第2章　5G愿景与需求

2.1　5G需求

2.1.1　5G的驱动力

互联网不仅能像传统电话网一样，将人和人连接起来，还能把网站和网站连接起来。互联网提供的不仅是简单的话路连接，还能够向全世界提供知识、信息和智能。尽管互联网的物理层与传统电话网可以有很大部分的重合，但互联网是把人类星球连接成为一个地球村的崭新信息网络。于是，社会学家开始使用一个词汇：互联网时代。

原先的互联网随着光纤和网线，送到楼、送到户、送到屋、送到桌、送到网络终端：个人电脑。现在，移动通信把互联网的终端真正交给了每个人口袋里的智能手机。带着手机的网民，在任何时候、任何地方都在上网。从此，就有了一个新词：移动互联。

传感技术无论在物理学领域还是在信息通信领域，一直是一个重要的研究方向。伴随着最近30年来移动通信的进步，无线传感器网络的研究取得了重大进展。

现代微型传感器已经具备3种能力：感知、计算和通信，而且具有体积小、能耗小的特征。现代无线传感器网络将传感器、嵌入式计算、分布式信息处理和无线通信技术结合在一起，能将感知信息通过多跳的方式传输给用户，又可以做到传感器节点相对密集。这些节点既可以是静止的，也可以是移动的。网络还具备通信路径自组织能力（Ad Hoc）。

将现代传感器网络与互联网联接是世间人类和万物的联接，有着极其广阔的发展前景和极其深远的历史意义。

正是在这样的背景下，产生了物联网（Internet of Things，IoT）的概念。2005年，在信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟发布《ITU互联网报告2005：物联网》。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体，从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过互联网主动进行信息交换。射频识别（RFID）技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到更加广泛的应用。

2012年，全球联网的无线传感器的数量是87亿个。业界预测，到2020年，将达到500亿个，占无线传感器总量的比例，即渗透率，将从2012年的0.6%增加到2020年的2.7%。

类比于人的神经末梢、神经网络和大脑，具备了传感器、网络和智能的地球，也就可以被称作具有“智慧”了。于是，就有了“智慧地球”的构想，“物联网”就成为了“智慧地球”不可或缺的一部分。

面对移动互联网和物联网等新型业务的发展需求，5G系统需要满足各种业务类型和应用场景。一方面，随着智能终端的迅速普及，移动互联网在过去的几年中在世界范围内发展迅猛，面向2020年及未来，移动互联网将进一步改变人类社会信息的交互方式，为用户提供增强现实、虚拟现实等更加身临其境的新型业务体验，从而带来未来移动数据流量的飞速增长；另一方面，物联网的发展将传统人与人通信扩大到人与物、物与物的广泛互联，届时，智能家居、车联网、移动医疗、工业控制等应用的爆炸式增长将带来海量的设备连接。

在保证设备低成本的前提下，5G网络需要满足以下几个目标。

（1）服务更多的用户。据ITU发布的全球信息技术数据显示，全球蜂窝移动签约用户到2013年年底已经达到68亿。其中，移动宽带用户经过近年来的快速增长已达到20亿左右，渗透率接近30%，约为2011年的2倍，2009年的4～5倍。随着移动宽带技术的进一步发展，移动宽带用户数量和渗透率将继续增加。与此同时，随着移动互联网应用和移动终端种类的不断丰富，预计到2020年，人均移动终端的数量将达到3个左右。这就要求到2020年，5G网络能够为超过150亿的移动宽带终端提供高速的移动互联网服务。

（2）支持更高的速率。移动宽带用户在全球范围的快速增长，即时通信、社交网络、文件共享、移动视频、移动云计算等新型业务不断涌现，带来了移动用户对数据量和数据速率需求的迅猛增长。据ITU发布的数据预测，相比于2020年，2030年全球的移动业务量将飞速增长，达到5000EB/月。

相对应地，未来5G网络还应能够为用户提供更快的峰值速率，如果以10倍于4G蜂窝网络峰值速率计算，5G网络的峰值速率将达到10Gbit/s量级。

（3）支持无限的连接。随着移动互联网、物联网等技术的进一步发展，移动通信网络的对象将呈现泛化的特点。它们在传统人与人之间通信的基础上，增加了人与物（如智能终端、传感器、仪器等）、物与物之间的互通。不仅如此，通信对象还具有泛在的特点，人或物可以在任何时间和地点进行通信。因此，5G移动通信网将变成一个能够让任何人和任何物，在任何时间和地点都可以自由通信的泛在网络，如图2.1所示。

