第一节　5G基础知识

关于第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology），不同的国家、组织以不同的方式阐述了其概念。

一、5G概念

中国信息通信研究院认为，“综合5G关键能力与核心技术，5G可由标志性能力指标和一组关键技术来共同定义（见图1-1），其中，标志性能力指标为Gbps用户体验速率，一组关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。”［1］

国际电信联盟（ITU）使用8项关键技术指标定义了5G，如表1-1所示。

5G带来的最大变化是极高的传输速率、极低的端到端时延和前所未有的设备连接。这些变化源于关键技术的支持：大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。

5G拥有三大应用场景：增强移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠低时延通信（Ultra Reliable and Low Latency Communication，URLLC）和海量机器类通信（massive Machine Type Communication，mMTC）。移动互联网流量爆炸式增长催生了eMBB，它为移动用户提供了更极致的应用体验；URLLC时延低、可靠性高的特点使其适用于工业控制、远程医疗、自动驾驶等行业；mMTC主要面向以传感器和数据采集为目标的应用需求，如智慧城市建设、家居智能化、环境数据采集等。国际电信联盟为这三个应用场景分别制定了R15、R16和R17三个5G标准。R15是基础标准，R15非独立组网（Non Standalone，NSA）在2018年发布，R15独立组网（Standalone，SA）晚一年发布，主要满足eMBB和URLLC的应用需求。完整标准R16在2020年发布，关注垂直行业应用和系统的整体提升。增强标准R17直到2022年才发布，采用一系列新技术，以满足新业务的需求。

二、5G的发展历史

移动通信历经了1G、2G、3G、4G、5G的发展过程。目前，移动通信在大规模应用5G的同时，向6G迈进。移动通信系统的发展阶段如图1-2所示。

1G，即第一代移动通信，采用了模拟语音通信技术，实现了移动语音通信，掀开了人类通信历史新的一页——个人移动通信时代。1G采用了模拟调频技术，它的出现是革命性的，但是其缺陷十分明显。一是系统容量小，频谱利用率偏低，交换技术十分落后，无法接入大量用户，因此1G仅供少数人使用；二是保密性差，易于被截取；三是相互独立的网络标准不能实现漫游，北欧建设的NMT（Nordic Mobile Telephones，北欧移动电话）、德国建设的C-Netz（C网络）、英国建设的TACS（Total Access Communication System，全接入通信系统）、北美建设的AMPS（Advanced Mobile Phone System，高级移动电话系统）等，相互之间都不能互联互通实现漫游，网络建设成本也随之上升。

2G，即第二代移动通信，是数字语音通信，于1982年开始研发，至今仍在使用。相较于1G，2G取得了巨大进步。一是除少数国家外，实现了全球漫游；二是首次引入了混合多址方式——时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA），从模拟技术迈向了数字技术，通信容量显著扩大，可供大多数人使用，为通信普及做出了重大贡献。全球移动通信系统（GSM）是迄今为止覆盖面积最广、使用时间最长、运行最稳定的通信网络，至今仍然在大规模使用。2G也有其局限性，首要问题是不能满足移动宽带的流量需求。虽然2G也能够提供数据业务，但是采用的是GPRS（通用分组无线业务）技术、EDGE（增强型数据速率GSM演进）技术和CDMA（码分多路访问）技术。后两项技术源于GSM，虽然至今仍然在预警、监控等领域使用，但是其传输速率早已无法满足人们的使用需求。

3G，即第三代移动通信，有TD-SCDMA（时分同步码分多路访问）、WCDMA（宽带码分多路访问）和CDMA2000（码分多路访问2000）三大技术标准。它提升了网络传输速率，使人类社会迈进了移动互联时代。网络传输速率提升具体表现在：3G不仅拥有图像、音乐、视频等多种媒体形式处理能力，而且使网页浏览、电话会议、电子商务等网络服务成为现实。3G网络早在1999年就已经出现，但是早期建设3G网络的国家并不多，随着2007年智能手机的快速发展，3G网络也开始大规模部署，我国也在这个时期步入了3G时代。

4G，即第四代移动通信，它的诞生推动着人类社会更进一步，步入了数据通信时代。3G刚刚部署完成，4G就到来了。4G技术标准——LTE（长期演进）技术在2008年被提出后，仅过了一年就开始部署全球第一个LTE商用网络，发展速度之快，远超前几代移动通信系统。最初，4G网络不支持语音通信，原因就在于4G是由分组数据业务催生的，直到后来采用了VoLTE（长期演进语音承载）技术，语音通信问题才得到了解决。相比于3G，4G具有高速率、低时延和大容量的特点，在统一标准方面也进行了进一步优化，有FDD-LTE（分频长期演进）和TD-LTE（分时长期演进）两种制式标准。此外，4G还支持大规模机器类通信和机器对机器通信，从而拓展了移动宽带的使用范围。

5G是4G的延续和增强，速率更高，稳定性和可靠性也更高，让人类进入了万物互联时代。5G的组网方式有NSA（非独立组网）和SA（独立组网）两种，提供两种关键技术：网络切片技术和网络虚拟化技术。

网络切片技术为用户提供个性化服务，网络虚拟化技术不仅能帮助运营商节约成本，还能给快速升级部署提供保障。5G无论是在提升速率和网络切片方面，还是在开放性支持虚拟化部署方面，都充分考虑了稳定、可靠和安全等因素，推动了移动通信领域发生革命性变革，深刻地改变了人们的通信方式和社交方式，进而推动了整个社会的变化。

