1.2.4 第四代移動通信
為了克服 3G技術存在的不足，第三代合作夥伴計劃（3GPP）于2004年年底啟動了下一代移動通信系統的标準化工作，并命名為長期演進（Long Term Evolution，LTE）。而 ITU于 2008年完成了 IMT-2000（即 3G）系統的演進——IMT-Advanced
（即俗稱的“4G”）系統的最小性能需求和評估方法等的制定。為了保持3GPP标準的技術優勢和市場競争優勢，3GPP于 2008年 4月正式開始了 LTE演進标準——LTE-Advanced（簡稱為LTE-A）的研究和制定工作，并于2010年 6月通過 ITU的評估，于 2010年 10月正式成為4G的主要技術之一。
IMT-Advanced（即 4G）定義的蜂窩網絡系統必須滿足以下要求。1）基于全IP（AllIP）分組交換網絡。
2）在高速移動性的環境下達到約100Mbit/s的資料速率；在低速移動性的環境下達到約 1Gbit/s的資料速率，即移動/固定無線網絡接入的峰值資料速率。
3）能夠動态地共享和利用網絡資源來支援每單元多使用者同時使用。
4）使用 5～20MHz可擴充的信道帶寬，高達 40MHz。
5）鍊路頻譜效率的峰值為 15bit/(s·Hz)（下行）和 6.75bit/(s·Hz)（上行）。
6）系統頻譜效率下行 3bit/(s·Hz·cell)，室内 2.25bit/(s·Hz·cell)。7）支援跨不同系統網絡的平滑切換。
8）提供高服務品質（QualityofService，QoS），具備支援新一代多媒體的傳輸能力。
4G以正交頻分複用多收發（OFDM-MIMO）天線技術和空分多址（SDMA）技術為基礎，采用 Turbo碼編碼技術，支援 FDD和 TDD兩種模式，其網絡結構如圖 1-4 所示。
圖 1-44G網絡結構
4G網絡分為演進的通用移動通信系統陸地無線接入網（E-UTRAN）和演進分組核心網（EvolvedPacketCore，EPC）兩部分。首先，接入網的結構更為扁平化，整個網絡隻有一種基站——eNodeB。eNodeB的功能由 3G階段的 NodeB、RNC、SGSN、GGSN的部分功能演化而來，新增加了系統接入控制、承載控制、移動性管理、無線資源管理、路由選擇等功能，并可以通過 X2接口互聯。其次，EPC能夠前向相容已有的系統架構，并将之前的相關實體取代成移動管理實體（Mobile Management Entity，MME）與服務網關（ServingGateway，SGW），将電路域和分組域的業務統一承載在分組域上，實作了核心網的全 IP 化，并将控制面和使用者面相分離。
整體而言，4G網絡為全 IP化網絡，可有效滿足移動通信業務的高帶寬發展需求。與 3G通信系統相比，4G通信系統資料傳輸速率更快，且能夠更好地對抗無線傳輸環境中的多徑效應，系統容量和頻譜效率得到大幅提升。然而，随着經濟社會及物聯網技術的迅速發展，雲計算、智慧城市、車聯網等新型網絡和業務形态不斷産生，對通信技術提出了更高層次的需求。移動通信網絡應面向工業制造、智慧交通、智能電網等領域提供個性化的服務，而以高帶寬為特性的 4G網絡難以滿足超低延遲時間、大規模接入和超高帶寬等業務需求。面對這些存在的問題，5G技術被提上了日程。
1.2.2 第五代移動通信
2015年 10月 26—30日，在瑞士日内瓦的決議，并正式确定了5G正式名稱為“IMT-2020”。第一個5G标準是3GPP的第15版（Release15），已于2018年 6月當機，并于 2019年開始了商用部署。2019年被認為是中國 5G元年，在這一年的 6月 6日，工業和資訊化部正式向中國電信、中國移動、中國聯通和中國廣電發放了 5G商用牌照，标志着5G時代的正式開啟。
