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本书集合业界领先通信企业在5G方面的全新研究成果，分别从5G需求与愿景、5G相关关键技术、系统设计与样机验证等方面，进行深刻、详细的分析、介绍，提炼出其中的关键技术点进行详细阐述，力求向读者展现一个完整的5G研究现状。
5G丛书
5G移动通信系统：从演进到革命
5G Mobile Communication System:from Evolution to Revolution
人民邮电出版社
北京
图书在版编目（CIP）数据
5G移动通信系统：从演进到革命/刘光毅等编著.--北京：人民邮电出版社，2016.11
（5G丛书）
ISBN 978-7-115-43151-6
Ⅰ.①5… Ⅱ.①刘… Ⅲ.①无线电通信—移动通信—通信技术 Ⅳ.①TN929.5
中国版本图书馆CIP数据核字（2016）第190047号
◆编著 刘光毅 方敏 关皓 李云岗 孙程君
责任编辑 吴娜达
责任印制 彭志环
◆人民邮电出版社出版发行 北京市十台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptprcss.com.cn
网址 http://www.ptprcss.com.cn
扎京鑫正大印刷有限公司印刷
◆开本：800×1000 1/16
印张：18 2016年11月第1版
字数：337干字 2016年11月北京第1次印刷
定价：69.00元
读者服务热线：(010)81055488 印装质量热线：(010)81055316
反盗版热线：(010)81055315
本书从5G需求与愿景出发，深入揭示了5G产生的背景、频率需求、候选频率及其无线传播特性，同绕5G相关的主要标准化组织及其研究的最新进展对5G标准的未来进行了展望；同绕5G的关键技术，分别从多天线的演进、非正交与多址、全双工、编码与链路自适应、网络架构、用户无感知的移动性管理、用户为中心的自治网络、毫米波系统设计、超密集网络及小区虚拟化以及物联网的优化等方面详细介绍了5G的关键技术。
本书全方位地系统阐述5G的来龙去脉以及未来主要发展方向，是5G研发、无线通信技术教学、科研以及工程实施人员有益的参考书。
4G为宽带移动通信打开了一扇门，在给人们带来生活与工作便利的同时，也深刻地改变着整个社会运行的模式和效率。4G的普及应用，进一步刺激了用户对移动数据的消费，同时也刺激了人们对未来数字化生活的渴望与追求。
有人说，4G是移动通信的终极时代，不会再有新的移动通信系统出现，因为没有新的技术能够支撑新一代移动通信系统的产生。在现实生活中，人们却发现，越来越多的新业务、新应用场景对移动通信网络的能力提出了新的要求。随着消费电子类产品的技术突破，AR和VR、更高清的4K/8K屏显示、裸眼3D等都会真真切切地走入人们的生活，这些都对移动通信系统的速率和容量提出了更高的要求；同时，工业互联网和自动驾驶等也对通信的时延提出了更高的要求。
此外，随着人与人之间通信市场的饱和，移动通信产业开始把注意力转向如何为其他行业提供更加有效的通信工具和能力，开始构想“万物互联”的美好愿景。面向物与物的无线通信，与传统的人与人的通信方式有着较大的区别，在设备成本、体积、功耗、连接数量、覆盖能力上面，都提出了更高的要求，特别是面向远程医疗、工业控制和智能电网等应用，更是对传输的时延和可靠性提出了更苛刻的要求。4G在全球范围内的大规模部署也给未来网络的发展带来了新的启示，业务需要尽可能地靠近用户、新业务的部署需要实现快速和低成本、针对不同应用场景的网络部署需要灵活和可配等。所有这些，在已有的 4G及其演进系统上都难以完全满足，新的需求呼唤和驱动着新一代移动通信系统的诞生。
