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宽带无线接入技术已经深刻地改变了人们的生活，但人们对更高性能宽带无线通信的追求从未停止。为了应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景，宽带无线接入技术正在快速发展。在移动通信方面，随着4G进入大规模商用部署，面向2020年及未来的第五代移动通信（5G）技术成为全球业界的研究热点。与4G相比，5G的应用领域将更加广阔，5G不仅将进一步提升移动互联网用户体验，还将重点解决千亿级机器间无线通信的物联网需求，并极大地促进车联网、工业互联网等融合领域发展。在无线局域网领域，IEEE于2014年初启动了下一代无线局域网技术标准（IEEE802.11ax）的研制工作。IEEE802.11ax除了进一步提升传输速率之外，还将重点提升覆盖范围内各区域的整体吞吐量和各种室内外网络部署环境下的真实性能。预计IEEE802.11ax标准将于2019年完成制定。
无线局域网将成为5G技术体系的重要组成部分。在3G/4G阶段，移动通信和WLAN就已呈现出融合发展趋势。3GPP和IEEE等提出了一系列融合技术标准，高通、英特尔、联发科等主流芯片制造商均同时布局移动通信和WLAN，使得二者在技术和产业上逐步融合。从应用来看，WLAN已成为各种移动终端的标准配置，并逐步成为蜂窝小基站的必备功能。面对5G的发展，全球业界希望二者更紧密融合，纷纷将WLAN纳入5G进行统一考虑。作为IEEE3G和4G标准的制定机构，IEEE802标准委员会并未提出独立制定5G标准的计划，而是积极研究将WLAN纳入5G技术体系。不难看出，5G将成为未来移动通信和WLAN的共同发展趋势。
移动互联网和物联网是5G发展的两大主要驱动力。移动互联网颠覆了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，推动技术和产业的新一轮变革。物联网将极大扩展5G的服务范围，从人与人通信延伸到物与物、人与物的智能互联，使无线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。
5G将满足未来千倍流量增长和千亿设备联网需求。根据IMT-2020（5G）推进组预测，2010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，2010年到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1000倍。2010年到2030年全球和中国移动数据流量如图1.1所示。在联网设备数量方面，预计到2020年，全球移动终端（不含物联网设备）数量将超过100亿，其中中国将超过20亿。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。2010—2030年全球和中国移动终端及物联网连接数如图1.2所示。
图1.1 2010—2030年全球和中国移动数据流量（单位：倍）
图1.2 2010—2030年全球和中国移动终端及物联网连接数（单位：亿）
移动互联网主要面向以人为主体的通信，注重提供更好的用户体验。面向2020年及未来，超高清、3D和浸入式视频的流行将会驱动数据速率大幅提升，如8K（3D）视频经过百倍压缩后传输速率仍需要大约1Gbps。增强现实、云桌面、在线游戏等业务，不仅对上/下行数据传输速率提出挑战，同时也对时延提出了“无感知”的苛刻要求。未来，大量的个人和办公数据将会存储在云端，海量实时的数据交互需要可媲美光纤的传输速率，并且会在热点区域对移动通信网络造成流量压力。社交网络等OTT（Over-The-Top）业务将会成为未来主导应用之一，小数据包频发将造成信令资源的大量消耗。人们对各种应用场景下的通信体验要求越来越高，用户希望能够在体育场、露天集会、演唱会等超密集场景，高铁、车载、地铁等高速移动环境下也能够获得一致的业务体验。
物联网是主要面向物与物、人与物的通信，不仅涉及普通个人用户，也涵盖了大量不同类型的垂直行业用户。物联网业务类型非常丰富多样，业务特征也差异巨大。对于智能家居、智能电网、环境监测、智能农业和智能抄表等业务，需要网络支持海量设备连接和大量小数据包频发；视频监控和移动医疗等业务对传输速率提出了很高的要求；车联网和工业控制等业务则要求毫秒级的时延和接近100%的可靠性。另外，大量物联网设备会部署在山区、森林、水域等偏远地区，以及室内角落、地下室、隧道等信号难以到达的区域，因此要求移动通信网络的覆盖能力进一步增强。为了渗透到更多的物联网业务中，5G应具备更强的灵活性和可扩展性，以适应海量的设备连接和多样化的用户需求。
无论是对于移动互联网还是物联网，用户在不断追求高质量业务体验的同时也在期望成本的下降。同时，5G需要提供更高和更多层次的安全机制，不仅能够满足互联网金融、安防监控、安全驾驶、移动医疗等的极高安全要求，也能够为大量低成本物联网业务提供安全解决方案。此外，5G应能够支持更低功耗，以实现更加绿色环保的移动通信网络，并大幅提升终端电池续航时间，尤其对于一些物联网设备。
面向2020年及未来，移动互联网和物联网将成为5G发展的主要驱动力。5G将满足人们在居住、工作、休闲和交通等各种场景的多样化业务需求。从移动互联网和物联网需求出发，IMT-2020（5G）推进组提出了5G的四个主要场景：连续广域覆盖场景、热点高容量场景、低功耗大连接场景和低时延高可靠场景。其中，前两种场景主要面向移动互联网应用，后两种场景主要面向物联网及垂直行业应用。
●连续广域覆盖场景是移动通信最基本的覆盖方式，需要随时随地为用户提供100Mbps以上的用户体验速率。
