作者：王喜文
出版社：机械工业出版社
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5G为人工智能与工业互联网赋能试读：
前言
纵观全球移动通信技术发展进程，我们会发现10年一个周期的代际更迭。从20世纪80年代以来，移动通信以每10年一个周期的进度经历了从1G到4G的变迁。如今，10年一遇的代际升级再次来临，5G将开启大带宽与多连接、低时延的万物智联新时代。
1G源自1984年，基于模拟蜂窝技术开创了移动通信时代；1990年开始，2G凭借GSM和cdmaOne两大技术标准，带领全球进入数字通信时代；2000年，国际电信联盟（ITU）将WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA以及WiMAX确定为3G的四大无线通信标准；2010年，TDD-LTE和FDD-LTE两种制式下的4G技术开始成熟并大规模商用，智能手机和信息消费的大规模增多，移动通信技术在人们日常生活和社会发展中的地位进一步突出。4G的确改变了我们的生活，满足了人们对微信视频通话、抖音短视频分享、高德车载导航以及爱奇艺高清视频播放等移动通信网速需求。但是，未来，每个家庭平均将拥有数十台智能终端，每平方千米将有百万级智能终端接入网络，加之智能制造、车联网、远程医疗等产业界对超低时延的渴望，4G已经无法胜任。
为了应对未来移动数据流量爆炸式的增长、海量的设备连接、不断涌现的各类超低时延新业务和新场景，5G技术应运而生，5G的研发也瞬间成为各大国家和组织、各电信运营商及设备商的重要任务。
我国政府高度重视5G战略发展，国家层面不断地大力推进5G技术、标准和产业发展。例如：在网络强国、制造强国、“十三五”规划及信息化发展战略等战略规划中，均对推动5G发展做出了明确部署。《中国制造2025》提出要全面突破第五代移动通信（5G）技术；《“十三五”规划纲要》指出，要加快构建高速、移动、安全和泛在的新一代信息基础设施，积极推进5G发展并启动5G商用；《国家信息化发展战略纲要》更是强调，要积极开展5G技术研发、标准和产业化布局，2020年取得突破性进展，2025年建成国际领先的移动通信网络。
国家发展和改革委员会、科学技术部（以下简称科技部）以及工业和信息化部于2013年2月支持产业界成立了IMT—2020（5G）推进组，与国际同步全面开展5G研发。与此同时，科技部“新一代宽带无线移动通信网”重大专项和863计划积极部署5G研发课题，大力度支持5G技术创新和产业发展。科技部在2017年7月发布的《新一代人工智能发展规划》明确地提出，发展新一代人工智能首先就要打造智能化网络基础建设，加快布局实时协同人工智能的5G增强技术研发及应用，建设面向空间协同人工智能的高精度导航定位网络，加强智能感知物联网核心技术攻关和关键设施建设，发展支撑智能化的工业互联网和面向无人驾驶的车联网等，研究智能化网络安全架构。加快建设天地一体化信息网络，推进天基信息网、未来互联网和移动通信网的全面融合。
5G技术是下一代移动互联网技术。它不仅仅可以为大众带来良好的移动互联网体验，还将成为智能制造、智能医疗、智能政务、智慧城市以及无人驾驶汽车的技术支撑。因此，5G被视为工业互联网和人工智能等的“基础设施”，也因此中美都在力争成为5G的领导者，期望自己能够主导新一代移动通信的国际标准。随着中美之间的贸易摩擦局势不断升级，从大豆到智能手机、汽车等产品都已经受到严重影响，但5G可能是全球前两大经济体之间发生贸易摩擦的原因之一。
4G改变生活，5G改变的不只是社会，还有国际格局。本书旨在描述5G场景、变革和价值，解释5G背后的标准、技术和发展应用方向，探讨5G+人工智能、5G+工业互联网时代的新模式、新业态和新动能，以飨读者。王喜文2019年7月23日（大暑）第一章 5G正在到来
5G为整体基站建设和网络架构带来了创新性的改变。
5G的三大典型应用场景：增强型移动宽带（eMBB）、超可靠低时延通信（uRLLC）和海量物联（mMTC）。
5G将为用户提供超高清视频、下一代社交网络和浸入式游戏等更加身临其境的娱乐体验；预期千亿量级的设备将接入5G网络。
自20世纪80年代以来，全球每10年都会出现新一代移动通信技术，推动信息通信产业的快速创新，带动经济社会的繁荣发展。当前，第五代移动通信技术（5G）正在到来，它将以全新的基站系统、网络架构，提供远超4G的速率、毫秒级的超低时延和千亿级的网络连接能力，开启万物广泛互联、人机深度交互的新时代（见图1-1）。图1-1 移动通信每10年出现新一代技术第一节 为何是5G？
5G的G是英语单词Generation的首字母，也就是“世代”的意思。也就是说，5G就是第五代移动通信系统，也被定义为“新基建”的焦点概念。
早在1820年，丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特（Hans Christian Oersted）发现，当导线中有电流通过时，放在它附近的磁针会发生偏转。多年以后的1887年，德国青年物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）通过试验，揭示了电磁波存在的伟大真理，为人类利用无线电波开辟了无限广阔的前景。这就是通信技术追本溯源的起始——Hz（赫兹）也成为了国际单位制中的频率单位。
电磁波应用于通信领域有其独特性和必然性。首先，电磁波是一种能量，存在产生和吸纳的可能，与信息的发送与接收，具备极高的匹配性；其次，通常认为，光速是宇宙中最快的速度，而电磁波在真空中的传播速度就是光速，这一点使得电磁波能够最大限度地满足信息传输对速度的要求。所以在理论和现实匹配性的基础上，1986年第一代移动通信系统在美国芝加哥诞生，也就是1G网络。
1.1G（语音通话）
