1.3 5G网络简介

1.3.1 5G总体愿景

移动通信已经深刻地改变了人们的生活，然而人们对更高性能移动通信的追求从未停止。为了应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景，第五代移动通信系统应运而生。

我们可以预判，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。5G将使信息突破时空限制，提供极佳的交互体验，为用户带来身临其境的信息盛宴；5G将拉近万物的距离，通过无缝融合的方式，便捷地实现人与万物的智能互联。5G将为用户提供光纤般的接入速率，“零”时延的使用体验，千亿设备的连接能力，超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务，业务及用户感知的智能优化，同时将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，最终实现“信息随心至，万物触手及”的总体愿景。5G总体愿景如图1-5所示。

1.3.2 5G主要驱动力

根据麦肯锡的预测，在未来十大热门行业中，移动互联网和物联网将占据重要地位。爱立信、思科等公司预测2020年全球将会有250亿的互联网设备。移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力，将为5G提供广阔的前景。

移动互联网颠覆了传统移动通信业务模式，为用户提供前所未有的使用体验，深刻影响着人们工作生活的方方面面。面向2020年及未来，移动互联网将推动人类社会信息交互方式的进一步升级，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清（3D）视频、移动云等更加身临其境的极致业务体验。移动互联网的进一步发展将带来未来移动流量超千倍增长，推动移动通信技术和产业的新一轮变革。

物联网扩展了移动通信的服务范围，从人与人通信延伸到物与物、人与物智能互联，使移动通信技术渗透至更广阔的行业和领域。面向2020年及未来，移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等将会推动物联网应用爆发式增长，数以千亿的设备将接入网络，实现真正的“万物互联”，并缔造出规模空前的新兴产业，为移动通信带来无限生机。同时，海量的设备连接和多样化的物联网业务也会给移动通信带来新的技术挑战。

移动互联网和物联网的迅猛发展将给移动通信带来新的挑战和要求。这些新的需求在以往4G及其前代技术都是无法满足的。

1.3.3 5G业务需求

移动互联网主要面向以人为主体的通信，注重提供更好的用户体验。面向2020年及未来，超高清、3D和浸入式视频的流行将会驱动数据速率大幅提升，例如，8K（3D）视频经过百倍压缩之后传输速率仍需要约1Gbit/s。增强现实、云桌面、在线游戏等业务，不仅对上下行数据传输速率提出挑战，同时也对时延提出了“无感知”的苛刻要求。未来大量的个人和办公数据将会存储在云端，海量实时的数据交互需要可媲美光纤的传输速率，并且会在热点区域对移动通信网络造成流量压力。社交网络等OTT业务将会成为未来主导应用之一，小数据包频发将造成信令资源的大量消耗。未来人们对各种应用场景下的通信体验要求越来越高，用户希望能在体育场、露天集会、演唱会等超密集场景，高铁、车载、地铁等高速移动环境下也能获得一致的业务体验。

物联网主要面向物与物、人与物的通信，不仅涉及普通个人用户，也覆盖了大量不同类型的行业用户。物联网业务的类型非常丰富多样，业务特征也差异巨大。对于智能家居、智能电网、环境监测、智能农业、智能抄表等业务，需要网络支持海量设备连接和大量小数据包频发；视频监控和移动医疗等业务对传输速率提出了很高的要求；车联网和工业控制等业务则要求毫秒级的时延和接近100%的可靠性。另外，大量物联网设备会部署在山区、森林、水域等偏远地区以及室内角落、地下室、隧道等信号难以到达的区域，因此要求移动通信网络的覆盖能力进一步增强。为了渗透到更多的物联网业务中，5G应具备更强的灵活性和可扩展性，以适应海量的设备连接和多样化的用户需求。

无论是对于移动互联网还是物联网，用户在不断追求高质量业务体验的同时也在期望成本的下降。同时，5G需要提供更高和更多层次的安全机制，不仅能够满足互联网金融、安防监控、安全驾驶、移动医疗等极高的安全要求，也能够为大量低成本物联网业务提供安全的解决方案。此外，5G应能够支持更低设备功耗，以实现更加绿色环保的移动通信网络，并大幅提升终端电池的续航时间。低功耗、长待机的网络特点，对于一些物联网设备来说，尤其重要。

1.3.4 5G技术目标

5G典型场景涉及未来人们居住、工作、休闲和交通等各种区域，特别是密集住宅区、办公室、体育场、露天集会、地铁、快速路、高铁和广域覆盖等场景。这些场景具有超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性等特征，可能对5G系统形成挑战。

