第五代移動通信技術（英語：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation，簡稱5G或5G技術）是最新一代蜂窩移動通信技術，也是繼4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系統(tǒng)之后的延伸。5G的性能目標是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設備連接。Release-15中的5G規(guī)范的第一階段是為了適應早期的商業(yè)部署。Release-16的第二階段將于2020年4月完成，作為IMT-2020技術的候選提交給國際電信聯(lián)盟（ITU） [1] 。ITU IMT-2020規(guī)范要求速度高達20 Gbit/s，可以實現(xiàn)寬信道帶寬和大容量MIMO。
發(fā)展背景
近年來，第五代移動通信系統(tǒng)5G已經(jīng)成為通信業(yè)和學術界探討的熱點。5G的發(fā)展主要有兩個驅動力。一方面以長期演進技術為代表的第四代移動通信系統(tǒng)4G已全面商用，對下一代技術的討論提上日程；另一方面，移動數(shù)據(jù)的需求爆炸式增長，現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)難以滿足未來需求，急需研發(fā)新一代5G系統(tǒng) 。
5G的發(fā)展也來自于對移動數(shù)據(jù)日益增長的需求。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的設備接入到移動網(wǎng)絡中，新的服務和應用層出不窮，全球移動寬帶用戶在2018年有望達到90億，到2020年，預計移動通信網(wǎng)絡的容量需要在當前的網(wǎng)絡容量上增長1000倍。移動數(shù)據(jù)流量的暴漲將給網(wǎng)絡帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。首先，如果按照當前移動通信網(wǎng)絡發(fā)展，容量難以支持千倍流量的增長，網(wǎng)絡能耗和比特成本難以承受；其次，流量增長必然帶來對頻譜的進一步需求，而移動通信頻譜稀缺，可用頻譜呈大跨度、碎片化分布，難以實現(xiàn)頻譜的高效使用；此外，要提升網(wǎng)絡容量，必須智能高效利用網(wǎng)絡資源，例如針對業(yè)務和用戶的個性進行智能優(yōu)化，但這方面的能力不足；最后，未來網(wǎng)絡必然是一個多網(wǎng)并存的異構移動網(wǎng)絡，要提升網(wǎng)絡容量，必須解決高效管理各個網(wǎng)絡，簡化互操作，增強用戶體驗的問題。為了解決上述挑戰(zhàn)，滿足日益增長的移動流量需求，亟需發(fā)展新一代5G移動通信網(wǎng)絡 。
基本概念
5G移動網(wǎng)絡與早期的2G、3G和4G移動網(wǎng)絡一樣，5G網(wǎng)絡是數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡，在這種網(wǎng)絡中，供應商覆蓋的服務區(qū)域被劃分為許多被稱為蜂窩的小地理區(qū)域。表示聲音和圖像的模擬信號在手機中被數(shù)字化，由模數(shù)轉換器轉換并作為比特流傳輸。蜂窩中的所有5G無線設備通過無線電波與蜂窩中的本地天線陣和低功率自動收發(fā)器（發(fā)射機和接收機）進行通信。收發(fā)器從公共頻率池分配頻道，這些頻道在地理上分離的蜂窩中可以重復使用。本地天線通過高帶寬光纖或無線回程連接與電話網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)連接。與現(xiàn)有的手機一樣，當用戶從一個蜂窩穿越到另一個蜂窩時，他們的移動設備將自動“切換”到新蜂窩中的天線 。
