面向2020年及未来的移动互联网和物联网业务需求，5G将重点支持连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠4个主要技术场景。5G采用大规模天线阵列、新型帧结构、全频谱接入和新型网络架构等核心技术，通过5G演进空口和5G新空口两条技术路线，实现更快的用户体验速率，并保证在多种场景下的一致性服务。本书分别从5G愿景与需求、频谱规划、网络架构和接口、物理层及高层技术与标准协议、射频技术与标准等方面详细介绍5G技术与标准，以帮助读者更为清晰和切实地了解5G这一全新的移动通信系统，并将这些知识运用到实际工作中。本书作者团队是中国移动研究院5G技术研发团队，是中国移动通信技术一线核心成员组成的研究团队，是5G标准的参与和主导技术团队。本书适合5G及互联网技术研究人员、移动通信技术相关从业人员、通信专业研究生等阅读。

序 言 中国工程院院士 邬贺铨 4G在我国的快速普及有力推动了信息消费的爆发式增长和数字经济的蓬勃发展。4G网络已经深入渗透国计民生的各个领域，成为“互联网+”的基础载体和“智能制造”的基础能力，正在促进我国经济社会的快速发展。面向2020年及以后的移动通信市场的发展，我国成立了IMT-2020（5G）推进组，全面加快5G在技术研究、标准化和产业化方面的发展，力争在2020年实现5G的规模商用。 5G将具备比4G更优的性能，它将以新型的网络架构，提供至少10倍于4G的峰值速率、毫秒级的传输时延和千亿级的连接能力，带来更广泛的人与人、人与物、物与物之间的连接，激发云计算、大数据、人工智能等技术发挥出更大的潜能，开启一个感知泛在、连接泛在、智能泛在的万物互联新时代。 5G时代，大数据与人工智能将加速和推动移动通信的发展。当前，我国已全面实施大数据战略，大数据产业政策环境与技术手段不断完善，行业应用持续深耕，大数据对传统行业以及社会经济的支持能力日益增强。大数据成为优化经济结构、促进实体经济振兴，加快转型升级的重要引擎。党的十九大报告提出，要建设网络强国、数字中国、智慧社会，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合。当前，云、大、物、移、智技术交叉发展，推动了数字产业化，产业数字化进程加速。2018年上半年，大数据应用进一步全面展开，向各大行业细分领域延展，推动更多传统行业实现数字化、智能化。与此同时，各领域对大数据服务的需求增强，数据开放共享、数据治理、数据交易与安全、行业应用也面临着更多的要求和挑战。5G将加快大数据的增长，大数据在社会各领域都会有广泛的应用，并会产生重要的影响。大数据对5G的发展，包括网络体系架构的设计、运维的提效和服务体验的提升，都会起到强化和优化的作用。大数据在5G中的应用有很广阔的空间，但也面临数据挖掘、复杂度、能效、安全性等方面的挑战。 5G网络的智能化是通信缓存和计算能力的汇聚，整个运营管理利用了大数据的优化。此外，5G将是一个云化的网络，有接入云、转发云、控制云，接入云负责协调各种各样微站的集中管理，实现云转码等。在5G的场景下，有多种多样的云，云也可能出现在无线网的位置，它的配置需要借用网络和用户大数据来适配。为了适应视频业务、VR、AR、工业互联网、远程医疗等的低时延需要，5G应用要下沉，尽可能地靠近用户，所以移动边缘计算将在5G时代得到广泛的应用。5G网络不仅要在边缘感知数据和分析数据，而且还要在边缘进行快速的业务响应，这就要求网络利用大数据来分析和判断什么样的智能放在云端，什么样的智能放在终端。 此外，5G需要支持不同的业务需求，有超宽带的业务，有低时延的业务，有大连接的业务。对于不同业务而言，其业务质量要求不同，也需要基于网络切片等技术，利用大数据来优化。 随着5G标准第一个版本的完成，5G的产业化全面加速，本书的出版可谓恰逢其时。中国移动在5G需求与关键技术的研究、标准的制定和完善中发挥了重要作用，特别是在3GPP牵头了“5G无线网场景与需求”“5G核心网服务化的架构”等项目的立项，推动了5G SA标准的按时完成，为5G形成全球统一标准做出了巨大贡献。中国移动的专家们将自己对5G技术的深刻理解撰写成书，必将帮助读者更深入地学习和理解5G这一最新的移动通信系统，并将这些知识运用到实际工作中，促进5G在中国的快速应用和发展。 2019年4月 前 言 4G的全球快速普及和发展带来了移动互联网业务和应用的空前繁荣，在给我们的生活和工作带来极大便利的同时，也在培育着新的应用和新的业务，对无线网络能力提出了新的需求。