隨著現代人的通訊需求日益漸增，從最初僅文字訊息慢慢進展到聲音、影像、即時視訊...等等。為了滿足大眾的需求，越來越新穎的通訊技術不斷的推陳出新4G無線通訊系統發展至今已被許多國家應用，但即使如此仍然存在一些的難以克服的挑戰存在，例如頻譜危機(spectrum crisis)和高消耗功率。而為了研究使用無線通訊時能維持高資料速率(data rate)以及高移動性，研究人員期望在2020年時能夠將新一代，也就是5G無線通訊系統開發完成。在整篇文章中探討了一些像是如何分隔室內與室外不同的條件、大規模多輸入多輸出(Massive Multi-Input Multi-Output - MIMO)、臨近無線電網路(Cognitive Radio Network - CR)等技術，還有討論未來可能遇到的挑戰。在人手一隻手機的現代，無線網路的重要性無遠弗屆，它不僅大大的提升了現代人在平時的通訊、商業的聯絡、社會訊息的傳遞品質，也使得全世界的交流更加頻繁與便利。從1991年起2G的出現後，3G也在2001年問世，除了有更快速的資料速率還能傳遞更大量的多媒體內容。新一代的4G則利用了正交分頻多工(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing - OFDM)、多輸入多輸出(MIMO)系統和連結配對技術(Link Adaptation)。在慢速裝置時，4G可提供1Gb/s 的資料速率；高速裝置時則提供100Mb/s。Long-Term Evolution(LTE)與其分支Long-Term Evolution Advanced(LTE-Advance)為目前全球4G常用系統。而4G系統的主要挑戰中，其一為使用大量的超高頻帶，使得操作上難以獲得更多頻寬；其二為消耗大量的能量使二氧化碳的排放量增加，造成環境上的污染。
人們的需求如更高的資料速率、頻譜效能、能量效能、行動便利性以及更大的網路容量提供的業者不小的壓力，這些越來越多的需求刺激了5G的發展。與4G相比，大多數意見認為5G應有1000倍的系統容量、10倍的頻譜效益以及25倍的傳輸量。不管是在任何人、任何裝置、任何地點、任何時間都必須要達到無縫和普及的目標。高鐵速率可達350-500km/h，而4G卻只能服務250km/h以下，因此本篇也希望5G能夠在高速移動的情況下依舊能提供服務。我們得知人們待在有80%的時間待在室內，20%的時間待在室外。而現今的技術通常會設置一個基地台(Base Station - BS)當做中繼站，利用此中繼站來與行動裝置使用者做傳輸。對於室內的使用者來說，傳輸訊號必須穿透牆壁才能連接室外的基地台，造成很大的穿透損失(penetration loss)，更會大幅降低資料速率與能量效益。為了改善這項缺點，5G將室內與室外的環境分離，以防造成穿透損失。這可以藉由分配天線系統(Distributed antenna system - DAS)與massive MIMO的協助以達到目標。相對於傳統MIMO只是用二到四根天線，Massive MIMO則使用了十甚至上百根天線，利用大量的天線陣列來增加容量增益、頻譜效益和能量效益。此外雜訊和快速衰減的效果也消失，小區域內的干擾也能使用簡單的預編碼和偵測技術來減輕。再配合Multi-User MIMO(MU-MIMO)則是外基地台可以傳送相同頻率但分離的訊號給不同的使用者。室外的基地台裝備著大量的天線，而行動裝置使用者則利用DAS模擬出大量天線陣列藉此達到massive MIMO的效果。通常在可視線上的(Line of sight - LOS)大型建築物會安裝大量天線來連接室外基地台，並使用纜線將資料輸入室內裝置，藉此達到提升效能的目的。根據此技術，從室外引入的資料將會導入室內的裝置，則可視為短距離傳輸。短距離傳輸有許多方法，例如WIFI、femtocell、ultra wideband(UWB)mm-wave communications還有visible light communications(VLC)。其中VLC將資料儲存在不同強度的光，這些信號必定是實數信號並且恆正，相較於傳統的數位調變則為複數信號並且為雙極，進入接收端也較容易計算。值得注意的是因為波長遠小於偵測範圍，因此不受快速衰變的影響。VLC在室外容易被環境干擾，但在室內則可以有效提高資料速率。假設一個房間內有著許多燈具，則每一個燈具將被視為一個小型的基地台，或稱為optical attocells。optical attocells可涵蓋的範圍為1-3平方公尺或距離3公尺遠，大部分的空間都能夠進入服務的範圍。由於能源消耗僅在於一個燈泡，在節省能源方面與降低二氧化碳能有不錯的表現。
為了增加頻譜使用率，5G使用了cognitive radio network(CR)。CR當初的發想就是因為有閒置中的頻譜沒有被使用，若能將這些頻譜暫時釋放給其他訊號則可提高資料速率。在無干擾(interference-free)的CR網路中，偵測周遭頻域中是否有閒置的頻域，若有發現則CR使用者會向執照使用者(licensed user)借用其閒置的頻域，如此將能活用其頻域。而現實中為可容忍干擾(interference-tolerant)的CR網路，將干擾控制在某個門檻值以下時，與執照使用者借用閒置的頻域。相對於無干擾，可容忍干擾CR網路能更加有效利用頻譜資源。若想提升頻譜效益的話還可以放寬門檻值或者查看CR使用者最靠近哪個室內基地台。另外，如前面提到5G想要提供高速裝置服務，因此此篇提供了一個Mobile Femtocell(MFemtocell)的概念。MFemtocell適用於大眾交通系統、私人轎車等交通工具內的使用者。由本文可知當MFemtocell的使用者比率越高時，頻譜效率也會提高，比起直接由室內連接室外基地台時優秀許多；第二優點則是可以使用於高移動性的裝置；第三優點則為有效的減少能量消耗，有助於地球的健康。
綜合以上的想法可以歸納出一些挑戰。首先是各種參數的最佳化：參數包含了頻譜效益、能量效益、延遲、可靠度、使用者公平度、服務品質、實做難易度等等。不同的參數如何做取捨以應用在不同的環境之下，這需要大量的模擬結果才能得知。第二點則為實際上的5G通道模型：相比於傳統的低移動性無線通道，高移動性通道在短時間內不斷的發生變化，也就是通道極度的不穩定，計算複雜也隨之增加。第三點在於如何降低massive MIMO的信號處理複雜度：常見的樹狀搜尋方式為ML，不過在如此龐大的天線數下，光是矩陣計算複雜度就大幅提高，更不用說計算路徑長後複雜度也更高。因此如何解決複雜度問題是一大挑戰。第四點為CR網路中如何管理干擾的大小：前段提到若放鬆門檻值則可以獲得較高的頻譜效益，但干擾過高也會影響解碼的順利與否，因此如何取捨門檻值是一門學問。