在5G各类场景中，增强现实、虚拟现实、超高清视频、云存储、车联网、智能家居、OTT消息等5G典型业务，结合各场景未来可能的用户分布、各类业务占比及对速率、时延等的要求，可以得到各个应用场景下的5G性能需求。

5G关键性能指标主要包括用户体验速率、连接数密度、端到端时延、流量密度、移动性和用户峰值速率，具体定义见表1-1。

目前，移动通信网络在应对移动互联网和物联网爆发式发展时，可能会面临以下问题：能耗、每比特综合成本、部署和维护的复杂度难以高效应对未来千倍业务流量增长和海量设备连接；多制式网络共存造成了复杂度的增长和用户体验下降；现网在精确监控网络资源和有效感知业务特性方面的能力不足，无法智能地满足未来用户和业务需求多样化的趋势；此外，无线频谱从低频到高频跨度很大，且分布碎片化，干扰复杂。应对这些问题，相关企业需要从如下两个方面提升5G系统能力，以实现可持续发展。

在网络建设和部署方面，5G需要提供更高的网络容量和更好的覆盖，同时降低网络部署，尤其是超密集网络部署的复杂度和成本；5G需要具备灵活可扩展的网络架构以适应用户和业务的多样化需求；5G需要灵活高效地利用各类频谱，包括重用频谱和新频谱、授权和非授权频谱、对称和非对称频谱、低频谱和高频谱等；另外，5G需要具备更强的设备连接能力来应对海量物联网设备的接入。

在运营维护方面，5G需要改善网络能效和比特运维成本，以应对未来数据迅猛增长和各类业务应用的多样化需求；5G需要降低多制式共存、网络升级以及新功能引入等带来的复杂度，以提升用户体验；5G需要支持网络对用户行为和业务内容的智能感知并做出智能优化；同时，5G需要能提供多样化的网络安全解决方案，以满足各类移动互联网和物联网设备及业务的需求。

频谱利用、能耗和成本是移动通信网络可持续发展的3个关键因素。为了实现可持续发展，5G系统相比4G系统在频谱效率、能源效率和成本效率方面需要得到显著提升。具体来说，频谱效率需提高5～15倍，能源效率和成本效率均要求有百倍以上的提升。

5G关键效能指标主要包括频谱效率、能源效率和成本效率，具体定义见表1-2。

5G需要具备比4G更高的性能，支持0.1Gbit/s～1Gbit/s的用户体验速率，每平方千米100万的连接数密度，毫秒级的端到端时延，每平方千米数十Tbit/s的流量密度，每小时500km以上的移动性和数十Gbit/s的峰值速率。其中，用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的3个性能指标。同时，5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率，相比4G，5G频谱效率提升5倍～15倍，能效和成本效率提升百倍以上。

性能需求和效率需求共同定义了5G的关键能力，犹如一株绽放的鲜花。红花绿叶，相辅相成，花瓣代表了5G的六大性能指标，体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力，其中花瓣顶点代表了相应指标的最大值；绿叶代表了3个效率指标，是实现5G可持续发展的基本保障。5G关键能力如图1-6所示。

根据ITU-R建议书，IMT-2020的关键能力与IMT-Advanced相比，也就是5G与4G关键能力比较如图1-7所示。

ITU为5G定义了3种主要场景：一是增强型移动宽带（enhanced Mobile BroadBand，eMBB），高带宽，广覆盖；二是大规模机器类型通信（massive Machine Type Communication，mMTC），低功耗，大连接；三是超可靠和低延迟通信（ultra-Reliable and Low Latency Communication，uRLLC），低时延，高可靠。可以说，想要更多、更快、更好，就用5G！mMTC，更多，连接多；eMBB，更快，速度快；uRLLC，更好，体验好。具体如图1-8所示。

1.3.5 5G典型应用

1. 虚拟现实

虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合，是富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能、传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知，除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时响应，分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。

虚拟现实和浸入式体验将成为5G时代的关键应用，这将使很多行业产生翻天覆地的变化，包括游戏、教育、虚拟设计、医疗甚至艺术等行业。要实现这一点，我们要在移动环境下使虚拟现实和浸入式视频的分辨率达到人眼的分辨率，这就要求网速达到300Mbit/s以上，几乎是当前高清视频体验所需网速的100倍。

2. 智慧城市

智慧城市是信息时代的城市新形态，将信息技术广泛应用到城市的规划、服务和管理过程中，通过市民、企业、政府、第三方组织的共同参与，对城市各类资源进行科学配置，提升城市的竞争力和吸引力，实现创新低碳的产业经济、绿色友好的城市环境、高效科学的政府治理，最终让市民过上高品质的生活。

