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本章介绍移动通信的发展史、5G的核心技术、5G的主要应用场景，以及5G与产业革命。
早在1947年，美国电话电报公司（American Telephone & Telegraph，简称AT&T）的贝尔实验室就提出了基于频分多址复用技术的蜂窝通信的概念，1971年，作为美国电信运营商的AT&T公司向美国联邦通信委员会递交了蜂窝移动服务方案，并且于1978年由AT&T公司所属的贝尔实验室研制出先进移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，简称AMPS），即蜂窝移动通信系统，这是第一代移动通信系统
。AMPS是一个模拟通信系统，采用频分多址（Frequency Division Multiple Access，简称FDMA）的复用技术，主要技术手段是滤波器，容易受噪声的干扰，语音质量较差。虽然美国研发移动通信时间历史悠久，但日本却于1979年建立了世界上第一个商用的移动通信网，1980年北欧4国研制成功北欧的移动电话系统NMT-450并投入商业运营。美国直到1986年才在芝加哥诞生采用模拟制式的第一代商用移动通信系统。20世纪80年代，以美国摩托罗拉和欧洲爱立信公司为代表，蜂窝移动通信在美国和欧洲得到了广泛的应用。1987年，中国采用全入网通信系统（Total Access Communications System，简称TACS）标准开始试用移动通信业务。1G时代的移动通信，是“大哥大”横行的年代，其缺点是只能传输语音信号，并且存在容量小、信号不稳定、抗干扰能力差、安全性能低以及不能进行全球漫游和收发短信等弊端。
与1G相比，第二代移动通信统系统（2G）采用数字技术，具有更好的通话质量和更强的保密性。2G主要有两大标准，即欧洲国家主要使用的以诺基亚为代表的GSM（Global System for Mobile Communications，即全球移动通信系统）标准和美国等国主要使用的以摩托罗拉为代表的CDMA（Code Division Multiple Access，即码分多址）标准。由于2G采用了调制解调技术，可以实现文字传输、短信收发和来电显示等。2G时代技术的革新升级，使得手机的体积和制造成本大幅下降，手机逐步走进千家万户，2G时代短信业务变得非常成熟，人们的沟通交流更加便捷和高效。2G时代是诺基亚的经典时代，时至今日，GSM系统仍在广泛使用。
2000年5月，国际电信联盟发布了第三代移动通信的标准：欧洲、日本为代表的W-CDMA（Wideband Code Division Multiple Access，即宽带码分多址）、中国为代表的TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，即时分同步码分多址）和美国为代表的CDMA2000。3G的传输速率一般情况下可以达到384 Kbps，在室内稳定的环境下传输速率可以达到2 Mbps，使用多种组合技术以后，传输速率甚至可以达到7.2 Mbps, 3G的这些特性使得手机进入智能时代，可以利用手机上网、收发邮件，甚至用手机进行视频通话和收看直播等。2008年，支持3G网络的苹果iphone发布，3G网络在中国全面覆盖，由于诺基亚坚持以传统手机功能为主，因其保守，2G时代风光无限的诺基亚手机逐渐走下神坛，而积极拥抱智能时代的苹果与三星手机则大放光彩。3G技术的最大缺点是自身的干扰问题，而且其频谱效率比GSM并没有大幅度显著提升，并且主流的3G标准W-CDMA系统设计过于复杂，部署成本太高，所以一直无法替代GSM系统。
