国之重器出版工程 从局部到整体5G系统观

图书在版编目（CIP）数据

从局部到整体：5G系统观 / 张晨璐，vivo通信研究院编著．--北京：人民邮电出版社，2020.1

（5G丛书）

国之重器出版工程

ISBN 978-7-115-52356-3

Ⅰ．①从…　Ⅱ．①张…②v…　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（2019）第230328号

编　　著　张晨璐　vivo通信研究院

责任编辑　李强

责任印制　杨林杰

人民邮电出版社出版发行　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

固安县铭成印刷有限公司印刷

开本：720×1000　1/16

印张：35.75

字数：632千字

2020年1月第1版

2020年1月河北第1次印刷

读者服务热线：（010）81055493　印装质量热线：（010）81055316

反盗版热线：（010）81055315

内容提要

本书主要介绍3GPP R15 5G系统设计中涉及的关键技术和对应的国际技术标准，主要内容涉及物理层、接入网高层（MAC层、RLC层、PDCP层、SDAP层和RRC层）、接口（Xn、N2等）和核心网技术。为了降低5G学习门槛，本书引入大量技术间、系统间和协议层间的整理和分析，给读者一个端到端、全程、全网的系统视野。本书每部分的论述既自成体系又前后呼应，而对于技术本身的描述也不单单阐述技术“是什么”，还思考了“为什么”；同时还将单点技术放在系统中进行端到端的打通，使读者可以全方位地理解和系统性地思考，建立系统观概念。

本书的读者对象可覆盖通信领域研究、开发、系统设计、网络运营等相关人员，同时，本书也可供高等院校通信及相关专业的师生参考。

致谢

首先要感谢我的家人，是他们的鼓励和支持使我在工作之外有时间完成本书。将此书献给我的两个可爱的宝宝，希望这本书中包含的爸爸的激情、勇气和精神能够为他们的成长注入动力。

感谢维沃移动通信有限公司（vivo）的大力支持，公司重视技术研究和人才培养，在写作过程中也给予了我各方面的资源支持。

最要感谢的是“vivo通信研究院”的小伙伴们。

感谢在本书撰写过程中提供技术支持的深圳通信研究院的小伙伴们：周帅、刘思綦、张艳霞、彭淑燕、王文、郑倩、梁敬、纪子超、莫毅韬、刘是枭、姜炜等。

感谢以下参与本书技术校准和完善的部门的其他同事。

RAN1：潘学明、沈晓冬、纪子超、孙晓东、Rakesh Tamrakar、孙鹏、姜大洁、姜蕾、李灿、施源、刘思綦、李根、鲁智、吴凯、曾超君、李娜、彭淑燕、陈晓航等。

RAN2：杨晓东、鲍炜、郑倩、陈力、吴昱民、张艳霞、梁敬、莫毅韬、刘佳敏等。

RAN3：Kimba Dit Adamou Boubacar等。

SA/CT：柯小婉、康艳超、王文等。

RAN4：冯三军、周帅、林辉等。

正是因为有这些长期奋斗在3GPP标准化“战场”的技术专家们的支持，才保证了本书技术上的严谨性和权威性。本书谨献给长期奋战于3GPP标准研究的人员和即将“奉献”于标准化事业的新鲜血液。

序1

2019年被称为5G元年，按计划将在2019年完成支持5G系统商用的基础标准集，年内有望提供商用的系统设备与终端。韩国、美国的部分运营商已宣布开始提供5G宽带业务，更多的运营商也做好了准备；中国的5G商用脚步也越来越近。5G的热度比4G商用前高得多，信息技术领域的企业将5G商用带来的产业空间与市场视为十年一遇的难得机会，由于5G从面向消费应用扩展到面向产业应用，每一个行业都认为不能错过5G时代，传统产业对5G的高度关注是4G时代无法比拟的。

5G元年催生了不少介绍5G的科技书籍，为5G的商用暖场，对我国5G的研发和产业的发展起到积极的作用。这些5G的书籍各有特色，但也有不足，有的专注某单项技术，有深度但欠宏观；有的定位于5G原理性介绍，浅出但缺深耕。正如生活要丰富多彩，5G书籍的类型也需要满足不同层次的读者的需要。

5G产品和业务应用研究开发企业的青年科技人员希望对5G的标准有一个准确的把握，但又希望跨过阅读较为生涩的标准条文门槛；一些传统产业的技术人员关心5G在该行业的应用，希望5G的书籍既通俗又不失专业性。本书内容兼顾上述两个方面，用比喻和比较的写法降低了解5G系统的难度，从通信全程全网的视角扩展对5G系统了解的广度，循序渐进地挖掘5G系统的深度，充实系统知识的厚度。本书的内容覆盖5G大量标准，标准通常会提出应该达到的技术要求，但往往不会解释为什么要有这些要求，而本书作者及其团队积累多年对5G标准化的研究心得和开发5G产品的实践体会，对标准融会贯通，将他们对这些标准因何而来以及标准间关联性的理解通过本书传递给读者。本书在介绍一些关键的技术后，引入系统观的简要归纳，引导读者将该技术的细节提高到全局去认识。本书层次清晰、特点鲜明、图文并茂、语言流畅，适合对5G感兴趣的年轻学子阅读，也适合作为相关专业的教学参考书。

邬贺铨
中国工程院院士

序2

开始拿到书稿，粗略翻看几页，我很快被其中的内容吸引。本书中系统观的视角、端到端的对5G技术的洞察、严谨而不失风趣的论述、深入浅出的技术探究，无不让我眼前一亮。透过文字，我可以深刻感受到作者的写作激情和行文的用心与认真。

近年来，5G成为全球的热点，承载了太多的期望，在业界的高歌猛进和政府以及媒体的推动下快速成长，短短两三年时间已经完成了从愿景到标准规范的蜕变。在如此快节奏的技术迭代中，如何把握5G技术的核心、深刻地理解5G技术的实质、知晓5G的技术细节、透过技术演进获取规律和灵感，都是摆在通信技术人员面前的难题。而本书，恰恰尝试回答以上难题，尝试为广大科研技术工作者提供参考和答案。纵观全书，作者首先从通信的演进和驱动力写起，回顾了4G技术带来的经验和启示，然后从宏观、微观多角度入手系统地阐述5G的协议架构和功能，包括整体网络架构、射频、物理层核心技术、高层协议和流程、核心网等。每部分的论述既自成体系又前后呼应，而对于技术本身的描述也不单单阐述技术“是什么”，还思考了“为什么”，同时将单点技术放在系统中进行端到端的打通，使读者可以全方位地理解和系统性思考。本书的结尾部分还进行了提纲挈领式的系统观全局梳理，使读者可以从更高的角度来审视技术全局。

作为全程参与5G国际标准制定，并有幸主持部分功能设计的一名长期奋战在3GPP的技术研究人员，阅读本书使我联想到Ray Dalio在《原则》一书中提到的“更高层次的思考”，非常感谢作者可以提供这样一本“宝典”，把纷繁复杂而又枯燥的技术生动而又清晰地呈现在我们面前。建议从事和想要从事移动通信技术研究和标准化工作的技术人员认真阅读本书，你将获益良多。

胡南
3GPP RAN2副主席

序3

接到邀请为本书写序的电话，我从心底里为曾经一起奋斗的兄弟感到高兴。回想起一起组建国内第一支终端公司标准化团队的经历，我为作者在技术上一步步地成长感到欣慰，作者希望让更多通信乃至非通信从业人员理解和运用5G技术的激情和良苦用心让我很感动。

2019年，5G无疑是中国乃至世界的热点之一。5G的研究、标准化、测试和商业化的过程，给我们这一代通信人提供了一个成长和参与国际合作的千载难逢的机遇，也使我国通信技术经历了从1G空白、2G跟随、3G突破、4G并跑发展到5G引领的涅槃过程。作为一名通信人，我深深地为能参与到这一伟大事业感到自豪和骄傲。在5G商用如火如荼地展开之际，如何使通信行业的一线技术人员既能了解5G的整体全貌，又能抽丝剥茧，理解5G的设计思想、技术演进路线并掌握其中的技术细节；如何通过5G技术的学习，使传统行业的决策者和技术人员真正理解5G在数字化转型过程中的重要作用并充分利用；如何使互联网技术人员了解无线技术的脉络和核心理念，更好地实现通信和互联网技术的融合发展，是整个5G商业化过程中面临的重要问题。本书的作者和编写团队有长期在3GPP无线标准化一线工作的经验，作者更是长期积极从事企业技术培训工作，对如何快速、通俗地阐述和解释较为复杂的无线系统原理和技术，并形成“系统观”有较多的心得。作者在行文中也充分发挥了这一优势，使包括初学者在内的读者能在轻松、愉快的氛围下由浅入深地理解和掌握5G技术。

本书既可以供希望了解5G技术尤其是3GPP标准化技术的学生、教师学习和研究之用，又可以成为企业中无线技术标准化人员了解目前的标准进展的工具书，以便更好地进行新版本的标准化工作，还可以让非通信行业的人员快速地从整体上深入理解5G通信技术。学习和应用5G技术，促进5G的商业落地，需要包括通信人在内的多行业人员的跨界融合和深度协同，希望本书的出版能够吸引更多的技术中坚力量，助力我国5G的商业化落地和6G技术的研究。我想，这也是包括作者在内的通信人普遍的心声。

