第五代移動(dòng)通信（5G）研究工作已在全球范圍啟動(dòng)。國(guó)際電聯(lián)（ITU）已啟動(dòng)IMT.Vision建議書(shū)研究，組織全球業(yè)界研究定義5G愿景與需求。在我國(guó)，IMT-2020(5G)推進(jìn)組組織國(guó)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(chǎng)、業(yè)務(wù)、用戶(hù)、場(chǎng)景、關(guān)鍵能力等方面來(lái)介紹推進(jìn)組在5G愿景與需求方面的主要觀點(diǎn)。

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

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

物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展了移動(dòng)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(dòng)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(lái)，移動(dòng)醫(yī)療、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等將會(huì)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用爆發(fā)式增長(zhǎng)，數(shù)以千億的設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)真正的“萬(wàn)物互聯(lián)”，并締造出規(guī)?？涨暗男屡d產(chǎn)業(yè)，為移動(dòng)通信帶來(lái)無(wú)限生機(jī)。同時(shí)，海量的設(shè)備連接和多樣化的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)也會(huì)給移動(dòng)通信帶來(lái)新的技術(shù)挑戰(zhàn)。

面向2020年及未來(lái)，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)2010年到2020年全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)將超過(guò)200倍，2010年到2030年將增長(zhǎng)近2萬(wàn)倍；中國(guó)的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增速高于全球平均水平，預(yù)計(jì)2010年到2020年將增長(zhǎng)300倍以上，2010年到2030年將增長(zhǎng)超4萬(wàn)倍。發(fā)達(dá)城市及熱點(diǎn)地區(qū)的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增速更快，2010年到2020年上海的增長(zhǎng)率可達(dá)600倍，北京熱點(diǎn)區(qū)域的增長(zhǎng)率可達(dá)1000倍。

圖1 2010-2030年全球和中國(guó)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)趨勢(shì)（單位：倍）

未來(lái)全球移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備總量將達(dá)到千億規(guī)模。預(yù)計(jì)到2020年，全球移動(dòng)終端（不含物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）數(shù)量將超過(guò)100億，其中中國(guó)將超過(guò)20億。全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)也將快速增長(zhǎng)，2020年將接近全球人口規(guī)模達(dá)到70億，其中中國(guó)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(guó)超過(guò)200億。在各類(lèi)終端中，智能手機(jī)對(duì)流量貢獻(xiàn)最大。

圖2 2010-2030年全球和中國(guó)移動(dòng)終端及物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)

二、5G面臨未來(lái)多樣化的極致性能需求

移動(dòng)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(hù)體驗(yàn)。面向2020年及未來(lái)，超高清、3D和浸入式視頻的流行將會(huì)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)速率大幅提升，例如8K（3D）視頻經(jīng)過(guò)百倍壓縮之后傳輸速率仍需要大約1Gbps。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、云桌面、在線游戲等業(yè)務(wù)，不僅對(duì)上下行數(shù)據(jù)傳輸速率提出挑戰(zhàn)，同時(shí)也對(duì)時(shí)延提出了“無(wú)感知”的苛刻要求。未來(lái)大量的個(gè)人和辦公數(shù)據(jù)將會(huì)存儲(chǔ)在云端，海量實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互需要可媲美光纖的傳輸速率，并且會(huì)在熱點(diǎn)區(qū)域?qū)σ苿?dòng)通信網(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(huì)成為未來(lái)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(gè)人用戶(hù)，也涵蓋了大量不同類(lèi)型的行業(yè)用戶(hù)。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)類(lèi)型非常豐富多樣，業(yè)務(wù)特征也差異巨大。對(duì)于智能家居、智能電網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(dòng)醫(yī)療等業(yè)務(wù)對(duì)傳輸速率提出了很高的要求；車(chē)聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制等業(yè)務(wù)則要求毫秒級(jí)的時(shí)延和接近100%的可靠性。另外，大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會(huì)部署在山區(qū)、森林、水域等偏遠(yuǎn)地區(qū)以及室內(nèi)角落、地下室、隧道等信號(hào)難以到達(dá)的區(qū)域，因此要求移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力進(jìn)一步增強(qiáng)。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(qiáng)的靈活性和可擴(kuò)展性，以適應(yīng)海量的設(shè)備連接和多樣化的用戶(hù)需求。

無(wú)論是對(duì)于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)還是物聯(lián)網(wǎng)，用戶(hù)在不斷追求高質(zhì)量業(yè)務(wù)體驗(yàn)的同時(shí)也在期望成本的下降。同時(shí)，5G需要提供更高和更多層次的安全機(jī)制，不僅能夠滿(mǎn)足互聯(lián)網(wǎng)金融、安防監(jiān)控、安全駕駛、移動(dòng)醫(yī)療等的極高安全要求，也能夠?yàn)榇罅康统杀疚锫?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(shí)現(xiàn)更加綠色環(huán)保的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，并大幅提升終端電池續(xù)航時(shí)間，尤其對(duì)于一些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

