移动通信标准发展大致分成四个阶段

在谈这个问题之前，首先我们来谈谈另一个问题：为什么我们需要一个新的移动通信标准？
一定是出现了现有标准无法解决的新问题。
总体上看，一个标准的诞生，从整个流程来看应该会大致分成四个阶段：
1、问题发现和抽象阶段；
2、定义系统关键性能指标 –KPI
3、制定并发布标准；
4、标准完善与演进阶段。

李辰圻

2019-7-12 09:14:11

一、问题的发现与抽象
因此，制定一个标准第一步就是找到新的问题，而这些问题通常是现有标准很难解决的。

以制定5G标准为例：上一代，也就是4G的LTE-Advanced系统可以很好的提供单小区（峰值速率）大约1Gbps的移动宽带接入服务，用户在网络质量好的情况下可以享受到大于1Mbps的用户体验速率，目前的视频、微信等各种APP都能正常的运行。那么，是不是就没有问题了呢？不是的，还有至少两个问题需要解决：
1．面对类似VR、AR这类新的业务模式，用户需要更高的体验速率。在ITU M.2083 (IMT.Vision)中，提出了5G系统需要提供高达100Mbps的用户体验速率，这个以目前LTE-A的设计能力上限（32载波聚合+ MIMO + 256QAM）很难实现。
2．针对物联网（IoT）的优化。IoT[业务的应用场景很多，热门的包括智能穿戴设备、智慧城市、车联网和工业控制等。在5G的应用场景讨论时，这些应用场景被分为两类：海量物联网（mMTC）和低时延高可靠（URLLC）。
a. mMTC包括智能穿戴设备、智慧城市等场景，目标是提供极大的系统容量，为百万计的低功耗IoT终端提供服务。目前大红大紫的NB-IoT就是针对这种场景设计的，未来NB-IoT在5G的演进版本将会满足这个场景对应的百万终端连接能力、低功耗、大覆盖等设计指标。
URLLC（也称为关键业务控制- Mission Critical）包括车联网、工业控制、无人机控制等场景，目标是在保证超低时延的同时提供超高的传输可靠性。在移动通信系统设计中高可靠传输通常是牺牲时延通过多次重传（HARQ/ARQ）达到的，而低时延传输通常又是放松可靠性要求满足的，可以说二者是矛盾的一对设计指标。在工业控制场景中控制信号要求1ms的传输时延内达到10^-5的错误率。这个指标非常苛刻，即便采用了rel-14/15优化后的LTE帧结构（shorten TTI）也很难达到。同时，URLLC还定义了新的系统设计指标 – 可用性（availability），即终端在绝大多数时间(如95%)都可以享受服务，同时中断服务的时间上限应小于某个门限（如10ms）。

这是IMT-2020PG的例子
在问题发现和抽象阶段，来自世界各地的5G工作组和论坛起到了巨大作用。这其中包括IMT-2020推进组（中国）、未来移动通信论坛（中国）、5GPPP（欧洲）、5G Forum（韩国）、5GMF（日本）、5G Americas（美国）和运营商论坛 –NGMN。各个工作组、论坛分别搜集、整理来自本国或本地区的需求，并抽象成对应的场景。这些场景大部分都以白皮书的形式发布，作为5G系统设计的重要参考。
为了制定全球统一的5G标准，这些场景需要有一个国际性的权威组织统一整理后，制定一个正式的5G需求并发布。这个5G通信标准认定、发布的唯一机构就是ITU（国际电联）。ITU是通信界的联合国，是由各国***组成的。在中国，ITU代表团是由多个***部门组成的，其中移动通信的代表是由工信部选定并领导的。需要注意的是：ITU只负责发布5G标准的场景和设计目标并最后评估、认定5G标准；ITU并不具体制定5G标准，这些具体技术工作是由3GPP、IEEE等行业标准化组织完成等。ITU在收到以上各个组织的输入后，经过会议讨论，发布了5G的场景和需求报告 –ITU Recommendation M.2083 –IMT.Vision，用以指导5G标准的制定。
下图就是ITU整理出的三大5G应用场景和对应的应用实例。三个应用场景分别是：增强移动宽带（eMBB）、低时延高可靠通信（URLLC）和海量物联网（mMTC）。图中的应用实例分别对应不同的场景，有些的还会兼具不同场景的特点。例如增强现实（AR）业务，既要求eMBB的大数据量，还要求URLLC的较低传输时延。而智能家居中既有遥控器、传感器这种低功耗（mMTC）设备，又包括视频共享这种典型的eMBB大数据量业务。

