AppI icati。ns I创新应用 5G通信技术推动物联网产业链发展 魏军 (贵州大学,贵州550025) 摘要:5G已经成为通信领域里的重点研究对象,5G标淮引爆全球群英战,美国率先完成5G频 谱分配。在5G标淮制定中谁掌握话语权,将会在新一代移动通信技术革命中占据先机。5G通信 蓄势待发,且为推动物联网关键技术。按计划,中国将力争在2020年实现5G网络商用。 关键词:移动通信;5G;物联网应用 中图分类号:TN91文献标识码:A 文章编号:1 674—2583(201 7)01—0075—05 DOl:1 0.1 93394.issn.1 674-2583.201 7.01.01 9 中文引用格式:魏军.5G通信技术推动物联网产业链发展[J].集成电路应用,2017,34(1):75—79 5G Communications Technology Push the Development of loT I ndustry Chai n WEl Jun (Guizhou University,Guizhou 550025,China.) Abstract:5G has become the focus of research in the field of COmmunications.The 5G standard has been off the global war.the United States had completed the 5G spectrum allocation.The 5G standard who have the right to speak of.will take the initiative in the new generation mobile communication technology revolution.5G communication iS ready.and will push the key technology of internet of things.According to the plan.China wilI strive to achieve 5G network commerciaIIn 2020. Key word:mobile communication,5G,internet of things 1引言 时1 ms,端与端时延为ms量级,可靠性接近100%, 随着2020年5G步入商用,使物联网逐渐成为 可以现实连续广域覆盖、热点高容量、低功耗宽连 现实。由于国防信息化的推进加速,化合物半导体 接、低时延高可靠5G应用场景 J。目前包括ITU、 将会爆发。 IEEE、3GPP国际组织积极推进5G标准落地,预计最 5G有望在2020年步入商业化,将使真正的 快在2018年我们可以看到5G标准雏形,2020年5G “万物互联”成为现实无线移动通讯发展至今,已 标准将落地。 经实现了4代(IG.2G.3G.4G),每一代革新,都 国防信息化推进加速,带动雷达、军工通信与军 实现了更快的传输率、更宽的网络频谱、更灵活的 工电子等万亿市场需求。国防信息化是现代战争的发展 通信方式、更高的智能、更高的通信质量。第五代 方向。军队通过信息化的整合实现一体化的作战能力: 移动通信(5G)传输速度可达10 Gbps,比4G网 将目标探测跟踪、指挥控制、火力打击、战场防护和毁 络的传输速度快十倍到百倍,解决海量无线通信需 伤评估等功能实现一体化,将联合指挥中心和各军种之 求,将实现真正的“万物互联”。用户体验速率达 间的作战组织实现一体化。国防信息化产业链主要包括 到1 Gbps,连接数密度为106万个/km ,空口时延 雷达、卫星导航、信息安全、军工通信与军工电子五大 作者简介:魏军,贵州大学,研究方向:移动通信技术及其应用。 收稿日期:2016-10—11,定稿日期:2O16—12一l6。 集成电路应用第34卷第1期(总第280期)2017年1月l 75 创新应用I Applications 领域。据行业预测,围防信息化建设到2025年市场总 规模有望达到1.66万亿元。其中,军用雷达达到3 776 亿元,国防信息安全建没达到7 320亿元,军T通信达 到308亿元 5G、军 :两轮驱动,带动上游化合物半导体罔产 化及需求。化合物半导体三大材料,笫二代GaAs半 导体相对最成熟,其中,用在移动通汛设备中占比为 71%,当前市场容量约为82亿美元,主要受益通讯射 频芯片尤其是PA驱动,随着5G+军T驱动.