第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)

林金桐，許曉東

（北京郵電大學(xué) 北京100876）

1 互聯(lián)網(wǎng)的物理層：光纖網(wǎng)絡(luò)

“互聯(lián)網(wǎng)是人類有史以來最具顛覆性的科技”。美國生活科學(xué)網(wǎng)站的這項(xiàng)評定，充分顯示了互聯(lián)網(wǎng)對世界歷史的影響力和它在網(wǎng)民心目中的地位。

互聯(lián)網(wǎng)的物理層是由光纖構(gòu)成的?；诠饫w通信技術(shù)的逐年發(fā)展，特別是幾次里程碑式的技術(shù)進(jìn)步，才有了今天發(fā)達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)。

2009年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了華裔科學(xué)家、光纖之父高錕博士[1]。評委會(huì)對于43年前的這項(xiàng)發(fā)明所給予的崇高評價(jià)，是通過描述互聯(lián)網(wǎng)來表達(dá)的——“光流動(dòng)在細(xì)小如線的玻璃絲中，它攜帶著各種信息數(shù)據(jù)傳遞向每一個(gè)方向，文本、音樂、圖片和視頻因此能在瞬間傳遍全球?！?/p>

在光纖通信的發(fā)展過程中，還產(chǎn)生過更早的一項(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2000年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的發(fā)明人、俄羅斯科學(xué)家若列斯·伊萬諾維奇·阿爾費(fèi)羅夫[2]。

20世紀(jì)80年代，摻鉺光纖放大器（EDFA）[3]的出現(xiàn)使得光纖通信告別了光—電—光轉(zhuǎn)換的中繼模式。英國南安普頓大學(xué)的甘柏林教授和佩恩教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組所取得的成就解決了限制系統(tǒng)容量和質(zhì)量提高的本質(zhì)問題——光損耗。光纖放大器不僅補(bǔ)償了光纖本身的損耗，實(shí)現(xiàn)了光纖長距離傳輸；而且大大增加了功率預(yù)算的冗余，使得系統(tǒng)中可以引入各種新型光器件。更重要的是，由于光纖放大器具備對于波長、偏振、調(diào)制速率和調(diào)制格式透明的特性，使波分復(fù)用（WDM）技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

華裔美籍科學(xué)家、美國光學(xué)學(xué)會(huì)前任會(huì)長厲鼎毅博士為20世紀(jì)90年代波分復(fù)用技術(shù)的推廣應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)[4]。由于應(yīng)用了波分復(fù)用技術(shù)，光纖傳輸?shù)膸捜萘康玫桨俦肚П兜脑黾?，網(wǎng)絡(luò)的比特傳輸成本也因此大幅度下降。

正是在這樣的光通信技術(shù)的背景下，跨越世紀(jì)（1997-2004年）的全球超級互聯(lián)網(wǎng)（global super internet）計(jì)劃[5]付諸實(shí)施。這個(gè)工程使用了30萬千米海底光纜和陸纜，將全世界171個(gè)國家和地區(qū)連接起來，分設(shè)265個(gè)登陸站，耗資達(dá)140億美元。工程采用EDFA和密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)，使長途海底路由達(dá)到640 Gbit/s，陸地和短途海底線路速率高達(dá)1.92 Tbit/s。這項(xiàng)工程，與各國內(nèi)部的光纖網(wǎng)絡(luò)相連接，就是今天全球互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施。

光纖通信的技術(shù)還在進(jìn)步。數(shù)字相干技術(shù)的問世，偏分復(fù)用—正交相移鍵控（PDM-QPSK）的100 Gbit/s相干系統(tǒng)已經(jīng)商用。更高速率的幅度和相位聯(lián)合鍵控（PDM-16QAM）的400 Gbit/s相干系統(tǒng)也已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)。正是不斷進(jìn)步的光纖通信技術(shù)，支撐著互聯(lián)網(wǎng)持續(xù)快速地發(fā)展。

2 互聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)

互聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)過程見表1。協(xié)議從一開始就在網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中占據(jù)著支配的地位。第一代（1G）互聯(lián)網(wǎng)是用傳輸控制協(xié)議（TCP）和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）來規(guī)定互聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)。正因?yàn)榇?，人們稱呼當(dāng)年領(lǐng)導(dǎo)協(xié)議制定工作的文頓·瑟夫和羅伯特·凱恩[6]為互聯(lián)網(wǎng)之父。

