第五代移動(dòng)通信技術(shù)（英語：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation，簡(jiǎn)稱5G或5G技術(shù)）是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，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(biāo)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(shè)備連接。Release-15中的5G規(guī)范的第一階段是為了適應(yīng)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(shù)的候選提交給國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU） [1] 。ITU IMT-2020規(guī)范要求速度高達(dá)20 Gbit/s，可以實(shí)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(dòng)通信系統(tǒng)5G已經(jīng)成為通信業(yè)和學(xué)術(shù)界探討的熱點(diǎn)。5G的發(fā)展主要有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)力。一方面以長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)為代表的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)4G已全面商用，對(duì)下一代技術(shù)的討論提上日程；另一方面，移動(dòng)數(shù)據(jù)的需求爆炸式增長(zhǎng)，現(xiàn)有移動(dòng)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(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)日益增長(zhǎng)的需求。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的設(shè)備接入到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，新的服務(wù)和應(yīng)用層出不窮，全球移動(dòng)寬帶用戶在2018年有望達(dá)到90億，到2020年，預(yù)計(jì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的容量需要在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)容量上增長(zhǎng)1000倍。移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的暴漲將給網(wǎng)絡(luò)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。首先，如果按照當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，容量難以支持千倍流量的增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)能耗和比特成本難以承受；其次，流量增長(zhǎng)必然帶來對(duì)頻譜的進(jìn)一步需求，而移動(dòng)通信頻譜稀缺，可用頻譜呈大跨度、碎片化分布，難以實(shí)現(xiàn)頻譜的高效使用；此外，要提升網(wǎng)絡(luò)容量，必須智能高效利用網(wǎng)絡(luò)資源，例如針對(duì)業(yè)務(wù)和用戶的個(gè)性進(jìn)行智能優(yōu)化，但這方面的能力不足；最后，未來網(wǎng)絡(luò)必然是一個(gè)多網(wǎng)并存的異構(gòu)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，要提升網(wǎng)絡(luò)容量，必須解決高效管理各個(gè)網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)化互操作，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的問題。為了解決上述挑戰(zhàn)，滿足日益增長(zhǎng)的移動(dòng)流量需求，亟需發(fā)展新一代5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò) 。
基本概念
5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與早期的2G、3G和4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)一樣，5G網(wǎng)絡(luò)是數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在這種網(wǎng)絡(luò)中，供應(yīng)商覆蓋的服務(wù)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(hào)在手機(jī)中被數(shù)字化，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換并作為比特流傳輸。蜂窩中的所有5G無線設(shè)備通過無線電波與蜂窩中的本地天線陣和低功率自動(dòng)收發(fā)器（發(fā)射機(jī)和接收機(jī)）進(jìn)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(fù)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(luò)和互聯(lián)網(wǎng)連接。與現(xiàn)有的手機(jī)一樣，當(dāng)用戶從一個(gè)蜂窩穿越到另一個(gè)蜂窩時(shí)，他們的移動(dòng)設(shè)備將自動(dòng)“切換”到新蜂窩中的天線 。
