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5G是指第五代移动网络通信技术。5G网络技术采用融合方式，实现对现有技术的综合应用，同时还能对接新技术。利用持续发展的移动通信技术，5G网络能够对接无线网络系统内不同成员提出的需求，为客户提供更高层级的网络服务，解决人与人、人与物、物与物之间存在的信息沟通问题，提高数据传输效率。
相较于前面四代移动通信技术来说，5G的功能更丰富，关键性能指标非常多，包括用户体验速率、连接数密度、端到端时延、峰值速率和移动性等。其中用户体验速率是5G最重要的一个性能指标，这一点与只强调峰值速率的前四代通信技术不同。用户体验速率描述的是用户可获得的真实的数据速率，与用户感受联系最密切。为满足主要场景的技术需求，5G的用户体验速率至少要达到Gbps量级。
与工业时代相比，现代的通信技术实现了跨越式发展。移动无线网络已经渗透到了人们生活与工作的方方面面。为了更全面、深入地认识5G，我们不妨先回顾一下从1G到5G的通信演进史（见图1-1）。
图1-1 从1G到5G的通信演进史
1G是一种基于模拟技术的蜂窝无线电话系统。1986年，美国芝加哥诞生了第一套商用移动通信系统，该系统采用模拟信号方式进行传输，模拟方式是运用模拟式的FM调制，将300～3400Hz间的语音转化至高频载波频率MHz中。1G仅支持语音传输，而且存在语音品质较低、信号稳定性差、覆盖范围小等问题。
主流的1G网络制式是美国贝尔实验室研发的AMPS。日本、英国等国家也推出了各自的1G网络制式，比如日本的JTAGS、英国的TACS等。1987年11月18日，国内首个TACS模拟蜂窝移动电话系统在广东建成并投入商用，主要目的是为了迎合第六届全运会需求，使用了爱立信组建的模拟网络，也就是B网（频率为900～920Hz）。北京于1984年开始组建移动电话网络，1988年3月正式开通，采用A网（由摩托罗拉设备组建而成，频率为920～940MHz）、B网相结合的方式。
在国内1G发展初期，人们使用的通信设备主要是摩托罗拉8000X，俗称“大哥大”。1988年，北京移动复兴门营业厅开始独家经营“大哥大”，售价高达2万元，通话费用约1元每分钟，而且存货不足，需要预约购买。
随着用户通信需求快速增长，1G串号、盗号、通话被监听等问题越发突出，世界各国纷纷开始研发新的移动通信技术，2G时代随之到来。与1G使用模拟调制不同的是，2G采用数字调制，不但支持语音通话，还支持文本传输和网络服务，系统容量和通话质量得到了大幅度提升。2G主流的网络制式包括GSM（Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统）、TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）、CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）。
进入21世纪后，在海量需求驱动下，通信产业保持高速发展，为满足人们对网络传输速率、传输稳定性等方面的需要，通信技术厂商和运营商开始研发第三代通信技术。与2G相比，3G在系统容量、通话质量、数据传输速率等方面的性能进一步提升。而且3G支持跨网络无缝漫游，它可以将无线通信系统和互联网对接，为移动终端用户提供图像、音乐、视频、网页浏览、电话会议、电子商务等多种服务。
3G可实现全球漫游，使人与人之间可以实现随时随地的沟通交流，这也是业内人士将3G视为开启移动通信新纪元的关键所在。3G主流的网络制式包括W-CDMA（Wideband Code Division Multiple Access，宽带码分多址）、CDMA2000、TD-SCDMA（Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access，时分—同步码分多址）。
数据通信及多媒体业务的快速增长，催生了支持移动数据、移动计算及移动多媒体运行的第四代移动通信技术。4G网络技术集3G和WLAN于一体，支持高质量音频、图像及视频的高速传输，可以满足用户多元化的无线服务需要。海外主流运营商于2010年开始大规模建设4G网络，我国于2013年开始在北京、上海、广州、深圳等16个城市实现4G商业化。
