引言
随着人类社会信息化的加速，整个社会对信息通信的需求水平明显提升，可以说信息通信对人类社会的价值和贡献将远远超过通信本身，信息通信将成为维持整个社会生态系统正常运转的信息大动脉。无线移动通信以其使用的广泛性和接入的便利性，将不再局限于人与人之间的沟通，并在未来信息通信系统中承担越来越重要的角色。人们对无线移动通信方方面面的需求呈现爆炸式增长，将对下一代无线移动通信系统在频率、技术和运营等方面带来新的挑战，未来移动通信的发展成为业界研究的热点。
5G移动宽带系统将成为面向2020年以后人类信息社会需求的无线移动通信系统，它是一个多业务多技术融合的网络，可以满足不断发展的数据、连接各种业务需求，连接的各种业务不断发展的需要，提升用户体验。随着无线移动通信系统带宽和能力的提升，面向个人和行业的移动互联网和物联网应用快速发展，移动通信相关产业生态将发生重要变化。无线移动通信技术与计算机及信息技术会更加紧密和更深层次的交叉融合，集成电路、器件工艺、软件技术等也将持续快速发展，支撑未来5G移动宽带产业发展。
什么是5G?
移动通信经历了从第一代移动通信系统（1G）到第四代移动通讯系统（4G）的发展，历代移动通信系统都有其典型业务能力和标志性技术。例如：1G的模拟蜂窝技术，2G以时分多址（TDMA）和频分多址（FDMA）为主的数字蜂窝技术，都以电路域话音通信为主；3G以码分多址（CDMA）为主要特征，支持数据和多媒体业务；4G以正交频分复用（OFDM）和多入多出（MIMO）为主要特征，支持宽带数据和移动互联网业务。近年来，集成电路技术快速发展，通信系统和终端能力极大提升，通信技术和计算机技术深度融合，各种无线接入技术逐渐成熟并规模应用。可以预见，对于未来第五代移动通信技术（5G），不能再用某项业务能力或者某个典型技术特征来定义。
随着无线移动通信系统带宽和能力的增加，面向个人和行业的移动应用快速发展，移动通信相关产业生态将逐渐发生变化，5G不再仅仅是更高速率、更大带宽、更强能力的空中接口技术，而是面向业务应用和用户体验的智能网络。在基础技术上，集成电路、器件工艺、软件等将持续快速发展，支撑2020年5G移动宽带产业。
5G无线网络是新一代的无线网络技术，相比于2G、3G、4G、5G网络具有更智能性和更注重网络服务质量的特点。如果说2G、3G、4G追求的是网络速度的层层飞跃，5G则是网络智能化的飞跃。
5G的愿景与需求
5G为面向2020年信息社会需求的无线移动通信系统，下面结合通信发展历史，以及目前最新产业发展趋势，从5G的社会职责和功能，以及终端用户、网络运营和业务应用等多个维度对20 20年的无线移动通信系统愿景进行初步分析，从而给出5G关键能力需求。随着接入互联网的移动设备海量增长，以及各种服务运营商推出越来越多吸引移动流量的应用，整个移动网络的数据量呈爆发式增长。极高的数据速率，极低的滞后性，极高的移动网络覆盖率，极高的网络密度，以及无处不在的移动通信，这些需求对移动网络技术提出了迫切的升级需求。
用户看5G
从普通消费者的角度，最初第一代、第二代蜂窝通信系统的目标是为用户提供基本的通信能力，需要达到基本通信质量保证；第三代、第四代蜂窝通信系统的目标是为用户提供更丰富的业务以及宽带体验；未来5G移动宽带系统的目标是为全面提升用户体验，让用户随心所欲尽享移动宽带新生活。该目标可以总结为：够用、好用、易用、便宜、安全可靠和个性化。
够用
用户对移动应用的依赖，要求下一代无线移动网络为用户提供足够的速率和容量。从目前可以预见的业务看，移动场景下大多数终端需要达到10Mbps的速率保证（可以支持全高清（Full-HD）的压缩视频）；对于支持特殊业务的用户，要求网络能够提供100Mbps速率体验（可以支持超高清视频（UHDTV））。需要强调，这里的速率是真实网络场景下的98%以上概率保证的实际业务速率体验。
在一些特殊应用场景下，终端要求达到10Gbps的无线传输速率，例如：短距离瞬间下载、交互类三维（3D）全息业务等。
在足够速率和容量的同时，用户业务流量需要提高，未来终端平均每用户每天至少需要达到1GBytes流量，高流量需求的终端甚至要求达到10GBytes以上。
好用
无所不在的覆盖，稳定的通信质量是用户对通信系统好用的最基本要求。现有移动通信系统的人口覆盖率达到了99%，但是单纯的陆地移动通信系统还存在很多的覆盖盲区：山地荒野、海洋、南极、航空器等等，部分场景性能稳定性还不够，例如高铁、隧道等。未来移动通信系统将结合各种通信手段，为用户提供无所不在的覆盖和可靠的通信质量。
