5G技术报告

Krystal123

1  5G技术报告
尽管5G已经成为ICT领域的热点名词，但是围绕5G的一连串疑问仍亟待解答。当前，随着4G进入规模商用阶段，面向2020年及未来的第五代移动通信（5G）已成为全球研发的热点。确定统一的5G概念，制定全球统一的5G标准，已经成为业界的共同呼声。为了促使全球业界在5G概念与关键技术方面尽快达成共识，不久前，中国的IMT-2020（5G）推进组发布了5G概念白皮书。白皮书从5G愿景与需求出发，分析归纳了5G主要技术场景、关键挑战和适用关键技术，提取了关键能力与核心技术特征形成了5G概念。同时，还在此基础上结合标准与产业趋势提出了5G适合的技术路线。

1.1  5G概念

　　5G概念图
什么是5G？相信很多人看到5G这个名词时都会有如此疑问。从字义上看，5G指的是第五代移动通信。然而，5G究竟应该如何定义？目前，全球业界对于5G的概念尚未达成一致。中国IMT-2020（5G）推进组发布的5G概念白皮书认为，综合5G关键能力与核心技术，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“Gbps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。
回顾移动通信的发展历程，每一代移动通信系统都可以通过标志性能力指标和核心关键技术来定义。其中，1G采用频分多址（FDMA），只能提供模拟语音业务；2G主要采用时分多址（TDMA），可提供数字语音和低速数据业务；3G以码分多址（CDMA）为技术特征，用户峰值速率达到2Mbps至数十Mbps，可以支撑多媒体数据业务；4G以正交频分多址（OFDMA）技术为核心，用户峰值速率可达100Mbps~1Gbps，能够支撑各种移动宽带数据业务。
5G关键能力比前几代移动通信更加丰富，用户体验速率、连接数密度、端到端时延、峰值速率和移动性等都将成为5G的关键性能指标。然而，与以往只强调峰值速率的情况不同，业界普遍认为用户体验速率是5G最重要的性能指标，它真正体现了用户可获得的真实数据速率，也是与用户感受最密切的性能指标。基于5G主要场景的技术需求，5G用户体验速率应达到Gbps量级。
面对多样化场景的极端差异化性能需求，5G很难像以往一样以某种单一技术为基础形成针对所有场景的解决方案。此外，当前无线技术创新也呈现多元化发展趋势，除了新型多址技术之外，大规模天线阵列、超密集组网、全频谱接入、新型网络架构等也被认为是5G主要技术方向，均能够在5G主要技术场景中发挥关键作用。

1.2 四大技术场景

5G主要技术场景与关键性能挑战
5G是面向2020年及未来的移动通信技术，5G究竟将满足人们怎样的应用需求？畅想未来，5G会拥有哪些主要技术场景？5G概念白皮书指出，连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠，是5G的四大主要技术场景。
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、休闲和交通等领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将解决多样化应用场景下差异化性能指标带来的挑战，不同应用场景面临的性能挑战有所不同，用户的体验速率、流量密度、时延、能效和连接数都可能成为不同场景的挑战性指标。从移动互联网和物联网主要应用场景、业务需求及挑战出发，可归纳出连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四个5G主要技术场景。
具体而言，连续广域覆盖和热点高容量场景主要满足2020年及未来的移动互联网业务需求，也是传统的4G主要技术场景。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地支撑物联网及垂直行业应用的问题。
连续广域覆盖——这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100Mbps以上的用户体验速率。
热点高容量——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。1Gbps用户体验速率、数十Gbps峰值速率和数十Tbps/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——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撑能力，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——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。

1.3 两条技术路线

5G工作计划
从技术特征、标准演进和产业发展角度分析，白皮书认为，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框架的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，无线局域网（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）制定工作已于2014年年初启动，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，国际电信联盟（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年年底将启动5G候选方案征集，2020年年底完成标准制定。
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。