5G網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢(shì)在于，數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，最高可達(dá)10Gbit/s，比當(dāng)前的有線互聯(lián)網(wǎng)要快，比先前的4G LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)快100倍。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是較低的網(wǎng)絡(luò)延遲（更快的響應(yīng)時(shí)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(luò)將不僅僅為手機(jī)提供服務(wù)，而且還將成為一般性的家庭和辦公網(wǎng)絡(luò)提供商，與有線網(wǎng)絡(luò)提供商競(jìng)爭(zhēng)。以前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供了適用于手機(jī)的低數(shù)據(jù)率互聯(lián)網(wǎng)接入，但是一個(gè)手機(jī)發(fā)射塔不能經(jīng)濟(jì)地提供足夠的帶寬作為家用計(jì)算機(jī)的一般互聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)商 。
超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)
5G 網(wǎng)絡(luò)正朝著網(wǎng)絡(luò)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(dòng)數(shù)據(jù)流量將呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。在未來 5G 網(wǎng)絡(luò)中， 減小小區(qū)半徑， 增加低功率節(jié)點(diǎn)數(shù)量，是保證未來 5G 網(wǎng)絡(luò)支持 1 000 倍流量增長(zhǎng)的核心技術(shù)之一 。因此， 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)成為未來 5G 網(wǎng)絡(luò)提高數(shù)據(jù)流量的關(guān)鍵技術(shù) 。
未來無線網(wǎng)絡(luò)將部署超過現(xiàn)有站點(diǎn) 10 倍以上的各種無線節(jié)點(diǎn)，在宏站覆蓋區(qū)內(nèi)，站點(diǎn)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(gè)用戶提供服務(wù) 。同時(shí)也可能出現(xiàn)活躍用戶數(shù)和站點(diǎn)數(shù)的比例達(dá)到 1∶ 1的現(xiàn)象， 即用戶與服務(wù)節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。密集部署的網(wǎng)絡(luò)拉近了終端與節(jié)點(diǎn)間的距離，使得網(wǎng)絡(luò)的功率和頻譜效率大幅度提高，同時(shí)也擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，擴(kuò)展了系統(tǒng)容量，并且增強(qiáng)了業(yè)務(wù)在不同接入技術(shù)和各覆蓋層次間的靈活性。雖然超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在 5G 中有很大的發(fā)展前景，但是節(jié)點(diǎn)間距離的減少，越發(fā)密集的網(wǎng)絡(luò)部署將使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓訌?fù)雜， 從而容易出現(xiàn)與現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)不兼容的問題。在 5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，干擾是一個(gè)必須解決的問題。網(wǎng)絡(luò)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(diào)算法只能解決單個(gè)干擾源問題，而在 5G 網(wǎng)絡(luò)中，相鄰節(jié)點(diǎn)的傳輸損耗一般差別不大，這將導(dǎo)致多個(gè)干擾源強(qiáng)度相近，進(jìn)一步惡化網(wǎng)絡(luò)性能，使得現(xiàn)有協(xié)調(diào)算法難以應(yīng)對(duì) 。
準(zhǔn)確有效地感知相鄰節(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模節(jié)點(diǎn)協(xié)作的前提條件。在超密集網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)致頻繁復(fù)雜的切換。為了滿足移動(dòng)性需求， 勢(shì)必出現(xiàn)新的切換算法；另外，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署技術(shù)也是研究的重點(diǎn)。由于用戶部署的大量節(jié)點(diǎn)的開啟和關(guān)閉具有突發(fā)性和隨機(jī)性， 使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜透蓴_具有大范圍動(dòng)態(tài)變化特性；而各小站中較少的服務(wù)用戶數(shù)也容易導(dǎo)致業(yè)務(wù)的空間和時(shí)間分布出現(xiàn)劇烈的動(dòng)態(tài)變化 。
自組織網(wǎng)絡(luò)
傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中， 主要依靠人工方式完成網(wǎng)絡(luò)部署及運(yùn)維，既耗費(fèi)大量人力資源又增加運(yùn)行成本，而且網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也不理想。在未來 5G 網(wǎng)絡(luò)中，將面臨網(wǎng)絡(luò)的部署、 運(yùn)營(yíng)及維護(hù)的挑戰(zhàn)， 這主要是由于網(wǎng)絡(luò)存在各種無線接入技術(shù)， 且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋能力各不相同，它們之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。因此，自組織網(wǎng)絡(luò)(self-organizing network， SON) 的智能化將成為 5G 網(wǎng)絡(luò)必不可少的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù) 。
