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为用户使用AR导航，AR界面可以显示在汽车挡风玻璃上，用户可以直观的看到当前的车辆信息。
为满足上述场景，一方面，例如在热点区域获得理想的VR体验，需要移动网络为用户提供极致的极高数据传输速率，1Gbps的用户体验速率，用户峰值速率可达10Gbps。
而需要在车辆高速移动环境下获得AR体验，则需要移动网络需要提供随时随地100Mbps的带宽。
VR和AR组成的移动沉侵式体验要求端到端时延控制在20ms内，才能避免感知到明显的拖尾和眩晕。
eMBB主要是针对2020年及未来移动互联网的要求，主要可以包含两方面内容：
连续广域覆盖和热点高容量。
在eMBB中，对用户体验速率，流量密度，峰值数据速率，移动性，能效和频谱都具有很高的重要性。
与广域覆盖相比，热点区域需要的是更高的用户体验速率和更低的移动性。
2.mMTC：
海量机器类通信，主要针对于物联网IOT，连接数量较多的问题，例如智慧城市，智能工业等。
由于海量机器部署耗费较大，所以一般选择设备较小，且一经部署，即可长期使用，所以就会要求支持的物联网设备需要满足低功耗且寿命长等特性。
eMTC要求满足100万/平方千米的连接数密度。
新型多址技术通过多用户信息的叠加传输成倍提升系统的设备连接能力，还可以通过免调度减少信令开销和终端消耗。
利用D2D技术实现设备与设备间的通信，减少不必要的资源浪费。
3.uRLLC：
超可靠低时延通信，主要针对对时延敏感性高，且对可靠性要求很高的设备，例如无人驾驶，远程手术等等。
uRLLC要求满足毫秒级的端到端时延，五个9的高可靠性。
减少时延主要有三种途径；
降低空口时延，降低网络转发时延，减少重传次数。
因此，采用更短的帧结构，优化的信令流程，引入支持免调度新型多址，D2D技术等减少信令交互和中转。
并运用更先进的调制编码和重传机制以提升传输可靠性。
此外，控制云通过优化数据传输路径，利用核心网部分功能下沉，有效降低网络时延。
uRLLC中比较常见的场景便是智能驾驶，如图，车与车，车与人，车与路，车与网等等。
有数据统计，按照美国国家公路交通管理局的预测，采用智能驾驶技术中轻型车辆可以避免80%的交通事故，重型车能避免75%的交通事故。
车联网也有助于行动不便，老人等特殊人群在特殊路况下的交通安全。
其次，车联网与智能驾驶可使交通拥堵减少60%，使现有道路网的通行能力提供2～3倍。
最后，采用先进技术后，有利于提高燃油效率，降低碳排放，减少能源消耗，实现可持续发展。
图8智能驾驶应用场景
针对5G的每种业务场景，有不同的关键性能指标。
主要性能指标如下：
图95G应用场景及技术指标
图10不同使用情景中各关键性能的重要图示
三、5G网络架构
中国IMT-2020（5G）推进组于2015年2月发布了“5G概念白皮书”，该白皮书中给出了5G的网络概念架构。
图115G网络架构
5G网络架构包括接入云，控制云和转发云。
接入云支持多种无线制式的接入，融合集中式和分布式两种无线接入网架构，适应各种类型的回传链路，实现更灵活的组网部署和更高效的无线资源管理。
5G的网络控制功能和数据转发功能将解耦，形成集中式统一的控制云和灵活高效的转发云。
控制云实现集中的会话管理，移动性管理和服务质量管理，并构建面向业务的网络能力开放接口，从而满足业务的差异化要求并提升业务的部署效率。
转发云基于通用硬件平台，在控制云高效的网络控制和资源调度下，实现海量业务的高可靠，低延迟，均负载的高效传输。
如下图所示，为爱立信白皮书中的5G系统，所有的应用包括一些网络应用都部署在云上，只有一些少量特殊的应用部署在接入节点中。
可以根据需求进行部署进行集中化部署，如APP3，APP4等，也可以分布化部署如APP1，APP2等。
爱立信白皮书中的5G系统
四、5G技术发展
5G技术发展主要包括5G新技术，和4G演进两条路线。
一方面，4G网络最初设计的初衷，主要是支持移动宽带服务，导致现有很多服务支持性不好，因此需要设计新的5G网络以适应当前的服务需求。
另一方面，受现有4G网络技术架构的约束，大规模天线，超密集组网等增强技术的潜力难以完全发挥，导致4G演进无法满足5G新的业务要求，所以要求设计全新的技术，以满足5G关键性能指标。
a）4G演进
i.4G演进是通过现有4G网络中已经存在的技术，通过一些增强手段，例如massiveMIMO，波束成型等，在保障与原系统兼容的基础上，提升4G系统的速率，容量，连接数，时延等满足5G业务要求。
b）新技术
i.新技术路线主要针对新的业务场景和新的频段的设计，例如高频段和非授权频段的利用。
不考虑与原系统的兼容性，通过新的技术来满足5G的业务需求，特别是超可靠低延迟和大规模机器类型通信。
c）为满足5G新的业务场景，主要有以下几种主流技术：
1.网络技术领域
a）SDN,软件定义网络,SDN核心概念有两个，一个是转发面与控制面的分离，另一个是开放的可编程接口。
在传统的架构中，交换机和路由器不得不在操作6000种分布式协议的控制下实施整个网络的智能连接。
这意味着，即使只有一个网元增加了一种新的协议，也需要所有其他网元做出相应的变更。
事实上，在网络中增加一种新的协议往往需要数年时间，才能最终完成标准化到实际部署的过程。
这就使得SDN的引入.
