5G 除了传统的峰值速率指标要求外，与之前的移动通信的不同之处在于还提出了包括体验速率、频谱效率、空间容量、移动性能、网络能效、连接密度和时延等八个指标。为实现其上述性能指标，5G 在无线传输技术和网络技术方面将有新的突破。在无线技术领域，技术的创新主要包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入、基于滤波的正交频分复用（F-OFDM）等，其中基于大规模 MIMO 的无线传输技术将有可能使频谱效率和功率效率在 4G 的基础上再提升一个量级,该项技术走向实用化的主要瓶颈问题是高维度信道建模与估计以及复杂度控制，超密集网络 (ultra dense network, UDN)已引起业界的广泛关注,网络协同与干扰管理将是提升高密度无线网络容量的核心关键问题；在网络技术领域，技术的创新主要包括软件定义网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV）等。
一、大规模天线阵列（Massive MIMO）
大规模天线阵列是可以 10 倍、百倍提升系统容量的无线技术，其原理是基于多用户波束成形，在基站端布置几百根天线，对几十个目标接收机调制各自的波束，通过空间信号隔离，在同一频率资源上同时传输几十条信号，从而实现几百个天线同时发数据。MIMO 技术并不是 5G 独有的技术，在 3G 时代就被引入无线通信领域，同样也是 4G 关键技术之一。大规模天线阵列可以从两个角度进行理解：一方面，大规模天线阵列的通道数远大于传统 TDD 网络的天线数，可达到 64/128/256 个，而传统的天线基本是 2 天线、4 天线或 8 天线；另一方面，Massive MIMO 基于波束成形原理，覆盖垂直维度的空域，其信号的辐射状是个电磁波束，可有效减少基站发射功率损耗，而传统 MIMO 在发射信号时，只能在一个平面上移动，因此也称为 2D-MIMO。
大规模天线阵列与传统的 MIMO 技术的区别不仅仅在于天线数量多少的差别，而是由量变引发得质变。相较于传统 MIMO，大规模天线阵列可以深度挖掘无线空间维度资源，数倍系统提升系统频谱功率和功率效率。大规模天线阵列的基站端拥有几百根天线，可以自动调节各个天线发射信号的相位，使其在手机接收点形成电磁波的叠加，从而提高信号接收强度。根据概率统计学原理，当基站端天线数远大于用户天线数时，基站到各个用户的信道将趋于正交，此时，用户间干扰将趋于消失，而巨大的阵列增益将能够有效地提升每个用户的信噪比，从而能够在相同的时频资源上支持更多用户传输。
结合 5G 技术试验的测试过程及结果，大规模天线的优势有显而易见的优势，但是其研发和使用仍然面临着巨大的挑战。
二、超密集组网（UDN）
随着人们对于网络功能的需求不断升高，第五代移动通信网络应运而生，较之前的网络，5G 的发展方向会更加多元化，宽带化，综合化，智能化。智能终端数量将不断增长，未来的移动数据业务飞速发展。当前网络架构中亟待解决的主要问题是热点地区的用户体验，由于低频段谱资源稀缺，单纯依靠提升频谱效率并不能有效解决当前问题。超密集组网是满足 5G 千倍容量增长需求的主要手段之一，在热点地区大规模部署低功率接入点，在局部热点区域实现百倍量级的系统容量提升。通过增加网络部署密度，缩短了各个发射节点之间的距离，改善网络覆盖范围范围，可以促使终端在热点区域获得更多的频谱，提升了业务的功率效率、频谱效率，大幅度提升系统容量，并对业务进行分流，保证了业务在各种接入技术和各覆盖层次间负荷分担。
参考观研天下发布《2018-2023年中国5G行业市场产销态势分析与投资发展趋势研究报告》
在实际应用中，超密集组网的部署面临着极大的挑战：
切换算法。由于小区部署密度的不断增加以及小区边界更不规则，网络切换频率将增大，由此，切换失败率会增加。原有的 4G 分布式切换算法会使得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，极大地增加了网络控制信令负荷。