2009年，第三代合作伙伴计划（The 3rd Generation Partnership Project，简称3GPP）标准化组织提出了长期演进技术（Long Term Evolution，简称LTE），2011年又推出升级版LTE-Advanced，各大运营商纷纷采用LTE-Advanced，第四代移动通信在LTE基础上快速成长。欧洲国家在W-CDMA移动通信标准的基础上提出频分多码长期演进技术（Frequency Division Duplex-Long Term Evolution，简称FDD-LTE）标准，中国则基于时分同步（Time Division，简称TD）技术提出了适合我国国情的TD-LTE（Time Division-Long Term Evolution）标准。4G移动通信标准采用了正交频分复用技术，克服了3G CDMA技术的缺陷，简化了系统设计，除了兼容3G的功能外，4G还集无线局域网于一体，可以达到150 Mbps的峰值速率，4G使得网络覆盖能力大大增强，视频业务爆发，人类进入移动互联网时代。
4G改变了人类的生活方式，5G的到来则改变了整个世界
。4G主要是为移动互联网设计的，强调的是人与网络之间的高速连接，而5G时代，每一个物体都可能有联网的需求，连接数量会呈几何级增加，因而5G需要支持海量连接的能力。2019年9月10日，华为公司在匈牙利举行的国际电信联盟世界电信展上发布《5G应用立场白皮书》，呼吁世界各国为5G的商业化应用提供良好的资源环境和政策保障，政府和相关行业组织要积极推进5G标准的协同、保障5G频谱资源到位，并展望了5G的应用场景。5G进入了万物互联的时代，速率从2G时代的10 Kbps到5G时代的最高10 Gbps，增长了百万倍。为了满足一些低时延业务的需求，5G要求空中接口的延时为1 ms，而4G的这一指标为30 ms左右。5G具有高速率、大带宽、低时延的优势，国际标准化组织“第三代合作伙伴计划”（3GPP）从宏观上定义了5G的三大标准应用场景：增强移动宽带（eMBB）、超高可靠与低时延通信（uRLLC）、海量机器类通信（mMTC）。增强移动宽带是指在现有移动宽带基础上，用户体验速度大幅度提升，超高可靠与低时延通信的特性可用于对通信延时比较高的场合，如无人驾驶、实时远程医疗、远程教学互动等。海量机器类通信（mMTC）利用5G超大规模连接（每平方公里可达100万个连接，4G时代每平方公里只有1万个终端）和超低功耗的特性，实现机器与机器、机器与人之间的通信，达到万物互联的目的，例如远程抄表，每个月只要唤醒一次，发送一下读数，其他时间处于休眠状态。
移动通信的发展演变如图3-1所示
。
图3-1 移动通信的发展演变
2018年2月13日，国家发改委正式批复5G规模组网建设及应用示范工程项目。2019年6月6日，工业和信息化部向中国电信、中国移动、中国联通和中国广电四家基础通信企业正式颁发了5G商用牌照，批准四家企业经营5G业务。并且要求各企业重点聚焦物联网、车联网等领域，以市场和社会需求为导向，积极稳妥地推进5G的落地应用和融合发展，以5G为支撑，为各行各业赋能赋智。
2019年3月，上海市副市长吴清在虹口区首次进行了基于中国移动5G网络的手机通话，标志着上海成为全国首个中国移动5G试点城市。现场进行的5G通话不用更换卡号，首次在现有网络基础上实现了5G核心网的升级，并且实现5G网络的优化适配。
超密集异构网络，即超密集的不同架构的网络