自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決的關(guān)鍵問題主要有以下 2點(diǎn)：①網(wǎng)絡(luò)部署階段的自規(guī)劃和自配；②網(wǎng)絡(luò)維護(hù)階段的自優(yōu)化和自愈合。自配置即新增網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的配置可實(shí)現(xiàn)即插即用，具有低成本、 安裝簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)。自優(yōu)化的目的是減少業(yè)務(wù)工作量， 達(dá)到提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及性能的效果， 其方法是通過 UE 和eNB 測(cè)量，在本地 eNB 或網(wǎng)絡(luò)管理方面進(jìn)行參數(shù)自優(yōu)化。自愈合指系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)問題、 定位問題和排除故障，大大減少維護(hù)成本并避免對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)的影響。自規(guī)劃的目的是動(dòng)態(tài)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃并執(zhí)行，同時(shí)滿足系統(tǒng)的容量擴(kuò)展、 業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)或優(yōu)化結(jié)果等方面的需求 。
內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)
在5G 中， 面向大規(guī)模用戶的音頻、 視頻、圖像等業(yè)務(wù)急劇增長(zhǎng)， 網(wǎng)絡(luò)流量的爆炸式增長(zhǎng)會(huì)極大地影響用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量 。如何有效地分發(fā)大流量的業(yè)務(wù)內(nèi)容， 降低用戶獲取信息的時(shí)延，成為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)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(wù)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(wù)器之間的距離有密切關(guān)系。內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(content distribution network， CDN) 會(huì)對(duì)未來 5G 網(wǎng)絡(luò)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(luò)是在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中添加新的層次，即智能虛擬網(wǎng)絡(luò)。CDN系統(tǒng)綜合考慮各節(jié)點(diǎn)連接狀態(tài)、 負(fù)載情況以及用戶距離等信息，通過將相關(guān)內(nèi)容分發(fā)至靠近用戶的 CDN代理服務(wù)器上， 實(shí)現(xiàn)用戶就近獲取所需的信息，使得網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況得以緩解，降低響應(yīng)時(shí)間，提高響應(yīng)速度。CDN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在用戶側(cè)與源 server 之間構(gòu)建多個(gè) CDN代理 server，可以降低延遲、 提高 QoS(quality of service)。當(dāng)用戶對(duì)所需內(nèi)容發(fā)送請(qǐng)求時(shí)， 如果源服務(wù)器之前接收到相同內(nèi)容的請(qǐng)求， 則該請(qǐng)求被 DNS 重定向到離用戶最近的 CDN 代理服務(wù)器上， 由該代理服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)內(nèi)容給用戶。因此， 源服務(wù)器只需要將內(nèi)容發(fā)給各個(gè)代理服務(wù)器， 便于用戶從就近的帶寬充足的代理服務(wù)器上獲取內(nèi)容， 降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延并提高用戶體驗(yàn)。隨著云計(jì)算、 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容技術(shù)的推進(jìn)， 內(nèi)容分發(fā)技術(shù)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(luò)中， 網(wǎng)絡(luò)容量、頻譜效率需要進(jìn)一步提升，更豐富的通信模式以及更好的終端用戶體驗(yàn)也是 5G 的演進(jìn)方向。設(shè)備到設(shè)備通信 ( device-to-device communication，D2D) 具有潛在的提升系統(tǒng)性能、 增強(qiáng)用戶體驗(yàn)、 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(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)。D2D 會(huì)話的數(shù)據(jù)直接在終端之間進(jìn)行傳輸， 不需要通過基站轉(zhuǎn)發(fā)， 而相關(guān)的控制信令，如會(huì)話的建立、維持、無線資源分配以及計(jì)費(fèi)、鑒權(quán)、識(shí)別、移動(dòng)性管理等仍由蜂窩網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)引入 D2D 通信，可以減輕基站負(fù)擔(dān)， 降低端到端的傳輸時(shí)延，提升頻譜效率，降低終端發(fā)射功率。當(dāng)無線通信基礎(chǔ)設(shè)施損壞，或者在無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)，終端可借助 D2D 實(shí)現(xiàn)端到端通信甚至接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)。在 5G 網(wǎng)絡(luò)中，既可以在授權(quán)頻段部署 D2D 通信，也可在非授權(quán)頻段部署 。
