4G的普及與應(yīng)用為移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展打開了大門，伴隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品的進(jìn)步與發(fā)展，移動通信技術(shù)正無時無刻地改變著人們的生活，同時也刺激著移動通信需求的進(jìn)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(yīng)用將深入到社會的各個領(lǐng)域，作為基礎(chǔ)設(shè)施為未來社會提供全方位的服務(wù)，促進(jìn)各行各業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級。

　　為此，5G將提供光纖般的接入速度，“零”時延的使用體驗，使信息突破時空限制，為用戶即時呈現(xiàn)；5G將提供千億設(shè)備的連接能力，極佳的交互體驗，實(shí)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超百倍的比特成本降低，也將保證產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。超高速率、超低時延、超高移動性、超強(qiáng)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(shí)現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸手及”的愿景［1］。

　　身臨其境的移動互聯(lián)網(wǎng)和無處不在的移動物聯(lián)網(wǎng)是5G發(fā)展的主要驅(qū)動力。根據(jù)IMT-2020（5G）推進(jìn)組的預(yù)測［1］，2010年到2020年全球移動數(shù)據(jù)流量增長將超過200倍，2010年到2030年將增長近20 000倍，其中熱點(diǎn)區(qū)域的增長速度更快，達(dá)到十年千倍；同時，到2030年，包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在內(nèi)的全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備總數(shù)將達(dá)到1 000億量級，其中我國超過200億。

　　5G的應(yīng)用場景由相關(guān)地點(diǎn)和該地點(diǎn)發(fā)生的業(yè)務(wù)組成。5G應(yīng)用場景主要包括移動互聯(lián)網(wǎng)和移動物聯(lián)網(wǎng)兩大類，而移動互聯(lián)網(wǎng)類又可以抽象為低移動性高速率和高移動性廣覆蓋兩個子類；移動物聯(lián)網(wǎng)類可以抽象為低功耗大連接和低時延高可靠兩個子類，如圖1所示。其中：

　　（1）低移動性高速率類應(yīng)用場景主要包括辦公室、密集住宅區(qū)、城市熱點(diǎn)如CBD和大型集會等，其對應(yīng)的主要業(yè)務(wù)有高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以及云存儲等。這類應(yīng)用場景的主要挑戰(zhàn)在于高速率、高連接密度等；

　?。?）高移動性廣覆蓋類應(yīng)用場景主要發(fā)生在高鐵、快速路以及地鐵等對移動性要求較高的地點(diǎn)，其對應(yīng)的主要業(yè)務(wù)有網(wǎng)頁瀏覽、實(shí)時在線游戲、云端辦公等，主要挑戰(zhàn)在于有一定移動性的前提下保持一定的體驗速率；

　?。?）低功耗大連接類應(yīng)用場景主要面向傳感器類應(yīng)用，包括環(huán)境監(jiān)測、智能報表和可穿戴設(shè)備等方面，主要挑戰(zhàn)在于連接數(shù)巨大且功耗要求低；

　?。?）低時延高可靠類應(yīng)用場景主要包括工業(yè)及醫(yī)療行業(yè)的自動控制類業(yè)務(wù)、交通行業(yè)的自動駕駛、智能電網(wǎng)等，主要挑戰(zhàn)在于時延和移動性等方面的要求。

　　基于對上述四類場景的分析，5G的整體需求可以用下面的“5G之花”來表征。如圖2，花瓣代表了5G的六大性能指標(biāo)，體現(xiàn)了5G滿足未來多樣化業(yè)務(wù)與場景需求的能力，其中花瓣頂點(diǎn)代表了相應(yīng)指標(biāo)的最大值，分別體現(xiàn)為：5G要支持0.1～1 Gb/s的用戶體驗速率、每平方公里一百萬的連接數(shù)密度、毫秒級的端到端時延、每平方公里數(shù)十Tb/s的流量密度、每小時500 km以上的移動性和數(shù)十Gb/s的峰值速率。其中，用戶體驗速率、連接數(shù)密度和時延為5G最基本的3個性能指標(biāo)。需要注意的是，并非所有的性能指標(biāo)都需要同時滿足。另外，綠葉代表了3個效率指標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)5G可持續(xù)發(fā)展的基本保障，具體表現(xiàn)為，相比4G，5G的頻譜效率提升5～15倍，能效和成本效率提升百倍以上，以滿足移動通信產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的需求。