干扰问题。在超密集部署场景下，为了提升频谱效率，时/频资源在超密集网络中将被极度复用，从而导致严重的同层、跨层干扰。一方面，强烈的互干扰通常会急剧降低人们所期望达到的频谱效率。另一方面，互干扰也会增大能耗，降低能效。在现实场景下，如何有效进行节点协作、干扰消除、干扰协调成为重点解决的问题，需要有效的干扰消除机制，现在业内已经提出了一系列的方案，如采用更先进的多站协作传输、虚拟层技术等，但均没有经过实际验证，效果有待检验。
SON 技术（自配置、自优化、自愈功能）是当前研究的难点也是所要解决的关键问题之一。超密集部署的发射节点状态的随机变化，使得网络拓扑和干扰类型也随机动态变化，加上多样化的用户业务需求保障，同时为了降低网络部署、运营维护复杂度和成本，提高网络质量，超密集组网技术必须配合更智能的、能统一实现多种无线接入制式、覆盖层次的自配置、自优化、自愈合的网络自组织技术。
三、超新型多址
新型多址是 5G 创新性的技术方向。多址接入技术的基本原理是利用为不同用户发送信号特征上的差异（例如信号发送频率、信号出现时间或信号具有的特定波形等）来区分不同用户。依据信号在频域、时域波形以及空域的特征，多址接入技术基本可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）4 种方式。
3GPP RAN1 在 2016 年中的会议已决定：eMBB 场景的多址接入方式应基于正交的多址方式，非正交的多址技术只限于 mMTC 的上行场景。这就意味着，eMBB 的多址技术将更可能采用 DFT-S-FDMA 和 OFDMA。而华为 SCMA、中兴 MUSA 和大唐的 PDMA 等将在 2017 年竞争 mMTC 的上行多址方案。
此外，各个候选的多址接入技术也都具有一定的技术局限。SCMA、MUSA、PDMA 和 NOMA 等非正交多址方案均依赖于 SIC 技术，该技术虽然有良好的信号检测性能，但如果要应用在 5G 系统中，仍存在一些问题需要解决。
四、全频谱接入
传统 6GHz 频段的频谱由于其较好的信道传播特性，目前已经非常拥挤，无法满足未来指数型增长的需求。提高频谱利用率和增加频谱带宽都是可以提高无线传输速率的行之有效的方法，但是提高现有频谱利用率也是杯水车薪，更加有效的办法是增加频谱带宽。在频谱利用率不变的情况下，可用带宽翻倍增，可实现数据传输速率也会随之增加。
6GHz 以上具有非常丰富的连续频谱资源，适合满足未来增强型移动宽带对高速率和连续大宽带的需求。
根据研究结果，IMT-2020 工作组认为：在中低频段方面（6GHz 以下），总体需求量在 808 到 1078MHz；在高频方面（6GHz）需求量则达到了 14 到 19G。6GHz 以下的频段，成为提供覆盖业务移动性的主频段，6GHz 以上的频段将成为高密度地区的峰值流量承载频段。
在 5G 时代，着重关注高频频谱的同时，并不意味着传统的 2G/3G/4G 网络彻底退出，也应该考虑如何是实现高频和低频的协同使用。5G 网络的部署使得新空口和老空口协同变的更加迫切，如何充分利用 900M/1.8G/2.1G/2.3G/2.6G 这些低频资源，实现低频高频资源的有效共享，这需要政府、运营商、设备商们一起多加关注。
五、新型网络架构
中国电信最早提出了 “三朵云”5G 网络架构，该架构最终成为了 IMT-2020 后续在其《5G 概念白皮书》和《5G 网络技术架构白皮书》中发布的 5G 网络架构的基础。整个网络架构由三朵“云”组成——控制云、接入云、转发云。新型“三朵云”5G 网络架构通过引入 NFV 和 SDN 等技术，将未来移动网络的控制面与转发面分离，将作为上层应用的网络控制功能与底层网络基础设施分离，利用标准的 IT 虚拟化技术，在通用的高性能服务器、交换机和存储设备上，以软件形式部署各种功能模块，并通过网络编排与管理系统针对具体场景需求进行网络功能剪裁和按需组网部署，从而实现一种向业务场景适配的 5G 网络架构，是未来网络架构的发展趋势。
