引言：各類新型業務的興起以及用戶規模的迅猛發展，推動著移動通信系統的持續演進與革新。在十年一輪迴的移動通信系統發展歷程中，眾多技術流派在激蕩的浪潮中歷盡沉浮。有多少技術方案曾如焰火般驚艷乍現，而後卻在轉瞬間化作過眼雲煙，被塵封在故紙堆中。又有多少技術方案能真正經得起理論、實踐與市場的多重考驗，從而有機會在人類文明史上留下一絲更為清晰的痕跡。如今4G系統的發展方興未艾，5G的步伐就已緊隨其後。移動通信系統的發展即將開啟新的篇章。在這歷史性跨越的前夜，讓我們以一個工程師的視角，從業務、技術、願景、目標等多重角度對下一代系統所面臨的挑戰、發展趨勢與可能的技術路線進行探討。

一．演進歷程

移動通信系統的發展，十年一輪迴。如圖1所示，第一代到第四代系統都是以標誌性多址技術+典型業務類型作為其斷代依據：最早的商用移動通信系統採用了FDMA方式，能夠支持模擬話音業務；第二代系統採用了TDMA方式，支持數字化的語音及低速率數據傳輸業務；第三代系統採用了CDMA多址技術，能夠支持多媒體業務；第四代系統則採用了OFDMA技術，支持移動寬帶（MBB）業務。

第五代系統是否仍然會沿用這種以多址技術革新和典型新業務為分界點的劃分方式呢？ 5G系統又將具有哪些顯著特徵？會以什麼樣的技術為支撐？要做出這樣的預測，首先需要從業務、市場和技術等多方面的發展趨向說起。

圖1.移動通信系統的演進歷程

二．總體趨勢

1.移動互聯網

圖2中描繪了移動通信系統的總體發展趨勢。其中，脫胎於傳統電信網絡的移動通信系統是以話音作為主要業務的。隨著多媒體業務的興起和CDMA技術應用，自3G系統開始，數據傳輸業務開始逐漸增加，並日益成為一種重要的業務類型。於此同時，與傳統的移動通信系統並列的計算機系統也逐漸沿著從獨立的個人電腦向著以固定的網絡接入為主的桌面互聯網方向演進。傳統的通信系統和計算機系統，一個要移動一個要互聯，本來是你走你的陽關道，我走我的獨木橋。但是，隨著各自勢力範圍的擴大，兩股勢力在一個新的領域逐漸相互的滲透和融合。正是這種融合，推動了所謂的移動互聯網的迅猛發展。移動終端的發展形態就很好的印證了這兩種網絡的融合。如今的智能手機越來越像電腦，而源自電腦的各種PAD卻越來越像手機。它們之間的界限正在變得越來越模糊。

圖2. 移動通信系統總體發展趨勢

實際上，這種所謂的融合在一定程度上也是電信和計算機界相互鬥爭的結果。劃分室內外的牆壁是這兩股勢力爭奪的最初焦點。一座座建築構成了一個個小小的圍城，關在室內的計算機網想要通過WiMax突圍到廣闊的室外天地中大有作為。而以廣域覆蓋為專長的移動通信網則想要繼續攻城略地，內外通吃一統天下。從標準化和網絡部署與應用的實際情況來看，以LTE為代表的傳統電信勢力似乎佔據了絕對優勢。但是這一表面上的優勢卻並不意味著計算機界的落敗，對其而言無非是不需要再為了喝口牛奶而去親自養奶牛罷了。在應用為王的移動互聯網時代，更是沒必要為了幾分薄利，再到通信民工更為擅長的管道鋪設領域去擠占我們最後的一畝三分田。

隨著智能終端的普及，以OTT為代表的種類繁多的應用已強勢地擠占了傳統電信業務的盈利空間，導致利潤向上層業務和終端領域的轉移。而應用層面本就是計算機領域的傳統勢力範圍。同樣是由於智能化程度的大幅度提升，終端的諸多應用功能已經反客為主，反而使通信功能漸漸淪為一根不能徹底棄之的雞肋條。在一個靠粉絲靠情懷吸引用戶的時代，終端領域的一個個老牌通信巨頭們紛紛被蘋果這樣以計算機起家的企業打得落花流水。

2.物聯網

有人說，一切皆可數字化。對於通信界而言，與之對應的下一句就是一切皆可互聯互通。因此，除了移動互聯網之外，另一類新型的網絡形態主要就是由遍布在我們四周的原本相互獨立的設備所構成的所謂物聯網。如果說移動互聯網基本還屬於人的網絡，那麼物聯網則是包絡了物與物、人與物的更為廣闊的網絡。