一、问题的发现与抽象
因此，制定一个标准第一步就是找到新的问题，而这些问题通常是现有标准很难解决的。

以制定5G标准为例：上一代，也就是4G的LTE-Advanced系统可以很好的提供单小区（峰值速率）大约1Gbps的移动宽带接入服务，用户在网络质量好的情况下可以享受到大于1Mbps的用户体验速率，目前的视频、微信等各种APP都能正常的运行。那么，是不是就没有问题了呢？不是的，还有至少两个问题需要解决：
1．面对类似VR、AR这类新的业务模式，用户需要更高的体验速率。在ITU M.2083 (IMT.Vision)中，提出了5G系统需要提供高达100Mbps的用户体验速率，这个以目前LTE-A的设计能力上限（32载波聚合+ MIMO + 256QAM）很难实现。
2．针对物联网（IoT）的优化。IoT[业务的应用场景很多，热门的包括智能穿戴设备、智慧城市、车联网和工业控制等。在5G的应用场景讨论时，这些应用场景被分为两类：海量物联网（mMTC）和低时延高可靠（URLLC）。
a. mMTC包括智能穿戴设备、智慧城市等场景，目标是提供极大的系统容量，为百万计的低功耗IoT终端提供服务。目前大红大紫的NB-IoT就是针对这种场景设计的，未来NB-IoT在5G的演进版本将会满足这个场景对应的百万终端连接能力、低功耗、大覆盖等设计指标。
URLLC（也称为关键业务控制- Mission Critical）包括车联网、工业控制、无人机控制等场景，目标是在保证超低时延的同时提供超高的传输可靠性。在移动通信系统设计中高可靠传输通常是牺牲时延通过多次重传（HARQ/ARQ）达到的，而低时延传输通常又是放松可靠性要求满足的，可以说二者是矛盾的一对设计指标。在工业控制场景中控制信号要求1ms的传输时延内达到10^-5的错误率。这个指标非常苛刻，即便采用了rel-14/15优化后的LTE帧结构（shorten TTI）也很难达到。同时，URLLC还定义了新的系统设计指标 – 可用性（availability），即终端在绝大多数时间(如95%)都可以享受服务，同时中断服务的时间上限应小于某个门限（如10ms）。

这是IMT-2020PG的例子
在问题发现和抽象阶段，来自世界各地的5G工作组和论坛起到了巨大作用。这其中包括IMT-2020推进组（中国）、未来移动通信论坛（中国）、5GPPP（欧洲）、5G Forum（韩国）、5GMF（日本）、5G Americas（美国）和运营商论坛 –NGMN。各个工作组、论坛分别搜集、整理来自本国或本地区的需求，并抽象成对应的场景。这些场景大部分都以白皮书的形式发布，作为5G系统设计的重要参考。
为了制定全球统一的5G标准，这些场景需要有一个国际性的权威组织统一整理后，制定一个正式的5G需求并发布。这个5G通信标准认定、发布的唯一机构就是ITU（国际电联）。ITU是通信界的联合国，是由各国***组成的。在中国，ITU代表团是由多个***部门组成的，其中移动通信的代表是由工信部选定并领导的。需要注意的是：ITU只负责发布5G标准的场景和设计目标并最后评估、认定5G标准；ITU并不具体制定5G标准，这些具体技术工作是由3GPP、IEEE等行业标准化组织完成等。ITU在收到以上各个组织的输入后，经过会议讨论，发布了5G的场景和需求报告 –ITU Recommendation M.2083 –IMT.Vision，用以指导5G标准的制定。
下图就是ITU整理出的三大5G应用场景和对应的应用实例。三个应用场景分别是：增强移动宽带（eMBB）、低时延高可靠通信（URLLC）和海量物联网（mMTC）。图中的应用实例分别对应不同的场景，有些的还会兼具不同场景的特点。例如增强现实（AR）业务，既要求eMBB的大数据量，还要求URLLC的较低传输时延。而智能家居中既有遥控器、传感器这种低功耗（mMTC）设备，又包括视频共享这种典型的eMBB大数据量业务。