SDN主要包括两个方面:
控制面,转发面.控制面是网络中做出转发决定的因素,包括路由协议等.转发面是执行控制面的转发决策转发数据的部分.SDN北向接口可以为用户提高开放式可编程接口,用户可以进行定制化部署和服务,因此可以加快业务部署的速度.SDN南向接口一般为OpenFlow协议,它向交换机传送转发表，交换机依此转发报文.
图12SDN架构
b）NFV，NFV主要指通过软件或者通用硬件代替专用设备。
例如，DNS，防火墙，MME等可以利用软件部署。
现有很多网络功能软件的实现都是通过专用硬件，例如MME，S/P-GW防火墙，DNS等，以至于不能灵活的部署，但是使用了NFV之后，通过软件功能或通用硬件代替专用硬件，部署成本降低，部署更加灵活，所以我们可以根据需要灵活分配网络功能在网络中的位置。
NFV架构主要包含：
虚拟网络功能层（virtualnetworkfunction，VNF），基础设施层（NFVinfrastructure，NFVI）,NFV管理与编排层（NFVmanagementandorchestration）。
1.虚拟网络功能层VNF，是网络功能的软件实现。
2.基础设施层NFVI，包括各种各样的物理资源（交换机\路由器\计算服务器\存储设备等），以及硬件资源的抽象，形成虚拟资源（虚拟计算资源\虚拟存储资源\虚拟网络资源等）。
3.NFVmanagementandorchestration，负责整个NFVI资源的管理与编排等。
图13NFV架构
c）MEC
i.MEC技术主要是通过无线接入侧部署通用服务器，从而为无线侧提高IT和云计算的能力。
MEC技术优势如下：
1.MEC技术使得传统无线接入网具备了业务本地化，近距离部署的条件，无线接入网因此具备了低时延，高带宽的传输能力，有效缓解了未来移动网络对于带宽和时延的要求。
2.同时，业务面下沉即本地化部署可以有效降低网络负荷以及对网络回传带宽的要求，从而实现缩减运营成本的目的。
3.业务应用的本地部署，使得业务应用更加靠近用户，更利于实现网络上下文信息的感知和利用，从而有效提升用户体验。
4.运营商可以通过MEC平台将无线能力开放给第三方业务应用，为创新型业务的研发部署提高平台。
ii.MEC在5G网络中的应用。
针对每种不同的应用场景，MEC技术有不同的功能。
1.eMBB场景中，MEC技术可以通过近距离部署以及缓存功能等减少时延，提高带宽，有效满足eMBB场景中对时延和带宽的要求。
下图为eMBB场景中典型的AR场景，例如超市购物过程中的AR体验，可以将所有商品信息放置在离超市较近的边缘云中，随着用户的购物过程，随时随地为用户提供商品信息的展示。
通过边缘云可以为用户提高低时延，高带宽的用户体验。
图14增强现实服务场景
2.uRLLC场景中，业务本地化可以有效降低端到端时延，一定程度上满足5G网络对于时延的要求。
下图为车联网边缘云场景。
在LTE基站中的MEC服务器可以部署MEC应用，MEC应用可以从路边传感器获取信息，进行分析，并向该区域的车辆发送相关信息，通过边缘云可以使车辆在毫秒级内接收到信息，并做出相应的处理。
图15车联网服务场景
3.mMTC场景中，由于移动终端低功耗特性，无法部署高复杂度，高能耗的计算任务。
传统的解决办法是部署在远程云端，但是增加了时延和回传链路容量。
因此，针对mMTC业务，通过将高复杂度，高能耗的计算任务部署在无线接入网边缘，有效解决时延和回传带宽要求。
下图为IOT网关边缘云服务场景。
可以在LTE基站中的MEC服务器上部署IoT应用，用于远程连接，控制设备，分析数据等等。
图16IOT网关服务场景
d）网络切片
i.网络切片的由来
5G网络中需要满足不同的业务场景,不同的业务场景对时延,带宽,连接数等的需求各不相同,若采用一种网络满足所有业务场景,如图,则会导致网络越来越拥堵,并且网络中相应的设置等也过于繁琐,例如若要实现车联网业务,则必须满足汽车行业的所有运行标准.为此,我们可以根据不同的需求建立不同的网络,但是建立专用网络,如图,成本太高,所以我们提出了网络切片的概念,利用虚拟的逻辑网络满足不同的需求.
