5G叢書
5G移動無線通信技術
（瑞典）Afif Osseiran
（西）Jose F. Monserrat
（德）Patrick Marsch 著
陳明，缪慶育，劉愔 譯
第1章 移動無線通信技術的變遷
1.1曆史回顧
誕生于 21 世紀的資訊通信技術（又稱 ICT 技術）起源于 20 世紀兩個主要産業的融 合，即電信産業和計算機産業的融合。本書的目的是描述移動通信産業第五代技術的發 展趨勢，這些技術将實作多種通信服務的增強融合，在包括連接配接、資訊處理、資料存儲 和人工智能在内的、複雜的分布式環境中，實作内容的分發、通信和運算。這些技術的 鞏固和加強模糊了傳統的技術功能的邊界。例如，計算和存儲嵌入到通信基礎設施之中， 流程控制分布于網際網路之上，而運算功能遷移到集中的雲計算環境之中。
1.2工業和技術革命：從蒸汽機到網際網路
ICT 産業源于電信産業和（計算機）網際網路産業的結合，并給資訊和通信服務的供給 和分發方式帶來巨大的變革。大量被廣泛使用的移動連接配接裝置，推動社會進一步深入變革， 社會變得更加網絡化和連接配接化，進而在經濟、文化和技術方面産生深遠影響。人類社會正 在經曆一場技術革命，這個過程始于 20 世紀 70 年代半導體技術和內建電路技術的發展， 以及随之而來的資訊技術（IT）的成熟和20世紀80年代現代電子通信技術的發展。下一 代 ICT 産業中日趨成熟的前沿包括，建構在不同的場景中，同時滿足服務需求差異巨大 的傳遞架構，滿足大量的不同需求，例如，來自和去往網際網路的個人媒體傳遞，實作萬物互聯（物聯網），并将安全和移動性作為可以配置的功能引入所有通信服務。有人将其 稱為工業革命的第四階段 [1]。 工業革命的四個階段如圖 1.1 所示。 第一階段始于英國（大約 1760—1840 年），其間誕生了動力織布機和蒸汽機。在随 後的幾十年裡，12 世紀的農業經濟迅速轉型為工業經濟，用于生産貨物的機器大行其道。
第二階段（大約 1840—1914 年）始于貝西默鋼鐵生産程式，這一階段實作了早期工業電氣化，大規模工業制造和流水線生産方式。電氣化生産線上的勞工分工更加專業，進而實作了大規模工業制造。
第三階段（大約1950—2010年）主要歸功于電子資訊技術，特别是可程式設計邏輯控制器件 （Programmable Logic Controllers，PLC）的發明。這些技術進一步提升了生産流程自動化和産能。
第四階段也就是我們目前所處的時代。在這個時代，通過新一代無線通信技術實作萬物互聯，無處不在地連接配接裝置和物品，推動工業自動化水準再次飛躍。
人們期待的第五代移動通信（5G）提供了進入工業革命第四階段的途徑。因為它将以人為主要服務對象的無線通信，延伸到人與物全連接配接的世界。特别需要指出的是5G包括了：
- 連接配接成為人與物的标準配置；
- 關鍵和海量的機器連接配接；
- 新的頻段和監管制度；
- 移動和安全成為網絡功能；
- 通過網際網路的内容分發內建；
- 網絡邊緣處理和存儲；
- 軟體定義網絡和網絡功能虛拟化。
1.3 移動通信的發展：從 1G 到 4G
圖 1.2 給出了蜂窩移動通信的發展史。從 20 世紀 70 年代的嬰兒期（第一代無線通信1G）到 2020 年（第五代移動通信5G），蜂窩移動通信系統演進的主要曆程見圖 1.2。
第一代商用模拟移動通信系統部署于 20 世紀五六十年代 [2]，但市場滲透率很低。 1981 年誕生了第一代移動蜂窩系統（1G），包括北歐國家部署的北歐行動電話系統 （NMT） ，德國、葡萄牙和南非部署的 C-Netz 系統，英國部署的TACS 系統和北美部署 的 AMPS 系統。1G 由于采用模拟技術而被稱為模拟标準，通常采用調頻信号和數字信令信道。1982 年歐洲郵電管理大會（CEPT）決定開發泛歐第二代移動通信系統，即處于2G統治地位的 GSM 系統，1991 年 GSM 開始國際部署。2G的标志是實作了數字發 送技術和交換技術。數字技術有效地提升了話音品質和網絡容量，同時引入了新服務和 進階應用，例如用于文本資訊的存儲和轉發的短消息。
