面，要为新的频谱需求及时规划分配资源，以促进相关行业和产业的发展；另一方面，也要对频谱需求做出合理估计，避免超前分配导致的资源浪费。

当前，中国的国际移动通信系统（IMT）包括2G、3G系统，以及刚商用的4G（LTE）系统。中国为IMT系统划分频率总计687 MHz，其中时分双工（TDD）频率总计345 MHz，频分复用（FDD）频率总计342 MHz。

面对未来巨大的移动数据业务需求，业界考虑从技术演进、频率分配、网络建设和异构网络分流等方面解决网络压力，其中，为IMT系统分配新的频率资源是最直接、最有效的手段之一。现有划分用于IMT系统的频率或将难以适应未来业务量急速发展带来的频谱缺口。目前，国际标准组织ITU已经着手研究为IMT系统分配新的频率资源。针对中国2020年面临的IMT系统频率缺口问题，各相关机构与部门已开始研究制订中国中长期的宽带无线频率规划，并积极参与到国际上关于划分新的IMT频率工作当中，向ITU提交中国在IMT频率需求和合适频段（SFR）方面的建议。

根据中国移动通信业务市场需求，在充分分析国际主流机构的IMT频谱需求测算方法基础上，结合中国IMT实际运营情况，中国IMT-2020（5G）推进组提出了适合中国国情的IMT频谱需求测算方法。经过计算，得出2020年频谱需求及对应的频谱缺口，如表1所示。

针于IMT具体频率范围，一方面，需要在低频段优质资源中，将具备IMT使用条件的频段充分挖掘，包括450～470 MHz、698～806 MHz、3 400～3 600 MHz等已经标示为IMT的频段，及3 300～3 400 MHz、4 400～4 500 MHz和4 800～4 990 MHz等WRC-15 1.1在研的候选频段；另一方面，在毫米波无线通信设备发展日渐成熟的趋势下，有必要寻求高频段潜在可用频谱资源，开展相关研究，如6～7 GHz、26 GHz、28 GHz等。

3 5G技术标准路径

2012年，国际电联ITU已启动5G需求、频谱及技术趋势等研究工作。欧盟、韩国等政府纷纷开始启动5G研究项目，积极引导技术发展，争取在新一轮的国际竞争中占据优势地位。5G发展的阶段划分如图4所示。中国也在2013年成立了IMT-2020（5G）推进组推进5G的发展。根据国际整体情况，预计2015年将形成5G愿景、关键能力需求及频谱规划，之后将启动5G标准化工作，并在2020年后开始商用。因此，“十三五”期间将是5G概念提出、技术标准形成、产品研发的关键期。

4G即将进入规模商用，而5G是继4G后新一代的移动通信技术。4G向5G的技术产业发展紧密衔接，存在3条演进路线。首先，LTE/LTE-Advanced是事实上的全球统一4G标准，将会在5G阶段继续演进；其次，无线局域网（WLAN）具有良好的产业和用户基础，下一代WLAN将提升运营商业务支撑能力，是一种重要补充技术；此外，我们还应特别关注可能出现的革命性5G技术。

LTE-Advanced的技术标准主要在3GPP国际标准化组织制订。业界初步认为在3GPP R14阶段（预计于2016年）将启动面向5G的标准研究工作。目前，LTE-Advanced特别注重热点/室内场景的优化，及与WLAN的融合发展。LTE-Advanced向热点/室内（LTE-Hi）、设备间直接通信（D2D）、M2M、集群通信/公共安全等领域拓展。针对目前宽带无线大量流量源于热点与室内环境，LTE-Advanced的重要特征正是提供密集/热点网络的解决方案。通过提升小小区的频谱效率、运营效率、移动性，减少小区间干扰等手段来大幅度提升容量，实现业务分流、灵活的网络部署，更高效的频率复用。同时，通过网络管理、无线资源调度等紧耦合方式实现与WLAN的深度融合发展。

WLAN则向高效率、可运营的方向发展。2013年3月，IEEE已经启动了下一代WLAN标准――高效率无线局域网（HEW）研究，旨在提升实际网络运行环境中WLAN的频谱效率和实际承载吞吐量。预计HEW标准化将于2018―2019年结束。

5G无线关键技术的方向包括：

（1）新型信号处理技术，如更先进的干扰消除信号处理技术、新型多载波技术、增强调制分集等。

（2）超密集网络和协同无线通信技术，如小基站的优化、分布式天线的协作传输、分层网络的异构协同、蜂窝/WLAN/传感器等不同接入技术的协同通信等。

（3）新型多天线技术，如有源天线阵列、三维波束赋型、大规模天线等等。

（4）新的频谱使用方式，如TDD/FDD的融合使用、实现频谱共享的认知无线电技术等。

（5）高频段的使用，如6 GHz以上高频段通信技术等。

为适应移动互联网发展，移动网络向着扁平化、控制与转发分离、智能化、虚拟化等方向发展，与无线网络资源协同紧密结合，实现互联网内容的有效存储与转发，新型移动网络架构成为5G研究的重点，并将带动新型移动网络技术及设备的研发。

4 结束语

移动互联网和物联网的强劲推动力驱动下产业能力快速提升，面向2020年及未来的5G时代正向我们走近，高流量、低时延、高智能、低能耗的5G无线技术及新型网络成为技术研究方向，充足的频率资源是5G发展的基础，全球统一的频谱、统一的标准是产业的诉求也是5G获得成功的关键。