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面向2020年及未來的5G愿景與需求
來源:站內    發表日期:2014-08-14  [返回]

    第五代移動通信(5G)研究工作已在全球范圍啟動。國際電聯(ITU)已啟動IMT.Vision建議書研究,組織全球業界研究定義5G愿景與需求。在我國,IMT-2020(5G)推進組組織國內產學研用主要單位,初步完成了5G愿景與需求研究工作。本文將從市場、業務、用戶、場景、關鍵能力等方面來介紹推進組在5G愿景與需求方面的主要觀點。
   一、移動互聯網和物聯網為5G提供廣闊發展空間
    移動互聯網顛覆了傳統移動通信業務模式,為用戶提供前所未有的使用體驗,深刻影響著人們工作生活的方方面面。面向2020年及未來,移動互聯網將推動人類社會信息交互方式的進一步升級,為用戶提供增強現實、虛擬現實、超高清(3D)視頻、移動云等更加身臨其境的極致業務體驗。移動互聯網的進一步發展將帶來未來移動流量超千倍增長,推動移動通信技術和產業的新一輪變革。
    物聯網擴展了移動通信的服務范圍,從人與人通信延伸到物與物、人與物智能互聯,使移動通信技術滲透至更加廣闊的行業和領域。面向2020年及未來,移動醫療、車聯網、智能家居、工業控制、環境監測等將會推動物聯網應用爆發式增長,數以千億的設備將接入網絡,實現真正的“萬物互聯”,并締造出規??涨暗男屡d產業,為移動通信帶來無限生機。同時,海量的設備連接和多樣化的物聯網業務也會給移動通信帶來新的技術挑戰。
    面向2020年及未來,移動數據流量將出現爆炸式增長。預計2010年到2020年全球移動數據流量增長將超過200倍,2010年到2030年將增長近2萬倍;中國的移動數據流量增速高于全球平均水平,預計2010年到2020年將增長300倍以上,2010年到2030年將增長超4萬倍。發達城市及熱點地區的移動數據流量增速更快,2010年到2020年上海的增長率可達600倍,北京熱點區域的增長率可達1000倍。


圖1 2010-2030年全球和中國移動數據流量增長趨勢(單位:倍)

    未來全球移動通信網絡連接的設備總量將達到千億規模。預計到2020年,全球移動終端(不含物聯網設備)數量將超過100億,其中中國將超過20億。全球物聯網設備連接數也將快速增長,2020年將接近全球人口規模達到70億,其中中國將接近15億。到2030年,全球物聯網設備連接數將接近1千億,其中中國超過200億。在各類終端中,智能手機對流量貢獻最大。


