5G终端业务发展趋势及技术挑战

周代卫 中国信息通信研究院泰尔终端实验室工程师

王正也 北京邮电大学信息通信学院通信与信息系统专业硕士研究生在读

周宇 中国信息通信研究院泰尔终端实验室高级工程师

孙向前 中国信息通信研究院泰尔终端实验室国际认证部主任，高级工程师

5G终端业务发展趋势及技术挑战

周代卫 中国信息通信研究院泰尔终端实验室工程师

王正也 北京邮电大学信息通信学院通信与信息系统专业硕士研究生在读

周宇 中国信息通信研究院泰尔终端实验室高级工程师

孙向前 中国信息通信研究院泰尔终端实验室国际认证部主任，高级工程师

2020年，5G通信将实现人与人、人与物、物与物之间的真正无缝连接，其网络技术发展趋势集中于高频段毫米波通信、超密集小区覆盖、终端直连D2D、同时同频全双工、大规模天线阵列、多天线接入方式协作、新型异构网络等方面。未来5G终端将主要应用于广阔的移动互联网和物联网领域。同时，5G终端将面临高速率、高可靠性、高密度通信、高移动性、低时延、低功耗、低成本、多元化终端形态和多种无线接入方式融合等技术的挑战。

5G终端 发展趋势 应用场景 技术挑战

1 引言

移动通信技术正朝着多元化、灵活化、融合化的方向迅猛发展，对网络技术和终端设备提出了更高更苛刻的要求，而应用场景也逐步从个人语音通信向移动互联网和物联网领域迅速渗透和延伸。同时，终端形态亦不再局限于手机等个人通信设备，丰富灵活的可穿戴设备、智能家居、计费计量仪表、工业控制产品等物联网设备应运而生。

本文结合当前移动通信发展现状和业务趋势，重点对未来5G业务应用从业务发展趋势、网络技术演进、终端应用场景和终端技术挑战4个方面展开了讨论与分析。

2 5G业务发展趋势

面向2020年及以后，未来的5G通信技术服务对象将由现行的个人向行业用户拓展和细分，其业务领域将不再局限于传统ICT行业，而是进一步渗透到其他行业，同时带来终端形态的多元化、融合化发展趋势，以及应用场景的网络化、智能化。而其业务核心将集中于为用户提供极致完美的用户体验上，并特别注重提供高速率、高可靠性、高密度、高移动性、低时延、低功耗、低成本、小型化、智能化和安全可靠的业务保障。同时，5G系统将通过多种无线接入技术的融合，汇聚多元化和融合化的终端形态，允许海量终端的接入，传输和处理多种类型的业务数据，并基于智能化和云计算技术提供一种高效、低耗、稳定、多元的融合通信解决方案。

未来5G通信技术将使信息突破时空限制，提供极佳的交互体验，为用户带来身临其境的信息盛宴；5G将拉近万物的距离，通过无缝融合的方式，便捷地实现人与万物的智能互联。5G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，智能优化的业务及用户感知；同时，将为网络带来超百倍的能效提升和比特成本降低，最终实现万物互联的总体愿景。

5G将在网络技术上吸收蜂窝通信网和无线局域网的优秀特性，形成一个更智能、灵活、集中化的覆盖全面的网络。其发展方向将以“人的体验”为中心，在终端、无线、网络、业务等领域进一步融合及创新。

3 5G网络技术演进

在网络技术方面，未来5G将通过更高的频谱效率、更多的频谱资源以及更密集的小区部署等措施，共同满足移动业务流量和用户密度爆炸性增长的需求。现有的4G网络只能满足未来5年的增长需求。5G通信技术相比4G，在网络容量方面，将实现单位面积移动数据流量增长1000倍；在传输速率方面，典型用户数据速率将提升10～100倍，峰值传输速率可达10Gbit/s（4G为100Mbit/s）；同时，端到端时延将缩短5～10倍，频谱效率将提升5～10倍，网络综合能效将提升1000倍。4G、5G网络关键指标对比情况见图1。

具体而言，目前讨论较多且有一定基础的5G备选技术方案有如下几种。

3.1 高频段毫米波通信mmWave

传统移动通信工作频段主要集中在3GHz以下，这使得相关频段上的频谱资源十分拥挤和分裂，而在高频段（如毫米波、厘米波频段）可用频谱资源丰富，能够有效缓解频谱资源紧张的现状，可以实现超高速短距离通信，从而满足5G数据容量和传输速率等方面的需求。

高频段毫米波通信在移动通信中的应用是未来的发展趋势，业界对此高度关注。足够高的可用带宽、小型化的天线和设备、较高的天线增益是高频段毫米波移动通信的主要优点。但是，它也存在着传输距离短、穿透和绕射能力差、容易受气候环境影响等缺点。同时，射频器件、抗干扰能力、系统设计等方面的问题也有待进一步研究和解决。

3.2 超密集小区覆盖

在用户密集的住宅区、大型写字楼、体育场、火车站等公共场所部署先进小小区，使得小区边界消失，获得小区分列增益。结合feICIC、中继、节点间协作、干扰识别和消除、无线回传等技术，能够有效改善网络覆盖、大幅度提升系统容量，并且对业务进行分流，具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用特点。

