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前言

序言

第四代移动通信(4G)技术有力支持了移动互联网业务的快速发展,为消费者的生活、工作提供了空前的便利,已成为迄今应用最成功的移动通信技术。而第五代移动通信(5G)除了进一步提升移动互联网的带宽外,还扩展了高可靠低时延通信(URLLC)、大规模机器通信(mMTC)等更多应用场景,有望打造一张应用于千行百业的移动物联网,对通信基础设施与经济社会各方面的深入融合产生深远意义。

5G国际标准自2015年底开始起草,在2018年首先完成了以增强移动宽带(eMBB)为核心的第一版本——R15版本。2020年又完成了包含URLLC、NR V2X、非授权频谱通信等重要垂直行业功能的增强版本——R16版本。这两个版本构成了5G国际标准的核心,将于未来10年内在全球广泛部署,国内外大量通信技术人员也陆续投入5G设备、终端、应用的研发及5G网络的规划、部署、运维工作。这些人员都需要对5G技术和标准有深入透彻的理解,5G技术也将成为今后一段时间高校和研究机构通信专业的教学和研究重点。因此在5G R16标准完成之际,编写并出版介绍5G标准,尤其是包含R15和R16版本的完整的技术专著,是非常必要和亟需的。这将对5G领域的技术研究、设备开发、系统部署和业务运营起到积极的推动作用,对未来的B5G、6G预研也可以提供重要参考。

本书的主要特点是没有局限于对5G标准的简单解释。书中不仅介绍了5G标准化的结果,而且基于作者的参会经历,深入剖析了5G标准化的历程,对5G研究和标准化过程中关键技术的取舍和设计方案的甄选过程进行了介绍,诠释了移动通信系统实用导向、整体设计、全面权衡的设计原则。本书一方面可以作为通信企业5G开发人员阅读规范、理解规范背后的关键技术和设计原理的参考资料;另一方面也可以作为高校、研究单位人员学习标准化工作的方法和规律的重要参考,为他们将来参与B5G、6G研发工作,与产业界顺利对接提供帮助。

本书的作者均为深入参与3GPP 5G国际标准化的第一线代表人员,参与了5G R15、R16历次标准化会议的技术讨论,经历了各次重大技术选择的确定过程,有些作者还作为负责人牵头了一些技术方向的研讨和标准起草工作。他们对5G技术原理和系统设计有深入的理解,对5G标准化过程有切身的体会,是精通5G标准的专家团队。本书编写的素材全部来自3GPP技术规范、标准化文稿、会议记录等第一手资料,具有较高的时效性、权威性和实用性。

当然,在未来几年里,5G标准还将持续增强和演进,对5G标准的学习、研究和应用也是通信产业界一项长期的工作。希望通信产业界能够持续关注、重视5G标准的研究,希望本书的出版能为信息通信产业的长期、健康发展贡献一点力量。

第1章概述5G技术核心与增强:从R15到R16

中国工程院院士,北京邮电大学教授

前言

2020年8月于北京移动通信系统十年一代,从1G到4G,历经了模拟、数字、数据、宽带四次技术变革,为全世界的亿万用户带来了“前所未有”的崭新感受。尤其是4G技术开启了移动互联网时代,深刻改变了人们的生活方式。正当大家满足于微博微信、视频抖音、点餐购物、移动支付、手机游戏等4G带来的丰富的移动互联网应用和便利生活时,移动通信产业已经将目标从“2C”(面向用户)转向“2B”(面向企业),试图用5G NR(新空中接口)技术推动千行百业向数字化、移动化、自动化发展。因此,相较4G“吃喝玩乐神器”的定位,5G技术由于着重增加了对移动物联网的支持,因此在更大广度和更多维度上获得了更广泛的关注,其意义甚至上升到了国家间高科技竞争主要制高点的高度,一定程度上也超出了5G技术研发者的预料。5G技术的核心是什么?5G引入了哪些创新?5G与4G在技术上有什么区别?5G能达到什么样的技术能力?相信这些问题是广大读者都很关心的。在笔者看来,5G并不是神奇的、无所不能的技术,它在很大程度上继承了3G、4G的系统设计理念,引入了一系列必要的创新技术,面向各种垂直应用进行了一系列专门的优化。这些创新和优化绝大多数并不是几个词、几句话就能说明白的“大概念”,而是由很多细致、精巧的工程改进构成的。本书的目的就是将5G的这些创新点和优化点剖析开,讲解给读者。

某些“唯技术论”的观点可能认为5G照搬了4G的核心技术,不过是“宽带版4G”。诚然,从理论基础上讲,5G沿用了4G LTE的OFDMA(正交频分多址)+MIMO(多输入多输出)核心技术架构。但相比LTE的“简化版”OFDMA,5G系统设计在时域和频域上都实现了更大的灵活性,能够充分发挥OFDMA系统的技术潜力,有效支持eMBB(增强移动宽带)、URLLC(高可靠低时延通信)、mMTC(大规模物联网)等丰富的5G应用场景。同时,5G系统设计也远比4G要精细、复杂,在LTE设计的基础上做了很多修改、增强和扩展。所以,本书以LTE标准为基础(假设读者已经了解LTE的基础知识),着重介绍在5G NR采用的全新和增强的系统设计,解读5G NR相对4G LTE的“增量”。

