• 内容涵盖影响5G发展的各个方面
• 讨论5G网络技术创新及其所面临的主要挑战
• 阐述5G网络的技术路线图
• 展望5G的未来发展方向 

    5G不是简单的移动通信技术，而是一个生态体系，是传统互联网与移动网络标准的融合。互联网、云计算将在5G生态体系中发挥重要作用。

   2016年世界移动通信大会（MWC）在西班牙巴塞罗那拉开帷幕，包括华为、中兴、中国移动、爱立信在内的多家电信企业在本次大会上展示了全新5G应用技术。美国、欧洲、日韩等多家电信运营商则在会上宣布，将从2016年开始积极筹备5G网络测试，加速推进5G商用进程。多数业内人士预测，2016年将是5G商用的起步之年，5G标准很有可能将在今年被正式确定，到2020年5G网络将有望正式商用，届时用户不但可以享用更为高速的移动网络，物联网、云计算等依赖高速网络的各类数据服务，也将开始被广泛使用。

    本书或许能带你开启5G移动互联网新时代。

第1章  5G驱动力：无处不在的连接型社会  /1

1.1  简介  / 1

1.2  无线通信的历史发展趋势  / 2

1.3  从LTE技术向“后4G”技术的演进  / 5

1.4  5G路线图  / 7

1.5  5G的10个核心点  / 7

1.5.1  现有无线接入技术的演进  / 8

1.5.2  高密度小小区的部署  / 9

1.5.3  自组织网络  / 9

1.5.4  机器类通信  / 10

1.5.5  发展毫米波的无线接入技术  / 10

1.5.6  重新设计回传链路  / 11

1.5.7  能量效率  / 11

1.5.8  为5G分配新的频谱资源  / 12

1.5.9  频谱共享  / 12

1.5.10  无线接入网虚拟化  / 13

1.6  欧洲5G研发情况  / 13

1.6.1  Horizon 2020框架项目  / 14

1.6.2  5G基础设施公私合作伙伴关系  / 15

1.6.3  METIS项目  / 16

1.6.4  5G创新中心  / 17

1.6.5  各公司愿景  / 17

1.7  北美5G研发情况  / 18

1.7.1  高校研究  / 19

1.7.2  企业研究  / 19

1.8  亚洲5G研发情况  / 20

1.8.1  中国5G研发情况  / 20

1.8.2  韩国5G研发情况  / 24

1.8.3  日本5G研发情况  / 26

1.9  5G架构  / 28

1.10  小结  / 30

致谢  / 31

参考文献  / 31

第2章  5G Internet  /35

2.1  简介  /35

2.2  物联网与上下文感知  /39

2.2.1  物联网  /40

2.2.2  上下文感知  /42

2.3  组网重配置和虚拟化支持  /43

2.3.1  网络定义组网  /44

2.3.2  网络功能虚拟化  /46

2.4  移动性  /48

2.4.1  从现有Internet出发的演进方法  /49

2.4.2  全新设计方法clean-slate  /54

2.5  服务质量控制  /56

2.5.1  网络资源供应  /57

2.5.2  聚合资源供应  /58

2.6  资源超量供应的改进方法  /61

2.6.1  控制信息寄存器  /62

2.6.2  业务许可控制策略  /63

2.6.3  网络资源提供  /63

2.6.4  控制执行功能  /65

2.6.5  网络配置  /65

2.6.6  网络操作  /66

2.7  小结  /68

致谢  /69

参考文献  /69

第3章  5G移动网络的小小区  /73

3.1  简介  /73

3.2  小小区是什么？  /75

3.2.1  候选小小区技术：WiFi和家庭基站  /77

3.2.2  WiFi和家庭基站的性能-室内vs室外  /84

总结  /86

3.3  密集部署的容量限制和性能增益  /87

3.3.1  多天线技术的性能增益  /87

3.3.2  小小区的性能增益  /89

总结  /91

3.4  移动数据需求  /93

3.4.1  方案策略  /93

3.5  需求VS容量  /97

3.6  小小区的挑战  /106

3.7  总结和展望  /109

参考文献  /113

第4章  下一代无线网络中的协作通信  /121

4.1  简介  /121

4.2  协作分集和中继策略  /124

4.2.1  协作和网络编码  /124

4.2.2  协作ARQ MAC协议  /125

4.3  PHY层对MAC协议分析的影响  /128

4.3.1  快衰落和阴影衰落对QoS保证数据包接收的影响  /129