1G移动网络在20世纪80年代初投入使用，它具备语音通信和有限的数据传输能力（早期能力约为2.4kbit/s）。1G网络利用模拟信号，使用类似AMPS和TACS等标准，在分布式基站（托管在基站塔上）网络之间“传递”给蜂窝用户。
2.2G（消息传递）
在20世纪90年代，2G移动网络催生出第一批数字加密通信，提高了语音质量、数据安全性和数据容量，同时通过使用GSM标准的电路交换来提供有限的数据能力。20世纪90年代末，2.5G和2.75G技术分别使用GPRS和EDGE标准，提高了数据传输速率（高达200kbit/s）。后来的2G迭代通过分组交换引入了数据传输，为3G技术提供了晋升之阶。
3.3G（多媒体、文本、互联网）
20世纪90年代末至21世纪初，3G网络通过完全过渡到数据分组交换，引入了具有更快数据传输速度的3G网络，其中一些语音电路交换已经是2G的标准，这使得数据流成为可能，并在2003年推出了第一个商业3G服务，包括移动互联网接入、固定无线接入和视频通话。3G网络现在使用UMTS和WCDMA等标准，在静止状态下将数据速度提高到1Gbit/s，在移动状态下提高到350kbit/s以上。
4.4G（实时数据：车载导航，视频分享）
2008年推出4G网络服务，充分利用全IP组网，并完全依赖分组交换，数据传输速度是3G的10倍。由于4G网络的大带宽优势和极快的网络速度提高了视频数据的质量。LTE网络的普及为移动设备和数据传输设定了通信标准。LTE正在不断发展，目前正在发布第12版，“LTE-A”的速度可达300Mbit/s。
每一代移动通信技术之所以能够实现更快的速度、更低的时延和更稳定的传输，都是通过技术的演变和架构的调整，提高了可用频段的带宽和已有频段的传输效率（见表1-1）。
从模拟通信到数字通信，从文字传输、图像传输又到视频传输，移动通信技术极大地改变了人们的生活方式。前四代移动通信网络技术，只是专注于移动通信，而5G在此基础上还包括了工业互联网和人工智能等众多应用场景（见图1-2）。表1-1 5G前的通信比较图1-2 移动通信技术的发展历程
5.5G（万物智联）
面对如此复杂多变的应用环境，5G不只是简单地升级了移动通信技术，而是为整体基站建设和网络架构带来了创新性的改变。不同于过去2G到4G时代重点关注移动性和传输速率，5G不仅要考虑增强带宽，还要考虑万物互联所需的大规模连接和超低时延，以及未来需求、关键技术、演进路径的多样化等多个维度。
从2009年开始，华为前瞻性布局5G相关技术的早期研究。经过10年的研发，3GPP（国际无线标准化机构）完成5G的完整版本标准制定，并完成IMT-2020标准的提交。2019年6月6日工业和信息化部向中国移动、中国联通、中国电信和中国广电颁发了5G牌照，标志着5G时代正式到来，我国率先进入5G商用元年（见表1-2）。表1-2 5G发展重要时间节点（续）
国家对5G的发展高度重视，2016年7月27日，国务院新闻办公室举行发布会向社会发布了《国家信息化发展战略纲要》，其中“新一代信息网络技术超前部署行动”是优先行动之首（见图1-3）。行动目标明确为：到2018年，开展5G网络技术研发和测试工作，互联网协议第6版（IPv6）大规模部署和商用；到2020年，5G完成技术研发测试并商用部署，互联网全面演进升级至IPv6，未来网络架构和关键技术取得重大突破。图1-3 中国新一代信息网络技术超前部署行动
在《国家信息化发展战略纲要》中，为实现新一代信息网络技术超前部署行动，重点指出了四项任务：
◆加快推进5G技术研究和产业化。统筹我国产学研用力量，推进5G关键技术研发、技术试验和标准制定，提升5G组网能力、业务应用创新能力。着眼5G技术和业务长期发展需求，统筹优化5G频谱资源配置，加强无线电频谱管理。适时启动5G商用，支持企业发展面向移动互联网、物联网的5G创新应用，积极拓展5G业务应用领域。
◆加快推进下一代广播电视网建设与融合。统筹有线、无线、卫星协调发展，提升广播电视、海量视频内容和融合媒体创新业务的承载能力，推动有线、无线、卫星融合一体化及与互联网的融合发展，构建天地一体、互联互通、宽带交互、智能协调及可管可控的广播电视融合传输覆盖网，支持移动、宽带、交互及跨屏广播电视融合业务的开展。
◆推动下一代互联网商用进程。加快网络基础设施全面向IPv6演进升级，提升内容分发网络对IPv6内容的快速分发能力。加快IPv6终端和应用系统研发，推动智能终端支持IPv6，实现4G对IPv6的端到端支持。加快推动基于IPv6的移动互联网商用进程，积极引导商业网站、政府及公共企事业单位网站向IPv6迁移。
◆超前布局未来网络。布局未来网络架构，加快工业互联网、能源互联网、空间互联网等新型网络设施建设，推动未来网络与现有网络兼容发展。加快构建未来网络技术体系，加快建立国家级网络试验床，推进未来网络核心技术重点突破和测试验证。加强未来网络安全保障，积极防范未来网络安全风险。
在《国家信息化发展战略纲要》指引下，2017年，通过5G产业界的共同努力推动，5G有关标准、关键技术、产业环境都取得了突破性的进展。2018-2019年，5G步入外场测试和预商用阶段。标准和技术将进一步完善，大规模外场测试将广泛进行。预计2020-2021年，5G开始实现规模化商用。这个阶段5G网络建设的主要目标是分流4G网络的压力，进一步提升无线网络带宽。而到2022年以后，5G商用将持续深入和拓展，通信业与垂直行业将跨界融合，涌现更多的新业态、新模式、新场景。尤其是，5G作为未来数字经济时代的关键使能技术和基础设施，将强有力支撑垂直行业的智能化转型，如智能制造、智能农业、智能医疗、智慧城市、智能环保、无人驾驶、智能机器人以及工业互联网等新场景将层出不穷。第二节 5G能实现什么场景？
5G作为移动通信行业的下一个热点，对于通信行业乃至整个社会经济的带动作用也非常显著。
国际电信联盟无线电通信局（ITU-R）定义了5G的三大典型应用场景为：增强型移动宽带（eMBB）、超可靠低时延通信（uRLLC）和海量大规模连接物联网（mMTC）。其中，eMBB主要面向虚拟现实（VR）/增强现实（AR）、在线4K视频等高带宽需求业务；uRLLC主要面向车联网、无人驾驶、无人机等时延敏感的业务（见图1-4）；mMTC主要面向智慧城市、智能交通等高连接密度需求的业务。