業界對5G的構想便是，在這兩張網絡的支撐下，通過雲計算等新型技術，在2020年左右構建出一個能夠實現萬物互聯、無處不在，而又讓人身臨其境的通信系統。

三．市場趨勢

5G發展的驅動力之一，是上述業務的發展、融合以及新型網絡形態的興起。而5G發展的另一大驅動力，或者說是壓力，則來自於系統規模的爆炸式發展。這裡所說的系統規模包括了數據流量規模以及終端連接數規模。

圖3給出了我國的5G推進組織—IMT-2020對流量需求增長趨勢的預測結果。以北京的某些熱點地區（如西單、王府井等地）為例，2020年左右移動數據流量就將增長1000倍左右。數據流量的需求總量與業務類型及終端數量都有著直接的關係。圖4中首先給出了IMT-2020對終端連接數量發展趨勢的預測，業務類型對數據流量需求的影響將在後續章節中進一步分析。

圖3. IMT-2020對數據流量增長趨勢的預測

圖4. IMT-2020對終端連接數增長趨勢的預測

根據這一預測，2030年全球移動終端數量將達到180億部。值得一提的是，隨著時間的推移，2030年左右物聯網終端設備相對於人口數和傳統移動終端數將會出現巨大的飛躍。圖5中給出了ITU對於移動終端（非物聯網終端）數量和終端類別佔比的發展趨勢預測。從中可以進一步看出，在這些移動終端中，絕大多數將是智能手機或平板電腦等靠流量吃飯的智能設備。

圖5. ITU對移動終端數量及各類別終端佔比發展趨勢的預測

四．業務需求

根據第二節中的討論，巨大的數據流量和巨大的終端數量，必定會對未來的移動通信系統造成巨大的壓力。在此，讓我們進一步探討一下，究竟是什麼樣的業務能夠導致數據流量和連接數需求的爆炸式發展。

1.超高清、三維化視頻

有效性和可靠性是我們對通信系統的的兩個最基本要求。所謂有效性即信息的保真度。在從信源到信宿的傳遞過程中，我們希望通信系統能夠盡可能真實地再現信息源。例如所謂標清、高清、全高清、超高清等一系列概念主要強調對視覺信息細節的再現，追求的是一種分毫畢現的視覺體驗，而三維化則可以進一步增進用戶的視覺感受。可以想像，對細節視覺信息的精準再現必然會導致信息量的激增和對傳輸速率要求的大幅提升。例如8K的3D視頻經過100倍壓縮之後，仍然需要1Gbps的傳輸速率。

2. 浸入式視頻/增強現實/虛擬現實

目前，人們對保真度的追求主要針對視覺和聽覺信息。實際上，在我們完整的感官世界中，既包含視覺、聽覺也包含了嗅覺、味覺、觸覺等一系列的感知形式。而且，如果單純以一種置身事外的方式完美再現視覺信息，並不足以給人真正帶來身臨其境的所謂臨場感受。這種能夠完整再現的臨場感正是增強現實及虛擬現實技術追求的終極目標。如果要以虛擬現實、浸入式體驗的方式進行通信或在線遊戲，除了數據速率需求之外，還會帶來對時延控制的極端要求。

3.雲桌面

有了強大的計算中心和接入網絡之後，很多日常的計算機操作，包括基本的文件存儲與讀取都可以在雲端進行，由此便產生了所謂雲桌面的概念。基於雲桌面，用戶本地可能只需要顯示器、鍵盤、鼠標等基本的I/O設備即可。為了獲得與本地存儲與讀取相當的響應時間，必然會對接入網的傳輸速率與時延產生極高的要求。

4.OTTOTT即over the top，其典型代表包括skype和微信等。這是一類令運營商深惡痛絕的業務。 Over the top一詞本身就極具挑戰意味：over誰的top？實際上OTT正是騎在運營商的頭上，讓太歲幫忙給他數鈔票。如今的運營商，和我國的鐵路系統非常相似：鐵路是我舖的，火車是我開的，車上的高價盒飯是我壟斷著的，車上推著鐵皮小車不厭其煩地高價叫賣啤酒飲料礦泉水雞爪泡麵火腿腸的服務員也是我家親戚。你們想想，我開著著火車，帶著老婆出了城，吃著火鍋唱著歌，突然就被麻匪給劫了。對運營商而言，這其中的苦澀和失落感不言而喻。