随着5G研究的深入，移动通信产业对5G需要重点关注的3个主要应用场景形成了共识，包括增强的移动宽带、低功耗大连接的物联网、低时延和高可靠网络，并针对5G应用的主要场景制定了详细的技术需求，如20 Gbit/s的峰值速率、0.5ms的空口时延、3～5倍频谱效率的提升、百万级的连接数密度、10 Tbit/s每平方千米的流量密度、能耗效率的100倍提升等。为了实现可持续的产业发展，业界还对未来的移动通信网络成本提出了更高的期望，即千倍以上的每比特成本的降低。围绕5G的需求，3GPP RAN开始了面向5G新空口的可行性技术研究，并计划从2016年6月开始正式的标准制定，2018年6月完成第一个版本的标准制定， 2019年底完成第二个标准版本的制定，并形成最终的5G候选技术提案，正式提交ITU-R。此外，3GPP SA2也先于3GPP RAN开始了下一代网络架构的研究，并计划与3GPP RAN同期完成相关标准的制定。
随着标准化的启动，中、韩、日、美等国开始争夺5G产业发展的主导权。韩国政府宣布将于2018年平昌冬季奥运会提供5G业务体验，日本政府宣布将于2020年夏季奥运会商用5G，中国政府也宣布将在2020年实现5G商用；而美国政府则宣布将主导5G未来的产业发展，并为5G分配了11GHz的6GHz以上的频谱，同时，美国运营商Verizon Wireless则更激进地发布了面向28 GHz的5G标准，并宣布将在2017年部署5G。全球其他运营商也纷纷宣布开始启动5G的试验。5G，正朝着2020年商用的目标稳步迈进。
感谢人民邮电出版社的组织和邀请，使得活跃于5G研发第一线的专家们有机会聚集在一起，共同探讨未来5G发展的全貌，并共同编写了这本书。本书的作者全部来自于国内外领先的5G研发机构，是业界权威的技术专家，他们经历了整个4G的研发、标准化和产业化的过程，在5G方面更是有很深的造诣。希望通过我们的工作，给读者呈现出5G的来龙去脉以及未来发展的方向。
本书第1章由姜大洁、刘光毅编写，第2章由刘亮、刘婧迪、郑毅、李男、刘光毅编写，第3章由刘光毅编写，第4章由王飞、侯雪颖、金婧、王启星、童辉、刘光毅编写，第5章由袁志峰、陈燕、方敏、李云岗编写，第6章由刘胜、李云岗编写，第7章由徐俊、许进、方敏编写，第8章由吴瑟、宗在峰、强宇红、谢振华、陶峑珺、方敏编写，第9章由赵竹岩、杜蕾、关皓编写，第10章由刘云璐、陈卓、马慧、李男、刘光毅编写，第11章由俞斌、孙程君编写，第12章由郝鹏、方敏编写，第13章由赵竹岩、杜蕾、关皓编写。
由于笔者水平所限，难免有疏漏和不足的地方，欢迎广大读者批评指正。
编者
2016年6月于北京
从20世纪80年代第一代（1G）移动通信的诞生开始，移动通信深刻改变了人们的沟通方式。面向2020年及未来，移动数据流量的爆炸式增长、设备连接数的海量增加、各类新业务和应用场景的不断涌现，将对现有网络产生非常严峻且无法满足的挑战，第五代（5G）移动通信系统应运而生。从5G网络的两大驱动力——移动互联网和物联网出发，通过预测未来5G典型应用场景和典型业务，同时结合5G网络运营面临的挑战，提出了5G应具备的关键能力，并给出了5G总体愿景。
20世纪80年代，第一代移动通信诞生，“大哥大”出现在了人们的视野中。从此，移动通信对人们日常工作和生活的影响与日俱增。移动通信发展回顾如图1-1所示。1G，“大哥大”作为高高在上的身份象征；2G，手机通话和短信成为了人们日常沟通一种重要方式；3G，人们开始用手机上网、看新闻、发彩信；4G，手机上网已经成为了基本功能，拍照分享、在线观看视频等，已经成了手机上能做的再熟悉不过的事情。人们的沟通方式、了解世界的方式，已经因移动通信而改变。想要知道更多，想要更自由地获取更多信息的好奇心，不断驱动着人们对更高性能移动通信的追求。可以预见，未来的移动数据流量将爆炸式地增长、设备连接数将海量增加、各类新业务和应用场景将不断涌现。这些新的趋势，对于现有网络来说将会是不可完成的任务，5G移动通信系统应运而生。
