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面向2020年及未来的5G愿景与需求

发布时间:2014-08-04  来源:电信研究院  
  第五代移动通信(5G)研究工作已在全球范围启动。国际电联(ITU)已启动IMT.Vision建议书研究,组织全球业界研究定义5G愿景与需求。在我国,IMT-2020(5G)推进组组织国内产学研用主要单位,初步完成了5G愿景与需求研究工作。本文将从市场、业务、用户、场景、关键能力等方面来介绍推进组在5G愿景与需求方面的主要观点。

  一、移动互联网和物联网为5G提供广阔发展空间

  移动互联网颠覆了传统移动通信业务模式,为用户提供前所未有的使用体验,深刻影响着人们工作生活的方方面面。面向2020年及未来,移动互联网将推动人类社会信息交互方式的进一步升级,为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清(3D)视频、移动云等更加身临其境的极致业务体验。移动互联网的进一步发展将带来未来移动流量超千倍增长,推动移动通信技术和产业的新一轮变革。

  物联网扩展了移动通信的服务范围,从人与人通信延伸到物与物、人与物智能互联,使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域。面向2020年及未来,移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等将会推动物联网应用爆发式增长,数以千亿的设备将接入网络,实现真正的“万物互联”,并缔造出规模空前的新兴产业,为移动通信带来无限生机。同时,海量的设备连接和多样化的物联网业务也会给移动通信带来新的技术挑战。

  面向2020年及未来,移动数据流量将出现爆炸式增长。预计2010年到2020年全球移动数据流量增长将超过200倍,2010年到2030年将增长近2万倍;中国的移动数据流量增速高于全球平均水平,预计2010年到2020年将增长300倍以上,2010年到2030年将增长超4万倍。发达城市及热点地区的移动数据流量增速更快,2010年到2020年上海的增长率可达600倍,北京热点区域的增长率可达1000倍。

  

    图1 2010-2030年全球和中国移动数据流量增长趋势(单位:倍)

  未来全球移动通信网络连接的设备总量将达到千亿规模。预计到2020年,全球移动终端(不含物联网设备)数量将超过100亿,其中中国将超过20亿。全球物联网设备连接数也将快速增长,2020年将接近全球人口规模达到70亿,其中中国将接近15亿。到2030年,全球物联网设备连接数将接近1千亿,其中中国超过200亿。在各类终端中,智能手机对流量贡献最大。

  

  图2 2010-2030年全球和中国移动终端及物联网连接数增长趋势

  二、5G面临未来多样化的极致性能需求

  移动互联网主要面向以人为主体的通信,注重提供更好的用户体验。面向2020年及未来,超高清、3D和浸入式视频的流行将会驱动数据速率大幅提升,例如8K(3D)视频经过百倍压缩之后传输速率仍需要大约1Gbps。增强现实、云桌面、在线游戏等业务,不仅对上下行数据传输速率提出挑战,同时也对时延提出了“无感知”的苛刻要求。未来大量的个人和办公数据将会存储在云端,海量实时的数据交互需要可媲美光纤的传输速率,并且会在热点区域对移动通信网络造成流量压力。社交网络等OTT(Over-The-Top)业务将会成为未来主导应用之一,小数据包频发将造成信令资源的大量消耗。

  物联网主要面向物与物、人与物的通信,不仅涉及普通个人用户,也涵盖了大量不同类型的行业用户。物联网业务类型非常丰富多样,业务特征也差异巨大。对于智能家居、智能电网、环境监测、智能农业和智能抄表等业务,需要网络支持海量设备连接和大量小数据包频发;视频监控和移动医疗等业务对传输速率提出了很高的要求;车联网和工业控制等业务则要求毫秒级的时延和接近100%的可靠性。另外,大量物联网设备会部署在山区、森林、水域等偏远地区以及室内角落、地下室、隧道等信号难以到达的区域,因此要求移动通信网络的覆盖能力进一步增强。为了渗透到更多的物联网业务中,5G应具备更强的灵活性和可扩展性,以适应海量的设备连接和多样化的用户需求。

  无论是对于移动互联网还是物联网,用户在不断追求高质量业务体验的同时也在期望成本的下降。同时,5G需要提供更高和更多层次的安全机制,不仅能够满足互联网金融、安防监控、安全驾驶、移动医疗等的极高安全要求,也能够为大量低成本物联网业务提供安全解决方案。此外,5G应能够支持更低功耗,以实现更加绿色环保的移动通信网络,并大幅提升终端电池续航时间,尤其对于一些物联网设备。

