全球5G研究動態和標準進展

陳曉貝，魏克軍

（中國信息通信研究院通信標準研究所 北京100191）

1 引言

移動通信自誕生以來，經過30多年的爆炸式發展，已經成為連接人類社會的基礎信息網絡。隨著4G進入規模商用，5G移動通信的研發工作已經全面啟動。國際電信聯盟（ITU）從2012年開始組織全球業界開展5G愿景、未來技術趨勢和頻譜等5G國際標準化的前期研究，主要國家和企業加大投入并快速推動5G研發工作；3GPP也于近期討論并形成了初步的5G研究工作計劃。在我國，IMT（International Mobile Telecommunication）-2020（5G)推 進 組對5G需求、主要場景和關鍵技術進行了深入研究，歸納了5G關鍵特征，提出了5G概念。本文將重點對國內外5G總體進展及趨勢進行介紹。

2 國際5G研究進展

作為通信領域最權威的國際標準化組織，ITU通過開展5G需求愿景、技術趨勢和頻譜方案的研究，主導了全球5G研究和標準化的工作節奏，并將以5G愿景等階段性研究成果為基礎，研討相應的5G候選方案技術要求，開展5G候選技術方案評估工作，以指導3GPP等國際主流標準組織的5G關鍵技術研究。

當前ITU啟動的新一輪IMT.Vision（IMT愿景）研究工作，旨在研究面向2020年及未來的IMT市場、用戶、業務和應用趨勢，并將結合技術和頻譜情況趨勢，提出未來IMT系統的總體框架、目標、能力以及后續研究方向和工作建議。歷經兩年的研究，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系統的業務趨勢、關鍵能力和系統特征，推動了業界逐漸對5G系統的框架和核心能力達成共識。

在典型業務和應用方面，5G將在大幅提升“以人為中心”的移動互聯網業務使用體驗的同時，全面支持“以物為中心”的物聯網業務，實現人與人、人與物和物與物之間的智能互聯，并在系統設計的初始階段進行充分考慮。在關鍵指標方面，除4G已包含的時延、峰值速率、移動性和頻譜效率等指標外，ITU還提出了用戶體驗速率、連接數密度、流量密度和能效等5G新增關鍵能力，以更好地滿足新場景和新業務的需求，并在后續階段開展新增指標的評估方法研究工作。在能力特征圖方面，除展示5G系統各項關鍵能力的提升外，還將重點體現5G對不同業務和場景差異化需求的支持，為用戶提供更好的體驗并實現資源的最優化配置。

隨著5G標準前期的研究工作逐漸進入尾聲，ITU近期確定并對外發布了IMT-2020工作計劃，如圖1所示：將于2016年初啟動5G技術性能需求和評估方法的研究工作，2017年底正式啟動5G候選技術方案征集工作，2020年底完成標準制定工作。

作為國際主流移動通信標準組織，3GPP也于近期啟動了5G議題討論。2015年2月，業務需求（SA1）工作組啟動了未來新業務需求研究；2015年3月，無線接入網（RAN）工作組啟動了5G工作計劃討論，并計劃在9月召開5G研討會，2015年底將啟動5G接入網需求、信道模型等前期研究工作。預計正式的5G標準研究項目（SI）將于3GPP R14階段啟動，5G標準工作項目（WI）將于R15階段啟動，R16階段及以后將對5G標準進行完善增強。

此外，作為全球運營商凝聚共識的主要平臺之一，NGMN（Next Generation Mobile Network）也 于2015年3月發布了5G白皮書。主要觀點包括：5G應支持更廣泛的業務和應用，且應不限于空口技術的演進或革命，而是整個端到端系統的演變，很可能是多種無線接入技術的融合。在關鍵能力方面，5G應支持0.1～1 Gbit/s的用戶體驗速率和數十Gbit/s的峰值速率、1×107/km2的連接數密度、毫秒級的端到端時延和500 km/h以上的移動性。此外，5G將為未來商業應用提供良好的端到端生態系統，且將繼續強化運營商在身份認證、數據安全、隱私保護、網絡可靠性等方面的優勢，特別是用戶身份信息和相關鑒權數據要安全地存儲在運營商可管控的物理實體上。NGMN的研究全面分析了5G的關鍵業務、應用場景和技術要求，并從運營商的角度提出了5G系統的需求，相關成果將輸入ITU和3GPP等主要標準組織，作為后續研討5G技術方案和候選方案評估要求的重要依據。

