This article provides some fundamental indications about wireless communications beyond LTE/LTE-A (5G), representing the key findings of the European research project 5GNOW. We start with identifying the drivers for making the transition to 5G networks. Just to name one, the advent of the Internet of Things and its integration with conventional human-initiated transmissions creates a need for a fundamental system redesign. Then we make clear that the strict paradigm of synchronism and orthogonality as applied in LTE prevents efficiency and scalability. We challenge this paradigm and propose new key PHY layer technology components such as a unified frame structure, multicarrier waveform design including a filtering functionality, sparse signal processing mechanisms, a robustness framework, and transmissions with very short latency. These components enable indeed an efficient and scalable air interface supporting the highly varying set of requirements originating from the 5G drivers.

Cellular systems of the fourth generation (4G) have been optimized to provide high data rates and reliable coverage to mobile users. Cellular systems of the next generation will face more diverse application requirements: the demand for higher data rates exceeds 4G capabilities; battery-driven communication sensors need ultra-low power consumption; and control applications require very short response times. We envision a unified physical layer waveform, referred to as generalized frequency division multiplexing (GFDM), to address these requirements. In this paper, we analyze the main characteristics of the proposed waveform and highlight relevant features. After introducing the principles of GFDM, this paper contributes to the following areas: 1) the means for engineering the waveform's spectral properties; 2) analytical analysis of symbol error performance over different channel models; 3) concepts for MIMO-GFDM to achieve diversity; 4) preamble-based synchronization that preserves the excellent spectral properties of the waveform; 5) bit error rate performance for channel coded GFDM transmission using iterative receivers; 6) relevant application scenarios and suitable GFDM parameterizations; and 7) GFDM proof-of-concept and implementation aspects of the prototype using hardware platforms available today. In summary, the flexible nature of GFDM makes this waveform a suitable candidate for future 5G networks.