面向2020年以后的移动通信市场需求，ITU-R（International Telecommunications Union-Radio Communication Sector，国际电联无线电通信部门）、NGMN（Next Generation Mobile Network，下一代移动网络）和3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）等组织纷纷开始了面向5G的新一轮技术标准的研究和制定。 ITU-R为5G的应用规划了未来的三大应用场景：增强移动宽带、超可靠低延迟通信和海量物联网），并为各个应用场景制定了相应的最小性能需求。3GPP对5G的空口关键技术和网络架构等开展了深入的研究，并最终完成了Rel-15（Release 15）标准的制定。5G既有对4G成熟技术的继承，也有针对4G网络中发现的问题的优化，还有面向新的应用场景、新需求的突破。 5G从技术需求上的变化主要体现在以下几个方面。 ? 高速率；：与4G相比，5G需要极大地提高速率，单用户的峰值速率要求达到下行20 Gbit/s、上行10 Gbit/s。 ? 大带宽；：4G仅支持单载波20 MHz系统带宽，而5G在设计之初就考虑了更大带宽的需求，在6 GHz以下频段，数据信道最大可支持100 MHz单载波带宽。 ? 更大的频率适用范围； ? 低时延；：与4G相比，5G提出了更低的时延需求，控制面时延降至10 ms，用户面时延（单向空口时延）更是降至0.5 ms。 ? 更大的频率范围：5G可支持400 MHz～6 GHz的低中频段，在，支持以及120 kHz、240 kHz等子载波间隔26～28 GHz、40 GHz附近的毫米波频段毫米波频段。目前，3GPP也已开始研究52.6 GHz以上更高频段的5G系统设计。 ? 高频谱效率；：5G要求下行峰值频谱效率达到30 bit/s/Hz、上行峰值频谱效率达到15 bit/s/Hz，是4G八天线系统的3～5倍。 ? 高可靠性；：5G车联网、工业互联网等应用对5G的高可靠性需求日渐增加，要求可靠性达到99.999 %以上。 ? 高移动性；：5G对移动性的支持大幅提升至500 km/h，由此带来多普勒频偏增大、信道时变快、抖动大、小区快速切换等挑战。 ? 更高效的协议流程大连接。：5G每平方千米范围内能够支持百万规模级的用户连接数。 这些需求对技术架构带来了相应的变化，例如采用大规模天线阵列、新型帧结构、全频谱接入和新型网络架构等核心技术，通过5G演进空口和5G新空口两条技术路线，实现更快的用户体验速率，并保证在多种场景下的一致性服务。这些新技术还在不断发展和完善之中。 4G的商用部署暴露出4G的一些问题和局限性，同时4G的运营经验也为5G系统的设计提供了重要借鉴，使得5G系统设计更加贴近未来应用需求，标准协议的制定更加全面和完善，主要体现在更灵活的资源利用、更低的网络干扰、更好的业务信道和控制信道的覆盖匹配等方面。 5G商用部署初期主力频段为中频段（如2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz等），普遍比4G所使用的频段高，信号的传播损耗和穿透损耗也更加严重，为了保证5G商用部署在尽可能利用现有4G站址的情况下，达到与4G网络基本相同的覆盖能力，针对5G系统控制信道和业务信道的覆盖增强技术是5G系统设计的重要因素。 尽管在5G标准制定初期，不同的组织、机构和公司在制定全球统一标准的认识上存在一定的偏差，但在全球主要运营商和设备制造商的倡导和推动下，形成全球统一的5G标准最终将成为全产业的共识。2018年6月，5G Rel-15标准完成功能性冻结，全球主要的5G设备制造商和运营商对此都给予了高度评价。5G Rel-15标准的冻结使得5G的产业化进入全面冲刺阶段，整个移动通信产业正朝着2020年的5G规模商用目标前进。 本书对5G核心技术进行了深入的分析，对5G相关标准进行了全面的解读，帮助读者更为清晰和切实地了解5G这一全新的移动通信系统，并将这些知识运用到实际工作中。 为方便读者阅读和使用，本书对于大部分专业技术人员较为熟知的专业术语，优先使用英文缩略语表示，并对缩略语的英文全称和中文名称在第一次出现时进行注释；对于需要使用中文表述的术语，则根据需要标注了英文缩写。 