1、基于文献计量的 5G 技术标准化情报分析研究 肖翔 赵辉 中国科学技术信息研究所 摘 要： 目的/意义通过情报分析识别 5G 技术标准化过程中的核心技术和趋势。方法/过程基于 Web of Science 核心合集和 Derwent Innovations Index 数据库, 采用文献计量法对 3116 篇 5G 相关文献进行高频关键词统计分析、5G 技术成熟度分析和 5G 关键技术分析。结果/结论5G 技术标准化包含大规模 MIMO 技术、全双工复用技术等 9 个核心技术, 并且与大数据、云计算、物联网的发展相互渗透、密不可分。提出应瞄准核心技术研发方向, 提升 5G 通信系统及标准体系的
2、设计和推动能力;政府应将 5G 发展上升到国家层面, 尽早制订产业方针;加强5G 与垂直行业的融合创新研究, 带动垂直行业的整合及应用推广能力的提升等建议。关键词： 5G; 技术标准化; 文献计量; S 曲线; 中心性分析; 作者简介：肖翔 (1993) , 男, 2015 级硕士研究生, 研究方向为科技预测与科技评价;作者简介：赵辉 (1971) , 女, 硕士, 副研究员, 研究方向为科技成果转化。收稿日期：2017-07-17Intelligence Analysis on 5G Technical Standardization Information Based on Bibliom
3、etricsXiao Xiang Zhao Hui Institute of Scientific and Technical Information of China; Abstract： Purpose/significanceThe paper is to identify the core technology and detect development trend in the process of 5G technology standardization through the intelligence analysis.Method/processThe paper base
4、s on the core collection of Web of Science and the database of Derwent Innovations Index, and uses bibliometric methods in allusion to 3116 documents related to 5G to do statistical analysis of high frequency keywords, technical maturity analysis of 5G and key technology analysis of 5G.Result/conclu
5、sionThe core technologies within the process of 5G technology standardization include large-scale MIMO technology, full-duplex multiplexing technology and other seven technologies, and the whole process is interpenetrative and inseparable with the developments of the Big Data, Cloud Computing and In
6、ternet of Things.It puts forward some suggestions such as aiming at R rising 5G development to national level by government, and formulating the industry policy as early as possible; strengthening the innovation research on the fusion of 5G and vertical industries, and driving the consolidation of v
7、ertical industries and the enhancement of application and extension ability.Keyword： 5G; technology standardization; bibliometrics; S curve; centrality analysis; Received： 2017-07-170 引言随着信息通信技术的不断发展, 移动无线网络已成为我们生活、学习、工作和娱乐不可或缺的必备品。技术本身不断更新换代的同时, 移动通信标准也在不断向前演变发展, 由 2G-GSM/CDMA 到 3G-WCDMA/TD-SCDMA 再
