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第五代移动通信系统正朝哪个方向发展？
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多天线技术
移动通信
各类新型业务的兴起以及用户规模的迅猛发展，推动着移动
通信
系统的持续演进与革新。在十年一轮回的移动通信系统发展历程中，众多技术流派在激荡的浪潮中历尽沉浮。有多少技术方案曾如焰火般惊艳乍现，而后却在转瞬间化作过眼云烟，被尘封在故纸堆中。又有多少技术方案能真正经得起理论、实践与市场的多重考验，从而有机会在人类文明史上留下一丝更为清晰的痕迹。如今4G系统的发展方兴未艾，5G的步伐就已紧随其后。移动通信系统的发展即将开启新的篇章。
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（4）
宫素香
2019-8-19 14:55:35
一．演进历程
移动通信系统的发展，十年一轮回。如图1所示，第一代到第四代系统都是以标志性多址技术+典型业务类型作为其断代依据：最早的商用移动通信系统采用了FDMA方式，能够支持模拟话音业务；第二代系统采用了TDMA方式，支持数字化的语音及低速率数据传输业务；第三代系统采用了CDMA多址技术，能够支持多媒体业务；第四代系统则采用了OFDMA技术，支持移动宽带（MBB）业务。
第五代系统是否仍然会沿用这种以多址技术革新和典型新业务为分界点的划分方式呢？5G系统又将具有哪些显著特征？会以什么样的技术为支撑？要做出这样的预测，首先需要从业务、市场和技术等多方面的发展趋向说起。
图1.移动通信系统的演进历程
二．总体趋势
1.
移动互联网
图2中描绘了移动通信系统的总体发展趋势。其中，脱胎于传统电信网络的移动通信系统是以话音作为主要业务的。随着多媒体业务的兴起和CDMA技术应用，自3G系统开始，数据传输业务开始逐渐增加，并日益成为一种重要的业务类型。于此同时，与传统的移动通信系统并列的计算机系统也逐渐沿着从独立的个人电脑向着以固定的网络接入为主的桌面互联网方向演进。传统的通信系统和计算机系统，一个要移动一个要互联，本来是你走你的阳关道，我走我的独木桥。但是，随着各自势力范围的扩大，两股势力在一个新的领域逐渐相互的渗透和融合。正是这种融合，推动了所谓的移动互联网的迅猛发展。移动终端的发展形态就很好的印证了这两种网络的融合。如今的智能手机越来越像电脑，而源自电脑的各种PAD却越来越像手机。它们之间的界限正在变得越来越模糊。
图2. 移动通信系统总体发展趋势
实际上，这种所谓的融合在一定程度上也是电信和计算机界相互斗争的结果。划分室内外的墙壁是这两股势力争夺的最初焦点。一座座建筑构成了一个个小小的围城，关在室内的计算机网想要通过WiMax突围到广阔的室外天地中大有作为。而以广域覆盖为专长的移动通信网则想要继续攻城略地，内外通吃一统天下。从标准化和网络部署与应用的实际情况来看，以LTE为代表的传统电信势力似乎占据了绝对优势。但是这一表面上的优势却并不意味着计算机界的落败，对其而言无非是不需要再为了喝口牛奶而去亲自养奶牛罢了。在应用为王的移动互联网时代，更是没必要为了几分薄利，再到通信民工更为擅长的管道铺设领域去挤占我们最后的一亩三分田。
随着智能终端的普及，以OTT为代表的种类繁多的应用已强势地挤占了传统电信业务的盈利空间，导致利润向上层业务和终端领域的转移。而应用层面本就是计算机领域的传统势力范围。同样是由于智能化程度的大幅度提升，终端的诸多应用功能已经反客为主，反而使通信功能渐渐沦为一根不能彻底弃之的鸡肋条。在一个靠粉丝靠情怀吸引用户的时代，终端领域的一个个老牌通信巨头们纷纷被苹果这样以计算机起家的企业打得落花流水。
2.
物联网
有人说，一切皆可数字化。对于通信界而言，与之对应的下一句就是一切皆可互联互通。因此，除了移动互联网之外，另一类新型的网络形态主要就是由遍布在我们四周的原本相互独立的设备所构成的所谓物联网。如果说移动互联网基本还属于人的网络，那么物联网则是包络了物与物、人与物的更为广阔的网络。
业界对5G的构想便是，在这两张网络的支撑下，通过云计算等新型技术，在2020年左右构建出一个能够实现万物互联、无处不在，而又让人身临其境的通信系统。
一．演进历程
移动通信系统的发展，十年一轮回。如图1所示，第一代到第四代系统都是以标志性多址技术+典型业务类型作为其断代依据：最早的商用移动通信系统采用了FDMA方式，能够支持模拟话音业务；第二代系统采用了TDMA方式，支持数字化的语音及低速率数据传输业务；第三代系统采用了CDMA多址技术，能够支持多媒体业务；第四代系统则采用了OFDMA技术，支持移动宽带（MBB）业务。
第五代系统是否仍然会沿用这种以多址技术革新和典型新业务为分界点的划分方式呢？5G系统又将具有哪些显著特征？会以什么样的技术为支撑？要做出这样的预测，首先需要从业务、市场和技术等多方面的发展趋向说起。
图1.移动通信系统的演进历程
二．总体趋势
1.
