第五代移動通信系統概況
引言：各類新型業務的興起以及用戶規模的迅猛發展，推動著移動通信系統的持續演進與革新。在十年一輪回的移動通信系統發展歷程中，眾多技術流派在激蕩的浪潮中歷盡沉浮。有多少技術方案曾如焰火般驚艷乍現，而后卻在轉瞬間化作過眼云煙，被塵封在故紙堆中。又有多少技術方案能真正經得起理論、實踐與市場的多重考驗，從而有機會在人類文明史上留下一絲更為清晰的痕跡。如今4G系統的發展方興未艾，5G的步伐就已緊隨其后。移動通信系統的發展即將開啟新的篇章。在這歷史性跨越的前夜，讓我們以一個工程師的視角，從業務、技術、愿景、目標等多重角度對下一代系統所面臨的挑戰、發展趨勢與可能的技術路線進行探討。
一．演進歷程
移動通信系統的發展，十年一輪回。如圖1所示，第一代到第四代系統都是以標志性多址技術+典型業務類型作為其斷代依據：最早的商用移動通信系統采用了FDMA方式，能夠支持模擬話音業務；第二代系統采用了TDMA方式，支持數字化的語音及低速率數據傳輸業務；第三代系統采用了CDMA多址技術，能夠支持多媒體業務；第四代系統則采用了OFDMA技術，支持移動寬帶（MBB）業務。
第五代系統是否仍然會沿用這種以多址技術革新和典型新業務為分界點的劃分方式呢？5G系統又將具有哪些顯著特征？會以什么樣的技術為支撐？要做出這樣的預測，首先需要從業務、市場和技術等多方面的發展趨向說起。
圖1.移動通信系統的演進歷程
二．總體趨勢
1.移動互聯網
圖2中描繪了移動通信系統的總體發展趨勢。其中，脫胎于傳統電信網絡的移動通信系統是以話音作為主要業務的。隨著多媒體業務的興起和CDMA技術應用，自3G系統開始，數據傳輸業務開始逐漸增加，并日益成為一種重要的業務類型。于此同時，與傳統的移動通信系統并列的計算機系統也逐漸沿著從獨立的個人電腦向著以固定的網絡接入為主的桌面互聯網方向演進。傳統的通信系統和計算機系統，一個要移動一個要互聯，本來是你走你的陽關道，我走我的獨木橋。但是，隨著各自勢力范圍的擴大，兩股勢力在一個新的領域逐漸相互的滲透和融合。正是這種融合，推動了所謂的移動互聯網的迅猛發展。移動終端的發展形態就很好的印證了這兩種網絡的融合。如今的智能手機越來越像電腦，而源自電腦的各種PAD卻越來越像手機。它們之間的界限正在變得越來越模糊。
圖2. 移動通信系統總體發展趨勢
實際上，這種所謂的融合在一定程度上也是電信和計算機界相互斗爭的結果。劃分室內外的墻壁是這兩股勢力爭奪的最初焦點。一座座建筑構成了一個個小小的圍城，關在室內的計算機網想要通過WiMax突圍到廣闊的室外天地中大有作為。而以廣域覆蓋為專長的移動通信網則想要繼續攻城略地，內外通吃一統天下。從標準化和網絡部署與應用的實際情況來看，以LTE為代表的傳統電信勢力似乎占據了絕對優勢。但是這一表面上的優勢卻并不意味著計算機界的落敗，對其而言無非是不需要再為了喝口牛奶而去親自養奶牛罷了。在應用為王的移動互聯網時代，更是沒必要為了幾分薄利，再到通信民工更為擅長的管道鋪設領域去擠占我們最后的一畝三分田。
隨著智能終端的普及，以OTT為代表的種類繁多的應用已強勢地擠占了傳統電信業務的盈利空間，導致利潤向上層業務和終端領域的轉移。而應用層面本就是計算機領域的傳統勢力范圍。同樣是由于智能化程度的大幅度提升，終端的諸多應用功能已經反客為主，反而使通信功能漸漸淪為一根不能徹底棄之的雞肋條。在一個靠粉絲靠情懷吸引用戶的時代，終端領域的一個個老牌通信巨頭們紛紛被蘋果這樣以計算機起家的企業打得落花流水。
