5G网络行业展望报告.docx
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5G网络行业展望报告
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2016年10月
正文目录
图表目录
一、5G是什么，为什么要有5G
（一）5G：
一套技术标准，服务于人与人、人与物、物与物的通信
5G是第五代通信技术，是4G之后的延伸，是对现有的无线通信技术的演进。
其最大的变化在于5G技术是一套技术标准，其服务的对象从过去的人与人通信，增加了人与物、物与物的通信。
回顾移动通信的发展历程，每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核心关键技术来定义，其中，1G采用频分多址（FDMA），只能提供模拟语音业务；2G主要采用时分多址（TDMA），可提供数字语音和低速数据业务；3G以码分多址（CDMA）为技术特征，用户峰值速率达到2Mbps至数十Mbps，可以支持多媒体数据业务；4G以正交频分多址（OFDMA）技术为核心，用户峰值速率可达100Mbps至1Gbps，能够支持各种移动宽带数据业务。
图表1移动通信标准发展历程
5G更强调用户体验速率，将达到Gbps量级。
5G关键能力比以前几代移动通信更加丰富，用户体验速率、连接数密度、端到端时延、峰值速率和移动性等都将成为5G的关键性能指标。
然而，与以往只强调峰值速率的情况不同，业界普遍认为用户体验速率是5G最重要的性能指标，它真正体现了用户可获得的真实数据速率，也是与用户感受最密切的性能指标。
基于5G主要场景的技术需求，5G用户体验速率应达到Gbps量级。
面对多样化场景的极端差异化性能需求，5G很难像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的解决方案。
此外，当前无线技术创新也呈现多元化发展趋势，除了新型多址技术之外，大规模天线阵列、超密集组网、全频谱接入、新型网络架构等也被认为是5G主要技术方向，均能够在5G主要技术场景中发挥关键作用。
综合5G关键能力与核心技术，5G概念可由“标志性能力指标”和“一组关键技术”来共同定义。
其中，标志性能力指标为“Gbps用户体验速率”，一组关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。
图表25G推进组定义的5G概念
（二）移动互联网和物联网推动5G出现
过去几十年，移动通信得到了快速的普及，相应的通信技术也取得了飞速的发展。
根据历史上的经验可以看出，我国移动通信的每十年会推出下一代网络协议。
随着用户需求的持续增长，未来10年移动通信网络将会面对：
1000倍的数据容量增长，10至100倍的无线设备连接，10到100倍的用户速率需求，10倍长的电池续航时间需求等等，4G网络无法满足这些需求，所以5G技术应运而生。
需求增加的最主要驱动力有两个：
移动互联网和物联网。
从4G到5G的演进，其中重要的变化来自于过去的通信技术都是提供人与人之间的通讯，随着移动互联网的飞速发展、以及越来越多智能设备的出现，在超高清视频、虚拟现实、增强现实、智能穿戴、智能家居、智能抄表、智能交通等各个领域都会产生极大的通信需求。
图表3CiscoVNI全球互联网流量预测
图表4中国2010-2015年移动互联网流量发展情况
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。
世界各大咨询机构及厂商都发布了对未来物联网连接数的预测，其中，孙正义在软银的投资报告中认为2040年，每个人将拥有1000个连接设备，按照全球100亿人口估算，将会带来10万亿的连接数。
图表5全球各大咨询机构对物联网连接数预测
图表6中国移动物联网连接数
（三）5G的关键能力：
提高容量、移动性、降低时延
目前5G技术已经确定了8大关键能力指标：