图17利用一种网络实现5G业务场景
图18专用网络实现5G中不同的业务场景
图195G网络中不同业务场景的网络切片划分
ii.网络切片的概念:
网络切片可以在一个独立的物理网络上分离出多个逻辑网络。
针对业务需求类型，提供差异化的配置。
例如，在自动驾驶领域的网络切片，由于自动驾驶对时延有较高要求，因此可以在网络切片中精简协议栈功能，减少时延。
而针对物联网领域的网络切片，由于物联网设备地理位置较固定，所以可以在网络切片中裁剪掉移动性管理功能等。
一个切片可以支持一种或者多种服务，可以用于创造一个虚拟运营商网络，提供用户定制化服务。
iii.网络切片的实现方式:
图20当前网络
图中是当前网络，RU（radiounit）和DU（digitalunit）以及核心网中的功能均为专用设备实现。
图21NFV网络
图中创建虚拟化网络，即使用NFV后，可以将DU和核心网中的，使用专用硬件设备的功能用软件虚拟化实现。
软件功能虚拟化后即可以灵活部署软件位置，因此可以在MEC边缘云中实现核心网功能下沉。
SDN软件定义网络负责不同虚拟机之间的连接。
图22网络切片
图中即为网络切片的范例，UHD切片：
在边缘云中虚拟化DU，5G核心（UP）和缓存服务器等等.
iv.每个应用场景可对应于一种网络切片的隔离方式，如下图所示，以下我们将根据根据不同对业务场景进行分析。
1.mMTC服务中，低功耗，低复杂性，移动性较低。
因此，可以将无线接入技术RAT部署在基站靠近用户层，而其他主要功能则在中心部署。
2.在eMBB业务场景中，有高带宽和较低时延的要求。
因此，需要用户面和数据面的分离，数据面需要更靠近用户侧。
3.在uRLLC，也就是criticalIoT场景中，需要极地的时延和极高的可靠性。
如图所示，UP和CP部署在BS侧，而有一些功能则在中心站和BS侧双重部署。
e）无线mesh
无线Mesh网络也称为“多跳（multi-hop）”网络,是一种与传统无线网络不同的新型无线网络技术。
无线mesh网络包括两部分:
mesh路由器和mesh客户端.
