第五代移動通信技術（英語：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation，簡稱5G或5G技術）是最新一代蜂窩移動通信技術，也是繼4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系統之后的延伸。5G的性能目標是高數據速率、減少延遲、節省能源、降低成本、提高系統容量和大規模設備連接。Release-15中的5G規范的第一階段是為了適應早期的商業部署。Release-16的第二階段將于2020年4月完成，作為IMT-2020技術的候選提交給國際電信聯盟（ITU） [1] 。ITU IMT-2020規范要求速度高達20 Gbit/s，可以實現寬信道帶寬和大容量MIMO。
發展背景
近年來，第五代移動通信系統5G已經成為通信業和學術界探討的熱點。5G的發展主要有兩個驅動力。一方面以長期演進技術為代表的第四代移動通信系統4G已全面商用，對下一代技術的討論提上日程；另一方面，移動數據的需求爆炸式增長，現有移動通信系統難以滿足未來需求，急需研發新一代5G系統 。
5G的發展也來自于對移動數據日益增長的需求。隨著移動互聯網的發展，越來越多的設備接入到移動網絡中，新的服務和應用層出不窮，全球移動寬帶用戶在2018年有望達到90億，到2020年，預計移動通信網絡的容量需要在當前的網絡容量上增長1000倍。移動數據流量的暴漲將給網絡帶來嚴峻的挑戰。首先，如果按照當前移動通信網絡發展，容量難以支持千倍流量的增長，網絡能耗和比特成本難以承受；其次，流量增長必然帶來對頻譜的進一步需求，而移動通信頻譜稀缺，可用頻譜呈大跨度、碎片化分布，難以實現頻譜的高效使用；此外，要提升網絡容量，必須智能高效利用網絡資源，例如針對業務和用戶的個性進行智能優化，但這方面的能力不足；最后，未來網絡必然是一個多網并存的異構移動網絡，要提升網絡容量，必須解決高效管理各個網絡，簡化互操作，增強用戶體驗的問題。為了解決上述挑戰，滿足日益增長的移動流量需求，亟需發展新一代5G移動通信網絡 。
基本概念
5G移動網絡與早期的2G、3G和4G移動網絡一樣，5G網絡是數字蜂窩網絡，在這種網絡中，供應商覆蓋的服務區域被劃分為許多被稱為蜂窩的小地理區域。表示聲音和圖像的模擬信號在手機中被數字化，由模數轉換器轉換并作為比特流傳輸。蜂窩中的所有5G無線設備通過無線電波與蜂窩中的本地天線陣和低功率自動收發器（發射機和接收機）進行通信。收發器從公共頻率池分配頻道，這些頻道在地理上分離的蜂窩中可以重復使用。本地天線通過高帶寬光纖或無線回程連接與電話網絡和互聯網連接。與現有的手機一樣，當用戶從一個蜂窩穿越到另一個蜂窩時，他們的移動設備將自動“切換”到新蜂窩中的天線 。
5G網絡的主要優勢在于，數據傳輸速率遠遠高于以前的蜂窩網絡，最高可達10Gbit/s，比當前的有線互聯網要快，比先前的4G LTE蜂窩網絡快100倍。另一個優點是較低的網絡延遲（更快的響應時間），低于1毫秒，而4G為30-70毫秒。由于數據傳輸更快，5G網絡將不僅僅為手機提供服務，而且還將成為一般性的家庭和辦公網絡提供商，與有線網絡提供商競爭。以前的蜂窩網絡提供了適用于手機的低數據率互聯網接入，但是一個手機發射塔不能經濟地提供足夠的帶寬作為家用計算機的一般互聯網供應商 。
超密集異構網絡
5G 網絡正朝著網絡多元化、 寬帶化、 綜合化、 智能化的方向發展。隨著各種智能終端的普及，面向 2020 年及以后，移動數據流量將呈現爆炸式增長。在未來 5G 網絡中， 減小小區半徑， 增加低功率節點數量，是保證未來 5G 網絡支持 1 000 倍流量增長的核心技術之一 。因此， 超密集異構網絡成為未來 5G 網絡提高數據流量的關鍵技術 。
