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 [1] 。
5G的發展也來自於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、碎片化分佈，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；最後，未來網絡必然是一個多網並存的異構移動網絡，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 [1] 。
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，由模數轉換器轉換並作為比特流傳輸。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複使用。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 [3] 。
5G網絡的主要優勢在於，數據傳輸速率遠遠高於以前的蜂窩網絡，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），低於1毫秒，而4G為30-70毫秒。由於數據傳輸更快，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於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 [3] 。
網絡特點
- 峰值速率需要達到Gbit/s的標準，以滿足高清視頻，虛擬現實等大數據量傳輸。
- 空中接口時延水平需要在1ms左右，滿足自動駕駛，遠程醫療等實時應用。
- 超大網絡容量，提供千億設備的連接能力，滿足物聯網通信。
- 頻譜效率要比LTE提升10倍以上。
- 連續廣域覆蓋和高移動性下，用戶體驗速率達到100Mbit/s。
- 流量密度和連接數密度大幅度提高。
- 系統協同化，智能化水平提升，表現為多用戶，多點，多天線，多攝取的協同組網，以及網絡間靈活地自動調整。
以上是5G區別於前幾代移動通信的關鍵，是移動通信從以技術為中心逐步向以用戶為中心轉變的結果 [4] 。
發展歷程
移動通信的變更
2013年2月，歐盟宣佈，將撥款5000萬歐元。加快5G移動技術的發展，計劃到2020年推出成熟的標準 [5] 。
2013年5月13日，韓國三星電子有限公司宣佈，已成功開發第5代移動通信（5G）的核心技術，這一技術預計將於2020年開始推向商業化。該技術可在28GHz超高頻段以每秒1Gbps以上的速度傳送數據，且最長傳送距離可達2公里。相比之下，當前的第四代長期演進（4GLTE）服務的傳輸速率僅為75Mbps。而此前這一傳輸瓶頸被業界普遍認為是一個技術難題，而三星電子則利用64個天線單元的自適應陣列傳輸技術破解了這一難題。與韓國4G技術的傳送速度相比，5G技術預計可提供比4G長期演進（LTE）快100倍的速度。 [6] 利用這一技術，下載一部高畫質（HD）電影只需十秒鐘。
2014年5月8日，日本電信營運商NTT DoCoMo式宣佈將與 Ericsson、Nokia、Samsung 等六家廠商共同合作，開始測試凌駕現有 4G 網絡 1000 倍網絡承載能力的高速 5G 網絡，傳輸速度可望提升至 10Gbps。預計在2015年展開戶外測試，並期望於 2020 年開始運作 [7] 。
2015年9月7日，美國移動運營商Verizon無線公司宣佈，將從2016年開始試用5G網絡，2017年在美國部分城市全面商用。 [8] 中國5G技術研發試驗將在2016-2018年進行，分為5G關鍵技術試驗、5G技術方案驗證和5G系統驗證三個階段實施。 [9]
從發展態勢看，5G還處於技術標準的研究階段，未來幾年4G還將保持主導地位、實現持續高速發展。但5G有望2020 年正式商用。 [10]
2017年2月9日，國際通信標準組織3GPP宣佈了“5G”的官方 Logo。 [11]
2017年11月15日，工信部發布《關於第五代移動通信系統使用3300-3600MHz和4800-5000MHz頻段相關事宜的通知》，確定5G中頻頻譜，能夠兼顧系統覆蓋和大容量的基本需求。 [12]
2017年11月下旬中國工信部發布通知，正式啟動5G技術研發試驗第三階段工作，併力爭於2018年年底前實現第三階段試驗基本目標。 [13]
2017年12月21日，在國際電信標準組織3GPP RAN第78次全體會議上，5G NR首發版本正式凍結併發布。 [14]
2017年12月，發改委發佈《關於組織實施2018年新一代信息基礎設施建設工程的通知》，要求2018年將在不少於5個城市開展5G規模組網試點，每個城市5G基站數量不少50個、全網5G終端不少於500個。 [15]
2018年2月23日，在世界移動通信大會召開前夕，沃達豐和華為宣佈，兩公司在西班牙合作採用非獨立的3GPP 5G新無線標準和Sub6 GHz頻段完成了全球首個5G通話測試。 [16]
2018年2月27日，華為在MWC2018大展上發佈了首款3GPP標準5G商用芯片巴龍5G01和5G商用終端，支持全球主流5G頻段，包括Sub6GHz(低頻)、mmWave(高頻)，理論上可實現最高2.3Gbps的數據下載速率。 [17]
2018年6月13日，3GPP 5G NR標準 SA（Standalone，獨立組網）方案在3GPP第80次TSG RAN全會正式完成併發布，這標誌著首個真正完整意義的國際5G標準正式出爐。 [18]
2018年6月14日，3GPP全會（TSG#80）批准了第五代移動通信技術標準（5G NR）獨立組網功能凍結。加之2017年12月完成的非獨立組網NR標準，5G已經完成第一階段全功能標準化工作，進入了產業全面衝刺新階段。 [19]