5G網(wǎng)絡的主要優(yōu)勢在于，數(shù)據(jù)傳輸速率遠遠高于以前的蜂窩網(wǎng)絡，最高可達10Gbit/s，比當前的有線互聯(lián)網(wǎng)要快，比先前的4G LTE蜂窩網(wǎng)絡快100倍。另一個優(yōu)點是較低的網(wǎng)絡延遲（更快的響應時間），低于1毫秒，而4G為30-70毫秒。由于數(shù)據(jù)傳輸更快，5G網(wǎng)絡將不僅僅為手機提供服務，而且還將成為一般性的家庭和辦公網(wǎng)絡提供商，與有線網(wǎng)絡提供商競爭。以前的蜂窩網(wǎng)絡提供了適用于手機的低數(shù)據(jù)率互聯(lián)網(wǎng)接入，但是一個手機發(fā)射塔不能經(jīng)濟地提供足夠的帶寬作為家用計算機的一般互聯(lián)網(wǎng)供應商 。
超密集異構網(wǎng)絡
5G 網(wǎng)絡正朝著網(wǎng)絡多元化、 寬帶化、 綜合化、 智能化的方向發(fā)展。隨著各種智能終端的普及，面向 2020 年及以后，移動數(shù)據(jù)流量將呈現(xiàn)爆炸式增長。在未來 5G 網(wǎng)絡中， 減小小區(qū)半徑， 增加低功率節(jié)點數(shù)量，是保證未來 5G 網(wǎng)絡支持 1 000 倍流量增長的核心技術之一 。因此， 超密集異構網(wǎng)絡成為未來 5G 網(wǎng)絡提高數(shù)據(jù)流量的關鍵技術 。
未來無線網(wǎng)絡將部署超過現(xiàn)有站點 10 倍以上的各種無線節(jié)點，在宏站覆蓋區(qū)內(nèi)，站點間距離將保持 10 m 以內(nèi)，并且支持在每 1 km2 范圍內(nèi)為 25 000個用戶提供服務 。同時也可能出現(xiàn)活躍用戶數(shù)和站點數(shù)的比例達到 1∶ 1的現(xiàn)象， 即用戶與服務節(jié)點一一對應。密集部署的網(wǎng)絡拉近了終端與節(jié)點間的距離，使得網(wǎng)絡的功率和頻譜效率大幅度提高，同時也擴大了網(wǎng)絡覆蓋范圍，擴展了系統(tǒng)容量，并且增強了業(yè)務在不同接入技術和各覆蓋層次間的靈活性。雖然超密集異構網(wǎng)絡架構在 5G 中有很大的發(fā)展前景，但是節(jié)點間距離的減少，越發(fā)密集的網(wǎng)絡部署將使得網(wǎng)絡拓撲更加復雜， 從而容易出現(xiàn)與現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)不兼容的問題。在 5G 移動通信網(wǎng)絡中，干擾是一個必須解決的問題。網(wǎng)絡中的干擾主要有：同頻干擾，共享頻譜資源干擾，不同覆蓋層次間的干擾等。現(xiàn)有通信系統(tǒng)的干擾協(xié)調算法只能解決單個干擾源問題，而在 5G 網(wǎng)絡中，相鄰節(jié)點的傳輸損耗一般差別不大，這將導致多個干擾源強度相近，進一步惡化網(wǎng)絡性能，使得現(xiàn)有協(xié)調算法難以應對 。
準確有效地感知相鄰節(jié)點是實現(xiàn)大規(guī)模節(jié)點協(xié)作的前提條件。在超密集網(wǎng)絡中，密集地部署使得小區(qū)邊界數(shù)量劇增，加之形狀的不規(guī)則，導致頻繁復雜的切換。為了滿足移動性需求， 勢必出現(xiàn)新的切換算法；另外，網(wǎng)絡動態(tài)部署技術也是研究的重點。由于用戶部署的大量節(jié)點的開啟和關閉具有突發(fā)性和隨機性， 使得網(wǎng)絡拓撲和干擾具有大范圍動態(tài)變化特性；而各小站中較少的服務用戶數(shù)也容易導致業(yè)務的空間和時間分布出現(xiàn)劇烈的動態(tài)變化 。
自組織網(wǎng)絡
傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡中， 主要依靠人工方式完成網(wǎng)絡部署及運維，既耗費大量人力資源又增加運行成本，而且網(wǎng)絡優(yōu)化也不理想。在未來 5G 網(wǎng)絡中，將面臨網(wǎng)絡的部署、 運營及維護的挑戰(zhàn)， 這主要是由于網(wǎng)絡存在各種無線接入技術， 且網(wǎng)絡節(jié)點覆蓋能力各不相同，它們之間的關系錯綜復雜。因此，自組織網(wǎng)絡(self-organizing network， SON) 的智能化將成為 5G 網(wǎng)絡必不可少的一項關鍵技術 。