4G的主流网络制式为TD-LTE、FDD-LTE。从严格意义上来讲，虽然很多媒体将LTE宣传为4G无线标准，但它并没有被3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）认可为下一代无线通信标准IMT-Advanced，仅是3.9G。
5G具有高可靠、低时延、低功耗等优势，是集传统无线接入技术和新型无线接入技术为一体的综合解决方案。与前几代移动通信技术相比，5G实现了网络制式统一化，这将为电信运营商及基带芯片厂商部署5G带来诸多便利。
5G网络能够在更大范围内提供服务，且在信息传输速度、可靠性等方面都具有强有力的保障。4G网络的技术架构为5G网络的发展奠定了坚实的基础，让5G网络能够通过规模化的天线收发高频信号，并以低频完成信息传输。
4G网络的理想传输速度为150Mb/s，相比之下，5G网络则以15Gb/s的传输速度遥遥领先。大容量的5G网络能够有效推动广域物联网的发展，在延长物联网节点生存周期的同时，可以减少物联网的通信成本。传统的LTE网络技术在提高网络传输速度的同时，使网络时延降至100毫秒以下，从技术层面促进了网络通信的发展，给5G网络的应用打下了良好的基础。
与4G网络相比，5G网络除了具备更强大的功能之外，还能够实现万物互联。在网络承载能力逐步提高的基础上，5G既能扩大通信网络的应用范围，提高通信的智能化水平，降低整个行业的能耗水平，又能加强通信行业与其他行业之间的合作关系，在汽车、能源、工业制造、医疗等众多领域实现应用，促进这些行业实现智能化改革与升级。
对移动通信技术的发展历程进行总结可以发现，“标志性能力指标”与“核心关键技术”几乎可以对每一代移动通信技术进行定义：
★1G使用频分多址（FDMA）技术，只能支持模拟语音业务。
★2G使用时分多址（TDMA）技术，支持数字语音与低速数据业务。
★3G使用码分多址（CDMA）技术，支持多媒体数据业务。
★4G使用以正交频分多址（OFDMA）技术为核心的一系列技术，峰值速率可达100Mbps～1Gbps，可支持各种移动宽带数据业务。
★现阶段，无线技术创新呈现出多元化的趋势，新型多址技术、大规模天线阵列、超密集组网、全频谱接入、新型网络架构等成为5G技术研究的主方向。在5G主要技术场景中，这些技术发挥着至关重要的作用。
若干年之前，在2G网络出现之后，人们可以利用手机浏览各种文字信息，观看NBA总决赛的文字直播，曾不止一次为互联网带来的便利而惊叹。后来，进入4G网络时代，人们的网络体验变得越来越丰富，随时随地社交、碎片化阅读、在线观看视频、多人在线的竞技游戏，科技的进步一次又一次地带给我们全新的体验，而科技的发展最离不开的就是快速发展的无线网络。如今，在我们正在努力适应并享受4G网络带来的便利的同时，很多科技厂商已经在着手研发5G了，让人们不由地对未来的生活充满幻想。
自电影出现之后，人们通常会将对未来的憧憬与想象寄托于电影这种艺术形式呈现出来。随着时代不断发展，很多科幻电影中的场景已经成为现实，5G的到来更是让人们与未来变得更近。
在科幻电影中，汽车是出现频率最高的一种事物，人们对于未来汽车的想象从未停止。在斯皮尔伯格导演的《少数派报告》中，汤姆·克鲁斯驾驶的无人汽车不仅搭载了磁悬浮技术，而且可以全程无人驾驶，给观众留下了深刻印象。
随着人们对智能手机、自动驾驶汽车等智能产品的功能与服务要求不断提升，这些产品的数据规模也在高速增长。这就给智能系统的数据传输、分析、应用及管理造成了极大的负担，而5G能够有效解决这一问题。以自动驾驶汽车为例，当自动驾驶汽车高速行驶在路况复杂的道路中时，必须在近乎零的延迟时间内完成对实时路况信息的获取、处理等，这样才能规避意外事故，保障行驶安全。
车联网为车与车、车与人、人与人等提供通信解决方案，能够提高驾驶安全，革新驾驶模式，为用户提供信息、社交、娱乐等服务。而5G网络是推动车联网落地的重要驱动力，让汽车实现传感器实时感知、车辆全生命周期维护、编队行驶与自动驾驶等具备落地的可能。
对于自动驾驶来说，汽车内部放置了数百个传感器，在这些传感器的作用下，汽车的智能化程度更高，速度更快。这些传感器产生的数据比其他任何物联网应用都要多，这些数据的处理与分析对网络速度提出了极高的要求，而4G网络无法满足这一要求。另外，自动驾驶汽车系统还对数据处理速度与能力提出了极高的要求，要求模仿人类的反应速度。