具体而言，三大场景的概念及其释义如下：
◆eMBB，直译为“增强型移动宽带”，简单来讲，就是指“大带宽”，是以人为中心的应用场景，集中表现为超高的数据传输速率、广覆盖下的移动性保证等。未来几年，用户数据流量将持续呈现爆发式增长（年均增长率高达47%），而业务形态也以视频为主（占比达78%）。在5G的支持下，用户可以轻松享受在线4K/8K视频以及VR/AR视频，用户体验速率可提升至1Gbit/s（4G最高为10Mbit/s），峰值速率甚至可以达到10Gbit/s。图1-4 2015年ITU为5G定义了三大应用场景资料来源：国际电信联盟（ITU），作者改译。
◆uRLLC，直译为“高可靠、低时延连接”，简单来讲，就是指“超低时延”。未来的应用场景中，连接时延要达到1ms级别，而且要支持高速移动（500km/h）情况下的高可靠性（99.999%）连接。这一场景更多面向车联网、工业控制、远程医疗等行业应用。
◆mMTC，直译为“海量物联”，简单来讲，就是“大规模连接”。5G强大的连接能力可以快速促进各垂直行业（智能制造、智能农业、智慧城市、智能家居及智能环保等）的深度融合。在万物互联时代，人们的生活方式也将发生颠覆性的变化。这一场景下，数据传输速率较低且对时延不敏感，连接将覆盖经济、社会的方方面面。
因此，国内业界普遍认为，随着5G的到来，更高的速率、更大的带宽、更低的延迟成为可能，一些依靠过去的移动通信技术所无法实现的业务随之成为可能，从而实现业务应用的大规模创新，有望进一步挖掘消费潜力，扩大消费总量，进而对设备制造和信息服务环节也产生明显的带动作用。放眼未来，5G将成为全面构筑经济、社会智能化转型的关键基础设施，从线上到线下、从消费互联网到工业互联网、从新兴人工智能行业到传统行业智能化升级，将推动我国智能经济发展和智能社会建设迈上新台阶。
其实，早在10年前，物联网就备受社会各界关注，许多人认为物联网是一种彻底改变一个人生活中各个方面的技术。物联网与其他新技术，如与大数据、人工智能的深度融合，将形成诸多平台解决方案。人工智能将提供分析物联网设备收集的大数据的算法，识别各种模式，进行智能预测和智能决策（见图1-5）。随着物联网设备数量的增加以及所产生的数据量的增加，5G增强网络的大规模连接尤为重要。5G技术将实现更广泛的网络覆盖、更稳定的互联网连接和更快的数据传输速度（从4G的1Gbit/s到10Gbit/s），它还将允许更多移动设备同时访问网络，从而实现真正意义上的万物互联。
5G为各行各业创造了巨大的机遇，同时也为大规模的颠覆奠定了基础。据爱立信公司预测，预计到2020年，主要的5G网络会部署，预计到2024年，41亿台物联网设备联网将在全球范围内使用5G通信。图1-5 物联网与大数据、人工智能的深度融合
伴随我国加快实施制造强国和网络强国战略，大力推进智能制造发展，5G将更广泛深入和融入于工业领域，工厂车间中将出现更多的5G局域网无线连接，将促使工厂车间网络基础设施不断优化，有效提升网络化协同制造水平，促进工厂车间提质增效。中国信息通信研究院发布的《5G经济社会影响白皮书》预计，到2030年，中国工业领域中5G相关投入（通信设备和通信服务）约达2000亿元。5G技术可以帮助制造业的生产操作变得更加灵活和高效，同时提高安全性并降低维护成本，实现“智能工厂”。例如：通过5G移动网络远程控制，监控和动态配置工业机器人，使它们通过自我优化来改进流程；通过5G移动网络推动增强现实（AR）在工厂里的应用，可以支持培训、维护、施工和维修。
医疗系统需要更快、更高效的网络来跟上它处理的大量数据，从详细的患者信息到临床研究，再到高分辨率的MRI和CT图像。通过将5G技术引入医疗行业，将有效满足如远程医疗过程中低时延、高清画质和高可靠、高稳定性等要求，推动远程医疗应用快速普及，实现对患者（特别是边远地区患者）进行远距离诊断、治疗和咨询。例如：5G可以使远程监控设备（如可穿戴设备）在将患者健康数据实时发送给医生的同时，拥有更长的电池寿命；远程机器人手术也可以利用5G低延迟和高吞吐量通信的特点，通过5G传输高清图像流，促进远程手术的精准实现。中国信息通信研究院发布的《5G经济社会影响白皮书》预计，到2030年，中国远程医疗行业中5G相关投入（通信设备和通信服务）将达640亿元。
5G也将在多个层面上颠覆媒体和娱乐，包括移动媒体、移动广告、家庭宽带和电视。由于5G的低延迟，流式视频不会发生停止或卡顿。通过5G网络，电影下载将从平均7min减少到仅需6s。在浏览社交媒体、游戏、流媒体音乐以及下载电影和节目时，5G将为人们节省每月平均23h的加载时间。根据世界电信产业界富有权威性的中立咨询顾问公司Ovum进行的一项研究，未来10年，全球媒体行业将通过5G技术实现的新服务和应用获得惊人的765亿美元累计收入。
当然，5G能实现的场景远不止这些。第三节 5G与4G有哪些不同？
某种意义上来讲，国际电信联盟无线电通信局（ITU-R）定义了5G的三大典型应用场景中的eMBB场景，其实就是目前4G移动通信技术的升级版本。只不过是eMBB技术再度提升了5G移动通信技术的流量以及带宽处理能力，支持更高、更快的内容传输处理。主要应用场景包括4K、8K等视频业务，语音、图像、文字处理，移动APP数据等面向消费端的业务。
然而，5G的魅力在于通过eMBB技术作为原来4G通信升级版的同时，还引入了另外两大场景，即面向大连接物联网运用的mMTC及面向低时延超高速网络的uRLLC。5G与前几代移动通信技术之间的关键区别在于，前几代网络致力于为消费者（以及在一定程度上为企业用户）提升用户体验，而5G则瞄准产业应用，将前所未有地支持更广泛的场景。