4.3.2  阴影衰落空间相关性的影响  /130

4.4  研究实例：NCCARQ  /131

4.4.1  NCCARQ概述  /131

4.4.2  PHY影响  /132

4.5  性能评估  /134

4.5.1  仿真场景  /134

4.5.2  仿真结果  /136

4.6  小结  /140

致谢  /140

参考文献  /140

第5章  移动云：未来通信平台技术与业务  /144

5.1  简介  /144

5.2  移动云  /146

5.2.1  用户资源  /150

5.2.2  软件资源  /150

5.2.3  硬件资源  /151

5.2.4  网络资源  /152

5.3  移动云使能技术  /153

5.3.1  移动用户域  /154

5.3.2  无线技术  /156

5.3.3  软件和中间件  /161

5.4  网络编码  /162

5.5  小结  /168

参考文献  /168

第6章  5G无线网络的认知无线电  /171

6.1  简介  /171

6.2  5G认知无线电技术总览  /172

6.3  利用认知无线电的频谱优化  /174

6.4  5G的相关频谱优化  /175

6.4.1  动态频谱接入  /175

6.4.2  频谱管制政策  /177

6.4.3  市场政策和模型  /177

6.5  认知无线电和频谱聚合  /178

6.6  高能效的认知无线电技术  /179

6.7  5G认知终端的关键需求和挑战  /180

6.7.1  5G认知无线电终端  /181

6.7.2  5G认知终端的挑战  /184

6.8  小结  /187

参考文献  /188

第7章  解决无线频谱危机：将白频谱 用于5G？  /190

7.1  简介  /190

7.2  背景  /193

7.2.1  早期的频谱管理  /194

7.2.2  广播电视白频谱的历史  /195

7.2.3  雷达白频谱的历史  /197

7.3  电视白频谱技术  /197

7.3.1  标准  /198

7.3.2  白频谱的工作方式  /200

7.4  白频谱的机会与挑战  /202

7.5  广播电视白频谱的应用  /206

7.5.1  固定无线网络  /208

7.5.2  公共安全应用  /210

7.5.3  移动宽带  /211

7.6  国际上的努力  /214

7.7  白频谱在5G中的角色  /215

7.8  小结  /216

参考文献  /217

第8章  趋向统一5G广播-宽带架构  /222

8.1  简介  /222

8.2  研究背景  /223

8.3  挑战  /227

8.3.1  频谱规划  /227

8.3.2  终端市场分裂风险  /229

8.3.3  电视消费模式转变和灵活方案需求  /230

8.3.4  商业相关障碍  /231

8.3.5  社会需求：扮演欧洲公共服务多媒体平台的电视广播  /231

8.4  广播-宽带融合方案中的候选网络架构  /232

8.4.1  方案1：电视频段上的蜂窝广播架构  /233

8.4.2  方案2：混合网络架构——采用DVB-T2 FEFs技术的LTE传输  /235

8.4.3  方案3：下一代公共广播系统  /237

8.5  广播-宽带融合研究：需要做什么？  /238

8.5.1  欧洲电视和视频的未来消费模式  /239

8.5.2  广播-宽带融合架构方案选择  /239

8.5.3  广播-宽带融合方案仿真与评估  /239

8.5.4  可行性研究  /240

8.6  小结  /240

参考文献  /241

第9章  5G通信安全  /243

9.1  简介  /243

9.2  潜在5G通信系统架构概述  /244

9.3  5G通信系统中的安全问题和挑战  /246

9.3.1  用户终端  /246

9.3.2  接入网络  /249

9.3.3  核心网  /254

9.3.4  外部IP网络  /256

9.4  小结  /257

参考文献  /257

第10章  5G移动网络的SON演进  /260

10.1  简介  /260

10.2  UMTS和LTE中的SON  /262

10.3  5G中的SON需求  /274

10.4  面向小小区为主的异构网络的演进  /279

10.4.1  面向5G的SON新架构  /281

10.5  小结  /284

参考文献  /285

第11章  5G绿色灵活射频  /286

11.1  简介  /286

11.2  无线系统设计  /287

11.2.1  5G中的天线设计  /288