软件定义网络（Software Defined Network，SDN ），是一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式，其核心技术 OpenFlow 通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能。网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）通过使用 x86 等通用性硬件以及虚拟化技术，来承载很多功能的软件处理，从而降低网络昂贵的设备成本。可以通过软硬件解耦及功能抽象，使网络设备功能不再依赖于专用硬件，资源可以充分灵活共享，实现新业务的快速开发和部署，并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。
SDN 能有效提高全网资源使用效率，提升了网络虚拟化能力并革命式的创新了网络架构。集中式的控制层可完成路由测算、资源集中监控、拓扑管理等功能，精确采集全网资源使用情况，安全隔离不同用户间的虚拟网络；应用层通过开放丰富接口提供可编程环境，采用软件优化网络功能、调度监控网络资源，提高网络资源的使用率和网络质量，同时将虚拟网络配置的能力开放给最终用户，满足用户按需调整网络的需求。
NFV 采用虚拟化技术，将传统的通信设备功能与硬件解耦，采用通用的计算、存储、网络设备实现通信网络功能，打破了专有硬件对网络的限制。NFV 有助于提升网络建设、管理和维护的效率。在 NFV 方式下，新业务的上线、更新由传统的硬件建设和割接转变为软件加载过程，建设周期大大缩短。结合云计算资源池的规模优势，可以实现多种业务共享资源和集中化管理，大幅提升管理和维护效率。
最初的 NFV 白皮书对 SDN 和 NFV 的关系做了如下描述：网络功能虚拟化和软件定义网络有很强的互补性，但是并不相互依赖(反之亦然)，网络功能虚拟化可以不依赖于 SDN 部署，尽管两个概念和解决方案可以融合，并且潜在形成更大的价值。随着软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）等技术的逐步成熟 5G 组网技术已能实现控制功能和转发功能的分离，以及网元功能和物理实体的解耦，从而实现网络资源的智慧感知和实时调配，以及网络连接和网络功能的按需提供和适配。
SDN 和 NFV 的组合虽然功能强大，但仍然不能解决所有的问题，由于现实中存在多种传统网络，5G 的新型网络架构将不得不考虑如何解决异构网络之间的兼容性问题、如何规范编程接口、如何发现灵活有效的控制策略、如何进行不同架构网络协议适配、南北向接口的数据规范、数据采集处理等一系列问题。
图表：5G 关键性能指标
一、大规模天线阵列（Massive MIMO）
大规模天线阵列是可以 10 倍、百倍提升系统容量的无线技术，其原理是基于多用户波束成形，在基站端布置几百根天线，对几十个目标接收机调制各自的波束，通过空间信号隔离，在同一频率资源上同时传输几十条信号，从而实现几百个天线同时发数据。MIMO 技术并不是 5G 独有的技术，在 3G 时代就被引入无线通信领域，同样也是 4G 关键技术之一。大规模天线阵列可以从两个角度进行理解：一方面，大规模天线阵列的通道数远大于传统 TDD 网络的天线数，可达到 64/128/256 个，而传统的天线基本是 2 天线、4 天线或 8 天线；另一方面，Massive MIMO 基于波束成形原理，覆盖垂直维度的空域，其信号的辐射状是个电磁波束，可有效减少基站发射功率损耗，而传统 MIMO 在发射信号时，只能在一个平面上移动，因此也称为 2D-MIMO。
图表：传统 MIMO 与 Massive MIMO 对比
大规模天线阵列与传统的 MIMO 技术的区别不仅仅在于天线数量多少的差别，而是由量变引发得质变。相较于传统 MIMO，大规模天线阵列可以深度挖掘无线空间维度资源，数倍系统提升系统频谱功率和功率效率。大规模天线阵列的基站端拥有几百根天线，可以自动调节各个天线发射信号的相位，使其在手机接收点形成电磁波的叠加，从而提高信号接收强度。根据概率统计学原理，当基站端天线数远大于用户天线数时，基站到各个用户的信道将趋于正交，此时，用户间干扰将趋于消失，而巨大的阵列增益将能够有效地提升每个用户的信噪比，从而能够在相同的时频资源上支持更多用户传输。
图表：大规模天线阵列物理层研究难点
结合 5G 技术试验的测试过程及结果，大规模天线的优势有显而易见的优势，但是其研发和使用仍然面临着巨大的挑战。
图表：Massive MIMO 的优势与问题
二、超密集组网（UDN）
