2014年，IMT-2020(5G)推進組發(fā)布了第一份白皮書，第五代移動通信系統(tǒng)被提上日程，有望在2020年完成整個網(wǎng)絡與系統(tǒng)的部署。未來的數(shù)據(jù)流量，網(wǎng)絡連接設備總量將會發(fā)生爆炸式增長，業(yè)務需求將會發(fā)生顛覆性變化，物聯(lián)網(wǎng)與移動互聯(lián)網(wǎng)將會相互融合，為人們提供多元化服務，如車聯(lián)網(wǎng)，智能家居，智慧醫(yī)療，業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，超高清3D時頻等。文章介紹實現(xiàn)以上高速率，靠可靠性，低時延，智能化，功能多元化的5G網(wǎng)絡實現(xiàn)的網(wǎng)絡架構(gòu)以及關鍵技術，如大規(guī)模MIMO，軟件定義網(wǎng)，自組網(wǎng)技術等。
1. 5G網(wǎng)絡架構(gòu)
5G網(wǎng)絡的構(gòu)建需要達到超高速率，大吞吐量，超高可靠性，超低延時等指標，來為用戶提供最佳的體驗。在整個網(wǎng)絡的部署當中，5G網(wǎng)絡的部署應該具有以下特性：具有靈活的網(wǎng)絡架構(gòu)以及多種接口來支持不同而向多種業(yè)務的接入，在鏈路性能上能夠用多跳的方式進行網(wǎng)絡覆蓋以及實現(xiàn)基站的Mac層和用戶的直通，同時整個網(wǎng)絡能夠根據(jù)環(huán)境以及業(yè)務需求來自組織，自配置，智能化的將網(wǎng)絡最優(yōu)化。
5G核心網(wǎng)的關鍵技術以及網(wǎng)絡架構(gòu)中探討到：通過采用全IP方式以及納米核心網(wǎng)的新型網(wǎng)絡架構(gòu)能夠進行網(wǎng)關的無縫切換。為了滿足5G網(wǎng)絡能夠隨時隨地接入網(wǎng)絡的要求，對于5G網(wǎng)絡構(gòu)建的重要指標是能夠靈活擴展，因此采用扁平化IP網(wǎng)絡架構(gòu)，通過分布云的的移動核心信息傳遞功能，分布式軟件架構(gòu)和邏輯網(wǎng)關以及網(wǎng)絡虛擬化等技術，將垂直的網(wǎng)絡架構(gòu)演進成分布式水平網(wǎng)絡架構(gòu)。從另一層而上來看，通用扁平化架構(gòu)就是將無線接口技術與核心網(wǎng)的演進相分離，從而借助接口實現(xiàn)即插即用的效果，即多種無線接入技術融合到統(tǒng)一的核心網(wǎng)當中，從而使網(wǎng)絡具有更好的靈活性以及拓展性。對于5G的核心網(wǎng)中涉及到的主要技術有SDN(software defined network)，集中式網(wǎng)絡控制器將從網(wǎng)絡分離后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平而上的流量分配給網(wǎng)絡元件，實現(xiàn)拓撲感知，路由決策。另一個技術是網(wǎng)絡功能虛擬化，即：將核心網(wǎng)設備轉(zhuǎn)移到高新能服務器，同時將網(wǎng)元功能移植到虛擬平臺。
2. 5G關鍵技術
2.1 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡
5G網(wǎng)絡是一種利用宏站與低功率小型化基站(Micro-BS，Pico-BS，F(xiàn)emto-BS)進行覆蓋的融WiFi，4G，LTE，UMTS等多種無線接入技術混合的異構(gòu)網(wǎng)絡。隨著蜂窩范圍的逐漸減小，使得頻譜效率得到了大幅提升。隨著小區(qū)覆蓋而積的變小，最優(yōu)站點的位置可能無法得到，同時小區(qū)進一步分裂難度增加，所以只能通過增加站點部署密度來部署更多的低功率節(jié)點。超密集異構(gòu)網(wǎng)絡可以使功率效率，頻譜效率得到大幅提升，但是也不可避免的引入了一些問題。從物理層這個角度看需要多速率接入要求，如低速的傳感器網(wǎng)絡到高速率的多媒體服務。從異構(gòu)網(wǎng)絡這個角度，超密集異構(gòu)網(wǎng)絡需要一種能夠具有可擴展的幀結(jié)構(gòu)的空中接口來滿足不同頻段頻率的接入。超密集異構(gòu)網(wǎng)絡還需要根據(jù)終端的使用情況以及終端所處的環(huán)境進行大量的預測，并在網(wǎng)絡狀態(tài)，信道環(huán)境，需求量突變前進行有效的前攝管理。
