1.6 5G：從人到機器

5G建立在4G LTE成功的基礎上，在4G全面部署之前就開始了5G的探索，一些較早的5G技術在2010年前后就已經開始研究，并證明了其技術的可行性。2012年8月，紐約大學成立了名為NYU Wire less的多學科學術研究中心，以發展5G無線通信的基礎理論和開創性工作。他們重點關注10GHz以上高頻段運行的毫米波（mmWave）通信，并取得了多項研究成果，如最先進毫米波無線信道的測量，證明了毫米波頻譜的潛力，還論證了毫米波輻射對人體的安全性。在NYU Wireless成立兩個月后，英國薩里大學宣布建立一個新的5G研究中心，由英國政府和華為、三星、西班牙電信、富士通和羅德與施瓦茨等主要移動運營商和供應商共同出資。2012年11月，由歐盟委員會資助的面向2020信息社會的移動和無線通信技術（Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society，METIS）研究項目啟動［Osseiran et al.，2014］。在ITU-R和3GPP等全球標準化組織之前，METIS就5G的前景達成了早期的全球共識。

2013年2月，ITU-R 5D工作組啟動了兩項研究項目，以分析2020 IMT愿景和陸地IMT系統的未來技術趨勢，即IMT-2020。IMT-2020的設想是支持超越以往IMT系統的各種使用場景和應用。此外，各種各樣的功能將與這些預期的不同使用場景和應用程序緊密耦合，如圖1.6所示。部分研究成果轉移到了2015年發布的ITU-R Recommendation M.2083［ITU-R M.2083，2015］中，其中定義了三種應用場景。

● 增強型移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）：移動寬帶解決了以人為中心的多媒體內容、服務、云和數據訪問用例。隨著智能設備（智能手機、平板電腦和可穿戴電子產品）的普及和視頻流需求的增長，移動寬帶的需求持續增長，這對ITU-R定義的eMBB提出了新的要求。這種應用場景伴隨著新的用例，以及對功能增強和無縫用戶體驗的需求。eMBB涵蓋了各種用例，包括廣域覆蓋和熱點覆蓋，不同的用例有不同的要求。對于用戶密度高的熱點區域，需要提供非常高的業務容量，此時移動性要求低，用戶數據速率要高于廣域覆蓋下的用戶數據速率。廣域覆蓋用例需要無縫覆蓋和中到高的移動性，數據速率比現有數據速率大。然而，與熱點區域相比，數據速率要求可能會放寬。

● 超可靠低延遲通信（Ultra-Reliable Low-Latency Communications，URLLC）：此場景旨在支持以人為中心和關鍵機器類型的通信。這是對前幾代僅專注移動用戶服務的蜂窩系統的顛覆性提升。它為提供關鍵任務無線應用提供了可能性，例如自動駕駛、涉及安全的車對車通信、工業制造或生產過程的無線控制、遠程醫療手術、智能電網中的配電自動化以及運輸安全。它的特點是超低延遲、超可靠和可用性等嚴格要求。

● 大規模機器類型通信（massive Machine-Type Communications，mMTC）：此場景支持與大量設備的大規模連接，這些設備通常具有非常稀疏的延遲容忍數據傳輸。此類設備（如遠程傳感器、執行器和監控設備）需要具有低成本和低功耗等特點，基于遠程物聯網（Internet of Things，IoT）部署的可能性，電池壽命往往長達10年。

IMT-2020提供了比IMT-Advanced更強大的功能。此外，IMT-2020可以從多個角度考慮，包括用戶、制造商、應用開發商、網絡運營商以及服務和內容提供商。因此，人們認識到IMT-2020的技術可以應用于各種部署場景，并且可以支持一系列環境、服務能力和技術選項［Andrews et al.，2014］。基于Recommendation M.2083中描述的應用場景，ITU-R定義了一組技術性能要求。2017年11月，ITU發布了關于IMT-2020空口技術性能最低需求的Recommendation M.2410［ITU-R M.2410，2017］，作為IMT-2020候選技術的評估基準。除了需要提供更高的傳輸速率，如下行鏈路實現20Gbit/s和上行鏈路實現10Gbit/s的峰值數據速率，還設置了一些新的關鍵性能指標（Key Performance Indicators，KPI），例如可靠性、能效和連接密度。從IMT-Advanced到IMT-2020的關鍵性能指標改進如圖1.7所示。表1-5總結了這些性能要求。