2018年6月28日，中國聯通公佈了5G部署：將以SA為目標架構，前期聚焦eMBB，5G網絡計劃2020年正式商用。 [20]
2018年8月2日，奧迪與愛立信宣佈，計劃率先將5G技術用於汽車生產。在奧迪總部德國因戈爾施塔特，兩家公司就一系列活動達成一致，共同探討5G作為一種面向未來的通信技術，能夠滿足汽車生產高要求的潛力。奧迪和愛立信簽署了諒解備忘錄在未來幾個月內，兩家公司的專家們將在位於德國蓋梅爾斯海姆的“奧迪生產實驗室”的技術中心進行現場測試。 [21]
2018年11月21日，重慶首個5G連續覆蓋試驗區,建設完成，5G遠程駕駛、5G無人機、虛擬現實等多項5G應用同時亮相。 [22]
2018年12月1日，韓國三大運營商SK、KT與LG U+同步在韓國部分地區推出5G服務，這也是新一代移動通信服務在全球首次實現商用。第一批應用5G服務的地區為首爾、首都圈和韓國六大廣域市的市中心，以後將陸續擴大範圍。按照計劃，韓國智能手機用戶2019年3月份左右可以使用5G服務，預計2020年下半年可以實現5G全覆蓋。 [23]
2018年12月7日，工信部同意聯通集團自通知日至2020年6月30日使用3500MHz-3600MHz頻率，用於在全國開展第五代移動通信（5G）系統試驗。 [24] 12月10日，工信部正式對外公佈，已向中國電信、中國移動、中國聯通發放了5G系統中低頻段試驗頻率使用許可。這意味著各基礎電信運營企業開展5G系統試驗所必須使用的頻率資源得到保障，向產業界發出了明確信號，進一步推動我國5G產業鏈的成熟與發展 [25] 。
2018年12月18日，AT&T宣佈，將於12月21日在全美12個城市率先開放5G網絡服務。 [26]
2019年2月20日，韓國副總理兼企劃財政部部長洪南基提到，2019年3月末，韓國將在全球首次實現5G的商用。 [27]
2019年6月6日，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電發放5G商用牌照，中國正式進入5G商用元年。 [28]
2019年9月10日，中國華為公司在布達佩斯舉行的國際電信聯盟2019年世界電信展上發佈《5G應用立場白皮書》，展望了5G在多個領域的應用場景，並呼籲全球行業組織和監管機構積極推進標準協同、頻譜到位，為5G商用部署和應用提供良好的資源保障與商業環境。 [29]
2019年10月，5G基站入網正式獲得了工信部的開閘批准。工信部頒發了國內首個5G無線電通信設備進網許可證，標誌著5G基站設備將正式接入公用電信商用網絡。而運營商預計將在10月31日分別公佈其5G套餐價格，並於11月1日起正式執行5G套餐。隨著5G即將商用，北京移動副總經理李威介紹，在金融方面，市民能體驗到建行等銀行推出的5G+無人銀行；交通方面，5G自動駕駛方興未艾；在民生領域，遠程醫療等5G+醫療和5G+環保等應用也已經閃亮登場。北京聯通方面還特別表示，其將推出北京地區專屬5G產品套餐，給予用戶相關權益。2019年10月19日，北京移動助力301醫院遠程指導金華市中心醫院完成顱骨缺損修補手術；在北京水源地密雲水庫，北京移動通過5G無人船實現了水質監測、汙染通量自動計算、現場數據採集以及海量檢測結果的分析和實時回傳等。凡此種種，都是5G技術在各行各業落地的最新應用案例 [30] 。
2019年10月31日，三大運營商公佈5G商用套餐，並於11月1日正式上線5G商用套餐。 [2]
關鍵技術
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 年及以後，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 [31] 。
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，並且支持在每 1 km2 範圍內為 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範圍，擴展了系統容量，並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複雜， 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 [31] 。
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，密集的部署使得小區邊界數量劇增，加之形狀的不規則，導致頻繁複雜的切換。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。由於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範圍動態變化特性；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佈出現劇烈的動態變化 [31] 。
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， 這主要是由於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，它們之間的關係錯綜複雜。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 [31] 。
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癒合。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。自癒合指系統能自動檢測問題、 定位問題和排除故障，大大減少維護成本並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並執行，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 [31] 。