据了解，未来自动驾驶汽车将产生2兆位的数据，自动驾驶汽车行驶一周时间所产生的数据需要230天进行传输，为了加快数据传输速度，缩短数据传输时间，人类需要更快的ASIC处理技术，而5G可以很好地满足这一需求。
人们总在幻想，5G时代到来之后，我们的城市会变成什么样子？虽然自进入工业时代以来，城市中钢筋混凝土建造出来的建筑越来越多，城市变得越来越千篇一律，毫无美感可言，但这并没有阻止人们对未来城市的憧憬与想象。
《哆啦A梦：伴我同行》这部电影有这样一个场景：路面交通指示盘会根据路况实时变更，以缓解早晚高峰期路面的拥堵状况。在高带宽、低时延的5G网络支持下，智能城市建设不再是难事。在5G网络环境下，人们下班后只需用手机设定好回家的路线，然后坐进无人车，就能躺在车里休息一下或者继续处理尚未完成的工作，无人车会将你安全送到家。
《黑客帝国》第一次将VR概念引入电影，在当时赚足了眼球。在这部电影中，主人公尼奥无意中发现自己一直生活在VR世界中，现实世界早已被人工智能占领，人类已沦为为机械人提供生物能源的工具。
在未来的5G环境中，VR设备将走出室内，进入外部空间。借助5G网络超高的传输速率与强大的交互能力，人们可以自由设计自己的生活方式，比如将上班路上的街头场景设计为其他国家的街景，感觉每天上班都像在世界旅行一样。如果5G的网络传输速率能达到1Tbps，人们就能随时观看8K视频。再加上多元化的城市交互系统，《黑客帝国》中的场景或许真的能出现在日常生活中。
《机械公敌》这部电影讲述了公元2035年，智能机器人成为人类日常生活中不可缺少的一分子，从厨师、保姆到快递员等，都已被智能机器人取代给人们的生活带来极大的便利。但在这些机器人拥有自我思考能力之后，他们与人类发生了冲突。随着机器人越来越智能，人类应如何看待机器人，成为这部电影带给人们最深层的思考。
目前，已经有一些餐厅引入了智能机器人当服务员，前来用餐的客人只要点击机器人身上的按钮就能点菜。随着5G网络实现规模化商用，人们可以支配机器人从事一些更加复杂的工作。同时，借助城市中密集铺设的基站，机器人还能往来于城市的各个角落。由此看来，未来，由机器人担当快递员与送餐员极有可能实现。
随着5G时代到来，以前只能在电影中出现的情节，比如无人汽车、智能机器人等极有可能成为现实。随着智能化时代的到来，人们的工作效率、生活效率将得到大幅提升，或许不久之后，人们无须再考取驾照，只需购买一辆无人汽车就能去任何想去的地方，还能借助虚拟现实设备在街头巷尾玩各种探索游戏。
其实5G时代并不遥远，只要对未来充满向往，科幻电影中的那些场景总有一天会成为现实。但是，5G只是一个平台，只能为人们提供工具，要想让电影中的场景落地，还需要人们发挥想象力与创造力，不懈努力。
到2020年以后，移动通信将在两大主要驱动力的推动下不断向前发展，一是移动互联网，二是物联网业务。5G可满足人们在多元化场景中的多样化业务需求，比如居住场景、工作场景、交通场景、休闲场景等，即使在高流量密度、高连接数密度、高移动性特征的地铁、体育场、办公楼、高铁、高速公路等场景中，也可满足用户对虚拟现实、超高清视频、云桌面、在线游戏等业务的需求。
5G主要包括四大应用场景，分别是连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠。不同的应用场景面临着不同的性能挑战，用户体验速率、端到端的时延、流量密度等都有可能成为不同场景的挑战性指标，5G的出现将有效解放不同场景下性能指标带来的挑战（见表1-1）。
表1-1 5G主要场景与关键性能挑战
具体来看，连续广域覆盖、热点高容量两个场景的功能主要是满足未来用户对移动互联网业务的需求，是4G的主要技术场景。低功耗大连接、低时延高可靠两个场景聚焦物联网业务，主要功能是为传统移动通信技术无法支持物联网、垂直行业应用问题提供有效的解决方案，是5G新拓展的场景。
（1）连续广域覆盖：连续广域覆盖是移动通信最基本的覆盖方式，目标是为用户的移动性、业务的连续性提供强有力的保障，让用户享受到无缝衔接的、高效率的业务体验。该场景的挑战在于，无论是在高度移动场景中，还是在极端恶劣的环境中，都要保证用户随时随地可以享受到速度在100Mbps以上的网络速率。
（2）热点高容量：聚焦局部热点区域，满足用户对数据传输速率的高要求，满足网络极高的流量密度需求。对于该场景来说，用户体验速率要达到1GB，峰值速率要达到数十GB，流量密度需求要达到数十TB/km 2 是最主要的挑战。
