我国5G研发国际领先 智能电网需提前布局

2015-01-26 13:51 院校科研   

导读随着信息化社会的快速发展,信息通信技术 (ICT)在人类社会中所发挥的作用越来越大,而承载信息传输的通信技术(CT)已经成为整个信息化社会生态系统赖以正常运行的基石。当前,加快5G技术研发和标准制定的步伐已成为国际主流共识,而我国自去年成立IMT-2020(5G)推进组以来,一直在大力推进5G的研发进程。  

随着信息化社会的快速发展,信息通信技术 (ICT)在人类社会中所发挥的作用越来越大,而承载信息传输的通信技术(CT)已经成为整个信息化社会生态系统赖以正常运行的基石。当前,加快5G技术研发和标准制定的步伐已成为国际主流共识,而我国自去年成立IMT-2020(5G)推进组以来,一直在大力推进5G的研发进程。如何在5G技术研发和标准制定的竞赛中取得先发优势,并且利用先发优势占领未来产业制高点,是值得我们在推进5G研发中思考的问题。

推进5G研发符合信息社会发展的大趋势

为了在未来信息消费中提供一个多场景、无缝式传输通道,必须推进5G研发。

(一)移动数据流量猛增是推进5G研发的内在驱动

过去的几十年里,移动通信技术逐渐从1G演进到如今的4G。移动通信的应用场景从满足简单的语音通话,到如今已经可以实现移动多媒体交互式的高速体验。这种技术的演变也影响了移动通信业务结构的巨大变化——目前移动通信的主要业务已经由以前的语音和短信演变为现在的“数据流量”。近年来,全球移动数据流量的爆炸式增长势头持续增长,预计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(如图所示)。在移动数据流量持续猛增的大背景下,现在商用的3G或者4G在未来都难以满足如此大的增长需求,因此必须前瞻性地开展5G研发。

(二)未来信息消费的快速增长需要以5G为基石

根据工信部相关统计数据显示,2014年上半年,我国信息消费整体规模达到1.34万亿元,网络购物规模达到1.1万亿元,用户规模达到3.32亿。由此可见,加大信息消费推进力度,是推动我国经济产业转型、提升国民经济发展水平的重要举措。

宽带是推进信息化建设、促进信息消费不可或缺的重要手段,2013年8月14日国务院发布的《国务院关于促进信息消费扩大内需的若干意见》(国发〔2013〕32号)中明确指出,要完善宽带网络基础设施,实施“宽带中国”战略,加快信息基础设施演进升级,进一步肯定了宽带在加快信息化推进、拉动信息消费中的作用。而作为宽带网络中的重要成员之一,无线宽带在加快信息化推进、拉动信息消费中的重要性日益凸显。据工信部专家估计,目前每年约有几千亿元的投资是用于无线宽带为主的信息网络基础设施建设,并能进一步衍生出高达几万亿元的信息产品销售,成为信息消费的重要推手。随着信息消费形态的不断增多和用户体验需求的不断攀升,今后对于移动通信网络的性能要求势必会持续增强。正因为此,为了在未来信息消费中提供一个更快速、更稳定和更安全的多场景、无缝式传输通道,必须推进5G研发。

(三)5G将加速现实世界和数字世界的完美融合

随着ICT技术的不断进步,尤其是移动通信技术在提升传输通道性能方面的优异表现,人们不仅仅只满足于“人”与“人”之间的移动互联互通,更希望能在“人”与“物”、“物”与“物”之间都建立起可靠的连接,实现更智能化的生活和工作。近几年兴起的物联网,就是为了实现万物互联这一目标。按照物联网概念的一般解读,物联网可划分为感知层、传输层和应用层,感知层获取的信息能不能快速、准确、可靠地传输到应用层,完全依赖于传输层的性能。可以说,传输层在感知层与应用层之间起到了非常重要的桥梁作用。虽然传输层的信息传输可以采用有线和无线两种技术方式来实现,但是由于用户的应用场景往往是移动和多样的,因此无线通信方式在传输层的重要性在某种程度上来说是唯一的解决方式。在现实和数字世界完美融合的网络里,不仅需要公众移动通信网的广域覆盖,更需要短距离信息交互的通信方式,如WiFi、RFID、NFC等等,异构网络的融合已成为无线通信研究的热点和难点,而异构网络的融合正是5G的核心。

