4G的普及與應用為移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展打開了大門，伴隨著消費電子產品的進步與發(fā)展，移動通信技術正時刻改變著人們的生活，同時也刺激著移動通信需求的進一步發(fā)展。5G作為面向2020年及以后的移動通信系統(tǒng)，其應用將深入社會各個領域，作為基礎設施為未來社會提供全方位的服務，促進各行各業(yè)的轉型與升級。

5G將提供光纖般的無線接入速度，“零時延”的使用體驗，使信息突破時空限制，可即時予以呈現(xiàn);5G將提供千億設備的連接能力、***的交互體驗，實現(xiàn)人與萬物的智能互聯(lián);5G將提供超高流量密度、超高移動性的連接支持，讓用戶隨時隨地獲得一致的性能體驗;同時，超過百倍的能效提升和極低的比特成本，也將保證產業(yè)可持續(xù)發(fā)展。超高速率、超低時延、超高移動性、超強連接能力、超高流量密度，加上能效和成本超百倍改善，5G最終將實現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸手及”的愿景。

為了實現(xiàn)5G發(fā)展的愿景，滿足未來業(yè)務發(fā)展的需要，5G應該具備的關鍵技術能力包括支持0.1~1Gbit/s的用戶體驗速率和高達10Gbit/s以上的峰值速率，支持每平方千米百萬量級的連接數(shù)密度，支持毫秒級的端到端時延，支持每平方千米數(shù)十Tbit/s的流量密度，支持500km/h以上的移動速率。

此外，為了保持移動通信產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，5G還需要進一步提升網(wǎng)絡建設、部署、運營方面的效率和便捷程度，如相比4G，頻譜效率提升5~15倍，能源效率提升百倍，成本效率提升百倍以上。

5G技術如雨后春筍

為了實現(xiàn)5G的發(fā)展目標，ITU、3GPP、NGMN等組織啟動了面向5G的研究和標準化工作。3GPP在2015年啟動了有關5G的相關討論，分別從網(wǎng)絡架構和無線接入網(wǎng)的角度開始了5G的研究和標準化。5G新技術主要有以下幾個方面的特征。

面向服務的云化網(wǎng)絡使能端到端網(wǎng)絡切片

5G網(wǎng)絡架構***的特征就是基于SDN/NFV技術，通過面向服務的云化網(wǎng)絡，實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡切片，從而實現(xiàn)業(yè)務的靈活和快速部署，基于SDN/NFV的網(wǎng)絡切片如圖1所示。而無線網(wǎng)絡為了滿足低時延、高速率、高效率等眾多需求，除基站的架構需要引入CU/DU分離之外，還需要引入許多新的技術和設計。

圖1 基于SDN/NFV的網(wǎng)絡切片

3D-MIMO

如圖2所示，3D-MIMO一般采用大規(guī)模的二維天線陣列，不僅天線端口數(shù)較多，而且可以在水平和垂直維度靈活調整波束方向，形成更窄、更精確的指向性波束，從而極大地提升終端接收信號能量，增強小區(qū)覆蓋。傳統(tǒng)的2D-MIMO天線端口數(shù)較少，導致波束較寬，并且只能在水平維度調整波束方向，無法將垂直維度的能量集中于終端，且僅能在水平維度區(qū)分用戶也導致其同時同頻可服務的用戶數(shù)受限。3D-MIMO可充分利用垂直和水平維度的天線自由度，同時同頻服務更多的用戶，極大地提升系統(tǒng)容量，還可通過多個小區(qū)垂直維波束方向的協(xié)調，起到降低小區(qū)間干擾的目的。

圖2 3D-MIMO的技術原理

3D-MIMO無論是在提升接收和發(fā)送的效率、多用戶MIMO的配對用戶數(shù)，還是在降低小區(qū)間的干擾方面，相對于傳統(tǒng)天線都有更好的性能，是5G提升頻譜效率的最核心技術。

非正交多址

面對5G提出的更高頻譜效率、更大容量、更多連接以及更低時延的總體需求，5G多址的資源利用效率必須更高。因此，在近兩年的國內外5G研究中，資源非獨占的用戶多址接入方式廣受關注。在這種多址接入方式下，沒有哪一個資源維度下用戶是具有獨占性的，因此在接收端必須進行多個用戶信號的聯(lián)合檢測。得益于芯片工藝和數(shù)據(jù)處理能力的提升，接收端的多用戶聯(lián)合檢測已成為可實施的方案。

5G新型多址的設計將從物理層最基本的調制、映射等模塊出發(fā)，引入功率域和碼率的混合非正交編碼疊加，同時在接收端引入多用戶聯(lián)合檢測來實現(xiàn)非正交數(shù)據(jù)層的譯碼。

發(fā)送端在單用戶信道編碼之后，進入核心的碼本映射模塊，包括調制映射、碼域擴展和功率優(yōu)化，這3個部分也可聯(lián)合設計，以獲得額外編碼增益。在接收端經(jīng)過多用戶聯(lián)合檢測后的軟信息可輸入單用戶糾錯編碼的譯碼模塊進行譯碼，也可以將信道譯碼的結果返回代入多用戶聯(lián)合檢測器進行大迭代譯碼，進一步提升性能。在這個通用結構圖中，上下行多接入的區(qū)別在于多用戶信號疊加的位置不同，下行多用戶信號在經(jīng)過信道前，在發(fā)送端疊加，而上行多用戶信號則在經(jīng)過無線信道后，在接收端疊加。