。由于频谱的原因，2G时代只需要几万个基站就能实现移动网络全覆盖，到了3G时代基站数量则翻了十倍，而完成4G网络覆盖则需要几百万个基站，实现5G网络全覆盖则可能需要千万甚至上亿个基站，为达到密集覆盖，还有很多各种类型的微基站，由此形成超密集异构网络。5G的这种布局结构使得网络节点离终端距离更近，使得5G基站的功率效率显著提升，网络覆盖范围得以扩大，系统容量得以提升，并且增强了5G网络与其他接入技术之间的灵活性。随着手机、平板电脑、智能手表、运动腕表以及其他智能终端设备的广泛使用，移动数据流量将会成百倍、上千倍甚至上万倍的增长。在5G网络落地方案中，可以通过减小小区半径，并且增加节点数量的方式，保证5G网络能够支撑上千倍上万倍流量的增长。虽然超密集异构网络架构在5G中有很大的发展前景，但是节点间距离的减少，密集的网络部署会使得网络拓扑变得更加复杂，容易出现与现有移动通信系统不兼容的问题
。
网络切片技术。网络切片技术在5G中扮演着重要角色，网络切片是基于统一基础设施和统一的网络资源，对现有物理网络进行切分，形成多个彼此独立的逻辑网络或物理的“专用网络”，为差异化业务提供定制化服务，可以实现“多网专用”
。5G时代，不同的应用场景对带宽、性能等有着不同的要求，例如远程互动教学、5G虚拟校园网和无人驾驶等对5G网络的要求就不相同，如果在不同应用时对使用的5G网络不加以区分，会使得网络架构异常复杂，甚至可能无法达到场景应用所需要的性能要求，网络运营成本也会成倍增长，如果根据业务场景的需求，为每个业务场景配置专用的网络，该网络只为特定的应用场景提供专属的服务，网络性能和效率会显著提升，运维也会变得非常简单。基于以上因素，网络切片需求应运而生。5G移动网络可以根据不同类型业务独特的需求，通过网络切片技术，把5G网络虚拟成不同的多个网络，每个虚拟网络之间在逻辑上是相互隔离的，并且每个虚拟网络都可以根据各自专属的特色应用来定制不同的网络功能，从而实现“多网专用”。这就好比我们把一条宽阔的马路通过虚线分隔成不同的车道一样，有快速车道，有慢车道，也有公交车专用车道，分别满足不同车辆的行驶需求，其中公交车专用车道在特定的时间内只允许公交车行驶，提高了上下班高峰时段公交车的通行速度。
5G网络切片的目标是为不同的应用场景提供在逻辑上相互隔离的专用网络，该专用网络的特性是完全隔离的并且能够独立运维和管理。要实现这样的目标，就必须将核心网与接入网资源、客户端设备以及网络运维管理等进行有机组合。网络切片分为两种类型：①独立切片。具备完全独立的业务功能模块，其特点是功能完全独立。②共享切片。与独立切片不同，其资源可以共享使用。可以预见，在网络切片技术的加持下，需要专属网络的场合如虚拟校园网、远程诊断等应用将更为常态化，极大地提升人们的工作体验和便利性，提升生活质量。
D2D（Device to Device）通信，即设备到设备之间的直接通信，是一种基于蜂窝系统的短距离数据通信技术。因为不需要经过基站这一中间环节，D2D通信具有高速、低时延和低功耗的特点。5G时代，随着终端接入数量的成千上万倍的递增，移动通信系统面临巨大挑战，为应对超密集的网络，面对面高效地利用频谱资源，面对面传输提高了网络传输的可靠性，减少了基站压力，节约了空中资源
。虽然D2D通信直接在终端与终端之间进行，但控制相关的指令仍然由蜂窝网络来负责。
自组织网络，即网络在定义的过程中需要根据不同的业务自行进行组织
。传统的通过人工方式进行运维的移动通信网络具有很大的局限性，一方面需要花费大量的人力资源，另一方面很多时候却达不到理想的网络优化效果。进入5G时代，由于存在着各式各样的无线网络接入技术，各网络节点之间的关系错综复杂，因而在5G落地过程中会经受网络部署和运维能力的考验。因此，自组织网络的智能化尤为重要，主要体现在5G部署时的自规划、自配置方面，以及5G运维阶段的自优化、自愈合等方面。