张云飞
腾讯未来网络实验室主任
国家“万人计划”专家

序4

2019年是5G商用元年，是通信产业跨越式发展的一个契机，与5G相关的公司都紧锣密鼓地投入5G产品的研发生产工作，不管是终端厂商还是基站网络设备厂商。新一代技术的诞生需要相应的人才支撑，因此，快速培养5G技术人才成为行业的需要，本书的出版及时地填补了5G教材缺乏的空白。

作者是一位资深的通信标准专家，深度参与了研究4G、5G标准的工作。出于人才培养的需要，作者撰写了许多5G教程，在企业内开展了大量的培训，获得了良好的培训效果。作者总结自己学习成长的心路历程，把5G通信技术深入浅出地带给读者，既有全局概览，又能深入细节，语言通俗易懂，使初学者能看到通信行业的历史变迁、技术演进的来龙去脉。对于从业人士，本书也是一本不可多得的参考书，他们可以轻松查看需要的技术细节。

我将本书推荐给所有通信技术爱好者，希望读者能从这本书中汲取精华，一起助力通信产业的发展！

施玉坚
首席技术官

前言

移动通信系统是一个极为庞大而复杂的系统，记得刚参加工作的时候，我参与了3GPP R10 Mobile Relay的标准化研究工作，在紧凑的3GPP标准化节奏中“痛苦”地进行了两年的学习。虽然这两年来对移动通信的理解有很大的提升，但仍然感觉自己像“盲人摸象”一般，只知局部而无法掌握全貌。

为了让自己对通信系统有更加深入的理解，在之后的两年时间里，我自告奋勇地参与了系统级仿真平台的开发工作，一边写代码跑仿真，一边写提案和专利参与3GPP eIMTA（动态TDD）技术的标准化研究工作。与此同时，也承担了部分LTE基站产品的高层系统设计工作。就在这个痛苦而奋斗的过程中，我对整个移动通信系统的认知逐渐得到提高。

在这个成长的过程中，作为一名通信工程师，我逐渐发现“系统观”的重要性。所谓的通信系统“系统观”，笔者认为就是对组成通信系统的各个功能实体、各个协议层和流程的整体、全面、贯通性的理解。通过梳理各个实体和协议层的功能和联系来实现对通信系统设计理念的领悟。

看到这里可能有人会有疑问：“做人要本分，做技术不是要专精吗？”

这里需要解释的是，系统观，并非要求我们要做到样样精通、面面俱到，对于一个普通的技术人员来说，做到样样精通，无论是时间还是知识背景都是不太可能实现的，对所从事的技术岗位来说往往也是没有必要的。

所谓的系统观，是希望研究人员除了专注于本职领域之外，适当地将知识体系扩展到和本职领域相关的其他领域。例如，一名物理层研究工程师，如果具备了对L2和射频系统的基本理解，那么就可以站在系统的高度，在对本领域设计要素进行技术研究的同时，充分考虑相关领域的原理和需求，设计出更加合理、更加高效的系统。

正是这种对系统观的体会，使我有了写点儿东西的想法。

写这本书的最初目的是自我学习以及新员工培训。一次偶然的机会，我冒出了一个“疯狂”的想法：为何不将“整理”进行到底，写一本书，用“系统观”的思维去影响更多的人呢？

当然，平心而论，我从来不认为自己是技术专家（实际上我也确实不是），但因为长期兼职企业内部培训的原因，对自己的学习能力和总结整理能力还是充满了信心。于是，就凭借这股仍然保持在内心的固执和激情，我开始了几个月的漫长的写作之路。

在这本书的撰写思路上，我坚持以下几个原则。

第一，坚持“系统观”概念的总结和整理。笔者在全书中利用穿插的【系统观】形式来进行系统观的整理和归纳，将跨协议层内容进行横向、纵向的整理和归纳，以帮助读者梳理系统的观念。

第二，坚持“以用户的角度”去组织逻辑。本书在描述方式上，尽可能地站在读者的角度展开描述，比如在“物理层”章节将枯燥的物理层技术和过程归纳为“从开机到初始接入”“从业务触发到数据传输”来进行描述，使读者可以将技术和旧知识相关联起来。

第三，尽可能用通俗的语言来表达复杂的理论。这一点集中表现为全书绘制的300多个技术插图和100多个表格。“文不如表，表不如图”是作者在培训工作中总结出来的法宝。大量的图表可以将晦涩的协议更加生动、直观地呈现并加速和加深理解。

万事开头难，我试着将这十余年来标准研究的经验和领会一点一点地记录下来。遇到不懂的技术内容就翻协议、找资料重新学习，并与研究相应技术的同事进行讨论。在这个过程中，我获得了很多人的帮助和支持。

由于笔者水平有限以及时间仓促，书中出现的错误和不严谨之处在所难免，敬请广大读者和同行专家批评指正，本书作者邮箱为xitongguan_5G@qq.com，欢迎交流和指导。本书将赠送相关的配套资源，读者可以加作者Q Q（2774078554）进行交流与获取。

闲言少叙，开卷有益！

作者

第1章 通信的演进与驱动力

说起通信，我相信现代人都不会对其感到陌生。现代生活的方方面面，无不与通信有着千丝万缕的联系。可以想象一下，如果我们的世界突然之间缺少了通信，那会是一个多么无法想象的场景！但“通信”这个熟悉又陌生的“家伙”到底是什么呢？它从何而来？又会朝何处而去呢？本章，我们将从通信的发展历史说起，一起看看从古至今通信缓缓而来的脚步，从而从历史发展的轨迹中，领悟一些通信发展的“规律”。当然，受限于笔者的知识背景和能力，这样的“领悟”希望可以达到抛砖引玉的作用！

1.1 通信的前世今生

历史的车轮总是无情地、永不停息地碾压着历史中的种种“过客”。就拿“通信”这个词来说，也许倒回去20年，那还是一个由有线电话、BP机“统治”的时代，那时的人们也许万万没有想到，在后续短短20年间，通信的方式和能力竟可以发生如此翻天覆地的变化。如果现在再提起“通信”二字，估计在我们脑海里首先跳出来的大概就是手机了，再或是诸如5G、车联网、工业物联网这样的网络热搜词汇。

虽然逝者如斯，但无论是出于对过往的尊重，还是出于对“知古而鉴今”的考量，我们都应该认真地审视一下“通信”一路走来的岁月，也许这种审视将有利于我们更加准确地展望未来，理解本书的主题—5G。

“通信”这个词古老而又充满着现代的气息，如果真的要深究一下，它的历史完全可以追溯到几千年前。在本书中，我们将通信史大致划分成3个阶段（如图1-1所示）。

• 古代通信：大约从2700年前以“烽火台”的发明算起，一直延续到1835年电报的发明。

• 近代通信：从1835年摩尔发明第一台电磁式电报机算起，通信步入了“电”的时代并一直延续到20世纪80年代。

• 现代通信：从20世纪80年代起，通信步入了“移动”的时代，在这个时代，能人辈出，一系列的移动通信系统孕育而生。

在每个时代，“通信圈”发生过什么故事？下面我们再仔细地审视一下通信发展的整个历史，看看能否从中梳理出一些规律和方向。

1.1.1 古代通信：一切靠“吼”的时代

我们的话题就从古代说起吧，大概是在2700多年前的周朝，我们的老祖宗发明了一种用来传递军情、防止敌军滋事的东西—烽火台。烽火台的原理太容易理解了：建筑一个足够高的高台，敌人来犯时，白天施烟，夜间点火，以此来实现信息的远距离传输，如图1-2所示。

读到这里，可能很多人会有疑问，烽火台难道也是一种通信方式吗？答案是肯定的。我们来看一下信息论的鼻祖香农对信息的定义：信息是事物运动状态或存在方式的不确定性的描述。怎么理解呢？

简单地说，信息描述的是事物的不确定性，信息是用来减少随机不确定性，也即确定性的增加。回到烽火台这个场景，“敌人今天来不来”就是不确定性，而“敌人来犯”就是消除了“可能来犯”与“可能不来犯”之间的不确定性。因此，从这个角度来看，烽火台的狼烟就是信息的一种表达方式，烽火台完全可以被看作是一种原始的通信方式。

当然，古人的智慧远非仅仅如此，古代的传讯方式除了烽火台还有很多。比如2000多年前的春秋时期，公输班和墨子发明的“风筝传讯”、三国时期诸葛亮发明的“孔明灯”，还有“击鼓传声”“飞鸽传书”、旗语等。

为了更加清晰地理解这些通信方式的特征，我尝试用现在通信的角度来分类理解这些“古人的智慧”，见表1-1。

先来看看烽火台，它的信息传播媒介就是狼烟，或者说是通过光来传播的，它传播的信息—“敌人来了”，任何人看到之后都可以知道其含义，所以从这个角度来看，烽火台是一种广播式的通信，没有任何加密（任何人都知道狼烟的含义）和鉴权（无法鉴别接收方是友人还是敌人）。狼烟和火光显然会受到天气，比如风和雨的影响。烽火台信息传输距离可以非常远，如果考虑烽火台之间的中继，可以达到几百千米的距离，但这个过程可能非常漫长，从遥远的边疆传播出来，估计需要几十天的时间！