所以，总体来看，5G区别于4G的关键不仅仅在于速度快、带宽大，还在于其更加高效且稳定的物联网泛在连接，以及超高速、低时延网络传输。具体到技术层面，这些区别可以从5G技术的eMBB、mMTC、uRLLC这三大运用场景做出对比（见图1-6）。图1-6 5G与4G的比较
对于mMTC而言，该项技术更偏向于物联网场景运用。在4G时代，4G通信技术也支持物联网运用，但是4G技术更多的是针对移动通话、视频、文字传输等偏向于消费者运用而设定的技术，这导致其不适合大规模的物联网场景数据传输，而且4G并没有针对物联网场景制定统一的标准，这导致了跨设备沟通之间障碍的存在。4G通信技术在物联网场景里面存在缺陷，但是mMTC技术是专门针对解决4G技术的这一缺陷而产生的。物联网传输通信技术的要求更重在其能够连接设备的广度以及宽度，可能对于数据的传输速率以及带宽要求不及面向消费者的那么高，但是需要保持连接的数据量大、支持高并发和多通道数据传输处理等能力，这一部分业务是区别于eMBB场景运用对于通信能力需求的另外一个领域。目前，智慧城市、智能环保是mMTC运用场景下最典型的代表。
uRRLC技术主要是针对自动驾驶、远程医疗手术等对数据传输速率以及反应灵敏性要求比较高的领域而设定的。因为涉及高速行驶的自动驾驶汽车必须能快速地反应制动，识别避免车祸等问题的发生，又如医疗领域，如果手术机器人控制灵敏度不够，容易导致患者伤口扩大或者无法愈合，难以实现高精度的微创手术治疗。这一场景下要求的数据传输及处理能力比其他领域又有不同，于是便又有了uRRLC这一项通信技术的诞生。
从通信的角度而言，三大场景当中的技术各有所长，但是由于都是通信技术，最终的目的都在于信号处理及传输，所以它们之间只有更适合于某一场景的技术，而不存在一定就要用某种技术解决某一领域问题的说法。所以对于这几项技术能够真正赋能的产业而言，更多的还在于这一产业领域里面的玩家更擅长于使用哪种技术、倾向于选择哪种技术。
当然，从移动通信技术发展规律来看，5G技术和产业链的发展成熟需要一个长期过程，预计4G将与5G网络长期并存、有效协同。未来5G将与人工智能、云计算、物联网等新型能力和网络相结合，实现与垂直行业的跨界融合，在电力、物流、银行、汽车、媒体、医疗及智慧城市等领域创造全新业态，为行业开拓巨大的价值增长空间。
那么，4G如何向5G过渡呢？
预计2019-2020年，为了控制成本，顺利向5G过渡，电信运营商首先会面向通信需要较高的大城市，提供基于新频段的5G超高速服务。5G初期将针对城市密集地区部署，目标在于提升用户网络速率——增强移动宽带场景。目前通过载波聚合（增加带宽容量）和网络优化技术来提升网络速率。采用新无线通信技术（NR）的基站将与4G的LTE基站并存，以非独立组网NSA（Non-Standalone）方式运营。这一阶段，主要还是基于LTE、LTE-Advanced组网，根据3GPP的研究进展，实现上行链路载波聚合（CA）和256QAM（正交幅度调制）的高效化，采用4G频段，以面向智能手机提供服务为主。非独立组网将借助于已有4G基础设施，将5G小基站部署在高业务密度区域。非独立组网能够更快地将5G推向市场，但非独立组网可能更适合局部热点区域部署，而不是大规模的全国性部署，并且非独立组网与现有LTE网络的互操作也非常复杂。目前来看不同的网络策略将满足不同运营商的需求，运营商在5G部署的不同时间点上也将选择不同的网络部署路径。
2020年以后，随着5G核心网的陆续建设和使用，独立组网SA（Standalone）的NR基站将开始运营，正式提供超高速、大规模连接、高可靠性和低时延等条件的5G服务。独立组网将形成一个新建的网络，包括新基站、回程链路和核心网。独立组网的优点是可以在提供高性能的前提下形成较大的规模经济性，并且避免了与LTE网络整合过程中可能会出现的互操作复杂等问题，但在早期商业化阶段，独立组网的成本相对较高（见图1-7）。
其他国家的一些运营商，如日本的运营商，在早期选择采用非独立组网的方式，但这不是5G组网的长期解决方案，而是实现独立组网的中间过渡阶段。图1-7 4G向5G过渡路径
我国电信运营商更倾向于从一开始就采用独立组网的方式。中国移动已经公布5G测试计划，2017年中国移动选取4～5个城市，每个城市大约建7个站点；2018年在多个城市，每城市建大约20个站点进行规模试验；2019年，继续扩大试验网规模；2020年将建设超过1万个5G基站。中国联通从2017—2019年在6个城市进行容量和性能测试，2020年将建设约1000个基站。第四节 5G能带来哪些改变？
5G作为第五代移动通信技术，与前四代移动通信技术有本质的区别。第一代是模拟技术，第二代是数字化语音通信技术，第三代是以多媒体通信为特征的3G技术，第四代是已经成熟的4G技术，其通信速率大大提高，标志着进入无线宽带时代。但是，前四代都是单一的移动通信技术，而5G则是前四代技术的总和并加入高频通信技术，这就使得5G拥有更高通信峰值，更低延时，更大传输量和更低的功耗。所以，5G的商用将催动通信行业价值链的升级换代，带动经济、社会的繁荣发展（见图1-8）。图1-8 5G与前四代通信技术的本质区别
4G助力移动互联网的兴起。5G的到来，作为新的基础网络设施，不单为人服务，还为物服务，为社会服务。5G的连接能力，从金融服务到医疗再到零售，将推动万物智能互联。在其三大特性（低时延、大带宽、高速率）的推动下，将会为万物互联的发展装上高速助推器，工业互联网将会得到突飞猛进的发展，无线高速传输将会带来人工智能产业无限的商机。与此同时，无论是家居生活、农林养殖、建筑业、医疗和教育，还是工厂以及救灾抢险，5G将从四个方面赋予人们巨大的改变——轻松感、存在感、灵敏度和智力度（见图1-9）。
