移动通信自20世纪80年代诞生以来，经过三十多年的爆发式增长，已成为连接人类社会的基础信息网络。移动通信的发展不仅深刻改变了人们的生活方式，而且已成为推动国民经济发展、提升社会信息化水平的重要引擎。随着4G进入规模商用阶段，面向2020年及未来的第五代移动通信（5G）已成为全球研发热点。在全球业界的共同努力下，5G愿景与关键能力需求已基本明确，预计2016年将启动国际标准制定工作。为使5G技术研发和标准化形成合力，需尽快明确5G概念、技术路线与核心技术，这将对凝聚全球业界力量，推动5G发展具有极其重要的意义。 本白皮书从5G愿景与需求出发，分析归纳了5G主要技术场景、关键挑战和适用关键技术，提取了关键能力与核心技术特征并形成5G概念，在此基础上，结合标准与产业趋势，提出了5G适合的技术路线。
未来移动信论坛5G白皮书 未来移动通信论 目录 摘要… 1.引言 2.5G总体目标与框架. 555 2.15G总体需求 22设计框架 2.3频谱策略. 24测试需求 3.用户中心网络UCN......12 3.1UCN总体目标 3.1.1.端到总体架构与月标 -+- 3.,2.无线接人总体}际 3.2无线接入网框架 3.2.1.无线接入网重构… 3.2.2.增强边绿 16 3.2.3.心网与接A网重分… 3.2.4.网络切片即服务 33关键使能技术….… 3.3.1.IDN IS 332. C-RANINGEI ……20 33.3 SDN/NF 21 3.3.4.灵活的网络切片 24 3.3.5.网络能力开放.……………27 3.3.6.多连接与多空1 3.3.7.D2D.………31 3.3.8.动态网络 33 4.软件定义空口SDA_..... 中 4.1SDAI总体目标… a1· ::丰!国 36 4.2SDAI总体框架 4.3关键使能技术 4.3,1.统一自适应给构. 38 4.3.2.灵活双1…40 4.3.3.灵活多M 41 4.3.4.灵活波形 4.3.5.大翅模多天线… 44 4.3.6.新型湖制编码…46 4.3.7.灵活频谱放用…47 5.5G安全技术,48 515G安全架构 未来移动信论坛5G白皮书 未来移动通信论 52终端安全技术… 5.2.1.安全需求…11.10 5,22.关键技术 53空口安全技术… 53 5.3.1.安全需火 3 532.关键使能技术…11111 54数据处理和传输安全技术… 54 541.安全需 542.关键技术 55应用层安全技术 5.51.安全需求 5.52.关键技术 ………………………………………………57 56物理层安全技术 .57 5.6,1.安全需求. 5.6.2.关键使燃授术. 8 6.5G智能终端...111111 6.1智能终端通信需求. .6 62智能终端通信能力… 651 62.1.个人信息中心….152 62.2.了穿戴没 6.2.3.智能机器设备… 6.24.微型传感器 車国L 65 7.总结… 参考文献 n67 缩略语. 67 未来移动信论坛5G白皮书 未来移动通信论 1.引言 5G致力于应对2020后多样化差异化业务的巨大挑战,满足超髙速率、超低时延、髙速移动、髙能效 和超高流量与连接数密度等多维能力指标。 FuTURE论坛5G特别兴趣组(SIG)围绕着“柔性、绿色、极 速”的5G愿景,重新思考5网络的设计原则:香农理论再思考:为无线通信系统开启绿色之旅;蜂窝再 思考( Rethink Ring& Young):蜂窝不再( no more cell);信令控制再思考( Rethink signaling& control): 让网络更智能;天线再思考( Rethink antennas):通过 Smartie让基站隐形;频谱空口再思考( Rethink spectrun& air interface):让无绽信号量体裁衣”。围绕这些理念, FuTURE论坛5GSIG在5G网络架构、 RAN和空口研发方血的取得了显著进[1,2] 在5G业务场景与需求、关键技术逐渐明晰,以及5G标准化即将开展之时,迫切需要给出5G系统设 计框架以及面向标准化的系统解决方案。本白皮书(版本2.0)于之前的设计原则,进一步对前传链路 和协议栈再思考,聚焦用户中心网终(UCN)和软件定义空口(SDAI),重点关注如下内容: 5G总体框架与目标 ICN架构与关键使能技术 ·SDAI与关键使能技术 5G安全与智能终端技术 本白皮书(版本20)于2015年11月发布,目的是统共识,凝聚力量,应对5G标准化。