5G时代的来临(套装共4册)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：王映民等,葛晓虎,杨峰义等,赵绍刚

出版社：电子工业出版社

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5G时代的来临(套装共4册)试读：

前言

随着智能终端及移动互联网的快速发展，未来移动网络需要满足更高的数据传输能力要求。在无线资源有限的情况下，5G系统需要研究高效的无线传输关键技术，建立新型的无线传输体系，解决移动通信网络面临的频谱效率和功率效率问题。本书将重点介绍面向5G的无线传输关键技术，结合国内外学术界和工业界的最新研究成果，对新型编码调制、大规模多天线、新型多址接入、终端间直通、全双工、信道建模等关键理论和技术进行全面介绍和详细分析，为读者呈现出5G无线传输技术发展的美好前景。邬贺铨院士之序

电子工业出版社从我国大力推动第五代移动通信系统（IMT-2020，又称5G）研究的背景出发，通过充分调研和认真组织，策划出版“5G技术”丛书，以期及时总结、深入分析和充分反映我国在新的无线通信国际标准制定过程中的最新进展。丛书将按照5G关键技术和5G系统设计与应用两个层面分成两卷，“关键技术卷”各分册主要从理论和技术层面对5G关键候选技术进行具体详实的分析和介绍，“系统设计与应用卷”各分册主要从系统和应用层面对5G总体架构以及关键方法的评估和应用进行深入分析和描述，各分册的作者都是国内活跃在相关研究领域的优秀中青年科研工作者，具有较强的理论研究积累和实践经验，目前又都承担了与5G有关的国家重大专项和“863计划”等项目。很高兴看到这批优秀的中青年科研工作者在参与科研工作的同时，积极参加编写这套高新技术丛书。

从出版社和著作者提供的样书看出，丛书以及每本书的结构都是经过仔细斟酌的，逻辑清晰、内容全面、观点鲜明、创新性强，内容充分反映了我国在新一代移动通信国际标准探索和技术开发中的最新成果，可供国内外的同行参考，将促进我国对国际5G标准制定的贡献。相信本套丛书的出版发行，将会推动我国移动通信技术的自主创新和产业发展。邬贺铨2016年8月刘韵洁院士之序

面向2020年及未来，移动通信技术和产业将迈入第五代移动通信（5G）的发展阶段。5G将满足人们的超高业务吞吐量、超高连接数密度、超高移动速度和超可靠低时延的广泛应用需求，大幅改善提升通信网络频谱效率、能量效率与成本效率，拓展移动通信产业的发展空间。更为重要的是，5G将渗透到物联网和传统产业领域，与工业设施、医疗仪器、交通工具等深度融合，全面实现“万物互联”，有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的信息化服务需要。

在2016年7月15日，美国政府宣布推出4亿美元的先进无线研究计划（Advanced Wireless Research Initiative），由美国国家科学基金会牵头实施，将部署四个城市规模的5G实验测试平台，推动面向未来无线通信的基础理论和关键技术研究。我国工信部、发改委、科技部联合成立了“IMT-2020推进组”，汇聚产、学、研、用各方力量，引领规划和重点推动5G关键技术研发，充分支持我国优势电信企业和研究院所在新一代移动通信国际标准制定过程中掌控影响力和话语权。

随着5G研发和标准化工作的快速深入展开，急需一套全面论述5G基础理论、关键技术和应用架构的系列书籍，电子工业出版社提前预见这一技术发展趋势和重要产业需求，有效组织国家IMT-2020推进组、国家03科技重大专项和国家“863计划”5G前期研发项目等的主要承担单位和优秀科技工作者，成功策划了这套5G技术丛书，及时总结和深入分析了最新5G技术的理论基础、体系架构、系统设计、测试评估、应用实现等多个方面的最新进展和研发挑战，相信这套丛书的丰富理论成果和实践经验能够帮助和培养新一代移动通信科技工作者，有效推进和巩固我国在5G国际标准化进程中的领导地位。刘韵洁2016年9月张乃通院士之序

移动通信的发展不仅深刻改变了人们的生活方式，且已成为推动国民经济发展、提升社会信息化水平的重要引擎。移动互联网关键技术和基础设施的发展是“中国制造2025”、“互联网＋”战略的基础和保障。当前，面向2020年及未来的第五代移动通信（5G）已成为全球研发热点。为占领信息领域国际领先地位、掌握产业发展话语权，国家工信部、发改委、科技部成立“IMT-2020推进组”，组织我国产、学、研、用各方力量，推动5G技术研究，以期在新的无线通信国际标准制定中掌握话语权和主导权，推动技术创新发展战略，为自主可控的信息网络提供基础设施保障。目前，我国的5G研发工作已走在国际前列。

电子工业出版社以此为背景，提出5G技术丛书的出版计划，组织国家IMT-2020推进组的主要参与单位，承担或参与国家“863计划”5G系统研究开发先期研究重大项目的单位，选择在国家重大科技专项中承担5G相关项目研发工作的中青年科技工作者作为丛书编著团队，编著这套丛书。丛书分为两卷：（1）“关键技术卷”，从理论和技术层面对5G关键技术进行全面深入的分析，系统总结近年来我国在面向IMT-2020（5G）研发方面所取得的进展。（2）“系统设计与应用卷”，从系统应用层面对5G总体架构、传输性能评估和应用等方面进行阐述，具有系统创新特色和理论联系实际的效果，符合当前开展IMT-2020研究与工程的需求。

IMT-2020推进组当前为了更加广泛与深入的开展研发工作，急需一套从理论技术到应用的丛书，相信本套丛书的丰富内容和先进成果能够有效促进完成IMT-2020推进组的既定目标。张乃通2016年11月尤肖虎教授之序

从2009年开始，全球掀起4G建设热潮，截至2015年底，全球4G用户数已达到10.5亿，中国4G用户数到达3.86亿，4G在网用户人均月度使用流量突破了200MB，运营商从原本以语音为主的运营，逐步转向以数据为主的流量运营，同时极大地激活了移动互联网。

