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5G与AI（人工智能）技术已经在我们的生活中得到广泛的应用，在生产、生活等各个环节都发挥着重要作用。5G提供了万物互联的广泛连接，基于AI的各种应用已经渗透到各个领域。一方面，5G不断引入基于AI的算法和解决方案，不断提升5G网络的性能，为5G发展开启了一个新的智能维度；另一方面，5G也不断扩展AI的应用场景和空间，高速、低时延的连接使能了更多基于AI的应用。两项技术的深度融合也将进一步为我们的生产生活提供更好的服务，成为构建未来信息社会的基础。
5G国际标准处于不断演进的过程中，目前已经完成R15和R16版本的制定，R17版本制定也将完成。在5G的初始设计阶段，受各方面因素限制，并没有基于AI进行空中接口的设计。在5G国际标准的演进过程中，5G的核心网不断考虑引入智能化单元，支持基于AI的各种应用；在无线网侧，5G也开始了基于AI的关键技术研究与标准化工作。总体看，基于AI的智能化增强可以在多个维度提升5G网络性能，已经成为5G网络演进的核心方向。
随着5G网络的广泛部署，5G网络中也承载了大量的AI相关数据。AI应用所需的数据和模型也对5G网络的传输提出了一定的要求。目前AI应用相关模型大小一般在百兆及以上量级，同时，AI相关的模型训练和传输可以分布在多个网元联合进行。为更好地匹配各种场景下的各种AI应用需求，5G网络也需要考虑进行相应的增强，使得各类AI应用可以更好地部署与使用。5G与AI技术的持续融合为我们的生产生活开启更多的可能。在医疗、教育、交通、家居、港口、环保等多个领域，结合AI的各类应用随着5G的广泛部署也将得到越来越多的应用。
本书围绕5G的演进，从各个角度对5G与AI的融合进行深入的探讨。第1章对5G和AI技术的发展和融合进程进行整体的描述与分析。第2章着重介绍5G与AI融合中涉及的基础理论。第3章结合最新研究成果，对5G无线侧引入基于AI的各种技术进行详细的探讨。第4章围绕智能化网元对5G核心网侧支持AI的架构进行介绍。第5章结合AI模型及相关数据的特点分析5G网络需要考虑的增强。第6章根据5G和AI结合带来的各种应用，对5G和AI融合对未来生产、生活的影响进行展示。第7章对未来6G与AI融合进行了分析与展望。
全书的内容涉及5G与AI的基础理论、典型用例、网络架构、国际标准演进、网络传输需求、整体愿景等多个层面。为了方便读者阅读，第1章对5G与AI融合整体图景和涉及的相关概念进行了阐述，第2章到第6章对基础理论到实际应用等各个层面进行详细的介绍。在实际的撰写过程中，本书结合了移动通信与AI基础理论、学术研究最新进展、国际标准的演进和实际应用情况，整体呈现5G与AI融合的全景图。
本书的撰写依托IMT-2020（5G）推进组，汇集了多名工作在5G与AI领域的一线专家的辛勤工作。王志勤负责全书组织架构和统稿。刘晓峰负责第1章，第2章、第3章、第6章部分内容和第7章撰写工作。彭木根、魏贵明、赵中原、江甲沫、刘慧、李阳、周伟、韩凯峰等负责第2章的AI基础理论部分撰写工作。刘亮、田文强、杨昂、王园园、徐志坤、孙鹏、陈为、艾明、曹亘、王伟、牟勤、何睿斯、赵中亮、高音、许立香、王翯等负责第3章剩余部分内容撰写工作。吴晓波、李爱华、赵嵩、刘佳一帆、秦鹏太、刘乐、李大鹏、王胡成等负责第4章撰写工作。沈嘉、王四海、杨宁、张治、许阳等负责第5章撰写工作。魏贵明、徐菲、杜滢、曹一卿、王海宁、于小博、乔雷、张秋生、雷艺学等负责第6章剩余部分内容撰写工作。魏克军、焦慧颖、闫志宇、沈霞、徐晓燕、朱颖等负责内容修订和部分章节撰写工作。
受新冠肺炎疫情影响，5G国际标准化节奏有所放缓，但是在马上就要到来的5G-Advanced中，5G与AI的融合将得到加速的发展。在进一步的发展过程中，也需要对书中内容进行相应的修改与补充。对于本书存在的不当之处，敬请读者和专家批评指正。
5G+AI时代已然来临，融合全景图已经展开
5G技术的广泛应用给人们生活的方方面面带来巨大改变。根据ITU（International Telecommunication Union，国际电信联盟）的愿景，5G将渗透到未来社会的各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态系统。其中，5G用户体验速率可达100Mbit/s～1Gbit/s，能够支持移动虚拟现实等极致业务体验；5G峰值速率可达10～20Gbit/s，流量密度可达10Mbit/（s·m 2 ），能够支持未来千倍以上移动业务流量的增长；5G连接数密度可达100万个/平方千米，能够有效支持海量的物联网设备；5G传输时延可达毫秒量级，可满足车联网和工业控制的严苛要求；5G能够支持500km/h的移动速度，能够在高铁环境下带来良好的用户体验。可以想见，5G作为新型基础设施的代表将重新构建未来的信息化社会。
近年来，AI（Artificial Intelligence，人工智能）技术在多个领域不断取得突破。智能语音、计算机视觉等领域的持续发展不仅为智能终端带来各种丰富多彩的应用，在教育、交通、家居、医疗、零售、安防等多个领域也有广泛应用，给人们生活带来便利的同时，也在促进各个行业进行产业升级。AI技术也正在加速与其他学科领域交叉渗透，其发展在融合不同学科知识的同时，也为不同学科的发展提供了新的方向和方法。