图23无线传统网络
图24无线mesh网络
在传统的无线局域网（WLAN）中，每个客户端均通过一条与AP相连的无线链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点（AP），这种网络结构被称为单跳网络,如上图。
而在无线Mesh网络中，采用无线mesh路由器作为AP和路由器，发送和接收信号，不同的mesh路由器之间可以直接通信。
同时，每个终端节点间也可以直接通信。
这种结构的最大好处在于：
如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。
依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。
在IMT-2020白皮书中提到,在5G网络中,可以将本地基站,终端,网关等动态组建成网络,弥补传统通信中的不足.当添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径。
如下图。
图25基站无线MESH图
基站和基站之间的无线互联有多条路径连在一起形成网络，网络有多条路径形成回联，构成一个动态网络，稳固性很好。
如果某一个路径故障，则可以切换到另外一条路径上，不会造成网络的中断。
无线MESH网络能够构建快速、高效的基站间无线传输网络，提高基站间的协调能力，降低基站间进行数据传输与信令交互的时延，提高更加动态，灵活的回传选择，进一步支持基站的即插即用，实现易部署、易维护、用户体验好的轻微网络。
f）multi-RAT
g）无线资源调度与共享
2.无线技术领域
a）massive-MIMO
i.MIMO技术已经在4G系统中得到广泛应用。
面对5G的传输速率和系统容量等方面的性能挑战，天线数目的进一步增加将是MIMO技术的演进方向。
在现有多天线基础上通过增加天线数可支持数十个独立的空间数据流，有效提升频谱效率。
ii.通过大规模MIMO，基站可以在三维空间形成具有高空间分辨能力的高增益窄带细波，能够提供更灵活的空间复用能力，改善接收信号强度并能够很好的抑制用户间干扰，从而提高系统容量和频谱效率。
图26大规模MIMO示意图
b）超密集组网
i.为解决未来5G网络容量1000倍以及用户体验速率10~100倍，除了增加频谱带宽和利用先进的无线传输技术提高频谱效率外，提升无线系统容量最为有效的办法依然是加密小区部署提升空间复用度。
传统的无线通信通常采用小区分裂的方式加密网络，但是随着小区间距离越来越近，小区间的干扰越来越严重，且越区切换越来越频繁，小区分裂难以进行，所以提出了超密集组网架构。
ii.超密集组网的主要技术特征有：
1.利用高频技术加密小区部署，在传统宏基站的基础上提出微基站，利用微基站进行热点容量补充。
如图。
2.采用“覆盖”和“容量”分离。
微基站负责“容量”，宏基站负责“覆盖”。
3.簇化集中控制，宏基站负责覆盖及微基站间的协调管理
图27超密集组网简单示意图
iii.针对IMT-2020提出的“三朵云”网络架构，提出了超密集组网示意图。
1.首先，利用宏基站进行热点容量补充，并利用大规模天线，高频通信等无线技术，提高无线侧的吞吐量。
2.其次，为了尽快对大流量的数据进行处理和响应，需要将用户面网关，业务使能模块，内容缓存、边缘计算等转发相关功能尽量下沉到靠近用户的边缘。
5G超密集组网网络架构
（不讲）宏-微部署场景:
5G超密集组网部署场景示意图（宏-微场景,微-微场景）
如上图所示,宏-微覆盖和微-微覆盖.
在宏-微覆盖环境下,微基站负责容量,宏基站负责覆盖以及微基站间资源协调管理的方式,实现接入网根据业务发展需求以及分布特性灵活部署微基站.5G宏-微场景可以采用基于双连接技术方案:
1.
连接始终由宏基站负责维护,终端用户面承载与控制面分离,其中,对中断时延敏感,带宽要求较小的业务（话音）承载由宏基站进行,而对时延不敏感,带宽需求大的业务（视频）承载由微基站进行.如下图,用户面协议架构可以看出,对于微基站负责传输的数据由SGW直接分流到微基站,而维持在宏基站的数据承载,其数据将保持由SGW到宏基站的路径.
2.与方案一类似,终端的控制面承载始终由宏基站维护.终端的用户承载与控制面分离,对于低速率,移动性要求较高（话音业务）,的业务承载和高带宽要求（视频业务等）的业务承载由宏基站和微基站负责传输,其中微基站主要负责系统容量的提升.与方案一不同的是,对于微基站负责的数据承载仅将无线链路控制层RLC,媒体接入层MAC层以及物理层切换到微基站,而分组汇聚协议PDCP层则依然维持在宏基站.换句话说,也就是分流到微基站的数据承载首先由SGW到宏基站,然后在由宏基站经过PDCP层后分流到微基站.
方案一采用宏基站和微基站都和核心网链接,这样可以使数据不经过Xn接口传输,降低了用户面时延,但是宏基站和微基站同时与核心网直接连接将带来核心网信令负荷的增加.方案二则只有宏基站与核心网连接,宏基站和微基站通过Xn接口传输终端数据,这种方案通过在接入网宏基站处进行了数据分流和聚合,微基站于核心网是不可见的,从而减少核心网的信令负担,但是对宏基站回程链路带来了很高的要求.
MME是一个信令实体,主要负责移动性管理、承载管理、用户的鉴权认证、SGW和PGW的选择等功能.
P/SGW,PGW（PDNGateWay，PDN网关）.SGW,servinggateway.
RRC（RadioResourceControl）是指无线资源控制.
SeNB,辅助基站.
MeNB,mastereNB,主基站.