自組織網(wǎng)絡技術解決的關鍵問題主要有以下 2點：①網(wǎng)絡部署階段的自規(guī)劃和自配；②網(wǎng)絡維護階段的自優(yōu)化和自愈合。自配置即新增網(wǎng)絡節(jié)點的配置可實現(xiàn)即插即用，具有低成本、 安裝簡易等優(yōu)點。自優(yōu)化的目的是減少業(yè)務工作量， 達到提升網(wǎng)絡質量及性能的效果， 其方法是通過 UE 和eNB 測量，在本地 eNB 或網(wǎng)絡管理方面進行參數(shù)自優(yōu)化。自愈合指系統(tǒng)能自動檢測問題、 定位問題和排除故障，大大減少維護成本并避免對網(wǎng)絡質量和用戶體驗的影響。自規(guī)劃的目的是動態(tài)進行網(wǎng)絡規(guī)劃并執(zhí)行，同時滿足系統(tǒng)的容量擴展、 業(yè)務監(jiān)測或優(yōu)化結果等方面的需求 。
內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡
在5G 中， 面向大規(guī)模用戶的音頻、 視頻、圖像等業(yè)務急劇增長， 網(wǎng)絡流量的爆炸式增長會極大地影響用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)的服務質量 。如何有效地分發(fā)大流量的業(yè)務內(nèi)容， 降低用戶獲取信息的時延，成為網(wǎng)絡運營商和內(nèi)容提供商面臨的一大難題。僅僅依靠增加帶寬并不能解決問題， 它還受到傳輸中路由阻塞和延遲、 網(wǎng)站服務器的處理能力等因素的影響，這些問題的出現(xiàn)與用戶服務器之間的距離有密切關系。內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(content distribution network， CDN) 會對未來 5G 網(wǎng)絡的容量與用戶訪問具有重要的支撐作用 。
內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡是在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中添加新的層次，即智能虛擬網(wǎng)絡。CDN系統(tǒng)綜合考慮各節(jié)點連接狀態(tài)、 負載情況以及用戶距離等信息，通過將相關內(nèi)容分發(fā)至靠近用戶的 CDN代理服務器上， 實現(xiàn)用戶就近獲取所需的信息，使得網(wǎng)絡擁塞狀況得以緩解，降低響應時間，提高響應速度。CDN 網(wǎng)絡架構在用戶側與源 server 之間構建多個 CDN代理 server，可以降低延遲、 提高 QoS(quality of service)。當用戶對所需內(nèi)容發(fā)送請求時， 如果源服務器之前接收到相同內(nèi)容的請求， 則該請求被 DNS 重定向到離用戶最近的 CDN 代理服務器上， 由該代理服務器發(fā)送相應內(nèi)容給用戶。因此， 源服務器只需要將內(nèi)容發(fā)給各個代理服務器， 便于用戶從就近的帶寬充足的代理服務器上獲取內(nèi)容， 降低網(wǎng)絡時延并提高用戶體驗。隨著云計算、 移動互聯(lián)網(wǎng)及動態(tài)網(wǎng)絡內(nèi)容技術的推進， 內(nèi)容分發(fā)技術逐步趨向于專業(yè)化、 定制化，在內(nèi)容路由、 管理、 推送以及安全性方面都面臨新的挑戰(zhàn) 。
D2D 通信
在5G 網(wǎng)絡中， 網(wǎng)絡容量、頻譜效率需要進一步提升，更豐富的通信模式以及更好的終端用戶體驗也是 5G 的演進方向。設備到設備通信 ( device-to-device communication，D2D) 具有潛在的提升系統(tǒng)性能、 增強用戶體驗、 減輕基站壓力、 提高頻譜利用率的前景。因此， D2D 是未來 5G 網(wǎng)絡中的關鍵技術之一 。