8、到现阶段 4G-LTE/LTE-A。2G 时代是移动通信标准争夺的开始, GSM 在众多技术群体中脱颖而出, 成为最广泛采用的移动通信制式。时代的发展使得人们对移动网络的需求不断增大, 第三代移动通信网络必须在新的频谱上制定出新的标准, 它们分别是欧洲 WCDMA、中国 TD-SCD-MA、美国 CDMA2000。随着数据通信与多媒体业务需求的发展, 适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第四代移动通信开始兴起, 集 3G 与 WLAN 于一体并能高质量传输图像视频的 4G-LTE 标准产品应运而生1。对信息通信产业而言, 在激烈的国际竞争中只有参与标准的制订, 才能抢占市场制高点, 掌
9、握产业话语权2。继我国提出的 TD-SCDMA 成为国际电信联盟 (ITU) 批准的 3G 标准制式之一后, 我国提出的 TD-LTE 技术演进方向再次成为全球主流的移动通信技术标准。5G 标准制定呈现中国、美国和欧盟三足鼎立的局面。中国要在 5G 标准制定中赢得优势, 在技术研发初期即需要做出规划。本文就如何实现 5G 技术标准化过程中的核心技术识别和趋势探测进行情报分析, 进而提出前瞻性的标准化战略举措。1 研究方法针对不同数据来源, 技术评价与技术预测的客观分析方法可以分为 3 类, 即文献计量、专利分析和数据挖掘。文献计量旨在通过对科技文献本身及其表现出来的各种特征 (如题名、著者、机
10、构、期刊名、参考文献等) 进行挖掘、组织和分析;专利分析旨在对专利信息 (专利名称、摘要、专利权人、发明人、权利要求、说明书、法律状态等) 进行处理, 以探索技术领域发展现状和轨迹, 预测技术未来发展趋势;数据挖掘多针对网络信息运用 Web 挖掘、机器学习算法等方法发现和提取信息知识, 并对数据所反映的关系结构及属性进行分析。文献计量学是借助文献 (论文或专利文献) 的各种特征, 采用统计学及共词网络等方法评价技术现状与预测发展趋势的图书情报分支学科。文献计量方法具有发现和预测功能, 发现不同技术领域之间的关系结构、发展现状及竞争态势, 预测技术使用价值、技术发展和应用前景。因此, 对于 5G
11、 技术标准化情报分析研究具有良好的适应性。此外, 研究还考虑到文献数据来源应较为统一, 数据格式结构化、规范化, 便于搜集、整理和分析。2 数据来源研究数据来自 Web of Science 核心合集和 Derwent Innovations Index 数据库。考虑到 5G 有多种表达形式, 如 5G、5th-Generation、5G Network、5G Spectrum Project、The fifth generation mobile commu nication technology、the fifth generation wireless communication 等,
12、结合这些表达形式利用布尔逻辑连接符构建检索式: (TS=5G OR TS=“5th-Generation”OR TS=“5G Network”OR TS=“5G Spectrum Project”OR TS=“The fifth generation mobile communication technology”OR TS=“the fifth generation wireless communication”) AND WC= (Telecommunications) NOT TS= (“2.5Ghz”OR“3.5Ghz”OR“4.5Ghz”) , 索引=SCI-EX-PANDED, S
13、SCI, CPCI-S, CPCI-SSH, BKCI-S, BKCI-SSH, 时间跨度为 20102017 年。检索结果得到 3116 篇文献 (包括全记录及引用参考文献数据) , 使用文献题录分析工具提取各字段详细信息。3 结果与分析3.1 高频关键词统计分析通过文件题录信息统计分析关键词词频, 3116 篇文献中共出现 5600 个关键词, 累计频次为 11 834 次。去除一些广义词, 例如networks、communication、Security、wireless、Energy 等。选取排名前 40关键词作为高频关键词, 累计出现频次共 1912 次, 约占总词频的 16.2%
14、, 如表1 所示。表 1 词频排名前 40 的关键词列表 下载原表 在 4G 技术高频词统计结果中, 排名第一的高频词为 LTE 而不是 4G;但在 5G 技术高频词统计中, 5G 一词的词频达到 725 次, 遥遥领先于排名第二的关键词。这是由于 5G 标准刚进入研发初期阶段, 具体标准所采用的技术还没有落定, 呈现出众多关键技术百家争鸣、百花齐放的局面。词频大于 20 次的关键词有:毫米波、大规模 MIMO、小蜂窝接入点、终端直通技术、随机几何理论、资源分配、软件定义网络、异构网络、正交频分复用、cloud-ran、非正交多址接入、自组织网络、认知无线电技术、网络功能虚拟化、信道估计、频谱
