5g移动通信技术的发展现状摘要（重塑移动通信的未来）

5G将重新改造人类社会的通信模式

在长期演进技术（LTE：Long Term Evolution）出现六年之后，让我们回顾一下它对世界各地人们的生活所产生的真正的转型效应影响，这种回顾对我们理解当前移动通信技术向下一代技术即5G演进的内在逻辑将是有帮助。人们通常认为，LTE的到来比以往其它任何单一技术对发达经济体和新兴经济体都有更大的影响，因为它的优势在于适应所有类型的最终用户。

随着智能手机的采用和通过LTE服务获取数据的增加，移动行业现在已经称为世界上最大的创新引擎。数十亿新用户通过互联网获得了信息，从而推动了更多的新经济机会，而很多技术是之前从未想过的。无论从地域，社会经济阶层，教育水平还是种族来说，LTE在全球获得的成功都是显而易见的。今天，全世界约有48亿人口订购了移动通信服务 - 几乎占世界人口的三分之二 - 到2020年，这一数字预计将达到56亿。

图1、 5G生态系统：实现移动经济

无线连接已经远远超出智能手机和WLAN路由器，但是我们仍然处于人对人之间通信扩展到连接家庭中的设备到设备连接，机器对机器通信，以及工业和自动化领域等成为更常见的通信的早期阶段。

新的和令人兴奋的应用程序汇集了深度学习（deep learning），人工智能（artificial intelligence）和“环境意识（ambient awareness）”。因此，我们将以新的和更有益的方式来与世界互动。在不久的将来，我们相信这些技术的进步将使人们能够根据当今的技术创新，引导实现更加丰富和更加充实的生活（见图2）。

图2、全球宏观趋势

虽然这些领域都在共享LTE骨干网，但是它们的需求各不相同推动了许多独特的解决方案，从而拓宽了LTE的内容空间。

鉴于几代移动蜂窝标准已经发生了很多变化，您可能会问未来会带来什么。 我们认为，随着我们进步到5G，我们处于更大演进进化的早期阶段。 在未来20年，我们做业务和相互交流的方式可能几乎不被我们当中的许多人所认可，但对我们的孩子来说则可能完全是普通的。

对无处不在的LTE数据的永不满足的需求

来自思科，爱立信，华为和GSMA等众多研究已经记录了数字消费的指数级增长数据。从可获得的LTE数据开始它是一个真正的良性循环。当您结合移动性（智能手机），良好的网络性能和理想的内容时，您将创建一个数据飞轮效应（见图3），从而随着用户体验的改善，越来越多的数据将被消耗。这个“数据需求”一直是LTE成立以来移动行业的目标。随着第三代合作伙伴计划（3GPP）的每个新版本标准的发布，用于改进现代智能手机的数据吞吐量的技术不断被提出，验证，最后在网络和用户设备（UE）中实现。

每种应用的技术都会使数据飞轮以更快的速度运行，开辟新的和更多的数据密集型应用，这些都是移动网络发展的催化剂。因此，移动数据速率正在实现超越有线网络的数据速率，并推动采取全球性的举措来加速移动化经济和刺激创新。

图3、数据飞轮效应

这些研究表明，LTE数据的使用增加与使用更先进的智能手机，更快的处理器，更大的显示屏尺寸和更高的峰值速度的网络之间存在直接的相关性。

由于设备和网络的革命性进步，人们每天正在创建新的应用。具有移动应用的社交网络正在推动大量的内容需求，如日常活动的个人资料更新，图片和视频被上传到互连网等。据一些研究报告，流媒体音频服务估计从2015年到2020年将会增长45％。同时，流媒体视频将成为移动数据流量的第一大驱动力，预计从占移动数据业务总量的55％增长到72％。这些应用只是开始。数据吞吐量的提高将使增强和虚拟现实应用变得普遍。另外，随着我们走向增强和自主驾驶，我们预计连接车辆将有大幅增长。