圖2 2010-2030年全球和中國移動終端及物聯網連接數增長趨勢

    二、5G面臨未來多樣化的極致性能需求
    移動互聯網主要面向以人為主體的通信,注重提供更好的用戶體驗。面向2020年及未來,超高清、3D和浸入式視頻的流行將會驅動數據速率大幅提升,例如8K(3D)視頻經過百倍壓縮之后傳輸速率仍需要大約1Gbps。增強現實、云桌面、在線游戲等業務,不僅對上下行數據傳輸速率提出挑戰,同時也對時延提出了“無感知”的苛刻要求。未來大量的個人和辦公數據將會存儲在云端,海量實時的數據交互需要可媲美光纖的傳輸速率,并且會在熱點區域對移動通信網絡造成流量壓力。社交網絡等OTT(Over-The-Top)業務將會成為未來主導應用之一,小數據包頻發將造成信令資源的大量消耗。
    物聯網主要面向物與物、人與物的通信,不僅涉及普通個人用戶,也涵蓋了大量不同類型的行業用戶。物聯網業務類型非常豐富多樣,業務特征也差異巨大。對于智能家居、智能電網、環境監測、智能農業和智能抄表等業務,需要網絡支持海量設備連接和大量小數據包頻發;視頻監控和移動醫療等業務對傳輸速率提出了很高的要求;車聯網和工業控制等業務則要求毫秒級的時延和接近100%的可靠性。另外,大量物聯網設備會部署在山區、森林、水域等偏遠地區以及室內角落、地下室、隧道等信號難以到達的區域,因此要求移動通信網絡的覆蓋能力進一步增強。為了滲透到更多的物聯網業務中,5G應具備更強的靈活性和可擴展性,以適應海量的設備連接和多樣化的用戶需求。
    無論是對于移動互聯網還是物聯網,用戶在不斷追求高質量業務體驗的同時也在期望成本的下降。同時,5G需要提供更高和更多層次的安全機制,不僅能夠滿足互聯網金融、安防監控、安全駕駛、移動醫療等的極高安全要求,也能夠為大量低成本物聯網業務提供安全解決方案。此外,5G應能夠支持更低功耗,以實現更加綠色環保的移動通信網絡,并大幅提升終端電池續航時間,尤其對于一些物聯網設備。
   5G將應用于未來人們居住、工作、休閑和交通等各種區域,用戶希望能在密集住宅區、辦公室、體育場、露天集會、地鐵、快速路、高鐵和廣域覆蓋等場景獲得一致的業務體驗。這些場景具有超高流量密度、超高連接數密度、超高移動性等特征,可能對5G系統構成更加嚴峻的挑戰。
    三、5G需要滿足可持續發展要求
    現有移動通信網絡在應對未來移動互聯網和物聯網爆發式發展時,可能會面臨一系列問題:能耗、每比特綜合成本、部署和維護的復雜度難以高效應對未來千倍業務流量增長和海量設備連接;多制式網絡共存造成了復雜度的增長和用戶體驗下降;現網在精確監控網絡資源和有效感知業務特性方面的能力不足,無法智能地滿足未來用戶和業務需求多樣化的趨勢;無線頻譜從低頻到高頻跨度很大,且分布碎片化,干擾復雜。
    為應對這些問題,需從如下兩方面提升5G系統能力,以實現可持續發展:
    在網絡建設和部署方面,5G需要提供更高網絡容量和更好覆蓋,同時降低網絡部署、尤其是超密集網絡部署的復雜度和成本;5G需要具備靈活可擴展的網絡架構以適應用戶和業務的多樣化需求;5G需要靈活高效地利用各類頻譜,包括對稱和非對稱頻段、重用頻譜和新頻譜、低頻段和高頻段、授權和非授權頻段等;另外,5G需要具備更強的設備連接能力來應對海量物聯網設備的接入。
    在運營維護方面,5G需要改善網絡能效和比特運維成本,以應對未來數據迅猛增長和各類業務應用的多樣化需求;5G需要降低多制式共存、網絡升級以及新功能引入等帶來的復雜度,以提升用戶體驗;5G需要支持網絡對用戶行為和業務內容的智能感知并作出智能優化;同時,5G需要能提供多樣化的網絡安全解決方案,以滿足各類移動互聯網和物聯網設備及業務的需求。
    四、性能與效率需求共同定義了5G關鍵能力
    5G關鍵性能指標主要包括用戶體驗速率、連接數密度、端到端時延、流量密度、移動性和用戶峰值速率。在5G典型場景中,考慮增強現實、虛擬現實、超高清視頻、云存儲、車聯網、智能家居、OTT消息等5G典型業務,并結合各場景未來可能的用戶分布、各類業務占比及對速率、時延等的要求,可以得到各個應用場景下的5G性能需求:
    用戶體驗速率:0.1~1Gbps 連接數密度:1百萬連接/平方公里端到端時延:毫秒級流量密度:數十Tbps/平方公里移動性:500Km/小時以上峰值速率:數十Gbps 其中,用戶體驗速率、連接數密度和時延為5G最基本的三個性能指標。
    為了實現可持續發展,5G還需要大幅提高網絡部署和運營的效率,特別是在頻譜效率、能源效率和成本效率方面需要比4G有顯著提升。從未來最具挑戰場景的流量需求出發,結合5G可用的頻譜資源和可能的部署方式,經測算得到5G系統的頻譜效率大約需要提高5~15倍。從我國移動數據流量的增長趨勢出發,綜合考慮國家節能減排規劃和運營商預期投資額增長情況,預計5G系統的能源效率和成本效率也需有百倍以上的提升。
    總而言之,性能需求和效率需求共同定義了5G的關鍵能力,猶如一株綻放的鮮花。紅花綠葉,相輔相成,花瓣代表了5G的六大性能指標,體現了5G滿足未來多樣化業務與場景需求的能力,其中花瓣頂點代表了相應指標的最大值;綠葉代表了三個效率指標,是實現5G可持續發展的基本保障。


圖 5G關鍵能力

    五、面向2020年及未來的5G總體愿景
    5G將以可持續發展的方式,滿足未來超千倍的移動數據增長需求,將為用戶提供光纖般的接入速率,“零”時延的使用體驗,千億設備的連接能力,超高流量密度、超高連接數密度和超高移動性等多場景的一致服務,業務及用戶感知的智能優化,同時將為網絡帶來超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低,并最終實現“信息隨心至,萬物觸手及”的5G愿景。

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