1   5G定义 
　　尽管4G还远未达到充分商用的程度，但目前行业对5G（Fifth Generation）的热情表明5G距离我们其实并不遥远。结合5G发展的态势来看，5G不仅是移动宽带技术的演进，而且会对整个产业带来革命性的影响，并改变每个人的工作和生活方式，使人类社会全面进入到数字化时代。未来30年，所有的事情都将通过物联网被连接。不仅百度公司总裁张亚勤、日本软银集团董事长孙正义对此深信不疑，在众多领袖人物云集论道的世界互联网大会上，物联网也被不断提及。物联网的2个最重要的核心需求是海量的连接和1ms左右的时延，而目前的网络，包括LTE及LTE-Advanced也无法给予支撑，5G网络则完全可以满足。另外，当前全球运营商普遍处于管道化危机中，未来运营商如何提升网络体验是关键，这是从话音经营走向流量经营所面临的最现实和最严酷的问题。 
　　但是截至今天，业界对5G的认知仍然比较模糊，其基本诉求、技术标准、应用场景等也未达成共识，不同厂商提出了不同的概念。华为率先提出了3个Everything的未来趋势，它们分别为“Everything on Mobile”，即人们希望1天24小时、1周7天随时随地利用各种终端设备接入网络，与不同地方的亲友分享资料、照片、影片等;“Everything Connected”，即面向2020年及未来，智慧城市、工业控制、环境监测、车联网、电子银行、电子教学和电子医疗等核心服务的移动性普及爆发式增长;“Every Function Virtualized”，即5G技术支持虚拟化，其结果将导致大量云端存储和计算，产生超级流量和低时延高可靠的需求。中兴提出了pre 5G的概念，即在深入理解5G技术的前提下，对于特定的场景，可将5G中的部分技术直接应用到4G中来，甚至可以不需要改变空中接口标准，直接采用4G终端实现。如Virtual Cell（虚拟小区技术）可有效解决4G无法解决的小区边缘干扰问题;MUSA（Multi-User Shared Access，多用户共享接入技术）可使网络容量得到明显提升;基于Coding（码分）的设计可大幅度提升同时接入用户数;采取非正交的SIC接收机，用户之间不需要同步，特别有助于延长终端侧电池的寿命。与中兴和华为相比，爱立信对5G标准的研究还处于初级阶段，但早在2011年，爱立信便发布了“网络社会”的愿景，认为实时连接将彻底改变人们持续创新、协作、生产、管理和生活的方式，机器类通信将是5G网络的最显著变化。2012年11月欧盟成立了METIS（Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-twenty（2020）Information Society），由29个成员组成，其中包括爱立信、法国电信等主要设备商和运营商，欧洲众多的学术机构以及BMW集团。爱立信不仅负责METIS的总体项目管理，还承担标准制定与发布、系统设计与性能指标这2项核心任务。METIS的计划是：2012年～2015年，探索5G新架构、基本原理和系统概况;2016年～2018年进行第2阶段，主要实施系统优化、标准化和网络试验;2018年～2020年进行第3阶段，主要是进行试商用。如果一切顺利，预计全球在2020年可全面进行5G商用。 
　　从以上趋势中可以看出5G网络技术所需要承担的能力和具备的指标，即实现万物互连的高速率、大容量和低时延。可以这样预测：5G技术为4G技术的持续演进加上了革命性的技术创新，它既是下一代移动通信网络基础设施，更是未来数字世界的使能者，真正地变革到万物互连，服务于全连接社会的构筑。和4G相比，5G能够实现单位面积移动数据流量增长1000倍、用户典型数据速率提升10～100倍、峰值传输速率可达10Gbps、端到端时延缩短5倍、可连网设备的数量增加10～100倍、每比特能源消耗可降至千分之一以及低功率电池续航时间增加10倍等。 
2   5G主要技术 
　　新一代移动网络通常意味着全新的架构，考虑到流量增长的趋势，5G势必要在网络上进行彻底的变革，如基于软件驱动的架构、极高密度的流体网络、更高频段以及更广泛的频谱范围、满足数十亿乃至上百亿的终端设备接入需求、Gbps量级的容量等，这些都是无法由目前的网络提供的。当然结合现有的网络技术发展以及用户需求，考虑到5G技术还没有形成一个事实上统一的标准，这里只是大致讨论一下5G的相关技术。

