5G即為第五代移動電話行動通信標準，也稱第五代移動通信技術。根據 IMT-2020 網絡對 5G 的設計理念，5G關鍵技術以 SDN、NFV 和云為基礎，向著自動、智能、靈活、高效、穩定的方向發展。5G峰值網絡速率將達到10Gbps、網絡傳輸速度比4G快10-100倍、網絡時延從4G的50毫秒縮短到1毫秒、滿足1000億量級的網絡連接。
5G的應用場景
1 加速普及物聯網
從 4G 開始，物聯網在智能家居行業已經興起，但只是處於初級階段。未來數年，5G的更高速率、更短時延、更大規模、更低功耗，將能夠有效滿足物聯網的特殊應用需求，從而實現自動化和交通運輸等領域的物聯網新用例，加快物聯網的落地和普及，如智慧醫療、車聯網、智能家居、環境監測等。
2 普及雲端化生活
如果 5G 時代到來，4K 視頻甚至是 8K 視頻將能夠流暢實時播放 ；雲技術將會更好的被利用，生活、工作、娛樂將都有“雲”的身影；極高的網絡速率也意味著硬盤將被雲盤所取締 ；隨時隨地可以將大文件上傳到雲端。由於智能終端和應用的普及，使得移動數據業務的需求越來越大，內容越來越多，按需智能推送內容，提升用戶體驗。移動互聯網推動移動智能終端進入和構成移動設備雲。
3 提升智能交互
VR直播、無人機陣列、無人駕駛汽車、人工智能、遠程醫療間的數據交換，都需要運用到 5G 技術進行龐大的數據吞吐量，並具有極短的延遲時間。城市交通、市民生活、醫療健康、生活治理將邁入新的時代。在多平臺開發應用的基礎上實現 5G 網絡超高速數據傳輸、低延時用戶感知，未來全新多方位的用戶體驗將呈現在使用者面前，例如虛擬導航將通過超高速數據用戶體驗實時訪問城市街道及大型場景建築地圖數據庫；移動遠程醫療的用戶可以根據 5G 低延時、高速特性在沒有醫療室高速行駛的列車上通過視頻通信獲取遠端醫生的協助，及時運用人工智能手段解決用戶醫療難題。
5G的技術體系
和4G相比，5G的提升是全方位的，按照3GPP的定義，5G既包括大規模天線，超密集組網，新型多址技術、全頻譜接入及新型網絡架構等關鍵應用技術，也包括新型信息中心網絡、軟件定義網絡、虛擬化、雲存儲等基礎支撐技術。總的來說，5G的技術體系分為基礎技術和應用技術兩個層面。
▶ 一、基礎技術
1 新型信息中心網絡
傳統通信 TCP/IP 網絡難以實現全面海量數據的發佈，而以 ICN（信息中心網絡）為代表的新技術優勢日益明顯。5G注重利用 ICN、IP 的雙重結合，針對擴展性、數據移動性、數據部署等情況設定實用型目標戰略，與 SDN（軟件定義網絡）相互融合，考慮數據平面與控制平面的網絡架構情況，併為其提供動態配置環境。
2 SDN(軟件定義網絡)與 NFV(網絡功能虛擬化）
利用數據分離、軟件化、虛擬化概念，為 5G 移動通信網絡提供技術支撐，也是歐盟所公佈的 5G 網絡發展審核標準的重要內容。SDN 以基礎設施層（網絡最底層）、中間層（控制層）、最上層（應用層）為主，涵蓋了 API 網絡資源調用內容。NFV 是從網絡運營商的角度出發的網絡體系，利用 IT 技術平臺來實現功能虛擬化，並與所對應的功能塊相銜接，便於統一調用相關虛擬資源。
3 5G芯片技術
在高寬帶收發系統、可見光通信、調制解調器、移動終端、大規模天線、雲後臺服務等諸多環節都需要芯片支撐，而且比4G的性能要求更高、尺寸更小。
4 雲後臺服務
雲服務安全、可靠並形成中心式雲後臺，利用量子密碼學進行實現5G安全的實現，可以有效的避免不必要的資源浪費，並且可以降低物理層面的存儲支出，有效縮減第三方的存儲器代理提供的費用。
▶ 二、應用技術
5G的關鍵應用技術分為覆蓋增強技術、頻效提升技術、頻譜擴展技術、能效提升技術等四個類別。
1 覆蓋增強技術
在雲後臺技術的支撐下，覆蓋增強技術由密集異構組網組成。縮小覆蓋半徑，以頻譜資源的空間複用，提高頻譜效率，從而提高業務量。在 5G 的超密集異構網絡中，利用宏站和低功率小型基站進行覆蓋，包括4G、Wi-Fi、LTE 等多種異構網絡，通過增加站點密度減少節點間的距離，使網絡節點距離終端更近，令頻譜效率以及系統容量得到大幅度的提升。
2 頻效提升技術