萬維網(wǎng)（world wide web,WWW）技術(shù)[6]的誕生和超文本傳輸協(xié)議（HTTP）的引入開啟了互聯(lián)網(wǎng)的第二代（2G）。從此，成千上萬的WWW網(wǎng)站問世。英國學(xué)者蒂姆·伯納斯·李對于互聯(lián)網(wǎng)的這項(xiàng)貢獻(xiàn)，贏得了人們對他的尊重。

2012年，蒂姆·伯納斯·李應(yīng)邀在倫敦奧運(yùn)會(huì)開幕式上亮相。他拿著話筒，對全世界說了一句:“這（互聯(lián)網(wǎng)）是為每一個(gè)人的！”這句話概括了互聯(lián)網(wǎng)早期開拓者們的奉獻(xiàn)精神?；ヂ?lián)網(wǎng)上有人說，假如瑟夫、凱恩和李為自己的發(fā)明申請專利，獲取報(bào)酬，他們?nèi)缃駪?yīng)該會(huì)是世界首富。

又過了幾年，Web 2.0問世。Web 2.0的核心是用戶創(chuàng)建和分享內(nèi)容，這要?dú)w功于提姆·奧瑞利[7]。從此，博客、BBS、個(gè)人出版成為互聯(lián)網(wǎng)上的廣泛應(yīng)用，維基百科（Wikipedia）這樣的網(wǎng)站也應(yīng)運(yùn)而生。

互聯(lián)網(wǎng)不僅能像傳統(tǒng)電話網(wǎng)一樣，將人和人連接起來，還能把網(wǎng)站和網(wǎng)站連接起來。互聯(lián)網(wǎng)提供的不是簡單的話路連接，能夠向全世界提供知識、信息和智能。盡管互聯(lián)網(wǎng)的物理層與傳統(tǒng)電話網(wǎng)可以有很大部分的重合，但互聯(lián)網(wǎng)是把人類星球連接成為一個(gè)地球村的嶄新的信息網(wǎng)絡(luò)。于是，社會(huì)學(xué)家開始使用一個(gè)詞匯：互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。

接下來，出現(xiàn)了一批開發(fā)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)，并且創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)奇跡的年輕人：雅虎的楊致遠(yuǎn)、費(fèi)羅，谷歌的佩奇、布林，F(xiàn)acebook的扎克伯格，Twitter的威廉姆斯等。這個(gè)時(shí)期（3G）的互聯(lián)網(wǎng)主導(dǎo)服務(wù)除了電子商務(wù)，又增加了搜索引擎和社交網(wǎng)站,如阿里巴巴、騰訊、百度、網(wǎng)易等。

喬布斯的蘋果公司讓一個(gè)原本只能打電話發(fā)短信的手機(jī)，加上了智能，拓展成為互聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備。這是一個(gè)了不起的進(jìn)步。原先的互聯(lián)網(wǎng)隨著光纖和網(wǎng)線，送到樓、送到戶、送到屋、送到桌、送到網(wǎng)絡(luò)終端：個(gè)人電腦?，F(xiàn)在，移動(dòng)通信和智能手機(jī)，把互聯(lián)網(wǎng)的終端真正交給了每個(gè)人口袋里的手機(jī)。帶著手機(jī)的網(wǎng)民，在任何時(shí)候、任何地方都在上網(wǎng)。

表1 互聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)

從此，就有了一個(gè)新詞：移動(dòng)互聯(lián)。

3 移動(dòng)通信的演進(jìn)

人類對于移動(dòng)通信的設(shè)想，在馬可尼1896年發(fā)明無線電技術(shù)時(shí)就產(chǎn)生了。早在20世紀(jì)20年代，歐美一些國家就曾經(jīng)有過車載無線電系統(tǒng)問世。

現(xiàn)代蜂窩無線移動(dòng)通信 （cellular radio mobile communication）的概念是美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室在1947年提出的[9]，并于1958年向美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）提出了建議。1977年，貝爾實(shí)驗(yàn)室完成了可行性技術(shù)論證。1978年，他們成功地進(jìn)行了芝加哥先進(jìn)移動(dòng)電話系統(tǒng)（advanced mobile phone system,AMPS）的試驗(yàn)。

