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解读IMT-2020(5G)PG对5G移动通信的定义

笔者注:当前,制定全球统一的5G标准已成为移动通信业界的共同呼声,ITU(国际电信联盟)已成立了专门的研究工作组IMT-2020(5G),启动了面向5G标准的研究工作,并明确了工作计划:2015年中将完成IMT-2020国际标准前期研究、2016年将开展5G技术性能需求和评估方法研究、2017年底启动5G候选方案征集、2020年底完成标准制定。
 
目前,5G愿景与关键能力需求已经得到基本明确,预计5G移动通信的国际标准制定工作将于2016年启动。为使5G技术研发和标准化在全球范围内形成合力,需尽快明确5G的定义,这将对凝聚全球移动通信业界力量,推动5G快速发展具有极其重要的意义(相同的观点,可查阅上海情报服务平台新近发布的《全球移动通信协会的5G白皮书(6)——5G的下一步发展需要注意的七大方面》的第1)部分“未来的5G无线移动宽带通信网络的商用时间将取决于我们现在对于的定义”,链接为:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8553)。
 
在此背景下,IMT-2020(5G)PG(推进组)于2015年2月11日发布了白皮书Whitepaper on 5G Concept,据笔者观察,这是全球移动通信业界的首份专门对5G进行定义的白皮书,具有非常重要的价值。
 
如何来定义未来的第五代移动通信系统?该白皮书的原文并未明确地指出/说明。而笔者仔细研究该白皮书后认为,整本白皮书的主线在于:应该从“标志性的关键能力指标”以及“核心的关键技术”这两个方面来定义未来的第五代移动通信系统。
 
遵循着上述思路,我们就可以看出:要想定义出全新一代的移动通信系统,就必须首先确定其所应具有的标志性的关键能力指标,然后在此基础之上,对应地探讨其所应具有的核心的关键技术。
 
那么,IMT-2020(5G)PG对未来第五代移动通信系统有着怎样的定义呢?本文在该白皮书的基础上,综合编译各章的内容,介绍第五代移动通信系统应具有哪些标志性的关键能力指标、应具有哪些核心的关键技术。
 
一、如何来定义未来的5G移动通信系统?
 
就这一问题,该白皮书的第4部分“5G Concept”(具体在原文第10页)首先简明、扼要地分析了此前的四代移动通信系统。该白皮书指出,在移动通信的发展历程之中,每一代的移动通信系统都可以通过标志性的关键能力指标和核心的关键技术来定义,比如,具体编译并重组如下:
 
(1)第一代移动通信系统
 
①标志性的关键能力指标:只能提供模拟制式的语音通话业务;②核心的关键技术:FDMA(Frequency Division Multiple Access,频分多址接入)。
 
(2)第二代移动通信系统
 
①标志性的关键能力指标:可提供数字制式的语音通话业务以及低速的移动数据接入业务;②核心的关键技术:TDMA(Time Division Multiple Access,时分多址接入)。
 
(3)第三代移动通信系统
 
①标志性的关键能力指标:可支持多媒体数据业务接入,用户无线接入峰值速率最低可达2 Mbps,最高可达几十Mbps;②核心的关键技术:CDMA(Code Division Multiple Access,码分多址接入)。
 
(4)第四代移动通信系统
 
①标志性的关键能力指标:可以支持各种移动宽带数据业务接入,用户无线接入峰值速率最低可达100 Mbps,最高可达1 Gbps;②核心的关键技术:OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,正交频分多址接入)。
 
(笔者注:在上述基础之上,该白皮书的意图在于,认为应该从“标志性的关键能力指标”以及“核心的关键技术”两个方面来定义未来的第五代移动通信系统。这两个方面将是下文的主要内容。另外,非常值得一提的是,“标志性”一词用得非常精当——某些关键能力在每一代的移动通信系统之中都存在,而相应指标的不同则成为其是那一代移动通信系统的标志——就这一点,笔者会在下文相关地方进一步进行阐释。)
 
二、对第五代移动通信系统的具体定义
 
1、第五代移动通信系统所应具有的标志性的关键能力指标
 
就这一问题,该白皮书的第4部分“5G Concept”(具体在原文第10页)第二段指出,5G所应具有的标志性的关键能力指标应比此前几代的移动通信系统要更为丰富(笔者注:参考此前历程中,一代比一代的丰富),具体表现在用户所(实际)体验到的(接入)速率(由于这项指标可以真实地体现用户可获得的实际数据速率,从而是与用户主观感受最密切的性能指标,移动通信业界也就普遍认为其是5G最重要的性能指标——该白皮书认为,基于5G主要场景的技术需求,5G的用户体验速率应达到Gbps级别(笔者注:此处所说的是最高值。具体数值与实际的应用场景有关,并依其而定))、移动连接数的密度、端到端的时延/延迟、峰值接入速率以及移动性这五大方面。
 