智慧城市在本质上是一种对城市的重构，这种重构改变了传统的以资源投入为主、强调发展速度和数量的方式，而是以资源配置为主、强调供需匹配和发展质量的方式。一方面是对现有资源的科学配置，提升整体的社会效率；另一方面是对创新环境的培育营造，提升未来的发展潜力。

智慧城市是一个不断发展、不断完善的过程，是基于城市现有基础，利用现代化手段不断推陈出新的过程，我们并不提倡存在一个终极的智慧状态，或达到某些指标就是智慧城市，随着技术进步和认识提升，智慧城市会不断丰富其内涵。因此，智慧城市更加贴切的理解应当是“Smarter City”——一个更加智慧的城市，即不断利用新技术、新手段，使城市更能满足人们的需求，使发展与环境更加平衡，使发展成果能够惠及更多的人。

3. 物联网与无所不在的通信

物联网（Internet of Things，IoT）是新一代信息技术的重要组成部分，也是信息化时代的重要发展阶段。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；其二，用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交互。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。因此，应用创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新2.0是物联网发展的灵魂。

在物联网的发展中，通信是必不可少的组件。5G技术将物联网纳入整个技术体系之中，以真正实现万物互联。

4. 车联网与自动驾驶

车联网是由车辆位置、速度、路线等信息构成的巨大的交互网络。通过全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、传感器、摄像头图像处理等装置，车辆可以完成自身环境和状态信息的采集；通过互联网技术，所有的车辆可以将自身的各种信息传输汇集到中央处理器；通过计算机技术，这些大量车辆的信息可以被分析和处理，从而计算出不同车辆的最佳路线，及时汇报路况，安排信号灯周期。自动驾驶则是对这些车联网技术进一步的深入应用。由于车联网对安全性和可靠性的要求非常高，因此5G在提供高速通信的同时，还需要满足高可靠性的要求，而这些严格的要求是传统的蜂窝通信技术难以达到的。

1.3.6 5G挑战

1. 性能挑战

5G需要具备比4G更高的性能，支持0.1Gbit/s～1Gbit/s的用户体验速率、每平方千米100万的连接数密度、毫秒级的端到端时延、每平方千米数十Tbit/s的流量密度、每小时500km以上的移动性和数十Gbit/s的峰值速率。其中，用户体验速率、连接数密度和时延是5G的3个基本性能指标。同时，5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率，与4G相比，频谱效率提升5倍～15倍，能耗效率和成本效率提升百倍以上。

2. 技术储备

面对5G的技术需求以及可能应用的关键技术，一方面对信号处理提出了更高的要求，另一方面对设备器件也提出了新的要求。

大规模MIMO技术、新的调制编码技术、全双工技术等，以及5G对时延的要求均需要更高级、更高效的信号处理技术。信号处理技术不仅需要能够快速处理更高维度的数据，可能还需要数字和模拟信号的联合处理，同时还需要能够有效抵御干扰，并对干扰进行有效抑制。5G可能会使用高频段通信，特别是大规模天线技术和毫米波技术的应用，对现有设备提出了极大的挑战，导致设备形态会发生重大的变化。

5G网络将会是一个智能化的网络，网络具备自修复、自配置、自管理的能力，对于未来智能化的技术发展将是一个巨大的挑战。

3. 频谱资源

为了满足频谱的巨大需求，除了授权频谱之外，以共享的方式使用频谱将会是一个主要手段。频谱将会是多种方式共存使用。对于高需求的场景，带宽需求为1Gbit/s～3Gbit/s；对于中等需求的场景，带宽需求为200Mbit/s～1Gbit/s；对于低需求的场景，带宽至少需要100Mbit/s。

频率使用方式主要分为3种：第一种是传统的专用的授权频谱使用方式，这是主要的使用方式；第二种是有限共享频谱使用方式；第三种是非授权频谱使用方式。

尽管如此，频谱的缺口依然巨大，5G技术将频谱范围扩展至6GHz以上频段，并对这些频段进行评估，确立不同频段的优先级。

1.3.7 5G发展路径

传统的移动通信技术升级换代都是以多址技术为主线，5G的无线技术创新将更加丰富。除了多种新型多址技术之外，大规模天线、超密集组网和全频谱接入都被认为是5G的关键技术。此外新型多载波技术、新的双工技术、新型调制编码、终端直通（Device-to-Device，D2D）等也是潜在的5G无线关键技术。5G系统将会建立在以新型多址、大规模天线、超密集组网、全频谱接入为核心的技术体系之上，满足面向2020年之后的5G技术需求。