5G网络需要为用户提供永远在线和随时在线的体验，用户感觉不到业务连接和信息传输的时延，这要求用户面和控制面时延相对4G进一步缩短为1/5~1/10。
从功能上，除基本的通信能力加上更丰富多彩的游戏娱乐视频外，终端还将提供更丰富的业务应用，为工作生活带来便利，提高效率。为了实现好用，终端的待机时间有待明显改善，特别是智能终端待机时间，期望至少达到目前的3～5倍。
易用
5G虽然技术体系更加复杂，但是从用户使用来看更简单便利，体现在以下方面：
接入技术对用户透明，终端在网络中无缝切换，业务在多个设备间平滑地切换；
为用户服务的多个无线器件设备间互联简单，兼容性好，操作简单；
终端设备界面和操作简单，携带方便（如穿戴式设备）；
各种应用服务签约简单，账单统一。
便宜
用户流量1000倍增长的同时，无线移动通信的每比特数据资费大大降低，平均每位用户支付的移动数据流量费用应该与目前资费相当甚至更低。
宽带移动资费的降低还体现在漫游流量资费的降低，允许用户以与本地相当的资费在世界各地使用高速数据接入。
另一方面，IMT在提供各种丰富多彩的业务服务的同时，还需要发挥其社会职责，为社会提供更多基本业务的免费使用将成为公民的权利。
安全可靠
未来终端成为人们生活的中心，其对用户的重要性明显提升，未来网络需要提供更高的安全性保证；终端需要支持身份/信用级别的业务安全性；用户对通信产生信任感，体现在其个性化设置能够得到隐私保护，其通信过程能够得到通信安全保证。
另外，终端辐射需要进一步降低，长时间使用不会对人身体造成伤害。
个性化
2020年的通信应该以人为本、以用户体验为中心，用户可以按照个人偏好定制业务服务和资费方案。
同时，各种个性化和时尚的终端形态与服务更能吸引不同年龄、阶层和地域的用户；形态各异的设备，如内置在衣服上用于健康信息处理的便携化终端、3D眼镜终端等，将逐渐商用和普及。除了公众移动通信，行业用户也希望通过5G公众网络满足其特殊的需求。
5G的应用与运营
广泛业务支持能力和持续盈利能力，是从应用和运营的角度对5G的关键需求，这些需求可以进一步分解到以下各个方面。
更多的业务能力，更好的盈利能力
运营商需要未来5G网络具有更多的业务能力，除了传统的电信业务外，还需更好地支持未来移动互联网和物联网业务的快速发展，同时基于公网拓展到更为广泛的行业应用。
在5G宽带移动网络基础上，更加丰富的移动互联网和物联网业务应用必将快速发展，未来网络需要支持更加灵活的运营模式，创建良性的运营生态，实现业务运营和网络运营共赢。
足够的带宽和容量
未来5G网络需要提供足够的带宽和容量，满足终端对可获得速率（百Mbps）、峰值速率（Gbps）以及系统容量等的需求。
同时，面向2020年无线移动网络整体需要具备1000倍的移动流量提供能力，单位面积吞吐量需要达到目前4G的1000倍甚至更高（100Gbps/km2以上）。
另外，5G需要支持更多的连接器件数目，为现有移动通信手机的100倍量级及以上。
低成本、易于部署
由于用户使用更多的移动流量时却不希望资费有明显增长，因此需要运营商降低每比特的成本，对应1000倍流量增长意味着每比特成本降低到现在的1/1000。
2020年移动网络端到端每比特能耗需要降低到现在的1/1000。
未来网络将是异构融合的多制式极复杂网络，多层覆盖，多制式覆盖，多业务网络融合。运营商希望网络能够支持更智能的单一的自组织网络，做到多技术体系和多层次覆盖网络的自配置、自管理、自优化，减少人工维护。
兼容现有网络，保护已有投资
未来5G网络也需要兼容现有的各种网络和制式，做到互联互通以及更好的互操作，保护运营商的已有投资。
5G的关键能力需求
根据终端用户、业务应用和网络运营等对未来5G的愿景分析，从技术的角度总结5G的关键能力需求如下：
1000倍的流量增长，单位面积吞吐量显著提升
基于对近年来移动通信网络数据流量增长趋势，业界预测到2020年，全球总移动数据流量将达到2010年总移动数据流量的1000倍。这要求单位面积的吞吐量能力， 特别是忙时吞吐量能力同样有1000倍的提升，需要达到100Gbps/km2以上。
100倍连接器件数目
未来5G网络用户范畴极大扩展，随着物联网的快速发展，业界预计到2020年连接的器件数目将达到500～1000亿。这就要求单位覆盖面积内支持的器件数目将极大增长，在一些场景下单位面积内通过5G移动网络连接的器件数目达到100万/km2，相对4G增长100倍。