内容分发网络（Content Delivery Network，简称CDN）是在传统网络中添加新的层次，即智能虚拟网络
。5G时代，由于图像、视频等业务出现爆发式增长，网络流量急剧增加，互联网访问时的卡顿现象时有发生，甚至会导致网络服务器宕机。例如，2020年初，突发新冠肺炎疫情期间，全国各地开启了史无前例的大规模在线教学，由于在线学习的内容主要为录制的视频课程，导致网络流量巨大，访问延时和卡顿现象成为常态，有些地区更是出现了大规模的服务器瘫痪现象，因此如何提升用户访问体验成为内容提供商面临的重要难题。增加带宽、对云存储资源进行扩容、增加服务器的数量等并不能有效解决此类问题，因为很重要的一个影响因素是网络传输过程中的路由堵塞与延时问题，这跟网络服务器与客户端之间的距离远近有很大关系。CDN系统综合考虑各节点连接状态、负载情况以及用户距离等信息，通过将相关内容分发至靠近用户的CDN代理服务器上，实现用户就近获取所需的信息，减少响应时间，提高响应速度，使得网络拥堵状况得以缓解
。简单来说，就是CDN将要访问的内容分发到全国所有的节点，用户可以从最近的节点获取所需要的资源，从而提升访问速度。CDN对5G的网络容量以及用户访问等具有重要的支撑作用。
M2M（Machine to Machine）通信。广义上的M2M通信指机器与机器之间、机器与人之间以及机器与移动网络之间的通信，狭义上的M2M通信专门表示机器与机器之间的通信，即物与物之间的通信。现实生活中最常见的上网或者人机对话就是典型的人和机器的通信，但5G时代是万物互联的时代，物与物之间的通信会呈现几何级数增长。例如智能停车场的每个停车位下都装有传感器，通过5G网络与控制中心自动连接，如果有车停到车位，传感器感应到信号，发送指令到控制中心，可以精确地指示哪些车位是空余车位。还有家庭智能抄表，每个月自动唤醒一次，发送水表、电表或燃气表的数据后又进入睡眠状态。但海量的机器通信也会引起网络堵塞等问题。
边缘计算。边缘计算是指为了实现用户端的快速响应速度、减少数据延时，以最近的距离提供最高质量的智能化服务，在接近用户端的网络边缘侧实现计算、存储等多种功能的平台。边缘计算通过把带有缓存、计算处理能力的节点甚至小型数据中心部署在网络边缘，与用户端紧密相连，使得网络流量在靠近用户端的位置直接处理，以此来降低数据传输时延，减少核心网络负载。5G对边缘计算的支持非常重要。以无人驾驶为例，远程控制和数据传输实时性要求高，时延要求很低，汽车遇到突发情况需要紧急刹车或者避开障碍物时，如果实时采集到的数据都要通过5G网络发送到基站，再由基站发送到云端去集中分析处理，然后原路返回到汽车，就很难达到低时延的需求，实时性得不到保障。除了无人驾驶以外，对实时性要求比较高的场景还包括增强现实/虚拟现实技术（Augmented Reality/Virtual Reality，简称AR/VR）、全息课堂等，这些对实时性要求非常高的应用场景对延时非常敏感，甚至无法容忍毫秒级的延迟，边缘计算在这些应用场景中成为了必备。
在4G时代，边缘计算因为缺少分流机制而陷入困境，发展缓慢。5G时代给边缘计算带来了新的发展机遇，因为5G网络从系统整体设计上就已经把边缘计算考虑在内，5G的核心网络支持边缘计算，5G在架构上设计有灵活的分流机制。
鉴于边缘计算在5G网络中的重要应用，产业界和研究机构加大了对边缘计算的研究并取得预期效果，其中，以移动边缘计算和“雾计算”等为主要代表。“雾计算”由思科发明，是云计算与边缘计算有机结合的产物。“雾计算”利用用户端网络设备的计算存储等功能，在网络边缘侧开启云计算能力。
移动云计算。移动云计算是指在移动互联网中引入云计算，是传统云计算与移动互联网相结合而成的产物