后续版本 根据5G研发进展情况适吋更新。 2.5G总体目标与框架 215G总体需求 根据图2.1中业务预测报告显示:2014到2019年全球MT流量将进一步快速增长,总的流量上涨倍 数达到几十到100倍[3]。另外,我国“互联网+国家战略需求中明确指出:未来电信基础设施和信息服务 要在国民经济中下沉,满足农业、医疗、金融、交通、流通、制造、教育、生活服务、公共服务、教育和 能源等垂直行业的信息化需戏,改变传统行业,促生跨界创新。因此,未来5G网终不仅需要继续面对移 动互联网业务带来的挑战,例如:频谱效率和用户体验速率的提升,时延的减少,移动性的增强等,同时 还需要满足物联网多样化的业务需求。 未来移动通信论坛 未来移动通信论坛5G白皮书 从信息交互对象不同的角度出发,日前5G应用分为三大类场景:增强移动宽带(eMBB)、海量机 器类邐信(mM'TC〕和超可靠低时延通信(eMTC)。eMBB场景是指在现有移动宽带业务场景的基础上, 对于用户体验等性能的进一步提升,主要还是追求人与人之间极致的通信体验。mMTC和uMTC都是物联 网的应用场景,但各自侧重点不同。mMTC主要是人与物之间的信息交互,而uMTC主要体现物与物之间 的通信需求。 30 m Latin America (a, 4% 57%GAGR20142019 57%5GAGR20142019 25 cEtral and Engtom Europe(14.4%1 a Mobile File Sharing (1%12%1 Westem Europe(9.9) a Mobiie Audio. $. 7%) aNorth America (15.72) Mohle Web Cela/volP (699 19%% Exabytes eAsia Pacifi (39 1%0 a Mobile Video 1557. per Month Exabves 5 201420152016201720132019 201420152016201720182019 Fi的 ruter Dregor图的209 Source Cion W lte 2015 (a)仝球不同区域业务增长趋势 (b)仝球业务类型增长趋势 sOter Portable Devres (0.2%..2%).Tabets(1.3% cAGR2014-2019 12(3%2) 日M2M⑦7%28% eSmanlgh nea (9% 40m) .No-St phon 61%.271) 10 B Ilians of 6 evices 4 2 0 201420152016201720182019 Gauge cion abbie, a15 c)全球终端及连接数增长趋势 图21全球移动业务20142019增长趋势 5G网络关键能力指标(KPI)在不同场景下侧重点不尽相同。本白皮书第一版(版本v10)[2]定义了 两类KPI:一是速率、时延、密度和移动性等性能指标,二是频谱效率、能效效率以及成本效率等效率指 标。本白皮书与T41相比,两者定义的KP指标基本一致。但前者定义了ITU没有定义的端到端时延 和成本效率指标,对于频谱效率的指标要求也要高于TTU图22给出了具体的KP目标值,可见为了追 求极致的用户体验,有些如车联网和工业互联网等场景对于5G部分KPI指标要求极具挑战性。 未来移动信论坛5G白皮书 未来移动通信论 Peak Data rate Mobili Radio Latency 210Gp Enhanced Mobile Dats Rate Hgh portent User Eperience up ta saCkmh /stme Medun Connection Density ilion/Km2 Torsion Tratfic Volume Density CE: Neiwork Enerry Eiciency Moblity(m/h E2ELatency Massive machin und tawe latency type communication MNmm证and Data Rate cannesthan Dnty Latency sCONE Devices km2 图225G能力KPI(引自 Future-Foru第一版白皮书[2]及IrU愿景报告[4) 为了满足2020后的eMBB需求,一方面,4G空口将持续演进和增强:通过更多的录波聚合(如32 载波)和多天线增强,如 FD-MMO, Massive mimo等实现更高吞吐率:通过多连接、多RAT融合持绥 增强技术实现更好的异组网和用户体验;通过更加灵活的频谱使用增加可用频率总量和频率利用效率。 