　　為了滿足5G對系統(tǒng)整體傳輸效率的要求，5G空中接口需要采用一系列的新技術(shù)來提升無線傳輸?shù)男剩_(dá)到3~5倍于4G系統(tǒng)的頻譜效率，以及現(xiàn)有空口時延的1/5等。

　　2.1 3D-MIMO（Massive MIMO）

　　如圖3所示，3D-MIMO［2］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(diào)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(qiáng)小區(qū)覆蓋；而傳統(tǒng)的2D-MIMO天線端口數(shù)較少，導(dǎo)致波束較寬，并且只能在水平維度調(diào)整波束方向，無法將垂直維的能量集中于終端，且僅能在水平維度區(qū)分用戶也導(dǎo)致其同時同頻可服務(wù)的用戶數(shù)受限；3D-MIMO可充分利用垂直和水平維的天線自由度，同時同頻服務(wù)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(diào)，起到降低小區(qū)間干擾的目的。

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

　　2.2 非正交多址［3］

　　面對5H通信中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多址的資源利用必須更為有效。因此，在近兩年的國內(nèi)外5G研究當(dāng)中，資源非獨(dú)占的用戶多址接入方式廣受關(guān)注。在這種多址接入方式下，沒有任何一個資源維度下用戶是具有獨(dú)占性的，因此在接收端必須進(jìn)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(shí)施的方案。

　　5G新型多址的設(shè)計將從物理層最基本的調(diào)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(shí)現(xiàn)非正交數(shù)據(jù)層的譯碼，其統(tǒng)一框架如圖4所示。發(fā)送端在單用戶信道編碼之后，進(jìn)入核心的碼本映射模塊，包括調(diào)制映射、碼域擴(kuò)展和功率優(yōu)化，這三個部分也可聯(lián)合設(shè)計，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(jìn)行譯碼，也可以將信道譯碼的結(jié)果返回代入多用戶聯(lián)合檢測器進(jìn)行大迭代譯碼，進(jìn)一步提升性能。在這個通用結(jié)構(gòu)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(jī)主要有如下幾個方面：

　　（1）通過新的（多維）調(diào)制映射設(shè)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(kuò)展，獲得分集增益，增強(qiáng)傳輸魯棒性，也白化小區(qū)內(nèi)或小區(qū)間數(shù)據(jù)流間的干擾（interference whitening）；

　?。?）通過非正交層間的功率優(yōu)化，最大化多用戶疊加的容量區(qū)。

　　2.3 自包含幀結(jié)構(gòu)［4］

　　5G系統(tǒng)為了進(jìn)一步降低發(fā)送的時延，對時隙的結(jié)構(gòu)和收發(fā)的反饋進(jìn)行了新的設(shè)計。對于TDD系統(tǒng)，通過引入更多的上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)，縮短發(fā)送和反饋之間的響應(yīng)時間，這種幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計也叫自包含的幀結(jié)構(gòu)。對于FDD，則可以通過更短的調(diào)度和傳輸周期，縮短傳輸時延。

　　5G定義的子幀格式如圖5，這種幀結(jié)構(gòu)可以大大縮短收發(fā)之間的時間間隔，對于TDD而言，還可以提升上行信道探測的有效信息，進(jìn)一步提升下行的MIMO的傳輸和檢測效率，從而提升系統(tǒng)頻譜效率。

　　2.4 更快速的狀態(tài)轉(zhuǎn)換［5］

　　5G為了實(shí)現(xiàn)更低的控制面時延，如10 ms，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)，稱為去激活狀態(tài)。該狀態(tài)保留核心網(wǎng)的連接狀態(tài)，而刪除無線側(cè)的連接狀態(tài)，當(dāng)需要時，可以快速建立無線側(cè)的連接，從而大幅降低從原空閑態(tài)到連接態(tài)的轉(zhuǎn)換時延。新的去激活狀態(tài)如圖6。

　　為了支持靈活的應(yīng)用場景，和差異化的網(wǎng)絡(luò)能力需求，5G需要更加靈活有效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，滿足未來運(yùn)營商靈活組網(wǎng)、快速業(yè)務(wù)部署的需求。下面介紹5G的新技術(shù)特征［6］。