随着人们对于网络功能的需求不断升高，第五代移动通信网络应运而生，较之前的网络，5G 的发展方向会更加多元化，宽带化，综合化，智能化。智能终端数量将不断增长，未来的移动数据业务飞速发展。当前网络架构中亟待解决的主要问题是热点地区的用户体验，由于低频段谱资源稀缺，单纯依靠提升频谱效率并不能有效解决当前问题。超密集组网是满足 5G 千倍容量增长需求的主要手段之一，在热点地区大规模部署低功率接入点，在局部热点区域实现百倍量级的系统容量提升。通过增加网络部署密度，缩短了各个发射节点之间的距离，改善网络覆盖范围范围，可以促使终端在热点区域获得更多的频谱，提升了业务的功率效率、频谱效率，大幅度提升系统容量，并对业务进行分流，保证了业务在各种接入技术和各覆盖层次间负荷分担。
参考观研天下发布《2018-2023年中国5G行业市场产销态势分析与投资发展趋势研究报告》
图表：超密集组网
图表：不同类型基站对比
在实际应用中，超密集组网的部署面临着极大的挑战：
切换算法。由于小区部署密度的不断增加以及小区边界更不规则，网络切换频率将增大，由此，切换失败率会增加。原有的 4G 分布式切换算法会使得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，极大地增加了网络控制信令负荷。
干扰问题。在超密集部署场景下，为了提升频谱效率，时/频资源在超密集网络中将被极度复用，从而导致严重的同层、跨层干扰。一方面，强烈的互干扰通常会急剧降低人们所期望达到的频谱效率。另一方面，互干扰也会增大能耗，降低能效。在现实场景下，如何有效进行节点协作、干扰消除、干扰协调成为重点解决的问题，需要有效的干扰消除机制，现在业内已经提出了一系列的方案，如采用更先进的多站协作传输、虚拟层技术等，但均没有经过实际验证，效果有待检验。
图表：虚拟层技术
SON 技术（自配置、自优化、自愈功能）是当前研究的难点也是所要解决的关键问题之一。超密集部署的发射节点状态的随机变化，使得网络拓扑和干扰类型也随机动态变化，加上多样化的用户业务需求保障，同时为了降低网络部署、运营维护复杂度和成本，提高网络质量，超密集组网技术必须配合更智能的、能统一实现多种无线接入制式、覆盖层次的自配置、自优化、自愈合的网络自组织技术。
三、超新型多址
新型多址是 5G 创新性的技术方向。多址接入技术的基本原理是利用为不同用户发送信号特征上的差异（例如信号发送频率、信号出现时间或信号具有的特定波形等）来区分不同用户。依据信号在频域、时域波形以及空域的特征，多址接入技术基本可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和空分多址（SDMA）4 种方式。
图表：多址方式
3GPP RAN1 在 2016 年中的会议已决定：eMBB 场景的多址接入方式应基于正交的多址方式，非正交的多址技术只限于 mMTC 的上行场景。这就意味着，eMBB 的多址技术将更可能采用 DFT-S-FDMA 和 OFDMA。而华为 SCMA、中兴 MUSA 和大唐的 PDMA 等将在 2017 年竞争 mMTC 的上行多址方案。
图表：各个技术的优点
此外，各个候选的多址接入技术也都具有一定的技术局限。SCMA、MUSA、PDMA 和 NOMA 等非正交多址方案均依赖于 SIC 技术，该技术虽然有良好的信号检测性能，但如果要应用在 5G 系统中，仍存在一些问题需要解决。
图表：SIC 技术存在的问题
四、全频谱接入
传统 6GHz 频段的频谱由于其较好的信道传播特性，目前已经非常拥挤，无法满足未来指数型增长的需求。提高频谱利用率和增加频谱带宽都是可以提高无线传输速率的行之有效的方法，但是提高现有频谱利用率也是杯水车薪，更加有效的办法是增加频谱带宽。在频谱利用率不变的情况下，可用带宽翻倍增，可实现数据传输速率也会随之增加。
6GHz 以上具有非常丰富的连续频谱资源，适合满足未来增强型移动宽带对高速率和连续大宽带的需求。
根据研究结果，IMT-2020 工作组认为：在中低频段方面（6GHz 以下），总体需求量在 808 到 1078MHz；在高频方面（6GHz）需求量则达到了 14 到 19G。6GHz 以下的频段，成为提供覆盖业务移动性的主频段，6GHz 以上的频段将成为高密度地区的峰值流量承载频段。
