5G的主要应用场景包括移动互联网和物联网领域，在物理层技术的选择上需要考虑支持极大的吞吐量和极高的连接数。面对未来5G移动网络大容量业务需求，同时也需要保护已有投资和满足传统终端的接入，以满足对4G系统和终端的后向兼容。

在蜂窝移动通信中，频谱效率、频谱资源和站址密度是最重要的组成要素，是通信系统容量能力的关键支点。从频谱效率角度看，4G LTE系统已经非常接近单链路用户信道容量，进一步提升空间有限；同时，单链路多天线技术的应用受制于终端尺寸限制，也已经接近极限，因而从多用户角度出发提升容量成为频谱效率提升的关键。多用户提升容量的方法主要分为两个方面：基于大规模多天线、利用空间维度的多用户复用以及基于干扰删除、利用信号处理维度的新型多址。

然而总体来讲，如果简单地从4G持续演进的角度设计5G网络并不能完全满足5G的需求。一方面，从频谱效率提升角度，因为受制于兼容性约束，系统可能无法发挥出最大优势来获取更高容量，而且虽然现有技术支持了异构组网，但缺少对密集组网时站址、回传等工程实践和部署成本层面的考虑以及运营维护方面的优化；另一方面，虽然更大数量的载波聚合尽最大可能利用了已有频段，可现有频谱资源毕竟有限，为了获得更多的频谱，需要面向更高频段进行开拓并发展出与其相适应的空口技术。此外，4G及以前的网络主要以移动用户的语音和数据业务为主，其资源颗粒度划分和调制编码等技术也和业务特点相适应。然而，面对物联网为代表具备多样业务种类的5G系统，如包括传感器的窄带高能效、车联网和工业控制领域的低时延高可靠、机器通信的海量免调度等新型业务，现有4G空口技术难以满足对服务质量的需求。因而，从进一步提升频谱效率，降低成本，扩展频谱资源和适应灵活多样新业务等角度，都需要新空口技术，部署轻便、投资轻度、维护轻松、体验轻快地满足5G应用场景和业务需求。

5G系统的最大特点是容量需求巨大和业务灵活多样，这一方面要求网络侧变得更加灵活，通过软件定义和功能虚拟化等方式快速适配多变的场景和多样的需求，另一方面也对接入侧提出巨大挑战，包括对大容量下信号处理能力的挑战和对多样性处理灵活度的挑战。高速信号处理能力要求高度集成优化的信号处理模块，而多样性又需要通用可软件定义的单元，对广域业务需求或单一业务需求等不同场景，适当划分与整合各种单元模块十分重要。

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图7-5 5G系统物理层整体框图示例

5G系统的整体框图示例如图7-5所示，其中包括相分离的控制面和数据面。控制面主要采用软件定义方式，与核心网定义对应的软件控制接口，具有根据业务特点适配帧结构，改变处理架构，控制物理层过程和物理层协作，生成控制指令等功能。控制面的物理实体也可以和数据面相分离，既可以适配集中式控制，也可以是分布式控制。而数据面则根据业务特点分成高度集中优化面向高容量的处理单元和面向多业务可软件定义的处理单元，并且可以分别在编码调制、资源映射、多址方式、波形生成等不同等级分别定义。此外，在射频层面对不同场景，需要多频宽频支持、高频器件、灵活统一的双工器、全双工芯片等某个功能或是某些功能的组合。

前面几章从大规模天线、超密集组网和高频段通信等角度对5G备选关键技术给出了详细的介绍，本章主要从多址接入、灵活双工、全双工和灵活调制编码等角度，来解决5G系统在轻快部署、灵活多样业务等方面的挑战。