對比4G OFDMA正交多址的物理層過程，5G新型非正交多址物理層過程引入新模塊變化的動機主要有如下幾個方面：通過新的(多維)調制映射設計，獲得編碼增益和成型增益，提升接入頻譜效率;通過(稀疏)碼域擴展，獲得分集增益，增強傳輸頑健性，也白化小區(qū)內或小區(qū)間數(shù)據(jù)流間的干擾;通過非正交層間的功率優(yōu)化，***化多用戶疊加的容量區(qū)。

自包含幀結構

5G系統(tǒng)為了進一步降低發(fā)送的時延，對時隙的結構和收發(fā)的反饋進行了新的設計。對于TDD系統(tǒng)，通過引入更多的上下行轉換點，縮短發(fā)送和反饋之間的響應時間，這種幀結構的設計也叫自包含的幀結構;對于FDD系統(tǒng)，則可以通過更短的調度和傳輸周期，縮短傳輸時延，5G定義的子幀格式如圖3所示。

圖3 5G定義的子幀格式

更快速的狀態(tài)轉換

5G為了實現(xiàn)更低的控制面時延，如10ms，在4G已有的連接態(tài)和空閑態(tài)中引入了一個新的中間狀態(tài)，叫去激活態(tài)，如圖4所示。該狀態(tài)保留核心網(wǎng)的連接狀態(tài)，而刪除無線側的連接狀態(tài)，當需要時，可以快速建立無線側的連接，從而大幅降低從原空閑態(tài)到連接態(tài)的轉換時延。

用戶為中心的網(wǎng)絡

5G網(wǎng)絡需要針對用戶的行為、偏好和終端、網(wǎng)絡的狀態(tài)和能力，提供***的用戶體驗，實現(xiàn)以用戶為中心的網(wǎng)絡部署，5G網(wǎng)絡架構的主要設計理念如圖5所示。

圖5 5G無線網(wǎng)絡架構

用戶與業(yè)務內容的智能感知

以智能無線管道為目標，通過引入更精細化的業(yè)務與用戶區(qū)分機制，根據(jù)業(yè)務場景、用戶能力、用戶偏好及網(wǎng)絡能力等，自適應配置空口技術、系統(tǒng)參數(shù)等，實現(xiàn)端到端的精細而多樣化的網(wǎng)絡連接、業(yè)務和內容區(qū)分與處理。5G網(wǎng)絡架構將能支持基于對業(yè)務與用戶的預測、分析、響應和處理能力，實現(xiàn)自適應的空口接入與管理、端到端的精細而多樣化的業(yè)務和內容區(qū)分與處理，提供更精準、更完備的用戶個性化、定制化的資源配置和網(wǎng)絡服務，以滿足多樣化的用戶及業(yè)務需求，并確保一致的、高質量的用戶體驗。

業(yè)務下沉與業(yè)務數(shù)據(jù)本地化處理

在邏輯功能上，基于核心網(wǎng)與無線網(wǎng)的功能重構，促使核心網(wǎng)專注于用戶簽約與策略管理以及集中控制。而其用戶面與業(yè)務承載功能繼續(xù)下沉，業(yè)務承載的管理與業(yè)務數(shù)據(jù)的路由和分發(fā)可部署在更靠近用戶的接入網(wǎng)，從而構建更加優(yōu)化的業(yè)務通道，使得業(yè)務的路由通道更加簡化，避免業(yè)務瓶頸，降低集中傳輸負荷。同時，基于對數(shù)據(jù)和業(yè)務內容的精細化感知，接入網(wǎng)不僅可以在本地生成、映射、緩存、分發(fā)數(shù)據(jù)，還可實現(xiàn)業(yè)務的本地就近智能分發(fā)和推送。

支持多網(wǎng)融合與多連接傳輸

在可預見的時間內，4G/5G/Wi-Fi等多種網(wǎng)絡將長期共存，因此，5G網(wǎng)絡架構必須支持多種網(wǎng)絡的深度融合，實現(xiàn)對于多種無線技術/資源的統(tǒng)一和協(xié)調管理，并基于承載與信令分離，信令與制式解耦，實現(xiàn)與接入方式無關的統(tǒng)一控制，使得無線資源的利用達到***化。同時，未來的終端也將普遍具備多制式、多無線的同時連接和傳輸能力。在多維度業(yè)務接納與控制的基礎上，5G網(wǎng)絡將基于時延容忍度、丟包敏感度以及不同的APP、業(yè)務提供商，支持精確的網(wǎng)絡選擇與無線傳輸路徑與方式，實現(xiàn)***資源匹配。