1.4 一组关键技术

　　5G主要场景和适用技术
白皮书认为，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，“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。
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App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。
1.4.1无线传输技术
MIMO技术
大规模天线阵列在现有多天线的基础上通过增加天线数可支撑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。
多天线技术作为提高系统频谱效率和传输可靠性的有效手段，已经应用于多种无线通信系统，如3G 系统、 LTE 、 LTE-A 、 WLAN 等。 根据信息论，天线数量越多，频谱效率和可靠性提升越明显。尤其是，当发射天线和接收天线数量很大时，MIMO 信道容量将随收发天线数中的最小值近似线性增长。因此，采用大数量的天线，为大幅度提高系统的容量提供了一个有效的途径。
由于多天线所占空间、实现复杂度等技术条件的限制，目前的无线通信系统中，收发端配置的天线数量都不多，比如在 LTE 系统中最多采用了 4 根天线，LTE-A 系统中最多采用了 8 根天线但由于其巨大的容量和可靠性增益，针对大天线数的 MIMO 系统相关技术的研究吸引了研究人员的关注，如单个小区情况下，基站配有超过移动台天线数量的天线的多用户 MIMO 系统的研究等进而，2010 年，贝尔实验室的Marzetta 研究了多小区、 TDD (time division duplexing) 情况下，各基站配置无限数量天线的极端情况的多用户 MIMO 技术，提出了大规模 MIMO (large scale MIMO，或者称 Massive MIMO) 的概念，发现了一些与单小区、有限数量天线时的不同特征。之后，众多的研究人员在此基础上研究了基站配置有限天线数量的情况。在大规模 MIMO 中，基站配置数量非常大 ( 通常几十到几百根，是现有系统天线数量的 1∼2 个数量级以上 ) 的天线，在同一个时频资源上同时服务若干个用户。 在天线的配置方式上，这些天线可以是集中地配置在一个基站上，形成集中式的大规模 MIMO，也可以是分布式地配置在多个节点上，形成分布式的大规模 MIMO。
值得一提的是，我国学者在分布式 MIMO 的研究一直走在国际的前列。大规模 MIMO 带来的好处主要体现在以下几个方面 : 第一，大规模 MIMO 的空间分辨率与现有MIMO 相比显著增强，能深度挖掘空间维度资源，使得网络中的多个用户可以在同一时频资源上利用大规模 MIMO 提供的空间自由度与基站同时进行通信，从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率。 第二，大规模 MIMO 可将波束集中在很窄的范围内，从而大幅度降低干扰。 第三，可大幅降低发射功率从而提高功率效率。 第四，当天线数量足够大时，最简单的线性预编码和线性检测器趋于最优，并且噪声和不相关干扰都可忽略不计。
近两年针对大规模 MIMO 技术的研究工作主要集中在信道模型、容量和传输技术性能分析、预编码技术、信道估计与信号检测技术等方面但还存在一些问题 : 由于理论建模和实测模型工作较少，还没有被广泛认可的信道模型 ; 由于需要利用信道互易性减少信道状态信息获取的开销，目前的传输方案大都假设采用 TDD 系统，用户都是单天线的，并且其数量远小于基站天线数量。 导频数量随用户数量线性增加，开销较大，信号检测和预编码都需要高维矩阵运算，复杂度高，并且由于需要利用上下行信道的互易性，难以适应高速移动场景和 FDD (frequency division duplexing) 系统 ; 在分析信道容量及传输方案的性能时，大都假设独立同分布信道，从而认为导频污染是大规模 MIMO 的瓶颈问题，使得分析结果存在明显的局限性，等等。 因此，为了充分挖掘大规模 MIMO 的潜在技术优势，需要深入研究符合实际应用场景的信道模型，分析其对信道容量的影响，并在实际信道模型、适度的导频开销、可接受的实现复杂度下，分析其可达的频谱效率、功率效率，并研究最优的无线传输方法、信道信息获取方法、多用户共享空间无线资源的联合资源调配方法。针对以上问题的研究，存在诸多的挑战，但随着研究的深入，大规模 MIMO 在 5G 中的应用被寄予了厚望，可以预计，大规模 MIMO 技术将成为 5G 区别于现有系统的核心技术之一。