风筝传讯、击鼓传声、孔明灯以及旗语显然比烽火台要“先进”一些，与烽火台相同的是，它们都是广播式的通信，会受到天气、声音、光线的干扰；但与烽火通信不同的是，我们可以利用一些“编码”技术对所传的信息进行“加密”。比如，我们放绿色风筝和红色风筝的含义完全可以由信息的传输者和接收者约定而成，对于其他人就是不可知的，但同样无法实现对接收者的识别。因此，这些通信方式是有加密但无鉴权的通信方式。

我们再来看看古代通信的最高级形式—书信。显然它比其他的通信形式要高级很多。比如，书信可以实现一对一的通信（单播），传输的距离可以达到几十、几百甚至几千千米，而且文字还可以通过加密实现保密通信，所以书信可以说是一种可加密、可鉴权的“高级”通信方式。很有意思的是，书信甚至还具有“路由”机制，比如邮递员可以选择书信投递的路线避开拥堵，选择最佳的方式投递。“飞鸽传信”可以看作是书信的升级方式，提升的是速度，但也引入了干扰（有时候一根箭矢都可以阻断通信）。

上面的分析显然是“戏谈”，但无论如何，我们都可以从中得到古代通信方式的一些显著的特征：

• 速率低；

• 抗干扰能力弱；

• 传输距离较短；

• 保密性弱。

这些显著的特征正是人们在以后几百年、几千年中通信技术努力的方向以及动力。

1.1.2 近代通信：给通信插上“电”的翅膀

跨越上千年的时光，时间终于来到了19世纪。在这上千年的时光里，通信技术并没有发生多大的变化，书信仍然是我们日常通信的主要手段。但随着19世纪各种基础科学的启蒙和飞速发展，通信技术也迎来了飞速的发展。

标志性事件是电报的出现。

1835年，美国雕塑家、画家、科学爱好者塞缪乐·莫尔斯（Samuel Morse）成功地研制出世界上第一台电磁式（有线）电报机。此外，他还发明了莫尔斯电码，利用“点”“划”和“间隔”可将信息转换成一串或长或短的电脉冲传向目的地，然后转换为原来的信息。

电报实现了“通信”与“电”的完美结合，成为开启一个时代的号角。在后续短短的一百多年间，通信技术借助快速发展的物理学、计算机科学展现出勃勃生机。

我们来看看这一百年间有哪些伟大的人和伟大的事情。

1. 启蒙期：从无到有的时代

• 1835年，塞缪乐·莫尔斯发明电报。

• 1843年，美国物理学家亚历山大·贝思发明了传真。

• 1875年，亚历山大·贝尔发明了世界上第一台电话机。

• 1878年，美国在纽黑文开通了世界上最早的磁石式电话总机（也称交换机）。

• 1901年，意大利工程师马可尼发明火花隙无线电发报机，成功发射穿越大西洋的长波无线电线号。

• 1906年，美国物理学家费森登成功研究出无线电广播。

• 1933年，法国克拉维尔建立英法之间的微波无线电线路。

• 1930年，发明超短波通信。

• 1935年，发明频分复用技术。

• 1947年，发明大容量微波接力通信。

2. 成长期：理论到实践的时代

• 1948年，克劳德·艾尔伍德·香农发表《通信的数学理论》。

• 1956年，建设欧美长途海底电话电缆传输系统。

• 1957年，发明电话线数据传输。

• 1959年，美国的基尔比和诺伊斯发明了集成电路，从此微电子技术诞生了。

• 1962年，地球同步卫星发射成功。

• 1964年，美国Tand公司的Baran提出了无连接操作寻址技术。

• 1969年，美军ARPAnet问世。

• 1972年，发明光纤。

这个时代里能人辈出，当然，我们真说不清楚是“伟人造就了时代，还是时代造就了伟人”，但有一点是可以肯定的，那就是如果没有他们的出现，本书所讲述的5G时代，也许将迟来很久。下面就让我们一一认识一下这些改变时代的前辈。

如图1-3所示，亚历山大·格拉汉姆·贝尔（Alexander Graham Bell，1847年3月3日—1922年8月2日），美国发明家、企业家。

1875年，苏格兰亚历山大·贝尔发明了世界上第一台电话机。1878年在相距300 km的波士顿和纽约之间进行了首次长途电话实验，并获得了成功，他把人们想要传递的信息以3×105 km/s的速度传向远方，是人类信息史上划时代的创举。后来就成立了著名的贝尔电话公司（AT&T公司的前身）。此外，他还制造了助听器；改进了爱迪生发明的留声机；对聋哑语的发明贡献甚大。1881年，他为了发现美国总统詹姆斯·艾伯拉姆·加菲尔德（James Abram Garfield）体内的子弹设计了一个检验金属的装置，它成为X光机的前身。他还创立了英国聋哑教育促进协会。

如图1-4所示，克劳德·艾尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon，1916年4月30日—2001年2月26日）是美国数学家、信息论的创始人，1940年在麻省理工学院获得硕士和博士学位，1941年进入贝尔实验室工作。

香农提出了熵的概念，为信息论和数字通信奠定了基础，主要论文包括1938年的硕士论文《继电器与开关电路的符号分析》、1948年的《通信的数学理论》和1949年的《噪声下的通信》。

如图1-5所示，尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla，1856年7月10日—1943年1月7日），塞尔维亚裔美籍发明家、机械工程师、电气工程师。他被认为是电力商业化的重要推动者之一，并因主持设计了现代交流电系统而广为人知。在迈克尔·法拉第（Michael Faraday）发现的电磁场理论的基础上，特斯拉在电磁场领域有着多项革命性的发明。他的多项相关专利以及电磁学的理论研究工作是现代无线通信和无线电的基石。

伟大的人总是可以造就一个时代！通信技术也正是因为有了这些伟大的前辈，才插上了“电”的翅膀。通信从需要几天甚至几十天的等待，变为了“弹指一挥间”的瞬间，虽然缺少了“烽火连三月，家书抵万金”中因为等待而造就喜悦，但实实在在地带来了效率和生活方式的转变。

1.1.3 “移动”给通信带来新生

光阴似箭，时间到了19世纪。随着一系列通信理论和物理学理论的成熟，通信技术终于迎来了“移动”的时代。

真正现代意义上的移动通信技术要追溯到19世纪20年代初期。1928年，美国Purdue大学的学生发明了工作于2 MHz的超外差式无线电接收机，并很快在底特律的警察局投入使用，这是世界上第一种可以有效工作的移动通信系统；20世纪30年代初，第一部调幅制式的双向移动通信系统在美国新泽西的警察局投入使用；20世纪30年代末，第一部调频制式的移动通信系统诞生，试验表明调频制式的移动通信系统比调幅制式的移动通信系统更加有效。在20世纪40年代，调频制式的移动通信系统逐渐占据主流地位，这个时期主要完成了通信实验和电磁波传输的实验工作，在短波波段上实现了小容量专用移动通信系统。这种移动通信系统的工作频率较低、话音质量差、自动化程度低，难以与公众网络互通。

从20世纪60年代中期到70年代中期，美国推出了改进型移动电话系统，它使用150 MHz和450 MHz频段，采用大区制、中小容量实现了无线频道的自动选择及自动接入公用电话网。20世纪70年代中期，随着民用移动通信用户数量的增加、业务范围的扩大，有限的频谱供给与可用频道数要求递增之间的矛盾日益尖锐。为了更有效地利用有限的频谱资源，美国贝尔实验室提出了在移动通信发展史上具有里程碑意义的“蜂窝”概念，它为移动通信系统在全球的广泛应用开辟了道路。

20世纪80年代，基于“蜂窝”概念的模拟移动通信系统实现了大规模商用，这可以被认为是真正意义上的第一代（1G，the First Generation）移动通信系统。1G由多个独立开发的系统组成，典型的代表有美国的高级移动电话系统（AMPS，Advanced Mobile Phone System）和后来应用于欧洲部分地区的全接入通信系统（TACS，Total Access Communication System），以及Nordic移动电话（NMT）等，它们共同的特点是采用了频分多址（FDMA，Frequency Division Multiple Access）技术，模拟调制语音信号。

移动通信发展路线如图1-6所示。

第二代（2G，the Second Generation）移动通信系统基于时分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）技术，以传输语音和低速数据业务为目的，因此，又被称为窄带数字通信系统，其典型代表是美国的数字化高级移动电话系统（DAMPS，Digital AMPS）、IS-95和欧洲的全球移动通信系统（GSM，Global System for Mobile Communication）。其中，GSM由欧洲电信标准化协会（ETSI）制定，该技术使全球范围的漫游首次成为可能。这一阶段的移动通信主要提供的服务仍然是以语音和低速数据业务为主，但由于网络的发展，数据和多媒体通信的发展势头很迅猛，所以逐步出现了以移动宽带多媒体通信为目标的第三代移动通信系统。

让我们来看看2G系统相对1G的一些主要特征。

1. 相对1G的改进：模拟通信→数字通信

• 语音信号数字化处理压缩带来容量上收益。

• 对语音和控制信号进行加密，增强安全性。

• 催生了诸如短信等新业务的展开。

2. 特点

• 保密性强。

• 频谱利用率高。

• 提供丰富的业务（如低速率的数据业务）。

• 标准化程度高。

• 支持全球漫游。

随着当时全球化思维的发展，各种全球化或区域的研究机构、标准化技术孕育而生。例如，于1988年成立的ETSI，以及1998年成立的3GPP（3rd Generation Partnership Project），它们为后续移动通信技术的发展注入了全球化的动力。