一是MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)天線技術。該技術是在接收端及發送端使用多個天線進行接收和發送，大規模的增加天線數量，在不增加頻譜資源或總功率耗損的條件下提高信道容量、吞吐量及傳送距離，從而改善通信質量。
二是可利用節點擴展技術。大規模 MIMO中基站天線的數量 陣列沒有空間時域限制，並且上行導頻採用的是時分雙工進行的信度估計，將大大提升頻效。
三是新型傳輸波形。OFDM（正交頻分複用。一種無線環境下的高速多載波傳輸技術。）是當前 Wi-FI和 LTE 標準中的高速無線通信的主要傳信模式，與傳統的 FDM 模式相比，頻譜利用率提升接近 1 倍，而且具有抗頻率選擇性衰落，並可充分的利用 FFT/IFFT模塊，實現容易、易操作。OFDM 仍然是未來 5G 的關鍵傳輸波形技術，但是其性能參數等有待優化提高。
四是非正交多址接入技術。非正交多址接入技術（NOMA）把功率域由傳統的單用戶改為多用戶共享，並把無線接入能量提升 50%，非正交多址接入技術新增功率域，可以滿足每個用戶不同的路徑損耗實現複用。
五是先進調製編碼技術。為了將來在有限的通信資源基礎上實現更高層次的吞吐量、高頻譜利用率及高服務高運轉速度的無線傳輸，5G 迫切需要實現編碼空間調製，即在傳統的二位映射基礎上延伸至三維映射中去，並以天線實際的物理位置定位為依據來攜帶部分發送信息，以此提高頻譜效率。
3 頻譜擴展技術
頻譜擴展技術是當今最先進的無線通信技術，包括認知無線電、毫米波、可見光通信等技術。一是認知無線電，是伴隨移動通信領域快速發展的無線電通信頻譜利用率的新技術，認知功能的無線通信有效地利用時間和空間上的空閒頻譜資源來提供無線通信務，全動態利用“頻譜空穴”，並在此資源基礎上利用空間、時間適時調整功率、頻率、調製及其它動態參數獲取最佳的頻帶利用效果。二是毫米波，採用毫米波通信能夠很有效的緩解頻譜資源緊張的狀態也可以提升通信容量。由於 5G的超密集異構網絡，毫米波具有波束集中，提高能效 ；方向性好，受干擾影響小 ；波束窄的特點，具有很強的抗干擾能力提高通信的可靠性。三是可見光通信，可見光通信具有廣泛性、高速率性、寬頻譜、低成本、高保密性、實用性等特點，在物聯網、移動通信等領域獲得廣泛認同新技術，其應用滲透到航空、軍事、地鐵、通信等領域，並在未來 5G 通信中佔有一席之地。
4 能效提升技術
一是多域協同無線資源管理，主要是業務域話音、非實時數據、實時數據、多媒體及廣播和用戶域協同合作利用，並在充分配合碼域、時域、空域、頻域及能量域的資源域共同完成多域協同資源的管理；二是多協同可以實現跨層資源的聯合調度，在跨網優化中實現協同通信，促進交流、增加合作，跨網資源聯合優化配置。
表1：5G技術體系
國內5G的技術難點
1 5G芯片
國外高通、英特爾等企業領先國內華為、中興。在2017年世界互聯網大會上，高通基於面向移動終端的5G調制解調器芯片組成功實現全球首個正式發佈5G數據連接。英特爾推出了首個支持5GNR的多模商用調制解調器家族——英特爾XMM8000系列。其中XMM8060為英特爾首款多模、全頻段的商用5G調制解調器，預計於2019年中用於5G商用客戶設備。我國華為、展訊等企業也相繼推出了5G芯片，但是在基帶技術上與英特爾、高通有著不小的差距。根據不久前展訊展示的芯片技術路線圖，將會在2019年底前推出基於3GPP R15標準的5G基帶芯片，可以估測其技術與世界領先水平還有3-5年的差距。雖然在2017世界互聯網大會上，華為獲得“3GPP 5G預商用系統”科技成果獎，但僅顯示華為在網絡側的實力。華為發佈的5G芯片組，體積比較大，並不適合於移動終端對尺度、功能和銜接速率的完美需求。高通X50芯片的體積和50分歐元硬幣差不多大，充分顯示其技術實力和領先地位。從深層次來看，國內外芯片方面的主要差距表現在：
一是關鍵核心技術缺失。國外射頻芯片和器件技術已經非常成熟，尤其是面向高頻應用的BAW和FBAR 濾波器，我國BAW和FBAR專利儲備十分薄弱，自主研發面臨諸多壁壘。二是缺乏成熟的商用工藝支撐，整體落後世界領先水平兩代以上。砷化鎵、氮化鎵等化合物半導體代工市場主要集中在我國臺灣地區；鍺硅和絕緣硅材料工藝方面主要被格羅方德、TowerJazz等大廠掌控。三是產業鏈上下游協同性不夠，當前我國面向5G，國內芯片缺乏與軟件、整機設備、系統應用、測試儀器儀表等產業生態環節的緊密互動。