與 2G、3G、4G不同，5G并不是一種單一的無線接入技術，而是多種新型無線接入技術和現有 4G後向演進技術內建後的解決方案總稱。從某種程度上講，5G是一個真正意義上的融合網絡。5G網絡融合了 SDN、NFV、超密集異構網絡、自組織網絡、内容分發網絡、D2D通信、大規模 MIMO、毫米波、多連接配接等技術，實作了峰值速率、使用者體驗資料速率、頻譜效率、移動性管理、連接配接數密度、網絡能效等名額的全面提升[4]。相對于 4G技術，中國 IMT-2020（5G）推進組設定的 5G關鍵技術名額要求如圖 1-5所示。
圖 1-5
中國IMT-2020（5G）推進組設定的 5G關鍵技術名額要求相對于 4G，5G考慮了更多的性能次元提升，包括：峰值資料速率由 1Gbit/s
提升至 20Gbit/s；城區和城郊使用者體驗速率達到 100Mbit/s，某些熱點地區的使用者體驗
資料速率提升至 1Gbit/s；頻譜效率提升 3倍；支援的移動速度由 350km/h提升至
500km/h；支援極低延遲時間要求服務，端到端時延從 10ms 降低到 1ms；支援更多數量的
裝置連接配接，連接配接數密度由每平方千米 105個裝置提升至每平方千米 106個裝置；網
絡能效提升100倍；區域通信能力提升100倍，由0.1Mbit（/ s·m2）提升至10Mbit（/ s·m2）。基于上述8個方面能力的增強，5G網絡開始具備滲透垂直行業的能力，支援的應用場景涵蓋增強型移動寬帶（eMBB）、超高可靠和低延遲時間通信（uRLLC）和海量機器類通信（mMTC）三大場景。具體場景特征和關鍵技術将在第 2章進行詳細介紹。
在無線側，5G融合了多種現有無線通信技術，利用毫米波、大規模 MIMO等技術提升吞吐量，并支援獨立組網和非獨立組網兩種架構。在核心網側，5G旨在通過單個 5G核心網絡滿足各種應用的不同需求。是以，5G核心網絡需要提供多種新功能，如靈活資源配置設定、靈活的網絡重構以及對各種平台的開放通路等。5G核心網絡的典型演進包括移動邊緣計算（MEC）、軟體定義網絡（SDN）、網絡功能虛拟化（NFV）和網絡切片等。5G系統的網絡結構如圖 1-6所示。
圖 1-65G系統的網絡結構
圖 1-6中 UE為使用者終端，（R）AN為（無線）接入網絡，DN為營運商資料網絡，其他部分為 5G 核心網功能實體，其描述見表 1-1。
表 1-1 5G核心網絡實體功能描述
| 5G網絡功能 | 中文名稱 | 類似 4GEPC網元 |
| AMF | 接入和移動管理功能 | MME 中 NAS 的接入控制功能 |
| SMF | 會話管理功能 | MME、SGW-C、PGW-C 的會話管理功能 |
| UPF | 使用者平面功能 | SGW-U+PGW-U 使用者平面功能 |
| UDM | 統一資料管理 | HSS、SPR 等 |
| PCF | 政策控制功能 | PCRF |
| AUSF | 認證伺服器功能 | HSS 中的鑒權功能 |
| NEF | 網絡能力開放 | SCEF |
| NSSF | 網絡切片選擇功能 | 5G 新增，用于網絡切片選擇 |
| NRF | 網絡注冊功能 | 5G 新增，類似增強 DNS 功能 |
5G核心網借鑒了 IT領域的“微服務”理念，采用了基于服務的架構（ServiceBasedArchitecture，SBA），通過子產品化和軟體化以實作面向不同場景需求的切片目的。
目前，5G移動網絡的最終設計目标是滿足終端使用者多樣化的服務品質（QoS）需求，這就要求網絡實體能夠實作對網絡環境的認知和自主決策。網絡層、控制層和管理編排層中的不同網絡實體（如無線裝置、基站和 SDN控制器）需要做出本地自主決策，包括頻譜接入、信道配置設定、功率控制等，以實作不同網絡的不同目标，如吞吐量最大化、時延和能量最小化等。随着移動通信網絡規模的不斷擴大和複雜化，我們面臨着一個更加分散和多樣化的網絡環境。網絡狀态的動态性和不确定性，以及異構無線使用者之間的共存和耦合，使得網絡控制問題變得非常具有挑戰性。5G架構難以同時滿足三大場景的需求，且資源的排程過程仍然缺乏足夠的彈性，難以滿足資源随需即用的要求。針對這些問題，提出了 6G需求。