設計 GSM 系統的首要目的是實作歐洲數字語音服務的國際漫遊。與 1G 僅使用 了 FDMA 相比，GSM 采用了混合的時分多址（TDMA） / 頻分多址（FDMA）技術。與 此同時，全球其他的 2G 系統也在部署過程中，并且互相競争。這些 2G 技術包括：（1）北美的 NA-TDMA（TIA/EIA-122）标準；（2） CDMAOne（TIA/EIA IS-22A） [2]；（3） 僅用于日本的個人數字蜂窩系統（PDC）。2G 的演進又稱為 2.5G，在語音和資料電路交換之上，引入了資料分組交換的業務。主要的 2.5G 标準包括 GPRS 和 TIA/EIA-221， 二者分别是 GSM 和 TIA/EIA-p2A 的演進版。此後不久，GSM 進一步演進為 EDGE 和 EGPRS。其性能增強主要是采用了更進階的調制和編碼技術。GSM/EDGE 在 3GPP 标準繼續演進，并且在最新的版本裡支援更寬的帶寬和載波聚合技術。
2G 系統商用不久，業内就開始準備和讨論第三代無線通信系統。同時國際電信聯盟無線通信委員會（ITU-R）制定了國際移動通信系統 2000（IMT-2000）的要求。1998 年 1 月，兩個基于 CDMA 技術的标準被歐洲通信标準協會（ETSI）接納為全球移動通信系統（UMTS），分别是寬帶 CDMA（WCDMA）和時分 CDMA（TD-CDMA）技術。 UMTS 成為主要的 3G 移動通信系統，并且是最早達到 IMT-2000 要求的技術。最終有6個空中接口技術滿足IMT-2000要求，包括3個基于CDMA的技術，1 個GSM/EDGE 的新版本（稱為UWC-136）和另外2 個基于OFDMA的技術 [5]。如圖 1.2 所示，在 3G 合作夥伴項目（3GPP）的架構内，制定了被稱為 3G 演進的新技術規範，即 3.5G。這一演進技術建議包括兩個無線接入網絡（RAN）技術和一個核心網演進建議。
第一個 RAN 技術是 3GPP2 制定的基于cdma2000 的演進版本 1xEV-DO 和 1xEVDV。第二個 RAN 技術是高速資料分組接入技術（HSPA）。HSPA 由 3GPP R5 版加入下 行 HSPA（HSDPA）和 3GPP R6 版加入上行 HSPA（HSUPA）組成。二者都是為了提升數 據速率，下行提高到 14.6Mbit/s，上行提高到 5.76Mbit/s。在 MIMO 引入後，速率獲得 進一步提升。HSPA 技術基于 WCDMA 并且完全後向相容。CDMA 1xEV-DO 在 2003 年 開始部署，HSPA 和 CDMA 1x EV-DV 于 2006 年實作商用。
所有 3GPP 标準始終保持着新功能後向相容的理念。這也展現在 HSPA 的進一步演 進 HSPA+，該技術通過載波聚合獲得更高的速率，但不影響原有終端正常使用。 第二個UMTS演進技術，也被商業上認為是4G技術，稱為LTE7，包括了新的基于正交頻分多址（OFDMA）的空中接口，新的網絡架構和新的稱為SAE/EPC的核心網（CN）。 LTE與UMTS并不後向相容，并期望在2007年的世界無線電大會（WRC）獲得更多的頻譜。這個标準設計靈活，可以部署在從1.4MHz到20MHz的不同帶寬的載波上。
LTE 标準實作了系統容量的大幅提升，其設計使蜂窩網絡脫離了電路交換的功能。與之前的通信系統相比，這一改進顯著降低了成本。2007 年年底，第一個 LTE 版本得 到 3GPP 準許，稱為 LTE R8 版本。這一版本的峰值速率約為 326Mbit/s，和以前的系統 相比頻譜利用效率獲得了提升，并顯著降低了時延（下降到20ms）。與此同時，ITU-R 提出了 IMT-2000 的後續要求（IMT-Advanced）作為制定第四代移動通信系統的标稱 要求。LTE R8 版本并不能達到 IMT-Advanced 的要求，是以被認為是前 4G 技術。這 些要求後來有所放松，是以 LTE 被統一認為是 4G 技術。技術上，3GPP LTE R10 版本 和 IEEE 802.16m（又稱 WiMAX）是最早滿足 IMT-Advanced 要求的空中接口技術。而 WiMAX 盡管被準許成為 4G 标準，但沒有被市場廣泛接受，最終被 LTE 取代。與 R8 版本相比，LTE R10 版本新增了高階 MIMO 和載波聚合的技術，進而提升了容量和速率，利用高達 100MHz 的載波聚合帶寬可以達到 3Gbit/s 下行峰值速率和 1.5Gbit/s 上行峰值速率。其中下行采用 8x8 MIMO，上行采用 4x4 MIMO。