向更多体验活动（如增强和虚拟现实）的过渡将对需要更大带宽和更低延迟的网络和设备提出更高的需求。 对YouTube视频分享网站的快速扫描显示，人们在上传从低保真视频逐步转移到高清甚至超高清4K视频，这种趋势与设备和网络升级的要求相对应。

数据“缓冲轮”是新时期的“掉话（Dropped Call）”

爱立信移动性报告（爱立信，2016年，https://www.ericsson.com/en/mobility-report）的结果表明，有一个新的LTE满意指数，类似于过去语音时代干扰消费者的掉话情况。为了量化消费者对数据速度的需求，爱立信对消费者进行了调查，并确定了一个时间 - 内容关键性能指标（KPI）。时间到内容的KPI衡量用户在下载或使用智能手机时是否具有积极或者消极的体验。及时的数据访问可以转化为卓越的消费者满意度，随着下载内容的时间的增加，用户的体验将更加令人失望。爱立信的报告显示，大多数消费者希望看到的反应时间低于六秒钟，从而报告积极的体验（见图4）。

图4、目标时间到内容的用户体验

图5、时间到内容的KPI - 数据速率和延迟

存在影响用户体验的多种网络因素：比如网络状况，呼叫是在建筑物内部还是外部启动的，距离基站的距离，以及在特定基站处请求支持的用户数量和有多少用户正在访问网络。坦白说，消费者不在乎后台发生了什么。他们想要及时访问信息，他们想要一样的体验，无论是在一天中的哪个时间点，以及他们位于世界的哪个地方，在任何环境情况下。

领先的中国移动通信平台提供商华为做过了类似的调查，他们研究了与移动视频体验相关的消费者行为，以量化用户感知。结果总结在“移动视频报告 - 移动市场价值的关键驱动因素” 白皮书中（华为技术有限公司，2016，《Report: Video a Key Driver of Mobile Market Value》，http://www.huawei.com/en/industry-insights/mbb-2020/trends-insights/video-a-key-driver-of-mobile-market-value）。如在图5中所示，基于U-vMOS评分对客户满意度进行了测量，并考察了数据速率和端对端往返时间或延迟对这些分数的影响。 U-vMOS是视频平均意见得分 - 视频体验相对质量的主观意见。 从这个图表可以看出，更高的数据速率和更低的延迟产生了更积极的消费者体验。 简而言之，这是所有移动运营商和设备制造商的目标： - 改善他们网络上的消费者体验。

全球移动广告与移动网络的直接相关性

所以，如果你考虑到现在使视频变得巨大，那根本上是移动网络发展到了世界上足够多的人可以通过它观看视频这样一个地步。 如果你回去几年，你试图加载一个视频在新闻Feed，它可能必须缓冲30秒钟，然后再观看它，这不是一个很好的体验，从而不会作为人们的主要分享方式。 但现在它可以立即加载。 您可以拍摄视频并进行上传，而无需花费五分钟即可完成，因此这就是一个很好的体验。

-Mark Zuckerberg，Facebook CEO（Gibbs，2016）

影响LTE数据速率的主要因素

前面我们提到影响移动用户体验的因素很多。首先，我们将通过在移动运营商网络上实现的3GPP标准的实施例来描述这些因素。然后，我们将通过结合理论峰值数据速率（如标准中定义的）和当今移动网络的典型用户体验来讨论移动设备的影响。

要了解有关数据速率的问题一个有用的类比是将LTE数据想像成水通过软管。 3GPP和网络运营商正在采用尽可能多的技术来携带尽可能多的水，并尽可能快地从用户那里获得更多的数据或者把更多的数据提供给用户。稍后将在更详细的技术细节中介绍这些概念，但这个类比足以说明可以通过两种方式来增加网络容量：

