1.6 5G：从人到机器

5G建立在4G LTE成功的基础上，在4G全面部署之前就开始了5G的探索，一些较早的5G技术在2010年前后就已经开始研究，并证明了其技术的可行性。2012年8月，纽约大学成立了名为NYU Wire less的多学科学术研究中心，以发展5G无线通信的基础理论和开创性工作。他们重点关注10GHz以上高频段运行的毫米波（mmWave）通信，并取得了多项研究成果，如最先进毫米波无线信道的测量，证明了毫米波频谱的潜力，还论证了毫米波辐射对人体的安全性。在NYU Wireless成立两个月后，英国萨里大学宣布建立一个新的5G研究中心，由英国政府和华为、三星、西班牙电信、富士通和罗德与施瓦茨等主要移动运营商和供应商共同出资。2012年11月，由欧盟委员会资助的面向2020信息社会的移动和无线通信技术（Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society，METIS）研究项目启动［Osseiran et al.，2014］。在ITU-R和3GPP等全球标准化组织之前，METIS就5G的前景达成了早期的全球共识。

2013年2月，ITU-R 5D工作组启动了两项研究项目，以分析2020 IMT愿景和陆地IMT系统的未来技术趋势，即IMT-2020。IMT-2020的设想是支持超越以往IMT系统的各种使用场景和应用。此外，各种各样的功能将与这些预期的不同使用场景和应用程序紧密耦合，如图1.6所示。部分研究成果转移到了2015年发布的ITU-R Recommendation M.2083［ITU-R M.2083，2015］中，其中定义了三种应用场景。

● 增强型移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）：移动宽带解决了以人为中心的多媒体内容、服务、云和数据访问用例。随着智能设备（智能手机、平板电脑和可穿戴电子产品）的普及和视频流需求的增长，移动宽带的需求持续增长，这对ITU-R定义的eMBB提出了新的要求。这种应用场景伴随着新的用例，以及对功能增强和无缝用户体验的需求。eMBB涵盖了各种用例，包括广域覆盖和热点覆盖，不同的用例有不同的要求。对于用户密度高的热点区域，需要提供非常高的业务容量，此时移动性要求低，用户数据速率要高于广域覆盖下的用户数据速率。广域覆盖用例需要无缝覆盖和中到高的移动性，数据速率比现有数据速率大。然而，与热点区域相比，数据速率要求可能会放宽。

● 超可靠低延迟通信（Ultra-Reliable Low-Latency Communications，URLLC）：此场景旨在支持以人为中心和关键机器类型的通信。这是对前几代仅专注移动用户服务的蜂窝系统的颠覆性提升。它为提供关键任务无线应用提供了可能性，例如自动驾驶、涉及安全的车对车通信、工业制造或生产过程的无线控制、远程医疗手术、智能电网中的配电自动化以及运输安全。它的特点是超低延迟、超可靠和可用性等严格要求。

● 大规模机器类型通信（massive Machine-Type Communications，mMTC）：此场景支持与大量设备的大规模连接，这些设备通常具有非常稀疏的延迟容忍数据传输。此类设备（如远程传感器、执行器和监控设备）需要具有低成本和低功耗等特点，基于远程物联网（Internet of Things，IoT）部署的可能性，电池寿命往往长达10年。

IMT-2020提供了比IMT-Advanced更强大的功能。此外，IMT-2020可以从多个角度考虑，包括用户、制造商、应用开发商、网络运营商以及服务和内容提供商。因此，人们认识到IMT-2020的技术可以应用于各种部署场景，并且可以支持一系列环境、服务能力和技术选项［Andrews et al.，2014］。基于Recommendation M.2083中描述的应用场景，ITU-R定义了一组技术性能要求。2017年11月，ITU发布了关于IMT-2020空口技术性能最低需求的Recommendation M.2410［ITU-R M.2410，2017］，作为IMT-2020候选技术的评估基准。除了需要提供更高的传输速率，如下行链路实现20Gbit/s和上行链路实现10Gbit/s的峰值数据速率，还设置了一些新的关键性能指标（Key Performance Indicators，KPI），例如可靠性、能效和连接密度。从IMT-Advanced到IMT-2020的关键性能指标改进如图1.7所示。表1-5总结了这些性能要求。