2.物聯網
有人說，一切皆可數字化。對于通信界而言，與之對應的下一句就是一切皆可互聯互通。因此，除了移動互聯網之外，另一類新型的網絡形態主要就是由遍布在我們四周的原本相互獨立的設備所構成的所謂物聯網。如果說移動互聯網基本還屬于人的網絡，那么物聯網則是包絡了物與物、人與物的更為廣闊的網絡。
業界對5G的構想便是，在這兩張網絡的支撐下，通過云計算等新型技術，在2020年左右構建出一個能夠實現萬物互聯、無處不在，而又讓人身臨其境的通信系統。
三．市場趨勢
5G發展的驅動力之一，是上述業務的發展、融合以及新型網絡形態的興起。而5G發展的另一大驅動力，或者說是壓力，則來自于系統規模的爆炸式發展。這里所說的系統規模包括了數據流量規模以及終端連接數規模。
圖3給出了我國的5G推進組織—IMT-2020對流量需求增長趨勢的預測結果。以北京的某些熱點地區（如西單、王府井等地）為例，2020年左右移動數據流量就將增長1000倍左右。數據流量的需求總量與業務類型及終端數量都有著直接的關系。圖4中首先給出了IMT-2020對終端連接數量發展趨勢的預測，業務類型對數據流量需求的影響將在后續章節中進一步分析。
圖3. IMT-2020對數據流量增長趨勢的預測
圖4. IMT-2020對終端連接數增長趨勢的預測
根據這一預測，2030年全球移動終端數量將達到180億部。值得一提的是，隨著時間的推移，2030年左右物聯網終端設備相對于人口數和傳統移動終端數將會出現巨大的飛躍。圖5中給出了ITU對于移動終端（非物聯網終端）數量和終端類別占比的發展趨勢預測。從中可以進一步看出，在這些移動終端中，絕大多數將是智能手機或平板電腦等靠流量吃飯的智能設備。
圖5. ITU對移動終端數量及各類別終端占比發展趨勢的預測
四．業務需求
根據第二節中的討論，巨大的數據流量和巨大的終端數量，必定會對未來的移動通信系統造成巨大的壓力。在此，讓我們進一步探討一下，究竟是什么樣的業務能夠導致數據流量和連接數需求的爆炸式發展。
1.超高清、三維化視頻
有效性和可靠性是我們對通信系統的的兩個最基本要求。所謂有效性即信息的保真度。在從信源到信宿的傳遞過程中，我們希望通信系統能夠盡可能真實地再現信息源。例如所謂標清、高清、全高清、超高清等一系列概念主要強調對視覺信息細節的再現，追求的是一種分毫畢現的視覺體驗，而三維化則可以進一步增進用戶的視覺感受?？梢韵胂螅瑢毠澮曈X信息的精準再現必然會導致信息量的激增和對傳輸速率要求的大幅提升。例如8K的3D視頻經過100倍壓縮之后，仍然需要1Gbps的傳輸速率。
2. 浸入式視頻/增強現實/虛擬現實
目前，人們對保真度的追求主要針對視覺和聽覺信息。實際上，在我們完整的感官世界中，既包含視覺、聽覺也包含了嗅覺、味覺、觸覺等一系列的感知形式。而且，如果單純以一種置身事外的方式完美再現視覺信息，并不足以給人真正帶來身臨其境的所謂臨場感受。這種能夠完整再現的臨場感正是增強現實及虛擬現實技術追求的終極目標。如果要以虛擬現實、浸入式體驗的方式進行通信或在線游戲，除了數據速率需求之外，還會帶來對時延控制的極端要求。
3.云桌面
有了強大的計算中心和接入網絡之后，很多日常的計算機操作，包括基本的文件存儲與讀取都可以在云端進行，由此便產生了所謂云桌面的概念。基于云桌面，用戶本地可能只需要顯示器、鍵盤、鼠標等基本的I/O設備即可。為了獲得與本地存儲與讀取相當的響應時間，必然會對接入網的傳輸速率與時延產生極高的要求。
