第1章

绪论：5G无线接入

信息和通信技术（Information and Communication Technologies，ICT）为社会上的几乎每个领域都带来了频繁的创新。不断增长的信息即时传输和处理能力给社会上的各个方面都带来了变化：网上购物、社交互动、专业网络、媒体分发、网上学习、即时信息访问、远程观看直播、音频和视频沟通、虚拟办公室和虚拟办公等。各行各业都受益于信息和通信技术的发展，它们带来了本行业流程和业务模式的改进。

第五代（5G）移动通信预计将极大地扩展移动网络的能力。5G系统在各种领域引入了新的技术和功能—无线接入、传输、云、应用以及管理系统[6]。这些先进技术不仅针对传统的移动宽带用户，而且将新兴的机器类型用户纳入其中，这样可以为消费者和整个行业提供新的更优质的服务，从而释放出物联网（Internet of Things，IoT）、虚拟和增强现实应用的潜力。基于最新的针对10个不同的行业的调查报告显示[4]，到2026年，由5G技术推动所带来的全球收入将达到1.3万亿美元（参照图1-1中各个行业的收入）。到2023年，预计将有35亿的蜂窝IoT连接[24]。

图1-1　5G促进了行业的数字化，为ICT各方带来了收入，2026（来源：爱立信[4]）

任何移动通信系统的骨干都是它的无线接入技术，它将终端与无线基站连接起来。因为大多数社会和行业应用都在期盼5G革新能够满足它们的特定需求，这就为5G无线网络接入的设计带来了很大的挑战。5G无线接入技术需要提供极高的数据速率、无缝覆盖、超级可靠性、极低时延、高能效以及大规模异构连接。以人为中心的新兴应用包括增强现实、虚拟现实和在线游戏—这些都需要极高的吞吐量和低时延。大规模机器类型通信又分为两种：大规模IoT（massive IoT）和关键IoT（critical IoT）。大规模IoT的特性是大量低成本的终端连接：每个终端数据量小并且续航时间长，以及满足深入覆盖（比如地下或者偏远地区）。这种应用常见于智能建筑、公用事业、运输物流、农业和车队管理。关键IoT的特点是超可靠性和极低时延连接性，比如支持自动驾驶汽车、智能电网、机器人手术、交通安全和工业控制。

本书关注的是即将到来的5G无线接入技术并且侧重于物理层。本章概述5G无线接入技术以及全球发展的状况。我们从1.1节移动通信历史简述开始，1.2节介绍了5G无线接入技术。在1.3节，我们提供了一个5G无线接入的全景图—频谱分配、标准化、应用案例及其要求、外场试验以及未来的商用部署。1.4节提供了本书的预览。

1.1　移动通信的演进

1946年，美国联邦通信委员会（FCC）批准了第一个移动电话服务运营商AT&T（自1947年开始运营）。当时设备笨重，因为重量大、耗电极高，这些设备必须安装在车内。自此，经过30多年的技术演进，蜂窝通信技术从模拟转向了数字模式，从以语音业务为主演进到了高速数据通信。

自20世纪80年代中期开始，第一代（1G）蜂窝通信主要承载语音业务，主要模式有：在美国应用的先进移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS）和在斯堪的纳维亚使用的北欧移动电话（Nordic Mobile Telephone，NMT）。这些模拟模式在20世纪90年代中后期被最初的数字通信系统（欧洲的全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）和美国的数字AMPS）所取代，自此进入2G时代。此时，短消息服务（Short Message Service，SMS）被引入，成为蜂窝通信第一个广泛使用的非语音应用。到21世纪初出现了增强的2.5G：增强型数据速率GSM演进（Enhanced Data rate for GSM Evolution，EDGE）、通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）和码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA），引发了移动数据通信应用和早期蜂窝互联网连接。这是早期的尝试，而且需要特定的协议—无线应用协议（Wireless Application Protocol，WAP）支持。

从2G向3G演进是为了满足蜂窝接入数据速率日益增长的需求，基于宽带CDMA（WCDMA）的通用移动电信系统（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）技术由第三代合作伙伴项目（third Generation Partnership Project，3GPP）于2000年左右推出。移动用户设备技术的发展，使得用户不仅可以使用多媒体信息服务（Multimedia Message Service，MMS）进行通信，而且可以享受视频流服务。当发展到4G时，引入了长期演进（Long Term Evolution，LTE），这不仅带来空口的重大改变，而且从码分复用转到正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）以及时分双工（Time Division Duplex，TDD）或者频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）。

进入4G时代后，早期主要有两种竞争技术。基于IEEE 802.16m的全球微波互联接入（Worldwide inter-operability for Microwave Access，WiMAX）以及作为LTE扩展的LTE Advanced。LTE-A引入了多种技术组件，比如载波聚合、对协作多点（Coordinated MultiPoint，CoMP）传输支持的改进，以及用于改善热点服务质量（Quality of Service，QoS）和提升小区边缘用户覆盖的异构网络（HetNet）部署。作为当今占主导地位的蜂窝接入技术，LTE-A成为过渡到5G移动通信的基础。从4G到5G过渡的灵感来自新的跨多个行业的以人为中心和以机器为中心的服务的启示。