1.1　第五代移动通信系统概述

移动通信始于20世纪70年代基于模拟技术的第一代移动通信系统（1G），1G仅支持模拟语音业务，存在容量有限、保密性差、通话质量不高、不支持漫游、不支持数据业务等缺点。1991年后，以数字语音传输技术为核心的第二代移动通信系统（2G）被提出，它以欧洲的全球移动通信系统（Global System for Mobile Com-munications，GSM）、美国的数字式高级移动电话系统（Digital Advanced Mobile Phone Service，D-AMPS）、日本的公用数字蜂窝（Personal Digital Cellular，PDC）以及后面出现的IS-95码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）为代表。2G有效提升了语音质量和网络容量，同时引入了新服务，如用于文本信息的存储和转发短消息、数据分组交换的业务等。为了满足人们对图像传输、视频流传输以及互联网浏览等移动互联网业务需求，业界提出了第三代移动通信系统（3G）。

3G的主要代表是欧洲的宽带码分多址（Wideband CDMA，WCDMA）、美国的cdma2000和中国主导的TD-SCDMA（Time-Division Synchronous，CDMA）。与2G广泛采用的时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）相比，3G采用的CDMA技术具有频率效率高、基站覆盖范围大、同频复用和跨小区软切换等优点，用户体验质量（QoE）显著提高。但是，当时的用户应用仍然局限于短信和移动互联冲浪等文本和图片信息传输，并未出现无线数据服务的“杀手级”应用，也没有相适配的移动终端，3G初建的网络没有得到充分应用。

然而，移动互联网经过一段时间的培育逐步进入了爆发期，智能手机也适时被推出。2007年，美国苹果公司推出第一款iPhone手机，标志着智能手机革命的到来。智能手机需要无线系统提供每秒百兆比特的高容量数据服务，这也触发了第四代移动通信系统（4G）时代的到来。3G到4G是一个从低速到高速数据传输的演进过程，4G除了提供传统的语音和基本的数据服务外，还提供移动宽带服务，支持的应用涵盖移动互联网、游戏、HDTV、视频会议、云服务等。但是，随着移动互联网蓬勃发展，能给用户良好感受的业务对传输速率的要求越来越高，4G开始无法满足人们对无线通信传输速率持续增长的需求。

从2020年起，5G逐渐部署，与前几代移动通信技术不同，5G不仅服务于电信本身，也有望服务于行业信息化和整个信息社会。中国IMT-2020（5G）推进组发布的《5G愿景与需求白皮书》[2]中提到：5G将渗透到社会各个领域，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，同时将为网络提升超百倍的能效和降低超百倍的比特成本，最终实现“信息随心至，万物触手及”的总体愿景。

5G大致被分为如下3个应用场景。

（1）增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）：主要目标是为用户提供100Mbit/s以上的用户体验速率；局部热点区域用户体验速率不小于1Gbit/s、峰值速率数十Gbit/s以及每平方千米数十Tbit/s的流量密度。eMBB在保障现有移动宽带的基础上还可以实现诸如直播、移动高清、虚拟现实（Virtual Reality，VR）/增强现实（Augmented Reality，AR）等服务。

（2）大连接物联网（Massive Machine Type of Communication，mMTC）：特点是小数据包、低功耗、大连接、免调度；要求网络支持超每平方千米百万连接的连接数密度；主要面向智慧城市、智慧家庭、环境监测、森林防火等以传感器和数据采集为目标的场景。

（3）低时延高可靠通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communication，URLLC）：主要是保障1ms量级的时延和高达99.999%的可靠性，主要被应用于车联网、工业物联网、远程医疗等场景。