3GPP 對于 LTE 的标準化工作持續進行，包括 R11 版本到 R13 版本，以及後續版本。 LTE R11 版本通過引入載波聚合、中繼和幹擾消除技術優化了 LTE R10 版本的容量。同時，增加了新的頻譜以及多點協同發送和接收（CoMP）技術。
在 2015 年 3 月當機的 LTE R12 版本增加了異構網絡和更進階的 MIMO 以及 FDD/ TDD載波聚合。另外增加了一些回傳和核心網負載均衡的功能。接下來LTE R11和R13版 本，為了支援機器類通信（MTC），例如傳感器和電動裝置，引入了新的物聯網解決方案（包 括LTE-M和窄帶物聯網NB-IoT） 9。這些新技術提升了覆寫，延長了電池的續航能力，降低 了終端成本。R13版本為了獲得極高的移動寬帶速率引入高達32載波的載波聚合技術。
截至 2015 年年中，全球蜂窩移動使用者數達到74.9 億 [11]，其中 GSM/EDGE，包括以 資料通信為目标的 EGPRS 主宰了無線接入網絡。GSM 市場佔有率達到 57%（其使用者數達到 42.6 億） ，但是 GSM 的連接配接數已經達到峰值，并開始下降。另一方面，3G（包括 HSPA） 的使用者數從 2010 起不斷上升，達到 19.4 億，市場占有率達到26%。愛立信移動報告預 測 2020 年 WCDMA/HSPA 的使用者數将達到頂峰，之後将會下降 [12]。處于 4G 主導地位的 LTE 技術截至 2015 年年底，發展使用者 9.1 億（市場佔有率 12%） ，預計 2021 年達到 41 億用 戶 [12]，進而成為使用者數最多的移動通信技術。圖 1.3 展示了目前市場上的 3GPP 技術。總 體趨勢是越來越廣的頻譜分布，更高的帶寬，更高的頻譜使用率和更低的時延。
1.4從移動寬帶到極限移動寬帶
5G極限移動寬帶（xMBB）服務滿足人們面向 2020 年，對極高資料速率的持續渴望。 對視訊業務的廣泛需求和對諸如虛拟現實、高清視訊的興趣推動了高達若幹吉比特每秒 的速率要求。5G 技術使無線網絡獲得目前隻能由光纖接入實作的速率和服務。感覺互 聯網進一步增加了對低延遲時間的訴求。當低延遲時間和高峰值速率需要同時滿足時，就對網絡 能力提出了更高的要求。
1.5物聯網（IoT）和 5G 的關系
近幾年來，有幾個不同的概念描述 ICT 行業的一個重要領域，即物聯網（IoT），信 息實體融合系統（CPS）和機器類通信（M2M），但這些概念各有側重。
（1）物聯網（IoT），又被稱為“萬物互聯” （IoE），強調了網際網路連接配接的所有對象（包 括人和機器）都擁有唯一的位址，并通過有線和無線網絡進行通信 [13]。
（2）資訊實體融合系統（CPS）強調通過通信系統對計算過程和實體過程（諸如傳 感器，人和實體環境）的內建。特别是該實體過程在數字化（資訊）系統中可以被觀察、監視、控制和自動化處理。嵌入式計算和通信能力是資訊實體融合系統的兩個關鍵技術。 現代化的電網就可以被視為一個典型的 CPS 系統 [14]。
（3）機器類通信（M2M）被用來描述機器之間的通信。盡管數字處理器在不同的層 次嵌入到工業系統中的曆史已經有很多年，但新的通信能力将會在大量的分布式處理器 之間實作連接配接，并使得原本本地的數字監控和控制提升到更廣泛的系統級别，甚至是全 球的範圍。4G 和 5G 就可以提供這些通信能力。不僅如此，當所有的目标被無線技術和 網際網路連接配接，并且當計算和存儲也分布在網絡中時，資訊實體融合系統（CPS）和物聯 網（IoT）的差別就消失了。是以，無線移動通信是物聯網（IoT）的重要賦能者。特别 是 5G 将賦能新的物聯網用例（例如低延遲時間和高可靠性需求的用例），以及其他無線通信 系統尚未涉足的經濟領域。
第二節：如何實作海量資料的處理