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摘要：从用户体验看，5G（第五代移动通信技术）具有更高的速率、更宽的带宽，预计5G网速将比4G提高10倍左右，能满足消费者对虚拟现实、超高清视频等更高的网络体验需求。本文探讨了5G应用场景和需求，以及阐述了5G移动通信的几个关键技术。
关键词：5G；移动通信；关键技术
1 背景资料
2017年2月9日，国际通信标准组织3GPP宣布了“5G”的官方Logo。2017年11月15日，工信部发布《关于第五代移动通信系统使用3300-3600MHz和4800-5000MHz频段相关事宜的通知》，确定5G中频频谱，同年12月21日，5G NR首发版本正式冻结并发布。中国三大通信运营商于2018年迈出5G商用第一步，并力争在2020年实现5G的大规模商用。
在4G基础上，5G将带来超高的频谱利用效率、超低的业务时延、超高的连接数密度、超低的功耗等，实现“信息随心至，万物触手及”的未来发展愿景。5G作为面向2020年及以后的移动通信系统，其应用将深入到社会的各个领域，作为基础设施为未来社会提供全方位的服务，促进各行各业的转型与升级。
2 5G应用场景和需求
2.1 5G应用场景
3G与4G主要聚焦于“移动宽带”这一应用场景，致力于给用户提供更高的系统容量以及更快的无线接入速率。预计到2020年，各种物联网应用将得到广泛普及，智能电网、智慧城市、移动医疗、车载娱乐、运动健身，未来5G网络支持虚拟现实、超清视频以及移动游戏等应用服务，这类移动交互式应用对无线接入带宽和通信延迟有很高的需求。在公共安全方面，如：紧急语音通话、无人机远程监测、入侵监测、急救人员跟踪等场景，5G通信系统需要具有“零延迟”、高可靠性的特点。
5G的应用场景由相关地点和该地点发生的业务组成，5G应用场景主要包括移动互联网和移动物联网两大类。其中，移动互联网类分为：①低移动性、高速率子类（主要包括办公室、密集住宅区、城市热点如CBD和大型集会等，其对应的主要业务有高清视频、虚拟现实、增强现实以及云存储等。这类应用场景的主要挑战在于高速率、高连接密度等）②高移动性、广覆盖子类（主要发生在高铁、快速路以及地铁等对移动性要求较高的地点，其对应的主要业务有网页浏览、实时在线游戏、云端办公等，主要挑战在于有一定移动性的前提下保持一定的体验速率）。
移动物联网类分为：①低功耗、大连接子类（主要面向传感器类应用，包括环境监测、智能报表和可穿戴设备等方面，主要挑战在于连接数巨大且功耗要求低）。②低时延、高可靠子类（主要包括工业及医疗行业的自动控制类业务、交通行业的自动驾驶、智能电网等，主要挑战在于时延和移动性等方面的要求）。
2.2用户终端对5G的需求
未来5G网络主要面向以终端用户为中心的信服务，注重提供更好的用户体验。面向2020年及以后，超高清视频、增强现实、云存储、在线游戏等业务均要求5G网络提供比现有网络更高的无线接入宽带和“无感知”的时延。未来5G网络必须具备在自然灾害、战争、病疫等发生之前能够实时提供准确的应急通信服务。相比4G，5G的频谱效率提升5-15倍，能效和成本效率提升百倍以上，以满足移动通信产业的可持续发展的需求。
3 5G移动通信的关键技术
与4G相比，5G的提升是全方位的，按照3GPP的定义，5G具备高性能、低延迟与高容量特性，而这些优点主要体现在几大技术上：
3.1新型网络架构技术/自组织网络技术
新型网络构架技术主要针对未来的业务需要，在整合过去移动通信业务的基础上，添加新的业务，从而将网络系统扩展至社会的方方面面，从而增加网络的利用率，减少网络业务的成本，增加5G移动通信的集中性。自组织网络也是网络虚拟化的一种新近的技术，依靠这种技术能够改善5G移动通信技术的情景感知能力，从而提高未来移动通信技术的互动性。这种技术依靠大规模的无限网络云端，将数据的交换与峰值速率结合起来，保证5G移动通信的应用达到理想的效果。5G时代的到来，意味着全球网络连接服务质量越来越高，人们对移动终端的技术要求也成为衡量网络构架的因素，因此移动云计算的兴起，使一种全新的交付模式呈现在人们面前，同时具有稳定的平台与计算存储能力。
3.2新型的网络架构技术/SDN/NFV
