4G催生了移动宽带，大大提升了移动互联网的用户体验。通信技术从传统的仅满足用户的语音、消息类通信需求，逐渐升级为满足用户的视频、游戏、金融等生活需求，移动互联网成为生活中不可或缺的部分。随着移动互联网的爆发，越来越多新的应用形式，包括高清、超高清、VR/AR等不断涌现，移动互联网的流量大增。同时，随着共享自行车、视频监控等应用的蓬勃发展，窄带物联网已经无法满足物联网业务的发展需求，网络带宽和连接数亟待进一步扩展。此外，车联网、工控网络的发展对移动网络延迟提出了更为严苛的要求，要求网络提供媲美光纤的延迟体验，对大带宽、大连接、低延迟的下一代移动通信网络的需求越来越强烈。
与此同时，随着通信4.0的推进，信息技术与通信技术深度融合，越来越多的信息技术包括云计算、虚拟化等，将不断为通信技术所用，促进传统通信网络向软件化、服务化转型。此外，人工智能迅猛发展，不断向网络领域渗透，使网络的智能化成为可能。信息技术、人工智能和移动通信等新科技的融合创新催生了第五代移动通信技术。
5G三大需求
用户需求
移动互联网和物联网是2020年和未来信息通信技术产业的主要发展方向。在未来，无线将成为连接的主要方式，用户对移动通信的期望会更高，用户需求会更加多样化。
移动互联网主要以人的需求为本，更注重用户的体验质量。随着移动终端媒体交互能力的不断增强，高清/超高清移动视频、3D（三维）视频、VR/AR等丰富的商业应用层出不穷。移动互联网用户希望获得身临其境的视听效果，享受实地感受的商业体验，这就要求5G网络提供可与光纤媲美的接入速率。同时，用户还期望5G网络能够带来实时的在线体验，在多人在线游戏、远程视频通话等业务中，他们希望感知不到任何网络延迟。此外，移动通信在未来的应用场景也将越来越广泛。在高铁、汽车、地铁等高速移动环境中，在体育场、大型露天集会等超高密度场景中，移动互联网用户希望获得一致的服务体验，这就需要5G网络在这些特殊的场景中可以提供同样出色的服务。
相对于移动互联网，物联网引入了物与物、物与人的联系。大量的行业应用正在出现。与人人通信相比，物联网业务对海量设备连接和差异化服务体验提出了新的需求。物联网的快速发展要求5G网络能够将所有应用、服务和设备连接在一起，比如人、物、过程、内容、知识、信息、商品等，未来不再是单一的连接。随着行业应用的大量涌现，多样化的业务应用需要5G网络支持范围广泛、性能要求完全不同的服务，需要满足不同行业的差异化需求。多种连接方式的实现和各种行业应用的扩展将刺激连接设备数量的快速增长，这就要求5G网络提供超大容量和大规模的设备连接。
无论是移动互联网还是物联网，用户在成本、安全、功耗等方面都提出了相同的要求。用户在不断追求高品质的商业体验的同时，也期待着通信成本的下降，希望5G可以提供性价比更高的服务。用户在使用移动支付、医疗保健、安全驾驶等应用的同时，希望5G移动通信的安全性更高、可靠性更强，同时基于可持续发展的重大使命和战略要求，5G网络需要为人们创造绿色环境，持续增强终端续航能力，持续降低终端功耗。
业务需求
下一代移动通信网络将进入超连接时代，移动通信服务和应用形式将彻底改变。除了传统的语音、短信、数据通信外，大量的新型服务和App层出不穷。未来5G的主要服务可以分为两大类：移动互联网服务和物联网服务。基于3GPP的服务分类，移动互联网服务可以分为流媒体类、会话类、交互类、传输类和消息类，物联网服务主要分为采集类和控制类。
随着移动终端媒体传输能力的不断增强，流媒体和会话服务将在超高清、3D领域继续发展。诸如高清视频和VR等服务对5G网络提出了更高的挑战，要求更高的用户体验速率，如12K（2D）的未压缩视频传输速率为50Gbps[1]，经过压缩后，其传输速率需要达到250Mbps，而且要求更低的时延。
交互类服务的应用范围也将继续扩大，如网络游戏、AR、云桌面等。据瞻博网络公司（Juniper）表示，2018年有2亿AR用户，2020年将有1亿多辆汽车拥有AR功能。这些商业应用需要大数据交互，需要实时高清视频交互，挑战上行和下行用户的传输速率，需要快速响应，实现无用户延时体验。