[1]张建敏,谢伟良,杨峰义.5G超密集组网网络架构及实现[J].电信科学,2016,32（06）:
36-43.
ii.在给定区域布置大量的小基站并且智能管理。
如图，以用户为中心的虚拟基站。
传统的静态网络都有一个边缘，但是在以用户为中心的虚拟基站中，包含一组基站可以彼此之间相互协调，重塑，所以任何一个用户都会始终感觉在基站的中心。
b）全频谱接入
i.充分结合各类频谱，例如高低频，授权与非授权频谱等来提升数据传输速率和系统容量。
全频谱接入涉及6Ghz以下频段和6Ghz以上频段，其中低频段是5G的核心频段，用于无缝覆盖，高频段用于辅助频段，用于热点地区的速率提升。
图28频谱覆盖图
ii.如图，高于20Ghz的毫米波将会用于传输峰值高达20Gbps的数据速率和极致的本地容量。
同时低于6Ghz的频带则利用已经存在的基站站点提供高数据速率和低延迟。
低于1Ghz的带宽的则用于支持全面覆盖的关键服务和室内覆盖率等等。
iii.早期的5G将会使用3.5Ghz、4.5Ghz，28/29Ghz，600/700Mhz以及其他一些频谱。
iv.下图为全频谱接入示意图。
基站在授权频带形成了主要的宏基站“覆盖”层，同时，高频或者免授权频段形成了第二层的小基站“容量”层。
另外，双重连接性dual-connectivity，每个基站可以包含在宏基站内，同时也可以包含在小基站内。
图29全频谱接入示意图
v.
c）灵活双工
i.灵活双工能够根据上下行业务变化情况动态分配上下行资源，有效提高系统资源分配率。
ii.灵活双工可以通过时域和频域的方案实现。
如图，每个小区可以根据业务量需求将上行频带配置为不同的上下行时隙配比。
在频域中，可以将上行配置为灵活频带以适应上下行非对称业务要求。
图30灵活双工示意图
d）终端直通技术
终端直接通信技术是指网络中设备器件之间在没有核心网的参与情况下的直接连接通信.
如图,为D2D通信场景示意图.
图31D2D场景
D2D技术有如下优势:
i.增强网络覆盖率:
可应用于传统移动通信覆盖盲区场景，进行覆盖扩展。
ii.增强频谱效率，减少端到端时延，D2D设备可以在不依赖于蜂窝网络都情况下，直接和相邻的设备进行通信,因此可以降低回传链路负载。
D2D通信技术的诸多优势,使得成为5G中的一项关键技术,在不同的应用场景中扮演重要角色.
1.在eMBB场景下,D2D技术可以有效减少蜂窝网络业务数据,并提高频谱效率.
2.在mMTC场景下,D2D技术可以扩展网络覆盖范围等方面发挥巨大作用.
3.在uRLLC场景下,D2D技术可以作为支持低时延,高可靠通信的关键技术,如V2X中.
针对5G系统中灵活的网络环境，提出了两种D2D通信方式。
1）集中式D2D：
在蜂窝网络覆盖区域内的D2D设备终端，基站控制D2D设备终端建立连接，但是源终端和目的终端间的数据交互不再通过基站进行。
2）分布式D2D：
D2D设备位于蜂窝网络边缘，或者没有蜂窝网络覆盖的区域，设备间采用AdHoc方式的D2D通信方式，其通信过程完全由终端自主控制。
图32集中式（左）和分布式（右）D2D通信示意.
e）全双工
同时同频全双工技术就是在相同的频谱上，近端设备或远端设备同时发射、同时接收电磁波信号，利用干扰消除技术消除来自于发送天线的干扰信号，实现同时同频全双工通信。
与当前传统的TDD和FDD传输模式相比，可用的频谱资源增加1倍。
实现同时同频全双工，需要依靠多级干扰自消除技术，而且对器件的要求很高。
f）新型多址
i.发送信号在空间，时域，频域，码域的叠加传输来实现多种场景下系统频谱效率和接入能力的显著提升。
免调度传输。
g）频谱共享
h）新型多载波
i.
i）先进调制编码
二、5G安全
a）5G安全需求
i.新的业务场景
1.根据白皮书中介绍,可以将5G的业务场景分为三类,eMBB,mMTC,uRLLC.每种业务场景有不同的安全需求。
a）eMBB，增强型移动宽带，eMBB对带宽有较高的要求，eMBB广泛的应用场景会带来不同的安全需求。
例如，VR/AR等个人业务可能只要求对关键信息的传输进行加密，而对于行业应用可能要求所有环境信息的传输进行加密。
5
升级会员 