在5G的高速推动下，超清视频将会得到快速发展，这也是目前各大电信运营商争夺的热点之一。目前整个互联网的流量大多属于视频流量，超清视频的应用将会给电信运营商带来巨额收入。5G在带来更好的数据应用体验的同时，也会促进交互方式的再次升级。在信息娱乐方面，5G将推动视频、游戏等应用向超高清、3D和浸入式体验方向发展，成为8K超高清视频等新应用不可或缺的网络支撑。在学习方面，人们将能够通过VR/AR技术进入虚拟教室，通过头戴式设备浸入式参与自己喜欢的课程，并与课堂上的老师和同学进行全景式交流。可以预见，5G时代到来后，将会驱动VR/AR技术成为主流科技。以往，缺乏高速度网络技术的支撑，VR/AR技术有严重的延迟情况，给体验用户带来了眩晕等不适的体验。但5G解决了其速率与延时的问题后，VR/AR将会突破瓶颈技术的限制，取得质的飞跃，有着广阔的市场前景。图1-9 5G将从四个方面赋予人们巨大的改变
5G的到来，没有了延迟与速度的限制，为车联网无人驾驶解决了尤为关键的核心移动通信技术问题。相信，不久的将来，无人驾驶的普及将会更进一步，车联网行业将会井喷式地发展。
车联网是5G、物联网技术在交通行业的颠覆性改变，通过整合人、车、路和周围环境等相关信息，为人们提供一体化服务。依靠5G的低时延、高可靠、高速率和安全性等优势，将有效提升对车联网信息及时准确采集、处理、传播、利用和安全能力，有助于车与车、车与人、车与路的信息互通与高效协同，有助于消除车联网安全风险，推动车联网产业快速发展。例如：V2V通信必须实时进行，因为毫秒级延迟可能会导致近距离致命碰撞。实现这种高速互连需要车辆在彼此之间传输大量数据而没有任何滞后。5G网络可以通过其可靠性和低延迟实现这一目标；5G还可以在车辆与基础设施（V2I）通信中发挥关键作用。V2I通信将车辆与交通信号灯、公交车站甚至公路本身等基础设施连接起来。这可以改善交通流量，减少外部危险因素，提升车辆反应速度，提高公共交通效率。第五节 5G能产生多少价值？
从产业链角度而言，5G产业链可以分为上游、中游、下游三个层面（见图1-10）。图1-10 5G产业链
◆上游：主要以基站系统和网络建设为主，从支持光波调试的光器件、光组件，到射频模块、基带芯片和成型天线，再到最终组成一个基站整体、小微基站以及室内系统等成型产品，这一环节主要完成的功能是通信信息的编码以及光波信号转换，并最终实现信号发送。从元器件到整个基站整体的构建，实现5G基站的功能升级之后，涉及不同地区的网络情况不一致，需要搭建的网络结构不一样，最终5G网络连接成为一个整体如何通过顶层规划再落地实施，这就涉及网络规划、核心网、接入网及承载网等工程性质的网络体系建设，而且在建设5G网络建设完成之后，还需要运营维护。这些环节都可以归纳为以大型设备提供商（华为、中兴等）为主导的上游。
◆中游：主要是电信运营商，基于5G提供各种服务。5G技术的大规模产业化、市场化应用，必须以运营商网络设备的先期投入作为先决条件，运营商对5G网络及相关配套设施的投资，将直接增加国内对网络设备的需求，带动总产出增长，推动经济发展，间接带动元器件、原材料等相关行业的发展。
◆下游：未来，5G与云计算、大数据、人工智能及虚拟增强现实等技术的深度融合，也将连接人和万物，成为各行各业智能化转型的新基础设施。一方面，5G将为用户提供超高清视频、下一代社交网络、浸入式游戏等更加身临其境的娱乐体验，促进人类社会交往和交互方式再次升级；另一方面，5G将支持海量的机器通信，以智慧城市、智能家居等为代表的典型应用场景与移动通信深度融合，预期千亿量级的设备将接入5G网络（见图1-11）。5G的下游应用将促进信息产品和服务的创新，让智能家居、可穿戴设备等新型信息产品，8K视频、虚拟现实教育系统等数字内容服务真正走进千家万户，增加信息消费的有效供给，推动信息消费的扩大和升级。图1-11 网络终端的高速增长
更重要的是，5G还将以其超高可靠性、超低时延的卓越性能，引爆如车联网、移动医疗、工业互联网等垂直行业应用，助推我国制造强国、网络强国建设，使新一代移动通信成为引领国家智能化转型的通用目的技术。因此，作为新兴通用目的技术的5G，其商用化将引发新一轮投资高潮，促进5G技术向经济社会各领域的扩散渗透，孕育新兴信息产品和服务，重塑传统产业发展模式，成为经济社会发展的关键动力。与此同时，5G的低时延、高速率、低成本特性，将吸引国民经济各行业扩大5G相关投资，加大信息通信行业资本投入比重，提升各行业数字化水平，提高投入产出效率，进而促进经济结构优化，推动经济增长。
根据中国信息通信研究院的测算，5G作为下一代移动通信技术，将会创造出巨大的经济价值。预计到2030年，5G带动的直接和间接产出将分别达到6.3万亿元和10.6万亿元。在直接产出方面，以2020年5G正式商用计，预计当年将带动约4840亿元的直接产出，2025年、2030年将分别增长到3.3万亿元、6.3万亿元，10年间的年均复合增长率约为29%。在间接产出方面，2020年、2025年和2030年，5G将分别带动1.2万亿元、6.3万亿元和10.6万亿元，年均复合增长率约为24%（见图1-12）。图1-12 5G创造出巨大的经济价值数据来源：中国信息通信研究院。
从产出结构看，拉动产出增长的动力随5G商用进程的深化而相继转换。在5G商用初期，运营商大规模开展网络建设，5G网络设备投资带来的设备制造商收入将成为5G直接经济产出的主要来源，预计2020年，网络设备和终端设备收入合计约4500亿元，占直接经济总产出的94%。在5G商用中期，来自用户和其他行业的终端设备支出和电信服务支出持续增长，预计到2025年，上述两项支出分别为1.4万亿和0.7万亿元，占直接经济总产出的64%。在5G商用中后期，互联网企业与5G相关的信息服务收入增长显著，成为直接产出的主要来源，预计2030年，互联网信息服务收入将达到2.6万亿元，占直接经济总产出的42%（见图1-13）。图1-13 不同阶段的直接产出构成占比
随着5G应用的发展，也将能够解决各种社会问题，同时会产生提升国民生活水平的各种社会效益。与产生的直接经济效益不同，5G应用将更多地间接波及社会效益（见表1-3）。
以车联网为例，除了带来汽车应用服务市场、无人驾驶服务市场、车载设备市场和设备投资等经济效果之外，还将从缓解交通堵塞、提升物流效率、减少CO排放、节约出行时间以及减少交通事故伤亡等2诸多方面带来的巨大社会效益（见图1-14）。表1-3 5G的社会效益图1-14 5G的社会效益（以车联网为例）