类似云存储的传输服务和OTT（运营商之外的第三方服务商通过互联网向用户提供各种应用服务）在未来也将成为主流应用。据IDC（国际文献资料中心）统计，到2020年，全球30%的数字信息将存储在云中。这一趋势给5G网络带来的挑战主要体现在大数据传输、高流量密度和信令开销方面，需要5G网络能够达到光纤的速度体验，满足密集场景中产生的巨大流量。
未来物联网业务应用丰富多样，业务特点差异较大，需要5G网络满足其差异化需求。对于低速率数据的采集服务，如智能抄表，需要支持大规模连接的设备，此类终端成本低、功耗低，传输的小数据包数量多。对于高速率数据收集服务，如视频监控，则对上行传输速率和密集场景中的流量密度提出了更高的要求。对于对延迟敏感的控制服务，如车联网，其高速移动功能要求毫秒级延迟和几乎100%的可靠性。
运营需求
传统的网络运营是被动式运营，通常是当网络发生故障、出现拥塞等场景时，通过网络的监控告警等信息，进行网络设备的更换等。5G支持超大连接、超高带宽、超低时延，在5G时代，传统的被动式运营已不能满足发展需求，亟待通过主动式运营解决如下问题。
网络能效和网络成本方面的问题
未来移动互联网和物联网将爆发式发展，运营商网络需要为海量的终端设备提供相当于目前网络流量约1 000倍的业务流量，因此不断提高的网络能效、不断降低的网络成本、更加简单的网络部署和维护将至关重要。
智能管道优化小流量包处理机制相关问题
目前，现有的移动通信网络设备如小站和室分设备缺乏自动化的手段实现实时监控与动态控制，这导致运营商对于现有的各种网络资源的使用情况无法进行实时、全面、精确的管控和自动化的运维。相关功能迫切需要在新一代移动通信系统中定义。
另外，现有的移动通信网络对信令风暴的处理能力仍显不足。大量的4G移动互联网用户频繁发送小包数据，比如微信的简短聊天，但4G网络现有机制在发送小包时通常会产生大量的信令交互数据，网络开销大、收效小。因此，需要优化网络实现机制，在新一代移动通信系统中降低小包发送带来的大量的信令交互过程。
多网融合的需求
目前2G、3G、4G、WLAN（无线局域网）多网共存，这增加了运营商建设和维护的成本，同时，多网络间互操作复杂且降低了用户体验。5G需要加强多网融合能力，需要促进3GPP制式与非3GPP制式的协作甚至融合，需要促进TDD/FDD的融合，使融合后的5G网络能够在降低各类运营商（包括传统运营商、新型运营商、虚拟运营商）网络成本的同时，实现用户选择性能最佳的网络而无须用户干预，为不同的业务和用户提供无缝体验。
基于业务需求和用户行为的网络智能优化
传统的1G、2G、3G、4G均以面向人的网络为主，网络模型和参数相对单一。未来的网络要支持蓬勃发展的移动互联网业务和物联网业务，网络模型和参数将进一步多元化。5G需要增强对用户的业务类型及使用习惯的智能感知能力，并结合云计算和大数据对用户行为与业务特性进行分析，从而进行相应的网络参数和配置的自动化调整与优化，并为差异化的定价提供可能。
灵活有效利用所有可能的非连续频谱，以满足不同的通信场景需求
5G频谱资源碎片化情形进一步增加。面对众多的碎片化频段，无线网络应支持根据差异化业务应用特征灵活选择最佳频率和资源组合，在可用频率中选择适用频谱，以便于支持不同场景的业务需求，提供最佳业务体验，提供有服务质量保障、低成本、低能耗的可靠服务。
5G三大场景
根据国际电信联盟的愿景，5G面向eMBB、mMTC（大规模物联网）、uRLLC（超高可靠超低时延通信）三大场景，全面提升包括峰值速率、移动性、时延、体验速率、连接数密度、流量密度和能效等能力，同时满足“人与人通信”和“物与物连接”的需求。5G还将与超高清视频、VR/AR、车联网、工业互联网等垂直行业相结合，渗透到社会的各个领域（见图2–1）。
图2–1 5G三大场景