在这种全球化思想的影响下，20世纪90年代在2G系统蓬勃发展的同时，在世界范围内已经开始了针对第三代（3G，the Third Generation）移动通信系统的研究热潮。3G最早由ITU（国际电信联盟）于1985年提出，1996正式命名为IMT-2000（International Mobile Telecommunication-2000），意为该系统工作在2000 MHz频段、最高业务速率可达到2000 kbit/s。3G的主要通信制式包括欧洲、日本等主导的宽带码分多址（WCDMA，Wideband Code Division Multiple Access）、美国的cdma2000和中国提出的TD-SCDMA。其中WCDMA和TD-SCDMA由目前对移动通信发展最有影响力的组织3GPP完成标准化制定，而cdma2000由3GPP2（3rd Generation Partnership Project 2）完成标准化制定。

3G下行速率的峰值理论可达3.6 Mbit/s（也可能为2.8 Mbit/s），上行速率的峰值也可达到384 kbit/s。

3G相对2G的主要特点如下。

1. 相对2G的改进：TDMA→CDMA

• 进一步提高了数据通信的安全性。

• 催生了多媒体业务的发展。

2. 特点

• 能够同时传送语音及数据信息，速率一般在几百千比特每秒以上。

• 实现实时视频、高速多媒体和移动互联网的业务访问。

• 扩大高质量语音业务容量。

虽然3G技术很好地实现了多媒体数字通信的既定目标，但人们并没有因此而止步。3GPP在进行3G的演进研究工作和标准化的同时，继续承担了4G LTE/LTE-A（Long Term Evaluation/Long Term Evaluation-Advanced）的研究和标准化工作。

第四代移动通信技术（4G，the 4th Generation Mobile Communication Technology）的主要代表是由3GPP完成标准化的LTE/LTE-A系统。LTE于2004年12月在3GPP多伦多会议上正式立项并启动。LTE系统引入了正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）和多输入多输出（MIMO，Multi-Input & Multi-Output）等关键技术。LTE技术相比3G技术，系统性能得到了大幅提升，其用户体验速率可达到10 Mbit/s，峰值速率达到1 Gbit/s；支持350 km/h的高速移动以及0.1 Mbit/s·m-2和105/km2的流量密度，并可实现最低10 ms的空口时延。

4G相对3G的主要特点如下。

1. 4G相对3G的改进：CDMA→OFDMA

• 基于全IP分组交换网络。

• 低速和静态传输速率达到1 Gbit/s，高速移动状态下达到100 Mbit/s。

• 提供高品质的QoS，支持新一代的多媒体传输。

2. 特点

• 不支持传统的电路交换的电话业务，而是全互联网协议（IP）的通信。

• 通信速率快、网络频谱宽、频率效率高、通话质量高、费用便宜。

• 支持FDD和TDD两种制式。

• 实现了移动通信和WLAN的融合。

在这里需要注意的是，虽然在笔者撰写此书时（2018年12月），5G的第一个标准版本刚刚发布不久，商业化进程正如火如荼，但5G的繁荣并不意味着4G的时代已经过去。正如2018年GSMA的预测，在后4G时代或者说5G时代，4G技术仍然会爆发其强大的生命力。经过演进的LTE系统（ng-eNB，如本书后面章节的介绍）仍然会和5G一起构建下一代移动通信世界。

移动通信技术份额预测（2018 GSMA）如图1-7所示。

5G时代是什么样子的，我们拭目以待！我们也将在本书的后面章节基于3GPP最新发布的5G国际标准，给大家揭示5G时代！

1.2 通信“进化论”

在1.1节中，我和大家一起简单地回顾了通信技术的发展历史，也许有人会问，这种回顾有什么意思呢？我们并非“为回顾而回顾”，而是希望从这种回顾总结中，找到一些规律性的东西，以指导我们对未来通信技术发展的认知。在本节中，我们就来看看从通信发展史中我们可以得到一些什么样的启示。

通信技术是如何“进化”而来的呢？在“进化”的过程中受到什么影响、动力是什么？为了更好地理解这些问题，我们来看看大家熟知的进化论—达尔文的生物进化论。

如图1-8所示，查尔斯·罗伯特·达尔文（Charles Robert Darwin，1809年2月12日—1882年4月19日），英国生物学家，进化论的奠基人。曾乘坐贝格尔号舰进行了历时5年的环球航行，对动植物和地质结构等进行了大量的观察，出版了《物种起源》这一划时代的著作，提出了生物进化论学说，从而摧毁了各种唯心的神造论和物种不变论。除了生物学外，他的理论对人类学、心理学、哲学的发展都有不容忽视的影响。恩格斯将进化论列为19世纪自然科学的三大发现之一。

达尔文的进化论相信大家都比较熟悉，我们来回顾一下达尔文进化论中的一些主要观点：

• 基因突变为生物进化提供进化材料；

• 自然选择主导着进化方向；

• 隔离是物种形成的进化温床；

• 不断适应环境和问题是物种进化的客观动力。

我相信，与生物进化的原理类似，世界万物的进化和演进都有其内在的规律和推动力，通信技术的演进也是如此。接下来，我们就用达尔文的思维来看看通信是如何演进的。

1.2.1 通信技术“进化”的材料：基础科学的进步

我们在回顾通信技术的发展历史时，有些读者可能已经发现这样一个现象：通信技术的每一次飞跃，都建立在一些基础理论的重大革新之上。

我们首先来看看物理学和通信学之间的关系。

近代通信的发展和物理学，特别是电磁辐射理论与电磁感应理论的发展息息相关，在18世纪，正是因为电磁学的发展使通信插上了“电”的翅膀，而这个时期的标志性事件就是1835年莫尔斯发明的电报。

在这段岁月里，物理学领域发生了很多重要的事件。

1820年，汉斯·奥斯特发现电流的磁效应。鉴于这一技术应用前景，一大批，特别是法国的物理学家立即涌入这一新领域，两年时间内就奠定了电动力学的基础。

• A·安培发现同方向电流相互吸引，反方向电流相互排斥，并提出电使磁偏转的方向法则，特别是创立了二电流元之间相互作用的安培定律。

• 让·巴蒂斯特·毕奥和菲利克斯·萨伐尔同时表述了单一电流线元的磁作用定律。

• 1826年，乔治·西蒙·欧姆建立了电阻定律，清楚地区分电动势、电势梯度、电流强度的概念，并为导电率的概念打下基础。

• 在发现电流的磁效应的激励之下，迈克尔·法拉第通过一系列实验，终于发现了磁感生电流的效应，并于1831年建立了法拉第电磁感应定律。

电流磁效应的发现开辟了电应用的新领域，也为电报的发明奠定了理论基础。

• 1833年约翰·卡尔·弗里德里希·高斯和克里斯·韦伯制造了第一台简陋的单线电报。

• 1835年惠斯通和莫尔斯分别独立地发明了电报，莫尔斯还发明了一套电码，利用他所制造的电报机，可以通过在移动的纸条上打上点和划来传递信息。

• 1855年汤姆逊（开尔文）解决了水下电缆信号输送速度慢的问题，1866年按照汤姆逊设计的大西洋电缆铺设成功。

• 1854年，法国电报家布尔瑟提出用电来传送声音的设想，但未变成现实，后来，赖斯于1861年试验成功。

• 1861年贝尔发明了电话，作为收话机，它仍用于现代，而发话机则被托马斯·阿尔瓦·爱迪生发明的碳发话机以及休士发明的传声器所改进。

再来看看数学和通信学之间的关系。

近代通信的另一个标志性事件就是1948年香农提出了信息论，建立了通信统计理论。正是因为这个理论，模拟通信向数字通信发展：1950年，时分多路通信应用于电话系统；1951年，直拨长途电话开通；1956年，铺设越洋通信电缆；1957年，发射第一颗人造地球卫星；1958年，发射第一颗通信卫星；1962年，发射第一颗同步通信卫星，开通国际卫星电话；脉冲编码调制进入实用阶段；20世纪60年代彩色电视问世；阿波罗宇宙飞船登月；数字传输理论与技术得到迅速发展；计算机网络开始出现；1969年，电视电话业务开通。

看到这里，我们已经看到了通信学和基础学科之间的紧密关系。

通信技术的发展与众多基础学科（如物理学、数学）的发展是一个相互依赖的过程。整个物理学的发展为通信技术的诞生与发展提供了一个强大的平台，包括通信技术能用到的物理理论和实验技术。而通信技术本身的发展又为物理学起着修复与推进作用，通信技术也以物理学为基础而发展，同时创新新的技术和开辟新的领域。

换成达尔文进化论的语言来描述就是：物理学、数学、计算机科学、材料科学是通信学发展演进材料。

1.2.2 通信技术“进化”的温床：研究和标准化组织

如果你仔细阅读了1.1.3节，你会频繁地看到一些通信技术研究和标准化组织的身影，比如制定GSM的ETSI；制定全球移动通信技术KPI的国际电信联盟（ITU）；制定WCDMA、TD-SCDMA和LTE的3GPP（现在的5G标准也由该组织制定）以及制定CDMA、cdma2000的3GPP2。这些标准化组织的诞生无疑为现代通信技术的发展贡献了重要的力量。