2012年底，欧盟启动了全球首个5G研究项目METIS。2013年，国际电联正式启动了5G标准研究工作，开展5G需求、频谱及技术趋势的研究工作，计划2016年完成技术评估方法研究，2018年完成IMT-2020标准征集，2020年最终确定5G标准。3GPP作为国际移动通信的标准化组织，于2015年确定了5G研究计划，2016～2017年完成5G技术方案研究阶段，2018～2019年完成5G技术规范制定。我国“863计划”于2014年启动了5G技术研究项目，系统研究5G领域的关键技术，包括无线网络架构、大规模天线、超密集无线网络、软基站试验平台、无线网络虚拟化、毫米波室内无线接入和评估与测试验证。与“863计划”5G相衔接，国家科技重大专项5G相关研发课题的目标是面向国际标准，鼓励我国产学研联合开展研发，由企业推动创新成果纳入IMT-2020国际标准中。进一步，我国已将“积极推进第五代移动通信（5G）和超宽带关键技术研究，启动5G商用”写入“十三五”规划中。

5G的主要应用为移动宽带、物联网和工业互联网，旨在成为未来社会的信息基础设施。5G将引入新型传输技术提高频谱利用率和支持高频段使用；同时以网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）和软件定义网络（Software Defined Network，SDN）为主要手段，构建控制与转发分离和控制集中的网络架构，实现网络资源的灵活编排和部署；通过新型波形、新多址和新帧结构等技术，从而为海量物联网设备提供低功耗与深度覆盖，为工业无线通信等应用提供高可靠低时延的连接。

本套丛书内容涉及5G系统的最新理论研究成果和关键技术评估，具体包括5G网络架构、无线传输、超密集网络、大规模多天线、能效和频谱优化、仿真与测试等多个方面的研究成果和技术趋势，作者来自于电信运营商、设备研制企业和科研院所，内容和视角全面完整，注重理论分析与实际应用相结合，具有很好的时效性和参考价值。本丛书适合高等院校通信信息、电子工程及相关专业的高年级本科生和研究生，以及无线通信领域的专业工程技术人员。尤肖虎2016年9月前言

随着人类社会信息化的加速，整个社会对信息通信的需求水平明显提升，可以说信息通信对人类社会的价值和贡献将远远超过通信本身，信息通信将成为维持整个社会生态系统正常运转的信息大动脉。无线移动通信以其使用的广泛性和接入的便利性，将从人与人之间的沟通拓展到人与物、物与物的一切连接，在未来信息通信系统中承担越来越重要的角色。人们对无线移动通信方方面面的需求呈现爆炸式增长，这些将对下一代无线移动通信（5G）系统在频率、技术和运营等方面带来新的挑战，未来移动通信将如何发展成为业界研究的热点。

2015年6月召开的国际电信联盟ITU-R WP5D第22次会议，正式确认ITU将命名为5G IMT-2020，并确定了5G的场景、能力和时间表等重要内容，第5代移动通信的发展已经进入了技术研究和标准化的重要时期。移动通信的跨代演进是由业务和应用驱动的，30多年来，全球移动通信已经发展到了第4代系统。从业务和应用的角度看代际演进的特点，第1代是语音通信，第2代是语音＋文本，第3代是多媒体通信，而现在的第4代则是移动互联网。

5G的主要需求和驱动力是移动互联网和物联网的应用和发展。5G的应用场景需求分为三个场景，一个是支持移动互联网的MBB的演进发展，两个是物联网的发展；在物联网的场景中，一个是大数量低功耗连接的场景，一个是高要求的高可靠低时延的场景。从业务和应用的角度看5G，最重要的特点就是大数据、众连接和场景体验。大数据，就是数据量大、数据速率高、数据服务为主，为移动互联网的发展提供支持；众连接就是大量的物联网终端用户接入，提供连接一切的能力；场景体验就是提供对应不同场景高质量的用户体验。

5G丰富的多场景应用和体验的需求，决定了5G的技术和能力需求也是多个维度的。即对应一组未来的应用场景需求和一组传输能力要求，需要由一组关键技术来支撑相应系统的实现。整体上，5G的发展具有如下特点：（1）5G将是一个多场景、多指标、多技术的无线传输体系，有别于以往的前4代移动通信，5G作为面向2020年以后人类信息社会需求的移动通信系统，它是一个多业务、多技术融合的无线网络，通过技术的演进和创新，满足未来包含广泛数据和连接的各种业务的快速发展需要，提升用户体验。（2）5G系统与标准体系的设计至关重要，未来的5G系统将是演进、融合和创新的系统，需要全面优化的系统与标准体系设计，使5G可以为迎接一个连接一切的系统来服务，5G将通过系统整体设计实现单一标准体系的多模式智能灵活切换，从而更好地为多种场景的体验服务。（3）5G是一个涉及全产业链的全新能力的提升，5G的竞争将不仅仅是通信产业的竞争，而且是基础产业及垂直行业全产业链的竞争，其中基础产业能力包括元器件、芯片、软件、基础设施以及应用系统和服务的能力。

2015年9月召开的3GPP RAN Workshop on 5G会议，对5G空口技术及其标准化安排进行了研讨。来自全球的5G组织参加了会议，重点介绍研究进展和主要观点；约60多个3GPP成员输入文稿，表达5G技术观点、5G版本考虑等。3GPP形成了共识：5G标准体系包含全新空中接口：新空口不考虑与LTE的后向兼容，同时LTE将继续演进。5G标准包含两个阶段：● 第一阶段（Rel-15）在2018年下半年完成，尽量满足早期商用需

求。● 第二阶段（Rel-16）在2019年年底完成，满足所有5G场景和需

求，并作为IMT-2020标准提交。

5G标准保持前向兼容性：由于5G标准分阶段完成，5G新空口设计中将充分考虑前向兼容性，即新空口设计应易于支持后续新的应用场景和需求。这次会议的召开也意味着3GPP的5G空中接口的研究和标准化工作正式启动。

