5G+：5G如何改变社会 李正茂 读书笔记 1G到5G的进化历程
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5G+：5G如何改变社会
李正茂
中信出版社
2019年8月
20世纪60年代美国贝尔实验室等研究机构提出移动蜂窝系统的概念和理论，也就是第一代移动通信的理论雏形。随后北美、欧洲和日本几乎同时启动了1G的研究和产业化进程，并于20世纪80年代陆续投入了商用。
第一代移动通信系统主要采用模拟技术。这一时代的特点是模拟化，即利用正弦波的幅度、频率或相位的变化，或者利用脉冲的幅度、宽度或位置变化来模拟原始信号，以达到通信的目的，这个过程被称为模拟通信。模拟信号在日常生活中很常见，如语音信号、干扰信号、噪声、电视摄像管产生的图像电流信号等，它们的共同特点是幅度随时间连续变化。
重要历史时刻• 1971年12月，美国运营商美国电话电报公司向美国联邦通信委员会提交了蜂窝移动服务提案。
• 1978年，美国贝尔实验室成功研制出全球首个移动蜂窝电话系统AMPS（高级移动电话业务）。
• 1979年，日本电报电话公司在日本东京开通了全球第一个商用蜂窝网络。
• 1980年，瑞典等北欧4国成功研制北欧移动电话系统NMT–450并投入使用。
• 1982年，AMPS被美国联邦通信委员会批准，分配了824~894 MHz[插图]频谱，美国正式商业运营1G系统。
• 1984年，联邦德国启用了基于C网络（C–Netz）的1G移动通信系统。
• 1985年，英国开发出频段在900MHz的TACS（全接入通信系统）并商用。
• 1987年，中国开始移动通信时代，采用TACS标准。
所谓数字通信，就是用简单的“1”和“0”来表示复杂的信息。古代的烽火通信其实就是一种简单的数字通信：烽火台的两种状态（亮和灭）就是“1”和“0”，这两种状态可以用来表示是否有敌袭。还有沿用至今的莫尔斯码，通过点、划的不同组合表示不同字符，构成要传递的信息，这里的点、划也可以视作“1”和“0”的变形。
数字信号是在模拟信号基础之上进行采样、量化、编码得到的。模拟信号数字化实现了信号从连续到离散的转变，主要体现在时间维度和信号幅值两个层面。首先，通过采样技术，信号在时间维度上不再是连续的了。利用脉冲信号按照固定的时间间隔抽取信号值作为该点的采样值。在这一过程中，采样率（即采样间隔的倒数）是一个关键指标。显然，采样率越高，采样间隔越小，信号的质量就越高。其次，采样后的信号通过量化使信号在幅度上也离散化。数字信号通过数码表示每一个数值，根据不同的量化精度可以用不同位数的二进制数来表示一个采样点的数值大小，体现为不同的编码技术。
重要历史时刻• 1982年，北欧国家向欧洲邮电联盟提交了一份建议书，要求制定公共欧洲电信业务规范，便于用户在欧洲使用。在这次大会上成立了一个“移动特别小组”（Groupe Spécial Mobile，简称GSM），以制定有关的标准和建议书。后来，这个小组牵头制定的技术标准被称为全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication），缩写也是GSM。下文中提到的GSM通常指的是全球移动通信系统。
• 1986年，经过欧洲各大公司对无线系统的研究，选定了主要的无线传输技术。同年，欧洲电信委员会决定将900MHz频段用于GSM。
• 1987年2月，GSM标准的基本参数达成一致。5月，GSM标准就数字系统采用窄带TDMA等方案达成一致意见。9月7日，欧洲来自13个国家的运营者和管理者在哥本哈根签署了MoU（谅解备忘录），相互达成履行规范的协议，同时成立了MoU组织，致力于GSM标准的发展。同年，GSM标准初稿完成。
• 1991年在欧洲开通了第一个演示系统，首个基于GSM标准的通话在芬兰运营商Radiolinja打出。同时MoU组织为该系统设计和注册了市场商标，将GSM更名为“全球移动通信系统”，从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。同年，GSM完成了1 800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，名为DCS 1800（1 800MHz数字蜂窝系统）。
• 1992年1月，第一个GSM运营网络在芬兰开始运营，运营商是Oy Radiolinja Ab。首个国际漫游协议由芬兰电信和英国沃达丰签署。到1992年12月，有7个国家的13个GSM网络运营。大多数欧洲GSM运营商开始商用业务。首条短信发送成功。
• 1996年，中国和俄罗斯的GSM网络开始运营。
3G除了支持传统的语音和短信外，还可以支持数据传送，实现无线通信与互联网等多媒体通信相结合，其数据传输速率一般为每秒数百千比特。
