1.3　5G移动通信研究与标准化

移动互联网和物联网作为未来移动通信发展的两大主要驱动力，为5G提供了广阔的应用前景。面向2020年及未来，数据流量的千倍增长、千亿设备连接和多样化的业务需求都将对5G系统的设计提出严峻挑战。与4G相比，5G将支持更加多样化的场景，融合多种无线接入方式，并充分利用低频和高频等频谱资源。同时，5G还将满足网络灵活部署和高效运营维护的需求，能大幅提升频谱效率、能源效率和成本效率，实现移动通信网络的可持续发展。

目前，许多国际组织、国家组织和企业都在积极进行5G方面的研究工作，如欧洲的METIS、iJOIN、5GNOW等研究项目，日本的ARIB、韩国的5G论坛、中国的IMT-2020（5G）推进组等，其他一些组织，如WWRF、GreenTouch等也都在积极进行5G技术方面的研究。IMT专门成立IMT-2020从事5G方面的标准化工作。全球5G研发组织如图1.4所示。

1.3.1　国际标准化组织

1.ITU

在标准化方面，5G工作主要在ITU的框架下开展。自2012年以来，ITU启动了5G愿景、未来技术趋势和频谱等标准化前期研究工作。2015年6月，ITU-R 5D完成了5G愿景建议书，明确5G业务趋势、应用场景和流量趋势，提出5G系统的8个关键能力指标，并制订了总体计划：2016年年初启动5G技术性能需求和评估方法研究；2017年年底启动5G候选提案征集；2018年年底启动5G技术评估和标准化，并于2020年年底完成标准制定。2015年7月，ITU-R SG5确认将“IMT-2020”作为唯一的5G候选名称上报至2015年无线电通信全会（RA 15）审批通过，会议规定了后续开展IMT-2020技术研究所应当遵循的基本工作流程和工作方法。技术评估工作主要在ITU-R 5D中开展，而有关5G频率则通过世界无线电通信大会（World Radio Communication Conference，WRC）相关议题研究确定。

2015年11月，WRC-15大会在瑞士日内瓦召开，大会涉及40多个议题，反映了全球无线电技术、业务发展的现状，体现了无线电频谱资源开发利用的新趋势。针对IMT新增全球统一的频率划分议题，最终，1 427～1 518MHz成为IMT新增的全球统一频率，部分国家以脚注的方式标注470～694/698MHz、3 300～3 400MHz、3 400～3 600MHz、3 600～3 700MHz、4 800～4 990MHz频段用于IMT。这些频段成为5G部署的重要频率。同时，为适应全球ICT的发展趋势，在WRC-19研究周期内，设立了高频段、智能交通、机器类通信、无线接入系统等一系列研究课题。这些课题有的与5G使用频率直接相关，有的则与5G应用相关。因此，在5G研究周期内，WRC-19议题研究工作的开展十分重要。

2.3GPP

3GPP（全球移动通信标准组织联盟）是5G标准化工作的重要制定者。5G相关的研究工作正在各标准组织中进行。5G标准化的完成凝聚了各标准化组织的贡献。各标准组织间已建立联络机制，未来将根据推进计划和时间需求，共同推动5G的标准化工作。5G已进入互联网领域，而且越来越多的接入是基于无线和移动的。因此，跨标准组织和工作组间协同工作也是确保未来两年内达成目标的关键。

3GPP 5G路线图如图1.5所示。按照该路线图，5GNR的部署计划分两个阶段。

第一阶段：计划在2018年6月完成Release 15版本的规范制定，并将于2020年完成前期的部署。按照第一阶段的详细计划，在2018年6月完成的Release 15版本中，支持独立的NR和非独立的NR两种工作模式。其中，支持非独立的NR模式意味着Release 15将基于LTE控制面协议进行兼容性升级；支持独立NR模式意味着支持全新的控制面协议栈。在用例场景和频段方面，Release 15将支持eMBB和URLCC两种用例场景和6GHz以下及60GHz以上的频段范围。