。移动终端设备有时需要做很多复杂的运算，运算过程有时会产生大量的中间数据，通过移动云计算环境下的计算迁移技术，可以把一些复杂应用所需要的计算任务转移到云端来进行运算处理，大大缓解了移动终端设备自身资源有限的问题，例如，移动终端经常受到自身内部存储空间和电池续航能力的影响，增加了数据的丢失概率，通过移动云计算则可以大幅提高移动应用服务的可靠性和保证数据质量。
软件定义无线网络（Software Defined Network，简称SDN）。SDN是在传统因特网基础上发展起来的一种新技术，由于传统网络架构的局限性，其控制和转发高度集成，再加上其封闭性的网络互联节点，使得传统因特网的控制系统更加复杂。为了解决此类问题，斯坦福大学提出了软件定义网络的概念，其实质是用一个通用的模式来定义和控制无线网络，统一由中心控制器进行控制，从而使得控制变得更加灵活，网络系统变得更为简单
。
5G的应用场景为增强型移动宽带、低时延高可靠通信和海量机器类通信。增强型移动宽带可以为用户提供1 Gbps的网速，并且峰值速率可达到10 Gbps，以往下载视频可能需要几分钟甚至几十分钟，而在5G环境下，下载一部电影视频只需要数秒。超可靠低时延通信（Ultra-Reliable and Low-Latency Communication，简称URLLC）可以实现端到端毫秒级的时延和高可靠性，面向无人机车、远程医疗等低时延、高可靠连接的业务。海量机器类通信（Massive Machine Type Communication，简称MMTC）可以达到万物互联的目的，不仅能够将家具、家电、水表、燃气表等与各种各样的设备实现互联，还能用于智能消防、智能停车等需要进行数据采集与实时传输的应用场景，并能够提供无限网络连接服务。
为了满足5G高速、泛在的连接方式，5G的网络覆盖就必须非常密集，同时5G为了高带宽而采用了高频资源，即通常讲的毫米波频率，因其穿透能力非常弱，这就需要大量的基站，例如在室内可能需要部署若干5G微基站，覆盖一层楼面或一间会议室等。中国5G的频段资源分配为：中国电信（3400～3500 MHz）、中国联通（3500～3600 MHz）、中国移动（2515～2675 MHz、4800～4900 MHz）频段。美国采用的是28 GHz的频段，要实现5G网络的覆盖，难度要大好多倍，需要建设更多的基站才能做到密集部署，基站本身的功耗带来的能源消耗巨大。
5G技术和人工智能技术的融合将推动产业革命，推动生产方式与生活习惯的改变，促进生产力变革，使得人力机械化迈入更高的智能时代，推动人类科技进步与人类社会向前发展。人工智能与5G的融合将更多地聚焦于应用场景的创新。5G的强项在于数据传输的精准、高速、低延时，实现万物互联，人工智能技术的优势在于对物的“智能化”改造，借助知识图谱、神经网络、计算机视觉等技术来赋予物的“生命力”，而这种智能化的“生命力”往往需要通过5G技术的传递。
人工智能与5G的发展相互促进、相互赋能。人工智能赋能5G将会使得网络边缘终端更加智能化，5G赋能人工智能将会使得大数据和云计算等得到更充分的挖掘和使用。把人工智能技术应用于5G网络和设备将带来更安全的网络环境、更高效的无线通信和增强的用户体验与设备体验。人工智能通过分析5G网络所产生的大量数据，能更有效地检测和防御恶意攻击，提高网络安全性。高通公司总裁安蒙（Cristiano Amon）在2020年世界人工智能大会上表示，人类社会正在进入人工智能和5G双轮驱动的智能云时代。所有事物都将以5G为代表的高可靠方式实现互联，各行各业每天所产生的数据都会被存储到云端。人工智能、边缘计算以及5G光纤般的传输速度为这一切提供了保障。基于5G，政务处理进一步电子化，政务处理“一网通办”更加便捷高效，社区管理、园区管理等更加智能化，为城市运行“一网统管”提供了保障。
