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NTT DOCOMO的5G(第五代移动通信)白皮书-总体趋势与需求

供稿人:李远东  供稿时间:2014-10-27   关键字:5G  
笔者注:本文是对日本目前最大4G移动通信运营商NTT DOCOMO于2014年9月发布的5G移动通信白皮书ドコモ5Gホワイトペーパー的编译。NTT DOCOMO于2010年开始进行5G相关研究,并于2014年9月26日宣布将成立5G实验室,在此方面已有深厚的研究积累,本白皮书即是对其研究成果的总结。编译时对部分地方进行了“笔者注”。编译时,为对原文中所述的某些最新技术进行更深入的理解,查阅了NTT DOCOMO无线系统设计部总监Takehiro Nakamura在2014年所作的演讲报告NTT DOCOMO's Views on 5G Toward 2020 and Beyond以及Takehiro Nakamura在Broadband World Forum 2013大会中所作的演讲报告LTE-Advanced Enhancements and Future Radio Access Toward 2020 and Beyond
1、引言
在过去的几十年里,移动通信曾经为全球发达国家与发展中国家的社会发展及经济发展作出了巨大贡献。到现今,移动通信已成为全球数百万人日常生活中不可或缺的一部分,而且这种发展势头在将来及未来仍将持续下去。
 
目前,从全球范围看,为了提供相对于3G(第三代移动通信)网络与3.5G(第3.5代移动通信)网络具有更大无线接入速率、更低延迟、更高效率的移动通信服务,很多移动基础运营商都正在部署LTE(Long Term Evolution,长期演进。笔者注:LTE常被业界称为3.9G即“第3.9代移动通信”)网络(笔者注:据全球移动通信设备供应商协会发布的最新报告,截至2014年9月17日,全球共有112个国家/地区正式商用了331个LTE网络,预计到年底,这一数值将超过350个)。
 
此外,LTE的演进版本LTE-Advanced(LTE-A)可以用来提供真正的4G(第四代移动通信)移动宽带接入服务。目前,移动通信业界正在大力研究与发展LTE-A,并有望在2015年正式开始对LTE-A进行初步商用(笔者注:据相关报道,日本与韩国等已建设LTE-A试验网络)。
 
然而,即使有着上述可谓“大好”的发展形势,但可以预见的是,移动通信的未来仍将会面临一些非常巨大的挑战,于是,移动通信业界对发展相比LTE-A具有更强能力的新一代移动通信系统的需求与日俱增。这种新一代的移动通信系统就是5G(第五代移动通信)。
 
为了发展5G系统,NTT DOCOMO早在2010年就开始了对FRA(Future Radio Access,未来无线接入)的研究。FRA项目的目标是明确2020年及其以后,人们、社会对移动通信的需求,然后在此基础上研究可以满足/实现这些相关需求的移动通信系统与无线接入技术。
 
为了实现在2020年的东京奥运会期间正式提供5G服务的既定目标,目前,在FRA项目的框架之内,NTT DOCOMO正与一些全球顶级的移动通信企业/厂商联合进行多项相关现网试验。(笔者注:NTT DOCOMO于2014年9月26日发布新闻,宣布将成立5G实验室(预计该团队将有大约30名工作人员),以加速NTT DOCOMO对5G下一代移动通信系统的研发及相关技术的全球标准化。)
 
在FRA项目的基础之上,NTT DOCOMO于2014年9月发布白皮书:ドコモ5Gホワイトペーパー,详细地阐述了NTT DOCOMO对于5G的驱动因素、理念演进、需求的观点,并介绍了可以实现面向2020年及其以后的5G的无线接入关键技术。
2、总体趋势与需求
2.1  目前的市场趋势及移动通信服务
 
目前,越来越多的用户希望随时随地都能通过任何一种网络连接方式(笔者注:主要包括“有线”与“无线”这两大类)获得相同质量的Internet体验。由于移动宽带网络与固定宽带网络的用户体验的差异在日益缩小,加之前者可以提供越来越高的数据接入速率,于是,上述的用户期望正在被越来越好地满足。
 
此外,高规格的手持移动终端设备(尤其是智能手机。还包括其他可支持近乎“海量”的应用与服务的一些新形态的移动终端)被迅速地大规模普及。图片传输、视频流媒体、越来越多的基于云计算技术的服务(比如“云语音”)等应用正在被越来越多的移动通信用户使用。
 
上述趋势在未来会更为明显。图1所示为2020年及其以后的移动通信市场/服务的主要发展趋势。
 
1  2020年及其以后的移动通信市场/服务的主要发展趋势
来源:NTT DOCOMO20149月发布的ドコモ5Gホワイトペーパー
 
由图1可以总结出移动通信服务的两大最为重要的发展趋势:
 
1)在2020年及其以后,所有的设备都会被接入移动通信网络,以进行监控、信息收集、设备控制等。比如,未来的相关业务形态可以包括车联网、智能家居、移动机器人、传感网等在内的M2M(Machine to Machine,机器到机器)、IoT(Internet of Things,物联网)等,可支持对近乎“海量”终端设备的远程实时监测与控制。
 
2)随着移动通信网络越来越多地实时传输更丰富的多媒体内容、紧急广播信息/消息,移动通信服务将会变得更加广泛和丰富。比如,未来的相关业务形态可以包括高清晰度/超高清晰度(如4K、8K)视频、触觉互联网/触觉通信、富媒体社交网络、增强现实、道路/交通安全服务等。
 