3 0多年來移動(dòng)通信的演進(jìn)過程中各代系統(tǒng)的主要特點(diǎn)見表2。

1 983年，第一代（1G）蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)AMPS正式投入運(yùn)營。與此同時(shí)，歐洲也有全接入通信系統(tǒng)（total access communications system,TACS）問世。1G系統(tǒng)采用模擬信號技術(shù)，多址方式為頻分多址（FDMA），提供單一的語音通話服務(wù)。當(dāng)時(shí)，中國采用了TACS。

第二代（2G）移動(dòng)通信系統(tǒng)采用了數(shù)字信號技術(shù)。多址方式采用了時(shí)分多址（TDMA）和窄帶碼分多址（CDMA），有歐洲的全球移動(dòng)通信系統(tǒng) （global system for mobile communications,GSM）和美國的IS-95（interim standard-95）兩個(gè)主流標(biāo)準(zhǔn)。中國移動(dòng)采用了GSM標(biāo)準(zhǔn)，后來成立的中國聯(lián)通則采用了IS-95標(biāo)準(zhǔn)。2G可以提供更豐富的業(yè)務(wù)，并且在保密性、頻譜利用效率方面都有顯著的提高，推動(dòng)了移動(dòng)通信系統(tǒng)的全球普及。

第三代（3G）通信系統(tǒng)，國際電信聯(lián)盟（ITU）將其命名為國際移動(dòng)通信-2000（IMT-2000）。3G有3個(gè)主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，分別是歐洲提出的WCDMA、美國提出的cdma2000和中國提出的TD-SCDMA，于2000年發(fā)布。3G的大規(guī)模商用使得更高速率及更高質(zhì)量的業(yè)務(wù)成為移動(dòng)通信服務(wù)的主要內(nèi)容。

到了第四代（4G）移動(dòng)通信系統(tǒng)，無線傳輸技術(shù)獲得了進(jìn)一步的突破?；谡活l分復(fù)用（OFDM）及多輸入多輸出（MIMO）等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，使網(wǎng)絡(luò)容量、蜂窩邊緣性能、系統(tǒng)時(shí)延等性能指標(biāo)都得到了較好的改善[10]。

移動(dòng)通信的發(fā)展史，是載波頻率不斷向高頻遷移的歷史；是數(shù)據(jù)速率不斷提高的歷史；也是應(yīng)用服務(wù)內(nèi)容不斷拓展的歷史。發(fā)展至今的移動(dòng)通信，已經(jīng)與互聯(lián)網(wǎng)相連接，與互聯(lián)網(wǎng)密不可分。因此，今天的移動(dòng)網(wǎng)，不僅是人與人之間的通信網(wǎng)，更是一張可以讓移動(dòng)著的網(wǎng)民獲取知識、搜索信息、進(jìn)行社交、開展商務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。

光纖網(wǎng)絡(luò)、無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，幾十年來不斷地增強(qiáng)傳輸能力、增加接入帶寬，根本的驅(qū)動(dòng)力是視頻。3 min語音的信息量為2.9 MB，3 min CD質(zhì)量的音樂為125 MB，而3 min的高清電視則高達(dá)150 GB。即使利用圖像壓縮技術(shù)可以減少視頻帶寬，但視頻所需的傳輸帶寬仍然是語音和音樂的幾十倍、幾百倍。正是為了把視頻傳到網(wǎng)絡(luò)終端、手機(jī)屏幕，促使互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)不斷地增加帶寬。

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的升級換代和用戶需求的擴(kuò)展，與移動(dòng)接入相配合的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相繼形成。針對無線局域網(wǎng)（WLAN）和無線個(gè)域網(wǎng)（WPAN），產(chǎn)生了IEEE 802.11a/b/g/n、藍(lán) 牙 （bluetooth）、ECMA-387、Wi-Fi VHT、ZigBee、WiMedia等各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。表3列出了部分主要標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)參數(shù)和應(yīng)用場景。

主要用于工業(yè)現(xiàn)場自動(dòng)化數(shù)據(jù)控制技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的建立，不僅為移動(dòng)通信的接入提供了豐富多彩的手段，而且為無線傳感網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的融合創(chuàng)造了條件。