对于我国而言，发展5G还有另一层重要意义。在全球移动通信标准方面，中国实现了“2G跟随”“3G突破”到“4G同步”的跨越，面向未来的5G时代，有望晋级为“领跑者”的角色。因此，研发和部署5G，除了具有经济意义外，还有更深层次的战略意义。
从中国的人口规模和手机用户数量来看，5G建设有着较高的“性价比”。数据显示，中国铁塔公司在2017年日均增设460个基站，相当于3个月间就超过了美国过去三年建设的所有基站数量。在移动通信网络基础设施扩建和升级方面，中国有明显领先的优势（见图1-15、图1-16）。
根据德勤公司的推算，中国电信运营商建设基站的成本是美国运营商的65%，施工以及办理施工手续的成本不到美国的15%～20%。美国要想保障具备与中国同等的5G移动通信能力，需要付出2.67倍的费用。图1-15 中、美、德、日基站密度对比（基站数量/万人）图1-16 中、美、德、日基站密度对比（基站数量/平方千米）第二章 5G并不神秘
5G标准逐渐成形，我国提交的5G国际标准文稿占全球的32%，主导标准化项目占比达40%，推进速度、推进质量均位居世界前列。
频谱的选择和可利用性是5G最重要的因素。
移动通信的本质就是实现信息的传输，首先通过将语音、文本、图像及视频等内容进行编码，由光模块、基带芯片等核心部件转换成光波信号，然后通过射频/天线等基站核心器件发射出去，再经由光纤、光缆等传输介质接入核心网络，实现超长距离传输，最终在接收端解码还原成最初的信息，呈现给接收者。
在通信过程中，既要保证高速率、大带宽、低时延等需求，又要保证海量数据转换成光波传输且传输过程中信号不丢失、互不干扰，最终准确送达给接收者，这些环节都需要大量专业移动通信技术和基础设施建设投入。移动通信的发展就是围绕着这些环节不断做软件和硬件的升级迭代，每一代的升级都会比前一代更进步，功能和性能都会进一步提升。5G就是相比于上一代4G移动通信而做的一次功能升级和技术提升，是全球移动通信产业的第五次升级。第一节 前提是标准
在系列频率分配和识别方面，需要国际组织、区域电信组织和国家监管机构之间协调全球统一频谱标准，这是成功部署5G网络的前提之一。只有通过协调分配，才能最大限度地减少边界的无线电干扰、便于国际漫游并降低设备成本。
所以，全球统一频谱总体协调也是ITU-R在世界无线电通信大会（WRC）进程中的主要目标。
5G网络的高容量部署能力需要更多的频谱带宽，从而增加了对频谱的需求。目前，行业正在共同努力为5G频谱谋划发展路径。例如，国际电信联盟正在进行5G移动系统开发附加频谱的国际协调，国际电信联盟的标准化部门在制定5G系统有线元件的技术和架构标准方面发挥着关键作用。
从历史来看，世界无线电通信大会（WRC）大约每隔8年进行一次重大的移动通信频谱划分：
◆1992年，WRC-92划分了3G核心频段，成为3G发展的基础。
◆2000年，WRC-2000划分的2.6GHz频段，是我国发放4G牌照的重要频段。
◆2007年，WRC-07划分了3.5GHz频段和数字红利频段，这些频段是当前全球4G发展的热点频段。
◆2015年，WRC-15将470～694MHz、1427～1518MHz、3300～3400MHz、3600～3700MHz和4800～4990MHz频段划分给部分区域或国家的IMT使用，是5G发展的重要中频段资源。
2015年无线电通信全会（RA～15）批准“IMT-2020”作为5G正式名称，至此，IMT-2020将与已有的IMT-2000（3G）、IMT-A（4G）组成新的IMT系列。这标志着在国际电信联盟《无线电规则》中现有标注给IMT系统使用的频段，均可考虑作为5G系统的中低频段（见图2-1）。
同时，为了积极应对未来移动通信数据流量的快速增长，WRC-15大会上确定了WRC-191.13议题：根据第238决议（WRC-15），审议为国际移动通信（IMT）的未来发展确定频段，包括为作为主要业务的移动业务做出附加划分的可能性。并请ITU-R开展研究，包括在24.25～86GHz频率范围内开展IMT地面部分的频谱需求研究，在8个移动业务为主要划分的频段（24.25～27.5GHz、37～40.5GHz、42.5～43.5GHz、45.5～47GHz、47.2～50.2GHz、50.4～52.6GHz、66～76GHz和81～86GHz）和3个尚未有移动业务划分的频段（31.8～33.4GHz、40.5～42.5GHz和47～47.2GHz）开展共存研究。图2-1 WRC会议新增IMT标识频谱
该议题的研究内容具体包括3个方面：频谱需求预测研究、候选频段研究以及系统间干扰共存研究。
◆频谱需求预测主要分析新增频谱的必要性。具体而言，频谱需求研究基于历史数据，综合未来发展各种影响因素，结合移动通信数据增长预测趋势，考虑特定技术系统的承载能力，分析未来频率需求问题，给出不同阶段的所需频谱总量，作为新增频谱的基础。
◆候选频段研究基于频谱需求的研究结论，选择并提出合适的目标频段。需要充分考虑业务划分情况、移动通信系统需求、设备器件制造能力等综合因素，初步选择合适的目标频段，各国、各标准化组织立足于本国、本地区的频率使用现状，提出初步的候选频段。
◆系统间干扰共存研究主要评估所选目标频段的可用性。主要根据所提候选频段的业务划分、系统规划和使用现状，并基于现有业务或系统的技术特性、部署场景等因素，开展移动通信系统与现有或拟规划的其他系统之间兼容性研究（毫米波频段主要以空间业务为主）。
在WRC-15之后的WRC-19第1次筹备组会议CPM19-1会议上，确定了ITU-R负责该议题的研究组是5G毫米波特设工作组（TG5/1），负责兼容性共存研究，并形成CPM报告，给出全球5G频率规划建议。同时进一步确定，由ITU-R WP5D完成24.25～86GHz频段范围内IMT频谱需求预测、IMT技术与操作特性参数研究；由ITU-R SG3负责共存研究所需要的传播模型；ITU-R其他组包括SG4、SG5、SG6和SG7负责向TG51提供相关频段上原有业务的参数及保护准则等内容。
