【5G】5G目标和标准化 5G targets and standardization

5G标准是在第三代合作伙伴关系项目（3GPP，3rd Generation Partnership Project）中定义的，实际的标准制定工作由参与3GPP活动的区域标准机构成员共同推进。目前，超过600家公司通过各自的地区标准组织成为3GPP的成员。然而，在标准制定工作正式启动之前，需求和用例已经在其他平台上进行了定义。这些需求和用例通常在国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R，International Telecommunication Union Radio sector）等国际论坛上，或在行业论坛如下一代移动网络（NGMN，Next Generation Mobile Network）联盟中进行界定。同时，也存在一些预标准研究平台（pre‐standards research forums），如5G基础设施公私伙伴关系（5G Infrastructure Public Private Partnership， 5G-PPP）和5G移动通信促进论坛（5G Mobile Communications Promotion Forum，5GMF），这些平台的项目部分旨在为标准制定工作奠定基础，通过收集行业和学术界的研究成果。在本章中，将介绍导致国际电信联盟（ITU，International Telecommunications Unions）、NGMN和3GPP最终确定5G规范（5G specification ）的关键活动。

一、ITU

国际电信联盟（ITU）一直通过国际移动电信（IMT，International Mobile Telecommunications）标准推动移动通信系统的国际标准化。通过国际电信联盟无线电部门（ITU-R，International Telecommunications Unions - Radio sector ）制定的IMT-2000和IMT-Advanced无线电接口技术建议，这些标准得以实现，并为第三代和第四代移动通信系统提供了技术基础。

Name	Example of radio interface technologies
IMT‐2000	WCDMA/HSPA/LTE, cdma2000, TD‐SCDMA, WiMAX, etc.
IMT‐Advanced	LTE‐Advanced, Wireless‐MAN‐Advanced

2012年，国际电联结合全球各地的5G研究活动，启动了“2020年及以后IMT”开发研究（“IMT-2020”）。本节将重点介绍IMT-2020的愿景以及IMT-2020无线电接口技术的发展。

1. IMT对2020年及以后的愿景

2015年9月，国际电联发布了ITU-R M.2083建议书，题为“IMT愿景——2020年及以后IMT未来发展的框架和总体目标”。该建议书基于国际电联成员的贡献，并考虑到当时全球工业界、研究组织和学术界的5G研究活动。标准前的研究活动包括5G-PPP项目、欧洲的METIS 1和2项目、5G_NORMA以及日本5GMF项目等。建议书中描述的一个重要内容是确定IMT-2020中的三个主要使用场景：

增强的移动宽带 Enhanced mobile broadband（eMBB）：支持eMBB的场景在现有移动宽带应用的基础上，提供改进的性能和更加无缝（seamless）的用户体验。

超可靠和低延迟的通信 Ultra‐reliable and low latency communications（URLLC）：支持对吞吐量（throughput）、延迟（latency）和可用性（availability）等严格要求的应用，如工业制造过程中的无线控制、远程医疗手术、智能电网中的分配自动化以及交通安全等。

大规模机器通信 Massive machine type communications（mMTC）：支持大量设备的连接，通常传输相对较小、非延迟敏感的数据。

ITU-R M.2083建议书还确立了IMT-2020的一些关键特性，如峰值数据速率（peak data rate）、用户体验数据速率（user experienced data rate）、频谱效率（spectrum efficiency）、移动性（mobility）、延迟（latency）、连接密度（connection density）、网络能源效率（network energy efficiency）和区域通信容量（area traffic capacity）。尽管所有这些关键特性都非常重要，但根据不同的使用场景，上述特性的重要性和相关性可能会有所不同。

2. IMT-2020无线电接口技术的标准化

为了实现上述IMT愿景，国际电联开始制定新的ITU-R建议，以推动IMT-2020无线电接口技术的发展并实现5G的国际标准化。IMT-2020无线电接口技术的发展时间表和过程总结如下表所示。