业界将CDMA技术作为3G的主流技术，GSM设备采用的是TDMA，而CDMA使用码分扩频技术，网络容量可提高到GSM的三倍以上。CDMA技术的原理是基于扩频技术（即将需传送的信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制），使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号做相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号（即解扩），以实现信息通信。扩频技术的优势在于抗干扰能力强、隐蔽性好。扩频原理如图1–5所示。发射端是将待传输的信息码a（t）经编码后，先对伪随机码c（t）进行扩频调制，然后再对射频进行调制，得到输出信号为：s（t）=b（t）c（t）
重要历史时刻• 1999年3月，国际电信联盟无线电通信部门TG8/1第16次会议在巴西召开，此次会议确定了3G的大格局。IMT–2000（国际移动电话系统–2000）地面无线接口被分为两大组，即CDMA与TDMA。
• 1999年5月，国际运营者组织多伦多会议上30多家世界主要无线运营商以及10多家设备厂商针对CDMA FDD（频分双工）技术达成了融合协议。
• 国际电信联盟在2000年5月确定WCDMA、CDMA2000和TD–SCDMA三大主流无线接口标准，将其写入3G指导性文件《2000年国际移动通信计划》。这标志着全球化的3G规范标准正式出现了。
• 2000年12月，日本以招标的方式发放了3G牌照。2001年10月，日本移动通信运营商NTTDoCoMo成为世界上首家开通WCDMA服务的公司。三年后，3G逐渐走出发展初期的低谷。日本是世界上3G网络起步最早的国家之一。
• 中国于2009年发放了3G牌照，其中中国联通使用的网络制式为WCDMA，中国移动使用的网络制式为TD–SCDMA，中国电信使用的网络制式为CDMA2000。
LTE是3GPP（第三代移动通信合作计划）基于2004年开发的UMTS（通用移动电信系统）技术标准的长期演进。LTE的峰值下载速度高达299.6Mbps[插图]，峰值上传速度高达75.4Mbps。
LTE支持FDD和TDD（时分双工）通信。FDD和TDD之间的主要区别在于使用了不同的双工模式。FDD在单独的对称频率信道上接收和发送，并且保护频带用于分离接收和发送信道。FDD的缺点是它必须使用成对频率，依靠频率来区分上行链路和下行链路，并且其单向资源在时间上是连续的。尽管在支持对称服务时FDD可以充分利用上行链路和下行链路频谱，但是在支持非对称服务时，其频谱利用率将大大降低。相反，TDD使用时间来分离接收和发送信道。它在一个通道中执行。
重要历史时刻• 2000年，美国高通公司开始在OFDMA（正交频分多址）技术领域进行研究。
• 2004年，3GPP联合全球六大电信发展组织（日本无线电工业和企业协会、世界无线通信解决方案联盟、中国通信标准化协会、欧洲电信标准化协会、韩国电信技术协会、日本电信技术委员会）进行LTE的标准化工作，将LTE技术确认为全球的通用标准。
• 2005年，移动运营商T–Mobile International、Telefonica、TeliaSonera和英国沃达丰表示应该统一一个单一技术来支持E–UTRA（演进通用陆地无线接入），以此来支持不同频段的部署。
• 2006年，美国高通公司开始了全球首个OFDM系统的商用测试。
• 2008年，3GPP发布了LTE的第一个技术版本3GPP Release 8，这项标准以单一规格技术支持TDD和FDD，实现了碎片最小化，刺激生态系统的发展。
• 2009年，TeliaSonera在瑞典和挪威开通首个LTE网络。同年，美国高通公司发布了全球首个多模3G/LTE集成芯片组解决方案，此方案同时支持LTE的TDD和FDD。
• 2012年，中国移动在香港推出了LTE FDD/TDD的融合网络，在2013年中国大陆开始商用LTE。
• 2013年LTE–Advanced（LTE升级版）出现，这是LTE的重要里程碑，针对预期的1 000倍移动数据增长有着重要的作用。它包含了多方面的增强，例如载波聚合、更先进的天线技术。
• 2016年，韩国移动通信运营商SK电信推出了全球首个LTE–Advanced的商用服务，首部采用高通骁龙800处理器和LTE载波聚合技术的终端为三星盖世乐S4。
4G催生了移动宽带，大大提升了移动互联网的用户体验。通信技术从传统的仅满足用户的语音、消息类通信需求，逐渐升级为满足用户的视频、游戏、金融等生活需求，移动互联网成为生活中不可或缺的部分。随着移动互联网的爆发，越来越多新的应用形式，包括高清、超高清、VR/AR等不断涌现，移动互联网的流量大增。同时，随着共享自行车、视频监控等应用的蓬勃发展，窄带物联网已经无法满足物联网业务的发展需求，网络带宽和连接数亟待进一步扩展。此外，车联网、工控网络的发展对移动网络延迟提出了更为严苛的要求，要求网络提供媲美光纤的延迟体验，对大带宽、大连接、低延迟的下一代移动通信网络的需求越来越强烈。