受4G技术框架的约束，大规模天线等增强技术难以充分发挥其技术优势。全频谱接入、新型多址技术等难以在现有技术框架下实现。4G演进也无法满足5G的技术需求。因此5G需要设计全新的空口，以满足5G性能和效能的要求。综合考虑国际频谱规划和频率传播特性，5G包含工作在6GHz以下频段的低频新空口和在6GHz以上频段的高频新空口。

5G低频新空口采用新的空口设计，引入大规模天线、新型多址等先进技术，支持更短的帧结构、更精简的信令流程、更灵活的双工方式，有效满足5G的要求，通过灵活配置技术模块及参数来满足不同场景差异化的技术需求。5G高频新空口需要考虑高频信道和射频器件的影响，并针对波形、天线等进行相应的优化。同时，由于高频跨度大、候选频段多，应尽可能地采用统一的空口技术方案，通过参数调整来适配不同信道及器件的特性。

1.3.8 5G商用进展情况

1. 国外试验进展情况

截至2018年12月，全球共有81个国家的192家移动通信运营商已经展示或正在试验、测试5G候选技术，其中也包括已经获得所在国家通信监管部门批准进行5G候选技术场测的运营商。全球范围内，运营商公开宣布的5G技术展示、测试、试验已经超过了524个。

全球5G试验网使用的频段如图1-9所示，其中3400MHz～3600MHz、28GHz频段使用最多。5G试验网典型速率为1Gbit/s～4.99Gbit/s，典型时延为1ms～1.99ms，如图1-10所示。

2. 国内试验进展情况

我国5G技术研发试验于2016年1月全面启动，由IMT-2020（5G）推进组牵头，分为关键技术验证、技术方案验证和系统方案验证3个阶段推进实施。IMT-2020（5G）推进组设立了MTNet实验室，在北京怀柔和顺义设立了测试外场，并邀请国内外主要运营、设备、芯片、仪表企业和研究机构共同参与。目前前两阶段试验已经结束，IMT-2020（5G）推进组已发布了第三阶段测试规范。IMT-2020（5G）推进组牵头的5G技术研发试验总体目标是推动5G关键技术研发，验证5G技术方案，支撑全球统一5G标准研制。试验计划如图1-11所示。

国内三大运营商也在积极进行5G试点和试验，开展垂直行业应用研究，探索5G商业模式，打造5G业务生态圈。按照国家发展和改革委员会的要求，从2018年第二季度开始，三大运营商同步开展为期2年的5G规模组网建设及应用示范试验，试点城市涉及直辖市、省会城市及珠三角、长三角、京津冀区域的主要城市，如北京、上海、雄安、深圳等城市。每家运营商规模组网的总体建设规模约为500个5G基站，并将根据选取的城市不同特点在政务、医疗健康、教育、交通、物流、工业、公共事业、旅游、环保、娱乐等行业中部署虚拟现实（Virtual Reality，VR）/增强现实（Augmented Reality，AR）、高清视频、无人机应用开发、无人机运营、车联网及无人驾驶、智能制造、智慧生活、智慧会展、智慧政务、智慧交通、智慧旅游、智慧生态、智慧物流、移动执法、智能电网、视频监控、应急通信、远程教育、远程医疗等应用。

（1）中国电信5G试验及计划

中国电信计划以中低频为基础开展验证，推动5G技术落地应用。同时在转型3.0的背景下，中国电信将结合2025网络重构，全面开展5G相关研究和测试验证，计划分三步进行5G部署，具体如下所述。

第一步，到2018年之前，中国电信进行5G网络演进架构与关键技术研究及概念验证，依据自身需求提出4G向5G演进技术方案，同时开展部分关键技术实验室测试与外场测试。

第二步，2018—2020年，中国电信将进行4G引入5G的系统和组网能力验证，制定企业技术规范，为引入5G技术组网提供技术指导，实现部分成熟5G技术的试商用部署。2018年，在兰州、成都、深圳、雄安、苏州、上海6座城市开展5G试点；2019年，在北京、上海、重庆、雄安、深圳、杭州、苏州、武汉、成都、福州、兰州、琼海12座城市开展5G规模商用和应用示范，实现5G试商用；2020年将基于最新5G SA标准实现5G规模商用。最近，部分试点外城市自行开展5G的网络试验和研究，加快5G网络商用化进程。

