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本书全面讨论了第五代移动通信无线网络架构和相关关键技术，内容涵盖5G网络发展与业务需求、5G网络架构、5G智能无线网络架构、无线网控制承载分离技术、多制式协作与融合技术、5G网络资源管理、移动边缘计算、无线网络虚拟化技术、频谱共享技术等不同层面。
本书可供具有一定移动通信技术基础的专业技术人员或管理人员阅读，也可作为通信院校相关专业师生的参考读物。
“十三五”国家重点图书出版规划项目
5G丛书
5G无线网络及关键技术
5G Wireless Network and Key Technologies
人民邮电出版社
北京
图书在版编目（CIP）数据
5G无线网络及关键技术/杨峰义等编著.--北京：人民邮电出版社，2017.2
（5G丛书）
ISBN 978-7-115-43649-8
Ⅰ.①5… Ⅱ.①杨… Ⅲ.①无线电通信—移动网 Ⅳ.①TN929.5
中国版本图书馆CIP数据核字（2016）第224934号
◆编著 杨峰义 谢伟良 张建敏 等
责任编辑 吴娜达
执行编辑 李彩珊
责任印制 彭志环
◆人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
网址 http://www.ptpress.com.cn
北京艺辉印刷有限公司印刷
◆开本：800×1000 1/16
印张：24.5 2017年2月第1版
字数：459千字 2017年2月北京第1次印刷
定价：98.00元
读者服务热线：(010)81055488 印装质量热线：(010)81055316
反盗版热线：(010)81055315
本书全面讨论了5G移动通信无线网络架构和相关关键技术，内容涵盖5G网络发展与业务需求、5G网络架构、5G智能无线网络架构、无线网控制承载分离技术、多制式协作与融合技术、5G网络资源管理、移动边缘计算、无线网络虚拟化技术、频谱共享技术等不同层面。
本书可供具有一定移动通信技术基础的专业技术人员或管理人员阅读，也可作为通信院校相关专业师生的参考读物。
2012年9月，欧盟在第七框架计划（FP7）下启动了面向第五代移动通信技术（以下简称 5G）研究的 5GNOW（5th Generation Non-Orthogonal Waveforms for Asynchronous Signalling）研究课题，拉开了全球5G研究的序幕。同年11月，同样在FP7，欧盟正式启动了名为 METIS（Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-Twenty Information Society）的5G研究项目，并在2014年1月推出了5G PPP（5G Public-Private Partnership）计划，旨在推动5G技术研究，促进5G在2020前后投入商用。
2013年2月，由科学技术部、工业和信息化部、国家发展和改革委员会三部委联合组织成立了中国IMT-2020（5G）推进组，旨在打造聚合中国产学研用力量、推动中国5G技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。与此同时，国家高技术研究发展计划（“863”计划）也于2013年6月启动了“5G关键技术研究”重大项目，前瞻性地部署5G需求、技术、标准、频谱、知识产权等研究，建立5G国际合作推进平台。
2013年6月，韩国政府成立了5G技术论坛（5G Forum），提出了韩国5G国家战略和中长期发展计划，推动5G关键技术研究，计划在2018年平昌冬奥会上示范5G应用，2020年正式商用。
2013年10月，日本无线工业及商贸联合会（Association of Radio Industries and Businesses， ARIB）正式成立5G 研究组“2020 and Beyond Ad Hoc”，旨在对 5G 服务、系统构成以及无线接入技术等进行研究，计划2020年东京奥运会前实现商用。
5G经过近几年全球业界的共同努力，目前已形成一致的5G目标。
在2015年6月召开的ITU-R WP5D第22次会议上，ITU完成了5G发展史上的一个重要里程碑，ITU正式命名5G为IMT-2020，并确定了5G的愿景和时间表等关键内容。
ITU确定5G的主要应用场景为增强移动宽带、高可靠低时延通信、大规模机器类通信。
增强移动宽带：移动宽带强调的是以人为中心接入多媒体内容、业务和数据的应用场景。增强移动宽带应用场景将在现有移动宽带的基础上带来新的应用领域，同时也会进一步改进性能，提高无隙的用户体验。该应用场景主要包括广域覆盖和热点。对热点地区，需要有高用户密度、高业务容量，用户的移动速度较低，但是用户的数据速率高于广域覆盖。对广域覆盖，期望无隙覆盖和中到高的移动性，同时与现有数据速率相比，期望明显提高用户数据速率，但是数据速率的需要与热点地区相比可以适度放松。
高可靠低时延通信：该场景对吞吐率、时延、可用性等能力有严格的要求。典型例子包括通过无线系统控制工业制造或生产过程、远程医疗、智能电网的自动配电、传输安全等。
大规模机器类通信：该应用场景的特征是大量的连接终端，每个终端发送小量的时延不敏感数据。终端需要低成本、超长的电池寿命。
同时，我们期待着今天没有预见到的其他应用场景的出现。因此，对未来的IMT系统，需要足够的灵活性以适配指标宽泛的新应用。
取决于应用环境和不同国家的不同需要，未来的IMT系统将具有很多不同的特征。未来IMT系统应该设计为高度模块化的形态，并非所有特征都需要同时体现在所有网络中。
5G的主要能力指标见下表。
5G标准化的主要时间点是2017年底，主要是为征集候选技术做准备，制定技术评估方法；到2020年，完成征集候选技术、技术评估、关键技术选择等工作，最终形成5G标准。
