全球5G研究動(dòng)態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

陳曉貝，魏克軍

（中國信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所 北京100191）

1 引言

移動(dòng)通信自誕生以來，經(jīng)過30多年的爆炸式發(fā)展，已經(jīng)成為連接人類社會(huì)的基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)。隨著4G進(jìn)入規(guī)模商用，5G移動(dòng)通信的研發(fā)工作已經(jīng)全面啟動(dòng)。國際電信聯(lián)盟（ITU）從2012年開始組織全球業(yè)界開展5G愿景、未來技術(shù)趨勢(shì)和頻譜等5G國際標(biāo)準(zhǔn)化的前期研究，主要國家和企業(yè)加大投入并快速推動(dòng)5G研發(fā)工作；3GPP也于近期討論并形成了初步的5G研究工作計(jì)劃。在我國，IMT（International Mobile Telecommunication）-2020（5G)推 進(jìn) 組對(duì)5G需求、主要場(chǎng)景和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，歸納了5G關(guān)鍵特征，提出了5G概念。本文將重點(diǎn)對(duì)國內(nèi)外5G總體進(jìn)展及趨勢(shì)進(jìn)行介紹。

2 國際5G研究進(jìn)展

作為通信領(lǐng)域最權(quán)威的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，ITU通過開展5G需求愿景、技術(shù)趨勢(shì)和頻譜方案的研究，主導(dǎo)了全球5G研究和標(biāo)準(zhǔn)化的工作節(jié)奏，并將以5G愿景等階段性研究成果為基礎(chǔ)，研討相應(yīng)的5G候選方案技術(shù)要求，開展5G候選技術(shù)方案評(píng)估工作，以指導(dǎo)3GPP等國際主流標(biāo)準(zhǔn)組織的5G關(guān)鍵技術(shù)研究。

當(dāng)前ITU啟動(dòng)的新一輪IMT.Vision（IMT愿景）研究工作，旨在研究面向2020年及未來的IMT市場(chǎng)、用戶、業(yè)務(wù)和應(yīng)用趨勢(shì)，并將結(jié)合技術(shù)和頻譜情況趨勢(shì)，提出未來IMT系統(tǒng)的總體框架、目標(biāo)、能力以及后續(xù)研究方向和工作建議。歷經(jīng)兩年的研究，ITU的5G愿景主體研究工作已基本完成，全面研討了下一代IMT系統(tǒng)的業(yè)務(wù)趨勢(shì)、關(guān)鍵能力和系統(tǒng)特征，推動(dòng)了業(yè)界逐漸對(duì)5G系統(tǒng)的框架和核心能力達(dá)成共識(shí)。

在典型業(yè)務(wù)和應(yīng)用方面，5G將在大幅提升“以人為中心”的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)使用體驗(yàn)的同時(shí)，全面支持“以物為中心”的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物和物與物之間的智能互聯(lián)，并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段進(jìn)行充分考慮。在關(guān)鍵指標(biāo)方面，除4G已包含的時(shí)延、峰值速率、移動(dòng)性和頻譜效率等指標(biāo)外，ITU還提出了用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、流量密度和能效等5G新增關(guān)鍵能力，以更好地滿足新場(chǎng)景和新業(yè)務(wù)的需求，并在后續(xù)階段開展新增指標(biāo)的評(píng)估方法研究工作。在能力特征圖方面，除展示5G系統(tǒng)各項(xiàng)關(guān)鍵能力的提升外，還將重點(diǎn)體現(xiàn)5G對(duì)不同業(yè)務(wù)和場(chǎng)景差異化需求的支持，為用戶提供更好的體驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)化配置。

隨著5G標(biāo)準(zhǔn)前期的研究工作逐漸進(jìn)入尾聲，ITU近期確定并對(duì)外發(fā)布了IMT-2020工作計(jì)劃，如圖1所示：將于2016年初啟動(dòng)5G技術(shù)性能需求和評(píng)估方法的研究工作，2017年底正式啟動(dòng)5G候選技術(shù)方案征集工作，2020年底完成標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

作為國際主流移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)組織，3GPP也于近期啟動(dòng)了5G議題討論。2015年2月，業(yè)務(wù)需求（SA1）工作組啟動(dòng)了未來新業(yè)務(wù)需求研究；2015年3月，無線接入網(wǎng)（RAN）工作組啟動(dòng)了5G工作計(jì)劃討論，并計(jì)劃在9月召開5G研討會(huì)，2015年底將啟動(dòng)5G接入網(wǎng)需求、信道模型等前期研究工作。預(yù)計(jì)正式的5G標(biāo)準(zhǔn)研究項(xiàng)目（SI）將于3GPP R14階段啟動(dòng)，5G標(biāo)準(zhǔn)工作項(xiàng)目（WI）將于R15階段啟動(dòng)，R16階段及以后將對(duì)5G標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完善增強(qiáng)。