当然，可能很多读者并不了解这些标准化组织到底是做什么的，为什么说它们对通信技术的发展贡献了很重要的力量？

本节我们以目前最有影响力的国际标准化组织3GPP为例，来介绍一下它们的组织结构和工作内容。

3GPP成立于1998年12月，是目前全球范围内最具有影响力的移动通信技术国际标准化组织。3GPP最初的工作范围是为第三代移动通信系统制定全球适用的技术规范和技术报告，但随着通信技术的发展，3GPP先后制定了包括WCDMA、TD-SCDMA、LTE、LTE-A和5G在内的主流移动通信全球标准。

3GPP以会员为单位来开展技术讨论和标准的制定。会员分为组织会员、市场代表会员和个体会员3种类型。

• 组织会员是指区域性的官方标准化组织。3GPP现有的组织会员包括欧洲电信标准化协会（ETSI）、日本无线工业及商贸联合会（ARIB）、日本电信技术委员会（TTC）、韩国电信技术协会（TTA）、美国电信行业解决方案联盟（ATIS）、印度电信标准开发协会（TSDSI）和中国通信标准化协会（CCSA）。

• 市场代表会员是指各种非官方标准化组织，如GSM协会、UMTS论坛、IPv6论坛、TD论坛。

• 个人会员是指以公司身份加入的独立会员。

截至目前（2018年11月），3GPP共拥有个人会员627个，几乎囊括了全球范围内所有的通信相关的公司，包括测试仪器仪表、芯片供应商、网络设备供应商、终端厂商和运营商等。

3GPP的研究工作以个人会员参加工作小组研究活动的形式开展。3GPP标准化组织由3个技术规范工作组组成，分别是TSG CT（核心网与终端标准组）、TSG RAN（无线接入网标准组）、TSG SA（业务与系统标准组）。每个工作组又分为若干个工作小组，如图1-9所示。

3GPP组与组之间独立地开展技术讨论，每个组分别负责不同层面的技术规范的制定工作，但由于大部分技术都涉及多个层面的协同设计，因此，虽然独立开展工作，但组与组之间相互协同，从而完成整个复杂系统的设计。

3GPP保持了非常严谨的工作流程和方式，图1-10给出一个项目从研究阶段（SI，Study Item）到标准制定阶段（WI，Work Item）的工作流程。

技术立项由工作组层面负责，各家会员单位可以通过技术提案的方式向技术组全会提交立项建议，并在全会上进行讨论。通过立项后相关的技术研究将按照项目的需要交由技术小组负责。

项目分为SI项目和WI项目，其中SI项目主要负责对新技术进行可行性研究，最终以技术报告（TR，Technical Report）的形式公开技术成果。但TR并非就是最终的技术规范，而是SI项目的研究成果的汇总。对于完成SI阶段研究并有必要进行标准化制定的项目，会另行立项WI项目，会员单位以技术提案的方式对该技术的各个细节设计提交自己的方案和建议，在大部分会员统一的情况下，形成统一结论并最终完成统一标准技术规范（TS，Technical Specification）的制定。

从上面对3GPP工作方式的介绍可以看出，3GPP是一个以技术研究和标准制定为目标的标准化组织。正是因为3GPP严谨和相对公正的工作方式和流程、非常高的参与度，其制定出来的历代技术规范都得到了非常广泛的市场应用，最终也都被ITU官方认定为全球技术规范。

移动通信技术是否可以获得市场和用户的认可并最终完成技术到产品的商业化落地，受到很多因素的制约。除了必要的技术先进性外，还需要平衡各方利益和诉求，比如对知识产权的需求平衡、对频谱资源的平衡等。20世纪80年代涌现的各类标准化组织，很好地满足了这些需求，共同制定，“雨露均沾”的众筹思想在标准化组织中表现得淋漓尽致。这也是为什么标准化组织的出现对整个通信行业的发展做出不可磨灭的贡献的原因。

换成达尔文进化论的语言来描述就是：标准化组织是现代通信技术发展演进的“进化温床”。

1.2.3 通信技术“进化”的方向和动力：不断涌现的用户需求

最后我们再来看看通信技术“进化”的方向和动力。说到这个话题，我们回顾一下达尔文生物进化论中的相关描述。达尔文在《物种起源》给出了观点，他认为，“自然选择不断淘汰不适应环境的类型，从而定向地改变种群中的基因频率向适应环境的方向演化”“不断适应环境和问题是物种进化的客观动力”。

怎么理解这些话呢？举个可能并不恰当的例子，在当今这个年代，大家都以瘦为美，正是由于人们追求这种“美好事物”的客观需求，导致经过漫长的岁月后，在潜移默化之中，人类的基因就很有可能优先保留“瘦人”的基因，进而影响整个人类的演进和发展。

当然，这仅仅只是一个推测，但万物发展的规律也都是类似的。比如通信系统，与人类进化类似的是，它也受到人类不断变化和涌现的需求影响，朝着不断满足和提高用户需求和体验、不断解决通信系统涌现的各种问题的方向发展。最终推动通信发展演进的客观动力就是“需求”。

换成达尔文进化论的语言来描述就是：用户需求是通信发展演进的客观动力，不断满足用户日益提高的需求并解决当前系统的问题是通信技术发展演进的方向。

在刚刚有了电报的时代，大家觉得这个神奇的东西很方便、很快捷，比书信往来要方便多了。但时间久了，人们又会想，如有一种可以直接传送声音的通信方式就好了，于是有了有线电话。随着时间的推移，人们已经不满足在固定的地方接听电话，电话如果可以摆脱电话线的约束，拿着电话可以自由移动那该多好！于是，有了第一代“大哥大”手机。“大哥大”很气派，但就是体积大、重量大，如果可以轻一点就好了。为了实现这个目标，移动通信工程师们进行了不懈的努力，终于研究出体积更小的数字电话系统GSM。数字通信系统为我们传输数字信息奠定了良好的基础，于是人们又会想，移动电话除了打电话以外，是否还可以做点儿其他事情，比如传输一些文字信息，于是，有了短消息。再到后来，人们的胃口越来越大，手机除了可以传输单调的文字，还可以传输图片、视频……

人们的欲望是无限的，也正是因为这种追求更好的思想，最终推动了通信系统和产业的发展。

1.3 新场景、新思维：5G新愿景

基于前面两节内容的学习，在本节中我们现学现用，用“通信进化论”的思维来看待即将到来的5G时代。

从通信技术发展史我们看到这样一个规律：整个通信技术的发展史就是一部人们不断追求通信能力提升的历史。

从古代通信数十比特/天的通信能力，发展到近代通信数十比特/秒、数十千比特/秒的能力，特别是现代移动通信技术从20世纪80年代被首次提出以来，这短短三十年的发展，将通信能力从K级别提升到G级别，这样的变化速度不可谓不快。

这种通信能力的变化，使产品形态也随之快速变化，而产品形态的变化又孵化了更多的新需求和新欲望，反过来又促进移动通信系统的演进。

图1-11给出了从1G到5G终端形态随技术能力变化的历史。

在1G时代，由于移动通信底层技术只能支持模拟的语音服务，因此，当时的“大哥大”由一个“大砖头”+“键盘”组成，这已经可以满足当时的需求了。但到了2G时代，移动通信跨入数字通信时代，通信网络除了支持数字化的语音业务外，还可以支持低速率的数据服务，比如短消息。也正因为如此，2G手机有了显示屏的需求。再看看3G、4G，移动通信系统的传输能力不断提高，可支持的速率越来越快，可实现更大数据量的图片和视频的传输，显示技术支持越来越丰富的色彩和越来越高的分辨率，正因为如此，手机屏幕从黑白变为了彩色，而且屏幕也越来越大。

5G会是什么样子呢？5G相比4G仅仅是速率的提升吗？

在1.2节我们通过对通信史的回顾，分析了通信技术演进的内在规律。通过分析我们知道“用户需求是通信发展演进的客观动力，不断满足用户日益提高的需求并解决问题是通信技术发展演进的方向”，那么，5G的用户需求是什么，用户需求又会如何影响5G技术发展呢？

在过去的30年里，移动通信经历了从语音业务到移动宽带数据业务的飞跃式发展，不仅深刻地改变了人们的生活方式，还极大地促进了社会和经济的发展。根据中国互联网络信息中心（CNNIC）发布的《2018中国互联网络发展状况统计报告》，截至2017年12月，我国手机上网用户规模达7.53亿，网民中使用手机上网人群的占比由2016年的95.1%提升到2017年的97.5%。可见，移动互联网作为未来移动通信网络发展的主要驱动力之一，为移动通信提供了广泛的应用前景。

随着增强移动互联网时代的到来，我们到底需要一个什么样的网络呢？仅仅是速率的继续提升吗？

答案是否定的！

1.3.1 5G三大典型应用场景

在5G正式标准化之前，学术界和产业界对未来5G新应用场景和技术需求展开了大讨论。通过大量的研究，我们得出如下一些结论。

首先，下一代移动通信技术（5G）如果仅仅实现了速率的提升，并不伴随上层应用的创新，那么，这个数字层面的变化将不再是吸引消费者为之买单的主要因素。

其次，面对垂直行业的蓬勃发展，移动通信网络实现支持多样化的、灵活的业务，是未来移动通信发展的主要方向。

简单的描述就是：速率不再是唯一追求，提供灵活的可定制化服务是未来发展的方向。

经过长期的研究，在学术界和产业界逐渐形成了一个相对比较统一的认识，结合增强移动互联网目前已经露出端倪的应用场景和未来发展，大家认为5G存在三大典型的应用场景，它们分别是：增强型移动宽带（eMBB，enhanced Mobile Broadband）、超低时延和超高可靠通信（uRLLC，ultra-Reliable Low Latency Communications）、海量机器类通信（mMTC，massive Machine Type of Communication）。