2015年 9月 17—18 日，5G 的主要标准化组织 3GPP RAN 在美国凤凰城召开 5G Workshop。
来自全球80余个通信组织及电信运营、设备、终端、芯片企业的代表就5G场景、需求、潜在技术方案、标准化工作计划进行了讨论。与会代表均认同5G应引入不考虑后向兼容的新空口，同时，作为5G的重要组成部分，LTE-Advanced应继续保持演进。
在标准研究与标准定义的优先级方面，中国和部分欧洲公司倾向于5G应首先聚焦6 GHz以下的低频段新空口；日韩和部分美国公司倾向于首先完成高于6 GHz的高频段新空口，目标主要是增强移动宽带（e MBB）；部分欧洲运营商希望认真评估 6 GHz 以下新空口相比LTE-Advanced增强的实际增益。
会议最后以主席总结的形式给出5G标准化路标。
场景和业务：基本确定了5G的三大类场景，即增强移动宽带（e MBB）、大规模物联网（massive MTC）、低时延高可靠通信（ultra-reliable and low latency communication）。5G技术需满足3类场景下的多种业务类型。
新空口和演进：5G新空口和LTE-Advanced演进将在3GPP R14及后续版本中同时开展标准定义工作。2016年3月将在各工作组开展具体技术方案的评估。
标准工作计划：5G标准化工作分为3个版本完成，分别是2016年在R14阶段启动5G需求和技术方案的研究工作；2017年R15版本作为5G的第一个阶段，满足市场上比较急迫的商用需求；2018年启动R16作为5G标准的第二个阶段，在2019年底完成，满足ITU IMT-2020提出的要求，并在2020年作为5G标准提交ITU-R。
5G第一阶段的工作范围：在设计5G第一阶段标准协议（R15）时，应保证对第二阶段标准（R16）的前向兼容性。
5G 囊括了所有能够想象的应用场景和案例，这些应用场景和案例在很多时候提出的系统实现指标也是相互矛盾的。因此，在有新的空中接口技术和新的工作频段的同时，5G 也必须要有新的网络能力，能够将这些新的技术和相互矛盾的需求在一张网络上体现出来。这是以前的移动通信系统所不具备的。也就是说，5G 除了无线接入技术的创新以外，网络架构也必须创新。
本书主要关注5G无线网络架构及其相关的关键技术。
全书共分9章，基本涵盖了未来无线网络架构部分的主要内容。第1章5G网络发展与业务需求，主要描述国际上5G研究的现状和5G的业务需求、网络架构特征。第2章5G网络架构，描述了4G网络架构的弱势，给出了国际上5G网络架构的研究情况，重点讨论三朵云的IMT-2020网络架构以及网络架构如何随需而变的理念。第3章5G智能无线网络架构，描述了5G无线接入网络的功能与性能要求，重点讨论了称为智能无线接入网络的5G无线接入网络架构、设计理念、主要关键技术、特殊场景下的架构与演变等。第4章无线网控制承载分离技术，介绍了无线网控制与承载分离技术的概念，讨论了无线网控制与承载分离技术在5G宏微异构组网场景与微微组网场景下的应用。第5章多制式协作与融合技术，讨论了未来5G网络中多制式融合的理念，多制式协作与融合技术，移动网络与WLAN协作与融合技术等。第6章5G网络资源管理，从“垂直功能”和“水平概念”两个维度梳理了5G接入网资源管理的主要范畴和内容，并重点讨论了UDN、D2D、MMC、MN、Ad Hoc等方面的资源管理技术与算法。第7章移动边缘计算，描述了MEC技术的概念、MEC平台、技术基础以及挑战等；针对5G应用场景，讨论了MEC技术的潜在优势并给出了基于LTE系统的概念验证结果。第8章无线网络虚拟化技术，介绍了虚拟化的概念和基本情况，讨论了实现无线网络虚拟化的主要技术和挑战。第9章频谱共享技术，描述了未来5G网络频谱共享技术的应用场景和需求，并提出相应的技术方案。
本书由杨峰义、谢伟良、张建敏组织编写并统稿。第1、7章由张建敏执笔，第2章由杨峰义、王海宁执笔，第3章由王敏执笔，第4章由陆晓东、谢伟良执笔，第5章由武洲云、赵勇执笔，第6章由乔晓瑜、谢伟良执笔，第8章由许悠、杨涛执笔，第9章由王楠执笔。
本书的主要内容是中国电信技术创新中心在参加国家“863”计划信息领域重大项目“5G关键技术研究”、“新一代宽带无线移动通信网”国家重大专项、中国电信“5G 关键技术研究”等科研项目中的部分研究成果。由于国际上5G目前尚处在标准化前期，技术观点尚处于发散阶段，限于笔者认知水平，相关的观点和技术方向可能不一定准确，错误和遗漏在所难免，欢迎读者不吝赐教。
作者
2016年7月于北京未来科技城
始于20世纪70年代的移动通信技术，经过40多年的蓬勃发展，已经渗透到现代社会的各个行业，深刻影响着人类的工作、生活方式以及各行各业的发展趋势。在40余年的发展历程中，移动通信系统经历了从第一代（1G）到第四代（4G）的飞跃。基于模拟技术的第一代（1G）无线通信系统仅支持模拟语音业务，第二代（2G）GSM数字通信系统开始支持数字语音和短消息等低速率数据业务，第三代（3G）宽带通信系统则将业务范围扩展到图像传输、视频流传输以及互联网浏览等移动互联网业务。纵然3G时代的用户体验速率相对较低，但移动互联网经过3G时代的培育已经进入了爆发期。人们对信息的巨大需求为4G移动通信系统的发展提供了充足的动力。
以OFDM、MIMO等为核心技术的LTE网络，2004年在3GPP开始研究，2008年底形成了第一个版本的技术规范R8，2009年12月全世界第一张LTE网络商用由Telia Sonera在挪威奥斯陆和瑞典斯德哥尔摩建成，为终端用户真正带来了每秒百兆比特的数据业务传输速率，极大程度地满足宽带移动通信业务应用需求。目前，全球范围内LTE网络的商用部署正在紧锣密鼓地进行，截止到2014年10月底，全球共有119个国家和地区开通354个LTE商用网络[1]，已超过3G网络的一半，成为史上发展速度最快的移动通信技术。据GSA统计，截止到2014年10月底，全球范围内LTE服务用户总数已达到3.73亿户[2]，LTE终端种类已多达2 218款[3]，如图1-1和图1-2所示。