如图1-1所示，从通信标准演进角度来看，4G的长期演进（Long Term Evolution，LTE）从2008年被提出至今，一直在不断发展和完善。LTE-A（LTE-Advanced）首个版本Rel-10于2011年3月完成标准化，它最大支持100MHz的带宽，8×8天线配置，峰值吞吐量提高到1Gbit/s。Rel-10引入了载波聚合、中继（relay）、异构网干扰消除等技术，增强了多天线技术，相比LTE进一步提升了系统性能。Rel-11增强了载波聚合技术，采用了多点协作（CoMP）技术，并设计了增强的物理专用控制信道ePDCCH。其中，CoMP通过同小区不同扇区间协同调度或多个扇区协同传输来提高系统吞吐量，尤其对提升小区边缘用户的吞吐量效果明显；ePDCCH实现了更高的多天线传输增益，并降低了异构网络中控制信道间的干扰。Rel-11通过增强载波聚合技术，支持时隙配置不同的多个时分双工（Time-Division Duplex，TDD）载波间的聚合。Rel-12采用的关键技术包括256QAM、小区快速开关和小区发现、基于空中接口的基站间同步增强、宏微融合的双连接技术、业务自适应的TDD动态时隙配置、D2D等。Rel-13[3]主要关注垂直赋形和全维MIMO传输技术、LTE授权频谱辅助接入（LAA）以及物联网优化等内容。面向5G的Rel-15、Rel-16主要研究了面向增强型移动宽带（eMBB）、低时延高可靠通信（URLLC）和大连接物联网（mMTC）场景，相应地提出如超大规模天线、新型多址接入技术、毫米波、全双工、增强多载波、超密集组网等技术革命，使容量达到10Gbit/s，连接数达到100亿，且时延低于1ms。

随着移动互联网、物联网、智能终端应用和智能可穿戴电子设备的迅猛发展，多样化的移动多媒体业务需求急剧增长，无线分组数据业务量呈指数级递增，移动用户不再满足于普通的语音通信和简单的数据通信[4]。此外，快速增长的移动多媒体业务和智能应用具有“突发、局部、热点化”等特征，业务及应用在地域上并不是均匀分布的，在用户高密度聚集的部分热点区域，业务数据量呈指数级提升，基站与核心网的负载极大增加，导致网络易过载、业务时延长，甚至脆弱易瘫痪等问题。然而，传统无线接入网在部署、建设与运维中通常存在着各种问题，如潮汐效应、高能耗、高运营成本（Operating Expense，OPEX）与高资本支出（Capital Expenditure，CAPEX）等。国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）为5G分配的带宽不足600MHz，为了支撑剧增的移动多媒体业务需求，具有大容量、高传输速率能力的后5G亟待发展和突破，力求提高单位面积的频谱效率。

1.1.1　5G性能需求与目标

2015年9月，ITU正式确认了5G的三大应用场景，即增强型移动宽带（eMBB）、大连接物联网（mMTC）和低时延高可靠通信（URLLC）。

国际上，第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）是制定5G技术标准的主要组织，涉及的标准包括Rel-15/Rel-16/Rel-17。2017年12月，Rel-15标准的非独立组网（Non-Standalone，NSA）部分的规范被发布。独立组网（Standalone，SA）部分的规范在2018年6月发布。2020年6月，Rel-16标准冻结，而Rel-17标准预计在2022年6月完成冻结。

我国5G始终处于国际领先地位。2013年2月，中国IMT-2020（5G）推进组正式成立。2016年9月，中国5G技术研发实验第一阶段测试结束。2017年，中国5G技术研发实验第二阶段测试结束。2018年12月，工业和信息化部向三大运营商颁发了5G中低频段频率使用许可证。2019年，工业和信息化部向四家电信企业颁发5G商用牌照，中国正式进入5G商用元年。2020年1月，中国通信标准化协会发布了我国首批14项5G标准。2020年4月，三大运营商联合发布了《5G消息白皮书》[5]。

相比于4G，5G网络需要适应多种未来场景的应用，这就对相关重要性能指标参数提出了要求。根据IMT-2020愿景[6]，5G网络应该达到以下8个性能指标，如图1-2所示。

（1）移动性

在满足通信性能的前提下，通信双方的最大相对速率，是评价通信系统的重要指标。5G的移动性需要满足高铁、地铁等高速移动通信场景的需求，可以实现500km/h场景下的良好通信。

（2）时延

发射端和接收端数据之间的间隔，或是数据从发送到确认的时间间隔。4G网络扁平化极大地降低了通信系统时延。而在5G时代，车联网、VR/AR等多种场景，对端到端的时延提出了更高的要求，空口时延需要达到毫秒级。

（3）用户体验速率

单位时间内用户获得媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）层用户面数据传送量。5G系统的用户体验速率为0.1～1Gbit/s。