3.3 终端直连D2D

终端直连D2D是一种在系统的控制下，允许终端之间通过复用小区资源直接通信的新型技术，它能够增加蜂窝通信系统频谱效率，降低终端发射功率，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。由于短距离直接通信的信道质量高，D2D能够实现较高的数据速率、较低的时延和较低的功耗；通过广泛分布的终端，能够改善覆盖，实现频谱资源的高效利用；同时，其支持更灵活的网络架构和连接方法，能够提升链路灵活性和网络可靠性。

3.4 同时同频全双工CCFD

利用同时同频全双工技术在相同的频谱上通信的收发双方同时发射和接收信号，与传统的TDD和FDD双工方式相比，理论上可使空口频谱效率提高一倍。然而，接收和发送信号之间的功率差异非常大，会导致严重的自干扰，同时对射频器件的性能也提出了更高的要求。因此，实现全双工技术应用的首要问题是自干扰的抵消，而依靠多级干扰自消除技术能极大地解决此问题。

3.5 超大规模天线阵列

通过超大规模的天线阵列能够实现多用户空间正交，从而提升系统容量、减小干扰、增强系统覆盖、提高能效、弥补高频通信的不足。超大规模天线阵列技术是MIMO技术的扩展和延伸，其基本特征是在基站侧配置大规模的天线阵列（从几十至几千），利用空分多址SDMA原理，同时服务多个用户，提高系统增益和传输速率。此外，原来的2D天线阵列拓展成为3D天线阵列形成新的3D-MIMO技术，支持智能多用户波束赋形，减少用户间干扰，结合高频段毫米波技术，将进一步改善无线信号覆盖能力。

3.6 多种无线接入方式的协作

未来5G将不再是孤立的无线通信技术和系统，而是将多种无线接入技术，包括2G、3G、LTE/LTE-A、WLAN、WiMAX、Bluetooth、ZigBee等，融合到统一的体系架构中，重点研究多制式接入的融合、信令的转化和兼容、统一集中的调度管理和通用平台的云化构建。

3.7 新型异构网络

目前，LTE/LTE-A接入网采用扁平化网络架构，降低了网络的层级和复杂度，从而进一步减少了系统时延、降低了建网成本和维护难度。未来5G可能采用C-RAN接入网架构，这是基于集中化处理（Centralized Processing）、协作式无线电（Collaborative Radio）和实时云计算构架（Real-time Cloud Infrastructure）的绿色无线接入网构架（CleanSystem），其研究的内容包括C-RAN的架构和功能（如集中控制、基带池RRU接口定义）、基于C-RAN的更紧密协作（如基站簇、虚拟小区等）。

4 5G终端应用场景

随着网络技术的多元化融合发展，未来5G终端将广泛应用于人们居住生活、工作学习、休闲娱乐、社交互动等方方面面，其覆盖范围将包括住宅区、乡郊野外、办公场所、大型商业综合场所、公交地铁、高铁和高速公路等场景。某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，而这些也是5G系统将重点解决的问题。总体而言，未来5G终端将主要应用于业务广阔的移动互联网和物联网领域（见图2）。

4.1 移动互联网领域

移动互联网颠覆了传统移动通信业务模式，推动人类社会信息交互方式的进一步升级，可为用户提供增强现实、虚拟场景、超高清（3D）视频、移动云等更加身临其境的极致业务体验。移动互联网终端包括智能手机、平板电脑、电子书、MID等，其中占主要比例的是智能手机与平板电脑。未来5G网络下终端移动互联网应用将极大的丰富，并带来极佳的用户体验。其典型应用大致可分为：在线游戏、OTT消息、图片共享、视频分享、视频通话、云存储、在线阅读、在线流媒体、移动支付、虚拟现实等。

4.2 物联网领域

物联网扩展了移动通信的服务范围，不仅涉及个人用户，也使得移动通信技术渗透到更加广阔的行业领域。物联网业务类型丰富多样，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；而视频监控和移动医疗等业务对传输速率和可靠性提出了很高的要求；车联网和工业控制等业务则要求ms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。

5 5G终端技术挑战

随着移动互联网和物联网的兴起，终端不断向便携式、智能化、多元化方向发展，未来联网终端数量将呈爆发式增长，同时随着网络同云计算、大数据的融合，对终端数据处理和传输能力提出了更高要求，终端通过融合的接入技术进一步泛网化。对用户而言，友好的用户体验和应用的多样化成为服务类终端的核心竞争力，综合感知和交互将成为服务类终端的新特征；并且，低成本、低功耗、高稳定性将成为物联网等行业应用的重要指标。

无疑，这些趋势和演进将对5G终端技术带来严峻的挑战，并且直接影响到整个通信技术的普及速度和产业规模，也关系着最终用户的使用体验和活跃度。为了灵活应对上述挑战，未来的5G技术将从如下几个方面分别提出相应的解决方案。