5G作为面向 2020年及以后的移动通信系统，将深入社会的各个领域，作为基础设施为未来社会的各个领域提供全方位的服务，如图1-2所示。5G将提供光纤般的接入速度，“零”时延的使用体验，使信息突破时空限制，为用户即时呈现；5G 将提供千亿设备的连接能力、极佳的交互体验，实现人与万物的智能互联；5G将提供超高流量密度、超高移动性支持，让用户随时随地获得一致的性能体验；同时，超过百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，也将保证产业的可持续发展。超高速率、超低时延、超高移动性、超强连接能力、超高流量密度，加上能效和成本超百倍改善，5G最终将实现“信息随心至，万物触手及”的美好愿景。
移动互联网和物联网，是当前及未来移动通信的热门方向。根据 IMT-2020（5G）推进组预测[1]，2020年相比2010年，全球移动数据流量的增长将超过200倍，而到了2030年更将进一步超过万倍增长，如图1-3所示；而物联网终端的规模也将在2020年达到与人口相当的量级，后续将进一步发展至千亿级别，如图1-4所示。
移动互联网和物联网的迅猛增长，将为5G提供广阔的前景。移动互联网将推动人类社会信息交互方式的进一步升级，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清（3D）视频、移动云等更加身临其境的极致业务体验。各种新业务不仅带来超千倍的流量增长，更是对移动网络的性能提出了挑战，必将推动移动通信技术和产业的新一轮变革。
物联网则是将人与人的通信进一步延伸到人与物、物与物智能互联，使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域。在移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等场景，将可能出现数以千亿的物联网设备，缔造出规模空前的新兴产业，并与移动互联网发生化学反应，实现真正的“万物互联”。
移动通信网络已经越来越多地融入人们的工作和生活中，未来的5G网络将与人们的居住、工作、休闲和交通等各个领域结合得更加紧密。当前，在一些特殊区域，例如体育场、露天集会、地铁、快速路、高铁等，由于这些场景的超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性等特征，现有网络情况下体验还不理想；另外一些区域，例如密集住宅区、办公室、广域覆盖场景等，考虑到未来将出现的新业务，如增强现实、虚拟现实、超高清视频、云存储、车联网、智能家居、OTT 消息等，也对速率、时延等提出更为苛刻的要求。
对日常工作、生活中的各种环境以及其中可能出现的各类应用，以“高流量密度”“高连接数密度”“高移动性”为依据进行筛选之后，列举出一些5G的典型场景。结合各场景未来可能的用户分布、各类业务占比及对速率、时延等性能要求，可以得到各个应用场景下的5G 性能指标，主要包括用户体验速率、连接数密度、端到端时延、流量密度、移动性和用户峰值速率，见表1-1。表1-2中，办公室场景的最大性能挑战是数十Tbit/s/km2的流量密度，密集住宅场景的最大性能挑战是Gbit/s用户体验速率，体育场和露天集会场景的最大性能挑战是100万/km2的连接数，地铁场景的最大性能挑战是6人/m2的超高用户密度，快速路场景的最大性能挑战是毫秒级端到端时延，高铁场景的最大性能挑战是500 km/h以上的高速移动，广域覆盖场景的最大性能挑战是100 Mbit/s的用户体验速率。
在满足多种场景下的性能挑战的同时，使整个网络具备可持续发展的能力，5G 网络在建设、部署、运营维护方面，也需要大幅提升效率。