我们预计 2020年将形成132亿美元的市场容 ;第 代半导体 SiC半导体市场存20l6年『F式形成,当前市场容量约 争霸辫蝠德醯 为2亿美元,作为大功率高频半导体在电动汽车大有可 为,未来10年市场容量有 增至20亿美元;第三代 半导体GaN半导体目前也处于发展阶段,为高温、高 图2 5G通信面临的挑战 频、大功率器件首选材料之,将』’‘泛应用丁通汛、军 1978年底研制成功先进移动电活系统(AMPS),外丁 丁, 前市场容量约为3亿美元,未来10年市场容艟 1983年首次在芝加哥投入商用,标志着第一代蜂窝移 有单增至30亿美元=涉及化合物半导体上巾公司 安 动通信系统的诞生lj J 第一代移动通信技术(1G)采 光电(GaAs/GaN)、海特高新(GaAs/GaN)、扬杰科 模拟式通信系统,将介于300 Hz到3 400 Hz的语音 技(SiC);涉及化合物半导体非上巾公司:中国电子 转换到高频的载波频率MHz上,仅实脱语音无法实现 科技集团(13昕、46所、55所) 手机卜网,最流行手机为大块头的摩托岁托8000X,俗 称人哥大。第二 代移动通信(2G)涎牛于2O世纪90 2 5G通信蓄势待发,且为推动物联网关键技术 年代初期,从模拟凋制进入到数字调制.GSM的网速 2.1.5G是实现物联网关键技术 仪有9.6 KB/S,开启手机上网时代,同时2G帮助诺基 无线移动通信每一代革新,部尖现了更快的传 业掘起第■代移动通信(3G)诞生丁21世纪初期, 输率、更宽的网络频谱、更灵活的通信方式、更高的 以多媒体通信为特征,支持高速数据传输.3G将有史 智能、更高的通信质量发展至今,已经实现了4代 宽的带宽,其传输速度最低为384 K,最高为2 M,带 (1G一2G一3G 4G)( 1)一 宽可达5 MHz以上 能够实观高速数据传输和宽带多 无线移动通信最基本和最主要的一种是利爿{蜂窝 媒体服务,使移动互联网变为现实:第四代移动通信技 网方式,m荚同贝尔实验室等首先提}{I 该实验室仵 术(4G)诞生于20l0年,标志着进入无线宽带时代, 4G是集3G与WLAN于一体,并能够 lG 2鑫 传输高质量视频图像,能够以100 Mbps o驾参舞参 ..嗣 黉 的速度下载,上传的速度也能达到20 Mbps,并能够满足儿平所有用广1对于无 H( ⅥP 线服务的要求:第五代移动通信(5G) T、( t¨、l~:¨O¨ 『I (’n、l、 已经成为通信领域 的重点研究对象,传 输速度可达10 Gbps,比4G网络的传输 速度快十倍到百倍,解决海量无线通信需 ・ 求,将实现真正的“万物 联”一 十一 熹箍夏期纂磅嗍 移动通信发展,同步推动手机革新。 嚣蠢蟾 辚纛鬻 从l986年的第1代移动网络到2 ol 3年 素囊鬻童鲁 素纛舞童鲁 ■ , 的第4代移动网络,这短短的26年间我 一A隽 们见证了移动通信技术的突飞猛进,从 大哥大到诺基亚手机,从iPhone的诞生 76 l集成电路应用第34卷第1期(总第280期)20t7年1月 App cat 。ns l创新应用 表1 5G通信的关键技术指标 法很好支持地物联网及垂直行业应用。 (1)连续广域覆盖:为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。陔场景的主 龟肇广I●量▲ , 100Mbps鹧 杈验适覃 一诹麓.呈幸:;(,hPs 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l00 Mbps以上的用户体验 速率。 赫点南客量 , jl- 立适-e:拽十(小ps , .寞量誊』t.铖十 【1‘kn:’ (2)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。lGbps用户体验速率、数十 Gbps峰值速率和数十Tbps/km 的流量密度需求是 该场景面临的主要挑战。 (3)低功耗宽连接:场景主要面向智慧城 ._l蔚.‘走毫基 ≯ 连接敏密度:l0 ̄,'km: ≯ 艇强功耗.起坻成氧 , 室【,: }逗lm 饭时鼍毫可靠 , , j_j鸡 7迂:n }鳆 :走 :接!芝i00” 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 到Google Glass的推出,这些设备给我们带来更好的体 众多,不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力, 验,都在依赖移动网络的支撑。