1.5 第五代移动通信

第五代移动通信，简称5G。对其介绍如下。

1.5G的研发现状

ITU已经于2014年启动了关于5G的研究工作计划的讨论，这也标志着5G研究正式进入到国际标准化的流程，现在是5G研究的一个非常关键的时期。

目前，企业方面，国外爱立信、诺基亚、三星，国内华为、中兴、大唐还有电信研究院都做了大量5G方面的工作。很多公司都已经启动了5G技术研发和先期实验。研究组织方面，中国、欧洲、韩国和日本都成立了一些 5G 研究或推进组织，已经发布了一系列研究报告和白皮书等。ITU 在 5G 方面做了相当多的工作，特别是愿景、频谱、技术、工作计划等等，推动全球业界形成5G共识。

2012年年初，工信部、发改委和科技部联合成立 IMT-2020（5G）推进组，还启动了重大专项和863计划的5G研发项目。IMT-2020（5G）推进组是我国5G技术研发及国际合作的基础平台，目前成员已经超过50家。重大专项于2013年启动后IMT-Advanced移动通信技术及发展策略研究，2015年计划启动IMT-2020网络架构研究、IMT-2020国际标准评估环境等一系列课题研究。IMT-2020（5G）推进组作了大量的工作，本节的主要内容来源于IMT-2020（5G）推进组发布的白皮书。

2.5G的概念

面向 2020年及未来，移动互联网和物联网业务将成为移动通信发展的主要驱动力。5G将满足人们在居住、工作、休闲和交通等各种区域的多样化业务需求，即便在密集住宅区、办公室、体育场、露天集会、地铁、快速路、高铁和广域覆盖等具有超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性特征的场景，也可以为用户提供超高清视频、虚拟现实、增强现实、云桌面、在线游戏等极致业务体验。与此同时，5G还将渗透到物联网及各种行业领域，与工业设施、医疗仪器、交通工具等深度融合，有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的多样化业务需求，实现真正的“万物互联”。

5G概念可由“标志性能力指标”和“一组关键技术”来共同定义。其中，标志性能力指标为“Gbit/s用户体验速率”，一组关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。

3.5G主要场景与关键性能指标

5G主要场景与关键性能指标见表1-5。

连续广域覆盖场景是移动通信最基本的覆盖方式，以保证用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝的高速业务体验。该场景的主要挑战在于随时随地（包括小区边缘、高速移动等恶劣环境）为用户提供100Mbit/s以上的用户体验速率。

热点高容量场景主要面向局部热点区域，为用户提供极高的数据传输速率，满足网络极高的流量密度需求。1Gbit/s用户体验速率、数十Gbit/s峰值速率和数十Tbit/s/km2的流量密度需求是该场景面临的主要挑战。

低功耗、大连接和低时延、高可靠场景主要面向物联网业务，是 5G 新拓展的场景，重点解决传统移动通信无法很好支持物联网及垂直行业应用。

低功耗、大连接场景主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力，满足100万/km2连接数密度指标要求，而且还要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特殊应用需求，这类应用对时延和可靠性具有极高的指标要求，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近 100%的业务可靠性保证。

4.5G关键技术

5G技术创新主要来源于无线技术和网络技术两方面。在无线技术领域，大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入等技术已成为业界关注的焦点；在网络技术领域，基于软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的新型网络架构已取得广泛共识。此外，基于滤波的正交频分复用（F-OFDM）、滤波器组多载波（FBMC)、全双工、灵活双工、终端直通（D2D）、多元低密度奇偶检验（Q-ary LDPC）码、网络编码、极化码等也被认为是5G重要的潜在无线关键技术。

（1）5G无线关键技术

大规模天线阵列在现有多天线基础上通过增加天线数可支持数十个独立的空间数据流，将数倍提升多用户系统的频谱效率，对满足 5G 系统容量与速率需求起到重要的支撑作用。大规模天线阵列应用于 5G 需解决信道测量与反馈、参考信号设计、天线阵列设计、低成本实现等关键问题。

超密集组网通过增加基站部署密度，可实现频率复用效率的巨大提升，但考虑到频率干扰、站址资源和部署成本，超密集组网可在局部热点区域实现百倍量级的容量提升。干扰管理与抑制、小区虚拟化技术、接入与回传联合设计等是超密集组网的重要研究方向。

新型多址技术通过发送信号在空/时/频/码域的叠加传输来实现多种场景下系统频谱效率和接入能力的显著提升。此外，新型多址技术可实现免调度传输，将显著降低信令开销，缩短接入时延，节省终端功耗。目前业界提出的技术方案主要包括基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址（SCMA）技术，基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入（MUSA）技术基于非正交特征图样的图样分割多址（PDMA）技术以及基于功率叠加的非正交多址（NOMA）技术。