另一方面,为了达到5G部分极高KP指标,如10Gbps峰值速率,需要引入5G新空口和新技术特性。 为了满足mMTC场景需求,基亍輯G的M2M特性将在技术和实现上持续演进和增强,满足一定场景 的需要。更重要的,需要设计全新的针对低功耗、大连接、低成本、深度覆盖的5G物联网新空口,针对 物联网业务特性设计全新的系统带宽,选择合理的载波设计,优化实现信令过程和业务过程,以极低的成 本满足木来「亿连接的物联网广泛普及使用的需求 为了满足uMTC场景需求:扣晨车联网、工业控制等场景,方面可以基于现有LTE-A系统,进 步扩展和增强D2D特性、群组通信特性等支持更多行业的扩展,另外可以在后向兼容的基础上设计新子 帧结构和传输辶程,缩短端到端时延,提升用户体验。但是4G增强很难满炷5G提出的1ms空口时延以 及9999%可靠性的需求,所以需要设计5G新空口,引入新的载波设计,缩短子帧长度,支持浙的调度 和资源分配模式,新的组网形态和端到端传输方式等以缩短时延,同时引λ先进的编码调制,先进的传输 方式以提高传输的可靠性。 由于支持的场景众多,频率范围广,5G空口设计上应尽量灵活可配置,避免多网络重复建设,降低 系统复杂度和整网成本。尽量统一灵活空口设计将成为5G空口重要目标。 综上,在5G演进路线上,4G及其演进系统与5G系统将长期共存,并与其它无线宽带技术(如下 代WIAN)紧密融合,如图23所示。4G演进主要面向6GH以下颁段,满足部分5G场景和需求,5G 新空冂则同时工作在低频段和高频段,满足全部5G场景和需求。 未来移动信论坛5G白皮书 未来移动通信论 WLAN 3G!4G others LTL 4G route ed吧ent sG route 56 new RIT/RITs 图235G技术路线图 22设计框架 5G设计框架包含了5G愿景、5G场景、5G能力、设计理念、核心技术、测试评估和5G方案等多个 要素。网终愿景是“柔性、绿色、极速”[2]。目标场景是eMBB、mMTC和uMTC,包括移动互联网、工业 互联网和车联网以及其他具体场景[4。为实现愿景和场景目标,图2.2清晰的定义了5G能力。如图2.4 和2.5所示,为了实现这些日标和能力,5G设计理念从昏农理论再思考、蜂窝再思考、信令控制再思考、 天线再思考、频谱空口再思考[2,到前传再思考和协议栈再思考,全面定义5G设计原则。基于这些理念, UCN和SDAI两个核心概念被明确作为5G系统解决方案的基础,这里UCN通过RAN架构和功能重定义, 尝试提供一个拥有公共的高层协议的统一的无线接入架构,而SDAI通过空口不同功能模块的重定义,提 供一个具备面向各种差异化业务和场景的定制能力的统一空凵。UCN和SDA中关键使能技术的性能将被 评估和测试,同时考虑频谱策略和测试测量技术,以验证技术UCN和SDAI的5G解决方案是否能达到 5G能力目标,这是一个闭环设计过程。 SG vision R&D theme: Rethink Fundamentals Spectrum a iciest only Rethink shannon Soft To start a green journey of wireless systems Network centre design Rethink Ring Young For no more "cells" Large data packet optimIzed Rethink Signaling Control Green To make network application/load aware Environmentally intrusive Rethink Antonn To make BS invis ble "Global optmized tade-oft Rethink Spectrum Air Interface Super Fast To enable wireless signal to ciress