圖1 ITU 5G工作時間表

歐盟啟動了“2020年信息社會的使能移動與無線通信（mobile and wireless communications enablers for twentytwenty information society，METIS）”科研項目，開展5G應用場景、技術需求、關鍵技術、系統設計、性能評估等方面的研究和測試樣機開發驗證。作為5G研發初始階段的重要項目，METIS的研究成果集中體現了歐盟各國在5G方面的重要觀點。在5G場景方面，METIS提出了虛擬現實辦公、超密集城區、移動終端遠程計算、傳感器大規模部署和智能電網等12個典型的5G應用場景，并分析了每個典型場景下的用戶分布、業務特點和相應的系統關鍵能力需求。在5G業務方面，METIS提出了應包含增強型移動互聯網業務、大規模機器類通信和低時延高可靠通信。METIS項目對5G需求進行了系統性的研究，重點強調了新一代系統需要更好地支持物聯網類業務，該項目的階段性研究成果將作為歐盟在5G關鍵技術和系統設計的重要參考，輸入ITU、3GPP等國際標準組織，體現歐盟的核心觀點。隨后，歐盟還啟動了規模更大的科研項目5G-PPP（Public Private Partnership），并將METIS項目的主要成果作為重要的研究基礎，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，課題執行時間為2015年6月至2017年年底，將繼續開展5G關鍵技術和系統設計的研究。本次申報涉及無線網絡架構與技術、網絡融合、網絡管理、網絡虛擬化與軟件定義網絡4個研究領域的全部16個研究項目，共收到愛立信、諾基亞、三星、華為、英特爾等公司共計83個課題的立項申請。

3 國內5G研究進展

為推動5G研發，我國工業和信息化部（以下簡稱工信部）、發展和改革委員會（以下簡稱發改委）和科學技術部在2013年2月聯合成立了IMT-2020(5G)推進組（以下簡稱推進組），集中國內“產學研用”優勢單位，聯合開展5G策略、需求、技術、頻譜、標準、知識產權研究及國際合作，并取得了階段性研究進展。

在愿景需求方面，推進組提出了8個5G典型場景及每個場景下的潛在典型業務，所提出的典型場景包括密集住宅區、辦公室、體育場和露天集會等全球普遍認可的挑戰性場景，并包含地鐵、快速路和高速鐵路等中國特色場景以及廣域覆蓋場景。在此基礎上，推進組定量分析了每個5G典型應用場景的業務需求，并提出了5G發展愿景及關鍵能力需求。目前，相關成果已包含在推進組于2014年5月面向全球發布的《5G愿景與需求白皮書》中，主要觀點已在主流國家和公司間取得高度共識。

在技術場景方面，推進組從移動互聯網和物聯網主要場景及業務需求出發，通過提取關鍵技術特征，歸納了連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠4個5G主要技術場景，如圖2所示。其中，連續廣域覆蓋和熱點高容量場景主要面向移動互聯網，作為傳統的4G典型技術場景，將會實現性能指標的大幅提升；低功耗大連接和低時延高可靠場景主要面向物聯網，是5G新的拓展場景，重點解決傳統移動通信演進無法很好地支持物聯網及垂直行業應用問題。

在關鍵能力方面，為滿足未來的多樣化場景與業務需求，5G系統的能力指標將比前幾代移動通信更加豐富，用戶體驗速率、連接數密度、端到端時延、峰值速率、移動性等都將成為5G的關鍵性能指標，但推進組認為其中最重要、最具標志性意義的指標是用戶體驗速率，它真正體現了用戶可獲得的真實數據速率，是與用戶感受最密切相關的性能指標，結合未來5G業務需求及系統支持能力，5G的用戶體驗速率指標應當為Gbit/s量級。

圖2 5G典型技術場景

圖3 5G概念

在核心技術方面，推進組提出5G將不再以單一的多址技術作為主要技術特征，其內涵更加廣泛，將引入一組關鍵技術來共同定義，從場景適用性和技術重要性角度分析，大規模天線陣列、超密集組網、全頻譜接入、新型多址技術以及新型網絡架構將成為5G的最核心技術。

4 結束語

當前，全球業界逐漸對5G系統特征達成了共識：5G系統將更好地滿足多樣化的業務需求并適用于多種場景，并在4G系統能力的基礎上大幅度提升，為用戶提供更好的體驗并實現資源的最優化配置。ITU和3GPP等主流國際標準組織也已基本明確了5G工作時間表，并將于2015-2020年分階段開展5G國際標準制定工作。

綜合5G關鍵能力與核心技術，我國推進組提出5G概念可由“標志性能力指標”和“一組關鍵技術”來共同定義。5G概念如圖3所示，其中，標志性能力指標為“Gbit/s用戶體驗速率”，一組關鍵技術包括大規模天線、超密集組網、新型多址、全頻譜接入和新型網絡架構。

全球業界將基于5G愿景需求研究階段達成的共識，結合ITU和3GPP的5G工作時間表，大力推動5G技術、標準及后續產業發展，合力推動5G邁向成功。

1 ITU.Document WP5D/TEMP/548(Rev.3).IMT愿景報告建議書，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）推進組.5G概念白皮書，2015 IMT-2020(5G)Promotion Group.White Paper on 5G Concept，2015

4 METIS.研究報告D1.1.5G移動通信和無線系統場景、需求和關鍵能力指標，2013 METIS,Deliverable D1.1.Scenarios,Requirements and KPI for 5G Mobile and Wireless System，2013