新型多址技术
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
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，6GHz~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。
1.4.2无线网络技术
超密集异构网络技术
由于 5G 系统既包括新的无线传输技术，也包括现有的各种无线接入技术的后续演进，5G 网络必然是多种无线接入技术，如 5G，4G，LTE，UMTS (universal mobile telecommunications system) 和 WiFi(wireless fidelity) 等共存，既有负责基础覆盖的宏站，也有承担热点覆盖的低功率小站，如 Micro，Pico，在这些数量巨大的低功率节点中，一些是运营商部署，经过规划的宏节点低功率节点 ; 更多的可能是用户部署，没有经过规划的低功率节点，并且这些用户部署的低功率节点可能是 OSG (open subscriber group) 类型的，也可能是 CSG(closed subscriber group) 类型的，从而使得网络拓扑和特性变得极为复杂。根据统计，在 1950 年至 2000 年的 50 年间，相对于语音编码技术、 MAC 和调制技术的改进带来的不到 10 倍的频谱效率的提升和采用更宽的带宽带来的传输速率的几十倍的提升，由于小区半径的缩小从而频谱资源的空间复用带来的频谱效率提升的增益达到 2700 倍以上。因此，减小小区半径，提高频谱资源的空间复用率，以提高单位面积的传输能力，是保证未来支撑 1000 倍业务量增长的核心技术。 以往的无线通信系统中，减小小区半径是通过小区分裂的方式完成的。 但随着小区覆盖范围的变小，以及最优的站点位置往往不能得到，进一步的小区分裂难以进行，只能通过增加低功率节点数量的方式提升系统容量，这就意味着站点部署密度的增加。 根据预测，未来无线网络中，在宏站的覆盖区域中，各种无线传输技术的各类低功率节点的部署密度将达到现有站点部署密度的 10 倍以上，站点之间的距离达到 10 米甚至更小，支撑高达每平方公里 25000 个用户甚至将来激活用户数和站点数的比例达到 1:1，即每个激活的用户都将有一个服务节点从而形成超密集异构网络。在超密集异构网络中，网络的密集化使得网络节点离终端更近，带来了功率效率、频谱效率的提升，大幅度提高了系统容量，以及业务在各种接入技术和各覆盖层次间分担的灵活性。 虽然超密集异构网络展示了美好的前景，由于节点之间距离的减少，将导致一些与现有系统不同的问题。 在 5G 网络中，可能存在同一种无线接入技术之间同频部署的干扰、不同无线接入技术之间由于共享频谱的干扰、不同覆盖层次之间的干扰，如何解决这些干扰带来的性能损伤，实现多种无线接入技术、多覆盖层次之间的共存，是一个需要深入研究的重要问题 ;由于近邻节点传输损耗差别不大，可能存在多个强度接近的干扰源，导致更严重的干扰，使现有的面向单个干扰源的干扰协调算法不能直接适用于 5G 系统 ; 由于不同业务和用户的 QoS (quality of service) 要求的不同，不同业务在网络中的分担、各类节点之间的协同策略、网络选择 、基于用户需求的系统能效最低的小区激活、节能配置策略是保证系统性能的关键问题。 为了实现大规模的节点协作，需要准确、有效地发现大量的相邻节点。
由于小区边界更多、更不规则，导致更频繁、更为复杂的切换，难以保证移动性性能，因此，需要针对超密集网络场景发展新的切换算法。由于用户部署的大量节点的突然、随机的开启和关闭，使得网络拓扑和干扰图样随机、大动态范围地动态变化，各小站中的服务用户数量往往比较少，使得业务的空间和时间分布出现剧烈的动态变化，因此，需要研究适应这些动态变化的网络动态部署技术站点的密集部署将需要庞大、复杂的回传网络，如果采用有线回传网络，会导致网络部署的困难和运营商成本的大幅度增加。 为了提高节点部署的灵活性，降低部署成本，利用和接入链路相同的频谱和技术进行无线回传传输，是解决这个问题的一个重要方向。 无线回传方式中，无线资源不仅为终端服务，而且为节点提供中继服务，使无线回传组网技术非常复杂，因此，无线回传组网关键技术，包括组网方式、无线资源管理等是重要的研究内容