4.OTT
OTT即over the top，其典型代表包括skype和微信等。這是一類令運營商深惡痛絕的業務。Over the top一詞本身就極具挑戰意味：over誰的top？實際上OTT正是騎在運營商的頭上，讓太歲幫忙給他數鈔票。如今的運營商，和我國的鐵路系統非常相似：鐵路是我鋪的，火車是我開的，車上的高價盒飯是我壟斷著的，車上推著鐵皮小車不厭其煩地高價叫賣啤酒飲料礦泉水雞爪泡面火腿腸的服務員也是我家親戚。你們想想，我開著著火車，帶著老婆出了城，吃著火鍋唱著歌，突然就被麻匪給劫了。對運營商而言，這其中的苦澀和失落感不言而喻。
這群麻匪不知從哪站爬上車來，穿梭在運營商的客戶中，以幾乎不要錢的方式向乘客們提供各種新奇而又便捷的服務。這群劫富濟貧的俠士讓飽受壟斷之苦的普通用戶為之而歡呼雀躍，但卻讓運營商們萬分頭痛。OTT業務需要海量的小數據包頻繁交互，由此會帶來信令開銷的大幅度增加，從而極大地增加了網絡的負擔。這樣看來，OTT業務不但占了大便宜，還給網絡的運行留下了一堆垃圾。最為關鍵的是，OTT業務的激增加速了利潤向傳統通信業務之外的上層服務的轉移，使運營商日漸淪為類似公路和水電煤氣之類的低層次基礎服務提供者和他人謀利的通道。
5.極端場景業務體驗
LTE這樣的移動通信系統，已經實現了讓一部分人先富起來。在信道條件理想、信噪比較高的區域可以通過AMC及MIMO支持較高的數據速率。但是，如社會現狀一樣，先富起來的人絕對沒有動力帶動大家共同致富。通信系統的用戶群也是社會的一個縮影，在這樣的小社會里，同樣不患寡而患不均。因此，數據速率的不平衡往往會導致很多用戶的心理失衡，從而極大地影響到用戶體驗。
當移動通信系統滿足了基本的覆蓋需求之后，體驗不平衡的問題也日益成為系統改進和優化的一個重要方向。諸如CoMP等強調協作協同的技術實際上就在沿著這一的思路前進。這樣的問題也將成為5G系統的重要關注點之一。具體來講，所謂的極端場景主要包括：速度特別快（如高鐵甚至飛機）以及用戶特別密集（如候機樓、候車室、演唱會、運動會、突發事件）的應用場景。如圖6所示，5G系統希望用戶隨時隨地都能感受到較高的服務質量。
圖6. 業務體驗現狀（左）及均勻化的用戶體驗要求（右）
6.物聯網業務
物聯網業務的主要應用領域涵蓋了諸如環保監測與公共安全等領域所需的信息采集，以及工業、交通和家居領域的信息交互與控制等多種任務。物聯網業務的一個重要特點是，業務類型豐富，各個類型業務的具體需求差異非常巨大。例如某些極端應用場景中，大量的物聯網設備會被部署在山區、森林、水體等可能非常偏遠而且傳播環境相當不理想的地區，以及室內角落、地下室、隧道等信號難以到達的區域。
圖7中列出了一些典型的物聯網業務應用及其對通信系統的具體需求。
圖7. 物聯網業務
五．總體愿景
前面提到，未來的移動通信系統將會面臨數據流量和終端連接數規模的巨大壓力。我們也看到了，究竟是是什么樣的業務和用戶對通信系統帶來了持續的壓力。但是這種壓力是否就是移動通信系統發展的唯一動因呢？