1. 增强型移动宽带（eMBB）

多媒体业务无疑是移动通信技术发展的主要推动力。以现在的高清视频业务为例，观看2K视频平均需要移动通信系统提供大概4 Mbit/s的带宽，4K视频则需要18 Mbit/s的带宽，而一个简单的VR视频则需要至少175 Mbit/s的带宽。考虑到现有网络的用户实际体验速率通常会受到不同因素的制约，所以需要更大的网络容量才能支持VR高品质画面的传输。

根据高通发布的《VR、AR：第一波拳头应用》以及华为的《面向VR业务的承载网络白皮书》的研究成果看，一个基本的VR业务大概需要25 Mbit/s的网络带宽需求，而对于完美的VR/AR体验，则需要1 Gbit/s的网络带宽。

在中国IMT-2020发布的《5G网络架构设计白皮书》中提到，“为满足移动互联网用户极致的视频及增强现实业务体验需求，5G系统提出了随时随地提供100 Mbit/s~1 Gbit/s的体验速率的指标要求，甚至在500 km/h的高速运动过程中，也要求具备基本的服务能力和必要的业务连续性。

2. 超高可靠和超低时延通信（uRLLC）

前面我们已经提到，垂直行业孵化出的多样化的业务需求，是未来移动通信发展的重要方向之一。而在垂直行业中，车联网、工业物联网无疑是当下除5G以外的另外两个网络热搜词汇。

2015年10月，在国家发布的《中国制造2025重点领域技术路线图》中，将智能网联汽车纳入“中国制造2025”中十大重点产业之一。随后在2016年8月发布的《智能网联汽车技术路线图》中对车联网进行了定义：智能网联汽车是指搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现车与X（人、车、路、后台等）智能信息交换共享，具备复杂的环境感知、智能决策、协同控制和执行的系统。

图1-12给出了智能网联汽车技术的发展路线，从中可以看到智能网联汽车的最终目标是实现无人驾驶，无人驾驶场景要求汽车和网络、人保持实时的通信连接和数据交互，这对移动通信网络提出了很高的要求，而这种需求是目前任何一种移动通信技术都无法提供的。

根据3GPP的研究，5G车联网场景需要实现极高的技术能力，其中时延方面，最低的端到端时延将小于3 ms，而可靠性要求高达99.999%，如图1-13所示。

除了车联网自动驾驶场景对时延和高可靠性提出了非常高的要求外，工业物联网场景的需求更加“夸张”。其中，对可靠性的要求竟然高达99.9999999%[1]!（小数点后的精确位数并非为了表达高可靠性随意而为，而是3GPP定义工业物联网项目的正式需求，小数点后7个9！）。

从上述两个未来可能商用的场景我们可以看出垂直行业对移动通信技术寄予了多大的期望！这也为5G技术规范的设计带来了无限的挑战！

后面我们将详细地描述5G移动通信技术是如何完成这个“无法完成，但又必须完成的任务”的，有兴趣的读者可以参考附录A。

3. 海量机器类通信（mMTC）

5G之前的移动通信网络实现了人与机器的通信，而5G将探索人与机器通信的美好未来。众所周知，IoT（物联网）给移动通信带来了海量的数据连接，因而，5G对海量传感器设备及机器与机器通信的支撑能力是5G系统设计的重要KPI之一。5G核心场景如图1-14所示。

机器类通信，其实就是物联网，其广义概念覆盖的范围非常大，我们大致可以将它分为 3类：个人物联网、工业物联网和公共物联网。

个人物联网涵盖了个人无线设备，如智能手表、智能眼镜等设备；工业物联网则是将具有感知、监控能力的各类采集、控制传感器或控制器，以及移动通信等技术与工业生产过程各个环节结合，它是智能制造的重要环节；而公共物联网是指公共设置的物联网设备，比如智慧城市、智能交通领域的物联网设备，如智能水表、智能电表、智能监控等。

物联网对网络的需求主要体现为要求海量连接数和极高的流量密度。根据3GPP的研究，为了应对未来物联网场景，5G网络需要实现每平方千米100万连接的连接密度和10 Mbit/s·m-2的流量密度。可能大家对这个每平方千米100万连接保持怀疑的态度，我们真的需要这么强大的网络能力吗？笔者做了一个小小的测算。

用笔者所在的小区为例，占地面积44410.2 m2，1293户。按一户3口人计算，若按照每人一个可穿戴设备和一部手机，再加上目前已经很火的智能家居设备，按每户9台计算（冰箱、洗衣机、电视机、摄像头、智能电表、智能水表、智能气表、智能插座、智能电灯等），共拥有可联网的物联网设备：（9+3+3）×1293=19395，连接密度则是19395/44410×106=43.6万/平方千米。

请注意，此时我们纳入计算的智能设备还仅仅是基于现在的认知，不排除未来有更多的物联网设备存在联网需求。此外，上面的计算也仅仅包含了个人物联网和部分公共物联网，未包含工业物联网。因此，仅从这个角度来看，3GPP提出的百万级的连接密度一点儿都不夸张！

除了上面提到的对连接数和流量密度的需求外，在个别场景下还对时延、可靠性，以及带宽、能耗提出了很高的要求。比如之前已经提到的工业物联网场景，为了实现远程对机器的实时、准确的控制和反馈，工业物联网要求高达99.9999999%[2]的可靠性。而在一些监控场景下，也要求近500 Mbit/s的带宽要求。对于一些公共物联网设备，比如森林防火监控，要求长达10年的待机时间。

这些看似夸张的性能指标是如何达到的呢，在本书的技术章节中，我们将进行详细的介绍。有兴趣的读者可以参考附录A的总结。

1.3.2 5G关键性能指标

在1.3.1节中我们介绍了5G的三大网络需求和技术场景，其实根据这一节的介绍，我们已经对5G的关键性能指标有了一定的了解。在本节中我们总结一下5G的关键指标。

如图1-15所示给出了国际电信联盟提出的5G KPI技术指标。

1. 用户体验速率

• 指标：100 Mbit/s甚至G级。

• 定义：用户可体验到的速率（考虑多用户调度、信道状况和小区边缘场景等）。

• 对比：LTE为10 Mbit/s，5G相对LTE增长10倍。

• 需求：eMBB场景，如VR/AR、高清视频点播等。

2. 峰值速率

• 指标：20 Gbit/s。

• 定义：单用户可实现的最大速率。

• 对比：LTE为1 Gbit/s，5G相对LTE增长20倍。

• 需求：eMBB场景，VR/AR、高清视频点播等。

3. 流量密度

• 指标：10 Mbit/s·m-2。

• 定义：单位覆盖面积可提供的吞吐量。

• 对比：LTE为0.1 Mbit/s·m-2，5G相对LTE增长100倍。

• 需求：eMBB场景。

4. 连接数密度

• 指标：100万/平方千米。

• 定义：单位覆盖面积可支持的连接数。

• 对比：LTE为10万/平方千米，5G相对LTE增长10倍。

• 需求：mMTC场景，如物联网、车联网。

5. 时延

• 指标：1 ms级。

• 定义：用户数据在空口传播的时延。

• 对比：LTE为10 ms，5G为LTE的1/10。

• 需求：uRLLC场景，如车联网、工业物联网。

6. 移动性

• 指标：500 km/h。

• 定义：网络提供服务的极限速度。

• 对比：LTE为350 km/h，5G相对LTE增长43%。

• 需求：主要是高铁场景。

除了上述的6个关键技术指标外，还定义了3个设计指导原则：能耗、成本、效率。其中，能耗是5G协议设计的一个关键性思路，这个思路贯穿于整个5G协议。

为了让大家在后续的章节更加清晰地理解具体的协议设计和技术KPI之间的关系，我们将在后面的技术章节里用特定的“技术标签”来表示技术与指标之间的关联性，并在本书的“5G‘超能力’是如何炼成的”部分进行集中的总结。

重要的阅读提示

1.3.3 5G标准化进程

在1.2.2节中，我们介绍了标准化组织，在移动通信的整个发展过程中，标准化组织发挥了很大的作用。通过图1-6我们也可以发现，在LTE之前，移动通信领域有三大阵营，它们分别是以CDMA为代表的3GPP2，以WCDMA、LTE为代表的3GPP以及以WiMAX和Wi-Fi为代表的IEEE。

在LTE阶段移动通信系统就有了融合的趋势，由3GPP制定的LTE体系成为全球范围内应用最为广泛的4G技术网络。到了5G时代，3GPP组织继续延续其庞大的用户和技术优势，制定了其5G标准化计划。

3GPP的5G标准化工作从2017年第二季度开始，在短短的3个季度中完成了5G第一个版本“Early Drop”的标准化工作，如图1-16所示。

“Early Drop”主要针对非独立组网（NSA，Non-Stand Alone）的部署场景（相关介绍见3.2节），主要实现了最为迫切的eMBB场景，实现了利用LTE为锚点的LTE和5G新空口（NR，New Radio）的双链接。