在无线资源有限的情况下，5G系统需要研究高效的无线传输关键技术，建立新型的无线传输体系，解决移动通信网络面临的频谱效率和功率效率问题。本书将重点介绍面向5G的无线传输关键技术，结合国内外学术界和工业界的最新研究成果，对新型编码调制、大规模多天线、新型多址接入、终端间直通、全双工、信道建模等关键理论和技术进行全面介绍和详细分析，为读者呈现出5G无线传输技术发展的美好前景。

面对全球通信产业激烈竞争，中国通信人已经经历了从追赶到并驾齐驱、从同步竞争到超越发展，经历了中国通信业由大到强的发展历程。在5G技术的研究中，我国企业、高校和相关组织机构发挥了重要的作用，取得了丰硕的成果。本书就是多家单位合作的结晶。

本书由王映民、孙韶辉、高秋彬主持编写，各章编写的负责人和参与人员如下：章负责人参与人员大唐电信科技产业集团　大唐电信科技产业集团　孙韶辉第1章王映民大唐电信科技产业集团　秦飞北京邮电大学　田磊第2章北京邮电大学　张建华北京邮电大学　刘振子东南大学　王东明大唐电信科技产业集团　宋扬大唐电信科技产业集团　第3章大唐电信科技产业集团　苏昕任余维大唐电信科技产业集团　孙韶辉大唐电信科技产业集团　任斌北京科技大学　戴晓明大唐电信科技产业集团　第4章大唐电信科技产业集团　康绍莉高秋彬大唐电信科技产业集团　孙韶辉上海无线通信研究中心　康凯西安电子科技大学　徐恒舟西安电子科技大学　白宝第5章西安电子科技大学　冯丹明西安电子科技大学　徐旻子大唐电信科技产业集团　孙韶辉第6章北京大学　马猛北京大学　焦秉立上海无线通信研究中心　周婷北京大学　许晨北京大学　宋令阳大唐电信科技产业集团　大唐电信科技产业集团　第7章高秋彬陈文洪大唐电信科技产业集团　徐晖大唐电信科技产业集团　张娟

本书作者感谢电信科学技术研究院、北京邮电大学、北京大学、西安电子科技大学、上海无线通信研究中心、东南大学、北京科技大学等单位及中国IMT-2020推进组和Future论坛的领导和同事们的大力支持和真诚帮助，感谢在5G技术研究和标准化过程中与中国信息通信研究院、中国移动研究院以及众多的国内外厂商和研究机构的交流与合作。限于作者的水平和能力，本书还有诸多不足与谬误之处，还希望各位读者和专家提出宝贵的意见和建议。作者2016年3月第1章5G移动通信发展概述

从2012年起，第5代移动通信系统和关键技术逐渐成为移动通信领域的研究热点。本章在回顾第1代移动通信到第4代移动通信系统发展历程及其主要技术特征的基础上，介绍第5代移动通信（5G）系统发展愿景与需求，描述了作为5G主要驱动力的移动互联网和物联网业务快速发展对5G系统带来的需求、挑战，进而给出5G系统性能指标以及应用场景分析，并简要介绍了各主要国家和国际标准化组织在5G研究标准化进展方面的情况。最后，对5G系统主要应用场景与5G无线传输关键技术间的对应关系进行简要分析和介绍。通过本章介绍，使读者对移动通信发展脉络有一个较好了解，并对未来新一代移动通信系统（5G）有一个初步的整体认识。1.1　移动通信系统发展状况

移动通信和互联网技术是20世纪末促进人类社会飞速发展的最重要的两项技术，它们给人们的生活方式、工作方式以及社会的政治、经济都带来了巨大的影响。移动通信在过去30多年的时间里得到了迅猛的发展，特别是进入20世纪90年代以后，地面蜂窝移动通信以异乎寻常的速度得到大规模的普及应用，成为包括发达国家和发展中国家在内的全球2/3以上人口所使用的真正的公众移动通信系统。

移动通信以其通信终端的移动性为最基本的特征，从移动通信技术的发展历程来看，对移动通信系统动态特性的追求和满足是最重要的技术发展方向和研究线索。移动通信的动态特性主要包括3个方面的内容：（1）信道的动态性，移动通信的传播信道具有开放性、环境复杂性和信道参量动态时变的特点；（2）用户的动态性，移动通信的用户具有移动性和个人化服务的特性；（3）业务的动态性，移动通信可提供各种业务类型服务并可动[1]～[4]态选择。

结合移动通信的动态特性和业务应用需求，我们可以把现代移动通信系统在设计中通常所需考虑的重要特性归纳如下：（1）无线频率资源的有限性，即无线频率资源是稀缺性的资源；（2）移动通信信道的复杂和时变的特性；（3）系统中所有用户独立地共享信道资源，这也是由无线信道的开放性所决定的；（4）用户终端的移动性，用户可以处于移动、游牧或者固定状态；（5）用户激活的随机性，用户业务数据可以在任何时间、位置发起并进行通信；（6）用户数据的突发性，用户业务数据的激活期远小于静默期；（7）用户终端类型和业务的多样性以及不同系统之间的互联互通特性。

随着信息与通信事业的不断发展，在现代移动通信系统中，这些特点将越来越明显、越来越普遍。

蜂窝概念的引入是解决移动通信系统容量和覆盖问题的一个重大突破。蜂窝系统的提出与实现，使得移动通信技术能够真正为广大公众提供服务。当然，蜂窝系统带来的好处是以复杂的网络及无线资源管理技术为代价的。这一点也是现代移动通信系统的另一个非常重要的特点。自从1979年美国芝加哥第一台模拟蜂窝移动电话系统的试[12]验成功至今，移动通信已经经历了4个时代，正在向着第5代系统