（3）低功耗大连接：聚焦智慧城市、森林防火、智能农业、环境监测等场景，以传感和数据采集为目标，具有数据包小、连接数量多、功耗低的特点。这类终端的数量非常多，分布范围比较广，不仅要求网络支持超千亿连接，使连接数密度达到1000000/km 2 ，还要保证终端功耗及成本都比较低。
（4）低时延高可靠：主要聚焦车联网、工业控制等垂直行业，目标是满足这些行业的特殊需求。对于该场景来说，时延与可靠性是最大的挑战，不仅要保证端到端时延缩短到毫秒级，还要保证业务可靠性达到100%。
5G的四个典型技术场景——连续广域覆盖、热点高容量、低时延高可靠和低功耗大连接，面临着不同的挑战性指标需求，在保证不同技术有可能共存的情况下，需要将这些关键技术以不同的方式组合在一起来满足这些挑战性指标需求。
（1）在连续广域覆盖场景中，受站址和频谱资源的限制，为满足用户体验速率（体验速率要达到100Mbps）的需求，不仅要尽量使用更多低频段资源，还要提升系统频谱效率。在这个场景用到的各种技术中，大规模天线阵列是最关键的一种，该技术与新型多址技术相结合可使系统频谱效率、多用户接入能力得以切实提升。在网络架构方面，将多种无线接入能力、集中的网络资源协同和QoS控制技术融合在一起，让用户享受到相对稳定的体验速率。
（2）对于热点高容量场景来说，其面临的主要挑战有两个，一是极高的用户体验速率，二是极高的流量密度。首先，超密集组网可以使频率资源重复使用，使单位面积内的频率复用效率得到大幅提升。其次，全频谱接入能够使低频与高频的频率资源得到充分利用，使传输速率得到切实提升。最后，大规模天线、新型多址等技术与超密集组网、全频谱接入结合，可进一步提高频率效率。
（3）对于低功耗大连接场景来说，其面临的挑战主要是海量设备连接、超低的终端功耗与成本。首先，利用新型多址技术使多用户信息实现叠加传输，使系统的设备连接能力成倍提升，同时，还能通过免调度传输使信令开销和终端功耗不断下降；其次，F-OFDM和FBMC等新型多载波技术的使用可以降低功耗与成本，使碎片频谱得以灵活应用，为窄带和小数据包提供支持等。另外，终端直接通信（Device-to-Device，D2D）可缩短基站与终端间的传输距离，降低功耗。
（4）在低时延高可靠场景中，为了满足极高的时延与可靠性要求，要尽量降低空口传输时延、网络转发时延及重传概率。要使用更短的帧结构，性能更好的信令流程，引入新型多址和D2D等技术，减少信令交互和数据中转，并使用先进的调制编码和重传机制，使数据传输的可靠性得以有效提升。另外，在网络架构方面，控制云通过对数据传输路径进行优化，控制业务数据无限接近转发云和接入云边缘，从而降低网络传输时延。
为满足2020年乃至以后的移动互联网与物联网的业务需求，5G将重点发力四个技术应用场景——连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠，利用大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构等技术，延循新空口和4G演进两条线路，提升用户体验速率，保证用户可以在多种场景中享受到一致性的服务。
从技术特征、产业发展、标准演进三个方面来看，5G拥有两条技术路线，一是新空口，二是4G演进空口。
新空口路线的具体内容是面向新场景、新频段设计新空口，不考虑是否与4G兼容，通过设计新的技术方案、引进新技术来满足4G无法满足的需求，尤其是各种物联网场景与高频段需求。
4G演进路线的具体内容是以现有的4G框架为基础，引入新技术，在保障与4G兼容的前提下进一步提升系统性能，满足5G场景与业务需求。
另外，在移动通信领域，无线局域网已成为重要补充，在热点地区实现了广泛应用，主要功能是数据分流。从2014年开始，下一代WLAN标准（802.11ax）制定工作开启，计划在2019年完成。未来，下一代WLAN将与5G实现深度融合，共同为用户服务。
现阶段，世界各国的移动通信行业都在呼吁制定全球统一的5G标准。国际电信联盟开始对这一问题进行研究，并制定了明确的IMT-2020（5G）工作计划，IMT-2020国际标准前期研究，5G技术性能需求和评估方法研究，5G候选方案征集启动等工作均已按时完成，只待2020年底完成整个标准的制定。