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。僅僅依靠增加帶寬並不能解決問題， 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係。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 [31] 。
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， 便於用戶從就近的帶寬充足的代理服務器上獲取內容， 降低網絡時延並提高用戶體驗。隨著雲計算、 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於專業化、 定製化，在內容路由、 管理、 推送以及安全性方面都面臨新的挑戰 [31] 。
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 [31] 。
D2D 通信是一種基於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、鑑權、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，終端可藉助 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 [31] 。
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， 並已立項開始研究 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 有別於其它應用的典型特徵， 這一特徵下的機器也被賦予了更多的“智慧” [31] 。
信息中心網絡
隨著實時音頻、 高清視頻等服務的日益激增，基於位置通信的傳統 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 ，後來被 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 [31] 。
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。不同於傳統的以主機地址為中心的 TCP /IP 網絡體系結構，ICN 採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於發佈訂閱方式的信息傳遞流程 [31] 。首先，內容提供方向網絡發佈自己所擁有的內容，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。然後，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佈方，內容發佈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，採用的是“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，採用“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 網絡採用有別於傳統網絡安全機制的基於信息的安全機制。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 [31] 。
應用領域
車聯網與自動駕駛
車聯網技術經歷了利用有線通信的路側單元（道路提示牌）以及2G/3G/4G網絡承載車載信息服務的階段，正在依託高速移動的通信技術，逐步步入自動駕駛時代。根據中國、美國、日本等國家的汽車發展規劃，依託傳輸速率更高、時延更低的5G網絡，將在2025年全面實現自動駕駛汽車的量產，市場規模達到1萬億美元 [32] 。
外科手術
2019年1月19日，中國一名外科醫生利用5G技術實施了全球首例遠程外科手術。這名醫生在福建省利用5G網絡，操控30英里（約合48公里）以外一個偏遠地區的機械臂進行手術。在進行的手術中，由於延時只有0.1秒，外科醫生用5G網絡切除了一隻實驗動物的肝臟。5G技術的其他好處還包括大幅減少了下載時間，下載速度從每秒約20兆字節上升到每秒50千兆字節——相當於在1秒鐘內下載超過10部高清影片。5G技術最直接的應用很可能是改善視頻通話和遊戲體驗，但機器人手術很有可能給專業外科醫生為世界各地有需要的人實施手術帶來很大希望。
5G技術將開闢許多新的應用領域，以前的移動數據傳輸標準對這些領域來說還不夠快。5G網絡的速度和較低的延時性首次滿足了遠程呈現、甚至遠程手術的要求。 [33]
智能電網
因電網高安全性要求與全覆蓋的廣度特性，智能電網必須在海量連接以及廣覆蓋的測量處理體系中，做到99.999%的高可靠度；超大數量末端設備的同時接入、小於20 ms的超低時延，以及終端深度覆蓋、信號平穩等是其可安全工作的基本要求 [32] 。
社會評價
貝爾實驗室無線研究部副總裁西奧多·賽澤表示，5G並不會完全替代4G、WiFi，而是將4G、WiFi等網絡融入其中，為用戶帶來更為豐富的體驗。通過將4G、WiFi等整合進5G裡面，用戶不用關心自己所處的網絡，不用再通過手動連接到WiFi網絡等，系統會自動根據現場網絡質量情況連接到體驗最佳的網絡之中，真正實現無縫切換。 [34]
歐盟數字經濟和社會委員古澤·奧廷格表示，5G必須是靈活的，能夠滿足人口稠密地區、人口稀疏地區以及主要的交通線等各種場景的需要。 [35]
2019年6月，新京報評論：5G不僅是一場技術革命更蘊含千萬億級市場 [36] 。