第二阶段：需要考虑与第一阶段兼容，计划将在2019年年底完成Release 16版本的规范制定，并作为正式的5G标准提交到ITU-R IMT-2020。该版本的商用系统计划将于2021年完成部署。

为实现5G的需求，3GPP将进行以下4个方面的标准化工作：新空口（NR）；演进的LTE空口；新型核心网（NextGen）；演进的LTE核心网（EPC）。

3GPP 5G相关标准化工作组主要涉及SA1、SA2、SA3、SA5和RAN等。其中，SA1研究5G业务需求；SA2研究5G系统架构；SA3研究安全；SA5研究电信管理；RAN工作组研究无线接入网。

SAl工作组关注5G业务需求研究，成立了SMARTER（Study on New Service and Markets Technology Enablers，新业务和市场技术实现方法）研究项目，并分为4个子课题组，包括移动宽带增强（eMBB）、紧急通信（Cric）、大规模机器通信（MIoT）、网络运维（NEO）。项目研究内容包括业务需求案例、场景和对网络的潜在需求分析。

SA2工作组成立NedGen研究项目进行5G网络架构研究。其研究成果由3GPP TR 23.799 Study on Architecture for NextGeneration System（新型网络架构研究）输出。该项目负责Release 14阶段的5G网络架构研究。

3GPP在5G核心网标准化方面重点推进以下工作。

在Release 14研究阶段聚焦5G新型网络架构的功能特性，优先推进网络切片、功能重构、MEC、能力开放、新型接口和协议，以及控制和转发分离等技术的标准化研究，目前已经完成架构初步设计。

Release 15将启动网络架构标准化工作，重点完成基础架构和关键技术特性方面内容。研究课题方面将继续开展面向增强场景的关键特性研究，如增强的策略控制、关键通信场景和UE relay等，预计在2017年年底完成5G架构标准第一版。

在2016年11月18日举行的3GPP SA2#118次会议上，中国移动成功牵头5G系统设计。此项目为R15“5G System Architecture”，简称5GS，是整个5G设计的第一个技术标准，也是事关5G全系统设计的基础性标准，标志着5G标准进入实质性阶段。5GS项目将制定《5G系统总体架构及功能》和《5G系统基本流程》两个基础性标准。

SA3研究安全，主要负责安全和隐私要求，并确定系统安全架构和协议。SA5将研究网络和业务（含RAN、CN、IMS）的需求、架构和资源调配及管理。

虚拟化和切片是5G新型核心网的关键技术特征。5G网络将是演进和革新两者的融合。5G将形成新的核心网，并演进现有EPC核心网功能，以功能为单位按需解构网络。网络将变成灵活的、定制化的、基于特定功能需求的、运营商或垂直行业拥有的网络。这就是虚拟化和切片技术可以实现的，也是5G核心网标准化的主要工作。

3.IEEE

电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会，是目前全球最大的非营利性专业技术学会。其会员人数超过40万人，遍布160多个国家。IEEE致力于电气、电子、计算机工程和与科学有关领域的开发和研究，在太空、计算机、电信、生物医学、电力及消费性电子产品等领域已制定了900多个行业标准，现已发展成为具有较大影响力的国际学术组织。目前，国内已有北京、上海、西安、郑州、济南等地的28所高校成立IEEE学生分会。

作为全球最大的专业学术组织，IEEE在学术研究领域发挥重要作用的同时也非常重视标准的制定工作。IEEE专门设有IEEE标准协会（IEEE Standard Association，IEEE-SA），负责标准化工作。IEEE-SA下设标准局。标准局又设置两个分委员会，即新标准制定委员会（New Standards Committees）和标准审查委员会（Standards Review Committees）。IEEE的标准制定内容包括电气与电子设备、试验方法、元器件、符号、定义以及测试方法等多个领域。

IEEE对于5G的发展主要是从WLAN技术，即802.11系列进行增强演进的，被称为HEW（High Efficiency WLAN），主要有Intel、LG、三星、Apple、Orange、NTT等公司加入。HEW致力于改善WLAN的效率和可靠性，主要研究物理层和MAC层技术。