eMBB指的是增强移动宽带，其核心含义是在现有的移动宽带业务场景的基础上，进一步提升用户数据体验速度。4G的平均用户体验速度下行为30~50Mbps，用手机下载一部500M的视频通常需要几分钟，用户体验较好。4G的平均用户体验上行为6~8Mbps，用4G做上行数据包传输，尤其是当进行4K、8K[2]高清视频直播的时候，4G根本无法满足用户需求。而5G的eMBB上行用户体验速度可以达到50Mbps以上，完全可以支持4K、8K高清视频直播，进而大大提升用户体验。
mMTC指的是大规模物联网。5G每平方公里可以支持100万的连接数，这完全突破了传统的人与人之间的通信，使人与物、物与物的大规模通信成为可能。5G除了支持海量连接外，还可以支持丰富的物联网终端类型，比如仅有主叫没有被叫的物联网终端，或仅在固定间隔周期监听被叫的终端等。此外，针对很多物联网终端仅能使用电池供电，尽可能降低终端功耗的需求，5G在协议设计上简化连接模型，最大限度地降低物联网终端的功耗。
uRLLC指的是超高可靠超低时延通信。比如无人驾驶、工业机器人等场景，要求网络做到高可靠性且网络时延尽可能低。uRLLC场景下端到端时延约为4G的1/5，可以达到1~10毫秒，且5G内生支持边缘计算，可有效支持无人驾驶等场景下的快速反应需求，迅速、及时执行命令。针对高可靠性的要求，5G支持终端与网络建立双通道，两条通道互为备份，确保连接的可靠性。
5G典型应用场景涉及未来人们居住、工作、休闲和交通等各种区域，特别是密集住宅区、办公室、体育场、露天集会、地铁、快速路、高铁和广域覆盖等场景。典型的应用包括5G自动驾驶、5G远程驾驶、5G智能电网、5G智能工厂、5G无人机物流、5G无人机高清视频传输、5G远程医疗、5G VR、5G AR、5G安防、5G儿童安全、5G智慧园区、5G智慧农场、5G远程教育、5G新零售、5G养老助残、5G智慧家居、5G超级救护车等。
5G九大指标
根据国际电信联盟的定义，5G具有更高速率、更低时延、更大连接等特点（见表2–1），将带来更加丰富的应用场景，分别是eMBB场景、uRLLC场景和mMTC场景。
表2–1 5G国际电信联盟关键性能指标值[3]
图2–2是由中国移动率先提出并被国际电信联盟接受的著名的“5G之花”，5G之花代表着5G的九大核心业务指标，其中，花瓣代表5G的六个性能指标，绿叶代表5G的三项效率指标。花瓣顶点代表相应指标的最大值，如峰值速率达到20Gbps，流量密度达到每平方公里100Tbps[4]，业务体验速率指标为0.1~1Gbps，连接数密度指标为每平方公里100万个连接，uRLLC场景的空口时延为1毫秒，最大支持的移动速度达到每小时500公里等。绿叶代表实现5G可持续发展的基本保证，其中，5G的频谱效率要求比4G提高3~5倍，单位比特的能效和成本效率相比4G大幅降低。
图2–2 5G之花
5G标准发展历程
为积极推动5G的标准化进程，国际电信联盟于2015年明确了全球5G工作时间表，随后3GPP在其框架下也紧锣密鼓地开展了相关的标准化工作。在2015年9月于美国凤凰城召开的5G专题讨论会中，3GPP就5G场景、需求、潜在技术点进行了讨论，并制订了5G标准化的工作计划；随即，3GPP于2016年2月在R14（Rlease 14）阶段启动了5G愿景、需求和技术方案的研究工作，并于同年12月发布了5G研究报告。2017年12月，3GPP第78次全会会议上，RAN（无线接入网）工作组发布了5G新空口的NSA标准，SA（业务和系统架构）工作组发布了面向SA的5G新核心网架构与流程标准。2018年6月举行的3GPP第80次全会，RAN工作组正式宣布冻结并发布5G SA标准，CT（核心网和终端）工作组正式发布5G SA下面向R15（Release 15）新核心网的详细设计标准（见图2–3）。这些标志着5G第一个完整标准体系的完成，它能够实现5G独立部署，提供端到端5G全新能力，将全面满足通信与垂直行业对5G的需求和期望，为运营商和产业合作伙伴带来新的商业模式。
图2–3 3GPP标准化进展图
3GPP R15版本特性
3GPP在R15标准中主要完成了5G三大业务场景中的eMBB场景和uRLLC场景的标准制定，能够满足5G部署初期的商用需求。
