第五代移動通信（5G）研究工作已在全球范圍啟動。國際電聯(lián)（ITU）已啟動IMT.Vision建議書研究，組織全球業(yè)界研究定義5G愿景與需求。在我國，IMT-2020(5G)推進組組織國內(nèi)產(chǎn)學(xué)研用主要單位，初步完成了5G愿景與需求研究工作。本文將從市場、業(yè)務(wù)、用戶、場景、關(guān)鍵能力等方面來介紹推進組在5G愿景與需求方面的主要觀點。

一、移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)為5G提供廣闊發(fā)展空間

移動互聯(lián)網(wǎng)顛覆了傳統(tǒng)移動通信業(yè)務(wù)模式，為用戶提供前所未有的使用體驗，深刻影響著人們工作生活的方方面面。面向2020年及未來，移動互聯(lián)網(wǎng)將推動人類社會信息交互方式的進一步升級，為用戶提供增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、超高清(3D)視頻、移動云等更加身臨其境的極致業(yè)務(wù)體驗。移動互聯(lián)網(wǎng)的進一步發(fā)展將帶來未來移動流量超千倍增長，推動移動通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的新一輪變革。

物聯(lián)網(wǎng)擴展了移動通信的服務(wù)范圍，從人與人通信延伸到物與物、人與物智能互聯(lián)，使移動通信技術(shù)滲透至更加廣闊的行業(yè)和領(lǐng)域。面向2020年及未來，移動醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等將會推動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用爆發(fā)式增長，數(shù)以千億的設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”，并締造出規(guī)模空前的新興產(chǎn)業(yè)，為移動通信帶來無限生機。同時，海量的設(shè)備連接和多樣化的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)也會給移動通信帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn)。

面向2020年及未來，移動數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)爆炸式增長。預(yù)計2010年到2020年全球移動數(shù)據(jù)流量增長將超過200倍，2010年到2030年將增長近2萬倍；中國的移動數(shù)據(jù)流量增速高于全球平均水平，預(yù)計2010年到2020年將增長300倍以上，2010年到2030年將增長超4萬倍。發(fā)達城市及熱點地區(qū)的移動數(shù)據(jù)流量增速更快，2010年到2020年上海的增長率可達600倍，北京熱點區(qū)域的增長率可達1000倍。

圖1 2010-2030年全球和中國移動數(shù)據(jù)流量增長趨勢（單位：倍）

未來全球移動通信網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備總量將達到千億規(guī)模。預(yù)計到2020年，全球移動終端（不含物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）數(shù)量將超過100億，其中中國將超過20億。全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)也將快速增長，2020年將接近全球人口規(guī)模達到70億，其中中國將接近15億。到2030年，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)將接近1千億，其中中國超過200億。在各類終端中，智能手機對流量貢獻最大。

圖2 2010-2030年全球和中國移動終端及物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)增長趨勢

二、5G面臨未來多樣化的極致性能需求

移動互聯(lián)網(wǎng)主要面向以人為主體的通信，注重提供更好的用戶體驗。面向2020年及未來，超高清、3D和浸入式視頻的流行將會驅(qū)動數(shù)據(jù)速率大幅提升，例如8K（3D）視頻經(jīng)過百倍壓縮之后傳輸速率仍需要大約1Gbps。增強現(xiàn)實、云桌面、在線游戲等業(yè)務(wù)，不僅對上下行數(shù)據(jù)傳輸速率提出挑戰(zhàn)，同時也對時延提出了“無感知”的苛刻要求。未來大量的個人和辦公數(shù)據(jù)將會存儲在云端，海量實時的數(shù)據(jù)交互需要可媲美光纖的傳輸速率，并且會在熱點區(qū)域?qū)σ苿油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)造成流量壓力。社交網(wǎng)絡(luò)等OTT（Over-The-Top）業(yè)務(wù)將會成為未來主導(dǎo)應(yīng)用之一，小數(shù)據(jù)包頻發(fā)將造成信令資源的大量消耗。

物聯(lián)網(wǎng)主要面向物與物、人與物的通信，不僅涉及普通個人用戶，也涵蓋了大量不同類型的行業(yè)用戶。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)類型非常豐富多樣，業(yè)務(wù)特征也差異巨大。對于智能家居、智能電網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測、智能農(nóng)業(yè)和智能抄表等業(yè)務(wù)，需要網(wǎng)絡(luò)支持海量設(shè)備連接和大量小數(shù)據(jù)包頻發(fā)；視頻監(jiān)控和移動醫(yī)療等業(yè)務(wù)對傳輸速率提出了很高的要求；車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制等業(yè)務(wù)則要求毫秒級的時延和接近100%的可靠性。另外，大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會部署在山區(qū)、森林、水域等偏遠地區(qū)以及室內(nèi)角落、地下室、隧道等信號難以到達的區(qū)域，因此要求移動通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力進一步增強。為了滲透到更多的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中，5G應(yīng)具備更強的靈活性和可擴展性，以適應(yīng)海量的設(shè)備連接和多樣化的用戶需求。

無論是對于移動互聯(lián)網(wǎng)還是物聯(lián)網(wǎng)，用戶在不斷追求高質(zhì)量業(yè)務(wù)體驗的同時也在期望成本的下降。同時，5G需要提供更高和更多層次的安全機制，不僅能夠滿足互聯(lián)網(wǎng)金融、安防監(jiān)控、安全駕駛、移動醫(yī)療等的極高安全要求，也能夠為大量低成本物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供安全解決方案。此外，5G應(yīng)能夠支持更低功耗，以實現(xiàn)更加綠色環(huán)保的移動通信網(wǎng)絡(luò)，并大幅提升終端電池續(xù)航時間，尤其對于一些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