2.2 大規(guī)模MIMO技術
大規(guī)模MIMO運用多天線技術，大規(guī)模天線陣列可以通過天線的空分特性(具有高分辨率的空間自由度)，使相同時頻資源能同時服務若干用戶，能夠有效的頻譜效率，增加傳輸?shù)目煽啃浴arzetta 提出每個基站布置超出現(xiàn)有天線數(shù)數(shù)量級超多天線用于時分復用條件下，發(fā)現(xiàn)可以在同一時頻資源上服務幾個用戶。多天線技術的波束成型可以限制波束在很小的范圍內(nèi)，因此可以降低干擾從而有效降低發(fā)射功率。
多天線技術帶來了更多的空間自由度，因此使信道的反應更加精準，從而降低了各種隨機突發(fā)情況信道性能的降低。由于多天線占用空間太大，實現(xiàn)的復雜度太高，一般基站多采用4天線技術。王海榮，王玉輝等人提出由于同一小區(qū)內(nèi)導頻正交，但相鄰小區(qū)間導頻進行復用會引起導頻污染，制約了多天線技術的瓶頸，因此他們提出一種上行導頻功率控制法，將通常的導頻發(fā)射時隙分為兩段，使交叉增益相對較大的導頻發(fā)射時隙錯開，從而降低導頻污染。由于大規(guī)模天線技術中將會出現(xiàn)低功率小型天線以及大量的低功率放大器，因此大規(guī)模的天線部署的拓撲結(jié)構(gòu)，實際信道之間的正交性程度必須被確定，以及如何有效的解決天線互禍合等難題。
由于5G的超密集異構(gòu)網(wǎng)絡的應用，在小區(qū)范圍縮小的情況下肯定不需要大規(guī)模天線技術的應用，但是大規(guī)模MIMO的應用可能會帶來空間零陷(spatial nulling)以及避免干擾等優(yōu)點，所以研究大規(guī)模MIMO與小區(qū)(small cell)相互補的模型也是一個要解決的問題。
2.3 FBMC
FBMC的提出是為解決OFDM18載波旁瓣較大，在各載波不能嚴格同步時相鄰載波將會產(chǎn)生較大干擾，在較低頻段不能支持需要連續(xù)高達1G帶寬等高速率業(yè)務需求等問題提出的基于濾波組的多載波技術(filter bank multicarrier)。原理是在發(fā)端通過合成濾波組來實現(xiàn)多載波調(diào)制，在收端通過分析濾波組實現(xiàn)多載波解調(diào)。Jean-Baptiste Dore提到在CS(信道狀態(tài)信息channel state information)處于理想情況下，與OFDM相比FBMC具有更高的能量效率，但在CSI不理想的情況下碼間干擾(ISI)以及載波間干擾(ICI)將會使FBMC的性能輸于OFDM，提出在MIMO情景下的特殊的波束成型來提升FBMC性能。Jean-Baptiste Dore在另一篇文章中提到當導頻序列分散在片段頻譜上，或者沒有分布于每個載頻，一種時域上的插值(根據(jù)導頻在信道上的值進行反傅里葉變換)處理將會可以彌補這一缺陷使信道響應不會因為載頻而受到影響。
2.4 毫米波通信
毫米波頻段一般為30-300GHZ，毫米波通信即使在考慮各種損耗與吸收的情況下，大氣窗口也能為我們提供135GHz的帶寬，在頻譜資源緊缺的情況下，采用毫米波通信能夠很有效的提升通信容量。由于5G的超密集異構(gòu)網(wǎng)絡，基站間距在不到200米的情況五由于毫米波具有波束窄的特點，具有很強的抗干擾能力，并且空氣對毫米波的吸收，會減小對相鄰基站間的干擾。
3.結(jié)語
第五代通信系統(tǒng)將會在終端，網(wǎng)絡，無線接入等方而進行融合及創(chuàng)新，具備眾多優(yōu)點，首先5G網(wǎng)絡以人為本，能夠為我們提供高速率，高可靠性，低時延的服務，讓我們享受流媒體，超高清視頻等業(yè)務，另一方而，萬物互聯(lián)這個角度來看，5G網(wǎng)絡將是一艘巨大的航母，首先5G網(wǎng)絡具有很靈活的可擴展的網(wǎng)絡架構(gòu)，能夠根據(jù)需求進行組網(wǎng)，同時5G網(wǎng)絡能夠涵蓋不同行業(yè)用戶以及開展多種業(yè)務類型，如智慧醫(yī)療，農(nóng)業(yè)監(jiān)測，業(yè)設備監(jiān)測等。最后5G網(wǎng)絡將會比現(xiàn)在通信系統(tǒng)更加綠色，具有低功耗，節(jié)能的特點。
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