周代衛(wèi) 中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師

王正也 北京郵電大學(xué)信息通信學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專業(yè)碩士研究生在讀

周宇 中國信息通信研究院泰爾終端實驗室高級工程師

孫向前 中國信息通信研究院泰爾終端實驗室國際認(rèn)證部主任，高級工程師

5G終端業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢及技術(shù)挑戰(zhàn)

周代衛(wèi) 中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師

王正也 北京郵電大學(xué)信息通信學(xué)院通信與信息系統(tǒng)專業(yè)碩士研究生在讀

周宇 中國信息通信研究院泰爾終端實驗室高級工程師

孫向前 中國信息通信研究院泰爾終端實驗室國際認(rèn)證部主任，高級工程師

2020年，5G通信將實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的真正無縫連接，其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展趨勢集中于高頻段毫米波通信、超密集小區(qū)覆蓋、終端直連D2D、同時同頻全雙工、大規(guī)模天線陣列、多天線接入方式協(xié)作、新型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等方面。未來5G終端將主要應(yīng)用于廣闊的移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。同時，5G終端將面臨高速率、高可靠性、高密度通信、高移動性、低時延、低功耗、低成本、多元化終端形態(tài)和多種無線接入方式融合等技術(shù)的挑戰(zhàn)。

5G終端 發(fā)展趨勢 應(yīng)用場景 技術(shù)挑戰(zhàn)

1 引言

移動通信技術(shù)正朝著多元化、靈活化、融合化的方向迅猛發(fā)展，對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和終端設(shè)備提出了更高更苛刻的要求，而應(yīng)用場景也逐步從個人語音通信向移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域迅速滲透和延伸。同時，終端形態(tài)亦不再局限于手機等個人通信設(shè)備，豐富靈活的可穿戴設(shè)備、智能家居、計費計量儀表、工業(yè)控制產(chǎn)品等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)運而生。

本文結(jié)合當(dāng)前移動通信發(fā)展現(xiàn)狀和業(yè)務(wù)趨勢，重點對未來5G業(yè)務(wù)應(yīng)用從業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進、終端應(yīng)用場景和終端技術(shù)挑戰(zhàn)4個方面展開了討論與分析。

2 5G業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢

面向2020年及以后，未來的5G通信技術(shù)服務(wù)對象將由現(xiàn)行的個人向行業(yè)用戶拓展和細(xì)分，其業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)⒉辉倬窒抻趥鹘y(tǒng)ICT行業(yè)，而是進一步滲透到其他行業(yè)，同時帶來終端形態(tài)的多元化、融合化發(fā)展趨勢，以及應(yīng)用場景的網(wǎng)絡(luò)化、智能化。而其業(yè)務(wù)核心將集中于為用戶提供極致完美的用戶體驗上，并特別注重提供高速率、高可靠性、高密度、高移動性、低時延、低功耗、低成本、小型化、智能化和安全可靠的業(yè)務(wù)保障。同時，5G系統(tǒng)將通過多種無線接入技術(shù)的融合，匯聚多元化和融合化的終端形態(tài)，允許海量終端的接入，傳輸和處理多種類型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并基于智能化和云計算技術(shù)提供一種高效、低耗、穩(wěn)定、多元的融合通信解決方案。

未來5G通信技術(shù)將使信息突破時空限制，提供極佳的交互體驗，為用戶帶來身臨其境的信息盛宴；5G將拉近萬物的距離，通過無縫融合的方式，便捷地實現(xiàn)人與萬物的智能互聯(lián)。5G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(shè)備的連接能力，超高流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動性等多場景的一致服務(wù)，智能優(yōu)化的業(yè)務(wù)及用戶感知；同時，將為網(wǎng)絡(luò)帶來超百倍的能效提升和比特成本降低，最終實現(xiàn)萬物互聯(lián)的總體愿景。