1.3.2　地区和国家组织

1.NGMN

NGMN于2006年正式在英国成立有限公司。它是由七大运营商发起的，包括中国移动、NTT DoCoMo、沃达丰、Orange、Sprint Nextel、T-Mobile、KPN，希望通过市场发起对技术的要求，不管是下一步设备的开发还是实施等，都希望以市场为导向推行。

NGMN是一个开放的平台，不仅欢迎各个移动运营商，也欢迎设备制造商、研究单位（包括研究院所）以及高校加入，采用更开放的形式推动产业的发展，以获得更大的产业规模。在这个平台中，运营商希望推动下一代网络技术，保证性能和可实施性。它不仅在提需求，同时也在推动标准化，促进标准化组织的制定，开展跟踪最终产业链的形式。它会推动测试设备的开发，进行一些实验和评估等。总体来说，它希望成为一个务实的组织，采用非常紧密地与各个产业链合作的方式推动新的技术发展，不但能满足整个市场的需要，而且在业务能力以及时间方面可以满足运营商的需要，创造一个以市场为导向的共赢产业链。

NGMN于2015年2月发布了关于5G的白皮书，展示了对于5G的展望和发展路标。

2.欧盟

欧盟是5G技术研发的引导者，早在2012年就全面启动了名为“METIS”的5G研发计划。METIS定义5G以用户体验为中心，并针对场景需求、空口技术、多天线技术、网络架构、频谱分析、仿真及测试平台等方面进行深入研究。METIS计划时间表如下：2012年11月开始基础研究工作，主要探索未来移动通信的需求、特性、指标，形成5G关键技术架构；2015年5月开始针对系统优化、标准化、场外试验进行技术细化研究；2018年开始试商用，并预计在2020年实现全球商用。

在5G场景方面，METIS提出了虚拟现实办公、超密集城区、移动终端远程计算、传感器大规模部署和智能电网等12个典型的5G应用场景，并分析了在每个典型场景下的用户分布、业务特点和相应的系统关键能力需求。在5G业务方面，METIS提出了应包含增强型移动互联网业务、大规模机器类通信和低时延高可靠通信。METIS项目对5G需求进行了系统性的研究，重点强调了新一代系统需要更好地支持物联网类业务。该项目的阶段性研究成果将作为欧盟在5G关键技术和系统设计的重要参考，输入ITU、3GPP等国际标准组织，体现欧盟的核心观点。

WWRF（WirelessWorld Research Forum）是欧盟的5G研究组织，由西门子、诺基亚、爱立信、阿尔卡特、摩托罗拉、法国电信、IBM、Intel、Vodafone等世界著名电信设备制造商、电信运营商于2001年发起成立。WWRF是致力于移动通信技术研究和开发的国际性学术组织。其成员包括欧洲、美洲、亚洲的绝大多数电信设备制造商，电信运营商及知名大学从事移动通信技术研究的科学家。WWRF的目标是在行业和学术界内对未来无线领域研究方向进行规划，提出、确立发展移动及无线系统技术的研究方向，为全球无线通信技术研究提供建设性的帮助。

2013年，欧盟5G公私合营联盟（5GPPP）正式成立。欧盟希望借助5GPPP的力量加快对5G的研发步伐。作为METIS的一个重要延展项目，5GPPP是一个政府民间合作组织，由政府出资管理项目、吸引民间企业和组织参加，计划在未来5～6年时间里，由政府和主要设备商、运营商投资，进行未来5G网络架构、技术、标准等方面的研究。

5GPPP将METIS项目的主要成果作为重要的研究基础，以更好地衔接不同阶段的研究成果。近期，5GPPP已完成第一轮研究课题申报。课题执行时间为2015年6月至2017年年底，将继续开展5G关键技术和系统设计的研究。本次申报涉及无线网络架构与技术、网络融合、网络管理、网络虚拟化与软件定义网络4个研究领域的全部16个研究项目，共收到爱立信、诺基亚、三星、华为、英特尔等公司共计83个课题的立项申请。