峰值速率达到20Gbps、用户体验数据率达到100Mbps、频谱效率比IMT-A提升3倍、移动性达500公里/时、时延达到1毫秒、连接密度每平方公里达到10Tbps、能效比IMT-A提升100倍、流量密度每平方米达到10Mbps。
图表7ITU定义的5G关键能力
图表8中国5G之花概念
我国提出的5G之花概念形象的描述了5G的关键指标，其提出的9项关键能力指标中除成本效率一项外，其他8项均与ITU的官方指标相匹配。
（四）5G的参与方：
ITU牵头，全球标准组织、运营商、设备商共同协作
图表9全球5G研究参与方
规则制定及认定方：
国际电信联盟ITU。
ITU是规则制定者，制定5G的需求和指标，组织评估5G技术，最后宣布结果，其管辖下的ITU-R（国际电信联盟无线电通信管理局）成立了名为WP5D的特殊小组，专门负责5G的相关事宜。
2015年10月26日至30日，在瑞士日内瓦召开的2015无线电通信全会上，ITU-R正式批准了三项有利于推进未来5G研究进程的决议，并正式确定了5G的法定名称是“IMT-2020”。
标准制定方：
工业界及各国研究组织，如3GPP,IMT-2020（5G）推进组。
标准制定以一些国际标准组织作为主导，其中占最重要地位的是3GPP，3GPP也是目前唯一一家拥有完整的5G计划的标准制定机构，正处于计划的第一个阶段。
IEEE刚刚公布了5G计划，但不能提供独立的满足ITU要求的5G方案，有两个方案，其中一个是将未来的技术（11ax,11ay）接入3GPP的5G系统。
各国的论坛、推进组及则主要负责为3GPP等组织提供具体的输入，制定相关技术文档、白皮书。
IMT-2020PG还有其他一些组织还会承担ITU5G评估工作，国内外主要推进组织如下：
图表10国内外主要5G研究组织
技术研发及实施方：
国内外各大公司，如Qualcomm，中国移动等。
各大通信公司也都成立了自己的5G相关技术研发团队，公司将一方面承担5G的具体技术研发，另一方面也将负责5G的技术落地工作。
目前国内外相关公司大都发布了5G白皮书或相关技术文档，代表性的公司包括Qualcomm，ALU，中国移动，DOCOMO，爱立信，华为等。
二、5G的主要应用场景以及关键技术实现
（一）5G主要应用场景
从具体网络功能要求上来说，IMT-2020（5G）推进组定义了5G的四个主要的应用场景：
连续广覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠。
连续广域覆盖和热点高容量场景主要满足2020年及未来的移动互联网业务需求，也是传统的4G主要技术场景。
连续广域覆盖场景是移动通信最基本的覆盖方式，以保证用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝的高速业务体验。
该场景的主要挑战在于随时随地（包括小区边缘、高速移动等恶劣环境）为用户提供100Mbps以上的用户体验速率。
热点高容量场景主要面向局部热点区域，为用户提供极高的数据传输速率，满足网络极高的流量密度需求。
1Gbps用户体验速率、数十Gbps峰值速率和数十Tbps/km2的流量密度需求是该场景面临的主要挑战。
图表11移动互联网业务需求场景
低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务，是5G新拓展的场景，重点解决传统移动通信无法很好支持地物联网及垂直行业应用。
低功耗大连接场景主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。
这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力，满足100万/km2连接数密度指标要求，而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。
