第五代移动通信愿景和挑战

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移动通信自诞生以来，经过30多年的爆炸式发展，已经成为连接人类社会的基础信息网络。随着4G进入规模商用，5G移动通信的研发工作已经全面启动。

作为通信领域最权威的国际标准化组织之一，国际电信联盟（ITU）从2012年开始组织全球业界开展5G标准化前期研究，持续推动全球5G共识形成。截至2015年6月，ITU已确认将我国主推的IMT-2020做为唯一的新一代IMT系统候选名称上报至2015无线通信大会(RA-15)讨论通过，并顺利完结了IMT-2020愿景阶段的研究工作。根据ITU提出的IMT-2020工作计划，2016年初将启动5G技术性能需求和评估方法研究，2017年底启动5G候选提案征集，2018年底启动5G技术评估和标准化，并于2020年底完成标准制定。本文主要介绍ITU在5G愿景和挑战方面的主要研究成果。

一、ITU明确5G业务趋势、应用场景和流量趋势

在ITU的IMT-2020愿景研究中，全面研讨了下一代IMT系统的业务趋势、关键能力和系统特征，推动了业界逐渐对IMT-2020系统的框架和核心能力达成共识。

在业务方面，5G将在大幅提升“以人为中心”的移动互联网业务体验的同时，全面支持“以物为中心”的物联网业务，实现人与人、人与物和物与物的智能互联。在应用场景方面，5G将支持增强移动宽带、海量机器类通信和超高可靠低时延通信三大类应用场景，并在5G系统设计时需要充分考虑不同场景和业务的差异化需求。在流量趋势方面，视频流量增长、用户设备增长和新型应用普及将成为未来移动通信流量增长的主要驱动力，2020至2030年全球移动通信流量将增长几十至100倍，并体现两大趋势：一是大城市及热点区域流量快速增长，二是上下行业务不对称性进一步深化，尤其体现在不同区域和每日各时间段。

数据来源：参考国际电信联盟《IMT愿景》研究报告

图1 IMT-2020应用场景

二、ITU提出5G系统8个关键能力指标

除传统的峰值速率、移动性、时延和频谱效率之外，ITU还提出了用户体验速率、连接数密度、流量密度和能效四个新增关键能力指标，以适应多样化的5G场景及业务需求。其中，5G用户体验速率可达100Mbps至1Gbps，能够支持移动虚拟现实等极致业务体验；5G峰值速率可达10至20Gbps，流量密度可达10Mbps/平方米，能够支持未来千倍以上移动业务流量增长；5G连接数密度可达100万个/平方公里，能够有效支持海量的物联网设备；5G传输时延可达毫秒量级，可满足车联网和工业控制的严苛要求；5G能够支持500公里/小时的移动速度，能够在高铁环境下实现良好的用户体验。此外，为了保证对频谱和能源的有效利用，5G的频谱效率将比4G提高3～5倍，能效将比4G提升100倍。

数据来源：参考国际电信联盟《IMT愿景》研究报告

图2 IMT-2020与IMT-A关键能力对比

由于增强移动宽带、海量机器类通信和超高可靠低时延通信等三大类未来应用场景特点不同，将对5G系统带来不同的挑战。其中，增强移动宽带主要面向以人为中心的传统移动通信场景及其新的需求，5G系统需全面提升用户体验速率、流量密度、峰值速率、移动性、能效和频谱效率等指标以提升用户体验。对于海量机器类通信场景，大量机器类设备将连接到网络并非连续的发送小数据包，对5G系统的主要要求在于所能支持的连接数密度和网络的能量效率。对于超高可靠低时延通信场景，时延将是最重要的能力指标。此外，为支持车联网业务，这一场景对移动性也提出较高要求。

数据来源：参考国际电信联盟《IMT愿景》研究报告

图3 未来应用场景对5G系统关键能力的差异化要求

为了推动5G技术与标准研究，ITU计划于2016年初全面启动技术评估研究工作。此项研究将以5G愿景研究中提出的应用场景和关键能力为基础，同步开展5G系统性能需求、评估准则和方法等方面的研究。系统性能需求研究包含技术需求定义和指标取值确定，该工作将于2017年初完成。评估准则和方法研究包括定义测试场景、明确评估方法和流程、以及构建评估模型，该工作将于2017年中完成。5G技术评估需考虑新型应用场景，以同时支持传统移动宽带业务和新型物联网业务，并研究5G新增指标的评估方法。

三、总结及展望

面向2020年及未来的移动互联网和物联网业务需求，5G将以可持续发展的方式，满足未来超千倍的移动数据增长需求，将为用户提供光纤般的接入速率，“零”时延的使用体验，千亿设备的连接能力，超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务，业务及用户感知的智能优化，并为网络带来百倍的能效提升。

目前，全球业界已基本达成共识，将在3GPP制定满足ITU要求的全球统一5G标准，并将于2020年左右实现5G商用。为了实现上述目标，3GPP已计划在2016年初启动5G标准研究，2018年完成包含部分功能的第一版5G技术标准，并将于2019年底左右完成满足ITU要求的5G完整标准。

参考文献

[1] ITU IMT愿景报告建议书

个人简介：陈晓贝，毕业于美国威斯康星大学麦迪逊分校，现为中国信息通信研究院通信标准所工程师，长期从事无线移动通信和网络技术领域的新技术研究和国际标准化工作，做为代表参加3GPP RAN子组会议，提交数十篇文稿并有多篇文稿被接纳。目前主要负责5G需求愿景、技术研究和国际标准化等方面的相关工作。