15、效率、频段共享、阵列天线、全双工复用、云计算。另外, 我们发现, Wi Max、CDMA、UMB、HSPA、Wireless MAN-Advanced 等词已经消失在 5G 高频词的列表里, 而 LTE、LTE-Advanced 依然位列前 40。说明在 5G 通信技术标准的演进过程中, HSPA、Wimax 等技术标准的发展逐渐被 LTE、LTE-Advanced 的发展所掩盖;但 LTE、LTE-Advanced 是否能成为 5G 标准版本, 将在后续分析中加以论证。3.2 5G 技术成熟度分析5G 技术成熟度分析采用 Fisher-pry 模型进行判别3。设 5G 移动通信技术的技术增长
16、方程式为:采用 20102016 年数据进行模型拟合, 拟合工具为 Matlab 非线性曲线, 拟合过程与 4G 技术成熟度一致, 最后得到相关参数估计值:k=13998, a=0.4677, b=2021.1, 残差平方 R=0.9647, 趋近于 1, 拟合效果较好 (即得到的参数能够描述数据特征) 。将参数值代入技术增长方程式, 得到函数解析式:绘制的文献数据拟合图谱 (见图 1) 中, 散点是 20102017 年文献数, 曲线是拟合的 Fisher-pry 曲线。从 S 型曲线可以发现, 现阶段 5G 技术整体还处于研发的起步阶段, 且增长速度在迅速加大。图 1 5G 移动通信技术文
17、献数据拟合图谱 下载原图下面进行技术 S 型曲线与 5G 技术标准化预测分析 (见图 2) :根据技术成熟度S 型曲线增长规律可以将 5G 技术发展划分为技术研发初期、技术快速发展期、技术成熟期和技术衰退期共 4 个时期。第一阶段:技术研发初期。20102017年为标准孕育期, 此阶段 5G 技术刚开始进入全面技术储备时期, 5G 技术性能、可靠性参数都相对不高, 需要通过不断的技术测试和试验, 对 5G 技术参数进行改进、优化。第二阶段:技术快速发展期。20182024 年为标准形成发展期, 随着技术的各个方面特征逐渐成熟, 标准也随之产生。曲线中发展速度最快的点处于 2021 年左右, 预
18、计 2021 年国际电信联盟将推出 5G 标准。第三阶段:技术成熟期。5G 技术经过快速发展期后, 进入成熟稳定阶段。此时技术已经趋于完善, 接入速度、覆盖范围等都能满足用户需求, 标准化程度较高, 市场占有率趋于稳定。该阶段研发人员一方面要解决 5G 技术成本以及用户服务体验优化等问题, 另一方面是下一代移动通信技术研发的预备和启动。综合上述 5G 技术发展情况, 可以得出以下结论:5G 技术在 2017 年底或 2018 年初将会进入快速发展期, 通信领域标准化步伐加快, 并将在 2021 年左右迎来5G 标准的诞生。以下将探讨 5G 技术标准化过程中 (研发初期与快速发展期) 技术点的分
19、布以及预测 5G 标准所采用的核心技术。图 2 5G 技术成熟度与标准化关联分析图谱 下载原图3.3 5G 关键技术分析为进一步确证 5G 技术标准化过程中的关键技术, 本文运用社会网络分析软件对20102017 年的 3116 篇文献题录数据, 利用文献题录分析工具抽取关键词字段, 然后去除通用词和同义词, 并建立共词矩阵, 经过 Pajek 处理后导入VOSViewer4进行聚类以及可视化分析, 得到网络关联图谱与聚类密度图谱 (见图 3) 。图 3 5G 关键技术聚类图谱 下载原图从图 3 可以看出: (1) 技术群体 1 主要包括 2 类, 即无线传输技术和无线网络技术。无线传输技术包
20、括: (1) 正交频分复用技术及其变种, 如非正交频分复用、广义频分复用等; (2) 基于滤波器的多载波技术及其快速实现算法和同时同频的全双工通信技术5。无线网络技术包括: (1) 多源异构网络中混合波束成型、干扰消除、时间延滞等技术; (2) 无线网络中的频谱效率、频段共享、数据吞吐量等问题。 (2) 技术群体 2 是与大规模 MIMO6技术有关的细化问题。大规模 MIMO 技术的实现需要深入研究符合实际应用场景的信道模型, 并进行估计和探测。相比 4G 标准中的 MIMO 技术, 大规模 MIMO 的空间分辨率显著增强, 深度挖掘空间维度资源, 更好地解决资源分配问题。大规模 MIMO 可
21、以使线性预编码和检测器趋于最优, 利于凸优化和泊松点过程降低路径损耗, 大幅度提高频谱效率。自组织网络7包括自配置、自优化、自愈合等功能, 可以减少网络规划、部署、维护、优化和排障等环节的人工干预, 实现 5G 网络的自动化。 (3) 技术群体 3 主要包含设备间通信 D2D8和机器间通信 M2M9。两者对 LTE演进具有非常重要的作用, 将是 5G 标准关键技术的重要组成部分。D2D 通信是一种基于蜂窝系统的近距离数据直接传输技术。M2M 则是人工智能时代智能化、交互式的关键通信技术, 现阶段 M2M 的随机接入算法成果较少, 因此具有广阔的研究空间。同时, 无论是 D2D 还是 M2M,