全频谱接入通过有效利用各类移动通信频谱（包含高低频段、授权与非授权频谱、对称与非对称频谱、连续与非连续频谱等）资源来提升数据传输速率和系统容量。6GHz 以下频段因其较好的信道传播特性可作为5G的优选频段，6～100GHz高频段具有更加丰富的空闲频谱资源，可作为 5G的辅助频段。信道测量与建模、低频和高频统一设计、高频接入回传一体化以及高频器件是全频谱接入技术面临的主要挑战。

（2）5G网络关键技术

为了应对5G需求和场景对网络提出的挑战，并满足5G网络优质、灵活、智能、友好的整体发展趋势，5G网络需要通过基础设施平台和网络架构两个方面的技术创新和协同发展，最终实现网络变革。

当前的电信基础设施平台是基于专用硬件实现的。5G网络将通过引入互联网和虚拟化技术，设计实现基于通用硬件的新型基础设施平台，从而解决现有基础设施平台成本高、资源配置能力不强和业务上线周期长等问题。实现 5G 新型设施平台的基础是网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）技术。NFV技术通过软件与硬件的分离，为5G网络提供更具弹性的基础设施平台，组件化的网络功能模块实现控制面功能可重构。NFV使网元功能与物理实体解耦，采用通用硬件取代专用硬件，可以方便快捷地把网元功能部署在网络中任意位置，同时对通用硬件资源实现按需分配和动态伸缩，以达到最优的资源利用率。SDN技术实现控制功能和转发功能的分离。控制功能的抽离和聚合，有利于通过网络控制平面从全局视角来感知和调度网络资源，实现网络连接的可编程。

在网络架构方面，基于控制转发分离和控制功能重构的技术设计新型网络架构，提高接入网在面向 5G 复杂场景下的整体接入性能。简化核心网结构，提供灵活高效的控制转发功能，支持高智能运营，开放网络能力，提升全网整体服务水平。

NFV和SDN技术在移动网络的引入和发展，将推动5G网络架构的革新，借鉴控制转发分离技术对网络功能进行重组，使得网络逻辑功能更加聚合，逻辑功能平面更加清晰。网络功能可以按需编排，运营商能根据不同场景和业务特征要求，灵活组合功能模块，按需定制网络资源和业务逻辑，增强网络弹性和自适应性。

5G网络逻辑架构如图1-7所示。

新型 5G 网络架构包含接入、控制和转发三个功能平面。控制平面主要负责全局控制策略的生成，接入平面和转发平面主要负责策略执行。

●接入平面：包含各种类型基站和无线接入设备。基站间交互能力增强，组网拓扑形式丰富，能够实现快速灵活的无线接入协同控制和更高的无线资源利用率。

●控制平面：通过网络功能重构，实现集中的精致功能和简化的控制流程，以及接入和转发资源的全局调度。面向差异化业务需求，通过按需编排的网络功能，提供可定制的网络资源，以及友好的能力开放平台。

●转发平面：包含用户面下沉的分布式网关，集成边缘内容缓存和业务流加速等功能。在几种控制平面的统一控制下，数据转发效率和灵活性得到极大提升。

基于“三朵云”的新型 5G 网络架构是移动网络未来的发展方向，但实际网络发展在满足未来新业务和新场景需求的同时，也要充分考虑现有移动网络的演进途径。5G网络架构的发展会存在局部变化到全网变革的中间阶段，通信技术与IT技术的融合会从核心网向无线接入网逐步延伸，最终形成网络架构的整体演变。

5.5G技术路线

从技术特征、标准演进和产业发展角度分析，5G存在新空口和4G演进空口两条技术路线。

新空口路线主要面向新场景和新频段进行全新的空口设计，不考虑与 4G 框架的兼容，通过新的技术方案设计和引入创新技术来满足 4G 演进路线无法满足的业务需求及挑战，特别是各种物联网场景及高频段需求。

4G演进路线通过在现有4G框架基础上引入增强型新技术，在保证兼容性的同时实现现有系统性能的进一步提升，在一定程度上满足5G场景与业务需求。

此外，WLAN已成为移动通信的重要补充，主要在热点地区提供数据分流。下一代WLAN标准（802.11ax）制定工作已经于2014年初启动，预计将于2019年完成。面向2020年及未来，下一代WLAN将与5G深度融合，共同为用户提供服务。

当前，制定全球统一的5G标准已成为业界共同的呼声，ITU已启动了面向5G标准的研究工作，并明确了IMT-2020(5G)工作计划，2015年将完成IMT-2020国际标准前期研究，2016年将开展5G技术性能需求和评估方法研究，2017年底启动5G候选方案征集，2020年底完成标准制定。工作计划安排如图1-8所示。

3GPP作为国际移动通信行业的主要标准组织，将承担5G国际标准技术内容的制定工作。3GPP R14阶段被认为是启动5G标准研究的最佳时机，R15阶段可启动5G标准工作项目，R16及以后将对5G标准进行完善增强。