1）扩大“软管”来获得更大的容量;以及

2）将水压升高，打开“插口”，使数据更快地流过。

此外，我们不能忘记，我们需要为系统提供高容量的泵和排水管，所以应该有更高的容量的前传/回程（fronthaul / backhaul ）网络。

3GPP标准使用一个系统来枚举数据速度容量，称为设备类别（device category ）以表示在一组条件下可实现的最大峰值速率。设备类别（Device Category）或者通常为人所知的CAT表示使用现有网络的设备可以支持的理论最大下载或上传数据速率。如表1和表2所示，LTE类别峰值数据速率（Mbps）主要由信道带宽，调制阶数，载波单元数（也称为载波聚合或“CA（Carrier Aggregation）”）以及多个输入，多输出（MIMO）的层数所决定的。峰值数据速率是使用多个变量进行配置的，该类别通常由设备和网络支持的最大允许配置可以实现的最高理论数据速率来量化。

在讨论其网络或设备的峰值数据速率时，网络运营商和设备制造商有时会参考3GPP设备类别。

表1、设备类别 - 下行链路

表2、设备类别 - 上行链路

我们从表1和表2中的设备类别信息进行一些观察可以得到以下结论：

1）下行链路和上行链路数据速率是不对称的，下行链路（网络到设备）数据流通常比上行链路更快

2）峰值数据速率强烈受到更宽带宽（更多的载波单元），高阶调制和发射（Tx）/接收（Rx）的天线数量（MIMO）的增加的影响，并将随着它们的增加而增加。

越来越多的基于云计算和诸如自主驾驶等新应用将推动更加对称的网络，从不对称的5：1到10：1（下行链路：上行链路）的比例范围下降到上传和下载比例接近于2：1。

我们将首先考察当前LTE网络的状况，然后研究各种不同的方法来提高现有和未来网络的消费者数据速率。

LTE网络的现状

2016年7月份“全球移动供应商协会（GSA：Globalmobile Suppliers Association，2016”）的“LTE演进”报告对商业LTE网络支持的最高峰值速率进行了评估和分类。GSA报告说，在708个LTE网络中（见图6），其中147个网络（21％）支持LTE Advanced功能，包括CA和MIMO（3GPP Release 10及以后的版本支持）。有374个潜在的LTE网络将通过支持CA等高级功能进行升级。

图6、LTE Advanced （CA）网络

在147个LTE高级（LTE Advanced）数据网络中，102个支持6类（Category 6）或者300 Mbps下行链路速度。在同一份报告中，GSA表示，52％的商用LTE设备可以支持通过4类（Category 4）或者150 Mbps的下行链路速度。这些事实表明，业界正朝着更高的数据吞吐量网络和设备迈进，以支持用户对更快的移动数据的需求。

速度惊魂

网络中的理论峰值速度只是故事的一部分。现实生活中的经验表明，用户在日常使用中的数据速率通常比“峰值”低一到两个数量级。这个差异在思科的VNI报告中有报道（http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/complete-white-paper-c11-481360.html），2015年的全球平均速率水平刚刚低于3 Mbps，预计2020年将达到10 Mbps。这与目前在网络上支持的峰值LTE数据速率有很大的不同。

通过采用Ookla（https://www.ookla.com/）的一些数据（Ookla是领先的基于网络的服务供应商，他们为固定和移动网络的互联网访问性能指标提供数据分析），我们可以绘制出按国家分类的平均下载和上传数据速率，然后按照iPhone 6生成设备进行排序。显然，在尝试估计整个国家的平均数据速率时有很多因素会对结果产生影响，包括不同的经济概况，同一国家内的独特网络提供商，在任何给定的网络上运行的各种设备，以及不同的农村，城市和地域差异等。然而，我们仍然可以从这些数据中获得一些高逼格的观察结果（见图7）。在所有现实世界的情况下，数据吞吐量大约只有最大理论峰值吞吐量的十分之一。虽然任何不同的用户体验可以根据设备类型，时间，与基站的位置距离以及甚至数据调度计划而改变，但这一信息仍然证明当前实际网络中没有达到宣称的最大峰值数据速率。

