5G丛书
5G移动无线通信技术
（瑞典）Afif Osseiran
（西）Jose F. Monserrat
（德）Patrick Marsch 著
陈明，缪庆育，刘愔 译
第1章 移动无线通信技术的变迁
1.1历史回顾
诞生于 21 世纪的信息通信技术（又称 ICT 技术）起源于 20 世纪两个主要产业的融 合，即电信产业和计算机产业的融合。本书的目的是描述移动通信产业第五代技术的发 展趋势，这些技术将实现多种通信服务的增强融合，在包括连接、信息处理、数据存储 和人工智能在内的、复杂的分布式环境中，实现内容的分发、通信和运算。这些技术的 巩固和加强模糊了传统的技术功能的边界。例如，计算和存储嵌入到通信基础设施之中， 流程控制分布于互联网之上，而运算功能迁移到集中的云计算环境之中。
1.2工业和技术革命：从蒸汽机到互联网
ICT 产业源于电信产业和（计算机）互联网产业的结合，并给信息和通信服务的供给 和分发方式带来巨大的变革。大量被广泛使用的移动连接设备，推动社会进一步深入变革， 社会变得更加网络化和连接化，从而在经济、文化和技术方面产生深远影响。人类社会正 在经历一场技术革命，这个过程始于 20 世纪 70 年代半导体技术和集成电路技术的发展， 以及随之而来的信息技术（IT）的成熟和20世纪80年代现代电子通信技术的发展。下一 代 ICT 产业中日趋成熟的前沿包括，构建在不同的场景中，同时满足服务需求差异巨大 的交付框架，满足大量的不同需求，例如，来自和去往互联网的个人媒体交付，实现万物互联（物联网），并将安全和移动性作为可以配置的功能引入所有通信服务。有人将其 称为工业革命的第四阶段 [1]。 工业革命的四个阶段如图 1.1 所示。 第一阶段始于英国（大约 1760—1840 年），其间诞生了动力织布机和蒸汽机。在随 后的几十年里，12 世纪的农业经济迅速转型为工业经济，用于生产货物的机器大行其道。
第二阶段（大约 1840—1914 年）始于贝西默钢铁生产程序，这一阶段实现了早期工业电气化，大规模工业制造和流水线生产方式。电气化生产线上的工人分工更加专业，从而实现了大规模工业制造。
第三阶段（大约1950—2010年）主要归功于电子信息技术，特别是可编程逻辑控制器件 （Programmable Logic Controllers，PLC）的发明。这些技术进一步提升了生产流程自动化和产能。
第四阶段也就是我们目前所处的时代。在这个时代，通过新一代无线通信技术实现万物互联，无处不在地连接设备和物品，推动工业自动化水平再次飞跃。
人们期待的第五代移动通信（5G）提供了进入工业革命第四阶段的途径。因为它将以人为主要服务对象的无线通信，延伸到人与物全连接的世界。特别需要指出的是5G包括了：
- 连接成为人与物的标准配置；
- 关键和海量的机器连接；
- 新的频段和监管制度；
- 移动和安全成为网络功能；
- 通过互联网的内容分发集成；
- 网络边缘处理和存储；
- 软件定义网络和网络功能虚拟化。
1.3 移动通信的发展：从 1G 到 4G
图 1.2 给出了蜂窝移动通信的发展史。从 20 世纪 70 年代的婴儿期（第一代无线通信1G）到 2020 年（第五代移动通信5G），蜂窝移动通信系统演进的主要历程见图 1.2。
第一代商用模拟移动通信系统部署于 20 世纪五六十年代 [2]，但市场渗透率很低。 1981 年诞生了第一代移动蜂窝系统（1G），包括北欧国家部署的北欧移动电话系统 （NMT） ，德国、葡萄牙和南非部署的 C-Netz 系统，英国部署的TACS 系统和北美部署 的 AMPS 系统。1G 由于采用模拟技术而被称为模拟标准，通常采用调频信号和数字信令信道。1982 年欧洲邮电管理大会（CEPT）决定开发泛欧第二代移动通信系统，即处于2G统治地位的 GSM 系统，1991 年 GSM 开始国际部署。2G的标志是实现了数字发 送技术和交换技术。数字技术有效地提升了话音质量和网络容量，同时引入了新服务和 高级应用，例如用于文本信息的存储和转发的短消息。
