前言

移動通信系統10年一代，從1G到4G，歷經了“模擬、數字、數據、寬帶”4次技術變革，為全世界的億萬用戶帶來了“前所未有”的嶄新感受。尤其是4G技術開啟了移動互聯網時代，深刻地改變了人們的生活方式。正當大家滿足于微博、微信、視頻、點餐、購物、移動支付、手機游戲等4G帶來的豐富的移動互聯網應用和便利生活時，移動通信產業已經將目標從“2C”（面向用戶）轉向“2B”（面向企業），試圖用5G NR（新空中接口）技術推動千行百業向“數字化、移動化、自動化”發展。因此，相較4G“吃喝玩樂神器”的定位，5G技術由于著重增加了對“移動物聯網”的支持，在更大廣度和更多維度上獲得了更廣泛的關注，其意義甚至上升到了國家間高科技競爭主要制高點的高度，一定程度上也超出了5G技術研發者們的預料。5G技術的核心是什么？5G引入了哪些創新？和4G技術上有什么區別？5G能達到什么樣的技術能力？相信這些問題是廣大讀者都很關心的。在筆者看來，5G并不是什么神奇的、無所不能的技術，它很大程度上繼承了3G、4G的系統設計理念，引入了一系列必要的創新技術，面向各種垂直應用進行了一系列專門的優化。這些創新和優化絕大多數并不是幾個詞、幾句話就能說明白的“大概念”，而是由很多細致、精巧的工程改進構成的。本書的目的就是對這些5G的創新點和優化點進行剖析。

某些“唯技術論”的觀點可能認為5G照搬了4G的核心技術，不過是“寬帶版4G”。誠然，從理論基礎上講，5G沿用了4G LTE的OFDMA（正交頻分多址）+MIMO（多輸入多輸出）的核心技術架構。但相比LTE的“簡化版”OFDMA，5G系統設計在時域和頻域上都實現了更大的靈活性，能夠充分發揮OFDMA系統的技術潛力，有效支持eMBB（增強移動寬帶）、URLLC（高可靠低時延通信）、mMTC（大規模物聯網）等豐富的5G應用場景。同時，5G系統設計也遠比4G要精細、復雜，在LTE設計的基礎上做了很多修改、增強和擴展。所以，本書是以LTE標準為基礎，假設讀者已經了解了LTE的基礎知識，著重介紹在5G NR中采用的全新和增強的系統設計，解讀5G NR相對4G LTE的“增量”。

本書采用了“剖析5G標準化過程”的寫法。本書的核心作者在2008年曾撰寫了《3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統設計》一書。該書的特色是不僅介紹了LTE標準，而且介紹了“從無到有、從粗到細”的4G系統設計和標準起草過程，出版后受到廣大讀者的歡迎，被稱為“4G紅寶書”。這說明廣大讀者對這種寫法的認可。時隔12年，本書再次采用了這種寫法。本書的四十幾位作者都是OPPO公司的3GPP標準代表，在第一線深入參與、推動了絕大部分5G技術設計的形成，他們提出的很多技術方案也被接受，成為5G標準的一部分。由他們講述各個方向的技術遴選、特性取舍、系統設計的全過程，對讀者來說是最好的選擇。5G作為一個復雜的系統，每個環節上的技術方案選擇都不是孤立的，單點技術上的最優方案不一定是對整體系統性能貢獻最大的方案，系統設計的目標是選擇互相適配、整體最優的均衡的技術組合。本書在大部分章節中回顧了5G標準化中出現的多種技術選項，介紹各種選項的優缺點，盡力解讀3GPP從中篩選出最終方案的原因和考慮。這不僅包括性能因素，也包括設備實現的復雜度、信令設計的簡潔性、對現有標準的影響程度等。如果只是“照本宣科”地對英文技術規范的最終版本進行翻譯和解讀，其實是大可不必如此大費周折的。但筆者希望通過講述這些推理、選擇的過程，幫助讀者“既知其然，也知其所以然”，一窺無線通信系統設計的原則、方法和手段。