未來無線網絡將部署超過現有站點 10 倍以上的各種無線節點，在宏站覆蓋區內，站點間距離將保持 10 m 以內，并且支持在每 1 km2 范圍內為 25 000個用戶提供服務 。同時也可能出現活躍用戶數和站點數的比例達到 1∶ 1的現象， 即用戶與服務節點一一對應。密集部署的網絡拉近了終端與節點間的距離，使得網絡的功率和頻譜效率大幅度提高，同時也擴大了網絡覆蓋范圍，擴展了系統容量，并且增強了業務在不同接入技術和各覆蓋層次間的靈活性。雖然超密集異構網絡架構在 5G 中有很大的發展前景，但是節點間距離的減少，越發密集的網絡部署將使得網絡拓撲更加復雜， 從而容易出現與現有移動通信系統不兼容的問題。在 5G 移動通信網絡中，干擾是一個必須解決的問題。網絡中的干擾主要有：同頻干擾，共享頻譜資源干擾，不同覆蓋層次間的干擾等。現有通信系統的干擾協調算法只能解決單個干擾源問題，而在 5G 網絡中，相鄰節點的傳輸損耗一般差別不大，這將導致多個干擾源強度相近，進一步惡化網絡性能，使得現有協調算法難以應對 。
準確有效地感知相鄰節點是實現大規模節點協作的前提條件。在超密集網絡中，密集地部署使得小區邊界數量劇增，加之形狀的不規則，導致頻繁復雜的切換。為了滿足移動性需求， 勢必出現新的切換算法；另外，網絡動態部署技術也是研究的重點。由于用戶部署的大量節點的開啟和關閉具有突發性和隨機性， 使得網絡拓撲和干擾具有大范圍動態變化特性；而各小站中較少的服務用戶數也容易導致業務的空間和時間分布出現劇烈的動態變化 。
自組織網絡
傳統移動通信網絡中， 主要依靠人工方式完成網絡部署及運維，既耗費大量人力資源又增加運行成本，而且網絡優化也不理想。在未來 5G 網絡中，將面臨網絡的部署、 運營及維護的挑戰， 這主要是由于網絡存在各種無線接入技術， 且網絡節點覆蓋能力各不相同，它們之間的關系錯綜復雜。因此，自組織網絡(self-organizing network， SON) 的智能化將成為 5G 網絡必不可少的一項關鍵技術 。
自組織網絡技術解決的關鍵問題主要有以下 2點：①網絡部署階段的自規劃和自配；②網絡維護階段的自優化和自愈合。自配置即新增網絡節點的配置可實現即插即用，具有低成本、 安裝簡易等優點。自優化的目的是減少業務工作量， 達到提升網絡質量及性能的效果， 其方法是通過 UE 和eNB 測量，在本地 eNB 或網絡管理方面進行參數自優化。自愈合指系統能自動檢測問題、 定位問題和排除故障，大大減少維護成本并避免對網絡質量和用戶體驗的影響。自規劃的目的是動態進行網絡規劃并執行，同時滿足系統的容量擴展、 業務監測或優化結果等方面的需求 。
內容分發網絡
在5G 中， 面向大規模用戶的音頻、 視頻、圖像等業務急劇增長， 網絡流量的爆炸式增長會極大地影響用戶訪問互聯網的服務質量 。如何有效地分發大流量的業務內容， 降低用戶獲取信息的時延，成為網絡運營商和內容提供商面臨的一大難題。僅僅依靠增加帶寬并不能解決問題， 它還受到傳輸中路由阻塞和延遲、 網站服務器的處理能力等因素的影響，這些問題的出現與用戶服務器之間的距離有密切關系。內容分發網絡(content distribution network， CDN) 會對未來 5G 網絡的容量與用戶訪問具有重要的支撐作用 。
內容分發網絡是在傳統網絡中添加新的層次，即智能虛擬網絡。CDN系統綜合考慮各節點連接狀態、 負載情況以及用戶距離等信息，通過將相關內容分發至靠近用戶的 CDN代理服務器上， 實現用戶就近獲取所需的信息，使得網絡擁塞狀況得以緩解，降低響應時間，提高響應速度。CDN 網絡架構在用戶側與源 server 之間構建多個 CDN代理 server，可以降低延遲、 提高 QoS(quality of service)。當用戶對所需內容發送請求時， 如果源服務器之前接收到相同內容的請求， 則該請求被 DNS 重定向到離用戶最近的 CDN 代理服務器上， 由該代理服務器發送相應內容給用戶。因此， 源服務器只需要將內容發給各個代理服務器， 便于用戶從就近的帶寬充足的代理服務器上獲取內容， 降低網絡時延并提高用戶體驗。隨著云計算、 移動互聯網及動態網絡內容技術的推進， 內容分發技術逐步趨向于專業化、 定制化，在內容路由、 管理、 推送以及安全性方面都面臨新的挑戰 。