5G將在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上吸收蜂窩通信網(wǎng)和無線局域網(wǎng)的優(yōu)秀特性，形成一個更智能、靈活、集中化的覆蓋全面的網(wǎng)絡(luò)。其發(fā)展方向?qū)⒁浴叭说捏w驗”為中心，在終端、無線、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)等領(lǐng)域進一步融合及創(chuàng)新。

3 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面，未來5G將通過更高的頻譜效率、更多的頻譜資源以及更密集的小區(qū)部署等措施，共同滿足移動業(yè)務(wù)流量和用戶密度爆炸性增長的需求?，F(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)只能滿足未來5年的增長需求。5G通信技術(shù)相比4G，在網(wǎng)絡(luò)容量方面，將實現(xiàn)單位面積移動數(shù)據(jù)流量增長1000倍；在傳輸速率方面，典型用戶數(shù)據(jù)速率將提升10～100倍，峰值傳輸速率可達10Gbit/s（4G為100Mbit/s）；同時，端到端時延將縮短5～10倍，頻譜效率將提升5～10倍，網(wǎng)絡(luò)綜合能效將提升1000倍。4G、5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標(biāo)對比情況見圖1。

具體而言，目前討論較多且有一定基礎(chǔ)的5G備選技術(shù)方案有如下幾種。

3.1 高頻段毫米波通信mmWave

傳統(tǒng)移動通信工作頻段主要集中在3GHz以下，這使得相關(guān)頻段上的頻譜資源十分擁擠和分裂，而在高頻段（如毫米波、厘米波頻段）可用頻譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀，可以實現(xiàn)超高速短距離通信，從而滿足5G數(shù)據(jù)容量和傳輸速率等方面的需求。

高頻段毫米波通信在移動通信中的應(yīng)用是未來的發(fā)展趨勢，業(yè)界對此高度關(guān)注。足夠高的可用帶寬、小型化的天線和設(shè)備、較高的天線增益是高頻段毫米波移動通信的主要優(yōu)點。但是，它也存在著傳輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環(huán)境影響等缺點。同時，射頻器件、抗干擾能力、系統(tǒng)設(shè)計等方面的問題也有待進一步研究和解決。

3.2 超密集小區(qū)覆蓋

在用戶密集的住宅區(qū)、大型寫字樓、體育場、火車站等公共場所部署先進小小區(qū)，使得小區(qū)邊界消失，獲得小區(qū)分列增益。結(jié)合feICIC、中繼、節(jié)點間協(xié)作、干擾識別和消除、無線回傳等技術(shù)，能夠有效改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋、大幅度提升系統(tǒng)容量，并且對業(yè)務(wù)進行分流，具有更靈活的網(wǎng)絡(luò)部署和更高效的頻率復(fù)用特點。

3.3 終端直連D2D

終端直連D2D是一種在系統(tǒng)的控制下，允許終端之間通過復(fù)用小區(qū)資源直接通信的新型技術(shù)，它能夠增加蜂窩通信系統(tǒng)頻譜效率，降低終端發(fā)射功率，在一定程度上解決無線通信系統(tǒng)頻譜資源匱乏的問題。由于短距離直接通信的信道質(zhì)量高，D2D能夠?qū)崿F(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率、較低的時延和較低的功耗；通過廣泛分布的終端，能夠改善覆蓋，實現(xiàn)頻譜資源的高效利用；同時，其支持更靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和連接方法，能夠提升鏈路靈活性和網(wǎng)絡(luò)可靠性。

3.4 同時同頻全雙工CCFD

利用同時同頻全雙工技術(shù)在相同的頻譜上通信的收發(fā)雙方同時發(fā)射和接收信號，與傳統(tǒng)的TDD和FDD雙工方式相比，理論上可使空口頻譜效率提高一倍。然而，接收和發(fā)送信號之間的功率差異非常大，會導(dǎo)致嚴(yán)重的自干擾，同時對射頻器件的性能也提出了更高的要求。因此，實現(xiàn)全雙工技術(shù)應(yīng)用的首要問題是自干擾的抵消，而依靠多級干擾自消除技術(shù)能極大地解決此問題。