刘东

2019-7-12 09:14:21

二、定义系统关键性能指标 –KPI
归纳定义好通信场景后，就进入了系统设计阶段。第一步，我们需要针对每个场景抽象出通信系统需要具备的能力，也就是关键性能指标 –KPI（Key Performance Indicator）。对于通信系统而言：应用场景是面向最终用户的，而系统设计则是工程师的工作。KPI连接了用户和设计系统的工程师，就像是婴儿的脐带：源源不断为系统设计提供素材，供应着5G系统的成长。
IMT.Vision针对三个场景定义了一系列设计目标，其中包含了8个量化的KPI：数据峰值传输速率、用户可体验传输速率、时延、可靠性、单位面积的连接密度和流量密度、最大移动速度、频谱效率和网络能效。此外，还有一些设计目标（如安全和隐私保护、频率使用的灵活性、低功耗物联网终端的工作周期）不易被量化，被保留到制定标准阶段再具体定义。
需要特别强调的是，一个5G标准需要同时满足IMT.Vision中所有的KPI中，才能称之为5G标准。也就是说，仅仅满足其中一项或几项的标准是不能被称为5G标准的。目前看起来，只有3GPP有制定满足一整套5G需求标准的计划，其他标准组织都聚焦在其中部分应用场景。
考虑到大家比较熟悉IMT-2020推进组的5G之花，这里没用IMT.Vision的雷达图，而是用了5G之花来介绍一下5G的KPI。考虑了（中国以外）别的国家和地区的需求，两者在KPI的取值上有一些区别，但KPI的定义是基本一样的。
5G之花的花瓣就是IMT-2020推进组提供的5G和4G在6个指标上的对比。我们可以看到在eMBB最重要的指标 – 数据传输速率上：5G能实现大于10Gbps的峰值速度，是4G的10倍以上；100Mbps以上的用户体验速率，也是4G的10倍以上。而三片绿叶指出：5G需要对能效、频谱效率和成本效率三个方面同时进行改进和提升。

魏红

2019-7-12 09:14:28

三、5G标准制定
KPI把场景量化到了系统设计目标，之后就进入了标准制定阶段。在行业里有句话叫：标准组织搭台、企业唱戏。针对这些场景和KPI，各个公司的研发团队会分别选择关键技术并设计自己的解决方案。这些企业来自通信行业的各个协作角色：提供基站的华为、爱立信、诺基亚和中兴；销售芯片的高通、英特尔和展讯等；运营网络的中国移动、中国联通和中国电信等；制造手机的三星、联想、酷派、OPPO、VIVO、苹果等。值的注意的是，一些互联网巨头（Ali、Google、Facebook）和汽车行业的GM（通用汽车）也加入了3GPP参与到5G标准制定的行列。
在各个技术方案提交到标准组织讨论之前，大多数会通过各个场合互相交流，并试图通过充分的讨论完善整个技术方案。这个时期的交流既包括各种5G峰会，也有行业内的大公司之间的交流，为的是统一思想、保证5G设计不出现方向性的分歧。
经过长时间的酝酿和准备，3GPP在2015年9月召开了一次5G研讨会，各家公司都描绘了心目中的5G关键技术。这些技术被总结、归纳之后，随后3GPP在2015年12月正式启动了5G的标准制定。简单的说，标准制定分为研究阶段和标准制定阶段，前者是确定技术方向（如信道编码采用Turbo、LDPC还是Polar），后者是确定具体设计（如LDPC的编码矩阵设计）。
在标准制定阶段，各个公司的参会代表将方案分别提交给对应的标准组织，并在标准会场进行技术讨论。通过充分的技术讨论，标准组织在每个技术点（编码、调制、多址、接入、波形等等）分别选择出最优秀的技术方案，并根据这些方案设计出完整的通信系统。
标准通常并不记载全部的系统设计细节，而只规定必要的网络实体（如基站、终端、各种核心网逻辑设备）和不同网络实体之间的接口和通信方法。例如：基站与手机之间的信令会影响到来自不同制造商的基站和手机之间通信，因此需要被标准化；而基站调度小区内多个手机的方法是基站的实现方法，并不需要手机知晓，因此就不需要标准化。
标准完成后会正式发布，供所有行业内的公司执行。目前3GPP是按照版本（Release）发布的，版本之间间隔大约1年到2年，一个版本内所有的新技术特征会统一发布。按照目前的计划，3GPP把5G标准分为两个阶段，第一阶段（Release-15）会在2018年的6月发布，这个版本不能满足所有的KPI，因此不是严格意义上的5G标准。第二阶段（Release-16）将在2019年底发布，这个版本将是真正的5G标准。

