5G移动通信技术与应用（姚美菱）

移动通信延续着每十年一代技术的发展规律，已历经1G、2G、3G、4G的发展。每一次代际跃迁，每一次技术进步，都极大地促进了产业升级和经济社会发展。从1G到2G，实现了模拟通信到数字通信的过渡，移动通信走进了千家万户；从2G到3G、4G，实现了语音业务到数据业务的转变，传输速率成百倍提升，促进了移动互联网应用的普及和繁荣。当前，移动网络已融入社会生活的方方面面，深刻改变了人们的沟通、交流乃至整个生活方式。4G网络造就了繁荣的互联网经济，解决了人与人随时随地通信的问题，随着移动互联网快速发展，新服务、新业务不断涌现，移动数据业务流量爆炸式增长，4G移动通信系统难以满足未来移动数据流量暴涨的需求，5G应运而生。
5G作为一种新型移动通信网络，不仅要解决人与人通信，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清视频等更加身临其境的极致业务体验，更致力于解决人与物、物与物通信问题，其标准定义了三大场景：eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增强型移动宽带）、mMTC（Massive Machine Type Communications，大规模机器通信）、uRLLC（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，超可靠和低延迟通信），只有eMBB延续4G的高速率、大带宽的移动宽带业务，致力于提升以“人”为中心的工作、生活、娱乐、社交等个人业务的通信体验，另外两大场景uRLLC、mMTC均面向物联网，5G将开启万物互联时代，渗透到经济社会的各行业各领域，成为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施。
2019年6月6日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，中国正式进入5G商用元年。2020年底，我国已累计建成5G基站71.8万个，初步建成了全球最大规模的5G移动网络。“十四五”期间，我国将深入推进5G赋能千行百业，建成系统完备的5G网络，5G垂直应用的场景将进一步拓展。
对比4G，峰值速率从1Gbit/s提升到20Gbit/s，用户可以体验到的带宽从10Mbit/s提升到100Mbit/s，频谱利用效率提升3倍，可以支持500km/h的移动通信，网络延迟从10ms提升到1ms，连接设备数每平方公里从10万个提升到100万个，通信设备能量利用率提升了100倍，每秒每平方米数据吞吐量提升了100倍。功能、性能如此大幅的提升，得益于5G中新的网络架构、新的空中接口、新的核心网，以及各种新型关键技术的融合使用。本教材的编写，一方面着重介绍了5G独有的新架构、新技术、新特性，另一方面介绍了5G的应用。
本教材共分6章。第1章从移动通信的发展入手，介绍5G发展驱动力、应用场景、使用的频谱以及标准演进；第2章重点介绍5G网络架构，从移动通信网络构成说起，总体介绍从2G到5G网络架构演进，然后分析无线接入网的演进，引出5G基站形态，再分析5G核心网的架构，以及5G如何从4G的EPC演进而来，最后介绍5G核心网的关键技术；第3章介绍5G无线空口，详细解析其空口的帧结构、信道配置、手机开机信道使用流程及空口速率计算方法；第4章首先根据5G关键技术的作用对其进行分类，然后逐一介绍其原理；第5章介绍5G的部署，先是NSA 和SA架构对比，再是承载网的部署方式，最后介绍三大运营商网络的演进策略；第6章介绍5G在智慧城市、智慧教育、智慧物流、智慧能源、云游戏中的应用。
本书是一本校企合作的双元教材，内容全面、深入浅出、语言精练；为了内容新颖、实用、深刻，本教材从策划到编写由工作在一线的工程师和高校教师共同完成；企业工程师有小鹏汽车上海科技有限公司的工程师李英杰、河北电信设计咨询有限公司的高级工程师耿朋进、奇安信科技集团股份有限公司工程师闫岩、河北省城乡规划设计研究院的高级工程师李明；高校教师有石家庄邮电职业技术学院的姚美菱、张星、庞瑞霞和韩静；本书可以作为高等院校通信工程专业、电子信息工程专业及其相关专业的专业课教材，也可以作为5G从业者的学习参考书。
策划编写过程中，得到了很多朋友的支持，还参考和借鉴了相关的著述和文献，在此表示衷心的感谢。由于作者水平有限，书中难免有疏漏和不当之处，恳请各位读者批评指正，帮助作者修改和完善，谢谢。


编著者 　
2021年12月

姚美菱，女，48岁，石家庄邮电职业技术学院副教授，培训师。 研究方向：移动通信网络规划与设计、5G、AI。 一、教育背景 1992.9—1996.7 南京邮电大学无线通信专业，本科，学士学位。 2005.9—2008.7 西安电子科技大学通信工程专业，研究生，硕士士学位 二、业务成果 主持或参与完成科研课题30余项。在全国性刊物上发表学术论文40余篇，核心期刊4篇。 部分课题： 项目名称 项目来源单位 1 基于Android的电力工程概预算定额查询系统的设计与研发 河北省科学技术厅 2 通信物理项目式教学资源平台的构建 河北省教育厅 3 河北省高职学生就业结构性矛盾及对策研究 河北省人力资源和社会保障厅 4 移动通信技术专业设置范例研究 教育部高等学校高职高专通信类专业教学指导委员会 河北省深化供给侧结构性改革与构建现代化经济体系研究 河北省统计局 基于软件无线电的快递无人机监控系统 邮政应用技术协同创新中心科研基金 河北省学生就业结构性矛盾研究 中共河北省委机构编制委员会办公室 5 思维导图在教学中应用与实践 工业和信息化职业教育教学指导委员会 6 面向全国移动通信技术大赛的教材编写研究 工业和信息化职业教育教学指导委员会 7 基于NB－IoT的航空快件信息采集系统设计研究 全国工业和信息化职业教育教学指导委员会 8 人脸识别语音交互智能快递柜教学模型研究 工业和信息化职业教育教学指导委员会 9 通信工程设计与监理专业设置范例研究 教育部高职高专通信类教学指导委员会 10 基于Matlab的移动通信教学仿真平台的设计 教育部高职高专通信类教学指导委员会 11 通信电源实验系统课件开发－高频开关电源操作维护 教育部高职高专通信类教学指导委员会 12 通信工程设计与监理专业指导性规范 教育部高职高专通信类教学指导委员会 13 基于matlab的天线实验仿真 教育部高职高专通信类教学指导委员会 14 开放式低速数据通讯实验平台开发 教育部高职高专通信类教学指导委员会 15 移动通信技术专业指导性规范 教育部高职高专通信类教学指导委员会 16 基于VR虚拟现实增强技术的工程项目实践教学研究 全国工业和信息化职业教育教学指导委员会 17 移动通信技术专业教学标准和实验实训装备技术标准 全国工业和信息化职业教育教学指导委员会

