全球5G研究动态和标准进展

陈晓贝，魏克军

（中国信息通信研究院通信标准研究所 北京100191）

1 引言

移动通信自诞生以来，经过30多年的爆炸式发展，已经成为连接人类社会的基础信息网络。随着4G进入规模商用，5G移动通信的研发工作已经全面启动。国际电信联盟（ITU）从2012年开始组织全球业界开展5G愿景、未来技术趋势和频谱等5G国际标准化的前期研究，主要国家和企业加大投入并快速推动5G研发工作；3GPP也于近期讨论并形成了初步的5G研究工作计划。在我国，IMT（International Mobile Telecommunication）-2020（5G)推 进 组对5G需求、主要场景和关键技术进行了深入研究，归纳了5G关键特征，提出了5G概念。本文将重点对国内外5G总体进展及趋势进行介绍。

2 国际5G研究进展

作为通信领域最权威的国际标准化组织，ITU通过开展5G需求愿景、技术趋势和频谱方案的研究，主导了全球5G研究和标准化的工作节奏，并将以5G愿景等阶段性研究成果为基础，研讨相应的5G候选方案技术要求，开展5G候选技术方案评估工作，以指导3GPP等国际主流标准组织的5G关键技术研究。

当前ITU启动的新一轮IMT.Vision（IMT愿景）研究工作，旨在研究面向2020年及未来的IMT市场、用户、业务和应用趋势，并将结合技术和频谱情况趋势，提出未来IMT系统的总体框架、目标、能力以及后续研究方向和工作建议。历经两年的研究，ITU的5G愿景主体研究工作已基本完成，全面研讨了下一代IMT系统的业务趋势、关键能力和系统特征，推动了业界逐渐对5G系统的框架和核心能力达成共识。

在典型业务和应用方面，5G将在大幅提升“以人为中心”的移动互联网业务使用体验的同时，全面支持“以物为中心”的物联网业务，实现人与人、人与物和物与物之间的智能互联，并在系统设计的初始阶段进行充分考虑。在关键指标方面，除4G已包含的时延、峰值速率、移动性和频谱效率等指标外，ITU还提出了用户体验速率、连接数密度、流量密度和能效等5G新增关键能力，以更好地满足新场景和新业务的需求，并在后续阶段开展新增指标的评估方法研究工作。在能力特征图方面，除展示5G系统各项关键能力的提升外，还将重点体现5G对不同业务和场景差异化需求的支持，为用户提供更好的体验并实现资源的最优化配置。

随着5G标准前期的研究工作逐渐进入尾声，ITU近期确定并对外发布了IMT-2020工作计划，如图1所示：将于2016年初启动5G技术性能需求和评估方法的研究工作，2017年底正式启动5G候选技术方案征集工作，2020年底完成标准制定工作。

作为国际主流移动通信标准组织，3GPP也于近期启动了5G议题讨论。2015年2月，业务需求（SA1）工作组启动了未来新业务需求研究；2015年3月，无线接入网（RAN）工作组启动了5G工作计划讨论，并计划在9月召开5G研讨会，2015年底将启动5G接入网需求、信道模型等前期研究工作。预计正式的5G标准研究项目（SI）将于3GPP R14阶段启动，5G标准工作项目（WI）将于R15阶段启动，R16阶段及以后将对5G标准进行完善增强。

此外，作为全球运营商凝聚共识的主要平台之一，NGMN（Next Generation Mobile Network）也 于2015年3月发布了5G白皮书。主要观点包括：5G应支持更广泛的业务和应用，且应不限于空口技术的演进或革命，而是整个端到端系统的演变，很可能是多种无线接入技术的融合。在关键能力方面，5G应支持0.1～1 Gbit/s的用户体验速率和数十Gbit/s的峰值速率、1×107/km2的连接数密度、毫秒级的端到端时延和500 km/h以上的移动性。此外，5G将为未来商业应用提供良好的端到端生态系统，且将继续强化运营商在身份认证、数据安全、隐私保护、网络可靠性等方面的优势，特别是用户身份信息和相关鉴权数据要安全地存储在运营商可管控的物理实体上。NGMN的研究全面分析了5G的关键业务、应用场景和技术要求，并从运营商的角度提出了5G系统的需求，相关成果将输入ITU和3GPP等主要标准组织，作为后续研讨5G技术方案和候选方案评估要求的重要依据。

图1 ITU 5G工作时间表

欧盟启动了“2020年信息社会的使能移动与无线通信（mobile and wireless communications enablers for twentytwenty information society，METIS）”科研项目，开展5G应用场景、技术需求、关键技术、系统设计、性能评估等方面的研究和测试样机开发验证。作为5G研发初始阶段的重要项目，METIS的研究成果集中体现了欧盟各国在5G方面的重要观点。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。随后，欧盟还启动了规模更大的科研项目5G-PPP（Public Private Partnership），并将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，5G PPP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。

3 国内5G研究进展

为推动5G研发，我国工业和信息化部（以下简称工信部）、发展和改革委员会（以下简称发改委）和科学技术部在2013年2月联合成立了IMT-2020(5G)推进组（以下简称推进组），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。

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。目前，相关成果已包含在推进组于2014年5月面向全球发布的《5G愿景与需求白皮书》中，主要观点已在主流国家和公司间取得高度共识。

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，如图2所示。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。

图2 5G典型技术场景

图3 5G概念

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。

4 结束语

当前，全球业界逐渐对5G系统特征达成了共识：5G系统将更好地满足多样化的业务需求并适用于多种场景，并在4G系统能力的基础上大幅度提升，为用户提供更好的体验并实现资源的最优化配置。ITU和3GPP等主流国际标准组织也已基本明确了5G工作时间表，并将于2015-2020年分阶段开展5G国际标准制定工作。

综合5G关键能力与核心技术，我国推进组提出5G概念可由“标志性能力指标”和“一组关键技术”来共同定义。5G概念如图3所示，其中，标志性能力指标为“Gbit/s用户体验速率”，一组关键技术包括大规模天线、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。

全球业界将基于5G愿景需求研究阶段达成的共识，结合ITU和3GPP的5G工作时间表，大力推动5G技术、标准及后续产业发展，合力推动5G迈向成功。

1 ITU.Document WP5D/TEMP/548(Rev.3).IMT愿景报告建议书，2015 ITU.Document WP5D/TEMP/548(Rev.3).Preliminary Draft New Recommendation ITU-R M.[IMT Vision]，2015

2 IMT-2020（5G）推进组.5G愿景与需求白皮书，2014 IMT-2020(5G)Promotion Group.White Paper on 5G Vision and Requirement，2014

3 IMT-2020（5G）推进组.5G概念白皮书，2015 IMT-2020(5G)Promotion Group.White Paper on 5G Concept，2015

4 METIS.研究报告D1.1.5G移动通信和无线系统场景、需求和关键能力指标，2013 METIS,Deliverable D1.1.Scenarios,Requirements and KPI for 5G Mobile and Wireless System，2013