在5G时代,“人”与“人”、“人”与“物”和 “物”与“物”之间将打破原有的互联互通界线,所有的“人”和“物”都将存在于一个有机的数字生态系统里,数据或者信息将通过最优化的方式进行传递。5G 将是移动化ICT(M-ICT)时代信息承载的基础,其将吸收蜂窝网络和诸如WiFi等无线局域网的优秀特性,形成一个真正能够“海纳百川”的泛网无线通信网络。

(四)改善频谱效率和能源效率需要推进5G研发

在“十七大”的报告中,首次提出了生态文明建设的倡导,进一步明确了把“生态文明”作为全面建设小康社会目标的新要求。对于移动通信业来说,要满足生态文明建设的要求、实现可持续发展的目标,首先必须解决频谱资源短缺的问题。据相关研究结果显示,2020年我国将存在约1000MHz的频率缺口,未来的频谱缺口较大,可能会成为我国移动通信业未来发展的掣肘。其次要解决高能耗问题。在全国范围内大规模部署基站的今天,尤其是目前正在推进LTE网络建设,由于LTE能耗占比大、增速快,已成为业内在能耗问题上重点关注和研究的问题。以中国移动为例,其2012年能耗达到149亿度,其中基站能耗占比达到了64%,可见移动通信的能耗问题比较突出。

推进5G的研发,不仅仅是要提升移动通信网络的网络容量和网络性能,更重要的是通过技术的创新,显着改善频谱效率和能源效率,从而最大限度降低运维成本,最终实现移动通信业的可持续发展。

我国5G研发国际领先 机遇挑战并存

对国家层面的扶持、运营商及设备厂商的重视,奠定了我国5G研发在国际上的领先地位。

公众移动通信系统的更新换代不仅能够带来巨大的经济效益,其对全社会信息化的推动作用同样显着,因此包括国际组织、各国政府、产业界各方等都在加大5G推进的工作力度。ITU已经于2012年开始了 5G标准制定的前期研究工作,主要集中在需求和频谱两个方面。在需求研究方面,ITU开展了一项专门研究需求的项目,研究内容包括未来用户的需求、业务的需求、产业的需求以及5G网络需满足的总体要求。截至目前,该项目进展顺利,已经取得了一些成果。在频谱研究方面,一是明年要召开WRC-15,ITU正在积极推进相关准备工作,同时很多国家和地区也向ITU提出了自己的建议;二是跟进相关的先进技术,先进的技术是解决频谱和需求的基础支撑,截至目前,ITU针对潜在先进技术的研究工作已经开展了两年,预计将在今年10月结束。

(一)我国推进5G研发主要进展

在5G研发推进进程中,我国与国际水平处于同一起跑线,这首先得益于我国政府的高度重视。一是成立IMT-2020(5G)推进组。2013年2月,在工信部、国家发改委、科技部等相关政府部门的大力支持下,我国的5G研发平台——IMT-2020(5G)推进组(以下简称“推进组”)正式成立,下设需求组、频率组、技术组与标准组四个子组。自成立以来一年多的时间里,推进组对于5G网络在频谱、需求、技术和标准等方面投入了大量的精力,也取得了一些研究成果。今年5月,在第二次“IMT- 2020(5G)峰会”上,推进组发布了第一份5G白皮书——《5G愿景与需求白皮书》中英文版,明确了5G网络的性能指标。这些指标已经基本纳入到 ITU制定的5G愿景需求报告中,成为全球对于5G的共识。二是为5G研究提供专项资金支持。国家重点基础研究发展计划(973计划)早在2011年就对下一代移动通信系统,尤其是基础理论研究领域的研究进行了布局。而国家高技术研究发展计划(863计划)也在2013年启动了对5G研究的专项资金资助。

除了国家层面的扶持,中国移动以及华为、中兴、大唐等国内运营商及设备厂商同样非常重视对5G关键技术的前瞻性研究,并投入了大量的人力、物力和财力。经过前期的研发,我国企业已经在重点技术领域如新型网络架构、大带宽小蜂窝、大规模天线系统、全双工、非正交接入等新空口技术研究中取得了阶段性突破,奠定了我国5G研发在国际上的领先地位。