第三步，2020—2025年，中国电信按照CTNet 2025网络发展目标，持续开展5G网络后续技术的研究、试验和商用推进工作。

中国电信成立了5G联合开放实验室，目标以实验室为依托，推动与设备商、垂直行业合作，推进新技术商用以及产品的孵化。目前，3个实验室分别为上海研究院5G实验室，主要侧重于总体5G业务，聚焦垂直行业深度合作；北京研究院5G实验室，主要侧重于5G网络架构和关键技术研究，聚焦新无线技术（New Radio，NR）、多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing，MEC）及网络切片能力；广州研究院5G实验室，侧重5G融合组网和运营方案、5G终端和卡的研发及测试评估。

（2）中国移动5G试验及计划

中国移动在2017年5月确立了全国首批5G试验网城市：北京、上海、广州、苏州、宁波，在这些城市开展5G试验网建设，进行5G外场测试，以推进5G平台架构成熟，验证3.5GHz频段组网的关键性能；2018年在5座城市进行规模试验，形成端到端商用产品和预商用网络；2019年，继续扩大实验网规模，在北京、雄安、天津、福州、重庆、成都、南昌、南宁、深圳、郑州、沈阳、兰州、杭州、上海、广州、苏州、武汉17座城市开展规模试验和应用示范，完成多厂商互操作测试，实现5G预商用；2020年，实现5G规模商用。部分试点外城市自行开展5G的网络试验和研究，加快5G网络商用化进程。

同时，中国移动成立5G联合创新中心，围绕基础通信能力、物联网、车联网、工业互联网、云端机器人、VR/AR等领域，联合通信企业、互联网企业及垂直行业应用合作伙伴，推动基础通信能力的成熟，促进5G创新应用发展，并构建跨行业融合生态系统。中国移动、宁波大学联合华为、中兴、诺基亚等设备商共同成立的5G新技术研究联合实验室，其目的是完善产业链，促进设备研发，并验证设备对未来3GPP规范的支持能力。

（3）中国联通5G试验及计划

中国联通5G研究总体目标是加快联通5G关键技术的研究工作，基于中国联通的网络现状及运营需求，布局中国联通5G网络演进战略规划，推进5G网络架构及关键技术的演进，满足中国联通网络技术发展方向，推动相关技术及设备成熟，满足中国联通5G网络2020年的商用目标；加强产业合作，深化中国联通在物联网和工业互联网方面的技术积累。

中国联通计划分3个阶段推动5G部署，对5G部署提出4点建议：首先，进行网络切片化，实现业务差异化服务质量（Quality of Service，QoS）保障；其次，进行云化架构建网，支持业务创新和敏捷服务；再次，要做好频谱选择；最后，按需建设，4G和5G协同建设，重用资源。

中国联通部署5G的3个阶段具体如下所述。

第一阶段，2016—2017年，战略与架构制定阶段。中国联通发布5G需求白皮书、网络架构白皮书、技术演进白皮书等。

第二阶段，2017—2018年，关键技术验证阶段。中国联通参与IMT-2020推进组组织的5G研发试验第二阶段测试，建立了5G Open Lab实验室，测试无线关键技术、核心网关键技术、传输关键技术，拟定技术验证标准。

第三阶段，2018—2019年，生态合作与网络准备阶段。中国联通进行外场组网验证、制定商用建设方案、5G商业生态合作。2018年在北京、天津、上海、深圳、杭州、南京、雄安7座城市开展5G试点，完成5G关键技术实验室验证，同时形成联通5G建设方案；2019年在北京、沈阳、天津、青岛、南京、杭州、福州、深圳、郑州、成都、武汉、贵阳、重庆、雄安、上海、广州16座城市开展5G试点，实现5G试商用；2020年，将基于最新冻结的5G SA标准，实现5G规模商用。

3. 国内商用网进展情况

2019年6月6日，工业和信息化部分别向中国电信、中国移动、中国联通和中国广电发放了5G商用网牌照，标志着中国的移动通信正式进入5G时代。

（1）中国电信5G商用网建设

2019年，中国电信在全国超过40个城市建设4万个5G基站，5G投资额为90亿元；2020年，计划在全国地级以上城市的市区开展5G建设。

（2）中国移动5G商用网建设

2019年，中国移动在全国范围内建设超过5万个5G基站，在超过50个城市提供5G商用服务，5G投资额超过200亿元；2020年，中国移动将进一步扩大网络覆盖范围，在全国所有地级以上城市提供5G商用服务。

（3）中国联通5G商用网建设

2019年，中国联通在全国建设4万个5G基站，5G投资额为60亿元～80亿元；2020年，计划在全国地级以上城市的市区开展5G建设。

1.3.9 小结

5G技术作为面向2020年之后的技术，需要同时满足移动宽带、物联网以及超可靠通信的要求，具备自适应业务发展的能力。通过这些技术，5G将会实现统一通信，实现随时随地地接入网络，实现万物互联的境界。