与此同时，随着通信4.0的推进，信息技术与通信技术深度融合，越来越多的信息技术包括云计算、虚拟化等，将不断为通信技术所用，促进传统通信网络向软件化、服务化转型。此外，人工智能迅猛发展，不断向网络领域渗透，使网络的智能化成为可能。信息技术、人工智能和移动通信等新科技的融合创新催生了第五代移动通信技术。
应用场景根据国际电信联盟的愿景，5G面向eMBB（增强移动宽带）、mMTC（大规模物联网）、uRLLC（超高可靠超低时延通信）三大场景，全面提升包括峰值速率、移动性、时延、体验速率、连接数密度、流量密度和能效等能力，同时满足“人与人通信”和“物与物连接”的需求。5G还将与超高清视频、VR/AR、车联网、工业互联网等垂直行业相结合，渗透到社会的各个领域。
eMBB（增强移动宽带）其核心含义是在现有的移动宽带业务场景的基础上，进一步提升用户数据体验速度。4G的平均用户体验速度下行为3050Mbps，用手机下载一部500M的视频通常需要几分钟，用户体验较好。4G的平均用户体验上行为68Mbps，用4G做上行数据包传输，尤其是当进行4K、8K[插图]高清视频直播的时候，4G根本无法满足用户需求。而5G的eMBB上行用户体验速度可以达到50Mbps以上，完全可以支持4K、8K高清视频直播，进而大大提升用户体验。
mMTC（大规模物联网）5G每平方公里可以支持100万的连接数，这完全突破了传统的人与人之间的通信，使人与物、物与物的大规模通信成为可能。5G除了支持海量连接外，还可以支持丰富的物联网终端类型，比如仅有主叫没有被叫的物联网终端，或仅在固定间隔周期监听被叫的终端等。此外，针对很多物联网终端仅能使用电池供电，尽可能降低终端功耗的需求，5G在协议设计上简化连接模型，最大限度地降低物联网终端的功耗。
uRLLC（超高可靠超低时延通信）比如无人驾驶、工业机器人等场景，要求网络做到高可靠性且网络时延尽可能低。uRLLC场景下端到端时延约为4G的1/5，可以达到1~10毫秒，且5G内生支持边缘计算，可有效支持无人驾驶等场景下的快速反应需求，迅速、及时执行命令。针对高可靠性的要求，5G支持终端与网络建立双通道，两条通道互为备份，确保连接的可靠性。
5G标准发展历程 3GPP R15版本特性3GPP在R15标准中主要完成了5G三大业务场景中的eMBB场景和uRLLC场景的标准制定，能够满足5G部署初期的商用需求。
R15标准版本的无线基站侧重点围绕“新架构、新频段、新天线、新设计”等技术方向，着力实现5G创新突破，以用户及服务为中心构建端到端的5G智慧网络系统。其中新架构同时支持接入网的分布式部署和集中化部署。新频段要求5G可以支持中高频段，包括6GHz以上的毫米波频段。新天线允许支持大规模天线以大幅提升系统效率，大规模天线通过三维的波束赋形，可形成能量更集中、覆盖更立体、方向更精准的波束。面向新设计，为满足垂直行业的各种差异性需求，并应对部署场景的多样性与复杂性，5G在接口设计方面提供了更多可选的帧结构设计，可根据5G基础通信业务、物联网和车联网等多样化应用场景，灵活配置帧结构。
3GPP R16版本特性5G发展的重点目标之一是赋能垂直行业的转型升级，但基于R15国际标准的5G网络，要全面满足高速率、低时延、高可靠性等业务需求仍存在一定的挑战。例如，网联无人机的高清图像和视频回传不仅对用户的上行速率提出了很高需求，而且要求网络能够做到对高空用户的无缝覆盖，但R15的5G网络还无法很好地满足这些要求。此外，对于工业互联网中一些需要同时满足低时延、高可靠和高速率的业务场景，基于R15的5G网络也可能难以满足。
网络更智能面向5G网络自动化与智能化的需求，重点研究5G网络自动化等。5G网络自动化通过在5G系统架构中引入新的网元NWDAF（网络数据分析功能），通过对接入网、核心网、网管等信息进行收集、分析和反馈，为网络优化、网络切片质量保障、灵活组网等提供全新能力支持。
性能更极致为深度挖掘5G网络潜力，3GPP确立了进一步提升网络频谱效率和用户体验速率的大规模天线增强技术、5G蜂窝定位技术、优化5G用户体验的终端节能技术以及支持超大连接的非正交多址技术等标准增强方向。
频谱更丰富为了拓展5G系统的可用频谱范围，3GPP一方面向非授权频段扩展，开展5G空口在7GHz以下非授权频谱独立部署以及与已有授权频谱的LTE/NR（长期演进/新空口）联合使用等方法研究；另一方面向更高频段扩展，开展52.6~100GHz频段的部署场景、可用技术等相关研究。
应用更广阔为使5G网络适配更广阔的垂直行业应用需求，3GPP确立了面向智能电网、自动驾驶、智能制造等行业应用的uRLLC增强和工业互联网增强技术，面向智能交通行业应用的5G车联网V2X（车与万物互联）技术、空天地一体化通信等作为标准增强方向。其中uRLLC增强主要面向智能电网、工厂自动化等新场景，通过对不同类型的业务传输采用动态资源复用、智能化重复传输、网络冗余等机制，在满足更低空口时延需求（如0.5~1毫秒）的同时，将端到端可靠性提高到99.9999%。
作者：Lizzy_Yiu