（4）峰值速率

用户可以获得的最大业务速率。5G进一步提升峰值速率，可以达到数十Gbit/s。

（5）连接密度

单位面积内可以支持的在线设备总和。物联网应用需求对通信系统的连接能力提出了更高的要求，5G的连接密度为每平方千米不低于百万。

（6）流量密度

单位面积内的总流量数，用来衡量移动网络在一定区域范围内的数据传输能力。5G需要支持一定局部区域的超高数据传输，网络架构应该支持每平方千米数十Tbit/s的流量。

（7）网络能量效率

每消耗单位能量可以传送的数据量。相比于4G，5G在网络能量效率方面预期提升100倍。

（8）频谱利用率

单位带宽和单位时间内可以传输的比特数，相比于4G，5G在频谱利用率方面将提升3倍。

1.1.2　5G体系架构

与前几代移动通信系统不同的是，5G系统架构基于服务，其体系架构如图1-3所示（其中N1～N6、N9代表不同网络功能之间的参考点，显示了服务之间的交互关系）。在5G服务化网络架构中，控制面功能分解为多个独立的网络功能（Network Function，NF）。例如，接入和移动性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、会话管理功能（Session Management Function，SMF）、网络开放功能（Network Exposure Function，NEF）、策略控制功能（Policy Control Function，PCF）。这些NF可以根据业务需求进行合并。例如，合并为统一数据管理（Unified Data Management，UDM）和认证服务器功能（Authentication Server Function，AUSF），即UDM+AUSF。NF的注册、发现、授权、更新、监控等由网络仓储功能（NF Repository Function，NRF）负责。该架构用于非漫游场景，用户设备（User Equipment，UE）访问数据网络（Data Network，DN）、网络切片选择功能（Network Slice Selection Function，NSSF）、AMF、SMF和应用功能（Application Function，AF）由受访网络提供。用户面功能（User Plane Function，UPF）提供的用户面控制管理遵循与3GPP4G标准相似的控制面/用户面分离模型。在Rel-16中引入了新的网元服务通信代理（Service Communication Proxy，SCP），使组网方式更加方便和灵活，同时，还引入了网络切片专门认证和授权功能（Network Slice Specific Authentication and Authorization Function，NSSAAF）对UE接入特定切片进行认证和授权，防止非法UE接入切片访问服务或资源。

1.1.3　5G关键技术

为提升业务支撑能力和性能，5G在无线传输和网络技术方面有新的突破。在无线传输技术方面，引入能进一步挖掘频谱效率、提升潜力的技术，例如毫米波通信、多天线、编码调制、新的波形设计等。在无线网络方面，采用更灵活、更智能的网络架构和组网技术，例如网络切片、自组织网络（Self-Organized Network，SON）、移动边缘计算等。如图1-4所示，为满足容量、极值速率、时延、连接数、开销和用户体验质量等性能需求，5G采用了先进的频谱接入、大规模MIMO、新空口、小小区异构组网、终端直通、软件定义网络（Software Defined Network，SDN）、网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）、绿色节能等技术。此外，由于采用的无线频谱相较于传统的4G有本质区别，因此需要给出适合5G频谱的先进信道自适应技术。

（1）先进的编码技术

与在4G中广泛应用的Turbo码相比，低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code，LDPC）的译码基于一种稀疏矩阵的并行迭代算法，并且由于结构并行的特点，在硬件实现上比较容易。因此在5G eMBB大容量通信的数据信道中，采用LDPC正迎合了5G的发展趋势。极化码（Polar Code）构造的核心是通过“信道极化（Channel Polarization）”的处理，在编码侧采用编码的方法，使各个子信道呈现出不同的可靠性。当码长持续增加时，一部分信道将趋向于容量接近于1的完美信道（无误码）；另一部分信道趋向于容量接近于0的完全噪声信道，选择在容量接近于1的信道上直接传输信息以逼近信道容量。在译码侧，被极化后的信道可用简单的逐次干扰抵消译码的方法，以较低的复杂度获得与最大似然译码相近的性能。Polar码可以由简单的编码器与解码器来实现，编译码复杂度仅为O（nlogn）；再考虑到其优良的性能，Polar码相比于Turbo码来说优势更明显。因此Polar码成为5G控制信道eMBB场景编码方案。

LDPC和Polar码作为5G采用的信道编码，各有优缺点：①在编译码复杂度上，与LDPC相比，Polar码逐渐能达到任意二元对称离散无记忆信道的信道容量，具有较低的编译码复杂度，译码算法无须复杂的迭代计算并且能被很好地应用于多终端系统中；②在频带利用率方面，Polar码不如多元LDPC，此外，Polar码在中短码长的性能也不及多元LDPC，但相差不太大。