近年来，国内外运营商都已经开始在物联网应用方面开展新的探索和创新，已出现的物联网解决方案，如智慧城市、智能交通、智能物流、智能家居，智能农业、智能水利、设备监控、远程抄表等，都致力于改善人们的生产和生活。随着物联网应用的普及、无线通信技术及标准化进一步的发展，到2020年，全球物联网的连接数将达到1 000亿左右。在这个庞大的网络中，通信对象之间的互联和互通不仅能够产生无限的连接数，还会产生巨大的数据量。预测到2020年，物物互联数据量将达到传统人与人通信数据量的约30倍。

（4）提供个性的体验。随着商业模式的不断创新，移动网络将推出更为个性化、多样化、智能化的业务应用。因此，这就要求未来5G网络应进一步改善移动用户体验，如汽车自动驾驶应用要求将端到端时延控制在毫秒级、社交网络应用需要为用户提供永远在线体验，以及为高速场景下的移动用户提供全高清/超高清视频实时播放等体验。

因此，面向2020年的未来5G移动通信系统要求在确保低成本、传输的安全性、可靠性、稳定性的前提下，能够提供更高的数据速率、服务更多的连接数和获得更好的用户体验。

2.1.2　运营需求

移动通信系统从1G到4G的发展是无线接入技术的发展，也是用户体验的发展。每一代的接入技术都有自己鲜明的特点，同时每一代的业务都给予用户更全新的体验。然而，在技术发展的同时，无线网络已经越来越“重”。

“重”部署：基于广域覆盖、热点增强等传统思路的部署方式对网络层层加码，另外泾渭分明的双工方式，以及特定双工方式与频谱间严格的绑定，加剧了网络之重（频谱难以高效利用、双工方式难以有效融合）。

“重”投入：无线网络越来越复杂，使得网络建设投入加大，从而导致投资回收期长，同时对站址条件的需求也越来越高；另外，很多关键技术的引入对现有标准影响较大、实现复杂，从而使得系统达到目标性能的代价变高。

“重”维护：多接入方式并存，新型设备形态的引入带来新的挑战，技术复杂使得运维难度加大，维护成本增高；无线网络配置情况愈加复杂，一旦配置则难以改动，难以适应业务、用户需求快速发展变化的需要。

在5G阶段，因为需要服务更多用户、支持更多连接、提供更高速率以及多样化用户体验，网络性能等指标需求的爆炸性增长将使网络更加难以承受其“重”。为了应对在5G网络部署、维护及投资成本上的巨大挑战，对5G网络的研究应总体致力于建设满足部署轻便、投资轻度、维护轻松、体验轻快要求的“轻形态”网络。其应具备以下的特点。

（1）部署轻便。基站密度的提升使得网络部署难度逐渐加大，轻便部署的要求将对运营商未来网络建设起到重要作用。在5G技术研究中，应考虑尽量降低对部署站址的选取要求，希望以一种灵活的组网形态出现，同时应具备即插即用的组网能力。

（2）投资轻度。从既有网络投入方面考虑，在运营商无线网络的各项支出中，OPEX（Operating Expense，运营性支出）占比显著，但CAPEX（Capital Expenditure，资本性支出）仍不容忽视。其中，设备复杂度、运营复杂度对网络支出影响显著。随着网络容量的大幅提升，运营商的成本控制面临巨大挑战，未来的网络必须要有更低的部署和维护成本，在技术选择时应注重降低两方面的复杂度。

新技术的使用一方面要有效控制设备的制造成本，采用新型架构等技术手段降低网络的整体部署开销；另一方面还需要降低网络运营复杂度，以便捷的网络维护和高效的系统优化来满足未来网络运营的成本需求；应尽量避免基站数量不必要的扩张，尽量做到站址利旧，基站设备应尽量轻量化、低复杂度、低开销，采用灵活的设备类型，在基站部署时，应能充分利用现有的网络资源，采用灵活的供电和回传方式。

（3）维护轻松。随着3G的成熟和4G的商用，网络运营已经出现多网络管理和协调的需求，在未来5G系统中，多网络的共存和统一管理将是网络运营面临的巨大挑战。为了简化维护管理成本、统一管理、提升用户体验，智能的网络优化管理平台将是未来网络运营的重要技术手段。

此外，运营服务的多样性，如虚拟运营商的引入，对业务QoS（Quality of Service，服务质量）管理及计费系统会带来影响。因而相比既有网络，5G网络运营应能实现更加自主、更加灵活、更低成本和更快适应地进行网络管理与协调，要在多网络融合和高密复杂网络结构下拥有自组织的、灵活简便的网络部署和优化技术。