3.5 超大規(guī)模天線陣列

通過超大規(guī)模的天線陣列能夠?qū)崿F(xiàn)多用戶空間正交，從而提升系統(tǒng)容量、減小干擾、增強系統(tǒng)覆蓋、提高能效、彌補高頻通信的不足。超大規(guī)模天線陣列技術(shù)是MIMO技術(shù)的擴展和延伸，其基本特征是在基站側(cè)配置大規(guī)模的天線陣列（從幾十至幾千），利用空分多址SDMA原理，同時服務(wù)多個用戶，提高系統(tǒng)增益和傳輸速率。此外，原來的2D天線陣列拓展成為3D天線陣列形成新的3D-MIMO技術(shù)，支持智能多用戶波束賦形，減少用戶間干擾，結(jié)合高頻段毫米波技術(shù)，將進一步改善無線信號覆蓋能力。

3.6 多種無線接入方式的協(xié)作

未來5G將不再是孤立的無線通信技術(shù)和系統(tǒng)，而是將多種無線接入技術(shù)，包括2G、3G、LTE/LTE-A、WLAN、WiMAX、Bluetooth、ZigBee等，融合到統(tǒng)一的體系架構(gòu)中，重點研究多制式接入的融合、信令的轉(zhuǎn)化和兼容、統(tǒng)一集中的調(diào)度管理和通用平臺的云化構(gòu)建。

3.7 新型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

目前，LTE/LTE-A接入網(wǎng)采用扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，降低了網(wǎng)絡(luò)的層級和復(fù)雜度，從而進一步減少了系統(tǒng)時延、降低了建網(wǎng)成本和維護難度。未來5G可能采用C-RAN接入網(wǎng)架構(gòu)，這是基于集中化處理（Centralized Processing）、協(xié)作式無線電（Collaborative Radio）和實時云計算構(gòu)架（Real-time Cloud Infrastructure）的綠色無線接入網(wǎng)構(gòu)架（CleanSystem），其研究的內(nèi)容包括C-RAN的架構(gòu)和功能（如集中控制、基帶池RRU接口定義）、基于C-RAN的更緊密協(xié)作（如基站簇、虛擬小區(qū)等）。

4 5G終端應(yīng)用場景

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多元化融合發(fā)展，未來5G終端將廣泛應(yīng)用于人們居住生活、工作學(xué)習(xí)、休閑娛樂、社交互動等方方面面，其覆蓋范圍將包括住宅區(qū)、鄉(xiāng)郊野外、辦公場所、大型商業(yè)綜合場所、公交地鐵、高鐵和高速公路等場景。某些場景具有超高流量密度、超高連接數(shù)密度、超高移動性等特征，而這些也是5G系統(tǒng)將重點解決的問題。總體而言，未來5G終端將主要應(yīng)用于業(yè)務(wù)廣闊的移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域（見圖2）。

4.1 移動互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域

移動互聯(lián)網(wǎng)顛覆了傳統(tǒng)移動通信業(yè)務(wù)模式，推動人類社會信息交互方式的進一步升級，可為用戶提供增強現(xiàn)實、虛擬場景、超高清（3D）視頻、移動云等更加身臨其境的極致業(yè)務(wù)體驗。移動互聯(lián)網(wǎng)終端包括智能手機、平板電腦、電子書、MID等，其中占主要比例的是智能手機與平板電腦。未來5G網(wǎng)絡(luò)下終端移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將極大的豐富，并帶來極佳的用戶體驗。其典型應(yīng)用大致可分為：在線游戲、OTT消息、圖片共享、視頻分享、視頻通話、云存儲、在線閱讀、在線流媒體、移動支付、虛擬現(xiàn)實等。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域