LTE网络全球范围的大规模部署以及LTE终端的日趋成熟，极大促进了移动互联网和物联网的快速发展，涌现出多种多样的新型业务和琳琅满目的终端，持续刺激并培养人们数据消费的习惯。据统计，仅2013年全球移动数据增长率为70%[1]。更进一步，预计到2020年，移动互联网和物联网各类新型业务和应用持续涌现将带来1 000倍的数据流量增长以及超过百亿量级的终端设备连接[4-6]，如图1-3和图1-4所示。
为了能更好地应对未来移动互联网和物联网的高速发展带来的移动数据流量的高速增长、海量的设备连接以及各种各样差异化新型业务应用不断涌现的局面，需要更加高速、更加高效、更加智能的新一代无线移动通信网络来支撑这些庞大的业务量和连接数。
因此，在全世界范围内4G移动通信网络的部署方兴未艾之时，未来5G移动通信技术的研发已拉开帷幕，成为学术界和信息产业界热门的课题之一，掀起了全球移动通信领域新一轮的技术竞争。
1.欧盟
2012年9月，欧盟在第七框架计划（FP7）下启动了面向5G研究的5GNOW（5th Generation Non-Orthogonal Waveforms for Asynchronous Signalling）研究课题，该课题主要由来自德国、法国、波兰和匈牙利等国的6家研究机构共同承担。5GNOW课题主要面向5G物理层技术进行研究，该计划已于2015年2月完成[7]。
同年 11月，同样在 FP7 下，欧盟正式启动了名为 METIS（Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-Twenty Information Society）的5G研究项目，针对如何满足未来移动通信需求进行广泛研究[8]。METIS共有约29个参与单位共同承担，参与单位除了包括阿尔卡特朗讯、诺基亚、爱立信、中兴通讯和华为等顶级通信设备厂商外，还包括德国电信、日本NTT、法国电信、意大利电信、西班牙电信等电信运营商，此外还包括汽车制造商和学术研究机构。
除此之外，欧盟在2014年1月正式推出了5G PPP（5G Public-Private Partnership）项目，计划在2020年前开发5G技术，到2022年正式投入商业运营。该计划的成员主要包括通信设备制造商、网络运营商、电信运营商以及科研院所。
2.中国
中国政府在2013年2月，由科学技术部、工业和信息化部、国家发展和改革委员会三部委联合组织成立了IMT-2020（5G）推进组，其组织架构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的电信运营商、制造商、高校以及研究机构[6]。IMT-2020（5G）推进组的成立旨在打造聚合中国产学研用力量、推动中国5G技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。
除此之外，国家“863”计划也分别于2013年6月和2014年3月启动了5G 重大项目一期和二期研发课题，前瞻性地部署5G需求、技术、标准、频谱、知识产权等研究，建立5G国际合作推进平台。在2020年之前，上述“863”计划课题将系统地研究5G领域的关键技术，主要包括体系架构、无线传输与组网、新型天线与射频、新频谱开发与利用等。
3.日韩
在移动通信领域一直走在全球前沿的韩国，在5G研发机构设立、长远规划、促进战略以及研发投入等方面表现都非常积极，相关政策的制定也更加明确。2013年6月，韩国政府组织国内主要的电信设备制造商、电信运营商、研究机构和高校等成立了5G技术论坛（5G Forum）。该论坛提出了韩国5G国家战略和中长期发展计划，推动5G关键技术研究。根据韩国2013年下半年制定的“5G移动通信促进战略”，韩国将在2015年之前实现Pre-5G技术，并在2018年平昌冬奥会上示范5G应用，最终达到2020年正式实现5G商用的目标。
同样在通信技术领域走在前沿的日本，在 2013年10月由日本无线工业及商贸联合会（Association of Radio Industries and Businesses，ARIB）正式成立5G研究组“2020 and Beyond Ad Hoc”，旨在对5G服务、系统构成以及无线接入技术等进行研究。该研究组主要包括服务与系统概念工作组和系统结构与无线接入技术组，分别研究2020年及以后移动通信系统中的服务与系统概念以及2020年及之后的技术，比如无线接入技术、网络技术等。日本计划在2020年东京奥运会前实现5G网络的商用。
除此之外，目前全球范围内还有很多组织论坛等正针对5G发展愿景、应用需求、候选频段、关键技术指标以及使能技术等进行更加广泛深刻的研究[9-12]。
移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力，将为5G提供广阔的应用前景。目前国内外学术和产业界研究机构已经从各种不同角度阐述了对未来5G网络的展望，并根据未来业务需求讨论了5G网络的性能指标要求。总体来讲，未来5G网络将构建以用户为中心的全方位信息生态系统，最终实现任何人和物在任何时间、任何地点可以与任何人和物实现信息共享的目标。
图1-5给出了中国IMT-2020（5G）推进组于2014年5月发布的《5G愿景与需求》白皮书中描述的未来5G总体愿景。可以看出，未来移动互联网主要面向以人为主体的通信，注重提供更好的用户体验，进一步改变人类社会信息交互方式，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清视频、云端办公、休闲娱乐等更加身临其境的极致业务体验。为了保证未来人们在各种应用场景，如体育场、露天集会、演唱会等超密集场景以及高铁、快速路、地铁等高速移动环境下获得一致的业务体验，5G 在对上下行传输速率和时延有更高要求的同时，还面临着超高用户密度和超高的移动速度带来的挑战。