[13]～[15]迈进。

第1代移动通信系统是模拟蜂窝系统，采用频分多址（FDMA，Frequency Division Multiple Access）技术。第1代模拟蜂窝通信系统打破了传统的大区制的无线电广播和无线电台的技术理念，基于蜂窝结构的频率复用组网方案，提升了频谱利用的效率，基本保证了移动场景下话音业务的连续性，为移动通信的快速普及和应用奠定了基础。典型的第1代系统有北美的高级移动电话系统（AMPS，Advanced Mobile Phone System）、英国的全接入通信系统（TACS，Total Access Communications System）等。第1代系统在20世纪80年代初实现了蜂窝网的商业化，并于90年代末退出历史舞台，是移动通信发展历史上重要的里程碑。模拟蜂窝系统的缺点是容量小，业务种类单一（不能提供非语音业务），传输质量不高，保密性差，制式不统一，且设备难以小型化。第1代模拟蜂窝移动通信系统的典型特征见表1-1。表1-1　第1代模拟蜂窝移动通信系统的典型特征业务电路域模拟话音业务目标提高单站话音路数和频谱效率关键技术FDMA，模拟调制，基于蜂窝结构的频率复用频率800/900 MHz覆盖宏覆盖，小区半径千米量级全球漫游不支持代表系统AMPS，TACS商用周期1980—2000年

第2代移动通信系统是窄带数字蜂窝系统，采用时分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）或码分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）技术。典型的系统有欧洲的GSM（采用TDMA技术，20世纪90年代初期商用）系统、北美的IS-95（采用CDMA技术，20世纪90年代中期商用）系统等。第2代移动通信系统在容量和性能上都比第一代系统有了很大的提高，不仅可以提供语音业务，还可以提供低速数据业务。第2代系统使移动通信得到了广泛的应用和普及，取得了商业上的巨大成功。第2代系统的技术和性能还在不断地演进和提高，形成了GSM的演进版本GPRS和EDGE，以及CDMA的演进版本CDMA1x，以提供更高速率的电路和分组数据业务。从1990年商用至今，截至2014年，全球范围内通过2G移动通信系统接入的用户数目超过40亿。第2代数字蜂窝移动通信系统的典型特征见表1-2。表1-2　第2代数字蜂窝移动通信系统的典型特征数字话音，短信，9.6～384 kbps数据业务业务目标提高频谱利用效率，无缝切换TDMA/CDMA，GMSK/QPSK数字调制，无缝关键技术切换，漫游频率800/900 MHz，1800 MHz宏小区/微小区为主，小区半径为几百米～几千覆盖米全球漫游支持GSM/GPRS/ EDGE和 CDMA（IS-95，代表系统CDMA1x）商用周期1992年至今

但是，由于第2代系统主要技术的固有局限，系统容量和所能提供的通信业务服务难以满足个人通信应用高速增长的需求。市场的需求和技术的进步，使得移动通信系统又在向第3代系统发展。

第3代移动通信系统开启了由以话音为主转向以数据业务为主的移动通信发展时代。第3代移动通信标准的讨论始于20世纪90年代，国际电信联盟（ITU）在2000年5月召开的全球无线电大会（WRC-2000）上正式批准了第3代移动通信系统（IMT-2000，International Mobile Telecommunication 2000）的无线接口技术规范建议（IMT-RSCP），此规范建议了5种技术标准。其中，有两种TDMA技术：SC-TDMA（美国的UMC-136）和MC-TDMA（欧洲的EP-DECT）；另外三种是CDMA技术：MC-CDMA（即CDMA2000），DS-CDMA（即WCDMA）和CDMA TDD（包括TD-SCDMA和UTRA TDD）。2007年，IEEE基于OFDM技术，提出的WiMAX标准成为另一个新的第三代移动通信标准。[17]

3种CDMA技术分别受到两个国际标准化组织——3GPP（3rd [18]Generation Partnership Project）和3GPP2的支持：3GPP负责DS-CDMA和CDMA TDD的标准化工作，分别称为3GPP FDD（频分双工，Frequency Division Duplex）和3GPP TDD（时分双工，Time Division Duplex）；3GPP2负责MC-CDMA，即CDMA2000的标准化工作。由此形成了世界公认的第3代移动通信的3个国际标准及其商用的系统，即WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000。在中国，这3个标准的系统分别由中国移动（TD-SCDMA）、中国电信（CDMA2000）和中国联通（WCDMA）建设和运营。IEEE 支持的基于OFDM技术的WiMAX，在以往宽带接入技术基础上发展起来，并在部分新兴运营商中得到一定的部署和应用。

1998年原信息产业部电信科学技术研究院（大唐电信科技产业集团）在原信息产业部的领导和支持下，代表我国向国际电联提出了第3代移动通信TD-SCDMA（Time Division Duplex-Synchronous CDMA）标准建议。1999 年11月在芬兰赫尔辛基举行的国际电联（ITU-R）会议上，TD-SCDMA标准提案被写入第3代移动通信无线接口技术规范的建议中。2000年5月，世界无线电行政大会正式批准接纳TD-SCDMA为第3代移动通信国际标准之一。这是我国第一次向国际上完整地提出自己的电信技术标准建议，是我国电信技术的重大突破。1999—2001年，在3GPP组织内开展了大量的技术融合和具体的规范制定工作。通过近两年国内外企业和机构的紧密合作，2001年3月，TD-SCDMA成为3GPP R4的一个组成部分，形成了完整的TD-SCDMA第3代移动通信国际标准。

以CDMA为最主要技术特征的第3代移动通信系统实现了更大的系统带宽，面向以包交换为主的业务，更加广泛的话音、短信、多媒体和数据业务，初期设计目标为高速移动环境下支持144 kbps，低速移动支持2 Mbps；后续版本中，陆续推出了HSDPA、HSUPA以及HSPA＋特性，3G数据通信能力进一步提升。第3代数字蜂窝移动通信系统的典型特征如表1-3所示。表1-3　第3代数字蜂窝移动通信系统的典型特征业务话音、短信和多媒体高速移动144 kbps，低速移动2 Mbps；后续支目标持40 Mbps以上速率CDMA，包交换；演进引入HARQ和AMC，动关键技术态调度，MIMO以及高阶调制2 GHz频段为主，也支持800/900 MHz，1800 频率MHz宏小区/微小区/皮小区，小区半径几十米、几覆盖百米到几千米全球漫游支持TD-SCDMA，WCDMA，CDMA2000，WiMAX代表系统商用周期2001年至今