物聯(lián)網(wǎng)擴展了移動通信的服務(wù)范圍，不僅涉及個人用戶，也使得移動通信技術(shù)滲透到更加廣闊的行業(yè)領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)類型豐富多樣，業(yè)務(wù)特征也差異巨大。對于智能家居、智能電網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測、智能農(nóng)業(yè)和智能抄表等業(yè)務(wù)，需要網(wǎng)絡(luò)支持海量設(shè)備連接和大量小數(shù)據(jù)包頻發(fā)；而視頻監(jiān)控和移動醫(yī)療等業(yè)務(wù)對傳輸速率和可靠性提出了很高的要求；車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)控制等業(yè)務(wù)則要求ms級的時延和接近100%的可靠性。另外，大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會部署在山區(qū)、森林、水域等偏遠地區(qū)以及室內(nèi)角落、地下室、隧道等信號難以到達的區(qū)域，因此要求移動通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力進一步增強。為了滲透到更多的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中，5G應(yīng)具備更強的靈活性和可擴展性，以適應(yīng)海量的設(shè)備連接和多樣化的用戶需求。

5 5G終端技術(shù)挑戰(zhàn)

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的興起，終端不斷向便攜式、智能化、多元化方向發(fā)展，未來聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量將呈爆發(fā)式增長，同時隨著網(wǎng)絡(luò)同云計算、大數(shù)據(jù)的融合，對終端數(shù)據(jù)處理和傳輸能力提出了更高要求，終端通過融合的接入技術(shù)進一步泛網(wǎng)化。對用戶而言，友好的用戶體驗和應(yīng)用的多樣化成為服務(wù)類終端的核心競爭力，綜合感知和交互將成為服務(wù)類終端的新特征；并且，低成本、低功耗、高穩(wěn)定性將成為物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)應(yīng)用的重要指標(biāo)。

無疑，這些趨勢和演進將對5G終端技術(shù)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，并且直接影響到整個通信技術(shù)的普及速度和產(chǎn)業(yè)規(guī)模，也關(guān)系著最終用戶的使用體驗和活躍度。為了靈活應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，未來的5G技術(shù)將從如下幾個方面分別提出相應(yīng)的解決方案。

5.1 高速率

在3GPP、IEEE等無線通信領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)化組織最新的技術(shù)研究中，高階MIMO、大規(guī)模天線陣列、毫米波和高階調(diào)制方式等技術(shù)都已取得階段性成果，它們在R12及后續(xù)版本的標(biāo)準(zhǔn)體系中被逐步引入并增強，共同起到提升用戶速率的目的。

5.2 低時延

未來透過進一步扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及D2D直連等技術(shù)，并且采用光纖作為傳輸網(wǎng)提供高速數(shù)據(jù)傳輸，將進一步降低用戶面和控制面的時延，達到ms級的性能要求。

5.3 低功耗

5G時代更多大屏智能終端的出現(xiàn)、手機芯片的多核多?；⒅黝l的不斷提高、終端體積的輕便化將對終端的耗電性能提出更高的要求。因此，需要采用新的芯片架構(gòu)、屏幕顯示技術(shù)、新型射頻功放技術(shù)、高效能低復(fù)雜度算法等從多層面改善終端的功耗性能。例如：在屏幕省電技術(shù)上，通過增加屏幕白色像素并調(diào)整影響處理算法的方式在不提高背光的情況下提高屏幕亮度，而新的OLED等材質(zhì)的引入，即使不使用背光板也可以使屏幕更加輕薄節(jié)能，同時色彩還原度還得到了極大的提升；在芯片方面，通過采用新的20nm，甚至10/14nm制程工藝，以及新版本RISC、動態(tài)變頻異步多核、高效動態(tài)PMIC等技術(shù)達到節(jié)能降耗的目的。

5.4 高密度通信

超密集組網(wǎng)是解決未來5G系統(tǒng)容量需求的最主要手段，隨著組網(wǎng)密度的增加、小區(qū)間距的減小，小區(qū)間干擾也將越來越嚴(yán)重，用戶終端設(shè)備在移動過程中切換也將更加頻繁。而采用小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)與抑制、控制面與用戶面分離、無線中繼等技術(shù)能有效緩解超密集網(wǎng)絡(luò)部署所面臨的問題。