5G技術4G用

4G在全球市場已經(jīng)廣為普及，在深刻地改變著人們生活的同時，也在不斷創(chuàng)造新的需求，推動著4G技術的演進和發(fā)展。而5G大規(guī)模商用將在2020年以后，在此之前的市場需求只能由4G及其演進技術來滿足。目前，3GPP已經(jīng)在考慮將面向5G應用的技術提前引入到4G系統(tǒng)，在不影響后向兼容的條件下，對4G系統(tǒng)的技術能力、服務效率進行提升和增強，使其盡可能地滿足5G網(wǎng)絡的要求，并且在現(xiàn)有4G網(wǎng)絡上早日應用。

3D-MIMO

LTE詳細定義了各種基于線陣的MIMO和智能天線的模式，在4G網(wǎng)絡中得到了大規(guī)模應用，特別是在TD-LTE網(wǎng)絡中，8天線得到了很好的普及和驗證。隨著5G技術的研究，3D-MIMO技術成為業(yè)界的熱點，為此3GPP也進行了相關的研究和標準化(FD-MIMO)工作。特別對于TD-LTE系統(tǒng)來說，利用信道的互易性，可以基于實現(xiàn)而不對標準有任何改動，就可以把3D-MIMO技術引入到TD-LTE網(wǎng)絡當中，既能兼容已有的終端，又能大幅提升現(xiàn)有網(wǎng)絡的容量。TD-LTE產品研發(fā)進展領先的企業(yè)，如中興、華為都已經(jīng)發(fā)布了支持128天線、64個獨立射頻通道的2.6GHz的3D-MIMO商用產品，并開始在中國移動的4G網(wǎng)絡中部署。現(xiàn)網(wǎng)測試表明，3D-MIMO技術可大幅度提升網(wǎng)絡容量，網(wǎng)絡負荷越高，容量增益越大。

時延縮短

3GPP已經(jīng)在LTE R14中考慮了進一步降低傳輸時延的技術方案，允許將LTE的傳輸間隔(TTI)由原有的1ms進一步縮短，比如FDD可以支持2個OFDM符號長度的TTI，而TDD可以支持0.5ms的TTI傳輸，優(yōu)化后的傳輸時延可分別降低到1ms和4ms(TDD的配置2)以內。但是，對于4G系統(tǒng)而言，如果網(wǎng)絡的結構不隨之調整，這樣的時延降低對整個端到端網(wǎng)絡的時延來說，減少量是微乎其微的，難以真正地滿足低時延業(yè)務的要求，LTE演進中的時延降低情況如圖6所示。

圖6 LTE演進中的時延降低

基于上下文感知的業(yè)務分發(fā)和MEC

在4G網(wǎng)絡的實際業(yè)務拓展過程中，為滿足企業(yè)級用戶的應用需求，以及垂直行業(yè)的應用需求，4G網(wǎng)絡需要進行一些針對位置和特定環(huán)境的業(yè)務部署優(yōu)化，以提升網(wǎng)絡的效率和用戶體驗，也即需要引入MEC技術。但是對于現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡來說，無線側對業(yè)務是無感知的，也就是說無線網(wǎng)對業(yè)務的感知是通過核心網(wǎng)來被動感知的，業(yè)務的發(fā)送不能真正做到無線側的智能化?？梢栽诰W(wǎng)絡中靠近無線側的地方增加DPI的功能，對業(yè)務的內容等進行解析，使MEC能更好地適配業(yè)務的傳輸。但是這種方式的處理效率較低，3GPP開始考慮基于用戶上下文的業(yè)務發(fā)送優(yōu)化，即終端可以主動上報用戶業(yè)務的相關信息，基站可以據(jù)此進行傳輸優(yōu)化，大大提升傳輸?shù)目煽啃?。目前針對視頻業(yè)務的優(yōu)化已進行詳細的標準制定，有望在4G演進中走向應用。

輕連接(light connection)

在時延降低方面，3GPP也已經(jīng)在進行輕連接的標準化，通過引入連接態(tài)和空閑態(tài)之外的非激活態(tài)，可以進一步提升終端的節(jié)能效果，同時降低終端接入的時延。

至于其它5G技術的4G用，如非正交多址等，3GPP已討論過功率域的非正交多址接入(NOMA)，而碼域的非正交技術也可能得到應用。

為了滿足5G的需求，3GPP從網(wǎng)絡架構、無線幀的設計、3D-MIMO、非正交多址、協(xié)議狀態(tài)轉換等方面對5G系統(tǒng)進行了全新的設計，在傳輸效率、時延等方面都有大幅的性能提升。考慮到5G的商用要到2020年，真正形成實際網(wǎng)絡能力還需時日，將這些5G技術提早應用到現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡，并提早發(fā)揮作用，是5G技術4G化的***吸引力。目前移動通信行業(yè)的專家們正致力于此，3D-MIMO、MEC技術等已在4G網(wǎng)絡中開始應用，對現(xiàn)有核心網(wǎng)的SDN/NFV改造也已經(jīng)開始試點，基于上下文感知的業(yè)務分發(fā)和輕連接正在3GPP標準化。相信這些技術終將會在4G網(wǎng)絡的演進中得到驗證和應用，為4G的發(fā)展做出應用的貢獻。