（4）体验轻快。网络容量数量级的提升是每一代网络最鲜明的标志和用户最直观的体验，然而5G网络不应只关注用户的峰值速率和总体的网络容量，更需要关心的是用户体验速率，需要小区去边缘化以给用户提供连续一致的极速体验。此外，不同的场景和业务对时延、接入数、能耗、可靠性等指标有不同的需求，不可一概而论，应该因地制宜，全面评价和权衡。总体来讲，5G系统应能够满足个性、智能、低功耗的用户体验，具备灵活的频谱利用方式、灵活的干扰协调/抑制处理能力，移动性性能得到进一步的提升。

另外，移动互联网的发展带给用户全新的业务服务，未来网络的架构和运营要向着能为用户提供更丰富的业务服务方向发展。网络智能化，服务网络化，利用网络大数据的信息和基础管道的优势，带给用户更好的业务体验。游戏发烧友、音乐达人、微博控以及机器间通信等，不同的用户有不同的需求，更需要个性化的体验。未来网络架构和运营方式应使得运营商能够根据用户和业务属性以及产品规划，灵活自主地定制网络应用规则和用户体验等级管理等。同时，网络应具备智能化认知用户使用习惯，并能根据用户属性提供更加个性化的业务服务。

2.1.3　业务需求

（1）支持高速率业务。无线业务的发展瞬息万变，仅从目前阶段可以预见的业务看，在移动场景下，大多数用户为支持全高清视频业务，需要达到10Mbit/s的速率保证；对于支持特殊业务的用户，如支持超高清视频，要求网络能够提供100Mbit/s的速率体验；在一些特殊应用场景下，用户要求达到10Gbit/s的无线传输速率，如短距离瞬间下载、交互类3D（3-Dimensions）全息业务等。

（2）业务特性稳定。无所不在的覆盖、稳定的通信质量是对无线通信系统的基本要求。由于无线通信环境复杂多样，仍存在很多场景覆盖性能不够稳定的情况，如地铁、隧道、室内深覆盖等。通信的可靠性指标可以定义为对于特定业务的时延要求下成功传输的数据包比例，5G网络应要求在典型业务下，可靠性指标应能达到99%甚至更高；对于MTC（MachineType Communication，机器类型通信）等非时延敏感性业务，可靠性指标要求可以适当降低。

（3）用户定位能力高。对于实时性的、个性化的业务而言，用户定位是一项潜在且重要的背景信息，在5G网络中，对于用户的三维定位精度要求应提出较高要求，如对于80%的场景（如室内场景）精度从10m提高到1m以内。在4G网络中，定位方法包括LTE自身解决方案和借助卫星的定位方式，在5G网络中可以借助既有的技术手段，但应该从精度上进行进一步的增强。

（4）对业务的安全保障。安全性是运营商提供给用户的基本功能之一，从基于人与人的通信到基于机器与机器的通信，5G网络将支持各种不同的应用和环境。所以，5G网络应当能够应对通信敏感数据有未经授权的访问、使用、毁坏、修改、审查、攻击等问题。此外，由于5G网络能够为关键领域，如公共安全、电子保健和公共事业提供服务，因此5G网络的核心要求应具备提供一组全面保证安全性的功能，用以保护用户的数据、创造新的商业机会，并防止或减少任何可能的网络安全攻击。

2.1.4　用户需求

（1）终端多样性。在3G网络的全球部署下，终端的蓬勃发展给移动通信产业带来巨大的变化。2000年以来，终端业务由传统的语音业务向宽带数据业务发展，终端形态呈现多样化发展，未来还会出现手表、眼镜等多种形态的终端，围绕个人、行业、家庭三大市场形成个性化多媒体信息平台。

智能终端的流行，同时成就终端与互联网业务的结合，为用户带来全新的业务体验与交互能力，刺激用户对移动互联网的使用欲望，拉动数据流量的激增。根据相关统计，智能终端用户70%的时间花费在游戏、社交网络等活动上，随着终端的发展，将会产生更多的数据流量。2020年，智能终端每天业务量接近1GByte将不再是梦想。

（2）应用的多样性。智能终端的发展同时带动移动互联网业务的高速发展。移动互联网业务由最初简单的短/彩信业务发展到现在的微信、微博和视频等业务，越来越深刻地改变了信息通信产业的整体发展模式。

随着移动互联网业务的发展，5G移动通信将会渗透到各个领域，除了常规业务，如超高清视频（3D视频）、3D游戏、移动云计算外，还会在远程医疗、环境监控、社会安全、物联网业务等各个领域方便人们的生活。这些新应用、新业务仍然以客户为中心，关注用户的完美体验，并保证用户随时随地的最佳体验，更快速地开展业务，即使在移动状态下，仍然能够享有高质量的服务。因此，未来，人机之间的混合通信对于网络流量增长，高效、便捷和安全访问显得非常重要，只有充分关注用户体验，才能促进整个移动通信行业的长远发展。