5G將應(yīng)用于未來人們居住、工作、休閑和交通等各種區(qū)域，用戶希望能在密集住宅區(qū)、辦公室、體育場、露天集會、地鐵、快速路、高鐵和廣域覆蓋等場景獲得一致的業(yè)務(wù)體驗。這些場景具有超高流量密度、超高連接數(shù)密度、超高移動性等特征，可能對5G系統(tǒng)構(gòu)成更加嚴峻的挑戰(zhàn)。

三、5G需要滿足可持續(xù)發(fā)展要求

現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)對未來移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)式發(fā)展時，可能會面臨一系列問題：能耗、每比特綜合成本、部署和維護的復(fù)雜度難以高效應(yīng)對未來千倍業(yè)務(wù)流量增長和海量設(shè)備連接；多制式網(wǎng)絡(luò)共存造成了復(fù)雜度的增長和用戶體驗下降；現(xiàn)網(wǎng)在精確監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)資源和有效感知業(yè)務(wù)特性方面的能力不足，無法智能地滿足未來用戶和業(yè)務(wù)需求多樣化的趨勢；無線頻譜從低頻到高頻跨度很大，且分布碎片化，干擾復(fù)雜。

為應(yīng)對這些問題，需從如下兩方面提升5G系統(tǒng)能力，以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展：

在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和部署方面，5G需要提供更高網(wǎng)絡(luò)容量和更好覆蓋，同時降低網(wǎng)絡(luò)部署、尤其是超密集網(wǎng)絡(luò)部署的復(fù)雜度和成本；5G需要具備靈活可擴展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以適應(yīng)用戶和業(yè)務(wù)的多樣化需求；5G需要靈活高效地利用各類頻譜，包括對稱和非對稱頻段、重用頻譜和新頻譜、低頻段和高頻段、授權(quán)和非授權(quán)頻段等；另外，5G需要具備更強的設(shè)備連接能力來應(yīng)對海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入。

在運營維護方面，5G需要改善網(wǎng)絡(luò)能效和比特運維成本，以應(yīng)對未來數(shù)據(jù)迅猛增長和各類業(yè)務(wù)應(yīng)用的多樣化需求；5G需要降低多制式共存、網(wǎng)絡(luò)升級以及新功能引入等帶來的復(fù)雜度，以提升用戶體驗；5G需要支持網(wǎng)絡(luò)對用戶行為和業(yè)務(wù)內(nèi)容的智能感知并作出智能優(yōu)化；同時，5G需要能提供多樣化的網(wǎng)絡(luò)安全解決方案，以滿足各類移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及業(yè)務(wù)的需求。

四、性能與效率需求共同定義了5G關(guān)鍵能力

5G關(guān)鍵性能指標主要包括用戶體驗速率、連接數(shù)密度、端到端時延、流量密度、移動性和用戶峰值速率。在5G典型場景中，考慮增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、超高清視頻、云存儲、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、OTT消息等5G典型業(yè)務(wù)，并結(jié)合各場景未來可能的用戶分布、各類業(yè)務(wù)占比及對速率、時延等的要求，可以得到各個應(yīng)用場景下的5G性能需求：

用戶體驗速率：0.1～1Gbps 連接數(shù)密度：1百萬連接/平方公里端到端時延：毫秒級流量密度：數(shù)十Tbps/平方公里移動性：500Km/小時以上峰值速率：數(shù)十Gbps 其中，用戶體驗速率、連接數(shù)密度和時延為5G最基本的三個性能指標。

為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，5G還需要大幅提高網(wǎng)絡(luò)部署和運營的效率，特別是在頻譜效率、能源效率和成本效率方面需要比4G有顯著提升。從未來最具挑戰(zhàn)場景的流量需求出發(fā)，結(jié)合5G可用的頻譜資源和可能的部署方式，經(jīng)測算得到5G系統(tǒng)的頻譜效率大約需要提高5～15倍。從我國移動數(shù)據(jù)流量的增長趨勢出發(fā)，綜合考慮國家節(jié)能減排規(guī)劃和運營商預(yù)期投資額增長情況，預(yù)計5G系統(tǒng)的能源效率和成本效率也需有百倍以上的提升。

總而言之，性能需求和效率需求共同定義了5G的關(guān)鍵能力，猶如一株綻放的鮮花。紅花綠葉，相輔相成，花瓣代表了5G的六大性能指標，體現(xiàn)了5G滿足未來多樣化業(yè)務(wù)與場景需求的能力，其中花瓣頂點代表了相應(yīng)指標的最大值；綠葉代表了三個效率指標，是實現(xiàn)5G可持續(xù)發(fā)展的基本保障。

圖  5G關(guān)鍵能力

五、面向2020年及未來的5G總體愿景

5G將以可持續(xù)發(fā)展的方式，滿足未來超千倍的移動數(shù)據(jù)增長需求，將為用戶提供光纖般的接入速率，“零”時延的使用體驗，千億設(shè)備的連接能力，超高流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動性等多場景的一致服務(wù)，業(yè)務(wù)及用戶感知的智能優(yōu)化，同時將為網(wǎng)絡(luò)帶來超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，并最終實現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸手及”的5G愿景。

參考文獻

[1] IMT-2020(5G)推進組5G愿景與需求白皮書

個人簡介：

陳曉貝，畢業(yè)于美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校，現(xiàn)為工信部電信研究院通信標準所工程師，長期從事無線移動通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)研究和國際標準化工作，做為代表參加3GPP RAN子組會議，提交數(shù)十篇文稿并有多篇文稿被接納。目前主要負責5G需求愿景、技術(shù)研究和國際標準化等方面的相關(guān)工作。