我们从上述内容可以看出,要讨论未来第五代移动通信系统应具有哪些标志性的关键能力指标,就需要首先明确未来第五代移动通信系统应具有哪些应用场景,然后再讨论每种具体的应用场景在上述五个方面的标志性的关键能力指标。
 
综合上海情报服务平台新近发布的《NTT DOCOMO的5G(第五代移动通信)白皮书》专题、《美洲5G白皮书》专题、《全球移动通信协会的5G白皮书》专题、《日本电波产业协会的5G白皮书》专题,我们可以看出:移动通信业界认为,未来的第五代移动通信系统应具有一切可能的应用场景,而且其中所涉及到的通信类型一共包括两类——人与人之间的通信以及物与物之间的通信。
 
与此有“异曲同工”之妙的是,IMT-2020(5G)PG所发布的该白皮书的第2部分“5G Technical Scenarios”(具体在原文第2页)首先指出:Mobile internet and the Internet of Things (IoT) will become the main forces driving the evolution of mobile communications towards 2020 and beyond——移动互联网和物联网业务将成为2020年及未来的移动通信发展的主要驱动力。我们可以看出,其中的“移动互联网业务”与上一自然段中的“人与人之间的通信类型”是相对应的、“物联网业务”与上一自然段中的“物与物之间的通信类型”是相对应的。所以,下文就依此思路,围绕这两个方面,对IMT-2020(5G)PG所认为的未来第五代移动通信系统应具有哪些标志性的关键能力指标进行综合编译介绍——相关内容来自于对该白皮书的第2部分“5G Technical Scenarios”(具体在原文第2~4页)的编译与重组。
 
1)该白皮书对未来第五代移动通信系统总的应用场景的定义
 
笔者对该白皮书中关于未来第五代移动通信系统总的应用场景的定义进行如下两点的重组与归纳:
 
(1)5G的移动互联网应用场景
 
于此方面,该白皮书指出,未来的5G移动通信系统将可满足人们在居住地、工作场所、休闲场所和交通场所等各种区域的多样化的业务需求:在具有超高移动数据流量密度、超高移动连接数密度、超高移动性特征的密集住宅区域、办公室、体育场、露天集会场所、地铁、高速公路、高铁以及广域覆盖等应用场景之中,为广大用户提供超高清晰度视频、虚拟现实、现实增强、云桌面、在线游戏等优秀的业务体验。
 
上述所有的应用场景,可以归纳总结为两大类型:连续的广域覆盖场景、热点的高容量场景。
 
(2)5G的物联网应用场景
 
于此方面,该白皮书指出,未来的5G移动通信系统将渗透到物联网及各种(垂直)行业领域,与工业设施、医疗仪器、交通工具等进行深度的融合,进而有效地满足工业、医疗、交
通等众多垂直行业的多样化的业务需求,(最终)实现真正的“万物互联”。
 
上述所有的应用场景,可以归纳总结为两大类型:低功耗的大连接场景、低时延的高可靠场景。我们由此可以看出:这两种应用是5G新拓展出来的,可重点用于解决传统移动通信系统无法很好地支持的无线物联网应用以及垂直细分行业应用。
 
(3)小结
 
由此,我们可以再行总结,以使思路更为清晰:该白皮书认为,未来第五代移动通信系统的应用场景包括:①移动互联网应用场景(具体还可细分为:连续的广域覆盖场景、热点的高容量场景);②物联网应用场景(具体还可细分为:低功耗的大连接场景、低时延的高可靠场景)。该白皮书在原文第2部分“5G Technical Scenarios”(具体在原文第2页)给出了一幅图,编译为图1所示:
1  5G主要的应用场景
(编译自IMT-20205GPG(推进组)于2015211日所发布的白皮书Whitepaper on 5G Concept
 
上文述及,要讨论未来第五代移动通信系统应具有哪些标志性的关键能力指标,就需要首先明确未来第五代移动通信系统应具有哪些应用场景,然后再讨论每种具体的应用场景在上述五个方面的标志性的关键能力指标。应用场景分类已在本小节予以明确,接下来的第2)小节就介绍5G的两类、四种应用场景对5G标志性的关键能力指标的需求。
 
2)两类、四种应用场景对5G标志性的关键能力指标的需求
 
5G将解决多样化的应用场景(笔者注:即上文第1)小节所述的两类、四种应用场景)下差异化性能指标带来的挑战:不同应用场景所面临的性能挑战是不同的,用户体验速率、移动数据流量密度、端到端时延、能量效率以及移动连接数都可能成为不同场景的性能指标/(5G)标志性性能指标。具体如下:
 