此外，作為全球運(yùn)營商凝聚共識(shí)的主要平臺(tái)之一，NGMN（Next Generation Mobile Network）也 于2015年3月發(fā)布了5G白皮書。主要觀點(diǎn)包括：5G應(yīng)支持更廣泛的業(yè)務(wù)和應(yīng)用，且應(yīng)不限于空口技術(shù)的演進(jìn)或革命，而是整個(gè)端到端系統(tǒng)的演變，很可能是多種無線接入技術(shù)的融合。在關(guān)鍵能力方面，5G應(yīng)支持0.1～1 Gbit/s的用戶體驗(yàn)速率和數(shù)十Gbit/s的峰值速率、1×107/km2的連接數(shù)密度、毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和500 km/h以上的移動(dòng)性。此外，5G將為未來商業(yè)應(yīng)用提供良好的端到端生態(tài)系統(tǒng)，且將繼續(xù)強(qiáng)化運(yùn)營商在身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)安全、隱私保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)可靠性等方面的優(yōu)勢(shì)，特別是用戶身份信息和相關(guān)鑒權(quán)數(shù)據(jù)要安全地存儲(chǔ)在運(yùn)營商可管控的物理實(shí)體上。NGMN的研究全面分析了5G的關(guān)鍵業(yè)務(wù)、應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)要求，并從運(yùn)營商的角度提出了5G系統(tǒng)的需求，相關(guān)成果將輸入ITU和3GPP等主要標(biāo)準(zhǔn)組織，作為后續(xù)研討5G技術(shù)方案和候選方案評(píng)估要求的重要依據(jù)。

圖1 ITU 5G工作時(shí)間表

歐盟啟動(dòng)了“2020年信息社會(huì)的使能移動(dòng)與無線通信（mobile and wireless communications enablers for twentytwenty information society，METIS）”科研項(xiàng)目，開展5G應(yīng)用場(chǎng)景、技術(shù)需求、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、性能評(píng)估等方面的研究和測(cè)試樣機(jī)開發(fā)驗(yàn)證。作為5G研發(fā)初始階段的重要項(xiàng)目，METIS的研究成果集中體現(xiàn)了歐盟各國在5G方面的重要觀點(diǎn)。在5G場(chǎng)景方面，METIS提出了虛擬現(xiàn)實(shí)辦公、超密集城區(qū)、移動(dòng)終端遠(yuǎn)程計(jì)算、傳感器大規(guī)模部署和智能電網(wǎng)等12個(gè)典型的5G應(yīng)用場(chǎng)景，并分析了每個(gè)典型場(chǎng)景下的用戶分布、業(yè)務(wù)特點(diǎn)和相應(yīng)的系統(tǒng)關(guān)鍵能力需求。在5G業(yè)務(wù)方面，METIS提出了應(yīng)包含增強(qiáng)型移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、大規(guī)模機(jī)器類通信和低時(shí)延高可靠通信。METIS項(xiàng)目對(duì)5G需求進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了新一代系統(tǒng)需要更好地支持物聯(lián)網(wǎng)類業(yè)務(wù)，該項(xiàng)目的階段性研究成果將作為歐盟在5G關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參考，輸入ITU、3GPP等國際標(biāo)準(zhǔn)組織，體現(xiàn)歐盟的核心觀點(diǎn)。隨后，歐盟還啟動(dòng)了規(guī)模更大的科研項(xiàng)目5G-PPP（Public Private Partnership），并將METIS項(xiàng)目的主要成果作為重要的研究基礎(chǔ)，以更好地銜接不同階段的研究成果。近期，5G PPP已完成第一輪研究課題申報(bào)，課題執(zhí)行時(shí)間為2015年6月至2017年年底，將繼續(xù)開展5G關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究。本次申報(bào)涉及無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)融合、網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)虛擬化與軟件定義網(wǎng)絡(luò)4個(gè)研究領(lǐng)域的全部16個(gè)研究項(xiàng)目，共收到愛立信、諾基亞、三星、華為、英特爾等公司共計(jì)83個(gè)課題的立項(xiàng)申請(qǐng)。

3 國內(nèi)5G研究進(jìn)展

為推動(dòng)5G研發(fā)，我國工業(yè)和信息化部（以下簡(jiǎn)稱工信部）、發(fā)展和改革委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱發(fā)改委）和科學(xué)技術(shù)部在2013年2月聯(lián)合成立了IMT-2020(5G)推進(jìn)組（以下簡(jiǎn)稱推進(jìn)組），集中國內(nèi)“產(chǎn)學(xué)研用”優(yōu)勢(shì)單位，聯(lián)合開展5G策略、需求、技術(shù)、頻譜、標(biāo)準(zhǔn)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)研究及國際合作，并取得了階段性研究進(jìn)展。