图7、在各种全球网络中相同的等级/性能的电话的平均数据速率

下一节将介绍数据速率的区域差异。

发展中市场正在推动LTE增长，并将需要优化的解决方案

在全球范围内，我们看到LTE的成功推出和消费者的广泛采用。最强的证据就是中国大陆的经验。 中国大陆地区于2014年推出LTE，而根据GSMA Intelligence的报告在2016年第三季度中国支持了超过6.5亿个LTE连接，而到今年（2017年）第一季度这一数据达到了8.36亿，预计今年中国的LTE用户将轻松突破10亿。这创下了任何移动技术成立以来最快的采用记录。在图8中，我们看到GSMA在“移动经济”（GSMA，2016）中报告的LTE增长的进一步证据。这表明，到2016年底，4G LTE连接达到约13亿，预计到2020年底将达到35亿，约占总共88亿用户的约40％。 LTE标准以复合年增长率（CAGR）24％的速度增长，而2G和3G技术正在下降。

图8、 LTE连接在不断增长

来自GSMA Intelligence数据库（GSMA，2016）的用户和连接数据图可以让我们推测LTE前期的一些戏剧性变化。

如图9所示，从2015年到2020年，用户预期年增长率为4％。这意味着有近10亿的新增用户。如果我们深入挖掘，我们就会看到看到大多数新用户将来自新兴经济体。这些预测显示，新兴经济体的用户量增长了6％，而发达国家或者亚洲快速增长的经济体则增长了2-4％。第三张图表更具洞察力，因为它表明LTE从10亿多个连接增长到了超过31亿个LTE连接，LTE连接得到了大幅增长。到2030年，LTE将成为全球使用的主流连接技术。

图9、 LTE代表着移动增长

很明显，大多数新增LTE用户将来自与迎来LTE时代的发达市场具有不同特征的新兴经济体。

最近，我们见证了中国近来从2G和TD-SCDMA时代转型为LTE网络的经验。中国移动首先证明，运营商成功地绕过2G到3G的正常技术演进路径，升级到LTE，加速采用LTE技术，使新用户受益。在我们看来，移动运营商提供的激励措施以及LTE设备的成本降低导致相对负担得起的能力将转化为其他新兴经济体如印度，拉丁美洲和撒哈拉以南非洲地区迅速采用该技术的动力。

种种迹象表明，移动视频将继续成为全球数据的基本驱动因素，数据消费增长趋势似乎是全球性的。 新兴经济体的采用该技术的障碍可归因于几个关键因素：负担能力，视频质量和内容。

负担能力：针对该地区和当地社会经济条件量身打造的计划将在技术被采纳中发挥关键的作用。 Reliance Jio移动网络在印度LTE服务的迅速攀升是这些区域定制计划的众多例子中的一个。

视频质量：4G网络升级资金投入，质量提升，数据速率更快。

内容：适应本地区文化规范的相关和本地化内容将推动视频的采用。

总结

千兆时代 - 从LTE Advanced Pro至5G

几乎每天都有新的文章，宣传和公告，告诉我们5G到达时我们的生活将会有多好。然而，我们究竟在等什么 - 它是演变还是革命？正如我们在前面的文章描述的那样（“全球LTE-Advanced Pro部署如火如荼，中国应跟上”－－http://www.toutiao.com/i6413839159047225858/），我们不必等待那么长的时间来实现与5G相关的许多优点，因为它同时是一场革命性（5G New Radio：5G新无线电[NR]）的进化过程（LTE evolution：LTE演进）。 LTE Advanced Pro（13/14版）到5G（15/16/17版）的发展将显示数据吞吐量的强劲进步，并以实现我们的生活方式成功转型为目标。

LTE Advanced Pro为5G奠定基础

LTE 是一艘正在扬帆远航的大船正在载着人类驶向大洋的深处，那里有一艘称为5G的航母，它将带领我们驶向更遥远的天际！

（完）

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