设计 GSM 系统的首要目的是实现欧洲数字语音服务的国际漫游。与 1G 仅使用 了 FDMA 相比，GSM 采用了混合的时分多址（TDMA） / 频分多址（FDMA）技术。与 此同时，全球其他的 2G 系统也在部署过程中，并且相互竞争。这些 2G 技术包括：（1）北美的 NA-TDMA（TIA/EIA-122）标准；（2） CDMAOne（TIA/EIA IS-22A） [2]；（3） 仅用于日本的个人数字蜂窝系统（PDC）。2G 的演进又称为 2.5G，在语音和数据电路交换之上，引入了数据分组交换的业务。主要的 2.5G 标准包括 GPRS 和 TIA/EIA-221， 二者分别是 GSM 和 TIA/EIA-p2A 的演进版。此后不久，GSM 进一步演进为 EDGE 和 EGPRS。其性能增强主要是采用了更高级的调制和编码技术。GSM/EDGE 在 3GPP 标准继续演进，并且在最新的版本里支持更宽的带宽和载波聚合技术。
2G 系统商用不久，业内就开始准备和讨论第三代无线通信系统。同时国际电信联盟无线通信委员会（ITU-R）制定了国际移动通信系统 2000（IMT-2000）的要求。1998 年 1 月，两个基于 CDMA 技术的标准被欧洲通信标准协会（ETSI）接纳为全球移动通信系统（UMTS），分别是宽带 CDMA（WCDMA）和时分 CDMA（TD-CDMA）技术。 UMTS 成为主要的 3G 移动通信系统，并且是最早达到 IMT-2000 要求的技术。最终有6个空中接口技术满足IMT-2000要求，包括3个基于CDMA的技术，1 个GSM/EDGE 的新版本（称为UWC-136）和另外2 个基于OFDMA的技术 [5]。如图 1.2 所示，在 3G 合作伙伴项目（3GPP）的框架内，制定了被称为 3G 演进的新技术规范，即 3.5G。这一演进技术建议包括两个无线接入网络（RAN）技术和一个核心网演进建议。
第一个 RAN 技术是 3GPP2 制定的基于cdma2000 的演进版本 1xEV-DO 和 1xEVDV。第二个 RAN 技术是高速数据分组接入技术（HSPA）。HSPA 由 3GPP R5 版加入下 行 HSPA（HSDPA）和 3GPP R6 版加入上行 HSPA（HSUPA）组成。二者都是为了提升数 据速率，下行提高到 14.6Mbit/s，上行提高到 5.76Mbit/s。在 MIMO 引入后，速率获得 进一步提升。HSPA 技术基于 WCDMA 并且完全后向兼容。CDMA 1xEV-DO 在 2003 年 开始部署，HSPA 和 CDMA 1x EV-DV 于 2006 年实现商用。
所有 3GPP 标准始终保持着新功能后向兼容的理念。这也体现在 HSPA 的进一步演 进 HSPA+，该技术通过载波聚合获得更高的速率，但不影响原有终端正常使用。 第二个UMTS演进技术，也被商业上认为是4G技术，称为LTE7，包括了新的基于正交频分多址（OFDMA）的空中接口，新的网络架构和新的称为SAE/EPC的核心网（CN）。 LTE与UMTS并不后向兼容，并期望在2007年的世界无线电大会（WRC）获得更多的频谱。这个标准设计灵活，可以部署在从1.4MHz到20MHz的不同带宽的载波上。
LTE 标准实现了系统容量的大幅提升，其设计使蜂窝网络脱离了电路交换的功能。与之前的通信系统相比，这一改进显著降低了成本。2007 年年底，第一个 LTE 版本得 到 3GPP 批准，称为 LTE R8 版本。这一版本的峰值速率约为 326Mbit/s，和以前的系统 相比频谱利用效率获得了提升，并显著降低了时延（下降到20ms）。与此同时，ITU-R 提出了 IMT-2000 的后续要求（IMT-Advanced）作为制定第四代移动通信系统的标称 要求。LTE R8 版本并不能达到 IMT-Advanced 的要求，因此被认为是前 4G 技术。这 些要求后来有所放松，因此 LTE 被统一认为是 4G 技术。技术上，3GPP LTE R10 版本 和 IEEE 802.16m（又称 WiMAX）是最早满足 IMT-Advanced 要求的空中接口技术。而 WiMAX 尽管被批准成为 4G 标准，但没有被市场广泛接受，最终被 LTE 取代。与 R8 版本相比，LTE R10 版本新增了高阶 MIMO 和载波聚合的技术，从而提升了容量和速率，利用高达 100MHz 的载波聚合带宽可以达到 3Gbit/s 下行峰值速率和 1.5Gbit/s 上行峰值速率。其中下行采用 8x8 MIMO，上行采用 4x4 MIMO。