虽然第3代移动通信系统能够较好地支持数据业务的开展，但随着社会和经济发展，对于更高数据率的通信也越来越迫切。由于基于CDMA技术的第3代移动通信系统在支持更大带宽和多天线信号处理上存在复杂度较高等缺点，第4代移动通信系统标准化制定被提上议程。

3GPP于2005年3月正式启动了空口技术的长期演进（LTE，Long Term Evolution）项目，并于2008年12月发布了LTE第一个商用版本R8系列规范，到2014年年底，共发布了R9、R10、R11和R12等4个增强型规范，并将持续进行后续版本演进。虽然业界通常将LTE称为第4代移动通信标准，但严格意义上，LTE的R10以后的版本（也称为LTE-Advanced）才真正满足ITU对第4代移动通信标准性能指标的要求。LTE-Advanced在LTE早期版本基础上进一步增加系统带宽到100 MHz，并通过多天线、中继等技术提升频谱效率和覆盖，增强系统性能。

LTE系统的目标是以OFDM和MIMO为主要技术基础，开发出满足更低传输时延、提供更高用户传输速率、增加容量和覆盖、减少运营费用、优化网络架构、采用更大载波带宽，并优化分组数据域传输的移动通信标准[17]。LTE/LTE-Advanced标准分为FDD和TDD两种模式，其中TDD模式作为TD-SCDMA 3G系统的后续演进技术与标准，其核心技术由中国厂商所主导，也被称为TD-LTE/LTE-Advanced。

相比之前的几代，ITU针对4G移动通信提出了更高的要求：● 超高速率，低移动支持1 Gbps，高移动下支持100 Mbps的速

率；● 超大带宽，最少支持40 MHz系统带宽，最大到100 MHz系统带

宽；● 超大容量，系统支持话音业务（VoIP）容量达到50用户/MHz/小

区，对应40 MHz系统需要支持2000用户；● 无缝覆盖能力，需要支持室内、密集城区、普通城区和郊区等场

景的无缝覆盖，最高移动速度支持350 km/h；● 超高频谱效率和一致用户体验，对室内、密集城区、普通城区、

郊区等场景的平均频谱率和边缘频谱效率提出了苛刻的指标要

求，如表1-4所示。表1-4　ITU 4G场景及频谱效率指标的对应关系下行平均/边缘上行平均/边缘话音容量场景（bps/Hz）（bps/Hz）（UEs/MHz）室内3/0.12.25/0.0750密集城区2.6/0.0751.80/0.0540普通城区2.2/0.061.4/0.0340郊区1.1/0.040.7/0.01530

回顾ITU第4代移动通信标准化历程，2005年10月在赫尔辛基举行的WP8F第17次会议上，ITU-R WP8F正式将System Beyond IMT-2000命名为IMT-Advanced。2008年2月，ITU-R WP5D完成了IMT-Advanced需求定义，发出了征集IMT-Advanced候选技术提案的通函。2009年10月，WP5D完成了候选技术提案的征集提交，并开始了后续评估和标准融合开发工作。中国提交了3GPP LTE-Advanced技术的TDD部分，即TD-LTE-Advanced技术。2010年10月，在中国重庆举办的ITU-R WP5D第九次会议上，3GPP开发的LTE-Advanced（包括TD-LTE-Advanced和LTE-Advanced FDD）和IEEE为主的OFDMA-WMAN-Advanced（WiMAX的演进版本）被正式采纳为全球4G核心标准。2012年1月，ITU正式发布了4G标准的第一个版本。TD-LTE-Advanced成为继TD-SCDMA之后的又一个中国主导的移动通信国际标准。

LTE-Advanced以传统的2G以及3G系统为基础，具有更强的产业基础，在后续的商用化进程中很快体现出了强劲的竞争力，成为了目前业界主流的4G标准。OFDMA-WMAN-Advanced标准由于缺乏主流运营商和产业链支持，目前已经停止开发演进版本，已部署的网络系统将向TD-LTE-Advanced路线演进。2013年年底，我国同时向3家运营商正式发放了3张TD-LTE 4G牌照，截至2015年12月，全球LTE用户超过10亿，我国TD-LTE用户数目接近5亿。第4代移动通信技术特征总结在表1-5中。表1-5　第4代数字蜂窝移动通信系统的典型特征业务全IP移动宽带数据业务，VoIP低速1 Gbps，高速100 Mbps，频谱效率和用户目标体验极大提升OFDM，MIMO，高阶调制，链路自适应，全IP关键技术核心网，扁平网络架构广泛支持所有ITU分配的移动通信频谱，范围频率从450 MHz到3.8 GHz宏小区/微小区/皮小区/家庭基站，小区半径十覆盖几米、几百米到几千米全球漫游支持TD-LTE-Advanced，LTE-Advanced FDD，代表系统OFDM-WMAN-Advanced商用周期2010年至今

随着2012年1月4G标准的正式发布，第5代（5G）移动通信技术研究和标准化制定工作也逐步提上日程。ITU针对5G技术，已经开展了未来十年的市场趋势、频谱需求预测、愿景及技术发展等讨论，确定了在2020年完成5G标准化制定工作，并给出了时间计划表。主要国家和企业纷纷启动5G研发，力图在移动通信代际竞争中抢占先机。1.2节将重点分析5G技术发展驱动力、愿景与需求。～1.2　5G系统发展愿景与需求[19][23]1.2.1　5G发展趋势和驱动力