SDN（软件定义网络）与NFV（网络功能虚拟化）是一种新型的网络架构技术，利用数据分离、软件化、虚拟化概念，为5G移动通信网络提供技术支撑，也是歐盟所公布的5G网络发展审核标准。SDN以基础设施层（网络最底层）、中间层（控制层）、最上层（应用层）为主，涵盖了API网络资源调用内容，通过控制网络设备的应用平面，集中网络控制功能设备仪器，具有简化全网管理程序的功效（基本架构详情参见图2）。NFV是从网络运营商的角度出发的网络体系，利用IT技术平台来实现功能虚拟化，并与所对应的功能块相衔接，便于统一调用相关虚拟资源。在未来5G网络应用中，整合SDN/NFV技术的拟定方案，通过数据交换、分离、转发等业务流程，重新部署网络经营体系，简化无线网络的架构设计程序（如：Odin、OpenRF），对降低基础设施构建成本具有辅助作用。5G网络架构发展至今，统一要求IMT-2020标准，即基于SDN/NFV网络，集中应用于资料中心、云端、行动基地台、家用网路等领域，具有提升网络应用效率的功效，从而为用户提供更加贴切的体验服务。
3.3移动云计算技术
移动云计算是5G移动通信网络技术的特征，提高了移动终端设备的性能，支持大量的服务功能。移动智能手机、平板的用户数量越来越多，5G通信中的移动云计算技术，提供了万物互联的服务条件，最高可以实现500亿连接。移动云计算技术，促使5G移动通信网络，成 为创新的信息服务，创造了新型的运营与交付模式，在5G移动通信网络中，积极引入移动云计算技术，保证智能终端，可以根据需求，灵活的接入远程的服务商，准确的获取所需资源。移动云计算技术，在5G移动通信网络技术中，既能实现资源的存储，又能满足资源调用服务。5G网络中，移动云计算的平台构架，包括客户端、软件服务SaaS、平台PaaS、基础设施IaaS4个部分，实现了数据计算的简化，不会出现本地资源不足的问题，而且云备份和云存储，提供了分布式的运行方法，防止5G移动通信网络中出现信息丢失，在移动云计算的条件下，也引入了远程安全控制的方法，支持5G网络的无缝连接。 3.4 D2D与M2M通信
D2D与M2M通信都是5G移动通信网络中的要点。D2D是指设备到设备通信，M2M是指机器到机器通信。D2D通信，利用蜂窝系统，实现了近距离数据直传，直接在终端上完成会话传输，不涉及基站运作。蜂窝网内，负责了大量的功能，包括无线资源分配、会话建立等，减轻了通信基站的运行负担，提高了端到端传输的时效性。D2D通信在5G网络中，虽然获取了利益，但是也面临着干扰问题，应该将抗干扰作为主流研究内容，明确5G网络的运行。M2M通信在5G移动通信网络中，具有标准化的特征，提供智能交互式的服务，M2M能够根据网络请求，在竞争条件下，随机制造信道资源，根据随机接入协议，完成请求访问。M2M容易引起通信堵塞、过载，所以5G移动通信网络在引入M2M通信时要注意自适应负荷控制机制的运用，以免规范M2M通信的应用。
3.5大规模MIMOMIMO技术
这是目前无线通信领域的一个重要创新研究项目，通过智能使用多根天线（设备端或基站端），发射或接受更多的信号空间流，能显著提高信道容量；而通过智能波束成型，将射频的能量集中在一个方向上，可以提高信号的覆盖范围。这两项优势足以使其成为5G NR的核心技术之一，因此我们一直在努力推进MIMO技术的演化，如从2x2提高到了目前4x4 MIMO。但更多的天线也意味占用更多空间，要在空间有限的设备中容纳进更多天线很不现实，所以只能在基站端叠加更多MIMO。从目前理论看，5G NR可在基站端使用最多256根天线，而通过天线的二维排布，可以实现3D波束成型，从而提高信道容量和覆盖。
4 小结
为了实现5G要求的超高频率效率、超低时延、超高连接数密度、超低能耗，5G需要在空中接口技术和网络架构方面做出巨大的变革，包括引入大规模天线、非正交多址、自包含的帧结构、新的协议状态、三云一层的网络架构、端到端的网络切片、以用户为中心的網络新技术等。未来，还要注意的是5G标准问题，现在移动和固网领域分别存在着各种不同的标准组织。3GPP和ETSI在移动标准化方面非常成功，ITU-R在频谱分配方面很有权威，ITU-R已经开始投入到IMT-2020（5G）技术的网络标准化要求工作中了。通信领域进一步开展广泛的努力与合作，早日实现5G技术互操作性的开放标准，这对电信行业来说非常重要。
参考文献：
[1]孔令兵.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J]，通信电源技术，2015（4）.
[2]李章明.5G移动通信技术及发展趋势的分析与探讨[J]，广东通信技术，2015（4）.