2016年7月，欧洲电信行业发布《5G宣言》，希望欧盟放松监管，增加资金投入，提供适当的频谱资源，以确保下一代移动技术的全部潜力得以实现，并希望欧盟5G行动计划可以采纳《5G宣言》提出的建议。

3.美国

2012年，美国纽约大学无线中心成立了一个多学科研究中心，重点研究领域是5G、医疗以及计算机科学等。根据无线中心的实验结果，未来5G网络用毫米波实现吉比特级的传输速率是可行的。FCC（Federal Communications Comm ission，美国联邦通信委员会）提出5G性能的三大发展方向：一是5G无线链路可比拟为移动光纤，提供10～100倍相当于当前技术的网速；二是5G的平均延时约为10ms，当实时性要求较高时，如远程手术等应用，延时可小于1ms；三是为了满足速度和时延要求，5G需要向拥有更大带宽的高频段寻求频谱资源。

FCC认为5G将是美国优先发展的产业之一。为确保在5G应用开发领域的领先地位，FCC在2016年6月提议要出台新政策，为5G技术提供更多频谱资源。2016年7月14日，FCC通过了“频谱新领域”提案，向5G开放24GHz以上高频频谱。此外，美国还主推利用频谱共享技术满足3.5GHz中频段的5G频谱需求，以及通过激励拍卖释放广电600MHz频段用于5G系统。

FCC认为不应在5G标准制定后才考虑频谱计划，而是要让行业决定5G该如何运作。因此，美国政府只须提供充足的频谱资源，建议依靠电信设备商和运营商确立5G技术标准。2016年7月，美国最大的无线运营商Verizon与5G技术论坛合作，率先完成了5G无线技术规范。该规范提供了测试和验证5G关键技术组件的指南，使设备商和运营商可以开发互操作的解决方案，有助于标准的测试和构建。目前，Verizon公司已进入5G预商用测试阶段，而AT&T等美国主要移动运营商也在2017年进行5G试验。FCC还将简化基站审批流程，以方便5G微蜂窝基站的建设。

4.其他国家

2012年，英国成立5G创新中心（5GIC），开启5G技术的研发进程。该创新中心由萨里大学牵头，由多家行业内顶尖级的通信企业共同参与。5G创新中心规划研究将分三阶段推进：第一阶段进行能源消耗、频段效率以及传输速度等方面的基础研究；第二阶段制定未来5G技术标准规范；第三阶段建立5G技术测试的试验平台、提供实验数据，为未来5G的商用奠定基础。

2012年，韩国成立5G论坛（5G Forum），从而开启了全国范围内的5G技术研发工作。5G Forum主要负责制定国家5G战略规划、中长期的技术研究规划，并促进移动通信生态系统的建立。2013年，韩国发布“未来移动通信产业发展战略”，计划于2015年实现Pre-5G技术，2017年年底开始进行5G试用，并于2018年在平昌冬奥会期间进行完整测试，最终于2020年实现5G网络的正式商用，以期成为全球首个5G网络商用化的国家。

2013年，日本ARIB（Association Radio Industries and Businesses，电波产业协会）成立“2020 and Beyond Ad Hoc”5G工作组，主要开展对未来移动通信系统概念、无线接入技术、网络基本架构等方面的研究，预计于2020年东京奥运会前商用5G服务。

5.中国

为推动5G研发，我国工业和信息化部、发展和改革委员会和科学技术部在2013年2月联合成立了IMT-2020（5G）推进组，集中国内“产学研用”优势单位，联合开展5G策略、需求、技术、频谱、标准、知识产权研究及国际合作，并取得了阶段性研究进展。