标准制定中难免有疏漏和错误。各个厂家会将执行中发现的标准错漏写成技术文稿（CR）提交到标准组织，讨论通过后标准会被相应的修定。相应的标准也会被升级到新的版本。

三、5G标准制定
KPI把场景量化到了系统设计目标，之后就进入了标准制定阶段。在行业里有句话叫：标准组织搭台、企业唱戏。针对这些场景和KPI，各个公司的研发团队会分别选择关键技术并设计自己的解决方案。这些企业来自通信行业的各个协作角色：提供基站的华为、爱立信、诺基亚和中兴；销售芯片的高通、英特尔和展讯等；运营网络的中国移动、中国联通和中国电信等；制造手机的三星、联想、酷派、OPPO、VIVO、苹果等。值的注意的是，一些互联网巨头（Ali、Google、Facebook）和汽车行业的GM（通用汽车）也加入了3GPP参与到5G标准制定的行列。
在各个技术方案提交到标准组织讨论之前，大多数会通过各个场合互相交流，并试图通过充分的讨论完善整个技术方案。这个时期的交流既包括各种5G峰会，也有行业内的大公司之间的交流，为的是统一思想、保证5G设计不出现方向性的分歧。
经过长时间的酝酿和准备，3GPP在2015年9月召开了一次5G研讨会，各家公司都描绘了心目中的5G关键技术。这些技术被总结、归纳之后，随后3GPP在2015年12月正式启动了5G的标准制定。简单的说，标准制定分为研究阶段和标准制定阶段，前者是确定技术方向（如信道编码采用Turbo、LDPC还是Polar），后者是确定具体设计（如LDPC的编码矩阵设计）。
在标准制定阶段，各个公司的参会代表将方案分别提交给对应的标准组织，并在标准会场进行技术讨论。通过充分的技术讨论，标准组织在每个技术点（编码、调制、多址、接入、波形等等）分别选择出最优秀的技术方案，并根据这些方案设计出完整的通信系统。
标准通常并不记载全部的系统设计细节，而只规定必要的网络实体（如基站、终端、各种核心网逻辑设备）和不同网络实体之间的接口和通信方法。例如：基站与手机之间的信令会影响到来自不同制造商的基站和手机之间通信，因此需要被标准化；而基站调度小区内多个手机的方法是基站的实现方法，并不需要手机知晓，因此就不需要标准化。
标准完成后会正式发布，供所有行业内的公司执行。目前3GPP是按照版本（Release）发布的，版本之间间隔大约1年到2年，一个版本内所有的新技术特征会统一发布。按照目前的计划，3GPP把5G标准分为两个阶段，第一阶段（Release-15）会在2018年的6月发布，这个版本不能满足所有的KPI，因此不是严格意义上的5G标准。第二阶段（Release-16）将在2019年底发布，这个版本将是真正的5G标准。

标准制定中难免有疏漏和错误。各个厂家会将执行中发现的标准错漏写成技术文稿（CR）提交到标准组织，讨论通过后标准会被相应的修定。相应的标准也会被升级到新的版本。

袁媛

2019-7-12 09:14:31

四、中国产业界的积极参与
题主觉得非常有必要强调一下中国力量在5G标准的积极参与与推动。
中国的移动通信标准界在信通院的领导下，在2013年初成立了IMT-2020推进组。并同时成立了三个工作小组：5G需求、5G无线技术和5G网络技术。
2014年5G需求小组完成了IMT-2020推进组的《5G愿景和需求》白皮书，并提交给ITU的需求讨论中。这份白皮书将5G归纳为4个场景：广域连续覆盖、热点高容量小区、低时延高可靠和低功率海量物联网。在ITU中，前两个场景被归纳为增强移动宽带（eMBB）业务，而后两个场景被直接采纳。同时，白皮书中5G的9个KPI有8个被ITU采纳。由此可见中国5G的研究从需求阶段就被业界广泛认可。
推进组中5G无线技术和5G网络技术组于2015年发布无线技术和网络技术白皮书。其中推荐的几个主要技术UDN、Massive MIMO、新型波形与多址、新编码、NFV、SDN和网络切片也都成为标准化的热点。
目前，中国5G网络商用时间表已正式出炉，三大运营商将在2020年正式商用5G网络。2015年9月，工信部领导的5G技术研发试验正式开始。目前已经完成第一阶段的单项技术验证，并进入验证基站到终端通信能力的第二阶段测试。第三阶段将于2017年9月开始，将验证多厂商的互通能力。2018年9月到2019年底，试验将进入产品研发试验阶段，为2020年的正式商用5G网络做好准备。与激进的日、韩、美国相比，这个计划显得更加沉着而有备，在商用之前进行为期4到5年的技术和产品研发试验；与经济状况欠佳而行动迟缓的欧洲相比，中国的测试计划则更加进取，这也是中国在移动通信产业从制造领先转向研发领先的明证。
参考文献：
[1] ITU-R M.2083, IMT Vision - "Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond", Sep. 2015.
[2] IMT-2020推进组，5G Vision and Requirements, Apr. 2014.

李俐

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李辰圻

刘东

魏红

袁媛

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