第1章 5G的概念
| 1.2 什么是 5G |
| 1.3 5G 引发革新 |
移动通信从 1G 到 4G，经历了四代的发展，过去 40 年移动通信的发展已 经极大地改变了人们的生活，个人通信的高速技术发展为人类和社会带来了广 泛的便利和福利。如今，站在 5G 时代的历史节点，让我们来细数 5G 将为我们 带来些什么。
5G 只是速率更高吗？当然不仅仅是这样。
5G 不再只是手机中所用文件格式的变化、文件传输速率的提升，而是将通 信的作用从人与人之间的连接扩展到各行各业、万事万物之间的互相连接，形 成崭新的数字化社会、物联网世界新格局。
5G（第五代移动通信）是 IMT（国际移动通信）的下一阶段，ITU（国际电 信联盟）将其正式命名为 IMT-2020。目前，ITU 正在对 IMT-2020 进行初 步的规划。此外，端到端系统的大多数其他变革（既包括核心网络内的，又包 括无线接入网络内的）也将会成为未来 5G 系统的一部分。在移动通信市场中， IMT-Advanced（包括 LTE-Advanced 与 WMAN-Advanced）系统之后的系 统即为“5G”。
在大力研发 5G 潜在“候选技术”的同时，全球移动通信行业对于 5G 技术 研发驱动因素的理解也逐步达成了共识。ITU-R（国际电信联盟无线电通信局） 确定未来的 5G 具有以下三大主要的应用场景：（1）增强型移动宽带；（2）超 高可靠与低延迟的通信；（3）大规模机器类通信。具体包括吉比特每秒移动宽 带数据接入、智慧家庭、智能建筑、语音通话、智慧城市、三维立体视频、超 高清晰度视频、云工作、云娱乐、增强现实、行业自动化、紧急任务应用、自 动驾驶汽车等。
在日益增大的网络容量需求、吞吐量增强需求、更多无线接入应用场景需 求（所有可联网型设备均以一种“无缝”的方式接入到网络之中）之下，移动 宽带网络正在向 5G 演进。ITU-R 正在与包括全球移动通信行业在内的产业链上各利益主体进行密切协作，对下一代 IMT 系统——IMT-2020（5G）的研发 方向、时间表与成果输出等进行定义，目的是把对于未来移动宽带通信的愿景 最终变成现实。
为最终建成一个网络化的社会，未来的第五代移动通信网络应该能使用位 于不同物理频段的无线频谱资源，以支撑各类应用场景，满足提高业务服务质 量的需求，并采用比现有移动通信无线接入网络物理带宽大得多的射频信道。
第五代移动通信网络的无线频谱资源需求主要来自于对于系统容量的增长 需求，以及对各类新兴应用场景的支持。为支撑未来各类 5G 应用场景的 5G 技 术需求（比如，超过 10Gbit/s 的峰值数据传输速率、100Mbit/s 的小区边缘数 据传输速率、1ms 的端到端延迟 / 时延等）有望在各个物理工作频段上均得到 满足。
这些 5G 应用场景包括诸如高清晰度移动视频等的增强型移动宽带应用（既 可运行于体育场馆等用户高度密集分布的区域，又可以进行泛在的覆盖）。而其 余类型的 5G 应用场景则包括面向垂直行业 / 交通自动化的超高可靠通信、各 类低时延敏感型通信应用、面向大规模机器类通信（MTC，Machine Type Communication，比如移动健康、车辆到车辆通信、虚拟现实、增强现实与触 觉互联网等）的较高速 / 高速数据服务。这些应用场景将会进一步增大未来第 五代移动通信网络对于更多无线频谱资源的需求。
未来，第五代移动通信无线接入网是否能很好地支撑各类应用场景，取决 于从低频（频点在 500MHz 左右）到高频（频点高于 60GHz）的各个物理工 作频段的物理特性（无线射频传播特性）。低频段具有优良的无线传播特性、网 络覆盖广，既可支撑宏蜂窝建设，又可支撑小基站部署；高频段的无线传播特 性相对低频段较差，但是有较多可用的且连续的无线频谱资源（尤其是在毫米 波频段），可提供更宽的物理信道。
全球移动通信行业中目前正在发生的面向未来第五代移动通信网络的技术 演进，在各类可商用新型半导体芯片及天线阵列（可工作于不同的物理频段， 比如厘米波频段、毫米波频段等）的驱动下，取得了较快的进展。
IMT-2000 与 IMT-Advanced 为现有已商用部署的移动宽带通信系统提 供了标准基础。IMT-2020（5G）是 ITU 现有国际移动通信标准族的延伸 / 扩 展。按照相关规划，IMT-2020（5G）的标准化工作有望于 2020 年全部完成。
未来，5G 应用不单单只限于个人的手机，它的应用将扩展到 VR/AR、智 慧城市、智慧农业、工业互联网、车联网、无人驾驶、智能家居、智慧医疗、 无人机、应急安全等各行业和领域。这意味着 5G 将会为人类的生活方式和社 会的发展方式带来一次彻底的革新。