22、海量终端的接入将引起无线网络过载和拥堵, 最终导致用户通信服务质量下降, 甚至难以接入网络等问题。所以, 对自适应符合控制机制的研究很有必要。 (4) 技术群体 4 是 5G 通信技术时代特征的体现。大数据、云计算、物联网三大新兴业态迅猛发展, 推动移动通信产业向大变革、大融合和大发展方向迈进。网络功能虚拟化是由欧洲电信标准组织 (ETSI) 10提出的一种全新网络架构, 该架构从网络运营商角度出发, 通过通用 IT 技术和开源平台对网元进行功能虚拟化, 核心思想就是网络逻辑功能与物理硬件的解耦11。软件定义网络则是针对多源异构网络的难以互通、资源优化困难等问题设计的一种垂直架构网络模式, 将
23、控制平面从分布式网络设备中解耦, 实现逻辑上的集中网络控制并同意下发指令12。软件定义网络/网络功能虚拟化13作为一种新型网络架构与构建技术, 其数据分离控制、虚拟化、软件化等核心思想支撑着未来 5G 技术标准化冲破困境, 取得成功。5G关键技术聚类词见表 2。表 2 5G 关键技术聚类词表 下载原表 表 2 5G 关键技术聚类词表 下载原表 通过 Ucinet 的中心度分析功能计算技术关键词的点度中心度和中介中心度, 并列举排名前 20 的关键词 (见表 3) 。从点度中心度可以发现:5G 远超其他关键词, 其热度之高可想而知;LTE 位列第二;LTE-Advanced 也出现在前二十列表中
24、。说明 5G 技术标准将会是 LTE 的不断演进, 以及新的接入技术的标准化两者结合构建而成。排在前五的还有大规模 MIMO、小蜂窝接入、毫米波。5G 标准的一个关键指标就是传输速率, 毫米波是提高 5G 无线传输速率的关键技术点, 它是一个波长在毫米数量级、频率大约在 30GHz-300GHz 之间的电磁波14。无线通信的最大信号带宽大约是载波频率的百分之五左右, 因此高载波频率下可以实现更大带宽。在毫米波频段中, 28GHz 与 60GHz 是 5G 标准中最有希望使用的 2 个频段。28GHz 频段的可用带宽可达 1GHz, 相比 4G 最高频段 2GHz 左右的可用带宽 100MHz,
25、 传输速率得到巨大提升。但是毫米波频段有一个缺点就是在空气中衰减很快, 绕射能力弱, 因此毫米波技术不太适合使用在终端和基站很远的场合15。从中介中心度可以发现, 排在前五的混合波束成型、全双工复用技术、设备间通信技术、光载无线通信技术16在 5G 众多技术之间起重要的桥梁作用, 是其他关键技术之间沟通的中介技术。表 3 中心度排名前 20 的关键词 下载原表 4 结论与建议综合高频关键词分析、技术成熟度分析、关键词聚类分析、社会网络中心性分析可以得出:5G 通信标准化核心技术有大规模 MIMO 技术、全双工复用技术、毫米波通信技术、滤波多载波技术、超密集异构网络技术、软件定义网络、D2D与
26、M2M、自组织网络、网络功能虚拟化技术。5G 通信标准化与大数据、云计算、物联网的发展相互渗透、密不可分。在此基础上, 对我国 5G 技术标准化提出以下建议:(1) 瞄准核心技术研发方向, 提升系统及标准体系的设计和推动能力。在 3G 标准 TD-WCDMA 到 4G 标准 TD-LTE 的创新中, 形成了 TDD 领域在全球的技术与产业优势。依据 5G 的整体技术特点, TD-LTE 的演进将会在 5G 中发挥更大作用, 大规模 MIMO 等具有 TDD 应用优势的关键技术将成为 5G 标志性技术。建议要立足发挥 TDD 技术优势, 确保其对 5G 标准的引领作用。(2) 政府应将 5G 发
27、展上升到国家层面, 尽早制订对国际有影响力和引导作用的产业方针, 征集优质的频谱资源, 加快推进研发、标准化进度, 率先启动相关核心技术示范性实验测试, 保证技术的先进性和完整性, 提升国际影响力和标准话语权。(3) 加强 5G 与垂直行业的融合创新研究, 带动垂直行业的整合及应用推广能力的提升。发展 5G 与大数据、云计算、物联网等业态的迅猛发展密不可分。在垂直行业带动下, 5G 时代不仅将大幅提升移动互联网用户体验, 还有望与工业、交通、医疗等行业深度融合, 催生工业互联网、车联网等新业态。届时, 基于5G 的终端产品、平台产品、服务产品以及应用引发的工业、农业、服务业等产业的升级换代都将
28、迎来产业创新。我国已经具备了 3G、4G 标准化研究基础, 在 5 G 标准化过程中, 需要在以上核心技术领域及早布局, 构建开放式研发环境, 力争在未来 5G 国际标准制订中获得领先优势, 成为全球通信领域标准制定的领导者。参考文献1黄美华.从 4G 通信技术的发展看 5GJ.通讯世界, 2015 (12) :98-99. 2赵晋伟.如何把握 5G 标准良机J.中国电信业, 2015 (2) :76-79. 3王志玲, 燕光谱, 蓝洁.基于技术成熟度曲线的大数据分析J.中国科技信息, 2016 (10) :59-62. 4高凯.文献计量分析软件 VOSviewer 的应用研究J.科技情报开发
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