什么是未来5G的发展驱动力？

从业务和市场角度，移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大驱动力，将为5G发展提供广阔的前景。移动通信系统从传统的电路域话音业务逐渐拓展到移动宽带业务，其应用领域不断拓展。移动互联网颠覆了传统移动通信模式，为用户提供了前所未有的使用体验，在5G时代，移动互联网应用的深度和广度将会得到更大扩展，将深刻地影响着人类社会生活的方方面面。物联网扩展了移动通信的应用范围，从人与人的通信延伸到人与物、物与物的智能互联，使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域。支持超高速率体验和超大流量密度为移动互联网业务发展的需求，而支持上千亿的海量物联网终端设备连接以及更加苛刻的时延可靠性要求为移动物联网发展的需求。

从技术发展角度，纵观历代移动通信的发展历程，移动通信系统设计的趋势为：依托计算处理能力和设备器件水平的提升，不断利用更先进的信号处理技术，提升系统带宽，提高系统频谱效率和业务能力，以满足人类社会信息通信的需求。

如图1-1所示，纵观1G到4G系统，从技术看，为了提高频谱利用效率和传输速率，技术越来越复杂化和多样化，但是复杂度与集成电路和设备器件水平相匹配已使网络和终端成本可接受，由于计算和存储能力近年以每18个月提升1倍的摩尔定律快速发展，那么可以预测，2020年以后商用的5G技术，计算复杂度和对存储的要求相对4G可以允许约100倍的提升，我们可以充分利用这一空间来设计更先进的算法提升链路性能。图1-1　移动通信系统代际发展

从频谱资源看，由于移动互联网和物联网应用的快速发展，未来超千倍的流量增长和千亿设备实时连接，以及为用户提供超高速速率体验，对频谱资源提出了极高需求。ITU计划将在2015年和2019年进一步考虑为移动通信系统分配更多的频段，未来的5G将全面支持WRC15（World Radio Conference，世界无线电大会）和WRC19为移动通信新划分的频段以及WRC07之前划分的现有频段，届时，预计可支持的频率范围将从400 MHz到100 GHz。

对于未来的5G系统，由于应用范围和领域的拓展，加上现有的2G、3G和4G技术长期并存，未来5G将是一个多种空中接口融合的系统，通过多种接入技术和空口的有机融合满足未来社会方方面面的需求。例如，包括待机10年成本极低的传感器接入，也支持峰值速率Gbps级的虚拟现实业务的实时传递，及支持几百Byte（字节）小数据包的抄表业务，也需要支持毫秒级时延以及几乎100％可靠性的远程心脏搭桥手术操作业务。1.2.2　5G愿景

移动通信系统经历了30多年的发展，其应用已经非常普及，随着技术的进步，其应用会更加广泛。5G将以可持续发展的方式，满足未来超千倍的移动数据增长需求，将为用户提供光纤般的接入速率、“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，以及业务及用户感知的智能优化，同时将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，并最终实现“信息随心至，万物触手及”的5G愿景。未来无线移动通信系统在人类社会将发挥更加重要的作用，其愿景总结为如下4个方面，如图1-2所示。图1-2　5G的愿景

1．人类社会生态的无线信息流通系统（广泛应用领域）

移动通信技术将在未来社会的各方面发挥重要作用，包括应对气候变暖、减少数字鸿沟、降低环境污染等，同时也将在公共安全、医疗卫生、现代教育、智能交通、智能电网、智慧城市、现代物流、现代农业、现代金融等领域发挥重要作用。

移动通信技术带动的智能终端和移动互联网应用，以及未来个人视听消费电子与IMT的结合，将对游戏娱乐、媒体和出版、报刊杂志业以及广告业产生重要影响。基于有线和无线网络的电子商务和互联网金融，将对零售业和金融业产生重大影响。

移动通信技术将成为未来人类社会生态赖以正常运转的无线信息流通系统，缺少了这个系统的支撑，整个人类社会机器都难以高效运转。

2．连接世界的无线通道（泛在连接）

未来的移动通信技术将打破传统的人与人通信，成为连接世界万物的通道。有了这个通道，世界将变成一个泛在连接的智能高效社会。移动通信技术可以作为人的感官的延伸，扩展人的听觉、视觉到达世界的任何角落，使每个人可以与世界上所有的人和物建立直接的联系。

物联网或者器件连接为未来信息社会的最重要特征，移动通信技术由于其优越的系统性能、便捷的连接方式、巨大的规模效应等诸多优势，必将在未来的物联社会中发挥最重要的作用。

3．人们生活的信息中心（丰富的应用）

手机从诞生以来，其最重要的功能是人与人的基本沟通功能。未来手机对个人而言，其功能和形态将极大地拓展：休闲、娱乐、办公、旅游、购物、支付、银行、医疗、健康、出行、智能家居控制等个人生活的方方面面，都需要手机/平板电脑/可穿戴设备等各种形态的移动终端。移动终端甚至包含了个人的信用身份等重要信息。

移动终端将成为人们生活的信息中心，而未来的移动通信系统需要为这些功能提供便利、可靠、安全的通信保证。

4．保证通信权利的基础设施（基础设施）

随着移动通信技术的快速发展以及规模效应，通信对人类社会的重要性和价值将超越通信本身，为了保证社会的正常高效运转，未来移动通信将不再是其刚诞生时的一种奢侈的服务。类似水电供应设施，移动通信网络和设备将成为人类生活的基础设施，提供基础性的服务。未来通信系统将超过现有的紧急通信范围，发挥其社会责任，提供更多的基本通信服务保证。当然，移动通信作为商业运营系统，必不可少地提供更多丰富多彩的高附加值业务，这也是促使技术进步的重要动力。1.2.3　5G面临的需求和挑战

移动互联网和物联网是未来5G发展的最主要驱动力。移动互联网主要面向以人为主体的通信，注重提供更好的用户体验。物联网主要面向物与物、人与物的通信，不仅涉及普通个人用户，也涵盖了大量不同类型的行业用户。为了满足面向2020年之后的移动互联网和物联网业务的快速发展，5G系统面临巨大挑战。