低时延高可靠场景主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求，这类应用对时延和可靠性具有极高的指标要求，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。
图表12物联网业务需求场景
国际电信联盟ITU在2015年6月召开的ITU-RWP5D第22次会议上明确了5G的主要应用场景，ITU定义了三个主要应用场景：
移动宽带、大规模机器通信、高可靠低延时通信，具体场景如下：
图表13ITU发布的5G三大应用场景
这三个场景与我国IMT-2020（5G）推进组发布的四大场景基本相同，只是我国将移动宽带进一步划分为广域大覆盖和热点高速两个场景。
（二）5G的关键性能挑战及实现
图表145G主要场景与关键性能挑战
5G技术创新主要来源于无线技术和网络技术两方面。
其需求来自于以上的关键性能挑战。
我们可以将关键性能分为以下三个部分：
图表155G关键性能要求分类
为了实现更高网络容量，无线传输增加传输速率大体上有两种方法，其一是增加频谱利用率，其二是增加频谱带宽。
提高频谱利用率的主要的技术方式有增加基站和天线的数量，对应5G中的关键技术为大规模天线阵列（MassiveMIMO）和超密集组网（UDN）；而提高频谱带宽则需要拓展5G使用频谱的范围，由于目前4G主要集中在2GHz以下的频谱，未来5G将使用2-6GHz，甚至6-100GHz的全频谱接入，来获取更大的频谱带宽。
而对于关键任务要求上，尤其是毫秒级的时延要求，对于网络架构提出了极大的挑战，5G技术中将提出新型的多址技术以节省调度开销，同时基于软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的新型网络架构将实现更加灵活的网络调度。
1、大规模天线阵列（MassiveMIMO）：
提高频谱效率，未来需要更多的天线及射频模块
在现有多天线基础上通过增加天线数可支持数十个独立的空间数据流，以此来增加并行传输用户数目，这将数倍提升多用户系统的频谱效率，对满足5G系统容量与速率需求起到重要的支撑作用。
大规模天线阵列应用于5G需解决信道测量与反馈、参考信号设计、天线阵列设计、低成本实现等关键问题。
图表16美国莱斯大学Argos大规模天线阵列原型机样图
大规模天线技术（MIMO）已经在4G系统中得以广泛应用。
面对5G在传输速率和系统容量等方面的性能挑战，天线数目的进一步增加仍将是MIMO技术继续演进的重要方向。
根据概率统计学原理，当基站侧天线数远大于用户天线数时，基站到各个用户的信道将趋于正交，在这种情况下，用户间干扰将趋于消失。
巨大的阵列增益将能够有效提升每个用户的信噪比，从而利用空分多址（SDMA）技术，可以在同一时频资源上服务多个用户。
空分多址技术（SDMA）是大规模天线阵列技术应用的重要支撑，其基础技术原理来自于波束赋形（Beamforming）,大规模天线阵列通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束，从而带来明显的信号方向性增益，并与SDMA之间产生精密的联系。
图表17空分多址（SCMA）提高频谱效率
大规模天线的优势可以归结为以下几点：
第一：
提升网络容量。
波束赋形的定向功能可极大提升频谱效率，从而大幅度提高网络容量。
第二：
减少单位硬件成本。
波束赋形的信号叠加增益功能使得每根天线只需以小功率发射信号，从而避免使用昂贵的大动态范围功率放大器，减少了硬件成本。
第三：
低延时通信。
大数定律造就的平坦衰落信道使得低延时通信成为可能。
传统通信系统为了对抗信道的深度衰落，需要使用信道编码和交织器，将由深度衰落引起的连续突发错误分散到各个不同的时间段上，而这种揉杂过程导致接收机需完整接受所有数据才能获得信息，造成时延。
在大规模天线下，得益于大数定理而产生的衰落消失，信道变得良好，对抗深度衰弱的过程可以大大简化，因此时延也可以大幅降低。
第四：
与毫米波技术形成互补。
毫米波拥有丰富的带宽，但是衰减强烈，而波束赋形则正好可以解决这一问题。