  5G将应用于未来人们居住、工作、休闲和交通等各种区域,用户希望能在密集住宅区、办公室、体育场、露天集会、地铁、快速路、高铁和广域覆盖等场景获得一致的业务体验。这些场景具有超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性等特征,可能对5G系统构成更加严峻的挑战。

  三、5G需要满足可持续发展要求

  现有移动通信网络在应对未来移动互联网和物联网爆发式发展时,可能会面临一系列问题:能耗、每比特综合成本、部署和维护的复杂度难以高效应对未来千倍业务流量增长和海量设备连接;多制式网络共存造成了复杂度的增长和用户体验下降;现网在精确监控网络资源和有效感知业务特性方面的能力不足,无法智能地满足未来用户和业务需求多样化的趋势;无线频谱从低频到高频跨度很大,且分布碎片化,干扰复杂。

  为应对这些问题,需从如下两方面提升5G系统能力,以实现可持续发展:

  在网络建设和部署方面,5G需要提供更高网络容量和更好覆盖,同时降低网络部署、尤其是超密集网络部署的复杂度和成本;5G需要具备灵活可扩展的网络架构以适应用户和业务的多样化需求;5G需要灵活高效地利用各类频谱,包括对称和非对称频段、重用频谱和新频谱、低频段和高频段、授权和非授权频段等;另外,5G需要具备更强的设备连接能力来应对海量物联网设备的接入。

  在运营维护方面,5G需要改善网络能效和比特运维成本,以应对未来数据迅猛增长和各类业务应用的多样化需求;5G需要降低多制式共存、网络升级以及新功能引入等带来的复杂度,以提升用户体验;5G需要支持网络对用户行为和业务内容的智能感知并作出智能优化;同时,5G需要能提供多样化的网络安全解决方案,以满足各类移动互联网和物联网设备及业务的需求。

  四、性能与效率需求共同定义了5G关键能力

  5G关键性能指标主要包括用户体验速率、连接数密度、端到端时延、流量密度、移动性和用户峰值速率。在5G典型场景中,考虑增强现实、虚拟现实、超高清视频、云存储、车联网、智能家居、OTT消息等5G典型业务,并结合各场景未来可能的用户分布、各类业务占比及对速率、时延等的要求,可以得到各个应用场景下的5G性能需求:

  • 用户体验速率:0.1~1Gbps
  • 连接数密度:1百万连接/平方公里
  • 端到端时延:毫秒级
  • 流量密度:数十Tbps/平方公里
  • 移动性:500Km/小时以上
  • 峰值速率:数十Gbps

  其中,用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的三个性能指标。

  为了实现可持续发展,5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率,特别是在频谱效率、能源效率和成本效率方面需要比4G有显著提升。从未来最具挑战场景的流量需求出发,结合5G可用的频谱资源和可能的部署方式,经测算得到5G系统的频谱效率大约需要提高5~15倍。从我国移动数据流量的增长趋势出发,综合考虑国家节能减排规划和运营商预期投资额增长情况,预计5G系统的能源效率和成本效率也需有百倍以上的提升。

  总而言之,性能需求和效率需求共同定义了5G的关键能力,犹如一株绽放的鲜花。红花绿叶,相辅相成,花瓣代表了5G的六大性能指标,体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力,其中花瓣顶点代表了相应指标的最大值;绿叶代表了三个效率指标,是实现5G可持续发展的基本保障。

  图  5G关键能力

  

  五、面向2020年及未来的5G总体愿景

  5G将以可持续发展的方式,满足未来超千倍的移动数据增长需求,将为用户提供光纤般的接入速率,“零”时延的使用体验,千亿设备的连接能力,超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务,业务及用户感知的智能优化,同时将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低,并最终实现“信息随心至,万物触手及”的5G愿景。

  参考文献

  [1] IMT-2020(5G)推进组5G愿景与需求白皮书

  作者简介:陈晓贝,毕业于美国威斯康星大学麦迪逊分校,现为工信部电信研究院通信标准所工程师,长期从事无线移动通信和网络技术领域的新技术研究和国际标准化工作,做为代表参加3GPP RAN子组会议,提交数十篇文稿并有多篇文稿被接纳。目前主要负责5G需求愿景、技术研究和国际标准化等方面的相关工作。