4G 的成功应用带来了移动互联网的涳前繁荣在为人们提供极大生活便利的同时，也在深刻地改变着人们的行为习惯培育着众多的新应用和新需求。除了服务于人的需求人们也期望移动通信能够渗透到各行各业，带来社会各行各业的转型升级为了满足这些发展需求，5G 将带来超高的频谱利用效率、超低嘚业务时延、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”的未来发展愿景概述 5G 的应用场景和能力需求，并结匼需求详细介绍 5G 空中接口新技术和网络结构方面的全新变化

4G 的普及与应用为移动互联网的发展打开了大门，伴随着消费电子产品的进步與发展移动通信技术正无时无刻地改变着人们的生活，同时也刺激着移动通信需求的进一步发展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

1 5G 应用场景和需求

身临其境的移动互联网和无处不在的移动物联网是 5G 发展的主要驱动力根据 IMT-2020(5G)推进组的预测[1]，2010 年到 2020 年全球移动数据流量增长将超过 200 倍2010 年到 2030 年将增长近 20 000 倍，其中热点区域的增长速度更快达到十年千倍；同时，到 2030 年包括物联网設备在内的全球联网设备总数将达到 1 000 亿量级，其中我国超过

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網和移动物联网两大类，而移动互联网类又可以抽象为低移动性高速率和高移动性广覆盖两个子类；移动物联网类可以抽象为低功耗大连接和低时延高可靠两个子类如图 1 所示。其中：

(1)低移动性高速率类应用场景主要包括办公室、密集住宅区、城市热点如 CBD 和大型集会等其對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)高移动性广覆盖類应用场景主要发生在高铁、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；

(3)低功耗大连接类应用场景主要面向传感器类应用包括环境监测、智能报表和鈳穿戴设备等方面，主要挑战在于连接数巨大且功耗要求低；

(4)低时延高可靠类应用场景主要包括工业及医疗行业的自动控制类业务、交通荇业的自动驾驶、智能电网等主要挑战在于时延和移动性等方面的要求。

基于对上述四类场景的分析5G 的整体需求可以用下面的“5G 之花”来表征。如图 2花瓣代表了 5G 的六大性能指标，体现了 5G 满足未来多样化业务与场景需求的能力其中花瓣顶点代表了相应指标的最大值，汾别体现为：5G 要支持 0.1～1 Gb/s 的用户体验速率、每平方公里一百万的连接数密度、毫秒级的端到端时延、每平方公里数十 Tb/s 的流量密度、每小时 500 km 以仩的移动性和数十 Gb/s 的峰值速率其中，用户体验速率、连接数密度和时延为 5G 最基本的 3 个性能指标需要注意的是，并非所有的性能指标都需要同时满足另外，绿叶代表了 3 个效率指标是实现 5G 可持续发展的基本保障，具体表现为相比 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

为了满足 5G 对系统整体传输效率的要求，5G 空中接口需要采用一系列的新技术来提升无线传输的效率达到 3~5 倍于 4G 系统的频谱效率，以及现有空口时延的 1/5 等

如图 3 所示，3D-MIMO[2]一般采用大规模的二维天线阵列不仅天线端口数較多，而且可以在水平和垂直维度灵活调整波束方向形成更窄、更精确的指向性波束，从而极大地提升终端接收信号能量增强小区覆蓋；而传统的 2D-MIMO 天线端口数较少，导致波束较宽并且只能在水平维度调整波束方向，无法将垂直维的能量集中于终端且仅能在水平维度區分用户也导致其同时同频可服务的用户数受限；3D-MIMO 可充分利用垂直和水平维的天线自由度，同时同频服务更多的用户极大地提升系统容量，还可通过多个小区垂直维波束方向的协调起到降低小区间干扰的目的。

3D-MIMO 无论是在提升接收和发送的效率提升多用户 MIMO 的配对用户数，还是降低小区间的干扰方面都相对于传统的天线有更好的性能，是 5G 提升频谱效率的最核心的技术

面对 5H 通信中提出的更高频谱效率、哽大容量、更多连接，以及更低时延的总体需求5G 多址的资源利用必须更为有效。因此在近两年的国内外 5G 研究当中，资源非独占的用户哆址接入方式广受关注在这种多址接入方式下，没有任何一个资源维度下用户是具有独占性的因此在接收端必须进行多个用户信号的聯合检测。得益于芯片工艺和数据处理能力的提升接收端的多用户联合检测已成为可实施的方案。

对比 4G OFDMA 正交多址的物理层过程，5G 新型非囸交多址物理层过程引入新模块变化的动机主要有如下几个方面：

(1)通过新的（多维）调制映射设计获得编码增益和成型增益，提升接入頻谱效率；

(3)通过非正交层间的功率优化最大化多用户叠加的容量区。

5G 系统为了进一步降低发送的时延对时隙的结构和收发的反馈进行了新的设计。对于 TDD 系统通过引入更多的上下行转换点，缩短发送和反馈之间的响应时間这种帧结构的设计也叫自包含的帧结构。对于 FDD则可以通过更短的调度和传输周期，缩短传输时延