唯物辯證法認為，事物的發展是內外因共同作用的結果。內因是事物變化發展的根據，外因對于事物變化發展，能夠起加速或延緩的作用。所以一般而言，強扭的瓜都不太甜。業務和網絡的發展趨勢以及來自速率和規模需求的壓力，是推進移動通信系統向前演進的重要動力。這股力量一直在屁股后面逼著移動通信系統不停地發展和變革。那么能讓移動通信系統持續向前推進的內在牽引力來自什么呢？實際上，最好的內在動力來自于人們內心的欲望和對利益的本能追求。
因此，若要促使移動通信保持持續發展，就需要讓各個利益相關方看到足夠誘人的前景。圖8所示的所謂總體愿景圖，就為我們描繪了一幅關于5G系統的令人憧憬和向往的美好景象。莎士比亞說，一千個人眼中就有一千個哈姆雷特。一部好的電影或者文學作品可以讓每個人都能根據自己的人生閱歷和認知水平，從中獲得不同層面的共鳴，感受到不同的意境。一個好的愿景圖，則應該可以讓這個系統中的每個參與者都找到屬于自己的興奮點：宅男從這幅圖看到了熱辣動感美少女；設備商從這幅圖看到了大量可以牟利的設備；運營商從這幅圖看到了有大規模的通信網絡需要部署和運營；各種服務提供商看到了有各種各樣的設備和通信手段可以讓用戶便捷的支付鈔票。
圖8中的一個個圈圈，正是IMT-2020給眾人描繪的一張張香噴噴的蔥花油渣芝麻大餅，勾起了所有利益相關方逐利的本性與沖動。而歷代的移動通信系統，又何嘗不是在這樣望梅和畫餅的美好愿景中，靠著眾多如夸父般暴走的通信廠商們一路喂著催熟劑瓜熟蒂落的？
圖8. IMT-2020總體愿景
六．應用場景
了解了可能的業務類型和促進移動通信系統發展的動因，讓我們再看看5G系統將面臨什么樣的應用場景，以及在這些場景中又存在哪些具體的挑戰。
圖9中給出了IMT-2020歸納的一些典型應用場景。例如，在類似賽場和音樂會的大型集會場所之中，用戶分布將會非常密集，必定會產生大量的數據傳輸需求。這一挑戰實際上與現代人的幸福觀存在一定的關聯。很多人眼中，自己悶頭過好了小日子還遠遠談不上幸福，他們一定要玩命般地把自己的美好灑遍人間，在朋友圈曬到人盡皆知，刺痛所有親朋、好友、閨蜜和歷屆前任的心扉才叫真幸福。
當這樣的人出現在密集場所，其扭曲的幸福觀將會對移動通信系統造成災難性的負荷。他們一定會走到哪、拍到哪、曬到哪，一邊看熱鬧，一邊多角度全方位地直播自己的幸福。有了這樣的用戶群，這樣的應用場景，5G系統所面臨的挑戰可想而知。
圖9. IMT-2020典型應用場景示例
目前ITU初步歸納出了5G系統的三類典型應用場景：移動寬帶增強、海量連接和低時延高可靠。其中，移動寬帶增強進一步可以細分成兩個子場景，即廣域連續覆蓋和高容量熱點。前者看似是網絡部署的基本功能，后者本身似乎也是一種傳統的應用場景。但是根據前面的示例，這兩類場景中，系統都將會面臨更加極端的連接數、流量以及業務質量一致性壓力。另外兩種場景中，低功率大連接主要針對物聯網應用，而低時延高可靠則主要針對工業控制和車聯網等應用。
圖10. ITU對應用場景與典型業務的劃分
七．性能挑戰
在上述場景中，5G系統的性能指標需求不盡相同。關于具體的性能需求，ITU層面已經有了初步的結論。如圖11和12所示，ITU使用了一套具有8個指標維度的雷達圖來表征其性能要求。相比于4G系統，無論體驗速率、峰值速率還是連接數、時延和可靠性都會有相當大的提升。
在各項性能之中，很多人喜歡強調峰值速率。其實這個指標更多是給外行人看的噱頭。在一切隨緣充滿隨機性的移動信道中，一個能夠以較大概率實現的速率，或者說用戶體驗速率，才是真正有意義的性能指標。
圖11. ITU對5G的性能要求
圖12. ITU 5G性能需求與應用場景的對應關系