在2018年第二季度，3GPP完成了5G第二个版本“Main Drop”的标准化工作，实现了5G独立部署（SA，Stand Alone）的场景。

在本书定稿时，根据3GPP的计划，将在2019年3月完成5G第三个版本“Late Drop”的标准化工作，支持R15的5G将全部完成标准化工作，进而将正式进入商用阶段。

当然，这并不是5G技术的最终，而仅仅是一个起点。3GPP从2018年6月起就开始了R16的标准化工作，立项了uRLLC、V2X等5G技术的进一步演进项目。在可以预计的未来两年时间中，将有大量的5G新技术完成标准化工作，使5G真正实现移动通信与垂直行业融合的目标。

【系统观1】通信系统功能分解

说明

无论是2G、3G还是4G、5G，移动通信系统都是一个非常庞大而复杂的系统，由接入网、核心网，以及各种接口、各种信令、各类标识符和模块构成。很多人会疑惑，为什么要把系统设计得如此复杂呢？

设计这样一个复杂而庞大的系统并不是研究人员故意为难产品的实现，而是为了满足和解决很多现实问题和需求。在本节中，我们将从简单到复杂，一步步地分解通信系统中的各个模块和功能，让大家将通信系统模块和功能与其对应解决的问题联系起来，以获得对通信系统更加准确、直观的理解。

【系统观1-1】从纸筒电话聊起：最简系统

不知道大家是否还记得小时候玩过的玩具“纸筒电话”，小时候我们也许觉得这东西很神奇，两个纸筒，一根棉线就完成了一个可以传输声音的小机器。另外一个和纸筒电话非常类似的东西，我们在小时候应该也有印象，那就是“地道战”中用来供地面侦查员和地下游击队通话的“传话筒”，用一根竹管沟通的传话筒，可以将声音传播到距离更远的地下。

从技术的角度看，所谓的“纸筒电话”或“传话筒”，其原理都非常简单：声波通过纸筒的共鸣转化为振动，并由棉线传播到对端，然后再由对端的纸筒将振动还原为声波。

其实“纸筒电话”就是一种最简单、最原始的通信系统。通信系统由信源、输入变换器、信道、输出变换器、信宿组成。其中信源是信息的提供者，对于“纸筒电话”来说它就是嘴巴，传输的信号就是嘴巴发出的声波，它是一种模拟信号。声波传播到纸筒上由纸筒将声波转化为振动，这个过程实现了对输入信号的变换（输入变换器）；振动波通过棉线传播到对端，棉线就是信息传播的介质（信道）；而在对端再由纸筒将振动转换为声波信号（输出变换器），最终被耳朵（信宿）接收。图1-17给出了一个简单的通信系统。

严格来说，贝尔发明的电话和“纸筒电话”有很多相似之处，只不过贝尔的电话是将声波转化为电信号，而信号传输介质从棉线变化为电线。

我们继续研究前面的“纸筒电话”。可能有经验的小伙伴在玩玩具的时候会发现这样一个现象，“纸筒电话”传输声音的能力是有限的。如果你在“打电话”时用手握住棉线，那么对端的接听效果就会变得很差甚至完全无法收到声音；如果你在“打电话”的时候旁边有人在大声说话，那么你也会听不清楚声音。

这里所谓的“握住棉线”和“大声说话”就是对系统引入了干扰和噪声。虽然干扰和噪声很复杂，但是我们不得不接受它的存在。我们把噪声和干扰的因素考虑进来，就形成了一个相对更加完整的通信系统框架，如图1-18所示。

【系统观1-2】调制与解调

“纸筒电话”给我们展示了一个最简单的通信系统是如何组成的，但这种最简系统用起来也许并没有想象中那么完美。一个很致命的缺点就是“纸筒电话”的通话距离不能太远，而且效果很差，很容易受到外界的干扰。怎么来解决这个问题呢？本节要介绍的调制和解调技术闪亮登场。

调制和解调技术从本质上来看就是频谱搬移，即将相对低频率的基带信号搬移到相对高频率的射频信号。有人会问这有必要吗？

其实这是一件非常有意义的事情。玩过“纸筒电话”的小伙伴们应该很清楚，“纸筒电话”并不能将声音传播到很远的距离，这是因为棉线承载的语音信号（模拟信号）会随着传播距离的增加而发生衰减。简单一点，就是棉线传播的振动波会因为距离的拉远而减弱。而调制与解调，正好可以解决这个问题。调制解调技术大致上承担如下3个重要任务。

（1）实现信号与信道的匹配。在无线通信系统中，信号在空气中传播，不同频率的信号在空中传播时受到空气的衰减强弱是不一样的。太高（如毫米波6 GHz）或太低（如音频所在范围10 Hz~20 kHz）频率的信号衰减都非常强烈，因此，我们需要将基带信号迁移到一个合适的频率范围，实现更加远距离的传输。

（2）实现信号与天线的匹配。电磁波的频率与其发射机天线的尺寸有一定的对应关系，通俗地说，信号频率越低，与其相匹配的天线的尺寸就越大，反之亦然。在产品实践过程中，我们发现天线尺寸为电磁波波长的1/4时可以获得最佳的性能。因此，通过将信号调制到相对高的频率有利于天线缩小尺寸。

（3）对于数字通信来说，调制的另外一个作用就是实现用模拟信号来承载数字信息。比如我们很熟悉的几种调制方式，幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK），其作用就是将模拟信号转化为0、1的数字信号进行传输。

当然，还有一个不能不面对的非技术原因就是频谱资源并不是免费使用的，无论是分配还是拍卖，在哪里给你划了地盘，你就在哪里发送信号，这个不能选择。

现在，我们将调制和解调两个模块考虑进去，如图1-19所示。

【系统观1-3】“化繁为简”和“化简为繁”

数字通信技术一个绕不开的话题就是编码技术，就如大家耳熟能详的Turbo码、LDPC码和Polar码，都是4G、5G系统的核心底层技术。编码其实分为两类，分别是信源编码和信道编码。它们之间有什么区别呢？

首先，信源编码是以提高通信有效性为目的的编码。我们的目的就是用最少的系统资源来发送更多的数据，提高编码效率。信源编码的效率通常是通过压缩信源的冗余度来实现的。如何来理解信源的冗余呢？信源包含了信息量，那为什么还可以被压缩呢？

我们举个例子来理解一下这个概念。

中国古诗词博大精深，总能用最简单的语言来描述无限的诗情画意。相反，用信源编码的挑剔眼光来看，现代人的语言总会包含很多的冗余，而信源编码的工作就是在不改变信息量的前提下，尽可能地消除冗余，如表1-2所示的中国古诗词和现代语言的对比，大家很容易看清楚这个问题。

表1-2　信源编码的效果举例

可是，在现实情况中，一个通信系统要完成端到端的信号传输，只有信源编码是不够的，经过信源编码的信号发送到接收端，接收端并不一定可以完全恢复信息。那么，为什么会出现这种情况呢？有人可能会引用经典来反驳我：根据奈奎斯特采样定理，“在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fsmax大于信号中最高频率Fmax的2倍时，即：fsmax≥2Fmax，则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，可以不失真地恢复出原始的模拟信号。”既然信号不失真，信息不损失，那又为何会出现无法恢复信息的情况？

我们再举个例子。

可以把老师的讲课内容看作是信源编码，是将书本知识通过语言表述出来的一种“编码”。它和信号传输一样，只不过信源编码是对信息的表达，而老师的讲课内容就是对知识的表达。

但在实际情况中，我们很遗憾地发现，即便是同一个代课老师，他在不同班级用相同的方式来讲解课程，学生掌握的效果也有可能完全不一样。比如，在所谓的“精英班”和“普通班”学生的吸收效果就大相径庭。这一方面是因为“精英班”学生相对“普通班”学生可能有更加好的理解能力，另一个重要的原因是“普通班”总会有一些“意外”发生，比如老师在讲台上讲得正精彩，但某位同学因为昨晚没睡好而打起了瞌睡（未同步），甚至发出了呼噜声（干扰）而打扰了同桌听课。最终两位同学都没能够很好地理解老师讲课的内容（因为干扰导致的失败接收）。

当然，还有一种现象，在学生相同的情况下，不同的老师或者授课手法也会带来吸收效果的不同。比如，特级教师和师范刚毕业的代课老师讲授相同的内容（信息量一样），学生吸收效果也有可能相差很大（因为信源编码效果不一样）。

那么我们如何尽可能地减少这些事情造成的影响呢？方法也很简单，考试（差错与纠错）……

通信原理和我们上面看到的问题也有很多相似的地方。经过信源编码的数据在空中传播时也会受到干扰、噪声的影响，我们需要引入信道编码技术来降低这些因素对最终接收效果的影响。

信道编码是以提高信息传输的可靠性为目的的编码，它的主要工作就是使信息和当前的信道尽可能地匹配，实现更好的传输。信道编码通常通过增加信源冗余度的方法来让接收端发现或纠正错误。