从时间进度来看，TG51先后召开6次国际研究及协调会议，在2018年9月完成相应的共存研究及CPM报告。其中一些关键时间点为：第2次会议之前为准备阶段，TG51等待接收来自其他研究组提供的用于开展兼容性共存研究的系统参数、传输模型等；之后的5次会议，根据各国及研究组织提交的研究结果进行讨论、融合、提炼，形成最终的结论。
WRC-191.13议题的主要目标是，致力于为5G寻求全球或区域协调一致的毫米波频段，是全球开展5G毫米波研究的重要依托。因此，该议题研究走向对全球5G频率规划有重要影响，多数国家或地区将根据议题进展及结果开展规划。从某种意义上说，一个国家或地区要引领全球5G频谱发展走向，就需要依托1.13议题，通过议题研究将国家或区域观点全球化。对WRC-19来讲，这一进程目前正处于对24GHz以上，可获得大带宽的世界协调无线电频谱，其大型毗连区块的IMT分配和识别达成共识的阶段，这些区块有大带宽可用。WRC-19关于这一主题的决定将基于ITU对移动服务和现有服务在这些频带和相邻频带中的广泛共享和兼容性的研究。
除了国际电信联盟（ITU）之外，第三代移动通信组织（3GPP）是公认的全球移动通信标准化组织。3GPP也正在加速开展针对5G新无线系统（NR）频段的研究。
2016年3月3GPP第71次RAN全会上，通过了Study on New Radio Access Technology的研究课题，以研究面向5G的新无线系统（NR）接入技术。目前，根据3GPP 5G路标，基于部署需求的5G NR标准制定分为两个阶段：第一阶段的标准在2018年6月（Rel.15）完成制定，以满足2020年之前的5G早期网络部署需求；第二阶段的标准版本需要考虑与第一阶段兼容，计划在2019年底（Rel.16）完成制定，并作为正式的5G版本提交ITU-R IMT-2020（见图2-2）。
在5G NR的研究课题阶段，3GPP开展了关于6GHz以上信道模型的研究（3GPP TR 38.900），同时研究并确定了NR的需求及场景（3GPP TR 38.913），并基于此启动了NR技术方案评估，提出一系列NR接入技术方案以支持Rel 15标准制定。2017年3月举行的3GPP RAN 75次全会通过了5G NR接入技术的研究项目（SI）结题，并正式启动了5G新无线系统接入技术的Rel.15标准制定工作，立项建议书中列出了拟定义的NR频段（包括新NR频段范围及LTE重耕频段）以及NR与LTE的双连接或CA的频段组合，并再根据需求持续更新。图2-2 5G标准的演进过程
发达国家的一些电信监管机构正在考虑将700MHz、3.4GHz和24GHz频段用于5G的初始部署，以满足5G的覆盖范围和容量要求，接下来将考虑24GHz以上5G频谱的许可和使用模式。GSMA期望3.3～3.8GHz频谱能够成为许多最初5G业务的基础，特别是提供增强型移动宽带。这是因为3.4～3.6GHz几乎覆盖全球，因此能够很好地推动低成本设备所需的规模经济。此外，3GPP目前正在发展的标准项目包括基于OFDM的可扩展波形、支持更低时延和前向兼容的全新灵活框架，以及利用高频频段的全新先进天线技术。
值得一提的是，我国厂商对标准制定也做出了重要贡献，并且掌握较高比例的核心标准。根据第43次《中国互联网络发展状况统计报告》，截至2018年3月，我国提交的5G国际标准文稿占全球的32%，主导标准化项目占比达40%，推进速度、推进质量均位居世界前列。华为、中兴、OPPO和中国电信科学技术研究院一共拥有全球36%的5G标必要专利，是中国公司在4G专利中占比的两倍多，可见我国通过产业链不懈地努力，也逐渐增强了在标准领域的话语权，缩小了标准差距。同时，我国三大基础运营商也积极参与5G标准制定，也做出了极大贡献。
比如，在5G性能标准制定过程中，中国电信主持了5G基站基带性能的技术讨论和标准制定，牵头组织3GPP官方技术标准的撰写；中国移动在2017年12月牵头完成首版5G网络架构国际标准；中国联通则在2018年11月主导3GPP发布了首个Sub-6GHz 5G独立部署的终端射频一致性测试标准，为5G时代终端一致性测试提供了技术依据，为相关国家标准的制定提供了参考……不难看出，在5G标准领域，中国已在蓄势待发。
目前5G标准逐渐成形，全球电信运营商开始加大、加紧网络部署，基站建设和应用试点如火如荼，万物智联的新时代即将开启。第二节 关键是频谱
5G将不仅仅服务于移动通信本身，还将渗透到未来社会的各个领域，与传统制造、服务行业的融合创新促成“智能+”新业态，改变人们的生产、工作和生活方式，为当今全球经济和社会的发展带来无限生机。相比于以往的各代移动通信系统，5G需要满足更加多样化的场景和极致性能要求。因此可以说，频谱资源是研发、部署5G网络关键的基础资源，部署一个切实可行的5G网络，频谱的选择和可利用性是最重要的因素，因为频谱决定未来数据传输的速度、数量和延迟。☆新频段
更高效、更灵活地使用现有频谱的同时，为5G网络开发新频谱也对未来的发展至关重要。国际电信联盟无线电通信局（ITU-R）发布的《5G愿景》（ITU-R M.2083建议书）定义5G系统将满足增强的移动宽带、海量的机器间通信、超高可靠和超低时延通信三大类主要应用场景。
在系统性能方面，5G系统将具备10～20Gbit/s的峰值速率，100Mbit/s～1Gbit/s的用户体验速率，相对4G系统提升3～5倍的频谱效率、百倍的能效、500km/h的移动性支持、1ms的空口时延、10022万/km的连接数密度以及10Mbit/（s·m）的流量密度等关键能力指标。