(1)5G移动互联网应用场景的关键能力指标
 
①连续的广域覆盖场景的关键能力指标
 
连续的广域覆盖场景以保证移动通信用户的移动性和(移动互联网)业务连续性为目标,为用户提供无缝、高速的业务使用体验,是移动通信系统最基本的覆盖方式。该场景的关键能力指标在于随时、随地(“随地”包括小区边缘、高速移动等环境)为用户提供100 Mbps以上的用户体验速率。
 
②热点的高容量场景的关键能力指标
 
热点的高容量场景主要面向局部的热点区域,具有极高的网络流量密度需求,需为用户提供极高的移动互联网数据传输速率。该场景的关键能力指标在于:用户体验速率达到1 Gbps、峰值接入速率达到几十Gbps、移动数据流量密度达到几十Tbps/km2
 
(笔者注:连续的广域覆盖场景、热点的高容量场景这两大移动互联网应用场景也是现有传统4G移动通信系统主要的技术场景。然而,我们可以看到,4G与5G对相关场景下的关键能力指标的需求是完全不同的——从而,我们可以再次很好地体会出“标志性的关键能力指标”中“标志性”一词的精妙。)
 
(2)5G物联网应用场景的关键能力指标
 
①低功耗的大连接场景的关键能力指标
 
低功耗的大连接场景以传感以及数据采集为目标,具有数据包(长度)小、功耗低、连接“海”量等主要特点,主要面向智慧城市、(智能)环境监测、智慧农业、森林防火等物联网应用。由于在此类应用场景的各类应用之中,终端分布范围广泛、数量众多,该场景的5G标志性关键能力指标就在于:移动连接数的支持能力超千亿、移动连接数密度最高达到100万/km2、终端的功耗超低、终端的成本超低。
 
②低时延的高可靠场景的关键能力指标
 
低时延的高可靠场景对网络(端到端)时延以及网络可靠性均具有极高的指标能力要求,主要面向车联网、工业控制等垂直细分行业的相关特殊应用。该场景的5G标志性关键能力指标在于:端到端时延达到毫秒级别、空口时延要达到1毫秒的水平、业务可靠性保证达到接近100%的水平。
 
3)小结
 
由此,我们可以再行总结,以使思路更为清晰:第五代移动通信系统所应具有的标志性的关键能力指标如表1所示:
 
1
 
未来5G的应用场景
对应的关键能力指标需求
移动互联网
应用场景
连续的广域覆盖场景
1)用户体验速率(随时随地)≥100 Mbps。
热点的高容量场景
1)用户体验速率=1 Gbps;
2)峰值接入速率=几十Gbps;
3)移动数据流量密度=几十Tbps/km2
物联网
应用场景
低功耗的大连接场景
1)移动连接数的支持能力:超千亿;
2)移动连接数密度最高达到100万/km2
3)终端的功耗:超低;
4)终端的成本:超低。
低时延的高可靠场景
1)端到端时延达到毫秒级别;
2)空口时延=1毫秒;
3)业务可靠性≈100%。
(来源:笔者根据上文内容所进行的总结)
 
我们可以看出:既然有着相关的需求,那么,“需求”也就意味着“挑战”,而相关的挑战也就正是来自于“如何去很好地满足相关的需求”——因此,就需要探讨满足表1中所述的5G标志性的关键能力指标需求所应研发的5G核心的关键技术,具体如下文所述。
 
2、第五代移动通信系统所应具有的核心的关键技术
 
在本文的这一部分,对IMT-2020(5G)PG所认为的未来第五代移动通信系统应具有哪些核心的关键技术进行综合编译介绍——相关内容来自于对该白皮书的第4部分“5G Concept”(具体在原文第10页)、第3部分“5G Key Technologies”(具体在原文第5~9页)、第5部分“5G Technology Roadmap”(具体在原文第11~12页)的编译与重组。
 
该白皮书的第4部分“5G Concept”(具体在原文第10页)第三段的第一句话指出:由于应用场景多样化,相关的性能需求就呈现出极端差异化的特征(笔者注:如上文中的表1所示),这样,未来的5G就很难(像之前各代移动通信系统那样)通过部署单一的技术来满足所有应用场景的相关需求(笔者注:这一观点与全球移动通信协会的相同。具体可查阅上海情报服务平台新近发布的《全球移动通信协会的5G白皮书(2)——何为真正的5G无线移动宽带通信?》一文的第2部分“未来5G无线移动宽带通信系统的技术需求”,链接为:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8549)。而该白皮书的第3部分“5G Key Technologies”第3小节(具体在原文第8页)第一段的第2句话指出:在考虑不同技术相互兼容/共存的可能性的前提下,需要合理选择关键技术,并进行组合来满足相关需求(笔者注:指的是如本文表1所示的两类、四种5G应用场景对于关键能力指标的需求)。遵循着这一思路,笔者还是以应用场景为主线,对两类、四种5G应用场景所需要的核心的5G关键技术进行编译与重组——这样,就具有更为清晰的思路,从而更便于大家阅读和理解。具体如下:
 