图表18波束赋形示例
大规模天线的研发和使用同样面临巨大的挑战，从研究层面而言，物理层研究会面临下表中的多个难点。
而从实际部署层面而言，硬件成本是最主要的阻碍。
首先随着发射天线数目的增多，天线阵列的占用面积将大幅增加，天线群及其对应的高性能处理器、转换器的成本也都远高于传统基站天线，使得大规模部署存在成本问题；其次实际的使用中，为了平衡成本和效果，可能会采用一些低成本硬件单元替代，在木桶原理的作用下小幅降低成本可能会导致性能急剧下降，从而达不到预期效果。
图表19大规模天线阵列物理层研究难点
相比于SISO或分集天线系统，大规模多天线系统属于硬件、软件密集型的。
大规模多天线系统由多个天线子阵列组成，每个子阵列共享数模转换、混频器等元件，而子阵列的每根天线单独拥有移相器、功率放大器、低噪放大器等模块。
所以随着天线数的增加，硬件的部署成本会快速增加。
不过与此同时，多天线的增益效应使得系统的容错能力提升，每个单元的模块（如数模转换、功率放大器等）的功能可以进一步减弱。
软件层面则需要复杂的算法来管理和动态地适应与编码和解码用于多个并行信道的数据流，这就需要一个相对强大的处理器，通常被实现为一个FPGA。
图表20利用混合波束赋形技术的天线系统架构图
整体而言，未来MIMO将对天线带来升级需求，同时射频模块（移相器、功率放大器、低噪放大器等）的需求将爆发，此外数据的增加将利好功能更加强大的综合处理模块，如FPGA。
目前国内主导大规模天线阵列（MIMO）研发工作的主要是IMT-2020（5G）推进组、大唐电信、中兴通讯、华为、中国移动等单位，目前主要的工作进展如下：
我国5G研究与标准化组织-IMT-2020（5G）推进组于2013年底专门成立了大规模天线技术专题组，同时2012年国家重大专项启动了针对64天线的3D-MIMO技术的研究项目立项工作，2014年863计划启动了针对128~256天线的MassiveMIMO技术（1期）的立项工作，并将在后续的2期及3期阶段中持续推动该技术的研究、验证与标准化工作。
2016年9月，IMT-2020（5G）推进组发布了中国5G技术研发试验的第一阶段测试结果。
标志着我国5G技术试验第一阶段测试工作顺利完成。
大唐电信在2013年发布《5G白皮书》，开展了国家科技重大专项3D-MIMO技术研究与验证，2016年4月，大唐电信集团发布5G综合验证平台，其可支持业内规模最大的256有源天线阵列，在3.5G频段（100MHz带宽），支持20个数据流的并行传输，频谱效率达到4G的7~8倍以上，并实现超过4Gbps的峰值速率。
中兴通讯于中国移动合作，于2015年完成了世界上第一个pre5G3D/大规模MIMO（多入多出）基站的预商业领域测试，商用原型机采用64接口/128天线阵列，支持灵活的3D波束赋形。
在宏覆盖场景下的外场测试中，3D-MIMO技术下行小区容量提升350%，上行小区容量提升164%，边缘用户下行速率和上行速率提升1~3倍。
中国移动对MassiveMIMO的关键技术展开了研究，包括多场景中的新型信道建模研究、支持大规模天线的创新传输方案研究、高效能、低成本、实用化、可扩展的灵活部署方案和系统性能仿真评估，并与华为、中兴通讯等设备商、天线厂商合作开展3D-MIMO的样机研制和大规模天线演示验证系统。
2014年9月，华为联合中国移动演示了全新预商用AAU（有源天线射频单元）平台，是业界第一款支持MassiveMIMO特性的基站产品，也是业界最大规格的MassiveMIMO多天线系统，不仅可支持中国移动主流频段，而且可以兼容现有的终端，应用后系统容量可提升数倍。
2、超密集组网（UDN）：
解决热点网络容量问题，带来小基站千亿市场容量
未来移动数据业务飞速发展，热点地区的用户体验一直是当前网络架构中存在的问题。
由于低频段频谱资源稀缺，仅仅依靠提升频谱效率无法满足移动数据流量增长的需求。