不同于主要面向以人为主的移动互联网通信，物联网进一步扩大了移动通信的服务范围，从人与人之间的通信延伸到物与物、人与物之间的智能互联，促使移动通信渗透到工业、农业、医疗、教育、交通、金融、能源、智能家居、环境监测等领域。未来，物联网在各类不同行业领域进一步推广应用将会促使各种具备差异化特征的物联网业务应用爆发式增长，将有数百亿的物联网设备接入网络[5,6]，真正实现“万物互联”。为了更好地支持物联网业务推广，5G 需要解决海量终端连接以及各类业务的差异化需求（低时延、低能耗、低成本、高可靠等）。
可以预想到，未来5G网络将为用户提供光纤般的接入速率，“零”时延的使用体验，百亿设备的连接能力，超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多个场景的一致服务，业务及用户感知的智能优化，同时将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，最终实现“信息随心至，万物触手及”的总体愿景[6]。
综上所述，5G 将是以人为中心的通信和机器类通信共存的时代，各种各样具备差异化特征的业务应用将同时存在，这些都对未来5G网络带来极大挑战。这些挑战主要包括如下5个方面[6,10-13,16-19]，如图1-6所示：
超高的速率体验；
超高的用户密度；
海量终端连接；
超低时延；
超高移动速度。
为了能够更好地剖析5G所需关键技术，将上述5G网络所面临的主要挑战分别对应为5个应用场景的业务需求。这些应用场景主要包括：超高速体验场景、超高用户密度场景、超高速移动场景、低时延高可靠连接场景、海量终端连接等，如图1-7所示。
1.超高速体验场景
超高速体验场景主要关注为未来移动宽带用户提供更高的接入速率，保证终端用户瞬时连接以及时延无感知的业务体验，使用户获得“一触即发”的感觉。超高的速率以及时延无感知的用户体验将成为未来各类新型业务，包括视频会话、超高清视频播放、增强现实、虚拟现实、实时视频分享、云端办公、云端存储等业务得以发展推广的关键因素。
以虚拟现实办公为例，远程用户之间的高清3D实时互动需要网络能够实时提供数吉字节的数据量交换，从而使用户达到身临其境的感受。为满足上述用户体验，办公区95%以上区域内用户体验速率需大于1 Gbit/s，20%以上的区域内用户体验速率需大于5 Gbit/s[12,13]。
2.超高用户密度场景
超高用户密度场景重点关注诸如密集住宅、办公室、体育场馆、音乐厅、露天集会、大型购物广场等用户高密度分布场景下的用户业务体验。
对于用户密度超高的场景，现有的移动宽带网络会出于网络负载等方面的考虑，拒绝更多的用户接入，降低用户的业务体验。未来，用户希望即使在用户密度非常高的情况下，依然能够接入网络并获得一定的业务体验，这对5G网络的设计提出了更高的要求。
以体育场举办大型赛事为例，预计在忙时段每用户的数据量超过9 GB/h，即使在体育场观众爆满的情况下，同样需要保证用户体验速率在0.3～20 Mbit/s[12,13]。
3.超高速移动场景
超高速移动场景主要考虑用户在快速路、高铁等快速移动情况下的业务体验。
对于高速移动的场景，未来5G网络希望为用户提供与在家庭、办公室以及低速移动场景下一致的业务体验，给用户一种高速业务体验无处不在的感觉。对于移动速度大于500 km/h的用户，依然能够满足视频类和文件下载类等典型业务速率需求，即上下行速率至少分别大于100 Mbit/s和20 Mbit/s以及端到端低于100 ms的时延要求。
4.低时延高可靠连接场景
低时延高可靠场景重点考虑未来新业务在时延和可靠性方面提出的苛刻要求。当前移动通信系统主要是以人为中心进行设计考虑的，其时延要求主要来自人类相互对话时听力系统的时延要求。当人类接收声音信号的时延在70～100 ms范围内，会感觉到实时效果很好，这也是ITU将100 ms设定为语音通信最低时延要求的主要原因[14]。然而，未来基于机器到机器的新业务应用将广泛应用到工业控制、智能交通、环境监测等领域，对数据的端到端传输时延和可靠性提出了更为严格的要求。以交通安全为例，为了避免交通事故的发生，智能交通系统需要与车辆间进行即时可靠的信息交互，端到端时延必须小于5 ms。与智能交通相类似，智能电网应用同样对信息交互时延和可靠性提出了严格要求，即毫秒级的时延和99.999%的可靠性。
除此之外，更具挑战的时延要求来自于虚拟现实的应用，例如当用操作杆在虚拟现实的环境中移动3D对象时，如果响应时延超过1 ms，会导致用户产生眩晕的感觉[14]。因此，为了满足上述应用的需求，未来5G网络需支持端到端1 ms的时延要求和更高的可靠性。
5.海量终端连接场景
海量终端连接场景则主要针对诸如MTC（machine type communication）设备以及传感器等设备大量连接且业务特征差异化的场景。MTC设备范围很广，从低复杂度的传感器设备到高度复杂先进的医疗设备。MTC终端繁多的种类以及应用场景也将导致各种各样差异化的业务特征与需求，如发送频率、复杂度、成本、能耗、发送功率、时延等，这些都是现有移动网络无法同时满足的。
以大量传感器的部署为例，到2020年预计移动网络每个小区需要提供30万的设备连接能力[12]，同时需要降低终端的成本并使得终端待机时长延长至10年量级，从而保证未来网络数百亿的设备连接能力。海量的设备连接将导致网络负载的急剧增加，需要在5G网络设计之初就进行重点考虑。
为了能够评估未来移动网络流量密度要求，还需要将上述几个场景进行综合考虑。以METIS提供的虚拟现实办公的典型场景为例[13]，其中要求95%以上的区域和时间内用户的上下行体验速率为1 Gbit/s，对应的数据流量密度为每用户每月36 TB，相当于上下行的流量密度为95 TB/km2，约为现有网络数据流量密度的1 000倍左右。
综上所述，相比于LTE网络，未来5G网络目标性能预期提升如图1-8所示 [12,13,31]。