二、NGMN

NGMN联盟是一个由全球领先的电信运营商（leading worldwide telecom operators）、供应商（vendors）和研究机构（research institutes）组成的行业组织。该联盟于2006年由国际电信运营商成立，其目标是确保NGMN基础设施、服务平台和设备的功能和性能能够满足运营商的要求，并最终满足终端用户的需求和期望。

受运营商强烈推动使5G成为真正全球化、无碎片化并开放创新的深远兴趣驱动，NGMN于2014年成立了5G倡议，以汇聚他们对5G的愿景。在运营商核心团队的领导下，NGMN 5G倡议在考虑不同市场背景和业务优先级的同时，成功地整理了5G的使用案例、需求和架构设计原则，并形成了《NGMN 5G白皮书》。该白皮书得到了21家运营商的支持，包括AT&T、Bell、英国电信、中国移动、德意志电信、KPN、韩国电信、NTT DOCOMO、Orange、新加坡电信、SK电信、TELE2、意大利电信、Telefonica、奥地利电信集团、TeliaSonera、Telstra、Telus、Turkcell、VimpelCom和沃达丰，并于2015年3月发布。

根据NGMN的定义： 5G是一个端到端的生态系统，旨在实现一个完全移动和互联的社会。通过现有和新兴的使用案例，以一致的体验交付，并通过可持续的商业模式推动客户和合作伙伴的价值创造。因此，网络能力的范围，包括吞吐量、低延迟和更高的连接密度，需要大幅扩展。为了应对广泛的使用案例和商业模式，设计中必须嵌入高度的灵活性和可扩展性。通过在成本、能源和运营效率方面的基础性转变，商业导向和经济激励应使5G变得可行和可持续。

1. NGMN 5G Use Cases

除了支持已建立的主要移动宽带使用案例的演进外，NGMN还识别出5G需要支持无数新兴的使用案例，这些案例具有高度多样化的性能属性，并支持各种设备。对不同代表性使用案例的研究结果形成了以下几类使用案例：

密集区域的宽带接入（Broadband access in dense areas）：改善在人口密集区域的服务可用性，包括普及的视频、智能办公、运营商云服务以及体育场/露天聚会中的高清视频/照片分享。
无处不在的宽带接入（Broadband access everywhere）：在吞吐量方面提供一致的用户体验，促进全球数字包容性，实现全球范围内50+ Mbps的网络覆盖，和超低成本的网络。
更高的用户流动性（Higher user mobility）：支持对移动服务的日益增长的需求，如娱乐、互联网接入和远程计算，适用于车辆、火车和飞机，包括行走/骑行等移动热点场景。
大规模物联网IoT（Massive Internet of Things ）：支持大量设备（如传感器、执行器和摄像头）的接入，涵盖低成本/长距离/低功耗到宽带机器类型通信（MTC，broadband machine type communications），包括智能穿戴设备（smart wearables）（如衣物）、传感器网络（sensor networks）和移动视频监控（mobile video surveillance）。
极限实时通信（Extreme real‐time communications）：支持需要极限实时交互的服务，包括自动驾驶车辆的安全支持、远程计算和触觉互联网。
生命线通信（Lifeline communication）：实现高可用性和抗灾能力，以支持增强的公共安全和应急服务，即使在交通激增的情况下，也能保证高效的网络恢复，尤其在自然灾害发生时。
超可靠通信（Ultra‐reliable communications）：支持各种需要极高可靠性的行业应用，如远程操作和机器控制、协作机器人、远程手术和生命关键服务。
广播类服务（Broadcast‐like services）：支持从一个源向多个目的地高效分发信息，并可能为交互式服务提供反馈，涵盖从本地到区域、国家等不同范围。

除了传统的商业模型，NGMN还强调5G需要支持多种类型的客户和合作伙伴关系，如激发垂直行业发展并支持行业流程。合作伙伴关系将在多个层面建立，从共享基础设施到暴露网络能力，或将合作伙伴服务集成到整个系统中。