1．移动数据业务的爆炸性增长

面向2020年及未来，超高清、3D和浸入式视频的流行将会驱动数据速率大幅提升，例如8K（3D）视频经过百倍压缩之后传输速率仍需要大约1 Gbps。增强现实、云桌面、在线游戏等业务，不仅对上/下行数据传输速率提出挑战，同时也对时延提出了“无感知”的苛刻要求。未来大量的个人和办公数据将会存储在云端，海量实时的数据交互需要可媲美光纤的传输速率，并且会在热点区域对移动通信网络造成流量压力。未来人们对各种应用场景下的通信体验要求越来越高，用户希望能在体育场、露天集会、演唱会等超密集场景，高铁、车载、地铁等高速移动环境下也能获得一致的业务体验。

随着移动互联网业务的快速发展和智能终端的快速增长，从2009年开始，移动数据业务以每年翻一番的速度递增。据中国IMT-2020（5G）推进组研究预测，相比于2010年，2020年的移动数据业务全球增长将达200倍；中国将增长300倍以上，其中典型大城市的数据增长达到600倍，局部热点地区，如北京的西单等，可能会达到1000倍的业务增长。

为了应对移动数据业务的爆发性增长，5G系统需要能够提供更大的容量和更高的传输速率挑战。

2．海量终端连接到移动网络

早期的移动通信系统主要解决人与人的通信，未来5G系统将会通过移动网络，实现人与物、物与物的互联。物联网业务类型丰富多样，业务特征也差异巨大。对于智能家居、智能电网、环境监测、智能农业和智能抄表等业务，需要网络支持海量设备连接和大量小数据包频发；视频监控和移动医疗等业务对传输速率提出了很高的要求；车联网和工业控制等业务则要求毫秒级的时延和接近100％的可靠性。另外，大量物联网设备会部署在山区、森林、水域等偏远地区以及室内角落、地下室、隧道等信号难以到达的区域，因此要求移动通信网络的覆盖能力进一步增强。为了渗透到更多的物联网业务中，5G应具备更强的灵活性和可扩展性，以适应海量的设备连接和多样化的用户需求。未来的智能终端和各种机器类型终端的大量出现，将需要5G提供100～1000倍的网络连接能力。

3．节能通信的需求

现有的移动通信网络设备和终端消耗大量的电力，造成环境污染。随着移动数据业务和终端数量的爆发式增长，如果仍然沿袭原有的发展方式，移动通信系统的耗电量将增加上百倍，这样将无以为继。

另外，为了提升用户感受，终端电池续航时间需要更大提升，在物联网应用方面，也提出了支持超低功耗的终端等需求，使得5G系统需要实现百倍数量级的能耗效率提升。

4．支持业务多样性网络部署

随着移动互联网和物联网业务的快速发展，未来5G网络将面临更加多样化和个性化的用户体验需求。为了满足业务变化，5G网络的部署形态也将随之出现多样性。5G网络从覆盖范围和应用场景看，将会出现多种形态的部署方式。既有传统蜂窝系统的宏蜂窝和微蜂窝部署，还将出现大量热点覆盖和室内覆盖部署，同时还有针对高速移动和短距离通信方式的部署。

另外，5G系统还将面临与现有的2G/3G/4G系统共存以及联合组网、协作通信等部署难题。这些都将对未来5G多样性网络的部署方式带来巨大挑战。1.2.4　5G系统的性能指标

为了分析5G的性能指标要求，我们从未来业务和用户需求对5G带来的主要挑战出发，首先进行典型场景和典型业务的选择。在场景方面，从未来人们居住、工作、休闲和交通等各种区域中选择出具有超高流量密度、超高连接数密度或超高移动性等特征的典型场景，包括密集住宅区、办公室、体育场、露天集会、地铁、快速路、高铁和广域覆盖等8个场景。在业务方面，主要考虑具有高速率、低时延或高连接数等要求的5G典型业务，包括增强现实、虚拟现实、超高清视频、云存储、车联网、智能家居、OTT消息等。根据各类典型场所的设计规范，分析各场景未来可能的用户分布，并根据业务需求综合考虑各类业务占比及对速率、时延等的要求，可以得到各个应用场景下的5G性能指标要求。图1-3给出了5G性能指标分析过程和方法[24]。图1-3　5G性能指标分析方法

所考虑的5G关键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，各指标的具体定义见表1-6。表1-6　5G性能指标名称定义真实网络环境下用户可获得的最低传输用户体验速率（bps）速率连接数密度（/km2）单位面积上支持的在线设备总和数据包从源节点开始传输到被目的节点端到端时延（ms）正确接收的时间满足一定性能要求时，收发双方间的最移动性（km/h）大相对移动速度流量密度（bps/km2）单位面积区域内的总流量用户峰值速率（bps）单用户可获得的最高传输速率

中国的IMT-2020（5G）推进组对表1-7中的8个典型场景进行了测算，测算得到的各场景性能指标要求列于表1-7中[24]。表1-7　5G典型场景性能指标要求

频谱利用、能耗是移动通信网络可持续发展的两个关键因素。为了实现可持续发展，5G系统相比4G系统在频谱效率、能源效率方面需要得到显著提升。具体来说，频谱效率需提高5～10倍，能源效率要求有百倍以上的提升，频谱效率和能源效率的具体定义见表1-8。表1-8　5G关键效率指标名称定义频谱效率（bps/Hz/cell或每小区或单位面积内，单位频谱资源提bps/Hz/km2）供的吞吐量能源效率（bit/J）每焦耳能量所能传输的比特数

国际电信联盟ITU-R目前正在开展5G系统性能指标的讨论，其为5G系统定义了8个性能指标和3种应用场景。8个性能指标如表1-9所示。表1-9　ITU-R制定的5G系统性能指标

ITU-R将5G应用场景划分为三大类，包括应用于移动互联网的移动宽带（Extended Mobile Broadband）、应用于物联网的大容量物联网（Massive Machine Communications）和高性能物联网（Ultra Reliable and Low Latency Communications），如图1-4所示。其中，移动宽带又可以进一步分为广域连续覆盖和局部热点覆盖两种场景。图1-4　ITU-R制定的5G系统的三大类应用场景和指标关系