5G提供了一个应用平台，推动了物联网发展，开启了万物互联时代。正如上文所提到的，5G有三大应用场景：增强移动宽带（eMBB）、超高可靠低时延通信（URLLC）和海量机器类通信（mMTC），如图1-3所示。

eMBB能够实现超高的传输速率，保证广覆盖条件下的移动性。在5G发展初期，eMBB是面向消费市场（云游戏、云办公、超高清视频等）的核心应用场景。

在URLLC场景下，连接时延可以降低至1ms，在时速为500km的移动条件下，仍然能够保证高可靠性连接（99.999%），因此能够满足智能工厂、自动驾驶、移动医疗等行业领域提出的特殊需求。

mMTC的传输速率低、对时延不敏感、终端成本低，在5G强大连接能力的支持下，能够推动垂直行业（智能家居、智慧城市、智能交通等）的深度融合，实现对生活各方面的覆盖，真正让人类社会进入万物互联的新时代。

三、5G的现状

5G发展已经驶入了快车道，加快了全球应用落地。5G网络已经覆盖了全球人口的近三分之一，截至2022年10月底，提供5G服务的电信运营商已经达到了233家，提供了43张5G独立组网网络，使全球88个国家/地区受益。从覆盖人口来看，5G网络已经覆盖了全球人口总数的27.6%，其中欧洲、美洲、亚洲和大洋洲的41个国家/地区的5G网络人口覆盖率超过了50%。据中国信息通信研究院的统计，工业互联网和文体活动领域是5G行业应用最为集中的领域，占全球已经开展或部署的644项行业应用的一半以上。从应用覆盖行业范围、场景应用落地等来看，世界主要国家5G行业应用多处在起步阶段，虽然拥有众多的示范项目，但是可大规模复制的成熟应用仍然相对较少［3］。

我国5G发展无论是在网络覆盖方面，还是在用户发展方面，在同时段内均快于4G。我国已建成的5G独立组网网络，是世界上已建成的43张5G独立组网网络中技术上最领先的、规模上最庞大的。它的覆盖范围包括全国所有地级市、县城城区和96%的乡镇地区。

在个人应用方面，截至2022年9月底，我国5G移动用户数量达到5.1亿户，全球领先。5G网络速率提升，对直播、社交、游戏、线上会议和学习等应用提供较好的改善效果，推动流量消费快速增长。互联网企业也开始探索超高清视频、扩展现实（XR）在日常生活中的全新应用模式，进一步提升用户体验。

在行业应用方面，我国行业应用项目数量全球最多，应用领域全球最广。5G应用已经深度融入工业、矿山、医疗、港口等行业，且正在快速发展。5G应用在文旅、物流、教育等行业的解决方案正在加快推出，技术验证也已经在金融、水利等行业积极推进。5G应用快速发展的背后是行业领域对5G的高度认可，80%行业主体认为5G应用将提质降本增效，实现安全可靠的生产。

2019—2020年是我国5G商用发展的一个关键时期。2018年年底，“新基建”概念被首次提出，“加快5G商用步伐”也被确定为国家2019年的一项工作任务。截至2019年年底，全国共建成5G基站超13万个。根据工业和信息化部2022年12月26日发布的数据，全国5G网络建设稳步推进，截至2022年11月末，全国5G基站总数达到了228.7万个，比2021年年底增加86.2万个，占移动基站总数的21.1%。

四、5G的未来

目前，在5G大规模部署的背景下，5.5G和6G也已经全面萌芽。5G技术持续演进，5.5G时代加快到来。2020年年底，华为提出要与行业一起定义5.5G，对于消费者而言，2025年前后，5.5G网络速率将进一步提高：下行峰值速率——10Gbps，上行峰值速率——1Gbps。2021年4月，5G演进的名称被3GPP（第三代合作伙伴计划）正式确定为5G-Advanced，即5.5G。同年8月，中国移动发布的《5G-Advanced网络技术演进白皮书（2021）——面向万物智联新时代》成为首个5G-Advanced网络架构演进和技术发展白皮书。它所阐述的5G-Advanced网络技术发展理念和关键技术涵盖了融合、使能和智慧。同年12月，面向5G国际标准增强版本R18的网络系统架构方面的28项课题在3GPP第94次全会上立项，5.5G标准化正式开始。

5.5G相对于5G的改进体现在以下4个方面。

（1）家庭接入宽带从1Gbps提升到10Gbps，提升了家庭宽带用户体验。

（2）网络能力向工业级提升，时延进一步下降至微秒级，网络可用性从99.99%优化至99.9999%，为电网高频调度提供更高的可靠性。

（3）从光通信提升到光感知，实现对振动、应力和温度的感知，并且精准度达到米级。

（4）利用光技术的低能耗特性将网络效能提升10倍。

6G将迈向太赫兹通信，提供更大的容量和更低的时延，支持1μs甚至是亚微秒的延迟通信。6G的传输能力将比5G提升100倍，拓展功能范围，打造一个集地面、卫星、海洋通信为一体的全连接通信世界，沙漠、无人区、海洋等目前无法覆盖的盲区将有可能在6G时代实现信号覆盖。

6G通信支持5种应用场景，即eMBB-Plus（增强移动宽带Plus）、安全的超高可靠低时延通信（SURLLC）、大通信（BigCom）、三维集成通信（3DInternet）、非常规的数据通信（UCDC），如图1-4所示。