(二)我国发展5G面临机遇和挑战

一是5G候选频段的提出至关重要。首先,适合于移动通信的频谱资源已经非常稀缺;其次,5G候选频段的提出还需要兼顾国际频率协调以及5G产业化后的规模效应。二是5G时代必须在关键技术方面取得突破。尽管我国在3G、4G时代取得了一定的成绩,但是从产业角度来看,我国的移动芯片领域,尤其是基带芯片仍然受制于人,制约了产业向高附加值方向的发展。三是需要在“自主研发”和“开放合作”中找到平衡。从3G、4G的发展来看,光有主导的标准还不够,如果不能将自主研发的核心技术融入到国际主流标准中,那么后续产业的“走出去”进程将遭受强大阻力。四是如何充分利用原有产业基础,发挥协同作用,实现在5G时代技术——标准——产业的整体性突破。

加大5G推进工作力度 积极应对挑战

在推进5G研发的同时,必须重视产业的提前布局,尤其是对于我国移动通信产业链中薄弱的环节。

(一)加大5G候选频段研究力度

移动通信的发展离不开无线电频谱资源的支撑,其频谱需求成为各国重点关注的问题之一。4G时代,频谱资源的稀缺问题已经凸显,5G时代的频谱资源供给将面临更严峻的挑战。因此,部分发达国家在其移动通信发展的过程中,均从国家层面对未来移动通信发展的短、中、长期的频谱需求进行了评估和预测,为本国频谱策略的制定提供数据支撑。不仅如此,在国际电信标准领域有着举足轻重地位的ITU也将2015年世界无线电通信大会(WRC-15)的首要议题(1.1议题)定为“审议为作为主要业务的移动业务做出附加频谱划分,并确定国际移动通信(IMT)的附加频段及相关规则条款,以促进地面移动宽带应用的发展”。

WRC-15相关议题的国内研究小组已经对我国 2020年的移动通信频谱需求进行了预测,其值为1490~1810MHz。目前,IMT潜在候选频段主要包括3300~3400MHz、 3400~3600MHz、4400~4500MHz和4800~4990MHz等。因此,短期内IMT将重点考虑6GHz以下潜在候选频段,而在面向 WRC-19时将考虑6GHz以上高频段。

在低于6GHz的5G候选频段中,对于已经分配给运营商使用的IMT频段,应该统筹规划,可以通过频谱重整(Refarming),为5G的发展释放出更多的频谱资源;对于已经划分给IMT但国内尚未规划使用的频段,例如700MHz、3.5GHz等,应该结合我国实际情况,考虑将相关频段纳入到IMT频率的整体规划中来;对于WRC-15可能划分给 IMT的频段,需要尽量争取,为5G的发展谋求更多的频率资源。在高于6GHz 的5G候选频段中,特别是毫米波,必须先通过理论分析和实际测量,对其在移动通信中使用的可行性进行验证,同时还应考虑高频段使用后与当前系统的兼容性以及我国现行的频率管理政策,审慎给出建议。

(二)集中力量突破5G潜在关键技术

尽管目前对于5G标准还没有统一的定义,但是一些潜在的关键技术已经成为国际上大多数权威组织的共识,也是移动通信研究的热点。一是超密集异构网络部署。在移动数据流量保持快速增长的趋势下,超密集异构网络部署将成为现有移动通信网络面对移动数据业务挑战的一种有效解决方案。通过超密集异构部署,可以直观有效地提升网络容量,因此也成了国际上研究的重点对象。当前该领域已经取得一定的研究成果,但是未来5G 网络中还有一些未突破的研究内容,首先是密集多小区场景中基于干扰协调的干扰消除方法;其次是密集多小区场景中能量与频谱高效协作的波束成形方法。

二是D2D(device to device)通信。目前,随着移动社交、近距离数据分享等应用的高度普及,近距离数据通信的使用频率和业务量逐渐增大。但是,传统的蜂窝系统在近距离通信业务中缺乏足够的灵活性,在面对不同业务时,很难达到实时性和可靠性方面的高要求。而D2D 通信有助于无线数据流量的大幅提升、改善功率效率以及增强实时性和可靠性,能够对现有蜂窝通信系统起到非常好的支持和补充作用。未来5G网络中D2D通信仍有一些亟待解决的问题,例如无线频谱资源管理、干扰抑制等。