在愿景需求方面，推進(jìn)組提出了8個(gè)5G典型場(chǎng)景及每個(gè)場(chǎng)景下的潛在典型業(yè)務(wù)，所提出的典型場(chǎng)景包括密集住宅區(qū)、辦公室、體育場(chǎng)和露天集會(huì)等全球普遍認(rèn)可的挑戰(zhàn)性場(chǎng)景，并包含地鐵、快速路和高速鐵路等中國特色場(chǎng)景以及廣域覆蓋場(chǎng)景。在此基礎(chǔ)上，推進(jìn)組定量分析了每個(gè)5G典型應(yīng)用場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求，并提出了5G發(fā)展愿景及關(guān)鍵能力需求。目前，相關(guān)成果已包含在推進(jìn)組于2014年5月面向全球發(fā)布的《5G愿景與需求白皮書》中，主要觀點(diǎn)已在主流國家和公司間取得高度共識(shí)。

在技術(shù)場(chǎng)景方面，推進(jìn)組從移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)主要場(chǎng)景及業(yè)務(wù)需求出發(fā)，通過提取關(guān)鍵技術(shù)特征，歸納了連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時(shí)延高可靠4個(gè)5G主要技術(shù)場(chǎng)景，如圖2所示。其中，連續(xù)廣域覆蓋和熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景主要面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，作為傳統(tǒng)的4G典型技術(shù)場(chǎng)景，將會(huì)實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的大幅提升；低功耗大連接和低時(shí)延高可靠場(chǎng)景主要面向物聯(lián)網(wǎng)，是5G新的拓展場(chǎng)景，重點(diǎn)解決傳統(tǒng)移動(dòng)通信演進(jìn)無法很好地支持物聯(lián)網(wǎng)及垂直行業(yè)應(yīng)用問題。

在關(guān)鍵能力方面，為滿足未來的多樣化場(chǎng)景與業(yè)務(wù)需求，5G系統(tǒng)的能力指標(biāo)將比前幾代移動(dòng)通信更加豐富，用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、端到端時(shí)延、峰值速率、移動(dòng)性等都將成為5G的關(guān)鍵性能指標(biāo)，但推進(jìn)組認(rèn)為其中最重要、最具標(biāo)志性意義的指標(biāo)是用戶體驗(yàn)速率，它真正體現(xiàn)了用戶可獲得的真實(shí)數(shù)據(jù)速率，是與用戶感受最密切相關(guān)的性能指標(biāo)，結(jié)合未來5G業(yè)務(wù)需求及系統(tǒng)支持能力，5G的用戶體驗(yàn)速率指標(biāo)應(yīng)當(dāng)為Gbit/s量級(jí)。

圖2 5G典型技術(shù)場(chǎng)景

圖3 5G概念

在核心技術(shù)方面，推進(jìn)組提出5G將不再以單一的多址技術(shù)作為主要技術(shù)特征，其內(nèi)涵更加廣泛，將引入一組關(guān)鍵技術(shù)來共同定義，從場(chǎng)景適用性和技術(shù)重要性角度分析，大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、全頻譜接入、新型多址技術(shù)以及新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將成為5G的最核心技術(shù)。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，全球業(yè)界逐漸對(duì)5G系統(tǒng)特征達(dá)成了共識(shí)：5G系統(tǒng)將更好地滿足多樣化的業(yè)務(wù)需求并適用于多種場(chǎng)景，并在4G系統(tǒng)能力的基礎(chǔ)上大幅度提升，為用戶提供更好的體驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)化配置。ITU和3GPP等主流國際標(biāo)準(zhǔn)組織也已基本明確了5G工作時(shí)間表，并將于2015-2020年分階段開展5G國際標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

綜合5G關(guān)鍵能力與核心技術(shù)，我國推進(jìn)組提出5G概念可由“標(biāo)志性能力指標(biāo)”和“一組關(guān)鍵技術(shù)”來共同定義。5G概念如圖3所示，其中，標(biāo)志性能力指標(biāo)為“Gbit/s用戶體驗(yàn)速率”，一組關(guān)鍵技術(shù)包括大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入和新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

全球業(yè)界將基于5G愿景需求研究階段達(dá)成的共識(shí)，結(jié)合ITU和3GPP的5G工作時(shí)間表，大力推動(dòng)5G技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)及后續(xù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，合力推動(dòng)5G邁向成功。

1 ITU.Document WP5D/TEMP/548(Rev.3).IMT愿景報(bào)告建議書，2015 ITU.Document WP5D/TEMP/548(Rev.3).Preliminary Draft New Recommendation ITU-R M.[IMT Vision]，2015

2 IMT-2020（5G）推進(jìn)組.5G愿景與需求白皮書，2014 IMT-2020(5G)Promotion Group.White Paper on 5G Vision and Requirement，2014

3 IMT-2020（5G）推進(jìn)組.5G概念白皮書，2015 IMT-2020(5G)Promotion Group.White Paper on 5G Concept，2015

4 METIS.研究報(bào)告D1.1.5G移動(dòng)通信和無線系統(tǒng)場(chǎng)景、需求和關(guān)鍵能力指標(biāo)，2013 METIS,Deliverable D1.1.Scenarios,Requirements and KPI for 5G Mobile and Wireless System，2013