2. NGMN 5G Requirements

5G的使用案例需求非常多样化，有时甚至极端。单一的解决方案可能无法在合理的成本下同时满足所有需求。多个使用案例可能同时活跃，这就要求5G网络具备高度的灵活性和可扩展性。NGMN设定了以下需求：

卓越且一致的用户体验
在高度异构的环境中，依赖于使用案例，提供一致的用户体验，包括时间和服务覆盖范围
更高的用户数据速率，需要在至少95%的地点（包括小区边缘）至少95%的时间内提供：
密集城市：300 Mbps 下行速率
智能办公：1 Gbps 下行速率
多兆比特数据速率无处不在——包括体育场、飞机和目前未连接到互联网的区域
更低的延迟：某些车对车和工业自动化通信需求的端到端延迟小于1毫秒
无缝的服务体验：支持移动用户（最高500公里/小时）以及静态/游牧用户/设备
系统性能：大幅扩展的网络能力，以应对使用案例的多样性和变化性
连接/流量密度：
人群中的用户：在拥挤区域为数万用户提供几十兆比特每秒的速率
智能办公：智能办公区域每平方公里15 Tb/s的流量密度
大规模传感器部署：每平方公里支持数十万个同时连接
显著增强的频谱效率（平均值和小区边缘，跨频段）：以保持合理的基站数量
增强的资源和信令效率：以最小化资源和能耗
智能设备的不断增强能力
设备的高度可编程性和可配置性：通过网络进行远程配置（OTA）
灵活动态的设备能力处理
设备支持同时多个频段和多种模式（FDD、TDD混合模式），实现真正的全球漫游
显著增加的电池续航时间：智能手机至少3天，低成本MTC设备最长可达15年
增强的服务：通过提升现有服务交付的能力，创造客户和合作伙伴的价值
无缝且始终最佳的连接体验，无需用户干预，跨越现有、新型和非3GPP无线接入技术（RATs）
在现有、新型和非3GPP RATs之间的无感移动
基于网络的定位：户外精度从10米提升到1米以内，室内精度<1米，实时定位
在高度异构的环境中强化服务和网络的安全性，漫游时仍能有效工作
保护用户的可信信息
特定使用案例的超高可靠性率：≥99.999%
新商业模式：扩展现有机会并在5G生态系统内创造新商业模式机会
合作伙伴服务提供商、XaaS资产提供商：通过OpenAPI配置和管理服务——以灵活、可配置和可编程的方式暴露网络能力
连接提供商：仅使用必要的网络功能提供连接——按需配置和编排
网络共享模式：支持各种共享方案，最大化共享协议的协同效应，并允许灵活/快速变化的模型和关系
高效的网络运营：在成本、能源、创新、部署和运维（O&M）方面实现高效，同时最小化总拥有成本
支持1000倍流量增长下，网络总能耗减半
显著降低O&M的复杂性和成本
对于极低平均收入用户（ARPU）地区和/或MTC服务，成本极低
灵活快速地推出新服务和新技术
易于部署：即插即用、自配置/自愈等
灵活性和可扩展性：在各个层面实现开放性和多厂商能力，模块化的提供，核心网/RAN网络领域/元素的功能拆分，硬件与软件解耦
固定移动融合：提供无缝的用户体验和统一的用户管理

3. NGMN 5G Architecture Design Principles

5G的使用案例需求非常多样化，有时甚至极端，每个使用案例都有其特定的性能、可扩展性和可用性要求。NGMN预见到，前几代网络相对单一的架构无法高效地满足支持更广泛业务需求所需的灵活性和可扩展性。为了更灵活高效地提供新服务，5G架构应包括可根据需求部署和扩展的模块化网络功能。为了支持多个同时活跃的服务共享同一运营商网络，NGMN设想了一种将整体系统分为三个独立层次的架构，分别是业务应用层（Businness application layer）、业务使能层（Business enablement layer）和基础设施资源层（Infrastructure resources layer），并基于网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）。