3GPP 对于 LTE 的标准化工作持续进行，包括 R11 版本到 R13 版本，以及后续版本。 LTE R11 版本通过引入载波聚合、中继和干扰消除技术优化了 LTE R10 版本的容量。同时，增加了新的频谱以及多点协同发送和接收（CoMP）技术。
在 2015 年 3 月冻结的 LTE R12 版本增加了异构网络和更高级的 MIMO 以及 FDD/ TDD载波聚合。另外增加了一些回传和核心网负载均衡的功能。接下来LTE R11和R13版 本，为了支持机器类通信（MTC），例如传感器和电动装置，引入了新的物联网解决方案（包 括LTE-M和窄带物联网NB-IoT） 9。这些新技术提升了覆盖，延长了电池的续航能力，降低 了终端成本。R13版本为了获得极高的移动宽带速率引入高达32载波的载波聚合技术。
截至 2015 年年中，全球蜂窝移动用户数达到74.9 亿 [11]，其中 GSM/EDGE，包括以 数据通信为目标的 EGPRS 主宰了无线接入网络。GSM 市场份额达到 57%（其用户数达到 42.6 亿） ，但是 GSM 的连接数已经达到峰值，并开始下降。另一方面，3G（包括 HSPA） 的用户数从 2010 起不断上升，达到 19.4 亿，市场占有率达到26%。爱立信移动报告预 测 2020 年 WCDMA/HSPA 的用户数将达到顶峰，之后将会下降 [12]。处于 4G 主导地位的 LTE 技术截至 2015 年年底，发展用户 9.1 亿（市场份额 12%） ，预计 2021 年达到 41 亿用 户 [12]，从而成为用户数最多的移动通信技术。图 1.3 展示了目前市场上的 3GPP 技术。总 体趋势是越来越广的频谱分布，更高的带宽，更高的频谱利用率和更低的时延。
1.4从移动宽带到极限移动宽带
5G极限移动宽带（xMBB）服务满足人们面向 2020 年，对极高数据速率的持续渴望。 对视频业务的广泛需求和对诸如虚拟现实、高清视频的兴趣推动了高达若干吉比特每秒 的速率要求。5G 技术使无线网络获得当前只能由光纤接入实现的速率和服务。感知互 联网进一步增加了对低时延的诉求。当低时延和高峰值速率需要同时满足时，就对网络 能力提出了更高的要求。
1.5物联网（IoT）和 5G 的关系
近几年来，有几个不同的概念描述 ICT 行业的一个重要领域，即物联网（IoT），信 息物理融合系统（CPS）和机器类通信（M2M），但这些概念各有侧重。
（1）物联网（IoT），又被称为“万物互联” （IoE），强调了互联网连接的所有对象（包 括人和机器）都拥有唯一的地址，并通过有线和无线网络进行通信 [13]。
（2）信息物理融合系统（CPS）强调通过通信系统对计算过程和物理过程（诸如传 感器，人和物理环境）的集成。特别是该物理过程在数字化（信息）系统中可以被观察、监视、控制和自动化处理。嵌入式计算和通信能力是信息物理融合系统的两个关键技术。 现代化的电网就可以被视为一个典型的 CPS 系统 [14]。
（3）机器类通信（M2M）被用来描述机器之间的通信。尽管数字处理器在不同的层 次嵌入到工业系统中的历史已经有很多年，但新的通信能力将会在大量的分布式处理器 之间实现连接，并使得原本本地的数字监控和控制提升到更广泛的系统级别，甚至是全 球的范围。4G 和 5G 就可以提供这些通信能力。不仅如此，当所有的目标被无线技术和 互联网连接，并且当计算和存储也分布在网络中时，信息物理融合系统（CPS）和物联 网（IoT）的区别就消失了。因此，无线移动通信是物联网（IoT）的重要赋能者。特别 是 5G 将赋能新的物联网用例（例如低时延和高可靠性需求的用例），以及其他无线通信 系统尚未涉足的经济领域。
第二节：如何实现海量数据的处理