数据流量密度：1 000倍。
设备连接数目：10～100倍。
用户体验速率：10～100倍。
MTC终端待机时长：10倍。
端到端时延：5倍。
为了更加全面地满足未来移动互联网以及物联网爆炸式增长带来的挑战，5G 网络的发展面临着网络建设部署以及运营维护的巨大压力。
未来网络千倍流量增长、海量终端连接以及极致用户体验等发展需求，需要5G网络提供更高的网络容量和更好的覆盖。为了缓解运营商增量不增收的发展压力，5G 网络需要重点考虑网络设备、网络建设维护、新业务引入带来的复杂度和成本增加以及网络能耗增大导致的成本增加，从而降低网络建设部署成本，提升网络能效。除此之外，针对越来越稀缺的频谱资源，5G需要灵活高效地利用各类频谱，包括对称和非对称频段、重用频谱和新频谱、低频段和高频段、授权和非授权频段等，提升稀缺频谱资源的利用率。
随着用户需求的不断提高和多元化，移动互联网和物联网业务种类也更加丰富多彩。5G网络除了需要提供更高的网络性能外，还需要提供更加灵活开放的网络适配和编程能力，以适应不同虚拟运营商/用户/业务的定制化需求，从而实现多种业务的快速部署与差异化运营，提升运营服务水平和竞争力。可以看出，通过构建网络能力开放，合理开放网络基础资源、增值业务、数据信息以及运营支撑等能力成为运营商构建未来竞争力的关键所在。虚拟运营商、M2M 服务提供商、互联网提供商、企业以及个人等第三方则通过网络能力开放接口实现业务的个性化定制，并能够实现对用户行为和业务内容进行智能感知和优化。
除此之外，为了保护网络和用户的信息安全，5G 需要能提供多样化的网络安全解决方案，以满足各类移动互联网和物联网设备及业务的需求。
可以看出，从运营维护角度分析，为了更好地适应未来业务发展，5G网络需要具备：
网络开放能力；
用户行为和业务感知能力；
可编程性；
灵活性；
可扩展性。
经过近几年全球业界的共同努力，在2015年6月份召开的ITU-R WP5D第22次会议上， ITU完成了5G移动通信发展史上的一个重要里程碑，ITU正式命名5G为IMT-2020，并确定了5G的愿景和时间表等关键内容。
ITU确定的5G主要应用场景为增强移动宽带、高可靠低时延通信、大规模机器类通信，如图1-9所示。
增强移动宽带场景：移动宽带强调的是以人为中心接入多媒体内容、业务和数据的应用场景。增强移动宽带应用场景将在现有移动宽带的基础上带来新的应用领域，同时也会进一步改进性能，提高无隙的用户体验。该应用场景主要包括热点和广域覆盖。对热点地区，需要有高用户密度、高业务容量，用户的移动速度较低，但是用户的数据速率高于广域覆盖。对于广域覆盖，期望无隙覆盖和中到高的移动性，同时与现有数据速率相比，期望明显提高用户数据速率，但是对数据速率的需要与热点地区相比可以适度放松。
高可靠低时延通信场景：该场景对吞吐率、时延、可用性等能力有严格的要求。典型例子包括：通过无线系统控制工业制造或生产过程、远程医疗、智能电网的自动配电、传输安全等。
大规模机器类通信场景：该应用场景的特征是大量的连接终端，每个终端发送小量的时延不敏感数据。终端需要低成本、超长的电池寿命。
同时，期待着其他今天所没有预见到的应用场景的出现。因此，未来的IMT系统需要足够的灵活性以适配指标宽泛的新应用。
取决于应用环境和不同国家的不同需要，未来的IMT系统将具有很多不同的特征。未来IMT系统应该设计为高度模块化的形态，并非所有特征都需要同时体现在所有网络中。
5G的主要能力指标见表1-1。
5G标准化的主要时间点如图1-10所示。可以看出，到2017年底，为征集候选技术做准备，并制定技术评估方法；到2020年，完成候选技术征集、技术评估、关键技术选择等工作，最终制定5G标准。
可以看出，ITU定义的5G囊括了所有能够想象的应用场景和案例，这些应用场景和案例在很多时候与提出的系统实现指标是相互矛盾的。因此，5G 必须有新的空中接口技术和新的工作频段，也必须有新的网络能力，能够将这些新的技术和相互矛盾的需求在一张网络上体现出来。这是以前的移动通信系统所不具备的。也就是说，5G 除了无线接入技术的创新以外，网络架构也必须创新。因此后续将根据未来5G网络需求重点分析5G网络架构需要具备的特征。
除了ITU定义的增强移动宽带、高可靠低时延通信以及大规模机器类通信3类应用场景外，3GPP SA1增加了网络运营方面的要求，主要包括网络切片、灵活路由以及互操作和节能等方面，如图1-11所示。
可以看出，5G系统的配置优化需要支持多样化的需求，而这些需求可能是互相冲突的。例如某些配置需要高可靠性和低时延，而其他配置需要支持低可靠性和高时延。与以往3GPP系统试图提供一个满足所有需求的统一系统不同，5G 系统需要通过多种方式同时对多种配置提供优化支持。因此需要5G网络具备网络开放的能力、可编程性、灵活性和可扩展性，以适应未来网络业务发展的需求。下面将从5G网络的主要需求，分析并总结5G网络架构的主要特征。
移动互联网和物联网业务的迅猛发展以及网络部署运营需求为未来5G网络带来了极大的挑战，需要从无线频谱、接入技术以及网络架构等多个层面综合考虑。为了能够更加清楚地刻画未来5G网络架构的特征，下面将从5G网络主要性能目标出发，分析讨论5G网络的关键技术，并重点分析未来5G网络架构应该具备的技术特征和目标。
为适应未来移动网络数据流量增加1 000倍以上以及用户体验速率提升10～100倍的需求[4,16]， 5G 网络不仅需要大幅提升无线接入网络的吞吐量，同时也需提升核心网、骨干传输链路以及回传链路的容量。
对于无线接入网面临的挑战，5G 网络则需要从如何利用先进的无线传输技术、更多的无线频谱以及更密集的小区部署等方向进行规划设计[17,18]。
1.先进的无线传输技术
为了最大程度地提升无线系统容量，5G 网络需要借助一系列先进的无线传输技术进一步提升无线频谱资源的利用率，主要包括大规模天线技术、高阶编码调制技术、新型多载波技术、新型多址接入技术、全双工技术等。
