1.2.4 5G改变社会
移动互联网和物联网的进一步发展是 5G移动通信系统发展的两大驱动力，为5G提供了广阔的前景。移动互联网颠覆了传统移动通信的业务模式，为用户提供了前所未有的使用体验，深刻影响着人们工作、生活和娱乐的方方面面。面向 2020年及以后，移动互联网将推动人类社会信息交互方式的进一步升级，为用户提供增强现实、虚拟现实、三维（3Dimensions，3D）超高清视频、移动云等更加身临其境的极致业务体验。移动互联网的进一步发展将带来未来移动流量超千倍的增长，推动移动通信技术和产业的新一轮变革。物联网扩展了移动通信的服务范围，从人与人通信延伸到物与物、人与物智能互联，使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域。面向 2020年及以后，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，数以千亿计的设备将接入网络，实现真正的“万物互联”，并缔造出规模空前的新兴产业，为移动通信带来无限生机。同时，海量的设备连接和多样化的物联网业务也会给移动通信带来新的技术挑战。
5G 作为面向 2020年及以后的移动通信系统，将深入社会的各个领域，作为基础设施为未来社会的各个领域提供全方位的服务，如图 1-4所示。
图 1-45G深入移动互联网和物联网的各个领域[2]
5G典型应用场景包括增强型移动宽带（eMBB）、超可靠低时延通信
（uRLLC）和大规模机器型通信（mMTC）3类。为了满足三大应用场景的需求，5G将具备比 4G更高的性能，如图 1-5所示，包括支持 100Mbit/s的用户体验速率（4G的 10倍）、每平方千米 100万的连接数密度（4G的 10倍）、毫秒级的空口时延（4G的 1/10）、每平方米 10Mbit/s的流量密度、每小时 500km以上的移动速度和下行 20Gbit/s/上行 10Gbit/s的峰值速率、平均频谱效率和 5%用户频谱效率达到 4G的 3倍以上。其中，用户体验速率、连接数密度和时延为 5G最基本的 3个性能指标。同时，5G相比于 4G还将大幅提高网络部署和运营的效率，网络频谱效率显著提高，能效和成本效率提升百倍以上。
图 1-55G与 4G关键性能指标比较[2]
表 1-2 简单对比了ITU5G性能需求指标与 3GPPTR38.913研究报告中定义的5G性能需求指标。
表 1-2ITU和 3GPP定义的 5G关键性能需求指标比较[2]
|
类别 |
相关指标 |
ITU定义的 5G性能需求 |
3GPP定义的 5G性能需求 |
针对eMBB业务
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下行 |
峰值传输速率/(Gbit·s−1) |
20 |
20 |
用户体验速率/(Mbit·s−1) |
100 |
用户体验速率=5%用户频谱效率×系统带宽 |
|
峰值频谱效率/(bit·(s·Hz)−1) |
30 |
30 |
|
平均频谱效率/(bit·(s·Hz)−1) |
分场景 |
至少为 4G 系统的 3 倍以上 |
|
5%用户频谱效率/(bit·(s·Hz)−1) |
分场景 |
至少为 4G 系统的 3 倍以上 |
|
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上行 |
峰值传输速率/(Gbit·s−1) |
10 |
10 |
用户体验速率/(Mbit·s−1) |
50 |
用户体验速率=5%用户频谱效率×系统带宽 |
|
峰值频谱效率/(bit·(s·Hz)−1) |
15 |
15 |
|
平均频谱效率/(bit·(s·Hz)−1) |
分场景 |
至少为 4G 系统的 3 倍以上 |
|
5%用户频谱效率/(bit·(s·Hz)−1) |
分场景 |
至少为 4G 系统的 3 倍以上 |
|
类别 |
相关指标 |
ITU 定义的 5G 性能需求 |
3GPP 定义的 5G 性能需求 |
|
系统 |
用户面时延/ms |
4 |
4 |
控制面时延/ms |
20 |
10 |
|
低频小包时延① |
未定义 |
上行时延最大不超过 10s |
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流量密度(Mbit·(s·m2)−1) |
10 |
流量密度=站点密度×系统带宽×平均频谱效率 |
|
移动性 |
最高500km/h |
最高 500km/h |
|
小区切换中断时间/ms |
0 |
0 |
|
|
能源效率 |
同时看频谱效率和休眠比例指标 |
网络能源效率=小区平均吞吐量/小区功耗 |
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系统带宽/MHz |
≥100 |
通过ITU 需求指标推导出，或者根据后续 RAN1/RAN4研究成果定义 |
针对uRLLC业务
|
系统 |
用户面时延/ms |
1 |