一项技术创新可以分为渐进式创新、模块创新、架构创新和彻底创新 4 类。 从 2G 到 4G 是频谱效率和安全性等逐步提升的渐进式创新，也是在维持集中式 网络构架下的模块式创新，还有从网络构架向扁平化和分离化演进的架构创新。 但到了 5G 时代，除了网络能力以外，还必须面向各种新的行业服务，提供随时 需要的、高质量的连接服务，这也要求 5G 网络的建设是多方位的、彻底的创新。
移动网构络架主要包括核心网和无线接入网，到了 5G 时代，移动网络按循 序渐进的方式引入 5G 网元设备。
第 1 步，5G NR（新无线）先行，5G 基站（gNodeB）与 4G 基站（eNodeB） 以双连接的方式共同接入 4G 核心网。
第 2 步，5G 基站独立接入 5G 核心网（NGCN，下一代核心网）。
第 3 步，5G 基站和 4G 基站统统接入 5G 核心网，4G 核心网退出历史舞台。 以上 5G 网络架构演进看似整体一致，实际上，我们把核心网和无线接入网分 开来看，其内部架构发生了颠覆性的改变。核心网的网元由 4G 时代的 MME/ S-GW 变为 5G 时代的 AMF/UPF（AMF/UPF 是由中国移动牵头提出的 SBA 5G 核心网基础架构）。
另外一个概念是 5G 系统服务架构，这是一个基于云原生设计原则的架构， 不仅要对传统 4G 核心网网元 NFV 虚拟化，网络功能还将进一步软件模块化， 实现从驻留于云到充分利用云的跨越，以实现未来以软件化、模块化的方式灵 活、快速地组装和部署业务应用。
AMF（Mobility Management Function）负责控制面的移动性和接入管理， 代替了 MME 的功能。
UPF（User Plane Function）负责用户面，它代替了原来 4G 中执行路由 和转发功能的 SGW 和 PGW。
无线接入网发生的主要改变是分离，首先是控制面和用户面的分离，其次 是基站被分离为 AAU、DU 和 CU 这 3 个部分。
值得一提的 5G 无线关键技术有微基站（Small Cell）和 Massive MIMO。 5G 的容量是 4G 的 1000 倍，峰值速率 10 ～ 20Gbit/s，要提升容量和速率无 非就是频谱带宽、频谱效率和小区数量三要素。
首先是频谱带宽，高频段的频率资源丰富，同时，目前小于 3GHz 的低频 段基本被 2G/3G/4G 占用，所以 5G 必然要向高频段 3.5 ～ 30GHz（甚至更高） 扩展。那么如何解决频段越高，穿透能力越差，覆盖范围越小的问题就引出了 5G 的两大关键技术——Massive MIMO 和微基站。
毋庸置疑，微基站已成为未来解决网络覆盖和容量的关键。未来城市路灯、 广告牌、电杆等各种街道设施都将成为微基站挂靠的地方。
Massive MIMO 就是在基站侧配置远多于现有系统的大规模天线阵列的 MU-MIMO，来同时服务多个用户。它可以大幅提升无线频谱效率，增强网络 覆盖和系统容量，简而言之，就是通过分集技术提升传输可靠性、空间复用提 升数据速率、波束赋形提升覆盖范围。
MU-MIMO 将多个终端联合起来空间间复用，同时使用多个终端的天线，这 样一来，大量的基站天线和终端天线形成一个大规模的、虚拟的 MIMO 信道系 统。这是从整个网络的角度更宏观地去思考提升系统容量。
波束赋形是指大规模多天线系统可以控制每一个天线单元的发射（或接收） 信号的相位和信号幅度，产生具有指向性的波束，消除来自四面八方的干扰， 增强波束方向的信号。它可以补偿无线传播损耗。
自从各大厂家的 Massive MIMO 在 2017 年举行的中国国际信息通信展览 会（PT 展）上亮相以来，在近一年时间里，各大厂家的 Massive MIMO 产品 均在不断更新和进步，相信不久我们能看到更多、更新的设备。
5G 超高速上网和万物互联将产生呈指数级上升的海量数据，这些数据需要 云存储和云计算，并通过大数据分析和人工智能产出价值。
与此同时，为了面向未来多样化和差异化的 5G 服务，一场基于虚拟化、云 化的 ICT 融合技术革命正在推动着网络重构与转型。
为了灵活应对智慧城市、车联网、物联网等多样化的服务，使能网络切片， 核心网基于云原生构架设计，面临毫秒级时延、海量数据存储与计算等挑战， 云化的 C-RAN 构架和实时的移动边缘计算（MEC）应运而生。从核心网到接 入网，未来 5G 网络将分布式部署巨量的计算和存储于云基础设施之中，核心 数据中心和分布式云数据中心构成网络拓扑的关键节点。
这是一场由海量数据引发的从量变到质变的数据革命，是一场由技术创新 去推动社会进步的革命，因此，5G 需广泛地与各行业深入合作，共同激发创新， 从而持续为社会创造价值。