D2D 通信
在5G 網絡中， 網絡容量、頻譜效率需要進一步提升，更豐富的通信模式以及更好的終端用戶體驗也是 5G 的演進方向。設備到設備通信 ( device-to-device communication，D2D) 具有潛在的提升系統性能、 增強用戶體驗、 減輕基站壓力、 提高頻譜利用率的前景。因此， D2D 是未來 5G 網絡中的關鍵技術之一 。
D2D 通信是一種基于蜂窩系統的近距離數據直接傳輸技術。D2D 會話的數據直接在終端之間進行傳輸， 不需要通過基站轉發， 而相關的控制信令，如會話的建立、維持、無線資源分配以及計費、鑒權、識別、移動性管理等仍由蜂窩網絡負責。蜂窩網絡引入 D2D 通信，可以減輕基站負擔， 降低端到端的傳輸時延，提升頻譜效率，降低終端發射功率。當無線通信基礎設施損壞，或者在無線網絡的覆蓋盲區，終端可借助 D2D 實現端到端通信甚至接入蜂窩網絡。在 5G 網絡中，既可以在授權頻段部署 D2D 通信，也可在非授權頻段部署 。
M2M 通信
M2M(machine to machine， M2M)作為物聯網最常見的應用形式， 在智能電網、 安全監測、城市信息化、 環境監測等領域實現了商業化應用。3GPP 已經針對 M2M 網絡制定了一些標準， 并已立項開始研究 M2M 關鍵技術。M2M 的定義主要有廣義和狹義 2 種。廣義的M2M 主要是指機器對機器、 人與機器間以及移動網絡和機器之間的通信， 它涵蓋了所有實現人、 機器、系統之間通信的技術；從狹義上說， M2M 僅僅指機器與機器之間的通信。智能化、 交互式是 M2M 有別于其它應用的典型特征， 這一特征下的機器也被賦予了更多的“智慧” 。
信息中心網絡
隨著實時音頻、 高清視頻等服務的日益激增，基于位置通信的傳統 TCP /IP網絡無法滿足數據流量分發的要求。網絡呈現出以信息為中心的發展趨勢。信息中心網絡 ( information-centric network，ICN)的思想最早是 1979 年由 Nelson 提出來的 ，后來被 Baccala 強化。作為一種新型網絡體系結構，ICN 的目標是取代現有的 IP 。
ICN 所指的信息包括實時媒體流、 網頁服務、 多媒體通信等，而信息中心網絡就是這些片段信息的總集合。因此，ICN 的主要概念是信息的分發、 查找和傳遞，不再是維護目標主機的可連通性。不同于傳統的以主機地址為中心的 TCP /IP 網絡體系結構，ICN 采用的是以信息為中心的網絡通信模型， 忽略 IP 地址的作用， 甚至只是將其作為一種傳輸標識。全新的網絡協議棧能夠實現網絡層解析信息名稱、 路由緩存信息數據、 多播傳遞信息等功能， 從而較好地解決計算機網絡中存在的擴展性、 實時性以及動態性等問題。ICN信息傳遞流程是一種基于發布訂閱方式的信息傳遞流程 。首先，內容提供方向網絡發布自己所擁有的內容，網絡中的節點就明白當收到相關內容的請求時如何響應該請求。然后，當第一個訂閱方向網絡發送內容請求時，節點將請求轉發到內容發布方，內容發布方將相應內容發送給訂閱方， 帶有緩存的節點會將經過的內容緩存。其他訂閱方對相同內容發送請求時，鄰近帶緩存的節點直接將相應內容響應給訂閱方。因此，信息中心網絡的通信過程就是請求內容的匹配過程。傳統 IP 網絡中，采用的是“推” 傳輸模式，即服務器在整個傳輸過程中占主導地位，忽略了用戶的地位，從而導致用戶端接收過多的垃圾信息。ICN 網絡正好相反，采用“拉” 模式，整個傳輸過程由用戶的實時信息請求觸發， 網絡則通過信息緩存的方式，實現快速響應用戶。此外，信息安全只與信息自身相關，而與存儲容器無關。針對信息的這種特性，ICN 網絡采用有別于傳統網絡安全機制的基于信息的安全機制。和傳統的 IP 網絡相比，ICN 具有高效性、高安全性且支持客戶端移動等優勢 。