IMT-2020（5G）推进组初步完成了中国国内5G潜在关键技术的调研与梳理，将5G潜在关键技术划分为无线传输技术和无线网络技术，并分为两个子组，分别是无线技术组和网络技术组。无线技术组侧重无线传输技术与无线组网技术的研究；网络技术组侧重于接入网与核心网新型网络架构、接口协议、网元功能定义以及新型网络与现有网络融合技术的研究，如图1.6所示。

我国5G国家科技重大专项已经启动，将与“863”任务相衔接，支持863项目的研究成果转化应用到IMT-2020国际标准化进程中。5G专项计划已于2015年启动毫米波频段移动通信系统关键技术研究与验证、5G网络架构研究、5G国际标准评估环境、5G候选频段分析与评估、下一代WLAN关键技术研究和标准化与原型系统研发以及低时延、高可靠性场景技术方案的研究与验证。

总体来看，我国5G推进计划与ITU的5G推进时间表相匹配，即2013年开始5G需求、频谱及技术趋势的研究工作；2016年完成技术评估方法研究；2018年完成IMT-2020标准征集；2020年最终确定5G标准。

2012年，我国将IMT-2020作为5G命名；2014年，我国向ITU建议将IMT-2020作为5G命名；2015年，我国主推的5G命名——IMT-2020被ITU采纳。

2014年5月，我国IMT-2020（5G）推进组面向全球发布《5G愿景与需求》白皮书，详述我国在5G业务趋势、应用场景和关键能力等方面的核心观点。

在愿景需求方面，推进组提出了8个5G典型场景及每个场景下的潜在典型业务，所提出的典型场景包括密集住宅区、办公室、体育场和露天集会等全球普遍认可的挑战性场景，并包含地铁、快速路和高速铁路等中国特色场景以及广域覆盖场景。在此基础上，推进组定量分析了每个5G典型应用场景的业务需求，并提出了5G发展愿景及关键能力需求。

在技术场景方面，推进组从移动互联网和物联网主要场景及业务需求出发，通过提取关键技术特征，归纳了连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠4个5G主要技术场景。其中，连续广域覆盖和热点高容量场景主要面向移动互联网作为传统的4G典型技术场景，将会实现性能指标的大幅提升；低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网，是5G新的拓展场景，重点解决传统移动通信演进无法很好地支持物联网及垂直行业的应用问题。

在关键能力方面，为满足未来的多样化场景与业务需求，5G系统的能力指标将比前几代移动通信更加丰富。用户体验速率、连接数密度、端到端时延、峰值速率、移动性等都将成为5G的关键性能指标，但推进组认为，其中最重要、最具标志性意义的指标是用户体验速率。它真正体现了用户可获得的真实数据速率，是与用户感受最密切相关的性能指标。结合未来5G业务需求及系统支持能力，5G的用户体验速率指标应当为Gbit/s量级。

在核心技术方面，推进组提出5G将不再以单一的多址技术作为主要技术特征。其内涵更加广泛，将引入一组关键技术来共同定义，从场景适用性和技术重要性角度分析，大规模天线阵列、超密集组网、全频谱接入、新型多址技术以及新型网络架构将成为5G的最核心技术。

在5G关键性能指标方面，我国主推的八个指标均被ITU纳入《IMT未来技术趋势》研究报告。在应用场景方面，我国提出的连续广域覆盖、热点高容量、多连接大功耗和低时延高可靠四大场景也与ITU结论基本相符。在无线技术方面，我国主推的大规模天线阵列、超密集组网、新型多址等核心技术，以及全双工、灵活频谱使用、低时延高可靠等重点技术均被ITU采纳。在网络技术方面，我国建议的SDN、NFV、C-RAN、用户为中心网络等关键技术也被采纳。此后，我国IMT-2020（5G）推进组又陆续发布了《5G无线技术架构白皮书》《5G概念白皮书》《5G网络架构设计白皮书》《5G网络技术架构白皮书》《5G经济社会影响白皮书》和《5G网络安全需求与架构白皮书》等，真实反映了我国意图引领5G发展的姿态。

全球的公司和运营商也积极地参与5G技术的研究，主要有爱立信、三星、华为、中国移动等。