這群麻匪不知從哪站爬上車來，穿梭在運營商的客戶中，以幾乎不要錢的方式向乘客們提供各種新奇而又便捷的服務。這群劫富濟貧的俠士讓飽受壟斷之苦的普通用戶為之而歡呼雀躍，但卻讓運營商們萬分頭痛。 OTT業務需要海量的小數據包頻繁交互，由此會帶來信令開銷的大幅度增加，從而極大地增加了網絡的負擔。這樣看來，OTT業務不但佔了大便宜，還給網絡的運行留下了一堆垃圾。最為關鍵的是，OTT業務的激增加速了利潤向傳統通信業務之外的上層服務的轉移，使運營商日漸淪為類似公路和水電煤氣之類的低層次基礎服務提供者和他人謀利的通道。

5.極端場景業務體驗

LTE這樣的移動通信系統，已經實現了讓一部分人先富起來。在信道條件理想、信噪比較高的區域可以通過AMC及MIMO支持較高的數據速率。但是，如社會現狀一樣，先富起來的人絕對沒有動力帶動大家共同致富。通信系統的用戶群也是社會的一個縮影，在這樣的小社會裡，同樣不患寡而患不均。因此，數據速率的不平衡往往會導致很多用戶的心理失衡，從而極大地影響到用戶體驗。

當移動通信系統滿足了基本的覆蓋需求之後，體驗不平衡的問題也日益成為系統改進和優化的一個重要方向。諸如CoMP等強調協作協同的技術實際上就在沿著這一的思路前進。這樣的問題也將成為5G系統的重要關注點之一。具體來講，所謂的極端場景主要包括：速度特別快（如高鐵甚至飛機）以及用戶特別密集（如候機樓、候車室、演唱會、運動會、突發事件）的應用場景。如圖6所示，5G系統希望用戶隨時隨地都能感受到較高的服務質量。

圖6. 業務體驗現狀（左）及均勻化的用戶體驗要求（右）

6.物聯網業務

物聯網業務的主要應用領域涵蓋了諸如環保監測與公共安全等領域所需的信息採集，以及工業、交通和家居領域的信息交互與控制等多種任務。物聯網業務的一個重要特點是，業務類型豐富，各個類型業務的具體需求差異非常巨大。例如某些極端應用場景中，大量的物聯網設備會被部署在山區、森林、水體等可能非常偏遠而且傳播環境相當不理想的地區，以及室內角落、地下室、隧道等信號難以到達的區域。

圖7中列出了一些典型的物聯網業務應用及其對通信系統的具體需求。

圖7. 物聯網業務

五．總體願景

前面提到，未來的移動通信系統將會面臨數據流量和終端連接數規模的巨大壓力。我們也看到了，究竟是是什麼樣的業務和用戶對通信系統帶來了持續的壓力。但是這種壓力是否就是移動通信系統發展的唯一動因呢？

唯物辯證法認為，事物的發展是內外因共同作用的結果。內因是事物變化發展的根據，外因對於事物變化發展，能夠起加速或延緩的作用。所以一般而言，強扭的瓜都不太甜。業務和網絡的發展趨勢以及來自速率和規模需求的壓力，是推進移動通信系統向前演進的重要動力。這股力量一直在屁股後面逼著移動通信系統不停地發展和變革。那麼能讓移動通信系統持續向前推進的內在牽引力來自什麼呢？實際上，最好的內在動力來自於人們內心的慾望和對利益的本能追求。

因此，若要促使移動通信保持持續發展，就需要讓各個利益相關方看到足夠誘人的前景。圖8所示的所謂總體願景圖，就為我們描繪了一幅關於5G系統的令人憧憬和嚮往的美好景象。莎士比亞說，一千個人眼中就有一千個哈姆雷特。一部好的電影或者文學作品可以讓每個人都能根據自己的人生閱歷和認知水平，從中獲得不同層面的共鳴，感受到不同的意境。一個好的願景圖，則應該可以讓這個系統中的每個參與者都找到屬於自己的興奮點：宅男從這幅圖看到了熱辣動感美少女；設備商從這幅圖看到了大量可以牟利的設備；運營商從這幅圖看到了有大規模的通信網絡需要部署和運營；各種服務提供商看到了有各種各樣的設備和通信手段可以讓用戶便捷的支付鈔票。

圖8中的一個個圈圈，正是IMT-2020給眾人描繪的一張張香噴噴的蔥花油渣芝麻大餅，勾起了所有利益相關方逐利的本性與衝動。而歷代的移動通信系統，又何嘗不是在這樣望梅和畫餅的美好願景中，靠著眾多如夸父般暴走的通信廠商們一路餵著催熟劑瓜熟蒂落的

圖8. IMT-2020總體願景

六．應用場景

了解了可能的業務類型和促進移動通信系統發展的動因，讓我們再看看5G系統將面臨什麼樣的應用場景，以及在這些場景中又存在哪些具體的挑戰。

圖9中給出了IMT-2020歸納的一些典型應用場景。