　　3.1 三云一層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一而不靈活，很難滿足未來5G多場景、差異化QoS需求等實(shí)際部署需求。 面向未來的5G網(wǎng)絡(luò)，基于控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離和控制功能重構(gòu)的技術(shù)設(shè)計新興網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提高接入網(wǎng)在面向5G發(fā)雜場景下的整體接入性能。簡化核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提供靈活高效的控制轉(zhuǎn)發(fā)功能，支持高智能運(yùn)營，開放網(wǎng)絡(luò)能力，提升全網(wǎng)整體服務(wù)水平?？刂乒δ艿某殡x和聚合，有利于通過網(wǎng)絡(luò)控制平面從全局視角來感知和調(diào)度資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的可編程。三云一層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖7。

　　3.2 面向服務(wù)的云化網(wǎng)絡(luò)使能端到端網(wǎng)絡(luò)切片

　　5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)最大的特征就是基于SDN/NFV技術(shù)，通過面向服務(wù)的云化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)切片，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的靈活和快速部署。同時，通過硬件和軟件的解耦，可以方便快捷地把網(wǎng)元功能部署在網(wǎng)絡(luò)中的任意需要的位置，對通用硬件資源實(shí)現(xiàn)按需分配和動態(tài)伸縮，既以達(dá)到最優(yōu)的資源利用率，也可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)、快速和按需部署?；赟DN/NFV的網(wǎng)絡(luò)切片如圖8。

　　3.3 用戶為中心的無線網(wǎng)絡(luò)［7］

　　5G網(wǎng)絡(luò)需要針對用戶的行為、偏好和終端、網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)和能力，提供最佳的用戶體現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)，如圖9所示。

　　5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要設(shè)計理念如下：

　?。?）用戶與業(yè)務(wù)內(nèi)容的智能感知

　　以智能無線管道為目標(biāo)，通過引入更精細(xì)化的業(yè)務(wù)與用戶區(qū)分機(jī)制，根據(jù)業(yè)務(wù)場景、用戶能力、用戶偏好及網(wǎng)絡(luò)能力等，自適應(yīng)配置空口技術(shù)、系統(tǒng)參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)端到端的精細(xì)而多樣化的網(wǎng)絡(luò)連接、業(yè)務(wù)和內(nèi)容區(qū)分與處理。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將能支持基于對業(yè)務(wù)與用戶的預(yù)測、分析、響應(yīng)和處理能力，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的空口接入與管理、端到端的精細(xì)而多樣化的業(yè)務(wù)和內(nèi)容區(qū)分與處理，提供更精準(zhǔn)、更完備的用戶個性化、定制化的資源配置和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以滿足多樣化的用戶及業(yè)務(wù)需求，并確保一致的、高質(zhì)量的用戶體驗。

　　（2）業(yè)務(wù)下沉與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地化處理（MEC）

　　在邏輯功能上，基于核心網(wǎng)與無線網(wǎng)的功能重構(gòu)，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(wù)承載功能繼續(xù)下沉，業(yè)務(wù)承載的管理與業(yè)務(wù)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(gòu)建更加優(yōu)化的業(yè)務(wù)通道，使得業(yè)務(wù)的路由通道更加簡化，避免業(yè)務(wù)瓶頸，降低集中傳輸?shù)呢?fù)荷。同時，基于對數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)內(nèi)容的精細(xì)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(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)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

　　在可見的時間內(nèi)，4G/5G/WiFi等多種網(wǎng)絡(luò)將長期共存，因此，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須支持多種網(wǎng)絡(luò)的深度融合，實(shí)現(xiàn)對于多種無線技術(shù)/資源的統(tǒng)一和協(xié)調(diào)管理，并基于承載與信令分離，信令與制式解耦，實(shí)現(xiàn)與接入方式無關(guān)的統(tǒng)一的控制，使得無線資源的利用達(dá)到最大化。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(wù)接納與控制的基礎(chǔ)上，5G網(wǎng)絡(luò)將基于時延容忍度、丟包敏感度以及不同的APP、業(yè)務(wù)提供商，支持精確的網(wǎng)絡(luò)選擇與無線傳輸路徑與方式，實(shí)現(xiàn)最佳資源匹配。

　　5G為移動通信技術(shù)的發(fā)展描繪了一個美好的藍(lán)圖。為了實(shí)現(xiàn)5G要求的超高頻率效率、超低時延、超高連接數(shù)密度、超低能耗，5G需要在空中接口技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面做出巨大的變革，包括引入大規(guī)模天線、非正交多址、自包含的幀結(jié)構(gòu)、新的協(xié)議狀態(tài)、三云一層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、端到端的網(wǎng)絡(luò)切片、以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)等。