由于近邻节点传输损耗差别不大，可能存在多个强度接近的干扰源，导致更严重的干扰，使现有的面向单个干扰源的干扰协调算法不能直接适用于 5G 系统 ; 由于不同业务和用户的 QoS (quality of service) 要求的不同，不同业务在网络中的分担、各类节点之间的协同策略、网络选择 、基于用户需求的系统能效最低的小区激活、节能配置策略是保证系统性能的关键问题。 为了实现大规模的节点协作，需要准确、有效地发现大量的相邻节点。由于小区边界更多、更不规则，导致更频繁、更为复杂的切换，难以保证移动性性能，因此，需要针对超密集网络场景发展新的切换算法。由于用户部署的大量节点的突然、随机的开启和关闭，使得网络拓扑和干扰图样随机、大动态范围地动态变化，各小站中的服务用户数量往往比较少，使得业务的空间和时间分布出现剧烈的动态变化，因此，需要研究适应这些动态变化的网络动态部署技术站点的密集部署将需要庞大、复杂的回传网络，如果采用有线回传网络，会导致网络部署的困难和运营商成本的大幅度增加。为了提高节点部署的灵活性，降低部署成本，利用和接入链路相同的频谱和技术进行无线回传传输，是解决这个问题的一个重要方向。无线回传方式中，无线资源不仅为终端服务，而且为节点提供中继服务，使无线回传组网技术非常复杂，因此，无线回传组网关键技术，包括组网式、无线资源管理等是重要的研究内容。
自组织网络技术
在传统的移动通信网络中，网络部署、运维等基本依靠人工的方式，需要投入大量的人力，给运营商带来巨大的运行成本。根据分析各大运营商的运营成本基本上占各自收入的 70% 左右。并且，随着移动通信网络的发展，依靠人工的方式难以实现网络的优化。因此，为了解决网络部署、优化的复杂性问题，降低运维成本相对总收入的比例，使运营商能高效运营、维护网络，在满足客户需求的同时，自身也能够持续发展，由 NGMN (next generation mobile network) 联盟中的运营商主导，联合主要的设备制造商提出了自组织网络 (SON) 的概念。
自组织网络的思路是在网络中引入自组织能力 ( 网络智能化 )，包括自配置、自优化、自愈合等实现网络规划、部署、维护、优化和排障等各个环节的自动进行，最大限度地减少人工干预。目前，自组织网络成为新铺设网络的必备特性，逐渐进入商用，并展现出显著的优势。5G 系统采用了复杂的无线传输技术和无线网络架构，使得网络管理远远比与现有网络复杂，网络深度智能化是保证 5G 网络性能的迫切需要。因此，自组织网络将成为 5G 的重要技术。
5G 将是融合、协同的多制式共存的异构网络。从技术上看，将存在多层、多无线接入技术的共存，导致网络结构非常复杂，各种无线接入技术内部和各种覆盖能力的网络节点之间的关系错综复杂，网络的部署、运营、维护将成为一个极具挑战性的工作。为了降低网络部署、运营维护复杂度和成本，提高网络运维质量，未来 5G 网络应该能支撑更智能的、统一的 SON 功能，能统一实现多种无线接入技术、覆盖层次的联合自配置、自优化、自愈合。目前，针对 LTE 、 LTE-A 以及 UMTS 、WiFi 的 SON 技术发展已经比较完善，逐渐开始在新部署的网络中应用。但现有的 SON 技术都是面向各自网络，从各自网络的角度出发进行独立的自部署和自配置、自优化和自愈合，不能支撑多网络之间的协同。因此，需要研究支撑协同异构网络的 SON 技术，如支撑在异构网络中的基于无线回传的节点自配置技术，异系统环境下的自优化技术，如协同无线传输参数优化、协同移动性优化技术，协同能效优化技术，协同接纳控制优化技术等，以及异系统下的协同网络故障检测和定位，从而实现自愈合功能。5G 将采用超密集的异构网络节点部署方式，在宏站的覆盖范围内部署大量的低功率节点，并且存在大量的未经规划的节点，因此，在网络拓扑、干扰场景、负载分布、部署方式、移动性方面都将表现出与现有无线网络明显不同之处，网络节点的自动配置和维护将成为运营商面临的重要挑战。比如，邻区关系由于低功率节点的随机部署远比现有系统复杂，需要发展面向随机部署、超密集网络场景的新的自动邻区关系技术，以支撑网络节点即插即用的自配置功能 ；由于可能存在多个主要的干扰源，以及由于用户移动性、低功率节点的随机开启何关闭等导致的干扰源的随机、大范围变化，使得干扰协调技术的优化更为困难；由于业务等随时间和空间的动态变化，使得网络部署应该适应这些动态变化，因此，应该对网络动态部署技术进行优化，如小站的动态与半静态开启和关闭的优化、无线资源调配的优化 ；为了保证移动平滑性，必须通过双连接等形式避免频繁切换和对切换目标小区进行优化选择;由于无线回传网络结构复杂，规模庞大，也需要自组织网络功能以实现回传网络的智能化。