4 物聯(lián)網(wǎng)的興起

傳感技術(shù)無論是在物理學(xué)領(lǐng)域還是在信息通信領(lǐng)域，一直是一個(gè)重要的研究方向。伴隨著最近30年來移動(dòng)通信的進(jìn)步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究取得了重大進(jìn)展。

表2 移動(dòng)通信系統(tǒng)的演進(jìn)

表3 部分WLAN和WPAN標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)代微型傳感器，已經(jīng)具備3種能力：感知、計(jì)算和通信，而且具有體積小、能耗小的特征?，F(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將傳感器、嵌入式計(jì)算、分布式信息處理和無線通信技術(shù)結(jié)合在一起，能將感知信息通過多跳的方式傳輸給用戶，又可以做到傳感器節(jié)點(diǎn)相對密集。這些節(jié)點(diǎn)既可以是靜止的，也可以是移動(dòng)的。網(wǎng)絡(luò)還具備通信路徑自組織能力（Ad Hoc）。

將現(xiàn)代傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接，是世間人類和萬物的聯(lián)接，有著極其廣闊的發(fā)展前景和極其深遠(yuǎn)的歷史意義。

正是在這樣的背景下，產(chǎn)生了物聯(lián)網(wǎng)（internet of things,IOT）[11]的概念。2005年，在信息社會(huì)世界峰會(huì)（WSIS）上，國際電信聯(lián)盟發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》。報(bào)告指出，無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時(shí)代即將來臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過互聯(lián)網(wǎng)主動(dòng)進(jìn)行信息交換。射頻識別（RFID）技術(shù)、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)、智能嵌入技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。

2012年，全球聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器的數(shù)量是87億個(gè)。業(yè)界預(yù)測，到2020年，將達(dá)到500億個(gè)。占無線傳感器總量的比例，即滲透率，將從2012年的0.6%增加到2020年的2.7%。如圖1所示[12]。

類比于人的神經(jīng)末梢、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和大腦，具備了傳感器、網(wǎng)絡(luò)和智能的地球，也就可以稱作為具有“智慧”了。于是，就有了“智慧地球”的構(gòu)想[13]，“物聯(lián)網(wǎng)”就成為了“智慧地球”不可或缺的一部分。

5 第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)

按技術(shù)、功能劃分，互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)都經(jīng)歷了4代發(fā)展演進(jìn)。天作之合！可以把下一代網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)稱為“第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”。

5.1 特征

第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的融合；將實(shí)現(xiàn)50億互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)用戶和500億物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的互聯(lián)。

互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)在較長的發(fā)展過程中不斷地進(jìn)行技術(shù)借鑒并最終走向融合，在過去近10年的發(fā)展過程中，逐漸融合成為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)；并在智能終端的普及下迅速進(jìn)入高速發(fā)展階段，也進(jìn)一步促使移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)生交集，使得物聯(lián)網(wǎng)成為第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的重要內(nèi)容，得以在行業(yè)應(yīng)用及個(gè)人用戶市場發(fā)揮強(qiáng)大作用。

5.2 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

針對第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，5G移動(dòng)通信技術(shù)和光纖通信技術(shù)將是提供用戶網(wǎng)絡(luò)接入功能的關(guān)鍵技術(shù)，目前5G移動(dòng)通信系統(tǒng)正在研發(fā)之中，其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)也在逐漸明確。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在向“互聯(lián)網(wǎng)＋”方向進(jìn)一步演進(jìn)。另外，智能家居、智能醫(yī)療、智能電網(wǎng)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用也對移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提出了新的需求。

圖1 全球無線傳感器數(shù)量與滲透率

在無線接入能力方面，5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的指標(biāo)將是第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)的代表。業(yè)內(nèi)專家普遍認(rèn)為，5G系統(tǒng)的需求及關(guān)鍵技術(shù)性能指標(biāo)主要包括6個(gè)方面，采用“5G之花”的形式表示，如圖2所示[14]。“5G之花”的6枚花瓣分別介紹如下。