其中大规模天线技术是在现有多天线技术的基础上通过大幅度增加发射端和接收端天线数目提升无线信道的空间分辨率，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天线技术提供的空间自由度与基站进行通信，从而在不需要增加基站密度和带宽的情况下大幅度提高频谱效率[17-21]。同时，大规模天线还具有其他优势：第一，可以将波束集中在很窄的范围内，从而大幅度降低干扰；第二，可大幅度降低发射功率，提高功率效率；第三，当天线数目足够大时，最简单的线性预编码和线性检测器趋于最优，且噪声和不相关干扰可忽略不计。除此之外，大规模天线技术与高阶调制编码技术（如256QAM）结合使用，则可以更进一步提升频谱利用率和整个无线网络的系统容量。
另外，新型多载波技术、新型多址接入技术、新型干扰消除技术、全双工技术等无线传输技术都可以有效提升频谱利用率[22-26]。
2.无线频谱
不同的无线频段具备不同的无线信道特征，频段的选择直接影响了移动通信系统空口以及网络架构的设计。由于3 GHz以下频段具备较好传播特性，目前大部分移动通信系统主要工作在该频段范围，导致该频段已经消耗殆尽。为了适应未来移动通信对频谱带宽的要求， 5G 网络需要对高频段甚至超高频段（例如毫米波频段）进行深度开发利用。除此之外，非授权频段的使用、离散频段的聚合以及低频段的重耕等都为满足未来频谱资源的需求提供了可能的解决方案。由于高频段具有较高的路径传播损耗，使得其更适用于视距范围内的短距离通信传输。但是高频段却更易于实现大规模天线的小型化，此时通过大规模天线技术的波束成形增益可以有效解决高频段覆盖可能存在的不足[27]。
3.小区加密
目前提升无线接入系统容量的三大主要方案，除了增加频谱带宽和提高频谱利用率外，最为有效的办法依然是通过加密小区部署从而提升空间复用。据统计，1957—2000年，通过采用更宽的无线频谱资源使得无线系统容量提升了约25倍，而大带宽无线频谱细分成多载波同样带来了无线系统容量约5倍的性能增益，并且先进的调制编码技术也将无线系统性能提升了5倍。然而，通过小区半径减小增加频谱资源空分复用的方式则带来了系统吞吐量约1 600倍的性能提升[28-30]。传统的无线通信系统通常采用小区分裂的方式减小小区半径，然而随着小区覆盖范围的进一步缩小，小区分裂将很难进行，需要通过在室内外热点区域密集部署低功率小基站（包括小小区基站、微小区基站、微微小区基站以及毫微微小区基站等），提升整个系统容量，形成超密集网络（ultra dense network，UDN）。在超密集网络的环境下，整个系统吞吐量随着小区密度的增加近乎线性增长[27,31]。同时，由于超密集组网缩短了基站与终端用户的距离，可以一定程度克服高频段传输损耗较高的问题。
可以看出，超密集网络是解决未来5G网络数据流量1 000倍以及用户体验速率10～100倍提升的有效解决方案。据预测，在未来无线网络中，在宏基站覆盖的区域中，各种无线接入技术（RAT）的小功率基站的部署密度将达到现有站点密度的10倍以上[17]，形成超密集的异构网络，如图1-12所示。
然而超密集网络通过降低基站与终端用户间路径损耗、增大有效接收信号，同时提升了干扰信号。换句话说，超密集网络降低了热噪声对无线网络系统容量的影响，使其成为一个干扰受限系统。如何有效进行干扰消除、干扰协调，成为超密集组网场景下提升链路容量需要重点考虑的问题。更进一步，小区密度的急剧增加也使得干扰变得异常复杂。此时，5G网络除了需要在接收端采用更先进的干扰消除技术外，还需要具备更加有效的小区间干扰协调机制。考虑到现有LTE网络采用的分布式干扰协调技术（ICIC），其小区间交互控制信令负荷会随着小区密度的增加以二次方趋势增长，极大地增加网络控制信令负荷。因此，在未来5G网络超密集部署的场景下，通过局部区域内的簇化集中控制，解决小区间干扰协调问题，成为未来5G网络架构的一个重要技术特征。
基于簇化的集中控制，不仅能够解决未来5G网络超密集部署的干扰问题，而且能够更加容易地实现相同RAT下不同小区间的资源联合优化配置、负载均衡等以及不同RAT系统间的数据分流、负载均衡等，从而提升系统整体容量和资源整体利用率。
考虑到超密集组网场景下单小区的覆盖范围较小，会导致具有较高移动速度的终端用户遭受频繁切换，从而导致用户体验速率显著下降。为了能够同时考虑“覆盖”和“容量”这两个无线网络重点关注的问题，未来5G接入网络可以通过控制面与数据面的分离，即分别采用不同的小区进行控制和数据面操作，从而实现未来网络对于覆盖和容量的单独优化设计[33]。此时，未来5G接入网可以灵活地根据数据流量的需求在热点区域扩容数据面传输资源，例如小区加密、频带扩容、增加不同RAT系统分流等，并不需要同时进行控制面和数据面增强。因此，无线接入网控制面与数据面的分离将是未来5G网络的另一个主要技术特征。以超密集异构网络为例，通过控制面与数据面分离，室外宏基站主要负责提供覆盖（控制面和数据面），小区低功率基站则专门负责提升局部地区系统容量（数据面）。不难想象，通过控制面与数据面分离实现覆盖和容量的单独优化设计，终端用户需要具备双连接甚至多连接的能力[34]。
终端直通（D2D）技术作为除小区密集部署之外缩短发送端和接收端距离的另一种有效方法，既实现了接入网的数据流量分流，同时也提升了用户体验速率和网络整体的频谱利用率[35]。因此，D2D技术也是未来5G网络提升用户速率体验的关键技术之一。然而，在D2D场景下，不同收发终端用户对间以及不同收发用户对与小区收发用户间的干扰，依然需要无线接入网具备局部范围内的簇化集中控制，实现无线资源的协调管理，从而降低相互间干扰，提升网络整体性能。
未来5G网络数据流量密度和用户体验速率的急剧增长，除了对无线接入网带来极大挑战，核心网同样也经受着更大数据流量的冲击。因此，在前述5G无线接入网增强的基础上，还需要对未来核心网的架构进行重新思考。