由于有上述趋势的存在,在未来几年,移动通信网络中的数据流量就将会持续、大幅地增长。根据思科的相关报告,从2008年到2013年,移动通信网络数据流量增长了45倍。根据国际电信联盟的相关报告,从2010年到2015年,移动通信网络数据流量将有望增长24倍。而与之相对应的是,NTT DOCOMO网络内数据流量的年复合增长率几乎达到了190%,而且从2011年到2015年将有望增长12倍(根据NTT DOCOMO的2012年年报《面向2015年的中期愿景》)。如果未来仍然保持着这个增长率,那么保守预计,到2020年,移动通信网络内的数据流量将至少是2010年的1000倍。
 
另一方面,未来的移动通信服务将会更加多元化。正如上文图1中所示的那样,未来的移动通信网络可提供包括各种小数据包业务(比如,低数据率的M2M及实时远程控制业务)及各种富媒体业务(比如高/特高数据率的高清/超高清视频通信、高清/超高清电视、增强现实、触觉通信等)在内的多种信息娱乐服务形态。
 
此外,在当前的移动通信网络内,移动数据流量的分布并不是均匀的。在车站、大型购物中心、体育场馆等人口密集与超密集的热点区域,大量的移动用户所产生的移动数据流量非常之大。
 
综上,除了总体流量的巨幅增长外,移动数据流量的大小还具体取决于时间、地点、移动应用的类型、移动终端的类型等关键因素。
 
2.2  NTT DOCOMO5G的发展需求
 
虽然NTT DOCOMO在4G移动通信网络的设计与演进方面取得了较大进展,但是上文所述的市场发展趋势带来了史无前例的挑战,从而成为NTT DOCOMO发展5G移动通信网络的最大驱动因素。NTT DOCOMO发展5G的高层次目标如图2所示。
 
2  NTT DOCOMO所制定的5G研发目标
来源:NTT DOCOMO20149月发布的ドコモ5Gホワイトペーパー
 
具体阐述如下:
 
1)更高的网络容量
 
未来的5G网络必须能承载比目前移动通信网络高多个数量级的数据流量——这被全球移动通信业界广泛地认为是对未来移动通信网络最为重要、最具有挑战性的需求。NTT DOCOMO的相关发展目标是,5G网络内每平方千米的数据容量要达到当前已商用LTE网络的1000倍。
 
2)更高的数据接入速率
 
未来的5G网络必须能提供比目前移动通信网络更大的数据接入速率。此外,考虑到移动通信新兴的富媒体业务(高清/超高清视频通信、高清/超高清电视、增强现实、触觉通信等)及云业务的急速发展趋势,5G也应提供高/超高数据率的业务服务,并提供相较于当前已商用LTE网络更好的、“清一色”/统一的用户体验。要提供更好、更统一的用户体验,5G可在用户可获得的数据接入速率、用户吞吐量公平性这两方面努力。NTT DOCOMO所设定相关发展目标是,相较于到当前已商用LTE网络:在峰值数据接入速率上,5G网络要能提高10倍;在用户吞吐量方面,5G网络要能提高100倍,届时实现5G用户在任何地方都能以1Gbps接入。此外,更高的峰值数据速率对于诸如移动回程等新兴应用场景的重要性也将与日俱增。
 
3)支持海量连接
 
为了支持一直在线/全天候连接的云业务及更多的物联网终端机器,未来的5G网络必须能支持“海量”终端的同时接入。NTT DOCOMO的相关发展目标是,5G网络内能同时接入的终端数量要达到当前已商用LTE网络的100倍。
 
4)更低的无线接入延迟
 
未来的5G网络不但要能提供更高的数据接入速率,还必须要把无线接入网中用户平面的延迟控制在低于1毫秒的水平——相对于当前已商用LTE网络的5毫秒延迟,这将是一个大的“飞跃”。如此一来,未来的移动通信网络就能以近乎“零延迟”提供移动云业务及诸如触觉通信、增强现实、M2M实时及动态控制等新兴业务服务。
 
5)更低成本、更高能效、紧急情况下应急通信能力更强健
 

由于未来的移动通信网络要支持更多应用的地理环境,并同时提供更多的服务,未来的5G网络就必须要能降低无线接入网的成本、提高能量效率,并能一定程度地提高自然灾害发生时的生存能力。但是,在5G网络时代,移动通信所使用的频谱将会更加分散,既有高频段的,也有低频段的,而且每个频段的物理带宽大小也不一。此外,通过规模部署小基站,未来移动通信的基础网络架构将会很复杂。由于这些需求很不容易量化,因此,在5G网络的整个设计过程中应该对它们进行仔细研究。

参考文献:
 
[1] NTT DOCOMO: ドコモ5Gホワイトペーパー, September, 2014.
 
[2] Takehiro Nakamura. NTT DOCOMO's Views on 5G Toward 2020 and Beyond [PPT]. 2014.
 
[3] Takehiro Nakamura. LTE-Advanced Enhancements and Future Radio Access Toward 2020 and Beyond [PPT]. Broadband World Forum 2013, 2013-10-23.
 
[4] Global mobile Suppliers Association. LTE market report [R].Sept. 17, 2014.
 
[5]  DOCOMO to Establish New Business Units for Strengthened R&D and Innovation [EB/OL]. [2014-09-26].
https://www.nttdocomo.co.jp/english/info/media_center/pr/2014/0926_00.html.

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