·用戶無線接入速率：100 Mbit/s～1 Gbit/s。

·無線接入峰值速率：數(shù)十Gbit/s。

·設(shè)備連接密度：在體育館、露天集會(huì)等接入設(shè)備眾多的場合，達(dá)到每平方公里連接設(shè)備數(shù)目達(dá)100萬個(gè)。

·端到端傳輸時(shí)延：毫秒級。

·數(shù)據(jù)流量密度：在室內(nèi)熱點(diǎn)覆蓋場景，達(dá)到每平方公里數(shù)十Tbit/s。

·用戶移動(dòng)性：保證在速度為500 km/h的高速移動(dòng)時(shí)，用戶能夠正常通信。

在圖2中，也標(biāo)出了4G的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，可以從比較中領(lǐng)略5G技術(shù)指標(biāo)的進(jìn)步。

除此6項(xiàng)指標(biāo)以外，與目前應(yīng)用的4G移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，5G系統(tǒng)的頻譜效率將有5～15倍的提升，在能量效率和降低成本方面期望達(dá)到百倍以上的提升，以期對第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的高密度的設(shè)備接入提供更好的支撐能力。

5.3 未來關(guān)鍵技術(shù)

從5G移動(dòng)通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)3方面來看，影響第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)將主要包括高頻段通信、大規(guī)模MIMO、小蜂窩、云無線接入網(wǎng)和光載無線（radio over fiber，ROF）技術(shù)等網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined networking，SDN）、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（content distribution network，CDN）等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和機(jī)器間通信（machine type communication，MTC）等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。上述關(guān)鍵技術(shù)的引入，將為促進(jìn)第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的健康發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

（1）高頻段通信

目前，適合移動(dòng)通信無線傳輸?shù)牡皖l頻段已經(jīng)基本被占用，針對未來的5G系統(tǒng)研發(fā)，采用高頻段通信將成為重要的技術(shù)手段。

圖2 “5G之花”：系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

移動(dòng)通信的學(xué)者和企業(yè)的研發(fā)工程師，近年來在一個(gè)很寬的頻譜范圍內(nèi)不懈探索，從6 GHz、15 GHz、28 GHz、60 GHz到79～90 GHz[15]，這些頻段開發(fā)的試驗(yàn)系統(tǒng)在無線傳輸測試中最高傳輸速率可達(dá)到115 Gbit/s。采用不同高頻頻段的5G試驗(yàn)系統(tǒng)也已經(jīng)逐步出現(xiàn)。

（2）大規(guī)模MIMO技術(shù)

貝爾實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)90年代提出的MIMO技術(shù)是4G系統(tǒng)的主要技術(shù)之一。隨著5G技術(shù)的研發(fā)，大規(guī)模MIMO技術(shù)[12,15]成為新的研究熱點(diǎn)，大規(guī)模MIMO技術(shù)可以充分挖掘空間維度資源，進(jìn)一步提高移動(dòng)通信的頻譜效率及功率效率。 但是在復(fù)雜的實(shí)際無線環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)具備實(shí)用性的大規(guī)模MIMO技術(shù)仍然是目前較大的挑戰(zhàn)。

（3）小蜂窩技術(shù)

世界移動(dòng)通信的現(xiàn)狀是數(shù)百萬蜂窩覆蓋著50億個(gè)移動(dòng)用戶。這樣的宏蜂窩（macrocell）基站覆蓋半徑約為2 km。理論上可以證明[12]，蜂窩小型化是提高系統(tǒng)容量、減少系統(tǒng)能耗的重要方法。20年前，人們把小蜂窩統(tǒng)稱為微蜂窩（microcell）?，F(xiàn)在，參照毫、微、納、皮、飛的進(jìn)位表示法，把蜂窩半徑為200 m的蜂窩稱為皮蜂窩（picocell），半徑為10 m的蜂窩稱為飛蜂窩（femtocell），以便精細(xì)地設(shè)計(jì)第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。

皮蜂窩適合于戶外，飛蜂窩適合于室內(nèi)。宏蜂窩基站的傳輸功率約為40 W，而皮蜂窩和飛蜂窩分別只需2 W和0.1 W。同時(shí)，小蜂窩的總體硬件成本可以大大低于宏蜂窩，而且更適合實(shí)現(xiàn)室內(nèi)等熱點(diǎn)區(qū)域的覆蓋。