利用5G万物互联、高速率、低时延的特性，可以开展实时的远程医疗服务。跨越空间距离，医生可以对患者进行远程诊治、指导手术等，在4G时代，由于网络传输慢所限，在进行远程医疗时，常常面临画面清晰度不够、时延长等问题，导致医生无法清楚辨别患者的实时情况，而在5G条件下，画面质量得到大幅改善、传播延迟大幅度降低，远程医疗得到长足发展。还有远程无人驾驶技术。要实现远程无人驾驶，必须有高可靠性的稳定的网络支撑，网络传输不能有明显延迟，传统移动通信技术无法达到这项要求，5G时代，移动通信技术与物联网的融合应用，则弥补了4G网络的缺陷，可以进一步推进远程无人驾驶技术的应用。2020年10月苏州市高铁新城正式启动了基于5G和北斗高精定位系统的无人驾驶公交车，并且实行常态化运营。5G和北斗高精定位系统可以建立全天候、全地理的精准时空服务体系，发挥5G高速率低时延的优势，有效实现车辆的自动变道、自动避障和自动转向等功能，通过北斗高精定位和360度探头监控，可以应对城市中复杂的人流和人车混杂的路况等。
5G进一步加强了人工智能在教育领域的应用和落地，作为互联网底层核心技术，5G让人工智能、云计算、计算机视觉、AR/VR、知识图谱、物联网等更好地应用在教育场景中（图3-2），尤其是智适应学习技术，让人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）老师无处不在，从而让学生不受时间空间限制，得到AI老师个性化的教学和指导。同时，5G也让AI老师更加智能，通过设备能捕捉到更多关于学生的行为信息，结合学习过程中的学习数据，智适应学习系统能够更精准刻画学生画像，推送更适合学生的学习内容。
图3-2 5G+八大技术赋能智慧教育
人工智能+5G会引发传统教育模式的变革，未来的学习不再局限于校园和教室，“虚拟校园”将会进入寻常百姓家，教师和学生在家里就可以很便捷地处理校内事务，可以更好地享受学校校园内网的资源。基于5G网络的“虚拟校园”将会克服以往VPN连接模式速率慢、使用卡顿等方面的问题，满足大规模在线教学的需求，使得“处处能学”成为可能，实现信息技术在教育教学运用中的高效便捷。同时5G无线侧网络功能的虚拟化，可以实现网络承载能力与需求覆盖的分离，即网络节点能力的配置不受物理位置的限制，从而更好地为5G切片服务
。例如通过5G技术，校园内网不再局限于校园内部，只要有5G的地方都可以接入校园内网，在家里，在户外都可以随时接入校园内网，而不需要通过传统的VPN方式，并且大大提升了使用效果。2020年11月26日，中国联通和华为公司联手上海音乐学院附属中等音乐专科学校打造了一场不同凡响的“5G+VR”音乐会，观众足不出户，就能享受到一次360度无死角的超优质音乐会，就像把整个剧场搬到自己家里一样，通过普通的手机终端，通过旋转手机屏幕就能观看到不同视角的画面。
在教育领域，上海已在上海交通大学、上海工程技术大学、上海市黄浦区卢湾一中心小学等学校实现5G网络全覆盖
。复旦大学联合中国电信、中国移动、中国联通等运营商，在上海编织了一张没有边界的5G“虚拟校园网”
，只要是签约用户，在校外任何地方，不再需要VPN就能访问各种校内资源，而且访问速率大幅度提高，提升了用户体验。上海移动与上海市徐汇中学一起联合打造“5G+MR科创教育实验室”，通过5G技术将全息影像与真实的物理世界深度融合，对课堂教育形式进行全新呈现与诠释。上海联通在上海卢湾高级中学打造5G全息智慧课堂，在上海卢湾一中心小学打造数字孪生校园和云课堂等。上海卢湾一中心小学的数字孪生校园把真实的数字校园、数字教学、数字学生、校园巡检的四大数字化场景搬到线上等。