超密集组网通过增加基站部署密度，可实现频率复用效率的巨大提升，但考虑到频率干扰、站址资源和部署成本，超密集组网可在局部热点区域实现百倍量级的容量提升，其主要应用场景将在办公室、住宅区、密集街区、校园、大型集会、体育场和地铁等热点地区。
超密集组网可以带来可观的容量增长，但是在实际部署中，站址的获取和成本是超密集小区需要解决的首要问题。
而随着小区部署密度的增加，除了站址和成本的问题之外，超密集组网将面临许多新的技术挑战，如干扰、移动性、传输资源等。
对于超密集组网而言，小区虚拟化技术、接入和回传联合设计、干扰管理和抑制是三个最重要的关键技术。
图表21超密集组网示例
由于超密集组网对基站和微基站的需求加大，以及在重点场景下基站选址将面临更大的挑战，未来将利好具备较好成本控制能力及基站选址能力的厂商。
图表22基站性能及成本对比
2020年全球小基站市场每年将超过6亿美金，国内小基站市场容量最终有望达到千亿级别。
根据SmallCellForum预测，全球小基站市场空间有望在2020年超过6亿美元。
截止至2016年半年报，中国移动，中国联通，中国电信披露今年要达到的的4G基站数分别为140万个、68万个、85万个。
考虑联通中报披露了与电信共享的6万个基站，假设年内共享基站达到10万个，则中国当前存量基站市场大约为283万个。
假设未来小基站的数量能达到目前基站数量的10倍以上，即未来小基站市场需求达到2830万个，假设小基站平均价格为5000元/个，则未来小基站市场容量将达到千亿级别。
图表232016年国内基站数量将超过280万个
图表242020年全球小基站市场空间超过60亿美元
3、全频谱接入：
扩大频谱宽度，未来利好射频器件厂商，但频谱暂未分配
相对于提高频谱利用率，增加频谱带宽的方法显得更简单直接。
在频谱利用率不变的情况下，可用带宽翻倍可实现数据传输速率也翻倍。
通过有效利用各类移动通信频谱（包含高低频段、授权与非授权频谱、对称与非对称频谱、连续与非连续频谱等）资源可以提升数据传输速率和系统容量。
但问题是，现在常用的6GHz以下的频段由于其较好的信道传播特性，目前已经非常拥挤，6~100GHz高频段具有更加丰富的空闲频谱资源，可作为5G的辅助频段，然而30GHz~100GHz频率之间属于毫米波的范畴，这就需要使用到毫米波技术。
图表25频谱使用情况
到2020年我国5G频谱缺口近1GHz，低频段为首选，高频将成为补充。
目前4G-LTE频段最高频率的载波在2GHz上下，可用频谱带宽只有100MHz。
因此，如果使用毫米波频段，频谱带宽能达到1GHz-10GHz，传输速率也可得到巨大提升。
我国5G推进组已完成2020年我国移动通信频谱需求预测，届时移动通信频谱需求总量为1350～1810MHz，我国已为IMT规划的687MHz频谱资源均属于5G可用频谱资源，因此还需要新增663～1123MHz频谱。
我国无线电管理“十三五”规划中明确为IMT-2020（5G）储备不低于500MHz的频谱资源。
图表26我国通信频谱分配情况
6GHz以下低频段是5G首选频段，高频段将成为后续补充。
5G需要大量的新频谱资源，可通过两种方式获得：
2015年世界无线电通信大会（WRC）推动6GHz以下低频段划分。
回望WRC-15的结果，全球各国均有或多或少的频谱增加，且形成700MHz、1427-1518MHz和3400-3600MHz
三个趋于全球一致IMT频段。
同时，中国建议的频段3300-3400MHz和4800-4990MHz，在国际上也分别有45个和4个国家以脚注形式确定为IMT频段。
未来有望以现有的3400-3600MHz为核心，向上拓展到3300-3400MHz，形成连续300MHz频谱，作为IMT未来发展的重点频段。
除此之外，4800-4990MHz将需要我国尽快出台频谱路线图，以及国家立法的保障，还涉及大量军民频谱的协调。
未来的IMT网络必将是多种通信系统并存的异构网络，资源配置需要综合考虑网络发展状况、产业投资周期、用户规模等方面因素，同时兼顾5G系统的技术特性。
2019年WRC大会及以后推动6GHz以上高频段划分。