而lG、2G、3G以及 满足1 00万个/km 连接数密度指标要求,而且还要 现在的4G逐渐从简单的通话也已经转换为清晰语音、 高质量图片视频传送技术发展,运营商的业务也开始发 保证终端的超低功耗和超低成本。 (4)低延时高可靠:场景主要面向车联网、 生了转变 J。而更高网速的5G也将诞生,未来翻天{蔫f 丁业控制等垂直行业的特殊应用需求,这类应用对 地的移动通信将彻底改变我们的生活。 将采用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在内的一组关键技术,以满 足各种场景的差异化需求。根据IMT-2020(5G)推进 主要包括用户体验速率、连接数密度、端到端时延、流 率、连接数密度和时延为5G最基本 的三个性能指标。5G面临的挑战见图 2所示.5G关键技术指标见表l。从 移动互联网和物联网主要应用场景、 时延和可靠性具有极高的指标要求,需要为用户提 保证 5G网络功能升级将使“万物互联”成为现实。5G 供毫秒级的端到端时延和接近l00%的业务可靠性 2.2.物联网前景广阔。5G将有望2020年进入商 移动互联网和物联网是未来移动通信发展的 组发布《5G网络架构设计》白皮书,5G关键性能指标 业化 量密度、移动性和用户峰值速率p J。其中,用户体验速 两大主要驱动力,将为5G提供广阔的前景。移动 业务需求及挑战出发,可归纳出连续 广域覆盖、热点高容量、低功耗宽连 接和低延时高可靠四个5G主要技术 场景。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。 f 低功耗宽连接和低时延高可靠场 景主要面向物联网业务,是5G新拓 环境 图3 5G通信的应用 展的场景,重点解决传统移动通信无 集成电路应用第34卷第1期(总第280期)2017年1月 l77 创新应用i Applications ■ O 锻O 簟囊孙 黼 l 图5 2010~2030年全球和中国移动终端及物联网 连接数增长趋势 图4 2010~2030年全球和中国移动数据流量 增长趋势 互联网颠覆传统移动通信业务模式,为用户提供前所 未有的使用体验,深刻影响着人们工作生活的方方面 面。面向2020年及未来,移动互联网将推动人类社 会信息交互方式的进一步升级,为用户提供增强现 实、虚拟现实、超高清(3D)视频、移动云等更加身 临其境的极致业务体验。移动互联网的进一步发展将 带来未来移动流量超千倍增长,推动移动通信技术和 产业的新一轮变革。 物联网扩展了移动通信的服务范围,从人与人 全球物联网设备连接数也将快速增长,2020年将接近 全球人口规模达到70亿,其中中国将接近15亿。到 2030年,全球物联网设备连接数将接近1千亿,其中 中国超过200亿(图5)。在各类终端中,智能手机对 流量贡献最大,物联网终端数量虽大但流量占比较低。 3 5G标准加速推进 怔5G标准加速推进(图6),2020年有望进入商业 化。目前包括ITU、IEEE、3GPP国际组织积极推进 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”(图 3),并缔造出规模空前的新兴产业,为移动通信带 5G标准落地,预计最快在2018年我们可以看到5G标 准雏形,2020年5G标准将落地。 (1)ITu于2015年启动5G国际标准制定的淮备 工作,首先开展5G技术性能需求和评估方法研究,明 确候选技术的具体性能需求和评估指标,形成提交模 板;2017年ITU。R发出征集IMT-2020技术方案的正式 通知及邀请函,并启动5G候选技术征集;2018年底启 动5G技术评估及标准化;计划在2020年底形成商用 能力 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。 面向2020年及未来,移动数据流量将出现爆炸 式增长。预计20l0年到2020年全球移动 数据流量增长将超过200倍,2010年到 2030年将增长近2万倍;中国的移动数据 流量增速高于全球平均水平,预计2010年 到2020年将增长300倍以上,20l0年到 +wRc・】s +WRC・l9 2030年将增长超4万倍。发达城市及热点 地区的移动数据流量增速更快,2010年到 2020年上海的增长率可达600倍,北京热 点区域的增长率可达1 000倍。 I‘I ;一 l4l粥 RI 弗一 1 ̄16t鹰羹 稿}纛 霁 麓 擦臻 l净臻 未来全球移动通信网络连接的设备总 量将达到千亿规模(图4)。预计到2020 年,全球移动终端(不含物联网设备)数 量将超过l00亿,其中中国将超过20亿。 