R15标准版本的无线基站侧重点围绕“新架构、新频段、新天线、新设计”等技术方向，着力实现5G创新突破，以用户及服务为中心构建端到端的5G智慧网络系统。其中新架构同时支持接入网的分布式部署和集中化部署。新频段要求5G可以支持中高频段，包括6GHz以上的毫米波频段。新天线允许支持大规模天线以大幅提升系统效率，大规模天线通过三维的波束赋形，可形成能量更集中、覆盖更立体、方向更精准的波束。面向新设计，为满足垂直行业的各种差异性需求，并应对部署场景的多样性与复杂性，5G在接口设计方面提供了更多可选的帧结构设计，可根据5G基础通信业务、物联网和车联网等多样化应用场景，灵活配置帧结构。
R15标准版本的核心网侧发生了巨大变化，成为5G变革的最核心标志，其变革理念主要包括信息技术化、互联网化、极简化、服务化等。其中信息技术化要求5G采用软件化的核心网，可以基于统一的信息技术基础设施进行编排和调度。互联网化打破传统的4G固定网元、固定连接的刚性网络，使5G网络成为基于面向服务化架构，能够动态调整的柔性网络，网元间的协议体系也采用了互联网的HTTP 2.0（超文本传输协议2.0）。极简化通过引入极简的转发面提供转发性能，通过集中灵活的控制面提升效率。服务化是指通过服务化架构，利用网络切片和边缘计算等技术灵活地满足多样化的网络需求与场景。
3GPP R16版本特性
5G发展的重点目标之一是赋能垂直行业的转型升级，但基于R15国际标准的5G网络，要全面满足高速率、低时延、高可靠性等业务需求仍存在一定的挑战。例如，网联无人机的高清图像和视频回传不仅对用户的上行速率提出了很高需求，而且要求网络能够做到对高空用户的无缝覆盖，但R15的5G网络还无法很好地满足这些要求。此外，对于工业互联网中一些需要同时满足低时延、高可靠和高速率的业务场景，基于R15的5G网络也可能难以满足。
为使5G网络持续提升技术竞争力，为用户带来更优质的业务体验，拓展更广阔的垂直行业应用，3GPP在R16阶段确立了70余个标准化研究项目，重点围绕uRLLC场景、mMTC场景，从网络更智能、性能更极致、频谱更丰富、应用更广阔等几个方面进行5G标准增强，以上项目预计于2019年12月完成。
网络更智能
面向5G网络自动化与智能化的需求，重点研究5G网络自动化等。5G网络自动化通过在5G系统架构中引入新的网元NWDAF（网络数据分析功能），通过对接入网、核心网、网管等信息进行收集、分析和反馈，为网络优化、网络切片质量保障、灵活组网等提供全新能力支持。
性能更极致
为深度挖掘5G网络潜力，3GPP确立了进一步提升网络频谱效率和用户体验速率的大规模天线增强技术、5G蜂窝定位技术、优化5G用户体验的终端节能技术以及支持超大连接的非正交多址技术等标准增强方向。
频谱更丰富
为了拓展5G系统的可用频谱范围，3GPP一方面向非授权频段扩展，开展5G空口在7GHz以下非授权频谱独立部署以及与已有授权频谱的LTE/NR（长期演进/新空口）联合使用等方法研究；另一方面向更高频段扩展，开展52.6~100GHz频段的部署场景、可用技术等相关研究。
应用更广阔
为使5G网络适配更广阔的垂直行业应用需求，3GPP确立了面向智能电网、自动驾驶、智能制造等行业应用的uRLLC增强和工业互联网增强技术，面向智能交通行业应用的5G车联网V2X（车与万物互联）技术、空天地一体化通信等作为标准增强方向。其中uRLLC增强主要面向智能电网、工厂自动化等新场景，通过对不同类型的业务传输采用动态资源复用、智能化重复传输、网络冗余等机制，在满足更低空口时延需求（如0.5~1毫秒）的同时，将端到端可靠性提高到99.9999%。
[1] Gbps约为109 比特每秒。——编者注
[2] 4K指像素分辨率为4 096×2 160，8K指像素分辨率为7 680×4 320。——编者注
[3] 64QAM是无线通信系统中的一种信息调制方式，即64级正交调幅。
[4] Tbps约为1012 比特每秒。——编者注