1)5G移动互联网应用场景所需要的核心的5G关键技术
 
①连续的广域覆盖场景所需的核心关键技术
 
该白皮书的第3部分“5G Key Technologies”第3小节第二段(具体在原文第8页)指出:连续的广域覆盖场景要满足随时随地100 Mbps的用户体验速率需求,而由于受限于站址资源以及无线频谱资源,要满足上述需求,除了需要尽可能多地使用位于低频段的无线频谱资源,还要大幅地提升系统的频谱效率——从而,大规模天线阵列就是其中最主要的关键技术之一。而为了进一步地提升系统的频谱效率和多用户接入能力,可将新型多址接入技术与大规模天线阵列相结合进行部署。此外,为了给用户提供稳定的体验速率保证,在网络架构方面,应综合部署多种无线接入技术以及集中的网络资源协同与QoS(服务质量)控制技术。
 
从该白皮书的上述内容,我们可以总结出:连续的广域覆盖场景所需的核心关键技术包括两大类——大规模天线阵列(一种无线技术)、网络架构(其属于网络技术)。接下来分别进行介绍:
 
A、大规模天线阵列技术
 
该白皮书的第3部分“5G Key Technologies”第1小节第一段(具体在原文第5页)指出:在现有多天线技术的基础上,大规模天线阵列技术通过增加天线的数量,来支持多达数十个独立的无线空间数据流,可将多用户无线接入系统的频谱效率提升数倍,从而将对满足5G移动通信系统的容量与速率需求起到重要的支撑作用。目前,将大规模天线阵列技术应用于5G尚需解决以下的一些关键问题:无线接入信道测量与反馈、参考信号设计、天线阵列设计、低成本实现等。
 
(笔者注:更多相关内容,可查阅上海情报服务平台新近发布的:《NTT DOCOMO的5G(第五代移动通信)白皮书—5G无线接入关键技术》第4部分“大规模MIMO技术”,链接为:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8467;《美洲的5G白皮书—面向5G的十五大潜在候选技术》第2部分“大规模MIMO技术”,链接为:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8538。)
 
B、网络架构
 
首先,该白皮书在原文第3部分“5G Key Technologies”第一段中的最后一句话指出:在(移动通信)网络技术方面,基于SDN(软件定义网络)和NFV(网络功能虚拟化)的新型网络架构已取得了业界的广泛共识(笔者注:这句话的言外之意是,全球移动通信业界目前已经取得一致共识——移动通信的新型网络架构应该基于SDN与NFV。对此,可详细查阅上海情报服务平台新近发布的:《下一代电信传输网综述》:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8468;《NFV主要概念的术语》:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8586;《未来4年运营商SDN/NFV市场规模及预测》:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8500;《美洲的5G白皮书(4)———移动通信基础网络运营商对未来5G的十大相关需求》一文中第5部分“基础网络灵活性方面”:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8535;《日本电波产业协会的5G白皮书(8):5G无线接入技术的顶层设计》一文中的第2部分“5G无线移动宽带通信网络的架构”:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8572)。
 
其次,该白皮书在原文第3部分“5G Key Technologies”的第2小节“5G Network Architecture”的第一段的第一句话中指出:与传统(移动通信系统)的网络(架构)相比,未来的5G移动通信网络将是基于SDN、NFV和云计算技术的,更加灵活、智能、高效以及开放的网络。
 
由此可见该白皮书的鲜明态度/立场。那么,看到这里,我们可能就会产生疑问:未来的5G移动通信网络架构将如何利用SDN、NFV和云计算技术呢?对此,该白皮书在原文第3部分“5G Key Technologies”的第2小节“5G Network Architecture”的第一段的第二句话中指出:5G的网络架构将由三个云组成,即:接入云、控制云以及转发云。对此,该白皮书还在原文第6页的底部给出一幅图予以阐释,现编译如下:
IMT-20205GPG5G网络架构的定义
(编译自IMT-20205GPG(推进组)于2015211日所发布的白皮书Whitepaper on 5G Concept
 