●热点高容量场景面向局部热点区域，需要满足用户极高的数据传输速率和区域范围内极高的数据流量需求，主要挑战包括1Gbps用户体验速率、数十Gbps峰值速率和数十Tbps/km 2 流量密度。
●低功耗大连接场景主要面向海量的低功耗物联网应用，不仅要求5G网络具备超千亿台设备的总连接能力和10 6 /km 2 的连接数密度要求，还需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苛刻要求，需要实现毫秒级端到端时延和接近100%的可靠性。
国际电信联盟（ITU）发布的5G愿景中将5G应用场景分为增强移动宽带、海量机器类通信和超高可靠低时延通信三大类。其中，增强移动宽带可细分为连续广域覆盖场景和热点高容量场景两个子场景；后两个场景分别对应于低功耗大连接场景和低时延高可靠场景，只是名称稍有不同。5G典型场景与关键性能挑战见表1-1。
表1-1 5G典型场景与关键性能挑战
目前的移动通信网络在应对移动互联网和物联网爆发式发展时，可能会面临以下问题：能耗、每比特综合成本、部署和维护的复杂度难以高效应对未来千倍业务流量增长和海量设备连接；多制式网络共存造成了复杂度的增长和用户体验下降；现网在精确监控网络资源和有效感知业务特性方面的能力不足，无法智能地满足未来用户和业务需求多样化的趋势；无线频谱从低频到高频跨度很大，且分布碎片化，干扰复杂。应对这些问题，需要从如下两方面提升5G系统能力，以实现可持续发展。
（1）在网络建设和部署方面，5G需要提供更高网络容量和更好覆盖，同时降低网络部署，尤其是超密集网络部署的复杂度和成本；5G需要具备灵活可扩展的网络架构以适应用户和业务的多样化需求；5G需要灵活高效地利用各类频谱，包括对称和非对称频段、重用频谱和新频谱、低频段和高频段、授权和非授权频段等；5G需要具备更强的设备连接能力来应对海量物联网设备的接入。
（2）在运营维护方面，5G需要改善网络能效和比特运维成本，以应对未来数据迅猛增长和各类业务应用的多样化需求；5G需要降低多制式共存、网络升级及新功能引入等带来的复杂度，以提升用户体验；5G需要支持网络对用户行为和业务内容的智能感知并进行智能优化；5G需要能够提供多样化的网络安全解决方案，以满足各类移动互联网和物联网的设备及业务的需求。
频谱利用、能耗和成本是移动通信网络可持续发展的三个关键因素。为了实现可持续发展，5G系统相比4G系统在频谱效率、能源效率和成本效率方面需要得到显著提升。具体来说，频谱效率需提高5倍以上，能源效率和成本效率均要求有百倍以上提升。
我国IMT-2020（5G）推进组于2014年5月发布了《5G愿景与需求》白皮书，提出了“5G之花”关键能力体系。一方面，为了满足2020年及未来的多样化极致业务需求，5G的用户体验速率将达100Mbps～1Gbps，峰值传输速率可达数十Gbps，支持的连接数密度可达10 6 /km 2 ，端到端时延低至毫秒级，流量密度可达数十Tbps/km 2 ，支持500km/h以上高速移动下的用户体验。另一方面，为了实现可持续发展，5G的频谱效率将比4G大幅提升，能源效率和成本效率也将提升百倍以上。
如图1.3所示，5G犹如一朵绽放的鲜花，花瓣代表了5G的六大性能指标，体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力。其中，花瓣顶点代表了相应指标的最大值；绿叶代表了三个效率指标，是实现5G可持续发展的基本保障。
国际电信联盟（ITU）于2015年6月完成了5G愿景研究，提出5G将满足八大关键能力指标要求：用户体验速率将达到0.1～1Gbps，峰值速率将达10～20Gbps，流量密度将达10Mbps/m 2 ，连接数密度将达到10 6 /km 2 ，时延将达到ms量级，频谱效率比IMT-Advanced（4G）提高3～5倍，网络能效比4G提升100倍，并支持500km/h的移动速度。IMT-2020（5G）推进组提出的“5G之花”中包含九个关键能力，除成本效率之外，其他八个关键能力被ITU采纳，而且取值范围基本一致。对于成本效率，业界也都认为非常重要，但其涉及因素较多且不易进行统一评估，因而未被接纳。ITU提出的IMT-2020（5G）关键能力如图1.4所示。
图1.3 我国提出的“5G之花”关键能力体系
数据来源：参考国际电信联盟《IMT愿景》研究报告
图1.4 ITU提出的IMT-2020（5G）关键能力
从5G发展总体节奏来看，2015年及以前，业界主要聚焦于5G标准化前期研究；2016年开始，将进入5G国际标准化阶段；2018年将形成5G标准初稿并将启动5G产品研发；2020年将完成5G标准制定，并正式启动5G商用。根据ITU发布的5G工作计划，将于2016年开展5G技术性能需求和评估方法研究；2017年底征集5G候选技术方案；2018年底启动5G技术评估；并将在2020年完成5G国际标准制定。
全球业界已基本形成共识，将在3GPP制定满足ITU需求的全球统一5G技术标准。3GPP从2015年上半年启动了5G相关议题讨论，设立了面向5G的新业务研究项目，并参考ITU工作计划初步确定了3GPP的5G标准工作时间表，将于2016年初启动5G标准研究；2018年完成第一版5G标准，满足部分5G需求；2019年底形成满足ITU要求的5G完整标准，该版本将作为5G标准候选方案提交至ITU进行技术评估。ITU与3GPP关于5G的工作时间计划如图1.5所示。
图1.5 ITU与3GPP关于5G的工作时间计划
全球主要国家也纷纷发布5G商用或试验计划。我国已提出将在2020年力争启动5G网络商用；韩国计划在2018年初开展5G预商用试验，以支持2018年平昌冬奥会，此外韩国预计在2020年底实现5G商用；日本计划在2020年提供正式5G商用服务，以支持2020年东京奥运会；欧盟5G PPP项目预计将于2018年开展5G技术试验；美国运营商Verizon计划在2016年启动5G试验，并将加快实现5G商用。