從另一個角度說，今天我們為5G選擇的這些技術選項，只是在特定的時間、針對特定的業務需求、考慮近期的產品研發能力而做出的選擇。未來業務需求變了，設備能力更強了，今天被淘汰的“次優”選項就有可能變成“最優”，重新回到我們的視野，成為我們新的選擇。3GPP標準只是指導產品研發的“工具性文件”，并不具備解讀技術原理和設計思想的功能。如果只把標準化的最終結果展示給讀者，讓讀者誤以為這些設計都是“天經地義的唯一選擇”，仿佛過程中的“優劣對比，糾結取舍”都不曾發生過，呈現給讀者的就只能是一個“片面的5G”。讀者在很多境況下也會感到費解—為什么偏偏設計成這樣？難道沒有別的選擇嗎？這么設計有什么好處呢？如果是這樣，作為經過了這一過程的標準化親歷者，筆者也覺得是一個很大的遺憾。相反，如果今天的年輕讀者能夠通過這些技術選擇過程批判地、客觀地看待5G標準，在他們設計下一代系統（如6G）的時候，充分汲取5G標準化中的經驗教訓，有機會構思出更好的設計，筆者在本書中的這些回顧、分析和總結工作就很有意義了。由于具備這個特色，相信本書不僅可以作為5G研發人員在工作中查閱的一本工具書，也可以成為廣大通信專業的高校老師、學生學習5G的較好的參考書。

本書的前身—《5G技術核心與增強：從R15到R16》共包含20章。在其基礎上撰寫本書時，我們將兩部分內容劃分出去，單列兩冊，與本書形成叢書關系。其中一本為《5G車聯網（V2X）與終端直通》，是在《5G技術核心與增強：從R15到R16》第17章的基礎上，大量增補R17增強技術內容撰寫而成的。另一本為《5G終端技術演進與增強》，是在《5G技術核心與增強：從R15到R16》第19章的基礎上，增補了R17增強技術內容（包括終端節能技術和終端覆蓋增強技術）撰寫而成的，另外增加了零功耗終端技術這一潛在的重要5G終端增強技術。

而本書在剝離了V2X和終端節能兩章后，又增補了5章，介紹R17出現的5G增強新方向。因此本書共分為23章，除第1章概述之外，第2~14章可以看作對5G標準的基礎、核心部分的介紹，這些內容主要是在3GPP R15版本中定義的，其核心還是針對eMBB應用場景，并為物聯網業務提供了可擴展的技術基礎。第15~22章介紹了在R16和R17版本中定義的“5G增強”技術特性，包括URLLC、非地面網絡、非授權頻譜通信、定位技術、多播廣播技術、多卡通信、小數據傳輸等。正如前面提到的，5G相對4G等以前的移動通信系統的最大不同，是增加了對各種物聯網和垂直行業應用的支持。如果只介紹支持eMBB的R15，缺失了R16和R17中的URLLC、V2X、非授權頻段通信、定位技術、多播廣播等重要的支持垂直應用的技術，無疑是無法體現5G技術全貌的。在最后的第23章中，還簡單介紹了R18版本中5G將要進一步增強的方向，以及我們對B5G和6G發展趨勢的粗淺看法。

本書的作者都是筆者在OPPO標準研究部的同事，他們都是各個技術領域的5G標準專家，其中很多也都曾參加了4G LTE的標準化工作。在這里感謝他們為5G國際標準化做出的貢獻。當讀者們使用5G手機的時候，其中有一部分硬件或軟件設計（雖然可能只是很小一部分）也是基于他們的創新和付出。同時也感謝OPPO產學研事務部的秦征、陳華芳為本書的出版做出的貢獻。最后，還要感謝清華大學出版社的大力支持和高效的工作，以使本書能盡早與讀者見面。

本書是基于作者的主觀視角和有限學識對標準化討論過程和結果的理解，觀點難免有欠周全之處，敬請讀者諒解，并提出寶貴意見。

作者

2023年6月