第1章 5G 标准制定概述
随着移动通信技术的不断快速发展，尤其是 4G 技术广泛应用以后，我们的生活也 发生了深刻的改变。移动网络与智能终端的普及使得我们的生活方式围绕各种新 型应用进行了重构。但是人们对更高性能移动通信的追求从未停止。为了迎合未来社会 发展的需求，尤其是爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接及不断涌现的各类新 业务和应用场景，第五代移动通信（5G）系统应运而生。 5G 将渗透到未来社会的各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态系统。5G 将使信息突破时空限制，提供极佳的交互体验，为用户带来身临其境的信息盛宴。5G 将拉近万物的距离，通过无缝融合的方式，便捷地实现人与万物的智能互联。5G 将为 用户提供光纤般的接入速率，“零”时延的使用体验，千亿设备的连接能力，超高流量 密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务以及业务及用户感知的智能优 化，同时将为网络带来超百倍的能效提升，比特成本降低不及原来的百分之一，最终实 现“信息随心至，万物触手及”的总体愿景。 移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力，将为 5G 提供广阔的 前景。移动互联网颠覆了传统移动通信业务模式，为用户提供前所未有的使用体验，深 刻影响着人们工作生活的方方面面。面向 2020 年及未来，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、超高清（3D）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的 超千倍增长，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、人与物的智能互 联，使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域。面向 2020 年及未来，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”，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。
1.1 ITU 5G 需求的制定
国际电信联盟（ITU）是联合国的 15 个专门机构之一，但在法律上不是联合国附属 机构，它的决议和活动不需联合国批准，但每年要向联合国提交工作报告。 ITU 主管信息通信技术事务，由无线电通信（ITU-R）、电信标准化（ITU-T）和电 信发展（ITU-D）三大核心部门组成。每个部门下设多个研究组，5G 的相关标准化工作 主要是在 ITU-R WP5D 工作组下进行。 从 2012 年开始 ITU 组织全球业界开展 5G 标准化前期研究工作，持续推动全球 5G 共识 形成。2015 年 6 月，ITU 正式确定 IMT-2020 为 5G 系统的官方命名，并明确了 5G 业务趋势、 应用场景和流量趋势，提出 5G 系统的 8 大关键能力指标，以及未来移动通信技术发展趋势。
ITU 确认将“IMT-2020”作为唯一的 5G 候选名称。从 3G 开始，ITU 以 IMT（国际移动 电信）为前为每一代移动通信定义一个官方名称，3G 官方名称为 IMT-2000，4G 官方名称 为 IMT-Advanced。考虑到第五代移动通信技术将在 2020 年左右实现商用，以及 ITU 对移动 通信的命名惯例，我国主推采用“IMT-2020”为 5G 官方名称，受到绝大多数国家支持。 ITU 明确了 IMT-2020 的业务趋势、应用场景和流量趋势。在业务方面，5G 将在大 幅提升“以人为中心”的移动互联网业务体验的同时，全面支持“以物为中心”的物联 网业务，实现人与人、人与物和物与物的智能互联。在应用场景方面，5G 将支持增强移 动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）和超高可靠低时延通信（URLLC）三大 类应用场景，如图 1.1 所示，在 5G 系统设计时需要充分考虑不同场景和业务的差异化需 求。在流量方面，视频流量增长，用户设备增长和新型应用普及将成为未来移动通信流 量增长的主要驱动力，2020 年至 2030 年全球移动通信流量将增长几十倍至一百倍，并 体现两大趋势：一是大城市及热点区域流量快速增长；二是上下行业务不对称性进一步 深化，尤其体现在不同区域和每日各时间段。
图 1.1 ITU《IMT 愿景》建议书定义的 5G 三大应用场景 ITU 在 2015 年提出 IMT-2020 系统的 8 大关键能力指标。如图 1.2 所示，除了传统 的峰值速率、移动性、时延和频谱效率之外，ITU 还提出了用户体验速率、连接数密度、 流量密度和能效四个新增关键能力指标，以适应多样化的 5G 场景及业务需求。其中， 5G 用户体验速率可达 100Mbit/s 至 1Gbit/s，能够支持移动虚拟现实等极致业务体验；5G 峰值速率可达 10～20Gbit/s，流量密度可达 10Mbit/(s·m2)，能够支持未来千倍以上移动业 务流量增长；5G 连接数密度可达 100 万个/平方千米，能够有效支持海量的物联网设备； 5G 传输时延可达毫秒量级，可满足车联网和工业控制的严苛要求；5G 能够支持 500km/h 的移动速度，能够在高铁环境下实现良好的用户体验。此外，为了保证对频谱和能源的有 效利用，5G 的频谱效率将比 4G 提高 3～5 倍，能效将比 4G 提升 100 倍。 ITU 全面总结了未来移动通信技术的发展趋势。ITU 在《IMT 未来技术趋势》研究 报告中，总结了近期及 2020 年以后的移动通信技术总体发展趋势，并指出未来移动通信 系统将优化空口接入技术、覆盖更多业务、增强用户体验、提升网络能效、支持新型终端技术和网络优化技术，从而全面提升系统性能。其中，大规模天线、新型多址、超密集组网、新型双工、灵活频谱使用、低时延高可靠、先进接收机等被认为是未来无线技术发展趋势；软件定义网络 （SDN）、网络功能虚拟化 （NFV）、集中式无线接入网 （C-RAN）、 以用户为中心网络、多网协同等被认为是无线网络技术的未来发展方向。 ITU 明确 6GHz 以上频谱资源可用于 IMT-2020 系统。ITU 以 6GHz 至 100GHz 为主 要研究范围，分析了 10GHz、28GHz、60GHz、73GHz 等几个代表频段的传播特性，以及 6GHz 以上高频段无线信号在室内和热点区域的覆盖性能。研究表明，利用高频段易 于实现大规模天线阵列的特点，通过波束赋型技术，在室内和热点区域可有效弥补高频 段无线信号的传播损耗。同时，ITU 还论证了 6GHz 以上频段与 6GHz 以下频段混合组 网，以及 6GHz 以上频段用于接入和回程灵活部署的可行性。研究结果表明，在重点研 究的 IMT 部署场景中，6GHz 至 100GHz 频谱资源可用于 IMT-2020 系统部署。
图1.2 ITU《IMT 愿景》建议书提出的 IMT-2020（5G）与 IMT-A 关键能力对比