移动互联网
图2中描绘了移动通信系统的总体发展趋势。其中，脱胎于传统电信网络的移动通信系统是以话音作为主要业务的。随着多媒体业务的兴起和CDMA技术应用，自3G系统开始，数据传输业务开始逐渐增加，并日益成为一种重要的业务类型。于此同时，与传统的移动通信系统并列的计算机系统也逐渐沿着从独立的个人电脑向着以固定的网络接入为主的桌面互联网方向演进。传统的通信系统和计算机系统，一个要移动一个要互联，本来是你走你的阳关道，我走我的独木桥。但是，随着各自势力范围的扩大，两股势力在一个新的领域逐渐相互的渗透和融合。正是这种融合，推动了所谓的移动互联网的迅猛发展。移动终端的发展形态就很好的印证了这两种网络的融合。如今的智能手机越来越像电脑，而源自电脑的各种PAD却越来越像手机。它们之间的界限正在变得越来越模糊。
图2. 移动通信系统总体发展趋势
实际上，这种所谓的融合在一定程度上也是电信和计算机界相互斗争的结果。划分室内外的墙壁是这两股势力争夺的最初焦点。一座座建筑构成了一个个小小的围城，关在室内的计算机网想要通过WiMax突围到广阔的室外天地中大有作为。而以广域覆盖为专长的移动通信网则想要继续攻城略地，内外通吃一统天下。从标准化和网络部署与应用的实际情况来看，以LTE为代表的传统电信势力似乎占据了绝对优势。但是这一表面上的优势却并不意味着计算机界的落败，对其而言无非是不需要再为了喝口牛奶而去亲自养奶牛罢了。在应用为王的移动互联网时代，更是没必要为了几分薄利，再到通信民工更为擅长的管道铺设领域去挤占我们最后的一亩三分田。
随着智能终端的普及，以OTT为代表的种类繁多的应用已强势地挤占了传统电信业务的盈利空间，导致利润向上层业务和终端领域的转移。而应用层面本就是计算机领域的传统势力范围。同样是由于智能化程度的大幅度提升，终端的诸多应用功能已经反客为主，反而使通信功能渐渐沦为一根不能彻底弃之的鸡肋条。在一个靠粉丝靠情怀吸引用户的时代，终端领域的一个个老牌通信巨头们纷纷被苹果这样以计算机起家的企业打得落花流水。
2.
物联网
有人说，一切皆可数字化。对于通信界而言，与之对应的下一句就是一切皆可互联互通。因此，除了移动互联网之外，另一类新型的网络形态主要就是由遍布在我们四周的原本相互独立的设备所构成的所谓物联网。如果说移动互联网基本还属于人的网络，那么物联网则是包络了物与物、人与物的更为广阔的网络。
业界对5G的构想便是，在这两张网络的支撑下，通过云计算等新型技术，在2020年左右构建出一个能够实现万物互联、无处不在，而又让人身临其境的通信系统。
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苏畅
2019-8-19 14:55:59
三．市场趋势
5G发展的驱动力之一，是上述业务的发展、融合以及新型网络形态的兴起。而5G发展的另一大驱动力，或者说是压力，则来自于系统规模的爆炸式发展。这里所说的系统规模包括了数据流量规模以及终端连接数规模。
图3给出了我国的5G推进组织—IMT-2020对流量需求增长趋势的预测结果。以北京的某些热点地区（如西单、王府井等地）为例，2020年左右移动数据流量就将增长1000倍左右。数据流量的需求总量与业务类型及终端数量都有着直接的关系。图4中首先给出了IMT-2020对终端连接数量发展趋势的预测，业务类型对数据流量需求的影响将在后续章节中进一步分析。
图3. IMT-2020对数据流量增长趋势的预测
图4. IMT-2020对终端连接数增长趋势的预测
根据这一预测，2030年全球移动终端数量将达到180亿部。值得一提的是，随着时间的推移，2030年左右物联网终端设备相对于人口数和传统移动终端数将会出现巨大的飞跃。图5中给出了ITU对于移动终端（非物联网终端）数量和终端类别占比的发展趋势预测。从中可以进一步看出，在这些移动终端中，绝大多数将是智能手机或平板电脑等靠流量吃饭的智能设备。
图5. ITU对移动终端数量及各类别终端占比发展趋势的预测
四．业务需求
根据第二节中的讨论，巨大的数据流量和巨大的终端数量，必定会对未来的移动通信系统造成巨大的压力。在此，让我们进一步探讨一下，究竟是什么样的业务能够导致数据流量和连接数需求的爆炸式发展。
1.