与大部分5G书籍不同,本书采用了“剖析5G标准化过程”的写法。本书的核心作者在2008年曾撰写了《3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计》一书,此书不仅介绍了LTE标准,而且介绍了“从无到有、从粗到细”的4G系统设计和标准起草过程,出版后受到广大读者的欢迎,被称为“4G红宝书”。这说明广大读者对这种写法的认可。时隔十二年,本书再次采用了这种写法。本书的作者都是OPPO公司的3GPP标准代表,在第一线深入参与、推动了绝大部分5G技术设计的形成,他们提出的很多技术方案也被接受,成为5G标准的一部分。由他们讲述各个方向的技术遴选、特性取舍、系统设计的全过程,对读者是最好的选择。5G作为一个复杂的系统,每个环节上的技术方案选择都不是孤立的,单点技术上的最优方案不一定是对整体系统性能贡献最大的方案,系统设计的目标是选择互相适配、整体最优的均衡的技术组合。本书在大部分章节中回顾5G标准化中出现的多种技术选项,介绍各种选项的优缺点,尽力解读3GPP从中筛选出最终方案的原因和考虑。这不仅包括性能因素,也包括设备实现的复杂度、信令设计的简洁性、对现有标准的影响程度等。如果只是“照本宣科”地对英文技术规范的最终版本进行翻译和解读,其实是大可不必费如此周章的。但作者希望通过讲述这一推理、选择的过程,帮助读者“既知其然,也知其所以然”,一窥无线通信系统设计的原则、方法和手段。

从另一个角度说,今天我们为5G选择的这些技术选项,只是在特定的时间、针对特定的业务需求、考虑近期的产品研发能力,做出的选择。未来业务需求变了,设备能力更强了,今天被淘汰的“次优”选项也有可能变成“最优”选项,重新回到我们的视野,成为新的选择。3GPP标准只是指导产品研发的“工具性文件”,并不具备解读技术原理和设计思想的功能。如果只把标准化的最终结果展示给读者,让读者误以为这些设计都是“天经地义的唯一选择”,仿佛过程中的“优劣对比,纠结取舍”都不曾发生过,那么呈现给读者的就只能是一个“片面的5G”。读者在很多境况下也会感到费解——为什么偏偏设计成这样?难道没有别的选择吗?这么设计有什么好处呢?如果是这样,作为经过了这一过程的标准化亲历者,作者也觉得是一个很大的遗憾。相反,如果今天的年轻读者能够通过这些技术选择过程批判地、客观地看待5G标准,在他们设计下一代系统(如6G)的时候,充分汲取5G标准化中的经验教训,有机会构思出更好的设计,那么作者在本书中的这些回顾、分析和总结工作就是很有意义的。由于具备这个特色,相信本书不仅可以作为5G研发人员在工作中查阅的一本工具书,而且可以成为对广大通信专业的高校教师、学生学习5G的较好的参考书。

本书共分为20章,除第1章概述之外,第2~14章可以看作对5G标准的基础、核心部分的介绍,这些内容主要是在3GPP R15版本中定义的,其核心还是针对eMBB应用场景,并为物联网业务提供了可扩展的技术基础。第15~19章介绍了在R16版本中定义的“5G增强”技术特性,包括URLLC、NR V2X、非授权频谱通信、终端节能等,很多是5G技术不可分割的必要部分。这也是本书并未在R15 5G标准完成的2019年出版,而是等到R16版本完成后的2020年出版的原因。正如前面提到的,5G相对4G等以前的移动通信系统的最大不同是增加了对各种物联网和垂直行业应用的支持。如果只介绍支持eMBB的R15,缺失了R16中的URLLC、NR V2X、非授权频谱通信等重要垂直技术,无疑是无法体现5G技术全貌的。在最后的第20章中,我们还简单介绍了R17版本中5G将要进一步增强的方向,以及我们对B5G和6G发展趋势的粗浅看法。

写在本书每一章开头的其他作者,都是作者在OPPO标准研究部的同事,他们都是各个技术领域的5G标准专家,其中很多人参加了4G LTE的标准化。在这里感谢他们为5G国际标准化做出的贡献。5G手机中的一部分硬件或软件设计(虽然可能只是很小一部分)也基于他们的创新和付出。同时,感谢OPPO产学研事务部的秦征、陈义旎、陈华芳为本书的出版做出的贡献。最后,还要感谢清华大学出版社的大力支持和高效工作,使本书能尽早与读者见面。

本书是基于作者的主观视角和有限学识对标准化讨论过程和结果的理解,观点难免有欠周全之处,敬请读者谅解,并提出宝贵意见。

第1章概述5G技术核心与增强:从R15到R16

作者 

2020年8月

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