5.5 高移動性

未來5G關(guān)鍵性能之一的移動性可達500km/h，這一速度基本涵蓋了通常情況下用戶所能達到的速度極限，因而對網(wǎng)絡(luò)和終端技術(shù)將提出不小的考驗。而通過優(yōu)化的站點部署、異頻組網(wǎng)、優(yōu)化的天線波束賦形方案、小區(qū)增強技術(shù)和雙連接等技術(shù)將有效地保障用戶在高速移動場景下的快速重選與無縫切換，為用戶提供統(tǒng)一可靠的使用體驗。

5.6 多元化終端形態(tài)

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，終端設(shè)備在形態(tài)方面將呈現(xiàn)多樣化的趨勢。除手機、平板電腦、超級本等個人通信設(shè)備，可穿戴設(shè)備方面出現(xiàn)了智能手環(huán)、智能眼鏡、腕表、跑鞋等，智能家居領(lǐng)域出現(xiàn)了智能機頂盒、智能家電、智能開關(guān)等新穎終端，車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、安防監(jiān)控、醫(yī)療教育等領(lǐng)域出現(xiàn)了各式各樣的終端設(shè)備，并成為接入移動互聯(lián)網(wǎng)的重要入口?；ヂ?lián)網(wǎng)時代的用戶長尾化需求、移動互聯(lián)網(wǎng)時代的用戶碎片化需求，將在終端設(shè)備形態(tài)上得到充分體現(xiàn)。

5.7 多種無線接入方式的融合

隨著多種無線通信技術(shù)的發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)感知技術(shù)的成熟，未來移動終端將能夠感知和檢測所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并通過自適應(yīng)調(diào)整以最佳匹配網(wǎng)絡(luò)配置，智能地適應(yīng)環(huán)境的變化，同時還具備從變化中學(xué)習(xí)的能力，且能把它們用到未來的決策中，實現(xiàn)藍牙、ZigBee、NFC、WLAN和2/3G/LTE等多制式、多連接方式的無縫融合和銜接。未來用戶將不需人為干預(yù)和配置，終端即可以自動決策，并獲得最優(yōu)的端對端性能。

6 結(jié)束語

移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的強勁發(fā)展，推動著面向2020年及以后的5G通信技術(shù)的不斷探索和發(fā)展。通過高頻段毫米波通信、超密集小區(qū)覆蓋、終端直連D2D、同時同頻全雙工、大規(guī)模天線陣列、多天線接入方式協(xié)作、新型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等演進技術(shù)的有機結(jié)合，將逐步實現(xiàn)并完善5G系統(tǒng)。與此同時，5G終端亦將面臨著高速率、高可靠性、高密度通信、高移動性、低時延、低功耗、低成本、多元化終端形態(tài)和多種無線接入方式融合等方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。未來的5G網(wǎng)絡(luò)將在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，更多關(guān)注技術(shù)融合和用戶體驗，并不斷借鑒和吸納其他無線接入技術(shù)、IT技術(shù)的成果，真正實現(xiàn)智能融合的ICT移動通信網(wǎng)絡(luò)大平臺的理念，構(gòu)建一個開放共融的生態(tài)系統(tǒng)。

1 IMT-2020(5G)推進組——5G愿景與需求白皮書.http:// www.imt-2020.org.cn/zh.2014,5

2 大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團.演進、融合與創(chuàng)新5G白皮書. 2013,12

3 竇笠.5G愿景和需求.電信技術(shù).2013,12

4 王志勤.5G業(yè)務(wù)需求分析及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進程.中興通訊技術(shù). 2014,2

5 高芳.全球5G發(fā)展現(xiàn)狀概覽.全球科技經(jīng)濟瞭望.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.

5G terminal,trend of development,usage,technical challenge

2014-11-18）