(笔者注:从上述分类中,我们可以初步地看出,接入云属于无线接入技术领域,而控制云以及转发云则属于网络技术领域,而且,“控制云”所指的即是“控制平面”,“转发云”所指的即是“用户数据平面”。该白皮书在原文第3部分“5G Key Technologies”的第2小节“5G Network Architecture”的第三段的第一句话中指出:通过将网络控制功能和数据转发功能进行持续解耦,未来的5G网络将形成集中且统一的控制云以及灵活且高效的转发云——这一观点与NTT DOCOMO及日本电波产业协会所持有的观点相同,详情可查阅上海情报服务平台新近发布的《NTT DOCOMO的5G(第五代移动通信)白皮书—5G无线接入关键技术》第1部分“虚拟化基站”:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8535;《日本电波产业协会的5G白皮书(8):5G无线接入技术的顶层设计》一文中第2.1部分“总体网络理念以及架构”:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8572。)
 
那么,看到这里,我们可能就会产生疑问:这三种云各自的功能如何呢?对此,该白皮书在原文第3部分“5G Key Technologies”的第2小节“5G Network Architecture”的其余部分中指出中进行了阐释,综合编译及重组如下:
 
接入云:
 
接入云可支持多种制式的无线接入技术,将融合集中式和分布式两种无线接入网架构,并可适应各种类型的回传链路,从而最终实现更灵活的组网部署以及更高效的无线资源管理。(笔者注:这一观点与美洲移动通信业界所持有的观点相同,详情可查阅上海情报服务平台新近发布的《美洲的5G白皮书(4)——移动通信基础网络运营商对未来5G的十大相关需求》一文中第5部分“基础网络灵活性方面”:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8535;《美洲的5G白皮书(5)——4G架构的缺陷及未来5G可增强/改进的6大方向》一文中第5部分“对多种无线接入技术的整合以及管理”:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8536)。
 
控制云:
 
控制云实现移动通信网络局部以及全局的会话控制、移动性管理和QoS(服务质量)保证,并将构建面向业务的网络能力开放接口,从而将最终满足业务的差异化需求,并提升业务的部署效率。
 
转发云:
 
转发云将基于通用的硬件平台,在控制云高效的网络控制和资源调度下,实现“海”量业务数据流的高可靠、低时延、均负载的高效传输。
 
紧接着,该白皮书在原文第3部分“5G Key Technologies”的第2小节“5G Network Architecture”的最后一段(具体在原文第7页)中总结性地指出:基于接入云、控制云以及转发云的新型5G网络架构是移动通信网络的未来发展方向,但是,在满足未来新业务和新场景需求的同时,实际网络发展也要充分考虑现有移动通信网络的演进途径。5G网络架构的发展会存在经由局部变化到全网变革的过渡阶段,通信技术与IT信息技术的融合会从核心网向无线接入网逐步延伸,从而最终形成移动通信网络架构的整体演变。
 
(笔者注:2014年末召开的国际电联全权代表大会(国际电联受到全权代表大会的管理、控制。全权代表大会是国际电联的最高机构,是确定国际电联及其各项活动方向的决策机构)最后发布了FINAL ACTS OF THE PLENIPOTENTIARY CONFERENCE (Busan, 2014): Decisions and Resolutions——《2014年(ITU)全权代表大会的最后决定以及决议》。其中的第199号决议为:Promoting efforts for capacity building on software-defined networking in developing countries——“努力促进发展中国家开展有关SDN软件定义网络的能力建设工作”(在原文件的第484~486页),主要内容如下:
 
软件定义网络SDN(包括SDN以及NFV)可方便地实现网络优化和定制化,并提高资源利用,为运营商带来诸多好处:提高网络灵活性和敏捷性,同时还可以简化操作,从而可能降低运营和投资成本,可有助于以较低的运营和资本支出提供新服务。发展中国家可能需要制定从现有传统网络向软件定义网络SDN过渡的计划,这样,就可以使得发展中国家在SDN部署阶段不至于落后发达国家太远,从而享受到由SDN所带来的实惠。发展中国家的软件定义网络SDN能力建设需从开始阶段做起,以增强其对SDN益处的认识。)
 
②热点的高容量场景所需的核心关键技术
 
该白皮书的第3部分“5G Key Technologies”第3小节第三段(具体在原文第8页)指出:极高的用户体验速率(笔者注:具体数值为1 Gbps,详见上文中的表1)和极高的移动数据流量密度(笔者注:具体数值为几十Tbps/km2,详见上文中的表1)是热点的高容量场景所面临的主要挑战,(所以,增加无线频谱资源的数量以及提高无线频谱资源的利用率就显得非常重要)。超密集组网技术能够更有效地复用无线频率资源,极大地提升单位面积内的频率资源复用效率。全频谱接入技术能够充分利用低频段和高频段的无线频谱资源,从而实现更高的无线传输速率。此外,还可通过大规模天线阵列技术以及新型多址接入等技术的结合部署,来实现移动通信系统频谱效率的进一步提升。
 