0.5 |
控制面时延/ms |
20 |
10 |
|
可靠性 |
99.999% |
99.999% |
|
移动中断时间/ms |
0 |
0 |
针对 mMTC业务
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系统 |
连接数密度/(个·km−2) |
1000 000 |
1000 000 |
终端电池寿命② |
未定义 |
超过 10年 |
注：① 考虑终端处于“节能态”时，终端发送低频率小包（20byte）时的传输时延。
② 终端电池寿命指的是电量5W·h的电池，在小区覆盖边缘（对应于164dB的最大路径传播损耗），支持每天发送200byte的上行数据，并接收20byte的下行数据的移动通信业务时的最长工作时间。
由于ITU所定义的 5G性能指标是 5G系统的唯一验收标准，因此 3GPP所研究的 5G系统将同时满足ITU和 3GPPTR38.913研究报告中所定义的5G性能指标要求。而在包括控制面时延和用户面时延在内的一些关键性能指标上，3GPP所研究的 5G系统将远远优于 ITU对 5G系统的最低要求。
考虑到全球不同区域的市场发展策略需求，3GPP对 5G的定义更为宽泛，包含了5G演进型空口和5G 新空口（NewRadio，NR）以及下一代核心网（Next GenerationCoreNetwork，NGC）[3]。
5G演进型空口是指通过 4G网络的持续演进和增强，满足部分场景下的 5G技术需求，无论是增强型机器型通信（eMTC）、窄带物联网（NB-IoT），还是LTE-Advanced-Pro等，都属于 5G演进型空口的范畴，它们可以满足 mMTC等场景下的最小需求；而 5GNR是指不用考虑与 4G的后向兼容，全新设计 5G系统并满足所有 3种典型场景下的全部 5G技术需求。
3GPPRAN确定了整个 5G各研究项目的规划[4]，如图 1-6所示。
图 1-63GPP的 5G标准规划
3GPPRAN在 2015年 12月启动 5G需求与应用场景的研究，并在 2016年 6月完成；3GPPRAN各工作组从2016年 3月启动 5GNR的技术可行性研究，并在2017 年6月完成；2017年 6月启动 5G的WI，在 2018年 6月完成 Release15的标准化；2018年 6月启动 Release16的工作，并在 2019年年底完成。2019年年底，由于全球新冠疫情暴发，3GPP相关工作不得不采用线上的方式开展，影响了标准推进的节奏，最终在延期一个季度的情况下，2020年 6月，3GPP正式冻结 Release16 的标准。最终Release15 和 Release16 共同构成了 3GPP 提交给 ITU的完整 5G标准。同时，3GPP也正式启动了 Release17技术标准的研究工作，规划了 Release17的主要技术特征和计划时间表，继续对现有版本的标准进行增强和演进。
2020年 7月 9日，国际电信联盟（ITU）无线通信部门（ITU-R）国际移动通信工作组（WP5D）第 35次会议成功闭幕，会议确定 3GPP系标准成为被ITU认可的 5G标准。本次会议是 IMT-2020（即 5G）技术评估进程的关键会议，各主管部门和产业界代表，对包括 3GPP5G标准在内的 7项候选技术标准进行了深入研究和分析，最终形成结论：3GPP系的 5G标准成为被 ITU认可的 IMT-2020国际移动通信系统标准。ITU-RWP5D于 2020年 11 月的 36bis次会议上完成程序性工作，即编制 IMT-2020标准建议书，并递交至同月举行的第 5研究组的全会上正式通过和发布。
5G利用一系列关键技术，如更宽的带宽、大规模天线、Polar码和 LDPC码等，实现了对高速率、低时延、高可靠性、海量连接等技术需求的满足。5G的发展将满足更为多样化的连接需求，实现更为广泛的人与人、人与物、物与物之间的连接，为工业、农业、交通、教育、医疗服务等垂直行业领域的数字化、智能化创新奠定基础，引领万物互联新时代的到来。随着万物被互联，感知连接、智能将泛在化，一个全新的智能社会将出现在人们面前，整个社会，包括技术、生活、工作、商业、思维都将被颠覆和重构。
为此，韩国、中国、日本、欧盟等电信发达经济体均积极加快 5G的部署。2019年 4月，韩国正式宣布 5GNSA商用，2019年 11 月，工业和信息化部（以下简称工信部）联合四大运营商，正式宣布 5GNSA商用。随后，全球运营商纷纷开展 5G的NSA商用部署。2020年 6月，中国运营商开始在全国主要的城市开始 5G SA的商用部署，全面构建端到端的 5G全新能力。迄今为止，全球有 381家运营商完成了 5G网络的试验测试。2019年，我国已经在超过 50个城市建设超过 19万个 5G基站，2020年年底，我国 5G基站的数量累计超过了 70万个，5G用户规模超过
1.7亿人。全球 5G的大规模部署正在加速铺开，必将带来大量全新的个人消费业务和垂直行业应用，带动整个社会的数字化转型，催生新的网络需求和移动通信技术的持续演进。