[3]刘湘明.浅谈5G移动通信技术及其发展趋势[J]，网络与信息工程，2017.01.
关键词：5G；移动通信；关键技术
1 背景资料
2017年2月9日，国际通信标准组织3GPP宣布了“5G”的官方Logo。2017年11月15日，工信部发布《关于第五代移动通信系统使用3300-3600MHz和4800-5000MHz频段相关事宜的通知》，确定5G中频频谱，同年12月21日，5G NR首发版本正式冻结并发布。中国三大通信运营商于2018年迈出5G商用第一步，并力争在2020年实现5G的大规模商用。
在4G基础上，5G将带来超高的频谱利用效率、超低的业务时延、超高的连接数密度、超低的功耗等，实现“信息随心至，万物触手及”的未来发展愿景。5G作为面向2020年及以后的移动通信系统，其应用将深入到社会的各个领域，作为基础设施为未来社会提供全方位的服务，促进各行各业的转型与升级。
2 5G应用场景和需求
2.1 5G应用场景
3G与4G主要聚焦于“移动宽带”这一应用场景，致力于给用户提供更高的系统容量以及更快的无线接入速率。预计到2020年，各种物联网应用将得到广泛普及，智能电网、智慧城市、移动医疗、车载娱乐、运动健身，未来5G网络支持虚拟现实、超清视频以及移动游戏等应用服务，这类移动交互式应用对无线接入带宽和通信延迟有很高的需求。在公共安全方面，如：紧急语音通话、无人机远程监测、入侵监测、急救人员跟踪等场景，5G通信系统需要具有“零延迟”、高可靠性的特点。
5G的应用场景由相关地点和该地点发生的业务组成，5G应用场景主要包括移动互联网和移动物联网两大类。其中，移动互联网类分为：①低移动性、高速率子类（主要包括办公室、密集住宅区、城市热点如CBD和大型集会等，其对应的主要业务有高清视频、虚拟现实、增强现实以及云存储等。这类应用场景的主要挑战在于高速率、高连接密度等）②高移动性、广覆盖子类（主要发生在高铁、快速路以及地铁等对移动性要求较高的地点，其对应的主要业务有网页浏览、实时在线游戏、云端办公等，主要挑战在于有一定移动性的前提下保持一定的体验速率）。
移动物联网类分为：①低功耗、大连接子类（主要面向传感器类应用，包括环境监测、智能报表和可穿戴设备等方面，主要挑战在于连接数巨大且功耗要求低）。②低时延、高可靠子类（主要包括工业及医疗行业的自动控制类业务、交通行业的自动驾驶、智能电网等，主要挑战在于时延和移动性等方面的要求）。
2.2用户终端对5G的需求
未来5G网络主要面向以终端用户为中心的信服务，注重提供更好的用户体验。面向2020年及以后，超高清视频、增强现实、云存储、在线游戏等业务均要求5G网络提供比现有网络更高的无线接入宽带和“无感知”的时延。未来5G网络必须具备在自然灾害、战争、病疫等发生之前能够实时提供准确的应急通信服务。相比4G，5G的频谱效率提升5-15倍，能效和成本效率提升百倍以上，以满足移动通信产业的可持续发展的需求。
3 5G移动通信的关键技术
与4G相比，5G的提升是全方位的，按照3GPP的定义，5G具备高性能、低延迟与高容量特性，而这些优点主要体现在几大技术上：
3.1新型网络架构技术/自组织网络技术
新型网络构架技术主要针对未来的业务需要，在整合过去移动通信业务的基础上，添加新的业务，从而将网络系统扩展至社会的方方面面，从而增加网络的利用率，减少网络业务的成本，增加5G移动通信的集中性。自组织网络也是网络虚拟化的一种新近的技术，依靠这种技术能够改善5G移动通信技术的情景感知能力，从而提高未来移动通信技术的互动性。这种技术依靠大规模的无限网络云端，将数据的交换与峰值速率结合起来，保证5G移动通信的应用达到理想的效果。5G时代的到来，意味着全球网络连接服务质量越来越高，人们对移动终端的技术要求也成为衡量网络构架的因素，因此移动云计算的兴起，使一种全新的交付模式呈现在人们面前，同时具有稳定的平台与计算存储能力。
3.2新型的网络架构技术/SDN/NFV