2 雲計算軟硬件
5G 網絡是由大型服務器組成的雲計算平臺，主要通過具有數據減緩功能的路由器和交換機網絡來連接基站，採用宏基站能夠實現雲存儲功能，通過雲計算處理時效性強的數據、處理多樣化的業務、產生功能多樣化的連接方式，全面實現信息通信技術的智能化。5G 的雲化趨勢包括 ：基帶處理能力的雲化( 雲架構的RAN， 即 C-RAN)、 採 用 移 動 邊 緣 內 容 與 計 算 (mobile ed gecontent and computing，MECC)、終端雲化 。C-RAN 是將多個基帶處理單元（baseband unit， BBU）集中起來，通過大規模的基帶處理池為成百上千個遠端射頻單元(remote radio unit，RRH)服務。 此時，基帶處理能力是雲化的虛擬資源。5G 將採用 MECC， 即在靠近移動用戶的位置上提供IT 服務環境和雲計算能力，使應用、服務和內容部署在分佈式移動環境中，針對圖像、視頻、製圖等，將計算和存儲卸載到無線接入網，從而降低了對通信帶寬的開銷，並提高了實時性。
但是，雲計算的服務器、存儲系統、雲終端及虛擬化軟件、中間件、雲調度、軟件定義網絡等關鍵技術和設備的生產被國外企業VMware、EMC、OPENSTACK、IBM等掌控。在雲服務方面，亞馬遜佔領全球一半以上的市場份額；在海量存儲方面，國內市場一直被EMC、三星、SK海力士、美光、東芝等國際存儲器巨頭所壟斷，國內存儲器的發展一直比較緩慢。
3 毫米波高頻及高頻器件
首先5G需要在複雜應用場景中提供幾百Gibt/s甚至幾個Gbit/s的通信能力，需要高、中、低頻協同工作，頻段高意味著波長小、相應的天線尺寸小，偏向於採用多天線。
其次高頻信號衰落快，需要超密集組網，在人口密集的特大城市，將面臨城市居民的潛在阻力，並且中心城區高樓密集，對有較強方向性特徵的高頻數據的遮擋不可避免，很難形成最佳用戶體驗。
第三，高頻關鍵器件的特性和成熟度對系統設計也帶來一些新的挑戰。我國5G試驗已經規劃了26GHz和39GHz作為高頻試驗頻段，但是此前高頻段較少應用於民用通信領域，所以相關產業鏈配套環節並不十分成熟，其中最突出的問題就是高頻器件較為薄弱，研製大帶寬、低噪聲、高效率、高可靠性、多功能和低成本的高頻器件，仍是產業化的瓶頸。
國際上，三星公司在毫米波高頻及高頻器件方面走在了前列，早在2016年三星和我國雙方共同完成5G毫米波的關鍵技術測試。同年12月1日，三星又與日本電信巨頭KDDI Corp. 攜手，成功在時速超過100公里的火車上，首度實現了在5G網絡下的數據傳輸，傳輸速度順利達到 1.7Gbps。
4 5G排除信號干擾的算法
一是現有的干擾協調算法已不再適用。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。
二是為了滿足移動性需求，需要新的切換算法。在超密集網絡中，密集地部署及形狀的不規則，導致頻繁複雜的切換。新的切換算法和網絡動態部署技術成為研究重點，除了通信算法的傳統技術路徑以外，神經網絡等算法逐漸被人們所重視，但目前的高端算法掌握在GOOGLE、FACEBOOK等國際巨頭手中。
5 5G網絡安全
一是5G 網絡和業務運維的安全問題。5G 採用的是通用硬件臺帶來低可靠性問題，與5G 服務工業互聯網、車聯網等的高可靠性相互衝突，需進一步研究如何提高在通用硬件平臺上實現電信協議的可靠性。二是接入設備的雙重身份引發的安全問題。未來移動接入設備( 例如智能手機) 可以臨時升級成為小基站，以擴大網絡的覆蓋面積。但是這樣的設備角色切換，在安全層級上使得智能手機具有更高權限，而其他接入設備則需要通過該智能手機傳遞信息，由此可能引發信息洩露以及安全管理問題。三是超高密度用戶接入引發的安全問題。5G 網絡提供對與海量用戶訪問的支持，但是由於網絡中海量用戶的接入需求，服務器端可能也會接收到來自於海量用戶的安全認證需求，這將可能面臨針對海量用戶加密方法、加密服務器性能以及新的感知網絡、人工智能病毒攻擊帶來的安全問題。
表2 國內技術難點
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