10Gbps峰值速率
根据移动通信历代发展规律，5G网络同样需要10倍于4G网络的峰值速率，即达到10Gbps量级。在一些特殊场景下，用户有单链路10Gbps速率的需求。
10Mbps的可获得速率和100Mbps的速率能力
2020年的网络，需要能够保证在绝大多数的条件下（例如98%以上概率），任何用户能够获得10Mbps及以上速率体验保障。对于特殊需求用户和业务，5G系统需要提供高达100Mbps的业务速率保障，以满足部分特殊高优先级业务（如急救车内高清医疗图像传输服务）的需求。
更小的时延和更高的可靠性
5G网络需要为用户提供随时在线的体验，并满足诸如工业控制、紧急通信等更多高价值场景需求。这要求用户面临时延和控制面时延缩短为4G的1/5～1/10达到人力反应的极限，如5ms（触觉反应），并提供真正的永远在线体验。另一方面，一些关系人的生命、重大财产安全的业务，要求端到端可靠性提升到99.999%甚至100%。
更高的频谱效率
国际电信联盟（ITU）对IMT-A在室外场景下平均频谱效率的最小需求为2～3bps/Hz，LTE-A引入多点协作（CoMP）等先进特性，可以进一步提升系统的频谱效率。通过演进及革命性技术的应用，5G的平均频谱效率相对于4G需要5～10倍的提升，解决流量爆炸性增长带来的频谱资源短缺。
能耗效率明显提升
绿色低碳是未来技术发展的重要需求，通过端到端的节能设计，使网络综合的能耗效率提高1000倍，达到1000倍流量提升但能耗与现有网络相当。
基于上述愿景的5G关键能力要求如下：
支持1000倍的流量增长，单位面积吞吐量显著提升
支持100倍的连接器件数
支持10Gbps峰值速率
支持10～100Mbps的用户体验速率
支持更小的时延和更高的可靠性，用户面和控制面时延相对4G缩短为1/5~1/10
支持更高的频谱效率，相对于4G需要5～10倍的提升
支持更高的能耗效率，网络综合能效提升1000倍
5G的挑战
系统和技术融合的挑战
随着芯片技术的提升和智能终端的快速发展，各种智能设备的功能逐渐拓展并相互融合，例如：传统的手机正在被功能丰富的智能终端替代，配备高性能处理能力和操作系统的智能手机，能够完成传统电脑和通信的功能；新的平板电视、数码照相机等消费电子也逐渐增加了处理器模块、通信模块和智能操作系统，演变为智能数码设备；广播电视网络、固定宽带网络、无线宽带接入、移动通信系统、甚至卫星移动通信系统等多个系统通过终端设备和应用正在逐渐融合。未来的5G网络将是一个多业务、多接入技术、多层次覆盖的系统。如何将多种业务网络、多种接入技术以及多层次覆盖的网络有机地融合，合理利用，为用户提供最佳的业务体验、为运营商提供最强的网络能力、达到最优化的资源利用和长远的利润增长，是一项重要的技术挑战。
1000倍的流量需求，100倍以上连接器件数目，任何地方任何时间10Mbps甚至100Mbps的速率体验保证等5G高目标的提出，需要通过采用增加频率、提升空口效率、提升系统覆盖层次和站点密度等各种技术手段。基于未来数据业务主要分布在室内和热点地区的特点，采用超密集部署成为满足未来流量需求的主要方法。同时，通过采用先进的空口传输技术，例如新型的多天线技术，多址技术，调制和编码等，可极大提升空口频谱效率，成为5G技术的重要研究方向。这些新型传输技术和组网方式，将带来设备实现复杂度，设备研发成本，网络建设和运营维护等重大挑战。
物联网和业务灵活性的挑战
随着IMT向更多行业的渗透以及物联网的广泛使用，IMT系统需要支持的业务范围和业务灵活性提升。从信息速率来看，既需要支持几十个小时甚至更长时间才突发一些小数据包的抄表业务，也需要支持3D全息实时会议这类大带宽业务。从延迟来看，既需要支持对延迟不敏感的背景下载业务，也需要支持延迟要求5ms以下的即时控制类业务。从移动速度来看，既需要支持静止和低速的场景，也需要支持高铁甚至航空器的高速和超高速场景。基于统一的通信协议标准设计，支持广泛的业务灵活性，对未来IMT系统协议和技术设计都带来挑战。另外，物联网应用还涉及系统容量、设备成本、设备节电等各方面的挑战。
网络能耗与成本降低的挑战
未来网络在提供1000倍流量的情况下，需要保持网络总体能耗和整体成本基本不增加，这相当于需要提升端到端比特能耗效率1000倍，降低单位比特开销1000倍，这对网络架构、空口传输、交换路由、内容分发、网络管理、网络规划和优化等各个方面的技术和协议设计带来巨大的挑战。
终端方面的挑战