图1-13给出了传统的LTE网络架构，可以看出核心网负责基站与互联网之间的数据传输。其中服务网关（SGW）和PDN（分组数据网络）网关（PGW）主要负责处理用户面数据转发。同时，PGW还负责内容过滤、数据监控与计费、接入控制以及合法监听等网络功能。数据从终端用户到达PGW网关并不是通过直接的三层路由方式，而是通过GTP（GPRS tunneling protocol）隧道的方式逐段从基站送到PGW。LTE网络移动性管理功能由网元MME负责，但是SGW和PGW上依然保留了GTP隧道的建立、删除、更新等GTP控制功能。
因此，传统LTE核心网控制面与数据面分割不彻底，且数据面功能过于集中，使得网络存在如下局限性[36-38]。
（1）数据面功能过度集中在LTE网络与互联网边界的PGW上，要求所有数据流必须经过PGW，即使是同一小区用户间的数据流也必须经过PGW，给网络内部新内容应用服务的部署带来困难。同时数据面功能的过度集中也对PGW的性能提出更高要求，且易导致PGW成为网络吞吐量的瓶颈。
（2）网关设备控制面与数据面耦合度高，导致控制面与数据面需要同步扩容。由于数据面的扩容需求频度通常高于控制面，二者同步扩容一定程度上增加了设备的更新周期，同时带来设备总体成本增加。
（3）用户数据从PGW到e NB的传输仅能根据上层传递的Qo S参数转发，难以识别用户的业务特征，导致很难对数据流进行更加灵活精细的路由控制。
（4）控制面功能集中在SGW、PGW，尤其是PGW上，包括监控、接入控制、Qo S控制等，导致PGW设备变得异常复杂，可扩展性变差。
（5）网络设备基本是各设备商基于专用设备开发定制而成，运营商很难将由不同设备商生产的网络设备进行功能合并，导致灵活性变差。
针对传统LTE核心网面临的问题，未来5G网络为了能够更好地适应网络数据流量的激增，核心网架构需要支持本地分流、控制面与数据面分离、控制面集中化以及基于通用硬件平台实现软件与硬件解耦等，从而具备灵活性和可扩展性。
通过数据面下沉本地分流的方式可以有效避免未来5G核心网数据传输瓶颈的出现，同时提升了数据转发效率。其次，通过核心网网关控制面与数据面的分离，使得网络发展能够根据需求实现对控制面与数据面的单独扩容、升级优化，从而加快了网络升级更新和新业务上线速度，并一定程度地降低了网络升级和新业务部署成本。更进一步，通过控制面集中化使得5G网络能够根据网络状态和业务特征等信息，实现灵活细致的数据流路由控制。除此之外，基于通用硬件平台实现软件与硬件解耦可有效提升5G核心网的灵活性和可扩展性，从而避免基于专用设备带来的问题，且更易于实现控制面与数据面分离以及控制面集中化。
除上述通过提升未来5G核心网数据处理能力应对数据流量爆炸式增长的技术外，缓存和移动边缘计算可以根据用户需求和业务特征等信息，有效降低网络传输所需数据流量[39-41]。数据统计证明，缓存技术在3G网络和LTE网络的应用可以降低1/3～2/3的移动数据量[42,43]。为了能够更好地发挥缓存以及移动边缘计算技术可能带来的性能提升，未来5G网络需要基于网络大数据实现智能化的分析处理。
为了能够应对未来基于机器到机器的物联网新型业务在工业控制、智能交通、环境监测等领域应用带来的毫秒级时延要求，5G 网络需要从空口、硬件、协议栈、骨干传输、回传链路以及网络架构等多个角度联合考虑。
据估算，以未来5G无线网络能够满足的1 ms的时延要求为目标，留给物理层的时间最多只有100 µs[14,44]，LTE网络中1 ms传输时间间隔（TTI）以及67 µs的OFDM符号长度已经无法满足要求，如图 1-14 所示。然而，广义频分复用（generalized frequency division multiplexing,GFDM）技术作为一种潜在的物理层技术，成为有效解决5G网络毫秒级时延要求的潜力技术[44]。
除此之外，通过内容缓存以及D2D技术同样可以有效降低数据业务端到端时延[40,41]。以内容缓存为例，通过将受欢迎内容（热门视频等）缓存在核心网，可以有效避免重复内容的传输，更重要的是降低了用户访问内容的时延，很大程度提升了用户体验。图1-15给出了目前3种缓存机制与无缓存的示意。可以看出，通过合理有效的受欢迎内容排序算法和缓存机制，将相关内容缓存在基站或者通过D2D方式直接获取所需内容，可以更进一步地提高缓存命中率，提升缓存性能。
考虑到基站的存储空间限制以及在UDN场景下每小区服务用户数目较少使得缓存命中率降低，从而无法有效降低传输时延。因此，未来5G网络除了要支持核心网缓存外，还需要能够支持基站间合作缓存机制，并通过簇化集中控制的方式判断内容的受欢迎度以及内容存储策略。同理，不同RAT系统间的内容缓存策略，同样需要5G网络能够进行统一的协调管理。
除此之外，更高的网络传输速率、本地分流、路由选择优化以及协议栈优化等都对降低网络端到端时延有很大帮助。
为了能够应对到2020年终端连接数目10～100倍的迅猛增长，一方面可以通过无线接入技术、合理利用频谱、小区加密等方式提升5G网络整体容量满足海量终端连接，譬如超密集组网使得每个小区的服务终端数目降低，缓解了基站负荷。另一方面，用户分簇化管理以及中继等技术可以将多个终端设备的控制信令以及数据进行汇聚传输，降低网络的信令和流量负荷。同时，对于具有小数据突发传输的MTC终端，可以通过接入层和非接入层协议的优化合并以及基于竞争的非连接接入方式等，降低网络的信令负荷。
值得注意的是，海量终端连接除了带来网络信令和数据量的负荷外，最棘手的是海量终端连接意味着网络中将同时存在各种各样需求迥异、业务特征差异巨大的业务应用，即未来 5G 网络需要能够同时支持各种各样差异化业务。以满足某类具有低时延、低功耗的MTC终端需求为例，协议栈简化处理是一种潜在的技术方案。然而，同一小区内如何同时支持简化版本与非简化版本的协议栈则成为5G网络需要面临的棘手问题。因此，未来5G网络首先需要具备可编程性，即可以根据业务、网络等要求实现协议栈的差异化定制。其次，5G网络需能够支持网络虚拟化，使得网络在提供差异化服务的同时保证不同业务相互间的隔离度要求。