图表：5G 频段规划
在 5G 时代，着重关注高频频谱的同时，并不意味着传统的 2G/3G/4G 网络彻底退出，也应该考虑如何是实现高频和低频的协同使用。5G 网络的部署使得新空口和老空口协同变的更加迫切，如何充分利用 900M/1.8G/2.1G/2.3G/2.6G 这些低频资源，实现低频高频资源的有效共享，这需要政府、运营商、设备商们一起多加关注。
图表：3G/4G 频谱
五、新型网络架构
中国电信最早提出了 “三朵云”5G 网络架构，该架构最终成为了 IMT-2020 后续在其《5G 概念白皮书》和《5G 网络技术架构白皮书》中发布的 5G 网络架构的基础。整个网络架构由三朵“云”组成——控制云、接入云、转发云。新型“三朵云”5G 网络架构通过引入 NFV 和 SDN 等技术，将未来移动网络的控制面与转发面分离，将作为上层应用的网络控制功能与底层网络基础设施分离，利用标准的 IT 虚拟化技术，在通用的高性能服务器、交换机和存储设备上，以软件形式部署各种功能模块，并通过网络编排与管理系统针对具体场景需求进行网络功能剪裁和按需组网部署，从而实现一种向业务场景适配的 5G 网络架构，是未来网络架构的发展趋势。
图表：5G 网络架构
软件定义网络（Software Defined Network，SDN ），是一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式，其核心技术 OpenFlow 通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能。网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）通过使用 x86 等通用性硬件以及虚拟化技术，来承载很多功能的软件处理，从而降低网络昂贵的设备成本。可以通过软硬件解耦及功能抽象，使网络设备功能不再依赖于专用硬件，资源可以充分灵活共享，实现新业务的快速开发和部署，并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。
SDN 能有效提高全网资源使用效率，提升了网络虚拟化能力并革命式的创新了网络架构。集中式的控制层可完成路由测算、资源集中监控、拓扑管理等功能，精确采集全网资源使用情况，安全隔离不同用户间的虚拟网络；应用层通过开放丰富接口提供可编程环境，采用软件优化网络功能、调度监控网络资源，提高网络资源的使用率和网络质量，同时将虚拟网络配置的能力开放给最终用户，满足用户按需调整网络的需求。
NFV 采用虚拟化技术，将传统的通信设备功能与硬件解耦，采用通用的计算、存储、网络设备实现通信网络功能，打破了专有硬件对网络的限制。NFV 有助于提升网络建设、管理和维护的效率。在 NFV 方式下，新业务的上线、更新由传统的硬件建设和割接转变为软件加载过程，建设周期大大缩短。结合云计算资源池的规模优势，可以实现多种业务共享资源和集中化管理，大幅提升管理和维护效率。
图表：SDN 和 NFV 关键点比较
最初的 NFV 白皮书对 SDN 和 NFV 的关系做了如下描述：网络功能虚拟化和软件定义网络有很强的互补性，但是并不相互依赖(反之亦然)，网络功能虚拟化可以不依赖于 SDN 部署，尽管两个概念和解决方案可以融合，并且潜在形成更大的价值。随着软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）等技术的逐步成熟 5G 组网技术已能实现控制功能和转发功能的分离，以及网元功能和物理实体的解耦，从而实现网络资源的智慧感知和实时调配，以及网络连接和网络功能的按需提供和适配。
SDN 和 NFV 的组合虽然功能强大，但仍然不能解决所有的问题，由于现实中存在多种传统网络，5G 的新型网络架构将不得不考虑如何解决异构网络之间的兼容性问题、如何规范编程接口、如何发现灵活有效的控制策略、如何进行不同架构网络协议适配、南北向接口的数据规范、数据采集处理等一系列问题。
资料来源：观研天下整理，转载请注明出处（ZQ）
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