从该白皮书的上述内容,我们可以总结出:热点的高容量场景所需的核心关键技术包括两大类——超密集组网技术(一种无线技术)、全频谱接入技术(一种无线技术)。接下来分别进行介绍:
 
A、超密集组网技术
 
该白皮书的第3部分“5G Key Technologies”第1小节第二段(具体在原文第5页)指出:通过提高移动通信基站的部署密度,超密集组网技术可实现无线频率资源复用效率的巨幅提升。考虑到频率干扰、站址资源以及部署成本这三个主要因素,超密集组网技术可在局部的热点区域实现移动通信系统百倍量级的容量提升。干扰管理与抑制/消除技术、小区虚拟化技术、接入与回传联合设计技术等是超密集组网技术在目前的重要研究方向。
 
(笔者注:更多相关内容,可查阅上海情报服务平台新近发布的:《NTT DOCOMO的5G(第五代移动通信)白皮书—5G的理念演进及相关研究活动》第1.1部分“演进的方向”,链接为:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8466;《美洲的5G白皮书(7)—面向5G的十五大潜在候选技术》一文的第11部分“无线回传与接入的整合”,链接为:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8538。)
 
B、全频谱接入技术
 
该白皮书的第3部分“5G Key Technologies”第1小节第四段(具体在原文第6页)指出:全频谱接入可通过有效利用各类移动通信频谱(包含高频段以及低频段、授权频谱以及非授权频谱、对称频谱以及非对称频谱、连续频谱以及非连续频谱等)资源来提升无线数据传输速率和系统容量。由于具有较好的无线信道传播特性,可将6GHz频点以下的频段作为未来5G移动通信的优选频段。由于具有更加丰富、空闲的无线频谱资源,可将6~100GHz的高频段作为未来5G移动通信的辅助频段。目前,全频谱接入技术所面临的主要挑战包括:无线信道测量与建模、低频系统和高频系统统一设计、高频系统接入回传一体化以及高频器件等。
 
(笔者注:更多相关内容,可查阅上海情报服务平台新近发布的:《NTT DOCOMO的5G(第五代移动通信)白皮书—5G的理念演进及相关研究活动》第1.3部分“5G无线接入的理念”,链接为:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8466;《NTT DOCOMO的5G(第五代移动通信)白皮书—5G的理念演进及相关研究活动》第1.3部分“5G无线接入关键技术”,链接为:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8467;《美洲的5G白皮书(7)—面向5G的十五大潜在候选技术》一文的第5部分“无线频谱共享接入”,链接为:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8538;《美洲的5G白皮书(8)—5G移动通信的频谱问题》,链接为:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8539;《日本电波产业协会的5G白皮书(4)—5G对无线频谱的影响》,链接为:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8568。)
 
2)5G物联网应用场景所需要的核心的5G关键技术
 
①低功耗的大连接场景所需的核心关键技术
 
该白皮书的第3部分“5G Key Technologies”第3小节第四段(具体在原文第8~9页)指出:海量的设备连接(超千亿。具体可查阅上文中的表1)、超低的终端功耗与超低的终端成本是低功耗的大连接场景所面临的主要挑战。通过多个用户的数据的叠加传输,新型多址接入技术可成倍地提升未来移动通信系统的设备连接能力,此外,该技术还可通过免调度传输来有效地降低信令开销以及终端功耗。F-OFDM(笔者注:基于滤波的正交频分复用技术)和FBMC(笔者注:滤波器组多载波技术)等新型多载波技术在灵活使用“碎片”型频谱、支持窄带和小数据包、降低终端设备功耗以及成本方面具有显著优势。此外,D2D(终端直接通信)技术可避免基站与终端间的长距离传输,从而可以有效地实现功耗的降低。
 
从该白皮书的上述内容,我们可以总结出:低功耗的大连接场景所需的核心关键技术为新型多址接入技术(一种无线技术)。接下来进行介绍:
 
该白皮书的第3部分“5G Key Technologies”第1小节第三段(具体在原文第5~6页)指出:通过无线发射信号在空域/时域/频域/码域的叠加传输,新型多址接入技术可以实现多种应用场景下,系统频谱效率以及接入能力的显著提升。此外,新型多址接入技术还将可实现免调度传输,从而可以显著地降低信令开销、缩短接入时延、节省终端功耗。目前,业界提出的新型多址接入技术方案主要包括:基于多维调制和稀疏码扩频的SCMA(Sparse Code Multiple Access,稀疏码分多址)技术、基于复数多元码及增强叠加编码的MUSA(Multi-User Shared Access,多用户共享接入)技术、基于非正交特征图样的PDMA(Pattern Division Multiple Access,图样分割多址)技术以及基于功率叠加的NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access,非正交多址)技术。
 