相比于ITU的雷達圖，國人的表達方式顯得更為雅致一些。如圖13所示，我國的IMT-2020組織將所有的指標要求更加形象地用一朵所謂的5G之花來歸納。其中六個花瓣代表六種關鍵性能，而紅花還要綠葉扶，因此圖中用三片綠葉表征三種效率指標。需要說明的是，因成本效率這一指標在實際中難以衡量，最終該項指標并沒有被ITU采納。
5G之花可謂鮮翠欲滴、美艷迷人，而其背后所代表的技術指標也是高得嚇人。此外，圖13的紅花綠葉間，還露骨地表達了5G系統將要以綠色、可持續發展的方式，讓這匹不能吃飽的老馬，背著諸多極端的性能指標需求飛速奔跑。
圖13. 描繪IMT-2020系統性能指標的5G之花
八．關鍵技術
5G之花的盛開，必然離不開一個以堅實的基礎技術為核心的強盛根系的支持。如圖14所示，在這一根系中，IMT-2020推舉出了最具潛力的12種關鍵技術。
圖14. 5G關鍵技術
相比于1～4G系統而言，5G可能不會以一種單一的多址技術為標志。其原因主要在于：面對終端連接數、流量及業務等多方面的嚴苛需求和復雜多樣的部署場景，目前沒有一種單一的物理層新技術能夠獨挑大梁包打天下支撐起所有的技術指標。這一情況，實際上也從側面戳中了通信技術的一個痛點。歷經幾十年的超速發展，移動通信技術的理論積累已經日漸枯竭。而產業發展不得不陷入了雞屁股等蛋，甚至恨不得要殺雞取卵的焦急狀態。
在上述12種關鍵技術中，最有潛力的幾個分支包括：大規模天線、高頻段、非正交多址和超密集網絡。這些技術的核心問題主要還是資源：通過向高頻段的擴展，占據更多資源；通過大規模天線、非正交多址和超密集網絡，更高效地利用資源。
九．演進路線
有人群的地方就會有左中右。因此，5G的演進過程中，一定也會存在路線斗爭的問題。圖15中給出了5G系統的可能發展路線。
圖15. 5G系統演進路線
演進型發展路線力圖以不殺人不見血或者少殺人少見血的方式，通過平順的和平演變逐漸實現5G的系統目標。實際上3GPP在LTE標準化過程中就采用了這樣一種不招搖、不聲張、悶聲發財的路線。3GPP在Rel-8提出要對3G系統進行長期演進，但究竟是多長時間的演進，到什么程度的演進，大家都心照不宣。等到ITU 4G指標一出，一套超越了4G性能需求的LTE系統已經成為既成事實。延續這種路線，5G系統可能難免會帶著濃厚的LTE氣息。
與演進路線針鋒相對的，是倡導建立一套完全有別于現有體系的所謂的革命性路線。革命不是請客吃飯，不是繪畫繡花，不是做文章，不能那樣雅致，那樣溫良恭謙讓。革命是暴動，是一個階級推翻另一階級的暴力行動。因此革命路線就是要推倒一切，重頭再來。但是基于目前看到的眾多潛在技術，追求叛逆的革命性路線想要完全超脫于現有LTE技術，也是相當有挑戰的。例如，所謂非正交多址技術，本身就沒有脫離OFDMA技術框架。與其說是一場革命，倒不如說是一種添磚加瓦雕梁畫棟式的演進。這也非常充分地說明了，OFDMA作為4G的多址技術本身相當靈活且易于擴展，用于移動寬帶系統并沒有根本性缺陷。再回顧一下前面提到的幾種關鍵的技術，它們很大程度上都是現有技術思路的演進，或者說極端化：多天線從多到更多、網絡覆蓋從密到更密集、寬帶系統從寬到更寬。所以目前看來，星星點點的一些革命火種尚難以形成燎原之勢。