M2M 通信
M2M(machine to machine， M2M)作為物聯(lián)網(wǎng)最常見的應(yīng)用形式， 在智能電網(wǎng)、 安全監(jiān)測(cè)、城市信息化、 環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。3GPP 已經(jīng)針對(duì) M2M 網(wǎng)絡(luò)制定了一些標(biāo)準(zhǔn)， 并已立項(xiàng)開始研究 M2M 關(guān)鍵技術(shù)。M2M 的定義主要有廣義和狹義 2 種。廣義的M2M 主要是指機(jī)器對(duì)機(jī)器、 人與機(jī)器間以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器之間的通信， 它涵蓋了所有實(shí)現(xiàn)人、 機(jī)器、系統(tǒng)之間通信的技術(shù)；從狹義上說， M2M 僅僅指機(jī)器與機(jī)器之間的通信。智能化、 交互式是 M2M 有別于其它應(yīng)用的典型特征， 這一特征下的機(jī)器也被賦予了更多的“智慧” 。
信息中心網(wǎng)絡(luò)
隨著實(shí)時(shí)音頻、 高清視頻等服務(wù)的日益激增，基于位置通信的傳統(tǒng) TCP /IP網(wǎng)絡(luò)無法滿足數(shù)據(jù)流量分發(fā)的要求。網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出以信息為中心的發(fā)展趨勢(shì)。信息中心網(wǎng)絡(luò) ( information-centric network，ICN)的思想最早是 1979 年由 Nelson 提出來的 ，后來被 Baccala 強(qiáng)化。作為一種新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，ICN 的目標(biāo)是取代現(xiàn)有的 IP 。
ICN 所指的信息包括實(shí)時(shí)媒體流、 網(wǎng)頁服務(wù)、 多媒體通信等，而信息中心網(wǎng)絡(luò)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(hù)目標(biāo)主機(jī)的可連通性。不同于傳統(tǒng)的以主機(jī)地址為中心的 TCP /IP 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，ICN 采用的是以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)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(biāo)識(shí)。全新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中存在的擴(kuò)展性、 實(shí)時(shí)性以及動(dòng)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(luò)發(fā)布自己所擁有的內(nèi)容，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)就明白當(dāng)收到相關(guān)內(nèi)容的請(qǐng)求時(shí)如何響應(yīng)該請(qǐng)求。然后，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)訂閱方向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送內(nèi)容請(qǐng)求時(shí)，節(jié)點(diǎn)將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)容發(fā)布方，內(nèi)容發(fā)布方將相應(yīng)內(nèi)容發(fā)送給訂閱方， 帶有緩存的節(jié)點(diǎn)會(huì)將經(jīng)過的內(nèi)容緩存。其他訂閱方對(duì)相同內(nèi)容發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，鄰近帶緩存的節(jié)點(diǎn)直接將相應(yīng)內(nèi)容響應(yīng)給訂閱方。因此，信息中心網(wǎng)絡(luò)的通信過程就是請(qǐng)求內(nèi)容的匹配過程。傳統(tǒng) IP 網(wǎng)絡(luò)中，采用的是“推” 傳輸模式，即服務(wù)器在整個(gè)傳輸過程中占主導(dǎo)地位，忽略了用戶的地位，從而導(dǎo)致用戶端接收過多的垃圾信息。ICN 網(wǎng)絡(luò)正好相反，采用“拉” 模式，整個(gè)傳輸過程由用戶的實(shí)時(shí)信息請(qǐng)求觸發(fā)， 網(wǎng)絡(luò)則通過信息緩存的方式，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)用戶。此外，信息安全只與信息自身相關(guān)，而與存儲(chǔ)容器無關(guān)。針對(duì)信息的這種特性，ICN 網(wǎng)絡(luò)采用有別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制的基于信息的安全機(jī)制。和傳統(tǒng)的 IP 網(wǎng)絡(luò)相比，ICN 具有高效性、高安全性且支持客戶端移動(dòng)等優(yōu)勢(shì) 。