2.1.5　网络需求

（1）由于频谱资源的有限性，需要提高频谱的使用效率。移动通信系统的频率由ITU-R进行业务划分。目前，ITU-R划分了450MHz、700MHz、800MHz、1 800MHz、1 900MHz、2 100MHz、2 300MHz、2 500MHz、3 500MHz和4 400MHz等频率给IMT系统使用。LTE网络部署初期主要集中在2.6GHz、1.8GHz和700MHz。然而，由于各国家和地区使用情况存在差异，因此给产业链和用户带来困难。例如，New iPad只支持700MHz和2 100MHz频率。这两个频率在很多国家不能使用。对我国来说，上述频率存在多种业务（如铁路调度系统、广播电视系统、集群系统、雷达系统以及固定卫星系统等），给LTE频率规划和网络部署带来巨大的挑战。按照ITU-R的预计，10年后，移动流量将是现在的1 000倍。如此巨大的数据流量亟须提升频谱的使用效率，改变目前碎片化的使用方式。

另外，可以通过新技术来实现频谱利用率的最大化，如基于OFDMA的长期演进系统（4G）相比2G、3G在容量上有了新的突破，为了达到系统需求的峰值速率，采用MIMO和高阶调制技术提升频谱利用率。在LTE-Advanced演进过程中引入的载波聚合（CA）技术，将多个连续或不连续离散频谱聚合使用，从而解决高带宽需求，进而提高频谱利用率。因此，针对频谱资源稀缺问题，未来5G需要使用合适的频谱使用方式和新技术来提高频谱使用效率，如TDD/FDD融合的同频同时全双工（CCFD）可以有效提升频谱效率，并给频谱的使用提供方便。

（2）需要通过IPv6促进网络融合。现有数字技术允许不同的系统，如有线、无线、数据通信系统融合在一起。这种融合正在全球范围内发生，并且迅速改变人们和设备的通信方式。基于IP的网络技术使其成为可能，并且是这场变革的骨干。基于IP的通信系统不管是为运营商和用户提供多种设备、网络和协议的连接，还是实现管理的灵活性和节省网络资源都具有重要的优势。由于IP化进程加快，各接入系统的互通可以通过共用IP核心网络实现任何时间、任何地点的最优连接。除此之外，IPv6在安全性、QoS、移动性等方面具有巨大的优势。因此，IPv6对未来网络的演进和业务发展产生起着重要作用。

2.1.6　效率需求

频谱利用、能耗和成本是移动通信网络可持续发展的三个关键因素。为了实现可持续发展，5G系统相比4G系统在频谱效率、能源效率和成本效率方面需要得到显著提升。具体来说，频谱效率需要提高5～15倍，能源效率和成本效率均要求有百倍以上的提升，如表2.1所示。

2.1.7　终端需求

无论硬件还是软件方面，智能终端设备在5G时代都将面临功能和复杂度方面的显著提升，尤其是在操作系统方面，必然会有持续的革新。另外，5G的终端除了基本的端到端通信之外，还可能具备其他的效用，如成为连接到其他智能设备的中继设备，或者能够支持设备间的直接通信等。考虑目前终端的发展趋势以及对5G网络技术的展望，可以预见5G终端设备将具备以下特性。

（1）更强的运营商控制能力。对于5G终端，应该具备网络侧高度的可编程性和可配置性，比如终端能力、使用的接入技术、传输协议等；运营商应能通过空口确认终端的软/硬件平台、操作系统等配置来保证终端获得更好的服务质量；另外，运营商可以通过获知终端关于服务质量的数据，比如掉话率、切换失败率、实时吞吐量等来进行服务体验的优化。

（2）支持多频段、多模式。未来的5G网络时代，必将是多网络共存的时代，同时考虑全球漫游，这就对终端提出了多频段、多模式的要求。另外，为了达到更高的数据速率，5G终端需要支持多频带聚合技术。这与LTE-Advanced系统的要求是一致的。

（3）支持更高的效率。虽然5G终端需要支持多种应用，但其供电作为基本通信保障应有所保证，如智能手机充电周期为3天，低成本MTC终端能达到15年。这就要求终端在资源和信令效率方面应有所突破，如在系统设计时考虑在网络侧加入更灵活的终端能力控制机制，有针对性地发送必须的信令信息等。

（4）个性化。为满足以人为本、以用户体验为中心的5G网络要求，用户应可以按照个人偏好选择个性化的终端形态、定制业务服务和资费方案。在未来的网络中，形态各异的设备将大量涌现，如目前已经初见端倪的内置在衣服上用于健康信息处理的便携化终端、3D眼镜终端等，将逐渐商用和普及。另外，因为部分终端类型需要与人长时间紧密接触，所以终端的辐射需要进一步降低，以保证长时间使用不会对人的身体造成伤害。