（2）超密集无线组网

减小小区半径，提高频谱资源的空间复用率，以提高单位面积的传输能力，是保证5G较4G增加1000倍业务量的核心技术，但这意味着站点部署密度的增加，会形成超密集异构网络。在超密集异构网络中，网络的密集化使得网络节点离终端更近，带来了功率效率、频谱效率的提升，大幅度提高了系统容量，以及业务在各种接入技术和各覆盖层次间切换的灵活性。虽然超密集异构网络具有潜在的优势，但是节点之间距离的减少，将导致共享频谱的干扰、不同覆盖层次之间的干扰；此外，小区边界更多、更不规则，这将导致更频繁、更复杂的切换，难以保证移动性能；大量站点的突然、随机的开启和关闭，使得网络拓扑和干扰图样随机、大范围地动态变化；此外，各站点中的服务用户数量往往比较少，使得业务的空间和时间分布出现剧烈的动态变化，因此，需要适应这些动态变化的网络动态部署技术。站点的密集部署将需要庞大、复杂的回传网络，如果采用有线回传网络，会导致网络部署的困难和运营商成本的大幅度增加。为了提高站点部署的灵活性，降低部署成本，利用和接入链路相同的频谱和技术进行无线回传，是解决这个问题的一个重要方向。在无线回传方式中，无线资源不仅为终端服务，而且为站点提供中继服务，使无线回传组网技术非常复杂，因此，无线回传组网关键技术（包括组网方式、无线资源管理等）是核心技术瓶颈。

（3）大规模MIMO

大规模MIMO是一种新兴的技术，与4G多天线技术相比，它可以将MIMO的规模扩大几个数量级[7]。大规模MIMO可以使用几十甚至几百个天线阵列，在同一时间—频率资源中为几十个终端服务。从数学原理上来讲，当空间传输信道所映射的空间维度趋向于极限大时，空间信道就会趋向于正交，从而可以对空间信道进行区分，大幅降低干扰；而且随着移动通信使用的无线电波频率的提高，尤其是毫米波及以上的频段，路径损耗也随之加大。天线尺寸相对无线波长是固定的，比如1/2波长或者1/4波长，那么载波频率提高意味着天线变得越来越小，在同样的空间里可以部署越来越多的高频段天线。因此，可以通过增加天线数量来补偿高频路径损耗，而又不会增加天线阵列的尺寸，这也是大规模MIMO成为5G关键技术的重要原因。

（4）网络切片

网络切片是使NFV应用于5G的关键技术之一。一个网络切片是指根据业务和应用需求灵活地构造一个端到端的逻辑网络，以提供一种或多种网络服务。图1-5所示的网络切片架构主要包括切片管理和切片选择两项功能。

切片管理功能可分为应用设计、实例编排、运行管理3个阶段，把应用运营、虚拟化资源平台和网管系统有机串联起来，为不同切片需求方（如垂直行业用户、虚拟运营商和企业用户等）提供安全隔离、高度自控的专用逻辑网络。切片选择功能实现UE与网络切片间的接入映射。切片选择功能综合业务签约和功能特性等多种因素，为用户终端提供合适的切片接入选择。用户终端可以分别接入不同切片，也可以同时接入多个切片。

（5）移动边缘计算

MEC改变4G系统中网络与业务分离的状态，将业务和计算平台下沉到网络边缘，为移动用户就近提供业务计算和数据缓存能力，实现网络从接入管道向信息化服务使能平台的关键跨越，是5G的代表性技术之一[8]。MEC来源于边缘计算，IBM公司将边缘计算定义为：一种分布式计算框架，其使企业应用程序更接近数据源，如物联网设备或本地边缘服务器；这种接近数据源的方式具有多个优点：更快的洞察力、更短的响应时间和更好的带宽效率。通过在边缘位置处理数据，边缘计算在帮助实时应用程序无时延或无停机运行方面至关重要。MEC于2013年提出，源于IBM公司与Nokia Siemens网络共同推出的一款计算平台，MEC可在无线基站内部运行应用程序，向UE提供业务。后来MEC又被扩展到多接入边缘计算，将边缘计算接入网络延伸到其他接入网络。从计算角度来说，MEC可以弥补终端设备计算能力有限的不足；从时延角度来说，MEC可以减少部分任务卸载到云端所造成的高时延。