    （1）极致增密 
　　网络增密不是新技术，在3G网络刚开始遇到拥堵问题时，移动运营商就意识到需要在系统或多个扇区引入新的蜂窝，这带动了Small Cell等多种类似产品的兴起，这一技术本质上是把接入点移至离用户更近的地方。5G网络很可能是由多层连接组成，即由不同大小、类型的小区构成异构网络，对数据连接速率要求低的区域用宏站层覆盖，对传输速率要求高的区域用颗粒层覆盖，中间再穿插其他的网络层。5G网络部署和协调是其主要的挑战，因为运营商需要以指数级来增长网络层。 
　　（2）多网协同 
　　未来会有多张网络一起为用户提供连接：移动蜂窝、Wi-Fi、终端对终端连接等。5G系统应该能紧密协调这些网络，为用户提供不中断的顺畅体验，如目前的Hotspot2.0。但目前协同多张网络仍然是一个难题，5G能否让终端在几张网络间顺利完成无缝切换，还有待观察。 
　　（3）全双工 
　　目前所有的移动通信网络都依赖双工模式来管理上传和下载，如LTE FDD，其上行和下行需要2个单独的信道，而TD-LTE无论上行还是下行都采用同一个信道，只是时隙不同而已。要想协调好上下行，双工模式是必需的，但全双工技术仍在讨论中。基于全双工的终端设备可同时发送和接收信息，这就有可能使现有的FDD和TDD系统容量翻番。 
　　当然这项技术也存在巨大的挑战：需要从根本上消除自干扰，在网络和设备层面都需要有革命性的变化。 
　　（4）毫米波 
　　目前，450MHz—2.6GHz的低频段频谱几乎已全部用于移动通信了，而高频段仍然有比较丰富的频谱资源可利用，甚至高达300GHz。相比运营商熟悉的低频段频谱，应用好这些高频段频谱所面临的技术挑战也复杂很多，比如频段越高，建筑物穿透就越困难，一堵简单的墙就能成为毫米波信号的穿透障碍。 
　　毫米波可以用于室内Small Cell，这符合网络增密的原则，为一些密集区域提供高速连接。毫米波的高频段特性意味着天线会非常的小，对设备影响的范围也相当小。然而毫米波是一项超前的技术，可能需要很多年的研发，才能使其具备成本效益并大规模投向市场。需要注意的是，毫米波技术的发展也不是最新的，2009年成立的WiGig联盟旨在建立全球千兆级高速无缝传输的产业链，重点关注60GHz频段，这个联盟汇聚了无线领域几乎所有的行业巨头。 
　　（5）大规模阵列天线 
　　LTE-Advanced网络已经采用了MIMO技术，相比单一天线，MIMO能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。大规模阵列天线MIMO技术是MIMO技术的扩展和延伸，其基本特征就是在基站侧配置大规模的天线阵列（从几十至几千），利用SDMA（空分多址）原理，同时服务多个用户。这一技术为网络容量提升带来的益处是非常大的，当然也存在巨大的挑战。 
　　（6）虚拟化、软件控制以及云架构 
　　向5G演进的并行趋势还有软件和云，届时网络是由分布式数据中心驱动的，由后者提供敏捷性、集中控制以及软件升级。像SDN（Software Defined Network，软件定义网络）、NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）、云以及开放生态系统都有可能是5G的基础技术，目前业界也在继续讨论如何利用这些技术和体系架构的优势。 
　　当然，考虑到现有的产业能力和需求，以上提及的所有技术都有可能应用到5G网络中，最后选定哪些技术可能需要一个比较漫长的比较过程，最终取决于性能、部署、成本、政策等多项因素，成本有可能是权重最大的一个。 
3   5G发展遇到的问题 
　　虽然众多厂商和技术创新组织陆续在5G上投入重兵，并纷纷在2014上半年发布了5G技术研发成果及白皮书，国内产学研界也走过了初期的概念验证阶段，但5G网络要实现真正商用还有大量尚未解决的问题。 
　　（1）标准融合 
　　在2G和3G时代，不同的通信标准间存在较大的差异，而到了4G时代，TD-LTE和LTE FDD在无线侧拥有90%的相似性，而在核心网方面则拥有95%的相似度，在5G时代，这种融合的趋势会更加明显。但标准的融合需要产业链各个环节的介入，如基站系统设备、终端芯片、仪器仪表厂商等，这也给标准的融合增加了不少难度。此外关于5G的技术研究，仍然处于早期的研究阶段，未来还将经过技术研究、标准化、外场试验等阶段，并最终实现商用部署，因此距离标准化尚需时日。 
　　（2）频谱使用 
　　随着移动通信的发展，无线电频谱资源日渐稀缺，尤其是优质的低频谱资源逐渐分配完毕，剩下的都是高频段资源。这种高频段资源更适合在室内场景使用，室外覆盖的效果欠佳。高频段资源对基站的覆盖提出了挑战，如何在不影响网络性能的条件下尽量扩大5G网络的覆盖范围是必须解决的问题。而且5G对频谱的利用更加灵活，包括对称频段和非对称频段、重用频谱和新频谱、低频段和高频段、授权频段和非授权频段等，这些都为将来的频谱分配及原则制定增加了难度。 
　　（3）网络能力 
　　5G网络需要具备更强的设备连接能力来应对海量的物联网接入，而传统的移动通信网络在应对未来移动互联网和物联网爆发式发展时，可能会面临一系列问题，如网络能耗、每比特综合成本、部署和维护的复杂度、多制式网络共存、精确监控网络资源和有效感知业务特性等。5G需要解决这些问题，如强调网络架构的灵活可扩展性以适应用户和业务的多样化需求，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等。更泛在、更高的难度需求也提高了5G的商用门槛。 
　　（4）运营成本 
　　运营层面阻碍5G商用的因素主要是流量资费和运营商成本。就前者而言，5G要实现速率增加10～100倍的目标，而目前4G的套餐流量跟3G相比仅增长了3～5倍，其主要原因在于价格。在ARPU（Average Revenue Per User，每用户平均收入）变化不明显的前提下，用户付费的意愿会阻碍5G接入速率的增长。而降低流量资费，则必须降低运营商的成本。目前的状况是，除了通信设备价格逐年在下降外，运营商的其他成本，如基础设施、电费、工资等均在上升，因此在总体成本控制上需要做更多的努力。 

作者简介：

肖清华 华信咨询设计研究院有限公司 教授级高级工程师，博士毕业于浙江大学，现任华信邮电咨询设计研究院有限公司网研院副院长，长期从事无线网络规划与设计工作，在移动通信领域的网络规划、优化、工程设计方面有丰富的经验。已发表论文30余篇、出版专著3本、申请专利3项、软件著作权2项。