D2D 通信是一種基于蜂窩系統(tǒng)的近距離數(shù)據(jù)直接傳輸技術。D2D 會話的數(shù)據(jù)直接在終端之間進行傳輸， 不需要通過基站轉發(fā)， 而相關的控制信令，如會話的建立、維持、無線資源分配以及計費、鑒權、識別、移動性管理等仍由蜂窩網(wǎng)絡負責。蜂窩網(wǎng)絡引入 D2D 通信，可以減輕基站負擔， 降低端到端的傳輸時延，提升頻譜效率，降低終端發(fā)射功率。當無線通信基礎設施損壞，或者在無線網(wǎng)絡的覆蓋盲區(qū)，終端可借助 D2D 實現(xiàn)端到端通信甚至接入蜂窩網(wǎng)絡。在 5G 網(wǎng)絡中，既可以在授權頻段部署 D2D 通信，也可在非授權頻段部署 。
M2M 通信
M2M(machine to machine， M2M)作為物聯(lián)網(wǎng)最常見的應用形式， 在智能電網(wǎng)、 安全監(jiān)測、城市信息化、 環(huán)境監(jiān)測等領域實現(xiàn)了商業(yè)化應用。3GPP 已經(jīng)針對 M2M 網(wǎng)絡制定了一些標準， 并已立項開始研究 M2M 關鍵技術。M2M 的定義主要有廣義和狹義 2 種。廣義的M2M 主要是指機器對機器、 人與機器間以及移動網(wǎng)絡和機器之間的通信， 它涵蓋了所有實現(xiàn)人、 機器、系統(tǒng)之間通信的技術；從狹義上說， M2M 僅僅指機器與機器之間的通信。智能化、 交互式是 M2M 有別于其它應用的典型特征， 這一特征下的機器也被賦予了更多的“智慧” 。
信息中心網(wǎng)絡
隨著實時音頻、 高清視頻等服務的日益激增，基于位置通信的傳統(tǒng) TCP /IP網(wǎng)絡無法滿足數(shù)據(jù)流量分發(fā)的要求。網(wǎng)絡呈現(xiàn)出以信息為中心的發(fā)展趨勢。信息中心網(wǎng)絡 ( information-centric network，ICN)的思想最早是 1979 年由 Nelson 提出來的 ，后來被 Baccala 強化。作為一種新型網(wǎng)絡體系結構，ICN 的目標是取代現(xiàn)有的 IP 。
ICN 所指的信息包括實時媒體流、 網(wǎng)頁服務、 多媒體通信等，而信息中心網(wǎng)絡就是這些片段信息的總集合。因此，ICN 的主要概念是信息的分發(fā)、 查找和傳遞，不再是維護目標主機的可連通性。不同于傳統(tǒng)的以主機地址為中心的 TCP /IP 網(wǎng)絡體系結構，ICN 采用的是以信息為中心的網(wǎng)絡通信模型， 忽略 IP 地址的作用， 甚至只是將其作為一種傳輸標識。全新的網(wǎng)絡協(xié)議棧能夠實現(xiàn)網(wǎng)絡層解析信息名稱、 路由緩存信息數(shù)據(jù)、 多播傳遞信息等功能， 從而較好地解決計算機網(wǎng)絡中存在的擴展性、 實時性以及動態(tài)性等問題。ICN信息傳遞流程是一種基于發(fā)布訂閱方式的信息傳遞流程 。首先，內(nèi)容提供方向網(wǎng)絡發(fā)布自己所擁有的內(nèi)容，網(wǎng)絡中的節(jié)點就明白當收到相關內(nèi)容的請求時如何響應該請求。然后，當?shù)谝粋€訂閱方向網(wǎng)絡發(fā)送內(nèi)容請求時，節(jié)點將請求轉發(fā)到內(nèi)容發(fā)布方，內(nèi)容發(fā)布方將相應內(nèi)容發(fā)送給訂閱方， 帶有緩存的節(jié)點會將經(jīng)過的內(nèi)容緩存。其他訂閱方對相同內(nèi)容發(fā)送請求時，鄰近帶緩存的節(jié)點直接將相應內(nèi)容響應給訂閱方。因此，信息中心網(wǎng)絡的通信過程就是請求內(nèi)容的匹配過程。傳統(tǒng) IP 網(wǎng)絡中，采用的是“推” 傳輸模式，即服務器在整個傳輸過程中占主導地位，忽略了用戶的地位，從而導致用戶端接收過多的垃圾信息。ICN 網(wǎng)絡正好相反，采用“拉” 模式，整個傳輸過程由用戶的實時信息請求觸發(fā)， 網(wǎng)絡則通過信息緩存的方式，實現(xiàn)快速響應用戶。此外，信息安全只與信息自身相關，而與存儲容器無關。針對信息的這種特性，ICN 網(wǎng)絡采用有別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡安全機制的基于信息的安全機制。和傳統(tǒng)的 IP 網(wǎng)絡相比，ICN 具有高效性、高安全性且支持客戶端移動等優(yōu)勢 。