为方便读者查阅相关资料，本书各章涉及的参考文献分别列于各章最后，在正文中以上角数字[1]、[2]、[3]等标注。 本书由王晓云主持编写，主要作者是王晓云、刘光毅、丁海煜和黄宇红，参与编写本书的同志还有王启星、刘建军、李男、陈卓、王飞、胡丽洁、郑毅、夏亮、侯雪颖、吴丹、柯颋、董静、杨拓、李岩、张轶、陈晶晶、徐晓东、谢芳、刘亮、邵哲、李娜、马慧、张晓然、郭春霞、陈宁宇、刘洋、徐珉、胡南、刘婧迪、刘潇蔓、金婧、王菡凝、童辉、邵华等。 参与本书编写的同志都全程参与了ITU-R、NGMN和3GPP 5G的研究和标准化，亲历了标准制定过程中的各个重大事件，并在其中发挥了重要作用。他们对5G的理解必将帮助本书的读者加深对5G的认识，推动5G在中国乃至全球的普及和发展。 本书编写组 2019年7月

第1章 背景与概述 / 001 1.1 4G改变生活，5G改变社会 / 001 1.2 5G发展驱动力 / 002 1.3 全球5G发展规划 / 004 1.4 我国5G发展规划 / 005 1.5 小结 / 006 本章参考文献 / 007 第2章 5G愿景与需求 / 008 2.1 5G愿景 / 008 2.2 5G需求 / 009 2.3 小结 / 022 本章参考文献 / 023 第3章 5G频谱规划 / 024 3.1 5G频谱需求分析 / 024 3.2 5G低、中、高频段使用策略 / 025 3.3 全球5G频谱规划进展 / 026 3.4 我国5G频谱规划 / 034 3.5 5G频谱规划建议 / 038 本章参考文献 / 038 第4章 5G之变 / 039 4.1 场景之变 / 039 4.2 网络结构之变 / 040 4.3 核心网之变 / 042 4.4 空口之变 / 046 4.5 小结 / 050 本章参考文献 / 051 第5章 5G标准的发展历程 / 052 5.1 标准立项规划争论 / 052 5.2 OTSA的应对和5G的加速 / 054 5.3 多架构的引入 / 055 5.4 CU/DU分离与底层切分 / 057 5.5 Polar码和LDPC码的博弈过程 / 059 5.6 子载波间隔的选择 / 061 5.7 5G灵活帧结构 / 064 5.8 5G非正交多址技术 / 065 5.9 NSA的单发双连接 / 067 5.10 SRB3的产生 / 068 5.11 共存与SUL / 069 5.12 网络切片 / 070 5.13 Rel-15的三次冻结 / 071 本章参考文献 / 073 第6章 5G网络架构和接口 / 075 6.1 5G网络架构 / 076 6.2 网络功能划分 / 079 6.3 网络接口协议栈 / 081 6.4 空口协议栈 / 084 6.5 小结 / 089 本章参考文献 / 089 第7章 5G物理层技术与标准协议 / 091 7.1 双工方式 / 091 7.2 调制与信道编码 / 092 7.3 帧结构 / 109 7.4 参考信号设计 / 118 7.5 多天线技术 / 128 7.6 同步信号和物理广播信道设计 / 140 7.7 随机接入信道设计 / 157 7.8 控制信道设计 / 167 7.9 业务信道设计 / 179 7.10 调度和HARQ流程设计 / 198 7.11 上行功率控制 / 205 7.12 小结 / 209 本章参考文献 / 210 第8章 5G空口高层技术与标准协议 / 212 8.1 引言 / 214 8.2 PLMN选择、小区选择和重选 / 214 8.3 系统信息 / 216 8.4 位置注册与更新 / 220 8.5 寻呼 / 221 8.6 接入控制技术 / 225 8.7 随机接入过程 / 227 8.8 无线链路管理 / 232 8.9 移动性管理 / 237 8.10 QoS管理 / 245 8.11 网络切片技术 / 247 8.12 用户面关键技术 / 251 8.13 多连接与多网融合 / 256 8.14 5G语音技术 / 265 8.15 网络互操作与业务连续性 / 269 8.16 移动边缘计算 / 285 8.17 小结 / 289 本章参考文献 / 289 第9章 5G射频技术与标准 / 293 9.1 5G射频通用指标 / 293 9.2 5G终端射频指标 / 299 9.3 5G基站射频指标 / 304 9.4 5G RRM测量方案 / 311 本章参考文献 / 318 附录A 缩略语使用说明 / 320 附录B 缩略语 / 321