第1章 5G的ABC

1.1 5G的定义和需求

从20世纪90年代开始，工业界每10年会重新讨论新一代移动通信标准。新一代的标准将在上一代的标准基础之上，从系统设计和商业模式上借鉴过去一代的得失。在技术上新标准还将吸收最新的研究成规。例如，3G标准采纳了Turbo编码、链路自适应、功率控制、软切换等技术，4G标准采纳了MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）、OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）、时频二维资源分配等技术。回顾过去的10年，技术方面的进步让研究者非常振奋，MIMO、低密度奇偶校验（Low Density Parity Check, LDPC）码、新波形、多址技术理论研究和使用这些技术的产品都取得巨大进展。同时，移动通信开启了在毫米波段的应用，也为5G系统设计奠定了一个更高的技术起点。从商业模式看，3G系统开启了移动互联网应用，帮助用户从WAP时代顺利过渡到WWW时代，而4G解锁了包括微信、滴滴、淘宝、手机导航在内的更多互联网应用。同时，4G LTE在垂直行业的应用也取得巨大成功，在Release-13和Release-14相继将物联网和车联网纳入到移动通信系统的应用场景当中。

回顾4G LTE的设计，会发现两条明显的主线：首先LTE是3G系统的演进，将移动宽带（Mobile Broad Band, MBB）业务作为首要优先场景，对于系统吞吐量和时延的优化都做了大幅改进；同时，LTE系统从早期版本就考虑了对物联网设备的支持，从核心网的过载控制、空口侧的小分组数据优化、节电优化、物联网设备成本优化、覆盖增强一直到Release-13的NB-IoT（Narrow Band IoT，窄带物联网）和eMTC（enhanced Machine Type Communication，增强机器类通信）终于初步实现了对不同速率等级的物联网应用场景全面支持，更具有里程碑意义的是在Release-14引入V2X支持车联网应用。

5G系统可以看做是MBB和物联网这两条主线的延伸和增强，其最大的特点就是在系统设计之初就确定了两个物联网应用场景——低时延高可靠业务（Ultra Reliable and Low Latency Communication, URLLC）和海量物联网场景（massive MTC, mMTC）。这样可以让5G系统原生地支持增强移动宽带（enhanced Mobile Broad Band, eMBB）、URLLC和mMTC业务。

在5G的两个物联网场景中，URLLC场景主要是针对工业控制、车联网等对时延、可靠性要求较高的业务。mMTC是针对海量低功耗、低成本物联网设备连接这种场景而提出的。在国际电信联盟（International Telecommunication Union, ITU）的5G愿景[ITU M2083]中，这3种场景共同组成了5G系统的设计目标，为了便于设计通信系统，ITU进一步将3个应用场景量化为多个关键指标（Key Performance Indicator, KPI）。5G系统的应用场景如图1-1所示。

图1-1 5G系统的应用场景

在ITU定义的关键指标中，除了传统的峰值速率和频谱效率外，eMBB场景还增加了用户体验速率、流量密度两个指标用来衡量用户实际可获得的数据服务。针对海量物联网场景，ITU定义了连接密度用来衡量可支持的物联网终端数量。针对URLLC业务，ITU定义了时延指标，同时还定义了与时延对应的可靠度（由于可靠度是相对时延定义的，并没有体现在图1-1中）。

图1-2中比较了4G和5G的KPI，可以看到，除了5G全面超越4G指标外，5G对于通信系统能力要求更加均衡。熟悉系统设计的研究人员不难发现，这些指标不仅对系统设计要求很高，甚至其中的一部分是互相“矛盾”的。例如峰值速率和连接密度：前者通常是描述小区的极限吞吐量，在实际测试中通常是将所有资源分配给一个用户，以节省系统开销，在系统设计中也要求系统开销尽量小以增加有用负载的传输能力；而后者是描述系统最大可支持的用户数，这通常需要大量的控制信息来区分不同的用户。这些极致、甚至相互“矛盾”的KPI对系统设计提出了前所未有的挑战。

图1-2 ITU定义的5G KPI [ITU M.2083]

除了这8个被量化的KPI之外，ITU还定义了一些5G系统设计目标，包括安全和隐私保护、频率使用的灵活性、低功耗物联网终端的工作周期。由于这些目标不容易简单量化，它们被保留到制定标准阶段再具体定义。

本书将从5G系统设计的角度着重分析波形设计。