由于 5G 将采用大规模 MIMO 无线传输技术，使得空间自由度大幅度增加，从而带来天线选择、协作节点优化、波束选择、波束优化、多用户联合资源调配等方面的灵活性。对这些技术的优化，是5G 系统 SON 技术的重要内容。
App定义无线网络
App定义网络 (soft defined networking，SDN) 技术是源于 Internet 的一种新技术，在传统的Internet 网络架构中，控制和转发是集成在一起的，网络互联节点 ( 如路由器、交换机 ) 是封闭的，其转发控制必须在本地完成，使得它们的控制功能非常复杂，网络技术创新复杂度高。为了解决这个问题，美国斯坦福大学研究人员提出了App定义网络的概念其基本思路将路由器中的路由决策等控制功能从设备中分离出来，统一由中心控制器通过App来进行控制，实现控制和转发的分离从而使得控制更为灵活，设备更为简单。在App定义网络中，分成应用层、控制层、基础设施层其中控制层通过接口与基础设施层中的网络设施进行交互，从而实现对网络节点的控制。因此，在这种架构中，路由不再是分布式实现的，而是集中由控制器定义的。App定义网络自提出后引起了广泛的关注，各研究机构进行了接口的标准化工作、关键技术的研究和实验，部分厂商也推出了解决方案等。但总体来说，SDN 技术还有待进一步完善。
现有的无线网络架构中，基站、服务网关、分组网关除完成数据平面的功能外，还需要参与一些控制平面的功能，如无线资源管理、移动性管理等在各基站的参与下完成，形成分布式的控制功能，网络没有中心式的控制器，使得与无线接入相关的优化难以完成，并且各厂商的网络设备如基站等往往配备制造商自己定义的配置接口，需要通过复杂的控制协议来完成其配置功能，并且其配置参数往往非常多，配置和优化非常复杂，网络管理非常复杂，使得运营商对自己部署的网络只能进行间接控制，业务创新方面能力严重受限。因此，将 SDN 的概念引入无线网络，形成App定义无线网络，是无线网络发展的重要方向。在App定义无线网络中，将控制平面从网络设备的硬件中分离出来，形成集中控制，网络设备只根据中心控制器的命令完成数据的转发，使得运营商能对网络进行更好的控制，简化网络管理，更好地进行业务创新。在现有的无线网络中，不允许不同的运营商共享同一个基础设施为用户提供服务。而在App定义无线网络中，通过对基站资源进行分片实现基站的虚拟化，从而实现网络的虚拟化，不同的运营商可以通过中心控制器实现对同一个网络设备的控制，支撑不同运营商共享同一个基础设施，从而降低运营商的成本，同时也可以提高网络的经济效益。由于采用了中心控制器，未来无线网络中的不同接入技术构成的异构网络的无线资源管理、网络协同优化等也将变得更为方便。
目前，App定义无线网络已经吸引了许多研究人员的兴趣，就其网络架构等方面进行了分析研究。虽然存在诸多的好处，SDN 在无线网络中的应用将面临资源分片和信道隔离、监控与状态报告、切换等技术挑战，这些关键技术的研究刚刚开始，还需要深入的研究。
内容分发网络
内容分发网络 (CDN，content distribution network) 是为了解决互联网访问质量而提出的概念。在传统的内容发布方式中，内容发布由内容提供商的服务器完成，随着互联网访问量的急剧增加，使得其服务器可能处于重负载状态，互联网中的拥塞问题更加突出，网站的响应速度受到严重影响，使网站难以为用户提供高质量的服务。CDN 通过在网络中采用缓存服务器，并将这些缓存服务器分布到用户访问相对集中的地区或网络中，根据网络流量和各节点的连接、负载状况以及到用户的距离和响应时间等综合信息将用户的请求重新导向离用户最近的服务节点上，使用户可就近取得所需内容，解决Internet 网络拥挤的状况，提高用户访问网站的响应速度。在无线网络中，由于智能终端等应用的日益及，使得移动数据业务的需求越来越大，内容越来越多。为了加快网络访问速度，在无线网络中采用 CDN 技术成为自然的选择，在各类无线网络中得以应用也将成为 5G 系统的一个重要的技术。