超高清、三维化视频
有效性和可靠性是我们对通信系统的的两个最基本要求。所谓有效性即信息的保真度。在从信源到信宿的传递过程中，我们希望通信系统能够尽可能真实地再现信息源。例如所谓标清、高清、全高清、超高清等一系列概念主要强调对视觉信息细节的再现，追求的是一种分毫毕现的视觉体验，而三维化则可以进一步增进用户的视觉感受。可以想象，对细节视觉信息的精准再现必然会导致信息量的激增和对传输速率要求的大幅提升。例如8K的3D视频经过100倍压缩之后，仍然需要1Gbps的传输速率。
2.
浸入式视频
/
增强现实
/
虚拟现实
目前，人们对保真度的追求主要针对视觉和听觉信息。实际上，在我们完整的感官世界中，既包含视觉、听觉也包含了嗅觉、味觉、触觉等一系列的感知形式。而且，如果单纯以一种置身事外的方式完美再现视觉信息，并不足以给人真正带来身临其境的所谓临场感受。这种能够完整再现的临场感正是增强现实及虚拟现实技术追求的终极目标。如果要以虚拟现实、浸入式体验的方式进行通信或在线游戏，除了数据速率需求之外，还会带来对时延控制的极端要求。
3.
云桌面
有了强大的计算中心和接入网络之后，很多日常的计算机操作，包括基本的文件存储与读取都可以在云端进行，由此便产生了所谓云桌面的概念。基于云桌面，用户本地可能只需要显示器、键盘、鼠标等基本的I/O设备即可。为了获得与本地存储与读取相当的响应时间，必然会对接入网的传输速率与时延产生极高的要求。
4.OTT
OTT即over the top，其典型代表包括skype和微信等。这是一类令运营商深恶痛绝的业务。Over the top一词本身就极具挑战意味：over谁的top？实际上OTT正是骑在运营商的头上，让太岁帮忙给他数钞票。如今的运营商，和我国的铁路系统非常相似：铁路是我铺的，火车是我开的，车上的高价盒饭是我垄断着的，车上推着铁皮小车不厌其烦地高价叫卖啤酒饮料矿泉水鸡爪泡面火腿肠的服务员也是我家亲戚。你们想想，我开着着火车，带着老婆出了城，吃着火锅唱着歌，突然就被麻匪给劫了。对运营商而言，这其中的苦涩和失落感不言而喻。
这群麻匪不知从哪站爬上车来，穿梭在运营商的客户中，以几乎不要钱的方式向乘客们提供各种新奇而又便捷的服务。这群劫富济贫的侠士让饱受垄断之苦的普通用户为之而欢呼雀跃，但却让运营商们万分头痛。OTT业务需要海量的小数据包频繁交互，由此会带来信令开销的大幅度增加，从而极大地增加了网络的负担。这样看来，OTT业务不但占了大便宜，还给网络的运行留下了一堆垃圾。最为关键的是，OTT业务的激增加速了利润向传统通信业务之外的上层服务的转移，使运营商日渐沦为类似公路和水电煤气之类的低层次基础服务提供者和他人谋利的通道。
5.
极端场景业务体验
LTE这样的移动通信系统，已经实现了让一部分人先富起来。在信道条件理想、信噪比较高的区域可以通过AMC及MIMO支持较高的数据速率。但是，如社会现状一样，先富起来的人绝对没有动力带动大家共同致富。通信系统的用户群也是社会的一个缩影，在这样的小社会里，同样不患寡而患不均。因此，数据速率的不平衡往往会导致很多用户的心理失衡，从而极大地影响到用户体验。
当移动通信系统满足了基本的覆盖需求之后，体验不平衡的问题也日益成为系统改进和优化的一个重要方向。诸如CoMP等强调协作协同的技术实际上就在沿着这一的思路前进。这样的问题也将成为5G系统的重要关注点之一。具体来讲，所谓的极端场景主要包括：速度特别快（如高铁甚至飞机）以及用户特别密集（如候机楼、候车室、演唱会、运动会、突发事件）的应用场景。如图6所示，5G系统希望用户随时随地都能感受到较高的服务质量。
图6. 业务体验现状（左）及均匀化的用户体验要求（右）
6.