广域连续覆盖场景是移动通信最基本的应用场景，以保证用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝的高速业务体验。结合5G整体目标，该场景的主要挑战在于随时随地（包括小区边缘、高速移动等恶劣环境）为用户提供100 Mbps以上的用户体验速率。

局部热点覆盖场景主要面向局部热点区域覆盖，为用户提供极高的数据传输速率，满足网络极高的流量密度需求。结合5G整体目标，1 Gbps用户体验速率、数十Gbps峰值速率和数十Tbps/km2的流量密度需求是该场景面临的主要挑战。

大容量物联网场景主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力，满足100万/km2连接数密度指标要求，而且还要求终端成本和功耗极低。

高性能物联网场景主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求，这类应用对端到端时延和可靠性具有极高的指标要求，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100％的业务可靠性保证。

5G系统场景及其关键挑战总结如表1-10所示。表1-10　5G应用场景与关键挑战列表业务分类场景名称关键挑战100 Mbps用户体验速率移动宽带广域连续覆盖5倍频谱效率1 Gbps用户体验速率局部热点覆盖10 Gbps以上峰值速率10 Tbps/km2流量密度106连接/km2；大容量物联网终端低成本，低功耗移动物联1 ms空口时延高性能物联网毫秒级别端到端时延趋于100％的可靠性1.2.5　5G标准化进展

自4G标准在ITU-R正式发布后，2012年起，5G系统的概念和关键技术研究逐步成为移动通信领域的研究热点。5G研究和标准化制定大致将经历4个不同的阶段。

第一阶段是2012年的5G基本概念提出；第二阶段是2013—2014年，这个阶段主要关注5G愿景与需求、应用场景和关键能力；第三阶段是2015—2016年，主要关注5G定义，开展关键技术研究和验证工作；第四阶段是2017—2020年，主要开展5G标准方案的制定和系统试验验证。如图1-5所示。图1-5　5G研究和标准化制定的4个阶段

目前，世界各主要国家都成立了5G相关研究机构，力图在5G的研究上取得先机，争夺在标准化和产业化的主导权和领先地位。同时，各主要国际标准化组织也都启动了5G标准化工作，给出了标准化时间计划表。下面我们简要介绍主要国家和地区、标准化组织的5G发展情况。

1．各国家和地区5G项目和组织的情况

1）欧盟进展

2012年11月，欧盟第7期框架计划启动名为METIS（Mobile and wireless communications Enablers for the 2020 Information Society）的5G科研项目。该项目共投资2700万欧元，持续时间2年半，计划研究5G应用场景、技术需求、关键技术、系统设计和性能评估，将开发测试样机进行验证。目前，METIS已初步完成5G需求、应用场景研究，提出5G潜在系统架构及关键技术，并发布了多项研究报告。

2013年12月，欧盟启动了规模更大的5G科研项目5G-PPP（5G Public-Private Partnership），总投资达到14亿欧元，由欧盟和项目成员单位各出资7亿欧元。5G-PPP旨在加速欧盟5G研究和创新，主导构建全球5G产业蓝图，确立欧盟在5G领域的国际领导地位。5G-PPP项目执行时间为2014—2020年，包含3个阶段。● 第一阶段（2014—2016年）：开展5G基础研究工作，提出5G需

求愿景。● 第二阶段（2016—2018年）：进行系统研发与优化，开展标准化

前期研究。● 第三阶段（2018—2020年）：开展大规模试验验证，启动5G标

准化工作。

此外，2012年启动的METIS项目被整合至5G-PPP框架内，成为5G-PPP的前期准备阶段。

2）韩国进展

2013年韩国成立了面向5G的研究组织5G Forum，包括来自韩国高校、企业以及研究机构的成员。韩国启动了面向5G的“GIGA Korea”研发计划，目标是在2020年建立能够为用户提供Gbps业务的智能ICT环境，能够为人们提供随时随地的全新生活体验。该计划执行时间为2013—2020年，总投资5500亿韩元，其中政府投资4120亿韩元，私营机构投资1380亿韩元。该计划的研究内容涵盖业务内容、软件平台、网络和设备等多方面的核心技术，现已启动“基于毫米波的5G移动通信系统”、“数字全息桌面终端技术”、“具有实时交互能力的多三维视点终端”、“基于Gbps类媒体的远程体验服务软件平台”、“基于Gbps类高容量互动浸入式媒体内容”等6个项目。

韩国在5G时间计划方面相对激进，宣布将于2018年平昌冬奥会期间开展5G网络试运行。

3）日本进展

日本在2013年9月依托日本国内的通信标准化组织无线工商业联合会（Association of Radio Industries and Business，ARIB）成立了“2020 and Beyond AdHoc工作组”，现在共有30多家成员。其工作目标是研究2020年及未来移动通信系统概念基本功能、功能分布与架构、业务应用以及推动国际合作。5G研究工作组又分成两个工作组：业务与系统概念工作组、系统架构与无线接入技术工作组。

日本计划在2020年奥运会之前提供5G商用服务。为了加大5G研发推进力度，2014年10月初日本政府推动成立了“5G移动推进论坛”，以整合日本国内各方力量。

4）中国5G研究进展

为推动5G研发，中国在2013年2月由国家工信部、国家发改委和国家科技部联合成立了IMT-2020（5G）推进组（以下简称推进组），集中国内产学研用优势单位，联合开展5G策略、需求、技术、频谱、标准、知识产权研究及国际合作，并取得阶段性研究进展。

需求组完成2020年及未来移动通信市场趋势、业务、用户和运营需求研究，提出密集住宅区、办公室、体育场、露天集会、地铁、快速路、高铁和广域覆盖等8个5G典型场景及多个5G典型业务，完成了各应用场景下的5G性能需求定量分析，并结合国内技术、频谱和产业积累提出了5G发展愿景及关键能力需求。推进组已在2014年5月主办的全球5G峰会上发布了5G需求白皮书，并将我国在5G需求上的主要观点提交至ITU。在5G关键能力及取值方面，我国的主要观点已被ITU采纳。

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