在国际移动通信行业，3GPP是一个主要的标准组织，在5G国际统一标准制定过程中，该组织主要负责5G国际标准技术内容的制定。人们普遍认为3GPP R14阶段是启动5G标准研究的最佳时机，R15阶段适合5G标准工作项目启动，至于5G标准的完善，则需要放在R16及以后。
5G技术创新有两大来源：一是无线技术，二是网络技术（见图1-2）。
图1-2 5G技术的两大创新来源
★在无线技术领域：目前，业界的主要目光聚焦在大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入等技术领域。
★在网络技术领域：在软件定义网络、网络功能虚拟化的基础上构建起来的新型网络架构已获得广泛认可。除此之外，5G还有一些潜在的无线关键技术，比如基于滤波的正交频分复用、滤波器组多载波、全双工、灵活双工、终端直通、多元低密度奇偶检验码、网络编码、极化码等。
5G无线的关键技术主要包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址技术、全频谱接入等（见图1-3）。
图1-3 5G无线关键技术
（1）大规模天线阵列。
大规模天线阵列以现有的多天线为基础，通过增加天线数量，可为数十个独立的空间数据流提供支持，使多用户系统的频谱效率得以大幅提升，使5G系统容量与速率需求得到极大满足。大规模天线阵列的应用需要解决很多关键问题，比如信道测量与反馈、参考信号设计、天线阵列设计、低成本实现等。
（2）超密集组网。
超密集组网通过增加基站部署密度可在很大程度上提高频率复用效率，但考虑到频率干扰、部署成本、站址资源等问题，在一些热门区域，超密集组网可使容量提升百倍。对于超密集组网来说，干扰管理与抑制、小区虚拟化技术、接入与回传联合设计是非常重要的研究方向。
（3）新型多址技术。
新型多址技术通过发送信号在空／时／频／码域的叠加传播，可在很大程度上提高多场景下系统频谱的传播效率与接入能力。除此之外，新型多址技术可实现免调度传输，使信令开销大幅下降，接入时延大幅缩短，终端功耗有效节省。
目前，关于新型多址技术，业界提出了多种技术方案，比如以多维调制和稀疏码扩频为基础形成稀疏码分多址（Sparse Code Multiple Access，SCMA）技术，以非正交特征图样为基础形成图样分割多址（Pattern Division Multiple Access，PDMA）技术，以复数多元码及增强叠加编码为基础形成多用户共享接入（Multi-User Shared Access，MUSA）技术，以功率叠加为基础形成非正交多址（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技术等。
（4）全频谱接入。
全频谱接入通过对高低频段、授权与非授权频谱、对称与非对称频谱、连续与非连续频谱等移动通信频谱资源进行有效利用，使数据传输速率与系统容量得以有效提升。6GHz以下频段信道的传播特性比较好，可以作为5G优选频段；6GHz～100GHz高频段的空闲频谱资源更丰富，可以作为5G辅助频段。
5G网络是在SDN（Software Defined Network，软件定义网络）、NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）和云计算技术的基础上建立起来的网络系统，具有更灵活、更智能、更高效、更开放的特点。中国电信在业内率先提出5G“三朵云”的网络架构，分别是接入云、控制云和转发云（见图1-4）。
图1-4 5G“三朵云”的网络架构
（1）接入云。
融合了集中式的无线接入网和分布式的无线接入网架构，支持多种无线制式的接入，适合多种回传链路，组网部署更灵活，无线资源管理效率更高。
（2）控制云。
可以对全局或局部的会话进行控制，保证移动管理与服务的质量，构建面向所有业务的网络开放接口，满足不同业务的开展需求，提高业务部署效率。
（3）转发云。
以通用的硬件平台为基础，在控制云高效率的网络控制与资源调度下，促使海量业务数据流实现高效率传输，缩短数据传输时延，均衡负载，保证数据传输的可靠性、稳定性。
对于移动网络来说，在“三朵云”基础上构建的新型5G网络是未来的发展方向。但在实际发展过程中，5G网络不仅要满足未来业务、场景需求，还要对现有的移动网络的演化路径进行充分考虑。在从局部变化到全网变革的过程中，5G网络架构会在某个时期处于中间阶段，通信技术与IT技术的融合会逐渐从核心网延伸向无线接入网，最终推动整个网络架构实现整体演变。