在5G网络中采用AI技术逐渐成为未来5G网络演进的重要趋势。近年来，通信与AI技术的结合已经成为行业研究热点，在IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气与电子工程师协会）及各种学术研究期刊上的研究论文已经过万篇。根据目前的学术研究成果，在大规模天线设计、资源调度、基础的信道编解码设计、信号检测、移动性管理等众多基础通信系统设计中引入基于机器学习的监督与非监督学习、强化学习、神经网络等算法，在特定场景可以产生可观的性能增益。当前的5G网络中也逐步开始在网络部署、运维、管理、性能优化等方面开始探索应用AI技术。3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）等标准化组织也逐步启动与人工智能业务和网络智能化相关的研究工作。
5G网络为AI技术应用提供了更广阔的空间。受算力、传输时延等因素所限，传统的AI算法大多只能在云端进行，运行结果分发给相应终端。5G网络可以为终端及各个网元提供超低时延高可靠的传输，这使得AI的各种应用可以分布在整个网络中，从而重新架构AI的算法及各种应用，最典型的如基于分布式的AI算法或者基于联邦学习的AI算法。根据AI各种应用的需求，5G网络也可以进行逐步的演进，与AI技术发展形成良性互动，进一步推动AI技术更广泛的应用。
5G与AI技术的深度融合也将赋能更多的行业，带动多个行业发生深刻变革。根据目前的各种研究及实践，5G与AI技术将赋能交通、工业互联网、医疗、电网、安防、物联网、环保、港口、物流、能源等多个产业，使这些产业更加智能化的同时，具有更好的连接性，实现万物智联。在万物智联的基础上，不仅可以大幅提升各行业效率，也将提供更加多样化的服务与行业体验，深刻改变各个行业的生产及组织形态。
5G最开始的工作是由ITU发起的。2012年ITU开始组织全球业界开展5G标准化前期研究，持续推动全球形成5G共识。2015年6月，ITU正式确定IMT-2020为5G系统的官方命名，并明确了5G业务趋势、应用场景和流量趋势，提出5G系统的八大关键能力指标，以及未来移动通信技术发展趋势。
在业务方面，5G将在大幅提升“以人为中心”的移动互联网业务体验的同时，全面支持“以物为中心”的物联网业务，实现人与人、人与物和物与物的智能互联。如图1-1所示，在应用场景方面，5G支持增强移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、海量机器类通信（massive Machine Type Communication，mMTC）和超高可靠低时延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，URLLC）三大类应用场景，在5G系统设计时充分考虑了不同场景和业务的差异化需求。以三大典型应用场景为基础，5G也将不断演进出更好的支持不同垂直行业的新应用。
图1-1 5G三大应用场景
5G的八大关键能力指标如图1-2所示，除了传统的峰值速率、移动性、时延和频谱效率之外，ITU还提出了用户体验速率、连接数密度、流量密度和能量效率四个新增关键能力指标，以适应多样化的5G场景及业务需求。其中，5G用户体验速率可达100Mbit/s～1Gbit/s，能够支持移动虚拟现实等极致业务体验；5G峰值速率可达10～20Gbit/s，流量密度可达10Mbit/（s·m 2 ），能够支持未来千倍以上移动业务流量增长；5G连接数密度可达100万个/平方千米，能够有效支持海量的物联网设备；5G传输时延可达毫秒量级，可满足车联网和工业控制的严苛要求；5G能够支持500km/h的移动速度，能够在高铁环境下提供良好的用户体验。此外，为了保证对频谱和能源的有效利用，5G的频谱效率将比4G提高3～5倍，能效将比4G提升100倍。
图1-2 5G关键能力指标
5G的国际标准化工作由3GPP来承担。3GPP本质上是一个代表全球移动通信产业的产业联盟，其目标是根据ITU的需求，制定更加详细的技术规范和标准，规范产业的行为。在5G标准化开始之前，各主要公司均希望推动全球形成统一的5G标准，3GPP制定的5G新空口（New Radio，NR）标准成为5G最主流的国际标准。
5G国际标准处于不断演进过程之中。3GPP制定的标准规范以Release作为版本进行管理，每18～21个月就会完成一个版本的制定，从建立之初的R99，之后到R4，目前已经进展到R17。图1-3给出了5G标准演进概览。R15作为第一个版本的5G标准，完成5G基础的框架性设计，并满足以移动增强宽带为代表的部分5G需求。R16作为第二版本的5G标准，在R15版本基础上持续完善：完成对毫米波更好支持和已有功能的增强；加强了对超高可靠低时延业务的支持，空口时延降低到0.5～1ms，可靠性达到99.9999%；对于以车联网为代表的垂直行业应用，R16版本也进行了专门的支持。在R16版本基础上，后续的版本还会持续完善5G各项功能，并根据新技术发展不断引入新的能力。尤其值得关注的是，在R17标准及以后的演进中，5G技术与人工智能逐步成为标准演进的重要方向。
图1-3 5G标准演进概览
目前5G网络已经在全球广泛部署，传统的智能终端业务可以很好地使用5G网络。根据ITU的愿景及需求，5G还将持续向垂直行业扩展，成为未来社会的基础网络。在这一过程中，5G还将根据不同行业特点及现有网络面临的各种问题不断演进。如前所述，5G网络对于车联网、工业互联网、定位技术、超高可靠低时延（URLLC）技术会持续增强。在5G网络基础能力方面，为了更好地支撑各行业不同的业务，5G采用了网络切片、多接入边缘计算（Multi-Access Edge Computing，MEC）等技术。随着人工智能技术的不断发展，5G网络也逐步考虑引入基于人工智能的各种技术以提升5G网络性能。同时，为使5G网络更好地支持各种基于AI的应用及算法，5G也会在网络架构上进行演进。