物联网业务
物联网业务的主要应用领域涵盖了诸如环保监测与公共安全等领域所需的信息采集，以及工业、交通和家居领域的信息交互与控制等多种任务。物联网业务的一个重要特点是，业务类型丰富，各个类型业务的具体需求差异非常巨大。例如某些极端应用场景中，大量的物联网设备会被部署在山区、森林、水体等可能非常偏远而且传播环境相当不理想的地区，以及室内角落、地下室、隧道等信号难以到达的区域。
图7中列出了一些典型的物联网业务应用及其对通信系统的具体需求。
图7. 物联网业务
三．市场趋势
5G发展的驱动力之一，是上述业务的发展、融合以及新型网络形态的兴起。而5G发展的另一大驱动力，或者说是压力，则来自于系统规模的爆炸式发展。这里所说的系统规模包括了数据流量规模以及终端连接数规模。
图3给出了我国的5G推进组织—IMT-2020对流量需求增长趋势的预测结果。以北京的某些热点地区（如西单、王府井等地）为例，2020年左右移动数据流量就将增长1000倍左右。数据流量的需求总量与业务类型及终端数量都有着直接的关系。图4中首先给出了IMT-2020对终端连接数量发展趋势的预测，业务类型对数据流量需求的影响将在后续章节中进一步分析。
图3. IMT-2020对数据流量增长趋势的预测
图4. IMT-2020对终端连接数增长趋势的预测
根据这一预测，2030年全球移动终端数量将达到180亿部。值得一提的是，随着时间的推移，2030年左右物联网终端设备相对于人口数和传统移动终端数将会出现巨大的飞跃。图5中给出了ITU对于移动终端（非物联网终端）数量和终端类别占比的发展趋势预测。从中可以进一步看出，在这些移动终端中，绝大多数将是智能手机或平板电脑等靠流量吃饭的智能设备。
图5. ITU对移动终端数量及各类别终端占比发展趋势的预测
四．业务需求
根据第二节中的讨论，巨大的数据流量和巨大的终端数量，必定会对未来的移动通信系统造成巨大的压力。在此，让我们进一步探讨一下，究竟是什么样的业务能够导致数据流量和连接数需求的爆炸式发展。
1.
超高清、三维化视频
有效性和可靠性是我们对通信系统的的两个最基本要求。所谓有效性即信息的保真度。在从信源到信宿的传递过程中，我们希望通信系统能够尽可能真实地再现信息源。例如所谓标清、高清、全高清、超高清等一系列概念主要强调对视觉信息细节的再现，追求的是一种分毫毕现的视觉体验，而三维化则可以进一步增进用户的视觉感受。可以想象，对细节视觉信息的精准再现必然会导致信息量的激增和对传输速率要求的大幅提升。例如8K的3D视频经过100倍压缩之后，仍然需要1Gbps的传输速率。
2.
浸入式视频
/
增强现实
/
虚拟现实
目前，人们对保真度的追求主要针对视觉和听觉信息。实际上，在我们完整的感官世界中，既包含视觉、听觉也包含了嗅觉、味觉、触觉等一系列的感知形式。而且，如果单纯以一种置身事外的方式完美再现视觉信息，并不足以给人真正带来身临其境的所谓临场感受。这种能够完整再现的临场感正是增强现实及虚拟现实技术追求的终极目标。如果要以虚拟现实、浸入式体验的方式进行通信或在线游戏，除了数据速率需求之外，还会带来对时延控制的极端要求。
3.
云桌面
有了强大的计算中心和接入网络之后，很多日常的计算机操作，包括基本的文件存储与读取都可以在云端进行，由此便产生了所谓云桌面的概念。基于云桌面，用户本地可能只需要显示器、键盘、鼠标等基本的I/O设备即可。为了获得与本地存储与读取相当的响应时间，必然会对接入网的传输速率与时延产生极高的要求。
4.OTT
OTT即over the top，其典型代表包括skype和微信等。这是一类令运营商深恶痛绝的业务。Over the top一词本身就极具挑战意味：over谁的top？实际上OTT正是骑在运营商的头上，让太岁帮忙给他数钞票。如今的运营商，和我国的铁路系统非常相似：铁路是我铺的，火车是我开的，车上的高价盒饭是我垄断着的，车上推着铁皮小车不厌其烦地高价叫卖啤酒饮料矿泉水鸡爪泡面火腿肠的服务员也是我家亲戚。你们想想，我开着着火车，带着老婆出了城，吃着火锅唱着歌，突然就被麻匪给劫了。对运营商而言，这其中的苦涩和失落感不言而喻。
这群麻匪不知从哪站爬上车来，穿梭在运营商的客户中，以几乎不要钱的方式向乘客们提供各种新奇而又便捷的服务。这群劫富济贫的侠士让饱受垄断之苦的普通用户为之而欢呼雀跃，但却让运营商们万分头痛。OTT业务需要海量的小数据包频繁交互，由此会带来信令开销的大幅度增加，从而极大地增加了网络的负担。这样看来，OTT业务不但占了大便宜，还给网络的运行留下了一堆垃圾。最为关键的是，OTT业务的激增加速了利润向传统通信业务之外的上层服务的转移，使运营商日渐沦为类似公路和水电煤气之类的低层次基础服务提供者和他人谋利的通道。
5.