基于上述关键性能指标要求，为满足5G系统不同场景下的应用需求，支持多元化的业务应用，满足差异化用户需求，5G系统的候选频段需要面向全频段布局，低频段和高频段统筹规划，以满足网络对容量、覆盖和性能等方面的要求。频谱资源是推动5G标准与产业进程的关键因素。在寻找新的频谱资源的过程中，移动通信产业必然会受到来自其他行业的巨大阻力，如何平衡移动通信和卫星、国防、科学研究及广播等业务的发展，为5G未来发展提供资源保障至关重要。
频谱可用性在5G发展中影响最大，在5G的运营、开发和推广中发挥着关键作用。当前各国正在采用两种不同的方法为5G部署数百MHz带宽的新频谱以大幅提高性能：一种方法侧重于6GHz以下频谱部分（低频到中频频谱，也称为sub-6），主要在3～4GHz频段，代表国家是中国；第二种方法侧重于24～300GHz之间的频谱部分（高频谱或mmWave），代表国家是美国。
6GHz以下中低频频谱可兼顾5G系统的覆盖与容量，面向eMBB、mMTC和uRLLC三大应用场景构建5G基础移动通信网络；6GHz以上高频频谱主要用于实现5G网络的容量增强，面向eMBB场景实现热点极速体验。
5G应用可通过各种频谱频率来满足。例如，低频和短距离应用（适用于密集的城市区域）可能适用于mmWave频率（24GHz以上）。远程、低带宽应用（更适合农村地区）可能适用于低于1GHz的频率。虽然较低频率具有更好的传播特性可以获得更好的覆盖，但较高的频率可以支持较高的带宽，这是由于mmWave频带具有较大的频谱可用性。
mmWave的优势有：首先，短波长和窄光束为数据传输提供了更好的分辨率和安全性，并且可以用最小的延迟、更快的速度传输大量数据。其次，mmWave有更多的带宽可用，这可以提高数据传输速度并避免低频谱带中的拥塞。mmWave生态系统需要大量的基础设施构建，但可以获得以高达当前4G网络速度20倍的速度传输数据。最后，mmWave组件比用于较低频段的组件小，允许在无线设备上更紧凑地部署。
但mmWave技术面临的挑战是，传播距离受限制，且很容易被墙壁、树叶和人体本身等障碍物阻挡。这会产生很高的基础设施成本，因为mmWave网络需要在整个地理区域设置稠密的基站，以确保不间断的连接。
sub-6可以提供广域网覆盖，与mmWave相比具有较低的中断风险，因为它具有更长的波长和更大的穿透障碍的能力。因此，与mmWave相比，它需要更少的资本支出和更少的基站。再加上可以利用现有4G基础设施的能力，使得sub-6频谱能更快地建立5G生态系统，可能成为推动基础设施和设备部署量的主导全球频段。
频谱作为无线通信的基础战略资源，对5G产业发展至关重要。为引导5G产业发展，抢占市场先机，从2016年开始，包括美国、欧盟、韩国及日本等在内的全球主要国家或地区纷纷制定5G频谱政策。
1.美国实现5G高低频频谱布局
美国联邦通信委员会（FCC）分别在高、中、低频段开放频谱资源用于5G技术，总结主要有三点：
◆规划丰富高频资源。2016年7月14日，美国全票通过将24GHz以上频谱用于无线宽带业务的规则法令，共规划10.85GHz高频段频谱用于5G无线技术，包括28GHz（27.5～28.35GHz）、37GHz（37～38.6GHz）、39GHz（38.6～40GHz）共3.85GHz许可频谱和64～71GHz共7GHz免许可频谱。同时，2017年11月16日，FCC发布新的频谱规划，批准将24.25～24.45GHz、24.75～25.25GHz和47.2～48.2GHz频段共1700MHz频谱资源用于5G业务发展。至此，美国FCC共规划了12.55GHz的毫米波频段的频谱资源。
◆重视中频频段共享。2015年4月，美国FCC为公众无线宽带服务（CBRS），在3.5GHz频段（3550～3700MHz）提供150MHz的频谱，建立了3层频谱共享接入体系（SAS）监管模式并允许进行试验。SAS在保护已有业务的基础上发挥市场机制，引入公众无线宽带服务。AT&T已经正式向FCC提出在3.5GHz频段进行5G设备测试的特殊临时权限。
◆释放低频资源。美国在WRC15会议上通过添加脚注方式标识了2阶段数字红利频段470～698MHz为IMT系统使用，2017年4月完成600MHz频段的拍卖，T-Mobile成最大赢家，并计划用于5G部署。
2.欧盟发布5G频谱战略，力争抢占5G部署先机
2016年11月10日，欧盟委员会无线频谱政策组（RSPG）发布欧洲5G频谱战略，明确提出，3400～3800MHz频段将作为2020年前欧洲5G部署的主要频段，1GHz以下700MHz将用于5G广覆盖。在毫米波频段方面明确将26GHz（24.25～27.5GHz）频段将作为欧洲5G高频段的初期部署频段，RSPG建议欧盟在2020年前确定此频段的使用条件，建议欧盟各成员国保证26GHz频段的一部分在2020年前可用于满足5G市场需求。此外，欧盟将继续研究32GHz（31.8～33.4GHz）、40GHz（40.5～43.5GHz）频段以及其他高频频段。
3.日本发布无线电政策报告，明确5G频谱范围
2016年7月15日，日本总务省（MIC）发布了面向2020年无线电政策报告，明确5G候选频段：低频包括3600～3800MHz和4400～4900MHz，高频包括27.5～29.5GHz频段和其他WRC-19研究频段。面向2020年5G商用，日本主要聚焦在3600～3800MHz、4400～4900MHz频段和27.5～29.5GHz频段。
4.韩国变更C频段规划，明确5G频谱高低频并重
2016年11月7日，韩国未来创造科学部（MSIP）宣布原计划为4G准备的3.5GHz（3400～3700MHz）频谱转成5G用途，2017年回收已发放的3.5GHz频谱，后续作为5G频谱重新发牌。2018年韩国平昌冬奥会期间，3个运营商在26.5～29.5GHz频段部署5G试验网络，展示5G业务。
5.德国5G频谱规划涵盖高中低频4个频段
德国于2017年7月13日宣布了国家5G战略，发布更多5G频谱规
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