11.2.2  面向5G的基于SIW的无源前端设计  /302

11.2.3  射频功率放大  /307

11.3  MIMO系统中的非线性串扰  /311

11.4  小结  /317

感谢  /318

参考文献  /318

第12章  总结及未来展望  /322

12.1  下一代网络的设计驱动力  /322

12.2  5G：一种绿色的网络互联体验  /323

12.2.1  大幅减少信令开销的新方法  /327

12.3  5G移动通信的愿景  /328

12.4  小结  /332

缩略语  /336

5G：一种绿色的网络互联体验

    整体来看，5G将基于上述几个驱动力逐步演进，形成如图12.1[2]所示的未来网络互联场景。该场景由基于使用IP协议的分组交换设备构建来满足各种类型的业务（如音频、视频和数据）。使用各类设备的终端用户通过周边最佳的可用连接接入网络，接入网、控制运营中心、数据中心和各类服务平台将通过边缘路由器接入运营商核心网，而不同的核心网间通过广域路由器互联，共同构成全球互联网生态系统。云端将会成为提供服务的重要媒介，且服务机制将由终端用户决定。用户与云端互动接入所需的业务，由云端（在地理上是分布的）作为虚拟的主控负责管理应用、设备和服务平台。

    绿色网络是系统设计的重要课题，以降低每比特能量成本为目标。无线网络的前期研究已证明可通过多跳通信或协作分集来降低能耗。由博弈论可知，在单位能耗条件下，当参与互动的每个实体均可动态调整策略时可最大化成功传输的比特数。如图12.1所示，首先由用户终端1通过WiMAX连接至网络（P1节点），该用户通过路径1从云端中的服务器获得部分三维媒体资源。随着终端1移动至覆盖区域的边缘，P1节点的无线信道质量恶化导致无法满足特定服务质量（QoS）要求或体验质量（QoE）要求，或者维持无线链路的能量开销过高，因而需要连接到其他接入点。之后，触发了一次切换事件（可通过IEEE 802.21介质独立切换平台进行管理），用户搜索到另一个可在合理能耗条件下达到所需QoS要求的链路。因此，这可能导致一次从一个接入点（如P1）向另一个异构无线网络（如WiMAX和UMTS）的纵向切换事件。此外，也可通过如下协作切换方式提升能量效率：在图12.1 中，用户终端1的附着点P1和UMTS节点B由于经历了一次深衰而导致较差的信道质量，而用户终端1不远处的用户终端2在无线接入点P2处获得了良好的信道质量（如通过ADSL连接），因此，终端用户1可通过用户终端2现有的直接链路P1和协作链路P2间进行协作切换。通过进行协作切换，用户终端1可通过新的路径（路径2）下载剩余的三维媒体资源。

    协作通信的主要目标是减少无线网络的能耗，而它在云端（如核心网和数据中心）可能会导致能耗大幅增加。例如，为了保障多媒体业务的QoS，通常应建立带宽敏感的通信路径，并采用合适的机制获得QoS和网络资源。这就意味着，网络不能仅在需要时搜索支持协作通信的新路径（路径2），也应配置足够的资源（带宽）以确保终端用户1能够持续获得满足QoS要求的媒体资源。在文献[3]中，需要保障QoS和网络资源的方案主要包括服务许可控制、资源预留控制和流量管理等，相关的标准包括：IP多媒体子系统-IMS（3GPP）、资源许可控制功能-RACF（ITU-T）和资源及许可控制子系统-RACS（ETSI/TISPAN）。当前面临的主要挑战在于控制状态维护和信令消息处理等操作将在路径的各节点中执行必要的控制机制[4]，这些操作将带来对能量消耗、可伸缩性和服务建立时间的要求。传统的基于单个流的资源控制受到学术界的质疑，而聚合资源获取（AROP）机制被当作一种获取业务预留资源的替代方法[6]，使得部分业务请求可无须即时信令。然而，AROP可能在使信令开销降低的同时导致资源浪费的增加[7]。当预留资源不能被重用时将造成资源浪费，而当错误的许可决策导致预留资源无法满足已被接受的服务请求时将造成QoS违规。这一问题主要是由于通信路径突然与共享链路相关联，而数据流可能通过任何可能的路径进入或离开网络造成的。为了应对这些问题，需要通过实时的网络拓扑信息和相关联路资源的统计信息来优化性能。因此，ITU-T G.1081[8]定义了网络中的5个监测点，允许服务提供商监控网络和服务性能以便利用资源和进行优化。因而，现有的网络监测方法大多通过路径搜索技术[9]获取资源统计数据，但这些方法会信令产生开销过大（基于所搜索的频段）、复杂度较高或精度较高等问题[10]。为了解决这些问题，在网络传输中需采用智能的机制确认资源在用户间高效分布，从而避免网络的控制信令开销过大。因此，应重点关注通信路径上的动态资源控制所导致的信令问题以免影响传输性能。由于在无线传输或内容处理的过程中可能在核心传输设施上产生过高的信令负荷，所以基于端到端的能量节省仍是未来互联网需要重点考虑的问题。