机警的小伙伴可能又会提出疑问了，信源编码是减少冗余，而信道编码是增加冗余，一减一增是为什么？

其实，信道编码与信源编码的思路和方法看似相悖，但其实两者的最终目的是一样的，都是追求信号最有效的传输，如图1-20所示。只不过信源编码通过减少无用的冗余实现有效性，而信道编码通过增加有用的冗余来提高可靠性。虽然一增一减，但增减的冗余是完全不一样的。

现在，我们将信源编码和信道编码两个因素考虑进去，系统就比较完善了，如图1-21所示。

【系统观1-4】“移动”带来的困惑

看到这里，可能大家松了口气，终于看到完整的通信系统了。乍一看，不复杂，模块也不多，功能也都容易理解。但是，这个系统似乎与我们头脑中的移动通信系统还有很大的区别！

是的，如果是有线通信系统，图1-21所示的系统框图和实际系统不会有太大的偏差。虽然实际系统还会有很多现实的考虑，但逻辑框图万变不离其宗。但如果是移动通信系统，现实就没有我们想象的那么美好了。

在移动通信系统中，信号在空气中进行传播，因为这个看不到、摸不着的传输媒介，导致无线通信特别是移动通信系统需要考虑的因素远比有线通信系统要复杂得多。这就证明了为什么本书讲述的5G系统如此复杂。

接下来，让我们来梳理一下在移动通信系统中需要考虑的有别于有线通信的一些实际问题，以及由此带来的额外复杂度。

我们首先要面对的就是无线通信动态变化的无线信道的难题。在有线通信系统中，比如光纤通信，用户信号通过有线介质进行传输，有线介质本身就非常稳定，再考虑到进行了一些干扰屏蔽的处理，因此，有线信道也并不容易受到外界因素的影响。因此，有线信道相对比较稳定。

而移动通信信号在空中传输，影响信号传输的因素有很多，比如传输距离、所在地理环境、天气、终端移动速度等。此外，不同的无线频率展现出来的传输特性也有很大的差异。因此，无线信道是动态多变的。

为了应对这个“现实的问题”，移动通信系统引入了信道估计和自适应系统。

在移动通信中，对信道估计的方法大同小异，发送端发送一串和接收端约定好的已知序列，接收端根据已知序列信号的接收情况来评估当前信道的情况。由于信道是多变的，因此，信道估计的过程将贯穿于整个数据发送过程。但在一些特殊情况下，信道评估的结果可以应用于相对较长的时间范围（低速移动）或者不同的传输方向（上下行信道互易）。

信道评估完成后，基站会根据信道的情况来安排数据传输的方式：MAC层根据UE数据优先级的高低来确定分配的资源数，然后根据当前的信道情况来安排合适的调制格式和信道编码速率（MCS）。这个所谓的调制格式和编码速率的分配过程就是调制编码自适应（AMC）。安排这个调制格式和信道编码速率将可以实现UE在没有任何其他措施的情况下误码率达到一个期望的水平（对于NR来说，对数据信道期望的误码率水平是10%，控制信道为1%）。

通过前面的描述，信道估计（如图1-22所示）和MCS在移动通信系统中的重要性不言而喻。但再好的信道评估算法也都无法完全无差错地反映信道情况，并且信道估计的准确性和导频信号的密度也有很大的关系。所以在移动通信中只能通过MCS将误码率降低到一个可以接受的程度，而无法完全消除误码率。因此，为了进一步地保证数据传输的可靠性，还需要引入其他机制。

在移动通信系统中采用了多种机制来提高数据传输的可靠性，比如由MAC控制物理层执行的混合自动重传请求（HARQ，Hybrid Automatic Repeat Request）过程和RLC AM（应答模式）下的自动重传请求（ARQ，Automatic Repeat Request）机制，以及更高层的重传机制。

ARQ和HARQ的原理如图1-23所示。当接收端接收到数据后，会验证数据是否正确（利用CRC），如果正确则向发送端反馈ACK，否则为NACK。ARQ和HARQ的区别在于，如果为ACK，ARQ会丢弃接收到的错误数据分组，而HARQ并不会丢弃，而是将其缓存下来，和重传数据进行软合并，进而提高重传成功的概率。

移动通信和有线通信的另外一个问题就是资源受限。移动通信系统不同于有线通信，有线通信的资源虽然也有限制，但由于有线之间相互不造成干扰，因此，资源的问题可以利用新增线路来解决。

但移动通信系统的传输资源，无线频谱则无法新增，因此，为了实现更高的频率利用率，移动通信系统引入了各种各样的波形，并以此为基础实现了各种多址方式（可参考2.3.1节）。

此外，移动通信系统还引入了动态调度机制（如图1-24所示）。这个机制和电台的原理有很大区别。移动通信系统并不会为每一个用户预分配固定的资源，而是所有用户共享一块资源。当用户有数据需要发送或接收时，MAC层将根据用户数据的优先级分配匹配的资源并映射到物理层去传输，物理层通过物理下行控制信道（PDCCH，Physical Downlink Control Channel）进行调度，UE通过接收PDCCH来获取分配给自己的物理资源的位置和数量。这一方式极大地增加了系统容量，使得无线资源可以被更加有效地使用。

接下来就是终端移动的问题了。终端的移动会带来很多很麻烦的问题，比如由于移动而导致的多普勒频偏问题（在信道估计中解决），以及接下来要介绍的同步、功率控制和移动性管理问题。

先来说一下同步问题，大家知道，无论是有线传输还是无线传输，信号在介质中传输都会引入传输时延。在有线通信中，由于发射端和接收端之间的距离不会改变，但在移动通信系统中，终端是可以移动的，所以这个传输时延也会变化。因此，收发数据时第一个需要解决的问题就是同步。

同步分为上行同步和下行同步。下行同步就是UE确定基站帧的时序，如图1-25所示，UE通过接收放置在固定位置的PSS（主同步信号）/SSS（辅同步信号）来确定基站的时序，使UE和基站的帧边界对齐。而上行同步则是UE在随机接入过程中在特定位置发送随机接入前导序列，基站接收到后会以此来评估UE信号传输到基站所用的时延，然后通过随机接入的后续过程告知UE，UE会将自己的发送时序提前。这样的操作可以让所有UE发送的上行信号在传输到基站时在基站侧对齐。

接下来的问题就是功率控制了。大家知道，无线信号在空中传输会经历各种衰减，因此，发送功率的大小将直接影响到信号可以传输的距离。在不考虑干扰的情况下，发送端如果使用最大允许的发送功率发送数据，当然传输距离也就最远，但这样的操作将不利于发送端节约能耗，特别是对于移动端来说，这样无益的能耗是不能被容忍的。此外，在很多系统中，还会存在小区内或小区间干扰，因此，对功率进行合理的控制对干扰消除也有利。

因此，在移动通信系统中，功率控制也是一个很重要的功能。在LTE和NR系统中，由于采用正交频分多址（OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access）和单载波频分多址（SC-FDMA，Single-carrier Frequency-Division Multiple Access）的正交多址技术，在小区内并不存在用户间干扰。在上行方向，考虑到UE节约能耗和减少小区间干扰，需要进行上行的功率控制；在下行方向，基站没有强烈的节约能耗需求，下行没有功率控制，只支持半静态的功率分配，即同一时刻的下行信道、数据或信号的功率大小可以通过半静态的方式进行配置。

当然，除了功率控制以外，移动通信系统为了进一步降低终端能耗，还引入了很多其他技术，比如DRX（非连续接收）、DTX（非连续发送）、RRC状态，以及5G中的BWP（Band Width Part）自适应技术。这些技术的基本思路就是在UE没有发送数据时使UE处于相对节约能耗的状态。

另外一个因为移动引起的问题就是移动性管理。当UE移动时，其接入到基站的信号也会随之发生变化，当信号变差到一定程度而即将无法给UE提供稳定的服务时，UE就需要改变服务小区。

在这个管理过程中，首先要做的就是监控无线信号，这个过程叫作移动性测量。UE通过基站发送的特定导频信号来评估UE收到的信号的好坏。一旦无线信号的变化达到某个预设门限，UE就会改变其服务小区。UE在空闲（IDLE）态时，叫作小区重选；在连接（CONNECTED）态时，叫作切换。

在前面的描述中我们已经看到，在通信的整个过程中，基站都会对UE的行为进行控制，而UE也会向基站反馈一些信息，比如HARQ反馈。因此，移动通信系统需要建立控制面连接，实现不同节点间、不同开销和不同时延的信令，以支持更加灵活的控制。

在LTE和NR中，引入了MAC CE、RRC信令、NAS层信令来实现不同层面的控制。

当然，移动通信遇到的问题远比我列出的要多。正因为如此，移动通信系统远比我们想象的，也远比图1-21给出的模型要复杂得多。

我们将上述描述的实现和移动通信特征增加到通信系统框图中，得到了一个更加完整的移动通信系统框图，如图1-26所示。

当然，图1-26的移动通信系统框图还不够完整，在实际系统中，还有很多问题和困难，而实际的通信系统也因为这些问题和困难而变得更加复杂。

在后面的技术章节中，我们将陆续给大家揭开5G移动通信系统的神秘面纱，让大家对5G移动通信系统有一个全面、系统的理解；同时也将尽可能地以“系统观”来描述这个复杂的系统，使大家有一个从上到下、从内到外的全面理解。

[1]参考3GPP IIoT需求规范TS 22.104。

[2]参考3GPP IIoT需求规范TS 22.104。