5G发展的另一个里程碑是在世界无线电大会（World Radio Conference）上确定了需要研究的频谱。WRC-15在全球范围内为IMT确定了一组低于6GHz的新频段（例如470～694MHz、694～790MHz和3300～3400MHz）。这次会议还为随后的WRC-19指定了一个议程项目，即为IMT-2020移动服务确定24GHz以上的更高频谱。基于ITU-R在WRC-15之后进行的研究，WRC-19指出超低延迟和极高数据速率的应用需要更大的连续频谱块。因此，由一组高频段组成的共13.5GHz频谱被分配用来部署5G毫米波通信：24.25～27.5GHz，37～43.5GHz，45.5～47GHz，47.2～48.2GHz，66～71GHz。

根据ITU-R定义的IMT-2020框架和WRC确定的频段，详细技术标准化的任务落到了标准化组织的身上。与前几代相互冲突的技术路径和多个标准化组织不同，3GPP在5G技术的发展过程中发挥了主导作用。3GPP发布的技术协议由一系列版本构成，成为事实标准。早在2015年，3GPP RAN工作组就决定在Release 14中设立5G New Radio（NR）研究项目，并启动了6GHz以上频段的信道建模任务。初始的5G NR协议是通过Release 15中的一个工作项目进行的。为了在2018年实现早期大规模试验和部署的商业需求，3GPP承诺加快进程，早于最初设想的2020年左右的时间表，同意提前完成非独立（Non-Standalone，NSA）变体。2017年底，第一版5G协议问世。在NSA部署中，NR空口连接到现有的EPC核心网络，使NR提供的功能（更低的延迟等）在无须更换网络的情况下便可使用。在2018年2月26日世界移动通信大会开始之前，世界上第一个5G NSA通话由沃达丰和华为在西班牙联合完成。在NSA初始交付完成之后，3GPP的大部分工作重心转向了Release 15，以形成第一个完整的5G标准。因此，3GPP同时开发了一种新的核心网，称为5G Core（5GC）网络，以支持NR无线接入技术。2018年6月，支持5G NR独立（Standalone，SA）模式的Release 15最终版本发布，标志着5G的第1阶段完成。

Release 15的重点主要是eMBB和（在某种程度上）URLLC，而mMTC仍然使用基于LTE的机器类型通信技术（如eMTC和NB-IoT）进行支持。Release 15为3GPP继续发展5G能力和功能提供了基础，以支持新的频谱和应用，并进一步增强现有的核心功能。5G NR的演进在Release 16中继续进行，通常非正式地称为“5G第2阶段”，该阶段于2020年6月完成。5G NR中新增了一系列技术特性，以支持工业物联网（Industrial Internet of Things，IIoT）和增强URLLC应用程序。该版本旨在满足IMT-2020要求，并与Release 15一起作为提交给ITU-R的完整3GPP 5G初始协议。3GPP最终提案包括两个单独且独立的模块，分别定义为独立空口技术（Radio Interface Technology，RIT）和组合空口技术集（Sets of Radio Interface Technologies，SRIT）。2020年11月，ITU-R宣布3GPP 5G-SRIT和3GPP 5G-RIT符合IMT-2020愿景和严格的性能要求。3GPP开发了Release 17，即第三个版本的5G协议，并在2021年和2022年分别完成第2阶段和第3阶段工作。从技术特性数量上看，Release 17可能是3GPP历史上最通用的版本之一，如图1.8所示。3GPP还宣布将5G演进到5.5G，并正式更名为5G-Advanced，在Release 18及以后进行标准化。

2019年4月，韩国三大移动运营商（SK电信、LG U+、KT）与美国Verizon争论谁是全球第一家5G通信服务提供商，这标志着我们步入了5G时代。在过去的两年里，我们见证了全球5G网络的强劲扩张，以及主要国家5G用户的大幅增长。例如，截至2020年底，韩国5G使用率已超过15.5%，而中国已部署超过70万个基站，为约2亿5G用户提供服务。与此同时，5G这个词一直是媒体最热的流行语之一，受到了全社会前所未有的关注，它甚至超越了技术和经济领域。当我们开始撰写本书时，大约130个国家的400多家移动运营商正在投资建设5G网络，5G用户数量在很多地区已经达到非常庞大的规模。2020年，疫情（COVID-19）的爆发对社会和经济活动带来前所未有的挑战。但这场公共卫生危机凸显了网络和数字基础设施在保持社会运转和家庭联系方面的独特作用，尤其是5G服务和应用的价值，如远程外科医生、在线教育、远程工作、无人驾驶车辆、无人送货、机器人、智能医疗和自主制造。 l+jDXL6KwhSD7KgMd+oqPwk80z2We/WjPC6TZHA57l95c84dx1tG5zuRihWn4Z11