图6 5G通信标准加速推进 78 l集成电路应用第34卷第1期《总第280期)2017年1月 AppIicati。ns I创新应用 (2)作为IEEE 3G/4G淮的制定机构,IEEE 802 2020年实现5G网络商用。目前正在工信部统一领导 下,依托IMT一2020(5G)推进组,开展5G技术研 发试验。华为和中兴两家公司都是中国IMT一2020 (5G)推进组的核心成员。华为积极参与欧盟主导 的5G项目,也是英国5GIC创始成员和日本5GMF 的重要成员。在推动全球5G产业进程上,华为与 标准委员会结合自身优势,积极推进下一代无线局域 网标准(IEEE 802.11ax)研制,并希望将其整合至 5G技术体系。 (3)从2015年初开始,3GPP已启动5G相关 议题讨论,初步确定了5G工作时间表。3GPP 5G研 究预计将包含3个版本:R14、R15、R16。R14主要 开展5G系统框架和关键技术研究;R1 5作为第一个 运营商进行了广泛对话,并与中国移动、El本NTT DoCoMo、欧洲沃达丰、德电、西班牙电信公司等 版本的5G标准,满足部分5G需求,例如5G增强 移动宽带业务的标准;R16完成全部标准化工作,于 2020年初向ITU提交候选方案。 5G标准引爆全球群英战,美国率先完成5G频 谱分配。韩国、欧盟、El本和美国都开始启动5G商 用机会,在5G标准制定中谁掌握话语权,将会在新 一代移动通信技术革命中占据先机。其中,韩国将于 2018年年初开展5G预商用试验支持平昌冬奥会,计 划到2020年年底实现5G商用;欧盟5G PPP预计在 2018年启动5G技术试验;El本计划在2020年东京 奥运会之前实现5G商用,当前NTT DoCoMo正在组 织10多家主流企业验证5G关键技术,进行关键技术 及频段的筛选;美国运营商Verizon成立5G技术论 坛,并计划于2016年启动5G外场试验。其中,美国 联邦通信委员会(FCC)针对24 GHz以上频谱用于 无线宽带业务宣布了新的规则和法令,美国成为全球 首个宣布将这些频谱用于5G无线技术的国家:2016 年7月15 El,美国联邦通信委员会(FCC)将为5G 网络分配频率资源。FCC最新的法令开放了近1 1 GHz 可灵活用于移动和固定无线宽带服务的高频段频谱, 其中包括3.85 GHz授权频谱和7 GHz未授权频谱。 这些被其定义为可用于Upper Microwave Flexible Use 服务的频谱具体分布在28 GHz(27.5~28.35 GHz)、37 GHz(37~38.6 GHz)、39 GHz(38.6~40 GHz)和一个新 的64~71 GHz未授权频段。此外,FCC还将继续寻 求关于95 GHz以上频段的使用意见。 我国5G试验分两步实施,建立中国在5G产业 主导权L 。我国5G试验分为两步实施:从2015年 到2018年进行技术研发试验,由中国信息通信研究 院牵头组织,运营企业、设备企业及科研机构共同参 与;从2018年到2020年进行产品研发试验,由国内 运营企业牵头组织,设备企业及科研机构共同参与。 中国这次在5G时代的话语权有望超越以往,在2G 跟随、3G突破、4G引领发展之后,中国移动通信技 术在5G时代将成为引领者。按计划,中国将力争在 全球领先运营商就5G展开联合创新和技术验证。中 兴通讯担任了IMT一2020 IEEE工作组主席、IMT一 2020网络技术工作组的副主席等重要席位,并牵头 了多个子工作组的研究工作,投身于5G无线关键技 术及下一代网络架构的研究工作。2015年,中兴通 讯加入欧盟H2020计划,致力5G创新研究。除了被 德国电信列入首批5G创新实验室合作伙伴名单,目 前中兴通讯已经与中国移动、日本软银、韩国KT、 马来西亚U Mobile等多家高端运营商展开5G的研发 与合作 4结语 2016年发布的《5G网络架构设计》白皮书提炼 了网络切片、移动边缘计算、按需网络重构,以用户 为中心的无线接入网,以及能力开发等5G通信的创 新技术,给出5G架构和技术标准化的推进建议。 我国的5G技术在多个方面已经取得积极进展, 需要加强5G与垂直行业的融合研究。以工业互联 网、车联网等重点行业应用为突破口,构建支撑行业 发展的安全,争取2020年进入商用。 参考文献 [1]陈晓贝,罗振东.5G:从愿景逐步向技术标准迈 进[J].世界电信,2014(12). 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