移動(dòng)通信國際標(biāo)準(zhǔn)化組織第三代移動(dòng)通信伙伴計(jì)劃（3GPP）也對小蜂窩技術(shù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化研究[16]。

應(yīng)當(dāng)指出，小蜂窩技術(shù)在帶來容量提升的過程中也帶來了新的問題，例如小區(qū)增多將引起干擾源的增加，小蜂窩的高密度混合部署也會(huì)使用戶的切換更加頻繁等，這使得5G系統(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù)面臨挑戰(zhàn)。

（4）云無線接入網(wǎng)技術(shù)

云無線接入網(wǎng)（C-RAN）[12,15]是針對5G大容量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸?shù)慕M網(wǎng)方案。將云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)，可以在減少運(yùn)行成本的前提下提升網(wǎng)絡(luò)性能，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)能耗。雖然C-RAN技術(shù)在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的性能已經(jīng)得到若干驗(yàn)證，但是C-RAN技術(shù)在高效集中式無線資源管理方面仍然面臨較大的挑戰(zhàn)；對于光通信網(wǎng)絡(luò)也提出了更大容量、更高速率的要求。

（5）光載無線技術(shù)

將攜帶著信息的微波/毫米波調(diào)制到激光上，調(diào)制后的光波通過光纖鏈路傳輸，到達(dá)小蜂窩的無線接入端，將微波/毫米波信號解調(diào)，再通過天線發(fā)射供用戶使用，這就是ROF技術(shù)[15]。ROF技術(shù)示意如圖3所示。

在長途傳輸?shù)闹鞲删€路上，采用DWDM以及單波長100 Gbit/s、400 Gbit/s甚至1 Tbit/s的光傳輸技術(shù)，在接入網(wǎng)中，光波技術(shù)與無線技術(shù)融合在一起，將有能力承擔(dān)起5G移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的傳輸，滿足5G的帶寬需求。

除了上述提到的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之外，5G系統(tǒng)的研發(fā)還涉及其他一些關(guān)鍵技術(shù)，例如全雙工技術(shù)、非正交多址技術(shù)等。隨著研發(fā)的繼續(xù)深入，這些技術(shù)能否為5G所用將逐步明晰。

（6）軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

如今的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系無法滿足巨大的網(wǎng)絡(luò)需求，2011年開放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)（Open Networking Foundation，ONF）提出了新的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)——軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）。這種架構(gòu)將控制面和數(shù)據(jù)面分離，是一種新的網(wǎng)絡(luò)控制方法。在這種架構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和企業(yè)將打破不同設(shè)備商提供的產(chǎn)品之間的壁壘，脫離設(shè)備商的限制，對所有產(chǎn)品擁有編程、控制能力，以適應(yīng)靈活變化的網(wǎng)絡(luò)需求。OpenFlow是第一個(gè)SDN控制面和數(shù)據(jù)面之間的標(biāo)準(zhǔn)接口[17]，提供了一個(gè)統(tǒng)一的編程環(huán)境，使設(shè)備使用者能夠統(tǒng)一地控制、管理不同設(shè)備商生產(chǎn)的產(chǎn)品，具備在會(huì)話層級、用戶級、設(shè)備和應(yīng)用級實(shí)施細(xì)顆粒度的控制策略。

（7）內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在線視頻及網(wǎng)絡(luò)游戲等應(yīng)用的興起，使網(wǎng)絡(luò)流量呈現(xiàn)出井噴的發(fā)展趨勢，集中放置的站點(diǎn)在應(yīng)對大流量的訪問時(shí)略顯不足，且應(yīng)對不可預(yù)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)能力較差。內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)將源站點(diǎn)的內(nèi)容分發(fā)到不同的地方或不同的服務(wù)器緩存，不同區(qū)域的用戶訪問距離最近的服務(wù)器，而且，即使有一個(gè)服務(wù)器出現(xiàn)故障，依然能保證站點(diǎn)的正常訪問，減少企業(yè)的潛在損失并提高用戶體驗(yàn)。

（8）機(jī)器間通信技術(shù)