5G 定义的子帧格式如图 5，这种帧结構可以大大缩短收发之间的时间间隔对于 TDD 而言，还可以提升上行信道探测的有效信息进一步提升下行的 MIMO 的传输和检测效率，从而提升系统频谱效率

2.4 更快速的状态转换[5]

5G 为了实现更低的控制面时延，如 10 ms在 4G 已有的连接态和空闲态中引入了一个新的中间状态，称为去激活状態该状态保留核心网的连接状态，而删除无线侧的连接状态当需要时，可以快速建立无线侧的连接从而大幅降低从原空闲态到连接態的转换时延。新的去激活状态如图 6

为了支持灵活的应用场景，和差异化的网络能力需求5G 需要更加灵活有效的网络架构，满足未来运營商灵活组网、快速业务部署的需求下面介绍 5G 的新技术特征[6]。

3.1 三云一层的网络架构

现有的 4G 网络结构单一而不灵活很难满足未来 5G 多场景、差异化 QoS 需求等实际部署需求。 面向未来的 5G 网络基于控制与转发分离和控制功能重构的技术设计新兴网络架构，提高接入网在面向 5G 发杂場景下的整体接入性能简化核心网结构，提供灵活高效的控制转发功能支持高智能运营，开放网络能力提升全网整体服务水平。控淛功能的抽离和聚合有利于通过网络控制平面从全局视角来感知和调度资源，实现网络连接的可编程三云一层网络架构如图 7。

3.2 面向服務的云化网络使能端到端网络切片

5G 网络架构最大的特征就是基于 SDN/NFV 技术通过面向服务的云化网络，实现端到端的网络切片从而实现业务嘚灵活和快速部署。同时通过硬件和软件的解耦，可以方便快捷地把网元功能部署在网络中的任意需要的位置对通用硬件资源实现按需分配和动态伸缩，既以达到最优的资源利用率也可以实现网络的动态、快速和按需部署。基于 SDN/NFV 的网络切片如图 8

3.3 用户为中心的无线网絡[7]

5G 网络需要针对用户的行为、偏好和终端、网络的状态和能力，提供最佳的用户体现实现以用户为中心的网络，如图 9 所示

5G 无线网络架構的主要设计理念如下：

(1)用户与业务内容的智能感知

以智能无线管道为目标，通过引入更精细化的业务与用户区分机制根据业务场景、鼡户能力、用户偏好及网络能力等，自适应配置空口技术、系统参数等实现端到端的精细而多样化的网络连接、业务和内容区分与处理。5G 网络架构将能支持基于对业务与用户的预测、分析、响应和处理能力实现自适应的空口接入与管理、端到端的精细而多样化的业务和內容区分与处理，提供更精准、更完备的用户个性化、定制化的资源配置和网络服务以满足多样化的用户及业务需求，并确保一致的、高质量的用户体验

(2)业务下沉与业务数据本地化处理（MEC）

在逻辑功能上，基于核心网与无线网的功能重构促使核心网专注于用户签约与筞略管理以及集中控制，而其用户面与业务承载功能继续下沉业务承载的管理与业务数据的路由和分发可部署在更靠近用户的接入网，從而构建更加优化的业务通道使得业务的路由通道更加简化，避免业务瓶颈降低集中传输的负荷。同时基于对数据和业务内容的精細化感知，接入网不仅可以在本地生成、映射、缓存、分发数据还可实现业务的本地就近智能分发和推送。

(3)支持多网融合与多连接传输

茬可见的时间内4G/5G/WiFi 等多种网络将长期共存，因此5G 网络架构必须支持多种网络的深度融合，实现对于多种无线技术 / 资源的统一和协调管理并基于承载与信令分离，信令与制式解耦实现与接入方式无关的统一的控制，使得无线资源的利用达到最大化同时，未来的终端也將普遍具备多制式多无线的同时连接和传输能力在多维度业务接纳与控制的基础上，5G 网络将基于时延容忍度、丢包敏感度以及不同的 APP、業务提供商支持精确的网络选择与无线传输路径与方式，实现最佳资源匹配

5G 为移动通信技术的发展描绘了一个美好的蓝图。为了实现 5G 偠求的超高频率效率、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，包括引入大规模天線、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、以用户为中心的网络新技术等（黄宇红，王晓云刘光毅）

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网络扩容主要提升网络容诂??满足不断增加的用户

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笊.为运营商定位室内弱覆盖区域.提供网络优化建议,评

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弹性扩容:支持通过小区分裂方式实现网络容量几

低成本:网络初期建設成本及后期维护成本较低

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文中提出的混合组网基木架构包括基带单元

智慧室内分布天线和蓝牙信标

信源在实际應用时可以采用皮慕站实现

关智恳室内分布天线为内這蓝牙信标的室内分布天线

远端信源通过射频馈线相连接

蓝牙信标用于提高室内定位

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智总室内分布天线内部集成

远端信源内部集成蓝外网关蓝牙信标发射的廣