随着技术的不断进步，2020年无线网络将进入泛技术时代，可以预见未来的终端需要支持5～10个甚至更多不同的无线通信技术，例如，中国移动目前提出TD-LTE/FDD-LTE/TD-SCDMA/GSM/WCDMA 5模13频终端的需求，加上智能终端上常有的WiFi、红外、蓝牙、FM收音机等，高端智能终端已经支持10个以上的无线电技术。要实现低成本多模终端，待机时间达到现有的4～5倍，空口速率达到1Gbps并能较长时间的使用，对终端芯片和工艺、射频以及器件、电池技术等各方面提出了挑战。
产业生态对网络架构和管控理念的挑战
现有的无线移动通信系统以网络运营商为主体，其网络架构、管控理念等并不一定适应未来业务应用为主的产业生态结构和潜在的新兴运营模式。固定宽带网络技术领域，虚拟运营和SDN理念正在掀起传输网络架构的变化，无线移动通信网络如何适应未来业务应用需要进一步地探讨和研究。
发展趋势
全面满足2020年及以后信息社会对无线移动通信系统的需求，频率上面临频率分配以及频率使用方面的挑战；技术上面临进一步提升空口效率、提高覆盖效率和业务能力、降低能耗、降低网络建设和运营成本、提高终端能力并降低功耗等各方面的挑战；运营上需要寻求新的盈利模式和运营模式，支持以业务应用为主的产业生态变化，实现产业的快速健康发展和运营商持续盈利。
未来网络将面临方方面面的挑战，首先是需要持续优化和演进以LTE/LTE-A为主的现有的移动通信系统，将现有的技术和频率用好、用活，并寻求新的频率以及频率使用方法；其次需要融合各种现有的无线移动通信系统，综合利用已有频段上的各个技术以最低的代价为用户提供最好的体验；同时，需要推动技术进步和创新，极大地提升系统的效率，降低设备和网络运维成本，满足未来长期发展的需求。为了寻求持续盈利能力，运营商需要调整思路适应产业生态的变革，降低网络成本，提升网络运营灵活性和业务能力。
技术方向分析
演进、融合和创新是面向未来5G技术标准发展的3大路线。
同时，随着计算能力的提升，通信、信息以及消费电子业务应用通过互联网融合成为发展趋势，这将进一步推动各种业务系统和接入技术的快速融合，并催生新的业务应用。
同时，创新的无线传输技术、频率使用方式以及网络架构与组网技术也将会逐渐成熟并走向商用，解决更长期的需求增长与频率、成本的矛盾，带来更高的通信能力和更好的业务体验。
5G崭露头角实现与WLAN技术融合
5G弥补了4G的不足，采取全数字全IP技术，支持分组交换，将WLAN、Bluetooth等局域网技术与4G、3G技术融合，能够传输高质量视频图像，其图像传输质量与高清晰度电视不相上下。
其最高理论传输速度可达每秒数10Gb，这比现行4G网络的传输速度快数百倍，上传的速度也能达到20Mbps，能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。
作为4G技术的延伸，5G在用户最为关注的价格方面也做出了巨大创新：其价格与固定宽带网络在价格方面不相上下，而且计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。
结束语
5G移动宽带系统将成为2020年及以后人类信息社会需求的无线移动通信系统，它是一个多业务多技术融合的网络，通过技术演进和创新，满足未来广泛业务快速发展需要，提升用户体验。
5G移动宽带系统将能够实现高达1000倍的流量增长、100倍的连接器件数目提升、10Gbps的峰值速率、10～100Mbps的用户体验速率保障、更小的时延和更高的可靠性，并明显地提升频谱效率和能耗效率。演进、融合和创新将成为面向5G发展的3大技术路线。演进能够将以LTE/LTE-A为主的现有技术和频率用好、用活，并寻求新的频率以及频率使用方法；融合能够综合利用现有的无线移动通信系统，以最低的代价为用户提供最好的体验；创新能够更进一步提升系统的效率，降低设备和网络运维成本，满足未来长期发展的需求。
从TD-SCDMA到TD-LTE-Advanced，再到第五代移动通信技术研究，5G不仅是速度的进步，还包括其他很多方面。它可以帮助无处不在的计算成为现实。这也意味着，一旦5G研究取得突破，无线传输速度得到跨越式发展，高清视频传输和3D虚拟等终端应用将不再受到通信瓶颈而蓬勃发展，最终使得通信产品整个生产链升级从而带来全行业增长机会。通信和移动互联发生革命性变化，包括物联网在内的信息产业发展的巨大空间将打开。尽管目前5G还没有标准化，但各国已经开始了针对5G的角逐。