    当前，互联网需要重新设计已成为共识之一，并提出了“白板（clean slate）”方法等众多技术方案[11]。作为对前述服务质量及网络资源获取（QNRP）的补充，软件定义网络（SDN）和网络虚拟化（NFV）等关键研究课题已被纳入欧盟Horizon 2020项目，后续将重点讨论。此外，OpenFlow[14]技术尝试鼓励采用可编程的交换机和路由器（如使用虚拟化技术），这些设备可为多个独立的实验网络同时处理数据包。这种技术可以允许实际网络环境验证新的创新型方法，为新方案的部署增加信心。

    软件定义网络（SDN）是一项将控制面（控制网络行为的软件）与数据面（转发流量的设备）分离的网络技术。其主要思路是使网络控制和管理更加灵活，通过使架构、协议和方法模型可编程，支持多种方式构建网络。例如，可基于更广泛的上下文属性（如用户偏好、行为和设备）进行路由选择，并动态调度层4至层7的应用，从而实现个性化的控制。在图12.1中，控制平台（包括物理和虚拟控制平台）负责定义控制方法并进行控制决策，包括向数据服务器发送控制指令或进行路由策略优化等。此外，可通过单一和逻辑上的中心软件程序（如路由控制平台-RCP[12]）对网络行为进行控制，并维护整个网络的拓扑结构。Onix系统[15]被提议当作“制定控制平台之上逻辑”的高层API（应用程序接口）来处理自交换机获得的信息（如网络拓扑），并在各个服务器上合理分配控制权限，从而进行管理。这种分配方法（如P2P）和自组织（ad hoc）网络的重要限制是在分布式的实体间同步信息[18]时，通常会引入难以接受的复杂度和信令开销（特别是当网络规模和流量增大时）。目前，由于缺少合适的去中心化方案，主流设计思路逐渐转向采用中心化方案（如Enthrone[19]、EuQoS[20]）或使每个分布的系统以重叠的形式部署自己的策略。因此，在现有各层上增加新的协议和机制导致互联网的复杂度不断提升[16]。值得一提的是，SDN技术的主要目标是将控制面从数据面分离，研究界主要关注其灵活性和网络设施的能耗。除了“单点故障导致失败”的问题外，由于需要支持网络中大量的数据服务器、路由器和交换机，SDN控制器和所控制的网络元件间的控制信令和处理开销将造成严重的能量效率和可伸缩性问题。

    网络虚拟化技术可使同一公共物理网络设施中的不同逻辑网络间展开竞争[13]。虽然该技术通常用于数据中心并使多个用户共享数据中心相同的物理设施，网络共享的概念已逐渐深入其他网络领域，包括接入网、核心网、骨干网和数据中心等。这一点已在图12.1中展示。随着物理路由和数据中心的虚拟化，其提供商可将虚拟资源出售，成为虚拟网络供应商。因此，每个提供商将获得全部或部分网络拓扑和相关资源的控制权。简单来讲，在这一场景中，物理网络由单个提供商所拥有。采用这一技术的主要目的是减少运营商的投资，很多情况下，运营商将基于他们所获取的竞争优势来重新考虑和调整部署新技术的速度。当前，网络虚拟化的趋势是为供应商提供网络安全管理的外包合同和开发共享设备等机会。部分网络设备商（如爱立信[21]、诺基亚[22]、诺基亚西门子网络[23]和阿尔卡特朗讯[24]）提出了一些关于网络共享的架构级方案，并逐渐获得了业界关注。值得一提的是，网络虚拟化技术与SDN技术高度互补，这两项技术相互受益但并不相互依存。网络功能可被虚拟化或共享，并在不采用SDN技术的情况下部署（反之相似）[25]。然而，在不产生过量控制信令时，如何优化网络资源利用和确保每个用户获得所需的QoS仍是一个待解决的挑战性工作。文献[3]中讨论了过量控制信令的问题，处理开销和较长的会话建立时间仍是下一代网络满足可伸缩性、QoS、成本和能效目标的“阿喀琉斯之踵”。