5.1 高速率

在3GPP、IEEE等无线通信领域国际标准化组织最新的技术研究中，高阶MIMO、大规模天线阵列、毫米波和高阶调制方式等技术都已取得阶段性成果，它们在R12及后续版本的标准体系中被逐步引入并增强，共同起到提升用户速率的目的。

5.2 低时延

未来透过进一步扁平化的网络架构以及D2D直连等技术，并且采用光纤作为传输网提供高速数据传输，将进一步降低用户面和控制面的时延，达到ms级的性能要求。

5.3 低功耗

5G时代更多大屏智能终端的出现、手机芯片的多核多模化、主频的不断提高、终端体积的轻便化将对终端的耗电性能提出更高的要求。因此，需要采用新的芯片架构、屏幕显示技术、新型射频功放技术、高效能低复杂度算法等从多层面改善终端的功耗性能。例如：在屏幕省电技术上，通过增加屏幕白色像素并调整影响处理算法的方式在不提高背光的情况下提高屏幕亮度，而新的OLED等材质的引入，即使不使用背光板也可以使屏幕更加轻薄节能，同时色彩还原度还得到了极大的提升；在芯片方面，通过采用新的20nm，甚至10/14nm制程工艺，以及新版本RISC、动态变频异步多核、高效动态PMIC等技术达到节能降耗的目的。

5.4 高密度通信

超密集组网是解决未来5G系统容量需求的最主要手段，随着组网密度的增加、小区间距的减小，小区间干扰也将越来越严重，用户终端设备在移动过程中切换也将更加频繁。而采用小区间干扰协调与抑制、控制面与用户面分离、无线中继等技术能有效缓解超密集网络部署所面临的问题。

5.5 高移动性

未来5G关键性能之一的移动性可达500km/h，这一速度基本涵盖了通常情况下用户所能达到的速度极限，因而对网络和终端技术将提出不小的考验。而通过优化的站点部署、异频组网、优化的天线波束赋形方案、小区增强技术和双连接等技术将有效地保障用户在高速移动场景下的快速重选与无缝切换，为用户提供统一可靠的使用体验。

5.6 多元化终端形态

随着移动互联网和物联网的快速发展，终端设备在形态方面将呈现多样化的趋势。除手机、平板电脑、超级本等个人通信设备，可穿戴设备方面出现了智能手环、智能眼镜、腕表、跑鞋等，智能家居领域出现了智能机顶盒、智能家电、智能开关等新颖终端，车联网、工业控制、安防监控、医疗教育等领域出现了各式各样的终端设备，并成为接入移动互联网的重要入口。互联网时代的用户长尾化需求、移动互联网时代的用户碎片化需求，将在终端设备形态上得到充分体现。

5.7 多种无线接入方式的融合

随着多种无线通信技术的发展及网络感知技术的成熟，未来移动终端将能够感知和检测所处的网络环境，并通过自适应调整以最佳匹配网络配置，智能地适应环境的变化，同时还具备从变化中学习的能力，且能把它们用到未来的决策中，实现蓝牙、ZigBee、NFC、WLAN和2/3G/LTE等多制式、多连接方式的无缝融合和衔接。未来用户将不需人为干预和配置，终端即可以自动决策，并获得最优的端对端性能。

6 结束语

移动互联网和物联网的强劲发展，推动着面向2020年及以后的5G通信技术的不断探索和发展。通过高频段毫米波通信、超密集小区覆盖、终端直连D2D、同时同频全双工、大规模天线阵列、多天线接入方式协作、新型异构网络等演进技术的有机结合，将逐步实现并完善5G系统。与此同时，5G终端亦将面临着高速率、高可靠性、高密度通信、高移动性、低时延、低功耗、低成本、多元化终端形态和多种无线接入方式融合等方面的严峻挑战。未来的5G网络将在现有技术基础上，更多关注技术融合和用户体验，并不断借鉴和吸纳其他无线接入技术、IT技术的成果，真正实现智能融合的ICT移动通信网络大平台的理念，构建一个开放共融的生态系统。

1 IMT-2020(5G)推进组——5G愿景与需求白皮书.http:// www.imt-2020.org.cn/zh.2014,5

2 大唐电信科技产业集团.演进、融合与创新5G白皮书. 2013,12

3 窦笠.5G愿景和需求.电信技术.2013,12

4 王志勤.5G业务需求分析及技术标准进程.中兴通讯技术. 2014,2

5 高芳.全球5G发展现状概览.全球科技经济瞭望.2014,7

5G Terminal Business Development Trend and Technical Challenge

In 2020 or beyond,5G communications will seamlessly connect people and people,people and things,things and things.The development trends of 5G network technologies are mainly focused on the high-frequency mmwave, super-density cell coverage,Device to Device(D2D),Co-frequency Co-time Full Duplex(CCFD),large-scale antenna array,integration of multiple wireless access,new heterogeneous network and etc.The usages of 5G communications are generally in mobile Internet and IoT fields.Meanwhile the 5G terminals will face the serious challenges such as high data rate,high reliability,high user density,high mobility,low transmission latency,low power consumption,low cost, multiple terminal forms,integration of multiple wireless access technologies and so on.

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2014-11-18）