1.5  5G网络关键技术
未来的5G网络将是基于SDN、NFV和云计算技术的更加灵活、智能、高效和开放的网络系统。5G网络架构包括接入云、控制云和转发云三个域。接入云支撑多种无线制式的接入，融合集中式和分布式两种无线接入网架构，适应各种类型的回传链路，实现更灵活的组网部署和更高效的无线资源管理。5G的网络控制功能和数据转发功能将解耦，形成集中统一的控制云和灵活高效的转发云。控制云实现局部和全局的会话控制、移动性管理与服务质量保证，并构建面向业务的网络能力开放接口，从而满足业务的差异化需求并提升业务的部署效率。转发云基于通用的硬件平台，在控制云高效的网络控制和资源调度下，实现海量业务数据流的高可靠、低时延、均负载的高效传输。
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。

1.6  5G场景和关键技术的关系
连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠和低功耗大连接四个5G典型技术场景具有不同的挑战性指标需求，在考虑不同技术共存可能性的前提下，需要合理选择关键技术的组合来满足这些需求。
在连续广域覆盖场景，受限于站址和频谱资源，为了满足100Mbps用户体验速率需求，除了需要尽可能多的低频段资源外，还要大幅提升系统频谱效率。大规模天线阵列是其中最主要的关键技术之一，新型多址技术可与大规模天线阵列相结合，进一步提升系统频谱效率和多用户接入能力。在网络架构方面，综合多种无线接入能力以及集中的网络资源协同与QoS控制技术，为用户提供稳定的体验速率保证。
在热点高容量场景，极高的用户体验速率和极高的流量密度是该场景面临的主要挑战，超密集组网能够更有效地复用频率资源，极大地提升单位面积内的频率复用效率；全频谱接入能够充分利用低频和高频的频率资源，实现更高的传输速率；大规模天线、新型多址等技术与前两种技术相结合，可实现频谱效率的进一步提升。
在低功耗大连接场景，海量的设备连接、超低的终端功耗与成本是该场景面临的主要挑战。新型多址技术通过多用户信息的叠加传输可成倍提升系统的设备连接能力，还可通过免调度传输有效降低信令开销和终端功耗；F-OFDM和FBMC等新型多载波技术在灵活使用碎片频谱、支撑窄带和小数据包、降低功耗与成本方面具有显著优势。此外，终端直接通信（D2D）可避免基站与终端间的长距离传输，可实现功耗的有效降低。
在低时延高可靠场景，应尽可能降低空口传输时延、网络转发时延及重传概率，以满足极高的时延和可靠性要求。为此，需采用更短的帧结构和更优化的信令流程，引入支撑免调度的新型多址和D2D等技术以减少信令交互和数据中转，并运用更先进的调制编码和重传机制来提升传输可靠性。此外，在网络架构方面，控制云通过优化数据传输路径，控制业务数据靠近转发云和接入云边缘，可有效降低网络传输时延。