三是大规模MIMO(Massive Multiple Input Multiple Output)。MIMO 可以在不增加带宽或总发送功率耗损的情况下大幅增加系统的吞吐量及传送距离,该技术在近几年受到关注。现有 4G 网络的 8 端口多用户MIMO 不能满足频谱效率和能量效率的数量级提升需求,而大规模 MIMO 系统可以显着提高频谱效率和能量效率。

除此之外,还有毫米波通信、新型多址接入技术、多技术载波融合等关键技术。集中力量突破5G潜在关键技术,力求掌握更多的知识产权,进而推动我国5G通信设备和终端形成产业规模,在国际产业分工体系中占据有利地位。

(三)坚持标准制定与产业“走出去”相结合

随着全球一体化进程的加速,世界各国的经济、文化、科技等领域的交流日益密切。作为信息化领域排头兵的移动通信技术,更是呈现出各国间高度渗透和交互的态势。众所周知,我国移动通信与欧美发达国家相比起步晚、底子薄。从1G到4G时代,我国移动通信经历了旁观、跟随、追赶、并驾齐驱四个阶段。一方面,在短短的20多年里,我国移动通信领域的技术、标准、硬件制造都取得了革命性的成果;另一方面,从产业角度来看,我国主导的TDD制式标准虽然在国内得到了快速发展,但是相比FDD制式标准,TDD产业的国际化进程不容乐观。从3G、4G技术标准制定和产业推广实践来看,只有主导的标准成为国际主流才能真正使我国移动通信产业“走出去”,进而在国际市场实现主导技术标准的更大价值。因此,在5G研发进程中重视自主创新的同时,同样也要积极开展国际合作,最终促成5G技术标准的统一。

在这个过程中,一是要理顺自主创新和国际合作的关系。国际合作是技术进步与经济发展的外因,自主创新是技术进步与经济发展的内因,内因是发展的决定因素,要坚定支持自主研发不动摇。二是要积极做好专利储备工作。拥有强大的专利储备,不仅能够帮助我国移动通信产业链各方在国际市场的竞争中占据主动位置,更能够防御来自外国企业的“攻击”。尤其是目前世界各地区对形成统一的5G标准有着强烈的共识,如果未来5G标准统一,那么哪个国家拥有更多的高质量专利,就意味着拥有更多绝对的产业话语权。三是要加大 5G研发的开放性。利用IMT-2020(5G)推进组,与国际相关标准化机构(3GPP、IEEE等),5G Forum、5G PPP、20B AH等国外5G研究组织开展多种形式的技术交流活动,共同参与并推动5G技术标准的研究和制定。

(四)促进产业链各方协同发展形成合力

抢占5G研发的制高点,其最终目的是让我国未来的5G产业发展能够取得先机。技术的创新研发是产业发展的基础,但是要使技术应用产生规模化效应,必然需要相关产业链各方的参与和支持。在推进我国5G研发的进程中,一是要依托IMT-2020(5G)推进组为平台整合国内产业力量。推进组包括了我国主要的电信运营商、设备终端制造商、高校以及科研院所等机构,汇聚了我国移动通信业产学研用的主体力量。在此基础上,进一步推动和建立产学研用一体化的5G研发及应用产业体系,加强平台中各参与者之间的互动,从而能够有效加快5G的研发进度。二是尽早开展5G产业化布局。从我国3G和4G的技术研发、标准争夺到最后的产业化进程来看,在标准争夺后更加需要关注的是产业之争。移动通信产业链涉及相关行业众多,结构比较复杂,包含运营、系统设备制造、测试设备制造、终端制造、网络优化、网络管理等多个硬件、软件及服务提供诸多参与主体,产业链各方的协同对于整个产业的持续健康发展有着不可替代的重要作用。

因此,在推进5G研发的同时,必须重视产业的提前布局,尤其是对于我国移动通信产业链中薄弱的环节,例如基带芯片领域,一定要强化政府引导、加大研发力度,争取在5G时代实现我国移动通信产业全产业链均衡健康发展的基础上,进一步提升我国移动通信产业国际市场的核心竞争力。

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