极端场景业务体验
LTE这样的移动通信系统，已经实现了让一部分人先富起来。在信道条件理想、信噪比较高的区域可以通过AMC及MIMO支持较高的数据速率。但是，如社会现状一样，先富起来的人绝对没有动力带动大家共同致富。通信系统的用户群也是社会的一个缩影，在这样的小社会里，同样不患寡而患不均。因此，数据速率的不平衡往往会导致很多用户的心理失衡，从而极大地影响到用户体验。
当移动通信系统满足了基本的覆盖需求之后，体验不平衡的问题也日益成为系统改进和优化的一个重要方向。诸如CoMP等强调协作协同的技术实际上就在沿着这一的思路前进。这样的问题也将成为5G系统的重要关注点之一。具体来讲，所谓的极端场景主要包括：速度特别快（如高铁甚至飞机）以及用户特别密集（如候机楼、候车室、演唱会、运动会、突发事件）的应用场景。如图6所示，5G系统希望用户随时随地都能感受到较高的服务质量。
图6. 业务体验现状（左）及均匀化的用户体验要求（右）
6.
物联网业务
物联网业务的主要应用领域涵盖了诸如环保监测与公共安全等领域所需的信息采集，以及工业、交通和家居领域的信息交互与控制等多种任务。物联网业务的一个重要特点是，业务类型丰富，各个类型业务的具体需求差异非常巨大。例如某些极端应用场景中，大量的物联网设备会被部署在山区、森林、水体等可能非常偏远而且传播环境相当不理想的地区，以及室内角落、地下室、隧道等信号难以到达的区域。
图7中列出了一些典型的物联网业务应用及其对通信系统的具体需求。
图7. 物联网业务
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杨万富
2019-8-19 14:56:21
受到警告
提示:
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刘政玮
2019-8-19 14:56:23
参考文献
[1] IMT-2020 (5G) 推进组—5G愿景与需求白皮书
[2] IMT-2020 (5G) 推进组—5G概念白皮书
[3] IMT-2020(5G) 概念白皮书发布会：5GKey Technology—Massive MIMO
[4] IMT-2020(5G) 概念白皮书发布会：5GKey Technology—All Spectrum Access
[5] IMT-2020(5G) 概念白皮书发布会：5GKey Technology—Novel Multiple Access
[6] IMT-2020(5G) 概念白皮书发布会：5GKey Technology—Ultra Dense Network
[7] ITU-R M.[IMT.BEYOND2020.TRAFFIC] IMTTraffic estimates for the years 2020 to 2030
[8] ITU-R M.[IMT.VISION] IMT Vision—Framework and overall objectives ofthe future development of IMT for 2020 and beyond
[9] IMT-2020 (5G) Summit: Research Progress ofIMT-2020 (5G) Promotion Group
参考文献
[1] IMT-2020 (5G) 推进组—5G愿景与需求白皮书
[2] IMT-2020 (5G) 推进组—5G概念白皮书
[3] IMT-2020(5G) 概念白皮书发布会：5GKey Technology—Massive MIMO
[4] IMT-2020(5G) 概念白皮书发布会：5GKey Technology—All Spectrum Access
[5] IMT-2020(5G) 概念白皮书发布会：5GKey Technology—Novel Multiple Access
[6] IMT-2020(5G) 概念白皮书发布会：5GKey Technology—Ultra Dense Network
[7] ITU-R M.[IMT.BEYOND2020.TRAFFIC] IMTTraffic estimates for the years 2020 to 2030
[8] ITU-R M.[IMT.VISION] IMT Vision—Framework and overall objectives ofthe future development of IMT for 2020 and beyond
[9] IMT-2020 (5G) Summit: Research Progress ofIMT-2020 (5G) Promotion Group
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