far the occasion 图24从5G愿景到研发理念[2] 未来移动信论坛5G白皮书 未来移动通信论 5G愿景 评估测试 5G理念 香农理论再思考 蜂窝念再思考 5G能力 信金控制再思零 用户为中心网络UCN RAN重构增强边缘№ 3 L)·频谐空口再忠考 RAN构网绝切片即服多 天线形态再思考 5G方枭 賓件定义空囗SDA 前传路再思考 帕双工疹址/破形压 协议核冉思考 线/摄制编码频谓 5G场景 图2.55G设计框架 23频谱策咯 上述对5G总体需求的饼究表明无论从增强的移动宽带的业务需要还是海量的机器类通信的人与物和 低时延高可靠的物与物的通信需求,都需要有未来对新的频谱、更大带宽的频谱的要求,特别是用户业务 需求和应用的增长、以及设备连接数的百亿级需求对于无线新技术和新频谱都提出了更高的要求 ITUR在WRC15研究周期甲(针对WRC-15AI1.1),对满足未来2020年以前的频谱需求和候选频 段进行了广泛深入研究,开展了如图26所示候选频段的共存分析和频段使用的研究: 470694/6981350140014271452149215181525 16951710MHz) 2700 290333003400 360037003800 4200MH2 44004500 4800 535054705725585059256425MH 图26IUR研究的6GH以下候选频段 在2015年11月即将召开的2015世界无线电大会上将完成对新的MT候近频段的确认分配工作。我 国也积极开展∫IMT候选频畏的研究,提出」3300-3400MHz,4400-4500MH,以及4800-4990MH 的候选频谱的支持意见 但从目前的各国提出的候选频段在IU和各区域组织的讨论上看,各地区、国家候选频谱的提出比较 分散不统一,并且距IU研究组测算的频谱需求总量还有比较大的缺口,未来移动通信论坛支持产业界的 未来移动通信论坛 未来移动通信论坛5G白皮书 努力,在WRC-15的后期准备和大会期间,积极推动满足未来频谱需求预测所需的额外频谱的确认工作, 来满足未来移动通信2020年以前的业务要求。 为了更好的满足2020年及以后移动通信业务持续发展的需要, TU-R WP5D完成了 IMT VISION的研 究工作,制定了5G发展的愿景和需求,并明确了5G的命名为“IMT-2020”。目前全球各地区的研究机构 以及工业界也都开始了有关5G相关技术和频谱的研究工作,因此各区域无线电规则组织也都在考虑为下 届大会wRC-19建立MI相关议题,目标是在下届大会上确认M'全球统一的5频谱。由于5G需要更 高的速率和带宽,6GH以上高频段成为研究的热点。技术方面, ITU-R WP5D已经完成了 IMTABOVE 6GHz的研究报告,研究6GHz以上的频發用于MT的技术可行性,以及相关的使能技术,如,有源和无 溟部件、天线技术、部署架构和仿真、特性测试的一些结果。该报告在2015年7月的SG5的会议上得到 通过。频率方面,目前部分地区和国家已积极支持WRC-19为MT成立相应的议题,研究未来6-100GHz 频段IMT的候选频段,满足2020年以后到2030年的MT的频谱需求,并在理U下一研究周期展开相应的 候选频段、共存研究分析的工作。这里列出仝球率划分均为MS主用划分的频段,如图27所示 642 8.5 10.510.6810.711.7122125127513.2514415.3517819.7(GH2) 21,2 23.6 75 75 253131.336 40.5 425 47(GHZ) 472 50250.452655.78 7581 861GHz) 图276-100GH频段IT的候选频段 木来移効通笮论坛,支持在WRC-15大会上为下届大会WRC-19确立IMI新的议题,并积极丌展5G 相关技术和频谱的研究,特别是在6GH-100GHz频段用于MMT的可行性和信道测量与建模方面丌始了相 关的矿究工作 未来移动通信论坛,也对未来5G频率部署展开了技术讨论,基本观点为满足未来5G的业务需戏, 耑要有低频段的覆盖,还需要像2.6GHz、3.5GHz这样的满足容量要求的频段,冋时需要6GHz以上的高 频段的部署,并通过波束赋形等5G技术,支持吏高要求的宽带业务需求。米来移动通信论坛将后续研究 高频段的技术特性,对高频段使用的候选技术、颎段展开进一步的硏究。