国内5G研究进展

(一)我国与全球同步推进5G研发

率先成立5G推进组,全面推进5G研发。2013年2月由中国工业和信息化部联合国家发展和改革委员会和科学技术部先于其它国家成立了IMT-2020(5G)推进组(以下简称推进组),组织架构基于原IMT-Advanced推进组(如图4所示)。作为5G推进工作的平台,旨在推动国内自主研发的5G技术成为国际标准,并首次提出了我国要在5G标准制定中起到引领作用的宏伟目标。


图4 IMT-2020(5G)推进组的组织架构

当前,推进组集中国内主要力量,推动5G策略、需求、技术、频谱、标准、知识产权研究及国际合作,成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构等国内产学研用单位50多家。目前,推进组各项研究工作均已全面深入展开,并在5G需求、技术和频谱等方面取得了重要研究进展。

布局5G重大项目,支撑国内技术创新。在国家高技术研究发展计划(863计划)、国家科技重大专项以及国家自然科学基金等重大项目上,我国在近两年来投资上亿科研经费,用于5G研发工作。

(二)国内5G主要研究进展

目前,ITM-2020(5G)推进组已基本完成5G愿景与需求研究并发布了白皮书,初步完成5G潜在关键技术研究分析,提出5G概念和技术路线,并完成2020年我国移动通信频谱需求预测和6GHz以下候选频段研究。以下是主要观点归纳:

1. 面向2020年及未来的5G愿景与需求

移动互联网和物联网是5G发展的主要驱动力。面向2020年及未来,移动互联网将推动人类信息交互方式的再次升级,将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,将带来移动数据流量超千倍增长,推动5G技术和产业的新一轮变革。物联网将极大扩展5G的业务领域。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”,这将是引发新一轮科技革命和产业变革的核心基础,在对传统产业带来巨大变革的同时,将创造出规模空前的新兴产业。

5G将满足未来超千倍流量增长和超千亿设备联网需求。预计2010~2020年全球移动数据流量增长将超过200倍,2010~2030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2010~2020年将增长300倍以上,2010-2030年将增长超过4万倍。在联网设备数量方面,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,中国将超过20亿。2020年全球物联网设备连接数将接近全球人口规模,达到70亿(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(中国将超过200亿),全球各类联网设备总量将超过1千亿。

5G关键能力比4G约有10-100倍提升,用户体验速率可达1Gbps。为了满足2020年及未来业务需求,5G性能将会大幅提升,用户体验速率将达100Mbps~1Gbps,峰值传输速率可达数十Gbps,支持的连接数密度可达数1百万连接/平方公里,端到端时延低至毫秒级,流量密度可达数十Tbps/平方公里,支持500公里/小时以上高速移动下的用户体验。为了实现可持续发展,5G还需要大幅提高网络部署和运营效率。其中,频谱效率将比4G提高5-15倍,能源效率和成本效率也将提升百倍以上。目前,推进组提出的上述的5G关键能力,绝大部分被ITU采纳作为5G备选能力。

2. 5G概念与技术路线

传统的移动通信技术主要指蜂窝移动通信技术,而且主要强调无线技术,而5G应包含蜂窝移动通信技术、新一代无线局域网技术和网络技术。

5G技术创新将会出现在无线和网络两个层面。传统的移动通信升级换代都是以多址接入技术为主线,提升速率和频谱效率。例如,1G采用频分多址(FDMA)、2G时分多址(TDMA)、3G码分多址(CDMA),4G正交频分多址(OFDMA)。与传统方式不同的是,5G将不再以单一多址接入技术作为主要特征,内涵将更加宽泛,将会采用一组关键技术,如引入大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和高频段通信等新型无线技术,以及基于软件定义网络(SDN)和/或网络功能虚拟化(NFV)技术的新型网络架构,从而推动5G在无线和网络两个层面出现重大技术创新。

5G无线技术将沿着三条技术路线向前发展。5G无线技术存在新型空中接口技术、4G演进技术和下一代无线局域网三条技术路线。新型空中接口技术重点适应5G新场景及新频段需求进行全新设计,不考虑与4G的兼容性。4G演进技术主要面向宏覆盖和热点覆盖等传统蜂窝移动通信场景,将基于4G技术框架和传统蜂窝频段。下一代无线局域网是5G的重要补充,主要面向热点分流场景,将向更高传输速率、更高组网性能和可运营维护方向发展。上述三条技术路线将融合发展,关键技术可以相互借鉴。

5G网络技术将向着虚拟化、软件化、扁平化及以用户为中心的方向发展。面对未来超千倍流量增长、毫秒极端到端时延和超千亿设备连接的挑战,5G将通过引入NFV和SDN等虚拟化技术、推动网络软硬件解耦,控制与转发分离,使得基于软连接和软架构的新型网络成为可能,网络结构将更加扁平,业务内容将向用户进一步下沉,网络智能化、灵活度和可扩展性将大幅提升,各种接入技术之间将更紧密融合,并能够以用户为中心提供灵活可定制的差异化服务。

综合5G需求与技术趋势,推进组提出5G概念可由“标志性能力指标”和“一组关键技术”来定义。其中,标志性能力指标为Gbps用户体验速率,关键技术为大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、高频段通信和新型网络架构等。

3.5G频谱及候选频段

为满足2020年移动通信需求,我国存在663-1178MHz频谱缺口。推进组已完成2020年我国移动通信频谱需求预测,结果显示:2020年我国移动通信频谱需求总量为1350~1810MHz,目前我国已规划了687Mz移动通信频谱,因此还需要新增663~1178MHz频谱。需要注意的是,2020年只是5G起始时间,随着2020年之后业务量的不断提升,移动通信的频谱需求量还将继续增加。因此,到2030年我国移动通信频谱需求预测及候选频段研究已成为工作重点。

6GHz以下低频段是5G首选频段,高频段可作为后续补充。5G需要大量的新频谱资源,可通过两种方式获得:一是在2015年世界无线电通信大会(WRC)推动6GHz以下低频段划分;二是在2019年WRC大会及以后推动6GHz以上高频段划分。低频段传播特性好且资源稀缺,需要优先获取,我国已提出3300-3400MHz、4400-4500MHz和4800-4990MHz等候选频段;高频段传播特性差、资源丰富、可选余地大,可作为支撑5G发展的后续补充频段。特别是由于我国高频芯片和元器件产业能力薄弱,需加紧研发,尚不宜过早推动高频段划分。