1.7 我国 5G 移动通信推进及研发进程
在过去的 15 年中，我国相继启动了 3G 和 4G 移动通信 863 重大研究计划，并推动实施了国家中长期发展规划 “ 新一代宽带无线移动通信网 ” 重大专项，极大地促进了我国移动通信技术水平的提高，实现了我国移动通信技术研发与产业化的跨越式发展。在分布式无线组网基础理论等方面做出了一系列有重要国际影响的研究成果，我国所倡导的 TD 技术入选国际标准，HUAWEI、中兴等一批企业的全球移动通信市场份额已位居世界最前列，移动通信产业已经成为国内具有国际竞争力的规模性高技术产业之一。5G 移动通信发展是全球移动通信领域新一轮技术竞争的开始。及早布局、构造开放式研发环境，力争在未来 5G 技术与商业竞争中的获得领先优势，已成为我国信息技术与产业未来发展最为重要的任务之一。2013 年初，在政府部门的大力支撑下，成立了面向 5G 移动通信研究与发展的 IMT-2020 推进组，明确 5G 发展远景、业务、频谱与技术需求，研究 5G 主要技术发展方向及使能技术，形成 5G移动通信技术框架，协同产学研用各方力量，积极融入国际 5G 发展进程，为 2015 年之后全面参与 5G移动通信技术标准制定打下坚实的技术基础。 “ 新一代宽带无线移动通信网 ” 重大专项在推动 LTE 产业化的同时，开展了 LTE 的后续演进与无线新技术的研究，力争在 5G 国际标准化的候选技术上产生更多的自主常识产权，为我国布局 5G 关键技术的研究做了起步的工作。国家 973 计划也部署了移动网络体系创新的研究课题。
2013 年 6 月，国家 863 计划启动了 5G 移动通信系统先期研究一期重大项目，其总体目标是 : 面向 2020 年移动通信应用需求，研究 5G 网络系统体系架构、无线组网、无线传输、新型天线与射频以及新频谱开发与利用等关键技术，完成性能评估及原型系统设计，开展无线传输技术试验，支撑业务总速率达 10Gbps，空中接口频谱效率和功率效率较 4G 提升 10 倍。主要研究任务包括:5G 无线网络构架与关键技术研发、5G 无线传输关键技术研发、5G移动通信系统总体技术研究及 5G 移动通信技术评估与测试验证技术研究等。拟采取的主要技术路线包括：重点突破高密度、高通量、超蜂窝无线网络技术，基于大规模协作天线的超高速率、超高效能无线传输技术、新型射频技术等关键核心技术，解决基于超微小区的网络协同与干扰消除等关键问题，将单位面积系统容量提高 25 倍左右；突破大规模天线高维度信道建模与估计以及复杂度控制等关键问题，开展无线传输技术实验，将无线传输频谱效率和功率效率提升一个量级;开展高频段等新型频谱资源无线传输与组网关键技术研究，将移动通信系统总的可用频谱资源扩展 4 倍左右。项目共设立 7 个课题，其中大规模协作和高效能无线传输技术研究开发分别由东南大学和电信科学技术研究院牵头承担；高密度、高通量、超蜂窝无线网络技术研究开发分别北京邮电大学、HUAWEI企业和清华大学牵头承担；总体技术研究由电信研究院牵头承担 ;技术评估与测试验证技术研究由上海无线通信研究中心牵头承担。项目成立总体专家组，负责 5G 移动通信 863 计划的综合推进、技术实施与协调等，进行 5G 技术框架体系的规划以及 5G 技术研发的顶层设计；拟设立 IMT-2020 推进对口工作组，包括频谱研究工作组、业务需求研究工作组，技术标准前期研究工作组，以及常识产权工作组等 ；拟构建面向 5G 发展的技术创新与产业发展联盟，研究 5G常识产权管理与协作机制等，探索 5G 移动通信技术、产业与商业应用的新模式、新途径，以及上下游衔接的高效协调机制 ; 拟构建面向 5G 的国际性论坛，推动国际技术交流与合作研究，不断扩大我国移动通信的国际影响力。

1.8  结语
面向2020年及未来的移动互联网和物联网业务需求，5G将重点支撑连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四个主要技术场景，将采用大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构等核心技术，通过新空口和4G演进两条技术路线，实现Gbps用户体验速率，并保证在多种场景下的一致性服务。可以预见，未来，随着中国政府更加重视5G发展且采取更加开放的姿态，在产业界的共同努力下，我国将在全球5G发展中扮演越来越重要的角色，全球5G产业也将在统一标准下阔步前行。在 4G 技术还未全面普及的今天，5G 的关键技术大规模 MIMO 技术、毫米波通信技术以及 D2D 通信技术已经在实践中得到了验证，同时所得到的结果也符合预期，这充分表明了移动通信技术发展之迅速。尽管 5G 的标准还未真正形成，但是作为电信相关的学生，应该跟随通信方面的大方向，在 2020年 5G 正式进入公众视野之前便对其有一定的了解。5G 一定会依据其高速率低功耗以及稳定性占据全球的通信方式。