业务使能层包括各种控制面（C-plane）和用户面（U-plane）功能，以及各种无线接入技术（RAT）配置和状态信息，形成一个公共信息存储库。业务使能API向各种应用程序暴露，包括运营商服务、企业和垂直行业服务以及OTT（超越网络运营商的服务）。这些业务使能功能被不同的应用调用，以灵活和可扩展的方式定制以满足各个应用的需求。这种通过公共基础设施为不同应用需求定制服务的能力，通常被称为“网络切片”，并在NGMN白皮书中被作为5G的基础架构。

2.3.4 Spectrum, Intellectual Property Rights (IPR), and Further Recommendations by NGMN

NGMN白皮书还对5G的频谱和知识产权（IPR）政策提出了建议。关于频谱，NGMN强调了以下几点：

由于不同的需求，运营商必须依赖更广泛的频谱组合：
- 有可能将现有的移动频谱资源重新分配用于5G，并获得ITU WRC-15可能识别的额外频谱。
- 访问低频频谱（低于6 GHz），特别是低于1 GHz的频段——对于在农村和室内环境中经济地提供移动服务至关重要；同时也需要访问6 GHz以上的高频段——适用于非常高的数据速率和短距离连接，可能具有500–1000 MHz/运营商的大带宽。
- 将5G纳入ITU的IMT框架下对于全球频谱的识别和协调至关重要。
- 5G的回传需求可能包括无线解决方案，并且需要频谱。

关于知识产权（IPR），NGMN强调了以下几点：

改善5G标准必要专利（SEP）的声明——提高透明度，限制与5G标准相关的滥用专利声明，同时仍鼓励早期声明。
建立独立的5G SEP评估机制——确保专利声明的质量、透明度和有效性。
探讨并建立5G专利池许可——在5G专利池框架内确定合适的许可条款和条件（包括版税），以满足整体的NGMN商业目标。

在发布了NGMN 5G白皮书之后，NGMN继续研究了端到端架构的细节，进一步阐述了网络切片的概念及其影响。这项工作进一步推动了服务导向架构的定义。此外，为了更深入理解5G对垂直行业的影响，NGMN在欧洲、美国和亚洲举办了研讨会，并与实际的垂直行业组织和公司进行了对话。与实际垂直行业的反复讨论最终导致了垂直行业使用案例和需求的全面发布，详细内容见。在随后的项目中，NGMN还进一步研究了极端可靠性和低延迟需求及其可行性。NGMN还研究了5G的商业视角，在由商业原则小组创建的交付物中详细阐述了商业和技术背景的相互影响。此外，NGMN成立了测试与试验倡议，制定了一项战略，以确保不同方进行的不同试验活动的效率和成功。

三、 3GPP进度计划和分阶段性

3GPP一直在为电信网络技术的技术报告和规范的制定做出贡献，包括无线接入、核心传输网络和服务能力。在3GPP中，2015年9月举行了一个关于5G的无线接入网络（RAN）研讨会，在此次研讨会中，讨论了5G的需求和潜在技术。在这次研讨会上，出现了一个新的共识，即5G将会有一种新的、不可向后兼容的无线接入技术，并且这一技术需要与LTE-Advanced的演进并行进行。大家一致认为，5G的规范性工作应分为两个阶段，考虑到不同的使用场景、需求以及紧迫的商业需求。第一阶段解决商业需求中的一个更紧迫的子集，第二阶段解决所有已识别的使用场景和需求。此时，普遍认为，虽然规范性工作可以分阶段进行，最初只指定支持已识别的部分使用场景和需求，但NR的设计应具有向前兼容性，以便在后续阶段添加更多的使用场景和需求时能够最优地支持它们。