针对WRC19已经提出11个待讨论的频段，均在24GHz-90GHz范围内，即毫米波的范围。
但是毫米波频段的另一个特性是在空气中衰减较大，且绕射能力较弱，因此高频段传播特性差、资源丰富、可选余地大。
随着2020年之后业务量的不断提升，移动通信的频谱需求量还将继续增加。
由于我国高频芯片和元器件产业能力薄弱，未来高频段需求的到来需要产业能力的迅速跟进。
在未来要支持毫米波通信，移动系统和基站必须配备更新更快的应用处理器、基带以及射频器件。
事实上，5G标准对射频影响较大，需要一系列新的射频芯片技术来支持，例如支持相控天线的毫米波技术。
毫米波技术最早应用在航空军工领域，如今汽车雷达、60GHzWi-Fi都已经采用，将来5G也必然会采用。
4G手机里面的数字部分包括应用处理器和调制解调器，射频前端则包括功率放大器（PA）、射频信号源和模拟开关。
功率放大器用于放大手机里的射频信号，通常采用砷化镓（GaAs）材料的异质结型晶体管（HBT）技术制造。
未来的5G手机也要有应用处理器和调制解调器。
不过与4G系统不同，5G手机还需要相控阵天线。
此外，由于毫米波的频率非常高，线路的阻抗对毫米波的影响很大，所以器件的布局和布线变得异常重要。
与4G手机一样，5G手机也需要功率放大器，毫米波应用中，功率放大器将是系统功耗的决定性因素。
除此之外，毫米波相比于传统6GHz以下频段还有一个特点就是天线的物理尺寸可以比较小。
这是因为天线的物理尺寸正比于波段的波长，而毫米波波段的波长远小于传统6GHz以下频段，相应的天线尺寸也比较小。
因此可以方便地在移动设备上配备毫米波的天线阵列，从而实现大规模天线技术。
4、新型多址技术：
降低信令开销，缩短时延
通过发送信号在空/时/频/码域的叠加传输来实现多种场景下系统频谱效率和接入能力的显著提升。
此外，新型多址技术可实现免调度传输，将显著降低信令开销，缩短接入时延，节省终端功耗。
目前业界提出的技术方案主要包括基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址（SCMA）技术，基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入（MUSA）技术，基于非正交特征图样的图样分割多址（PDMA）技术以及基于功率叠加的非正交多址（NOMA）技术。
此外，基于滤波的正交频分复用（F-OFDM）、滤波器组多载波（FBMC）、全双工、灵活双工、终端直通（D2D）、多元低密度奇偶检验（Q-aryLDPC）码、网络编码、极化码等也被认为是5G重要的潜在无线关键技术。
5、5G网络关键技术：
NFV和SDN，网络能力开放或利好第三方服务提供商
未来5G网络架构将包括接入云、控制云和转发云三个域：
接入云支持多种无线制式的接入，融合集中式和分布式两种无线接入网架构，适应各种类型的回传链路，实现更灵活的组网部署和更高效的无线资源管理。
5G的网络控制功能和数据转发功能将解耦，形成集中统一的控制云和灵活高效的转发云。
控制云实现局部和全局的会话控制、移动性管理和服务质量保证，并构建面向业务的网络能力开放接口，从而满足业务的差异化需求并提升业务的部署效率。
转发云基于通用的硬件平台，在控制云高效的网络控制和资源调度下，实现海量业务数据流的高可靠、低时延、均负载的高效传输。
图表275G网络架构图
基于“三朵云”的新型5G网络架构是移动网络未来的发展方向。
未来的5G网络与4G相比，网络架构将向更加扁平化的方向发展，控制和转发将进一步分离，网络可以根据业务的需求灵活动态地进行组网，从而使网络的整体效率得到进一步提升。
5G网络服务具备更贴近用户需求、定制化能力进一步提升、网络与业务深度融合以及服务更友好等特征，其中代表性的网络服务能力包括、网络切片、移动边缘计算、按需重构的移动网络、以用户为中心的无线接入网络和网络能力开放。
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