目前的移动通信网络在应对移动互联网和物联网爆发式发展时，可能会面临以下问题：能耗、每比特综合成本、部署和维护的复杂度难以高效应对未来千倍业务流量增长和海量设备连接；多制式网络共存造成了复杂度的增长和用户体验下降；现网在精确监控网络资源和有效感知业务特性方面的能力不足，无法智能地满足未来用户和业务需求多样化的趋势；此外，无线频谱从低频到高频跨度很大，且分布碎片化，干扰复杂。应对这些问题，需要从如下两方面提升5G系统能力，以实现可持续发展。
●在网络建设和部署方面，5G需要提供更高网络容量和更好覆盖，同时降低网络部署，尤其是超密集网络部署的复杂度和成本；5G 需要具备灵活可扩展的网络架构以适应用户和业务的多样化需求；5G 需要灵活高效地利用各类频谱，包括对称和非对称频段、已有频谱和新频谱、低频段和高频段、授权和非授权频段等；另外，5G 需要具备更强的设备连接能力来应对海量物联网设备的接入。
●在运营维护方面，5G 需要改善网络能效和比特运维成本，以应对未来数据迅猛增长和各类业务应用的多样化需求；5G 需要降低多制式共存、网络升级以及新功能引入等带来的复杂度，以提升用户体验；5G 需要支持网络对用户行为和业务内容的智能感知并做出智能优化；同时，5G 需要能提供多样化的网络安全解决方案，以满足各类移动互联网和物联网设备及业务的需求。
从可持续发展的角度，频谱、能耗和成本是移动通信网络可持续发展的3个关键因素，见表1-3。5G系统相比4G系统在这3方面需要得到显著提升。具体来说，频谱效率需提高5～15倍，能耗效率和成本效率均要求有百倍以上提升。
从5G的典型应用场景的性能要求，可以总结出5G应该具备的一些关键能力。
●速率方面：支持0.1～1 Gbit/s的用户体验速率和高达10 Gbit/s以上峰值速率；
●连接能力方面：支持每平方千米百万量级的连接数密度；
●时延方面：支持毫秒级的端到端时延；
●流量密度方面：支持每平方千米数十Tbit/s的流量密度；
●移动性方面：支持500 km/h以上的移动性。
其中，用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的3个性能指标。
为了提升网络建设、部署、运营方面的效率，5G还应具备如下关键能力。
●频谱效率：相比4G提升5～15倍；
●能源效率：相比4G提升百倍以上；
●成本效率：相比4G提升百倍以上。
性能需求和效率需求共同定义了5G的关键能力，犹如一株绽放的鲜花。红花绿叶，相辅相成，“花瓣”代表了5G的六大性能指标，体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力，其中“花瓣”顶点代表了相应指标的最大值；“叶子”代表了3个效率指标，是实现5G可持续发展的基本保障。
5G 网络的目标，在于支持未来移动互联网和物联网巨量增长带来的苛刻需求。纵观移动互联网和物联网可能渗透到的应用场景和新兴业务，5G 在性能方面的大幅提升将全面提升用户体验。光纤般的接入速率，“零”时延的使用体验，千亿设备的连接能力，超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务，将极大地提升移动互联网和物联网的影响力。为了实现全行业的可持续发展，5G 在能效和成本效率方面超百倍的提升，也将使移动通信的应用更加普及和深入，为相关新技术和新业务提供更广阔的发展平台，并最终实现“信息随心至，万物触手及”的5G愿景。
[1] IMT-2020 (5G) Promotion Group. IMT-2020(5G) PG-white paper on5G vision and requirements_V1.0:2014[S/OL]. [2016-04-20]. http://wenku.baidu.com/link?url=QhzvzFNJ8mh5ZIW0Q2Yvs 37g0rHogx0u2qOYpes687SdeoqP76OwAggAJ_MCaeGkwzBfJuGkIk3CstQmizZu7xqNI-u2Wa-Nr9pkTfbG1-C.