機(jī)器間通信技術(shù)不僅包含發(fā)展完善的人與人之間的通信，還包含機(jī)器與機(jī)器、機(jī)器與人之間的通信方式。隨著物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市的大力發(fā)展，智能家居、醫(yī)療衛(wèi)生、車載通信等設(shè)備之間的通信業(yè)務(wù)量將急劇膨脹。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)使其成為承載MTC的最佳選擇，但其業(yè)務(wù)特質(zhì)又不同于傳統(tǒng)的無線業(yè)務(wù)，大量并發(fā)小數(shù)據(jù)傳輸為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)帶來新的難題，需要在網(wǎng)絡(luò)部署、資源管理、信息傳輸3方面開展面向MTC應(yīng)用的超密集無線網(wǎng)絡(luò)研究。

6 第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

研究—開發(fā)—標(biāo)準(zhǔn)制定—商用產(chǎn)品競爭，這是帶有普遍性的從研發(fā)到產(chǎn)品的過程。在通信與網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)制定尤其重要。沒有標(biāo)準(zhǔn)就不能聯(lián)通，沒有標(biāo)準(zhǔn)就沒有辦法組網(wǎng)。

目前移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程主要表現(xiàn)在支撐移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的5G移動(dòng)通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定進(jìn)程。

針對5G移動(dòng)通信技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，國際電信聯(lián)盟根據(jù)其命名規(guī)則，將5G系統(tǒng)命名為國際移動(dòng)通信系統(tǒng)-2020（IMT-2020），其標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程主要由ITU-R制定。根據(jù)ITU-R的規(guī)劃，5G標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程如圖4所示[18]，每次標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)議將討論多項(xiàng)技術(shù)內(nèi)容，但每一項(xiàng)技術(shù)內(nèi)容預(yù)計(jì)都會(huì)經(jīng)過多次會(huì)議以及系統(tǒng)評估后才能最終討論確定，5G最終的正式標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)于2020年正式發(fā)布。

3 GPP的5G標(biāo)準(zhǔn)化工作將參考ITU-R制定的IMT-2020工作計(jì)劃，主要基于目前LTE-Advanced系統(tǒng)繼續(xù)后向演進(jìn)。根據(jù)3GPP目前的標(biāo)準(zhǔn)化工作規(guī)劃，業(yè)界預(yù)計(jì)，3GPP將于標(biāo)準(zhǔn)第14版本（R14）階段開始啟動(dòng)5G關(guān)鍵技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化討論，在第15版本（R15）階段可能形成3GPP 5G標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)正式版本，并在此版本基礎(chǔ)上繼續(xù)增強(qiáng)。

我國也于2013年成立了IMT-2020推進(jìn)組[14]，目標(biāo)是凝聚國內(nèi)通信行業(yè)的產(chǎn)學(xué)研用力量，共同推動(dòng)中國5G系統(tǒng)研發(fā)及參與國際標(biāo)準(zhǔn)化工作。

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展方面，以O(shè)penFlow、SDN等為代表的下一代互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)仍然在國際標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)過程之中，同時(shí)IEEE標(biāo)準(zhǔn)化組織將繼續(xù)針對下一代WLAN技術(shù)開展后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)工作研發(fā)，進(jìn)一步提供能滿足第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)需求的短距離高速無線數(shù)據(jù)傳輸能力。

圖4 ITU-R 5G標(biāo)準(zhǔn)化工作計(jì)劃

在物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程方面，由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是經(jīng)過各行業(yè)應(yīng)用與通信技術(shù)融合發(fā)展的產(chǎn)物，因此不同行業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識有所不同，其標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程仍然需要各行業(yè)通力合作完成，目前物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作在全球的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織競相展開，包括ITU、IETF、中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）等組織，2012年2月ITU-T通過了“物聯(lián)網(wǎng)定義”和“物聯(lián)網(wǎng)概述”兩個(gè)國際建議；IETF制定了以IP為基礎(chǔ)的組網(wǎng)協(xié)議，主要 研 究6LoWPAN和ROLL（routing over lossy and low-power network，低功耗路由算法）兩個(gè)協(xié)議。同年，CCSA也成立了對物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行全面研究和制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的“泛在網(wǎng)技術(shù)工作委員會(huì)”。未來物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定方面將需要各大標(biāo)準(zhǔn)化組織進(jìn)一步協(xié)作，以產(chǎn)業(yè)應(yīng)用為向?qū)В胤治鲂袠I(yè)應(yīng)用對通信技術(shù)的需求，提取出共性的通信技術(shù)和接口標(biāo)準(zhǔn)，對未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開發(fā)提供標(biāo)準(zhǔn)層面的支撐。