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

三、5G需要滿(mǎn)足可持續(xù)發(fā)展要求

現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)對(duì)未來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)式發(fā)展時(shí)，可能會(huì)面臨一系列問(wèn)題：能耗、每比特綜合成本、部署和維護(hù)的復(fù)雜度難以高效應(yīng)對(duì)未來(lái)千倍業(yè)務(wù)流量增長(zhǎng)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(zhǎng)和用戶(hù)體驗(yàn)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(wú)法智能地滿(mǎn)足未來(lái)用戶(hù)和業(yè)務(wù)需求多樣化的趨勢(shì)；無(wú)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(duì)這些問(wèn)題，需從如下兩方面提升5G系統(tǒng)能力，以實(shí)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(shí)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(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以適應(yīng)用戶(hù)和業(yè)務(wù)的多樣化需求；5G需要靈活高效地利用各類(lèi)頻譜，包括對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)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(qiáng)的設(shè)備連接能力來(lái)應(yīng)對(duì)海量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入。

在運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面，5G需要改善網(wǎng)絡(luò)能效和比特運(yùn)維成本，以應(yīng)對(duì)未來(lái)數(shù)據(jù)迅猛增長(zhǎng)和各類(lèi)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(jí)以及新功能引入等帶來(lái)的復(fù)雜度，以提升用戶(hù)體驗(yàn)；5G需要支持網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶(hù)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(shí)，5G需要能提供多樣化的網(wǎng)絡(luò)安全解決方案，以滿(mǎn)足各類(lèi)移動(dòng)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(biāo)主要包括用戶(hù)體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、端到端時(shí)延、流量密度、移動(dòng)性和用戶(hù)峰值速率。在5G典型場(chǎng)景中，考慮增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、超高清視頻、云存儲(chǔ)、車(chē)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(chǎng)景未來(lái)可能的用戶(hù)分布、各類(lèi)業(yè)務(wù)占比及對(duì)速率、時(shí)延等的要求，可以得到各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景下的5G性能需求：

用戶(hù)體驗(yàn)速率：0.1～1Gbps 連接數(shù)密度：1百萬(wàn)連接/平方公里端到端時(shí)延：毫秒級(jí)流量密度：數(shù)十Tbps/平方公里移動(dòng)性：500Km/小時(shí)以上峰值速率：數(shù)十Gbps 其中，用戶(hù)體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度和時(shí)延為5G最基本的三個(gè)性能指標(biāo)。

為了實(shí)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(yùn)營(yíng)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(lái)最具挑戰(zhàn)場(chǎng)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(cè)算得到5G系統(tǒng)的頻譜效率大約需要提高5～15倍。從我國(guó)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的增長(zhǎng)趨勢(shì)出發(fā)，綜合考慮國(guó)家節(jié)能減排規(guī)劃和運(yùn)營(yíng)商預(yù)期投資額增長(zhǎng)情況，預(yù)計(jì)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(biāo)，體現(xiàn)了5G滿(mǎn)足未來(lái)多樣化業(yè)務(wù)與場(chǎng)景需求的能力，其中花瓣頂點(diǎn)代表了相應(yīng)指標(biāo)的最大值；綠葉代表了三個(gè)效率指標(biāo)，是實(shí)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(lái)的5G總體愿景

5G將以可持續(xù)發(fā)展的方式，滿(mǎn)足未來(lái)超千倍的移動(dòng)數(shù)據(jù)增長(zhǎng)需求，將為用戶(hù)提供光纖般的接入速率，“零”時(shí)延的使用體驗(yàn)，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(dòng)性等多場(chǎng)景的一致服務(wù)，業(yè)務(wù)及用戶(hù)感知的智能優(yōu)化，同時(shí)將為網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，并最終實(shí)現(xiàn)“信息隨心至，萬(wàn)物觸手及”的5G愿景。

參考文獻(xiàn)

[1] IMT-2020(5G)推進(jìn)組5G愿景與需求白皮書(shū)

個(gè)人簡(jiǎn)介：

陳曉貝，畢業(yè)于美國(guó)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(biāo)準(zhǔn)所工程師，長(zhǎng)期從事無(wú)線移動(dòng)通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)研究和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作，做為代表參加3GPP RAN子組會(huì)議，提交數(shù)十篇文稿并有多篇文稿被接納。目前主要負(fù)責(zé)5G需求愿景、技術(shù)研究和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化等方面的相關(guān)工作。