5G發展的另一個里程碑是在世界無線電大會（World Radio Conference）上確定了需要研究的頻譜。WRC-15在全球范圍內為IMT確定了一組低于6GHz的新頻段（例如470～694MHz、694～790MHz和3300～3400MHz）。這次會議還為隨后的WRC-19指定了一個議程項目，即為IMT-2020移動服務確定24GHz以上的更高頻譜。基于ITU-R在WRC-15之后進行的研究，WRC-19指出超低延遲和極高數據速率的應用需要更大的連續頻譜塊。因此，由一組高頻段組成的共13.5GHz頻譜被分配用來部署5G毫米波通信：24.25～27.5GHz，37～43.5GHz，45.5～47GHz，47.2～48.2GHz，66～71GHz。

根據ITU-R定義的IMT-2020框架和WRC確定的頻段，詳細技術標準化的任務落到了標準化組織的身上。與前幾代相互沖突的技術路徑和多個標準化組織不同，3GPP在5G技術的發展過程中發揮了主導作用。3GPP發布的技術協議由一系列版本構成，成為事實標準。早在2015年，3GPP RAN工作組就決定在Release 14中設立5G New Radio（NR）研究項目，并啟動了6GHz以上頻段的信道建模任務。初始的5G NR協議是通過Release 15中的一個工作項目進行的。為了在2018年實現早期大規模試驗和部署的商業需求，3GPP承諾加快進程，早于最初設想的2020年左右的時間表，同意提前完成非獨立（Non-Standalone，NSA）變體。2017年底，第一版5G協議問世。在NSA部署中，NR空口連接到現有的EPC核心網絡，使NR提供的功能（更低的延遲等）在無須更換網絡的情況下便可使用。在2018年2月26日世界移動通信大會開始之前，世界上第一個5G NSA通話由沃達豐和華為在西班牙聯合完成。在NSA初始交付完成之后，3GPP的大部分工作重心轉向了Release 15，以形成第一個完整的5G標準。因此，3GPP同時開發了一種新的核心網，稱為5G Core（5GC）網絡，以支持NR無線接入技術。2018年6月，支持5G NR獨立（Standalone，SA）模式的Release 15最終版本發布，標志著5G的第1階段完成。

Release 15的重點主要是eMBB和（在某種程度上）URLLC，而mMTC仍然使用基于LTE的機器類型通信技術（如eMTC和NB-IoT）進行支持。Release 15為3GPP繼續發展5G能力和功能提供了基礎，以支持新的頻譜和應用，并進一步增強現有的核心功能。5G NR的演進在Release 16中繼續進行，通常非正式地稱為“5G第2階段”，該階段于2020年6月完成。5G NR中新增了一系列技術特性，以支持工業物聯網（Industrial Internet of Things，IIoT）和增強URLLC應用程序。該版本旨在滿足IMT-2020要求，并與Release 15一起作為提交給ITU-R的完整3GPP 5G初始協議。3GPP最終提案包括兩個單獨且獨立的模塊，分別定義為獨立空口技術（Radio Interface Technology，RIT）和組合空口技術集（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愿景和嚴格的性能要求。3GPP開發了Release 17，即第三個版本的5G協議，并在2021年和2022年分別完成第2階段和第3階段工作。從技術特性數量上看，Release 17可能是3GPP歷史上最通用的版本之一，如圖1.8所示。3GPP還宣布將5G演進到5.5G，并正式更名為5G-Advanced，在Release 18及以后進行標準化。

2019年4月，韓國三大移動運營商（SK電信、LG U+、KT）與美國Verizon爭論誰是全球第一家5G通信服務提供商，這標志著我們步入了5G時代。在過去的兩年里，我們見證了全球5G網絡的強勁擴張，以及主要國家5G用戶的大幅增長。例如，截至2020年底，韓國5G使用率已超過15.5%，而中國已部署超過70萬個基站，為約2億5G用戶提供服務。與此同時，5G這個詞一直是媒體最熱的流行語之一，受到了全社會前所未有的關注，它甚至超越了技術和經濟領域。當我們開始撰寫本書時，大約130個國家的400多家移動運營商正在投資建設5G網絡，5G用戶數量在很多地區已經達到非常龐大的規模。2020年，疫情（COVID-19）的爆發對社會和經濟活動帶來前所未有的挑戰。但這場公共衛生危機凸顯了網絡和數字基礎設施在保持社會運轉和家庭聯系方面的獨特作用，尤其是5G服務和應用的價值，如遠程外科醫生、在線教育、遠程工作、無人駕駛車輛、無人送貨、機器人、智能醫療和自主制造。