7 結(jié)束語

互聯(lián)網(wǎng)的物理層由光纖網(wǎng)絡(luò)組成。正是不斷進(jìn)步的光纖通信技術(shù)，支撐著互聯(lián)網(wǎng)持續(xù)快速地發(fā)展。

最近30年來，互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)各自經(jīng)歷了4代，差不多是同步地快速發(fā)展?！耙苿?dòng)”與“互聯(lián)”已經(jīng)不可分割。第五代移動(dòng)通信網(wǎng)就必須是第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。

第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)還將與遍布全球的物聯(lián)網(wǎng)相融合，地球因此也將充滿智慧。

雖然，光通信、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信和物聯(lián)網(wǎng)，都有各自獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)化組織在制定未來的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但學(xué)者和工程師們沒有一個(gè)認(rèn)識到，他們的工作，朝著一個(gè)共同的目標(biāo)：第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。

第五代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)將在2020年到來，它必將是經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的巨大推動(dòng)力。人們期待著，更要準(zhǔn)備著！

致謝

感謝馬文華博士、田野和袁春經(jīng)博士生在本文撰寫過程中提供的幫助。

1 Kao K C,Hockham G A.Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies.Proceedings of IEE,1966,113(7):1151～1158

2 Alferov Z I,Andreyev V M,Korol’Kov V I,et al.Preparation and investigation of epitaxial layers of AlxGa1-xAs solid solutions and of heterojunctions in the AlAs-GaAs system.Kristall und Technik,1969,4(4):495～503

3 Payne D N,Reekie L,Mears R J,et al.Rare-earth doped fiber lasers,amplifiers and devices.Proceedings of CLEO’86,San Francisco,USA,1986:374～375

4 Li T.The impact of optical amplifiers on long-distance lightwave telecommunications.Proceedings of the IEEE,1993,81(11):1568～1579

5 Howard H D.Deploying the world’s largest undersea fiber cable system.Proceeding of NFOEC-98,Orlando,Florida,USA,1998

6 Cerf V G,Khan R E.A protocol for packet network intercommunication.IEEE Transactions on Communications,1974,22(5):637～648

7 Lee T B,Cailliau R,Groff J,et al.World-wide web:the information universe. Electronic Networking, Research Applications and Policy,1992,20(4):461～469

8 O’Reilly T.What is web 2.0:design patterns and business models for the next generation of software.Communications and Strategies,2007(65):17～37

9 Ring D H.Mobile telephony-wide area coverage.Bell Laboratories Technical Memorandum,1947

10 陶小峰,崔琪楣,許曉東等.4G/B4G關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng).北京：人民郵電出版社,2011 Tao X F,Cui Q M,Xu X D,et al.4G/Beyond 4G Key Technology and System.Beijing:Posts & Telecom Press,2011

11 Sarma S,Brock D L,Ashton K.The Networked Physical World.Auto-ID Center White Paper,2000

12 Goldsmith A.5G and beyond：what lies ahead for wireless system design.PPT Presentation at BUPT,Aug 2014

13 Palmisano S J.A smarter planet:the next leadership agenda.IBM,2008

14 IMT-2020(5G)推進(jìn)組.5G愿景與需求白皮書.http://www.imt-2020.org.cn/,2015 IMT-2020(5G)Promotion Group.White Paper on 5G Vision and Requirements.http://www.imt-2020.org.cn/,2015

15 Chang G K,Cheng L,Xu M,et al.Integrated fiber-wireless access architecture for mobile backhaul and fronthaul in 5G wireless data networks.Proceedings of AVFOP 2014,Atlanta,Georgia,USA,Nov 2014

16 3GPP TR 36.842.Study on Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN Higher Layer Aspects V0.4.1,Nov 2013

17 OpenFlow consortium.http://openowswitch.org,2013

18 ITU-R.ITU towards“IMT for 2020 and beyond”.http://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/rsg5/rwp5d/imt-2020/Pages/default.aspx,2015