(笔者注:更多相关内容,可查阅上海情报服务平台新近发布的《NTT DOCOMO的5G(第五代移动通信)白皮书》专题、《美洲5G白皮书》专题、《全球移动通信协会的5G白皮书》专题、《日本电波产业协会的5G白皮书》专题。)
 
②低时延的高可靠场景所需的核心关键技术
 
该白皮书的第3部分“5G Key Technologies”第3小节第五段(具体在原文第9页)指出:为满足极高的时延要求(笔者注:端到端时延达到毫秒级别、空口时延1毫秒。具体可查阅上文的表1)和可靠性要求(笔者注:接近100%。具体可查阅上文的表1),低时延的高可靠场景中应尽可能地降低空口传输时延、网络转发时延以及重传概率。为此,需采用更短的帧结构和更优化的信令流程,引入支持免调度传输的新型多址接入技术和终端直接通信技术等来减少信令交互和数据中转,并运用更先进的调制编码和重传机制来提升传输可靠性。此外,在网络架构方面,控制云通过优化数据传输路径来控制业务数据靠近转发云以及接入云边缘,从而有效地降低网络传输时延。
 
从该白皮书的上述内容,我们可以总结出:低功耗的大连接场景所需的核心关键技术为:新型多址接入技术(一种无线技术)、终端直接通信技术以及网络架构(属于网络技术)。
 
(笔者注:更多相关内容,可查阅上海情报服务平台新近发布的《NTT DOCOMO的5G(第五代移动通信)白皮书》专题、《美洲5G白皮书》专题、《全球移动通信协会的5G白皮书》专题、《日本电波产业协会的5G白皮书》专题。)
 
3)第五代移动通信系统重要的潜在候选技术
 
该白皮书的第3部分“5G Key Technologies”第二段(具体在原文第5页)指出:此外,5G重要的潜在无线关键技术包括:F-OFDM(笔者注:基于滤波的正交频分复用)、FBMC(笔者注:滤波器组多载波)、全双工、灵活双工、D2D(笔者注:终端直接通信)、Q-ary LDPC(笔者注:多元低密度奇偶检验)码、网络编码、极化码。.
 
4)小结
 
由此,我们可以再行总结,以使思路更为清晰:第五代移动通信系统所应具有的核心的关键技术等如表2所示:
 
2
 
未来5G的应用场景
核心关键技术
辅助技术
潜在无线关键技术
移动互联网
应用场景
连续的广域覆盖场景
1)大规模天线阵列技术;
2)网络技术。
1)新型多址接入技术。
1)基于滤波的正交频分复用F-OFDM;
2)滤波器组多载波FBMC;
3)全双工移动通信;
4)灵活双工;
5)终端直通D2D;
6)多元低密度奇偶检验码Q-ary LDPC;
7)网络编码;
8)极化码。
热点的高容量场景
1)超密集组网技术;
2)全频谱接入技术。
1)大规模天线阵列技术;
2)新型多址接入技术。
物联网
应用场景
低功耗的大连接场景
1)新型多址接入技术。
1)新型多址接入技术;
2)基于滤波的正交频分复用F-OFDM;
3)滤波器组多载波FBMC;
4)终端直接通信技术。
低时延的高可靠场景
1)新型多址接入技术;
2)终端直接通信技术;
3)网络技术。
1)更先进的调制编码;
2)更先进的重传机制。
(来源:笔者根据上文内容所进行的总结)
 
我们可以看出:既然有着如表2相关的相关技术目标/规划,那么,“目标/规划”也就意味着要去一步一步地实现,这就涉及到5G移动通信的技术路线问题了,具体如下文所述。
 
5)第五代移动通信系统的技术路线:2+1
 
带着上述第3)小节的疑问,我们来看看该白皮书在原文第5部分“5G Technology Roadmap”中对于第五代移动通信系统技术路线的阐述。编译并重组如下:
 
该白皮书认为,从技术特征、标准演进以及产业发展角度看来,5G存在两条技术路线以及1条重要的补充技术路线:
 
①4G后续演进的空口技术路线
 
4G后续演进的空口技术路线通过在现有4G框架的基础上引入增强型的新技术,在保证兼容性(笔者注:与4G)的同时实现现有系统性能的进一步提升,从而在一定程度上来满足5G的应用场景以及业务需求。
 
②新的空口技术路线
 
新的空口技术路线主要面向新兴的场景和新的物理频段进行全新的空口设计,其不考虑与4G框架的兼容,通过新的技术方案设计、并通过引入创新型技术来满足4G演进路线所无法满足的业务需求及挑战——特别是各种物联网场景以及高频段移动通信系统的需求。
 