除了勢不兩立的和平演變和革命路線，實際上還有第三種可能，即走中庸之道的折中主義路線。例如在6GHz以下，現有系統已經有了相當完備的設計，因而可走演進路線；在6GHz以上頻段，信道特征不明而信道資源豐富，完全可以考慮更為靈活的新空口結構。由于6GHz以上的多數頻點沒有公認的信道模型，3GPP 自9月起就會開始高頻段信道建模的研究工作。
路線斗爭的背后，絕不僅僅是單純的技術之爭，而更主要的還是利益之爭。既得利益者希望保持現有格局，之前沒撈到好處的希望咸魚翻身，打破固有勢力劃分重新洗牌。實際上，在5G系統的發展過程中，我們不但要善于打破一個舊世界，更重要的是如何去建設一個新世界。無論是血雨腥風的暴力革命、糖衣炮彈的和平演變還是騎墻觀風的中庸之道，推動5G都是為了一個更加美好的新世界。從這個意義上考慮，大家殊途同歸，各種路線的最終目標都應該是一致的。
十．推進計劃
如圖16所示，5G系統的推進大致可以分為研究、標準化和產品化三個大的階段。目前產業界對5G系統的推進已經有了相對比較明確的時間表。
? 在2016年之前，ITU會進行針對愿景、趨勢和頻譜的前期研究工作，而3GPP 將會開展針對過渡性技術方案的研究和標準化工作。這一階段的所謂4G增強技術，如elevation BF和FD-MIMO等，實際上已經帶有5G的影子；
? 2016～2017年，ITU將會定義5G的系統需求和評估方法，而3GPP自Rel-14將正式開始5G技術的研究工作；
? 2018年，ITU的5G技術需求一出，早有準備的3GPP馬上就能拋出一套完整的5G技術方案，此后便轉入標準化階段；
? 2019年，3GPP將完成5G系統第一版本的技術規范，而各廠商也將進入5G系統的產品化階段。
除了3GPP之外，目前還有很多研究和推進組織正在積極地開展5G相關的工作。其中包括歐盟的METIS及目前的5GPPP、韓國的5G Forum以及我國的IMT-2020和FuTURE組織。
圖16. 5G系統推進時間表
十一．國內動向
我國政府對于5G系統的研究和推進工作非常重視，提出了3G跟隨、4G同行、5G引領的口號，陸續設立了多項863和國家科技重大專項課題支持相關工作的展開。同時，在工信部、發改委和科技部的共同領導下，成立了IMT-2020推進組，負責引導國內企業和科研院所進行5G的關鍵技術研究、系統方案設計和推進工作。
圖17. 我國的IMT-2020推進組結構
值得一提的是，目前ITU已經基本確立采用我國提出的IMT-2020作為5G系統的正式名稱，而ITU針對5G確立的應用場景模型以及制定的系統需求與技術指標也在很大程度上源于我國IMT-2020組織的提議與貢獻。
十二．結束語
5G系統是通信界的又一場蟠桃大會。隨著移動互聯網和物聯網的飛速發展以及更為豐富的業務類型的涌現，除了作為承辦方的通信界之外，這場角色扮演的盛宴可能還會吸引到包括計算機、家電、家居、材料與器件甚至汽車制造業在內的五花八門的各路神仙和cosplay愛好者。眾多門派中，有人想扮演王母娘娘，去主導利益格局；有人只求吃上一口打了催熟劑的仙桃，從而身輕體健得道成仙，躋身于新的領域分一杯羹；有人為了力挽頹勢而奮力一搏，要在無限好的夕陽紅里延年益壽；有人急于占座，先在蟠桃大會的宴會廳里給自己立起了所謂pre 5G或者4.5G的牌位；有人默念著李宇春的《再不瘋狂我們就老了》，盤算著如何借著這場大會，把自己倡導的革命性創新技術加塞進移動通信系統的末班車里。只是不知道，誰會成為那只看管桃園的美猴王，攪動這十年一局的蟠桃大會，成為最終的贏家。