SDN（软件定义网络）与NFV（网络功能虚拟化）是一种新型的网络架构技术，利用数据分离、软件化、虚拟化概念，为5G移动通信网络提供技术支撑，也是歐盟所公布的5G网络发展审核标准。SDN以基础设施层（网络最底层）、中间层（控制层）、最上层（应用层）为主，涵盖了API网络资源调用内容，通过控制网络设备的应用平面，集中网络控制功能设备仪器，具有简化全网管理程序的功效（基本架构详情参见图2）。NFV是从网络运营商的角度出发的网络体系，利用IT技术平台来实现功能虚拟化，并与所对应的功能块相衔接，便于统一调用相关虚拟资源。在未来5G网络应用中，整合SDN/NFV技术的拟定方案，通过数据交换、分离、转发等业务流程，重新部署网络经营体系，简化无线网络的架构设计程序（如：Odin、OpenRF），对降低基础设施构建成本具有辅助作用。5G网络架构发展至今，统一要求IMT-2020标准，即基于SDN/NFV网络，集中应用于资料中心、云端、行动基地台、家用网路等领域，具有提升网络应用效率的功效，从而为用户提供更加贴切的体验服务。
3.3移动云计算技术
移动云计算是5G移动通信网络技术的特征，提高了移动终端设备的性能，支持大量的服务功能。移动智能手机、平板的用户数量越来越多，5G通信中的移动云计算技术，提供了万物互联的服务条件，最高可以实现500亿连接。移动云计算技术，促使5G移动通信网络，成 为创新的信息服务，创造了新型的运营与交付模式，在5G移动通信网络中，积极引入移动云计算技术，保证智能终端，可以根据需求，灵活的接入远程的服务商，准确的获取所需资源。移动云计算技术，在5G移动通信网络技术中，既能实现资源的存储，又能满足资源调用服务。5G网络中，移动云计算的平台构架，包括客户端、软件服务SaaS、平台PaaS、基础设施IaaS4个部分，实现了数据计算的简化，不会出现本地资源不足的问题，而且云备份和云存储，提供了分布式的运行方法，防止5G移动通信网络中出现信息丢失，在移动云计算的条件下，也引入了远程安全控制的方法，支持5G网络的无缝连接。 3.4 D2D与M2M通信
D2D与M2M通信都是5G移动通信网络中的要点。D2D是指设备到设备通信，M2M是指机器到机器通信。D2D通信，利用蜂窝系统，实现了近距离数据直传，直接在终端上完成会话传输，不涉及基站运作。蜂窝网内，负责了大量的功能，包括无线资源分配、会话建立等，减轻了通信基站的运行负担，提高了端到端传输的时效性。D2D通信在5G网络中，虽然获取了利益，但是也面临着干扰问题，应该将抗干扰作为主流研究内容，明确5G网络的运行。M2M通信在5G移动通信网络中，具有标准化的特征，提供智能交互式的服务，M2M能够根据网络请求，在竞争条件下，随机制造信道资源，根据随机接入协议，完成请求访问。M2M容易引起通信堵塞、过载，所以5G移动通信网络在引入M2M通信时要注意自适应负荷控制机制的运用，以免规范M2M通信的应用。
3.5大规模MIMOMIMO技术
这是目前无线通信领域的一个重要创新研究项目，通过智能使用多根天线（设备端或基站端），发射或接受更多的信号空间流，能显著提高信道容量；而通过智能波束成型，将射频的能量集中在一个方向上，可以提高信号的覆盖范围。这两项优势足以使其成为5G NR的核心技术之一，因此我们一直在努力推进MIMO技术的演化，如从2x2提高到了目前4x4 MIMO。但更多的天线也意味占用更多空间，要在空间有限的设备中容纳进更多天线很不现实，所以只能在基站端叠加更多MIMO。从目前理论看，5G NR可在基站端使用最多256根天线，而通过天线的二维排布，可以实现3D波束成型，从而提高信道容量和覆盖。
4 小结
为了实现5G要求的超高频率效率、超低时延、超高连接数密度、超低能耗，5G需要在空中接口技术和网络架构方面做出巨大的变革，包括引入大规模天线、非正交多址、自包含的帧结构、新的协议状态、三云一层的网络架构、端到端的网络切片、以用户为中心的網络新技术等。未来，还要注意的是5G标准问题，现在移动和固网领域分别存在着各种不同的标准组织。3GPP和ETSI在移动标准化方面非常成功，ITU-R在频谱分配方面很有权威，ITU-R已经开始投入到IMT-2020（5G）技术的网络标准化要求工作中了。通信领域进一步开展广泛的努力与合作，早日实现5G技术互操作性的开放标准，这对电信行业来说非常重要。
参考文献：
[1]孔令兵.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J]，通信电源技术，2015（4）.
[2]李章明.5G移动通信技术及发展趋势的分析与探讨[J]，广东通信技术，2015（4）.
[3]刘湘明.浅谈5G移动通信技术及其发展趋势[J]，网络与信息工程，2017.01.