③重要的补充技术路线
 
WLAN(无线局域网)已成为移动通信系统的重要补充,主要在热点地区提供移动数据分流/卸载功能(笔者注:可详细查阅上海情报服务平台新近发布的《Wi-Fi Calling综述》一文,链接为:http://www.istis.sh.cn/list/list.aspx?id=8590,以及即将发布的《Wi-Fi Calling与电信级运营级Wi-Fi网络的关系及互存》一文)。802.11ax(下一代WLAN)标准的制定工作已经于2014年初启动,预计将于2019年完成。
 
面向2020年及未来,下一代WLAN将与5G深度融合,共同为用户提供服务。
 
④全球5G技术路线的时间表
 
当前,制定全球统一的5G标准已成为移动通信业界的共同呼声,ITU(国际电信联盟)已启动了面向5G标准的研究工作,并明确了如图3所示的IMT-2020(5G)工作计划:2015年中将完成IMT-2020国际标准前期研究、2016年将开展5G技术性能需求和评估方法研究、2017年底启动5G候选方案征集、2020年底完成标准制定。
全球5G技术路线的时间表
(编译自IMT-20205GPG(推进组)于2015211日所发布的白皮书Whitepaper on 5G Concept
 
作为国际移动通信行业的主要标准组织,3GPP将承担5G国际标准技术内容的制定工作。3GPP 的R14阶段被业界认为是启动5G标准研究的最佳时机,R15阶段可启动5G标准工作项目,R16及以后将对5G标准进行完善以及增强。
 
3、小结
 
下面,我们对该白皮书对第五代移动通信系统5G的定义进行小结。该白皮书的第4部分“5G Concept”(具体在原文第10页)还给出了一幅图,编译如图4所示:
5G的定义
(编译自IMT-20205GPG(推进组)于2015211日所发布的白皮书Whitepaper on 5G Concept
 
(笔者注:图3总结得比较粗糙,更为详细与精确的总结,可查阅本文的表1以及表2。为了使大家进一步地理解该白皮书的精髓,笔者再对1G~4G的“标志性的关键能力指标”以及“核心的关键技术”进行总结,具体如表3所示:
 
3
 
代别
标志性的关键能力指标
核心的关键技术
1G
模拟制式的语音通话
频分多址接入FDMA
2G
1)数字制式的语音通话;
2)低速的移动数据接入。
时分多址接入TDMA
3G
多媒体数据业务接入,用户无线接入峰值速率最低可达2 Mbps,最高可达几十Mbps。
码分多址接入CDMA
4G
各种移动宽带数据业务接入,用户无线接入峰值速率最低可达100 Mbps,最高可达1 Gbps。
正交频分多址接入OFDMA
(来源:笔者总结)
 
对比表3与上文的表1、表2,我们可以看出,1G~4G的“标志性的关键能力指标”以及“核心的关键技术”相比于5G的“标志性的关键能力指标”以及“核心的关键技术”要单薄得多,这主要是由于5G的应用场景比1G~4G要丰富得多:①新增了物联网应用场景;②传统的移动互联网应用场景在未来的5G时代也将得到扩展以及增强。)
 
三、总结
 
为便于阅读和理解,再次对本文的行文思路进行总结,如图5所示:
本文的“脉络”
(来源:本图由笔者制作)
 
缩略语:
 
3GPP,Third Generation Partnership Project,第三代移动通信合作伙伴计划
5G,The Fifth Generation Mobile Communication System,第五代移动通信系统
CDMA,Code Division Multiple Access,码分多址接入
D2D,Device-to-Device,终端直接通信
FBMC,Filter Bank MultiCarrier,滤波器组多载波
FDMA,Frequency Division Multiple Access,频分多址接入
F-OFDM,Filtered-Orthogonal Frequency Multiplexing,基于滤波的正交频分复用
ITU,International Telecommunication Union,国际电信联盟
LDPC,Low Density Parity Check,低密度奇偶检验
MIMO,Multiple-Input Multiple-Output,多输入多输出
MUSA,Multi-User Shared Access,多用户共享接入
NOMA,Non-Orthogonal Multiple Access,非正交多址接入
OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用
OFDMA,Orthogonal Frequency Division Multiple Access,正交频分多址接入
PDMA,Pattern Division Multiple Access,图样分割多址接入
SCMA,Sparse Code Multiple Access,稀疏码分多址接入
TDMA,Time Division Multiple Access,时分多址接入
WLAN,Wireless Local Area Network,无线局域网络
 
参考文献
 
[1] IMT-2020(5G)PG. Whitepaper on 5G Concept. [R]
http://www.imt-2020.cn/en/documents/download/25. 2015-02-11.

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