未来 5G 网络超密集的小区部署以及多种多样移动互联网业务和物联网业务的推广运营，极大程度地增加了网络建设部署和运营维护成本。根据Yankee Group统计，网络成本占据整个服务提供商成本的30%，如图1-16所示。
首先，为了能够降低超密集组网带来的网络建设、运营和维护复杂度以及成本的增加，一种可能的办法是通过减少基站的功能，从而降低基站设备的成本。例如基站可以仅完成层一和层二的处理功能，其余高层功能则利用云计算技术实现多个小区的集中处理[45]。对于这种轻量级基站，除了功能减少带来的成本降低外，第三方或个人用户部署的方式则会更进一步降低运营商的部署成本。除此之外，轻量化基站的远程控制、自优化管理等同样可以降低网络的运营维护成本。
其次，传统的网络设备是各设备商基于专用设备开发定制而成，新的网络功能以及业务引入通常意味着新的网络设备实体的研发部署。新的专用网络设备将带来更多的能耗、设备投资以及针对新的设备而需要的技术储备、设备整合以及运营管理成本的增加。更进一步，网络技术以及业务的持续创新使得基于专用硬件的网络设备生命周期急剧缩短，降低了新业务推广带来的利润增长。因此，对于服务提供商，为了能够降低网络部署和业务推广运营成本，未来5G网络有必要基于通用硬件平台实现软件与硬件解耦，从而通过软件更新升级方式延长设备的生命周期，降低设备总体成本。另外，通过软硬件解耦加速新业务部署进度，为新业务快速推广赢得市场提供有力保证，从而带来服务提供商利润的增加。
考虑到传统的电信运营商为保持核心的市场竞争力、低成本以及高效率的运营状态，未来可能将重点集中于其最为擅长的核心网络的建设与维护，对于大量的增值业务和功能化业务则将转售给更加专业的企业，合作开展业务运营。同时用户对于业务的质量和服务的要求也越来越高，促使了国家首批移动通信转售业务运营试点资格（虚拟运营商牌照）的颁发。从商业的运作上看，虚拟运营商并不具有网络，而是通过网络的租赁使用为用户提供服务，将更多的精力投入对于新业务的开发、运营、推广、销售等领域，从而为用户提供更为专业的服务。为了能够降低虚拟运营商的投资成本，适应虚拟运营商差异化要求，传统的电信运营商需要在同一个网络基础设施上为多个虚拟运营商提供差异化服务，同时保证各虚拟运营商间相互隔离，互不影响。
因此，未来5G网络首先需要具备可编程性，即可以根据虚拟运营商业务要求实现网络的差异化定制。其次，5G 网络需能够支持网络虚拟化，使得网络在提供差异化服务的同时保证不同业务相互间的隔离度要求。
不同于传统的无线网络仅仅以系统覆盖以及容量为主要目标进行设计，未来5G网络除满足覆盖和容量这两个基本需求外，还需进一步提高5G网络的能效。5G网络能效的提升一方面意味着网络能耗的降低，缩减了服务提供商的能耗成本，另一方面代表终端待机时长的延长，尤其是MTC类终端的待机时长。
首先，无线链路能效的提升可以有效降低网络和终端的能耗。例如，超密集组网通过缩短基站与终端用户距离，极大地提升无线链路质量，有效提升链路的能效。大规模天线通过无线信号处理的方法可以针对不同用户实现窄波束辐射，增强无线链路质量的同时减少能耗以及对应的干扰，从而可以有效提升无线链路能效。除此之外，针对网络设备以及终端，高能效的硬件设备以及数据处理算法等同样对提升网络能效有一定帮助。
其次，在通过控制面与数据面分离实现覆盖与容量分离的场景下，其中用于提升系统容量的小区，由于其较小的覆盖范围以及终端的快速移动，使得此类小区负载以及无线资源使用情况骤变。此时，用于提升容量的小区可以在统一协调的机制下根据网络负荷情况动态地实现打开或者关闭，从而在不影响用户体验的情况下降低网络能耗。同时，终端选择合适的小区接入对于其能耗的影响也需要加以考虑。因此，未来5G网络需要通过簇化集中控制的方式并基于网络大数据的智能化分析处理，实现小区动态关闭/打开以及终端合理的小区选择，提升网络和终端能效。
对于无线终端，除通过上述办法提升能效延长电池使用寿命外，采用低功耗高能效配件（如处理器、屏幕、音视频设备等）也可以有效延长终端电池寿命。更进一步，通过将高能耗应用程序或其他处理任务从终端迁移至基站或者数据处理中心等，利用基站或数据处理中心强大的数据处理能力以及高速的无线网络，实现终端应用程序的处理以及反馈，可有效缩减终端的处理任务，延长终端电池寿命。
综上所述，为了满足未来5G网络目标性能要求，即数据流量密度提升1 000倍、设备连接数目提升10～100倍、用户体验速率提升10～100倍、MTC终端待机时长延长10倍以及端到端时延降低5倍以及未来网络更低成本、更高能效等可持续发展的要求，需要从无线频谱、接入技术以及网络架构等多个角度综合考虑。图1-17概括总结了5G网络需求、关键技术以及5G网络架构主要特征的对应关系。
可以看出，未来5G网络架构的主要技术特征包括：接入网侧通过控制面与数据面分离实现覆盖与容量的分离或者部分控制功能的抽取，通过簇化集中控制实现无线资源的集中式协调管理。核心网侧则主要通过控制面与数据面分离以及控制面集中化的方式实现本地分流、灵活路由等功能。除此之外，通过软件与硬件解耦和前述四大技术特征的有机结合，使得未来5G网络具备网络开放能力、可编程性、灵活性和可扩展性。
IT新技术的发展给满足5G网络架构技术特征带来了希望。其中以控制面与数据面分离和控制面集中化为主要特征的软件定义网络（SDN）技术以及以软件与硬件解耦为特点的网络功能虚拟化技术的结合，有效地满足未来5G网络架构的主要技术特征，使5G网络具备开放能力、可编程性、灵活性和可扩展性。更进一步，基于云计算技术以及网络与用户感知体验的大数据分析，实现业务和网络的深度融合，使5G网络具备用户行为和业务感知能力，更加智能化。
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