本书共6章，全面地介绍了5G移动通信技术及应用。第1章从移动通信的发展入手，介绍5G发展驱动力、应用场景、使用的频谱以及标准演进；第2章重点介绍5G网络架构，从移动通信网络构成说起，总体介绍从2G到5G网络架构演进，然后分析无线接入网的演进，引出5G基站形态，再分析5G核心网的架构，以及5G如何从4G的EPC演进而来，最后介绍5G核心网的关键技术；第3章介绍5G无线空口，详细解析其空口的帧结构、信道配置、手机开机信道使用流程及空口速率计算方法；第4章首先根据5G关键技术的作用对其进行分类，然后逐一介绍其原理；第5章介绍5G的部署，先是NSA 和SA架构对比，再是承载网的部署方式，最后介绍三大运营商网络的演进策略；第6章介绍5G在智慧城市、智慧教育、智慧物流、智慧能源、云游戏中的应用。
本书是一本校企合作的双元教材，内容全面、深入浅出、语言精练；可作为高等院校通信工程专业、电子信息工程专业及其相关专业的专业课教材，也可以作为5G从业者的学习参考书。

第1章 揭开5G的面纱	001
1.1　移动通信的发展	002
1.2　5G的主要驱动力	004
1.3　5G三大应用场景	005
1.4　5G比4G强多少	006
1.5　5G频谱与传输带宽	007
1.6　5G标准演进	011
思考与复习题	012

第2章 5G网络架构	015
2.1　移动通信网络构成与架构演进	016
2.2　5G无线网络架构/无线接入网的演进	019
2.2.1　基站的构成	019
2.2.2　基站的部署形态	019
2.2.3　5G基站形态	021
2.2.4　5G基站的部署形态	024
2.3　5G核心网架构	026
2.3.1　5G核心网全貌	026
2.3.2　5G核心网主要模块的功能	029
2.3.3　4G核心网到5G核心网演进	030
2.4　与5G网络架构相关的关键技术	034
2.4.1　软件定义网络SDN	034
2.4.2　网络功能虚拟化NFV	037
2.4.3　网络切片	039
2.4.4　边缘计算	041
思考与复习题	045

第3章 5G空中接口	048
3.1　5G NR无线帧结构	049
3.1.1　不同子载波间隔对应的不同帧结构	050
3.1.2　5G NR Slot格式	053
3.1.3　eMBB场景典型的帧结构配置	054
3.1.4　5G NR 的时频资源	056
3.1.5　5G峰值速率计算	058
3.2　5G NR 物理信道和信号	060
3.2.1　5G NR物理信道	060
3.2.2　5G NR物理信号	061
3.2.3　5G手机开机信道使用流程	062
思考与复习题	063

第4章 5G关键技术	067
4.1　5G关键技术分类	068
4.2　Massive MIMO	069
4.3　高效调制256QAM	071
4.4　信道编码	072
4.5　多址技术	073
4.6　全双工与灵活双工	075
4.7　毫米波技术	077
4.8　上下行解耦	078
4.9　超密集组网	079
4.10　D2D	080
4.11　免调度	082
4.12　无线网CU/DU分离网络架构	083
4.13　SON	083
思考与复习题	085

第5章 5G网络部署	087
5.1　5G组网概述	088
5.1.1　独立组网	089
5.1.2　非独立组网	090
5.1.3　NSA和SA之对比	094
5.1.4　5G组网演进路径	095
5.1.5　我国运营商组网方案的选择	096
5.2　5G承载网络	097
5.3　5G网络演进策略	099
思考与复习题	100

第6章 5G赋能应用	102
6.1　5G赋能智慧城市	103
6.1.1　5G与多种技术融合，实现智慧城市协同智能	106
6.1.2　5G在智慧城市中的应用场景	107
6.1.3　智慧安防，全时空高效保障城市安全	109
6.1.4　智慧环保，生态监管有抓手	113
6.1.5　智慧医疗，践行公平、可及、普惠的医疗改革	114
6.1.6　智慧治理，政府处置重大应急事件的智慧工具箱	119
6.2　5G助力智慧教育	121
6.2.1　何谓智慧教育	121
6.2.2　智慧教学类	122
6.2.3　智慧评测管理类	125
6.3　5G助力智慧物流	128
6.3.1　5G助力智慧物流细分场景分类	129
6.3.2　物流园区类	130
6.3.3　物流仓储类	133
6.3.4　物流配送类	134
6.4　5G助力智慧能源	136
6.4.1　智能电网	137
6.4.2　5G赋能煤炭产业	139
6.4.3　5G赋能燃气行业	139
6.5　5G助力云游戏	140
思考与复习题	141

附录一 主要缩略语	142

附录二 部分习题答案	146

参考文献	151