5G不平凡的誕生

2017年《政府工作報告》中首次提道：加快新材料、人工智能、集成電路、生物制藥、第五代移動通信等技術研發和轉化。隨后，2018年《政府工作報告》進一步指出，推動集成電路、第五代移動通信、飛機發動機、新能源汽車、新材料等產業發展。2019年6月6日，工信部頒發了4張5G商用牌照，引發了全社會前所未有的關注。

為什么5G如此重要？它會給我們的日常生活帶來什么樣的影響？

移動互聯網在4G時代的巨大成功，讓人們的生活狀態被徹底改變了。人們享受著移動通信帶來的便利服務，享受著生活質量的提升。今天，在中國，很多人成為“低頭一族”——刷短視頻、玩在線游戲、用微信聊天、購物、打車……只需一部手機就可以搞定吃穿住用行的一切需求。我們無法想象，通信技術還能如何讓我們的生活更美好。對于這個問題，可以用一句話解釋：“貧窮限制了我們的想象力。”

1999年9月3日14點至6日14點，中國首屆網絡生存大賽在北京、上海、廣州同時進行，大賽的目標是要依靠互聯網解決現實世界中的生存問題。除了1名參賽者退賽外，其余11名參賽者艱難完賽。那時的人們在為互聯網的偉大而歡呼時，估計無法想象今天用一部手機就可以創造美好生活。

其實，在大賽一年后的2000年，國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）就發布了IMT–2000（International Mobile Telecommunications，國際移動電信）標準，即我們所說的3G。在3G時代，人們只是用手機刷微博、收郵件等，大量的信息溝通還是通過電話短信完成，因為那時的網絡帶寬太窄，能夠支持的數據傳送速率有限，人們不敢奢望更高的訴求。

移動互聯網時代由3G開啟，但其真正迎來大發展是在4G出現后。4G的官方名稱是“IMT–Advanced”，4G技術的標準確定和后續的商用，使用戶驚訝于100Mbps（兆位每秒）的峰值接入速率已超越當時的普遍需求。而技術專家也已預見到4G將引發一場顛覆性的革命，但他們的確尚未想好4G之后的技術如何能有更加革命性的進步，所以將4G命名為“IMT–Advanced”。

在4G剛剛商用的時候，因為相應的應用和服務沒有被開發出來，人們感覺百兆帶寬太奢侈了，高速率帶來的大流量也讓大家心疼資費。然而短短幾年后，移動支付和短視頻應用帶來的巨大流量需求不由得令人感慨世事難料！

香農定律規定了特定信道下通信容量的極限，只要不突破香農定律，人類可以達到的通信邊界是非常明確的！然而，夢想是人類前進的最大動力！雖然4G在很多技術細節上已非常接近香農定律的極限，但通信學術界和產業界專家依然堅定前行，深入探索，總結并優化各種最新技術，最終，大家震驚地發現，原來我們的技術還可以繼續向前邁一大步！

2015年9月，國際電信聯盟一錘定音，正式確定5G的官方名稱是“IMT–2020”，其中“2020”是預期在2020年可以實現商用。5G在技術性能指標上全面超越了4G，提出了三大應用場景，打開了移動通信的新篇章！

圖1–1為全球移動通信標準的演進簡圖。3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）、3GPP2（3rd Generation Partnership Project 2，第三代合作伙伴計劃2）和IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，電氣和電子工程師協會）等都是制定移動通信標準的重要力量，他們基于不同的技術理念和利益，將移動通信標準變成了精彩的競技場，各方彼此競爭，又相互合作，演繹了精彩的移動通信標準演進史。

在2G時代，3GPP一枝獨秀，其力挺的GSM（Global System for Mobile Communications，全球移動通信系統）標準不但將移動通信帶入了數字通信時代，而且成功地給出了標準制定流程，實現了國際化進程。2G時代，美國高通公司首度登場，提出了IS-95（Interim Standard 95，暫時標準95）標準。

到了3G時代，CDMA（Code Division Multiple Access，碼分多址）技術大放異彩，移動通信系統主流的三個標準無一例外地使用了CDMA技術。這不但體現了技術潮流的不可阻擋，同時也是高通公司成功進行商業運作的結果。此時，IEEE基于當時最先進的OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiple，正交頻分復用多址）技術，提出了無線城域網標準IEEE 802.16e。雖然該標準最終成為追加的3G標準，但未能實現大規模商用。

4G時代，業界曾期望將通信標準統一為一種制式，即LTE（Long Term Evolution，長期演進）系列標準，但最終還是分成了TD–LTE（Time Division Long Term Evolution，分時長期演進）和FDD–LTE（Frequency Division Duplexing–Long Term Evolution，頻分雙工長期演進）兩大陣營。雙方各有優劣：時分方式相對節省帶寬，頻分方式有助于降低時延。在4G之前，頻譜還相對比較寬裕的時候，實現起來相對較為簡單的頻分方式更受青睞。

到了5G時代，時分和頻分兩種制式終于統一。因為只有一種制式，所以申請寫入標準的提案沒有其他選擇，全部投向了這里，目標過于集中導致標準制定過程中經常發生激烈討論甚至標準延遲的情況。5G在技術選擇上的考慮及其優劣，將在本書第三部分進行探討。

移動通信發展的規律是“先鋪路后致富”，在沒有體驗到網絡資源優勢的情況下，人們無法想象5G的豐富應用。

擔起4G無法承受之重

物聯網的發展使得通信終端的數量和密度遠遠超過了4G網絡的承受能力，遠程醫療、工業控制等領域需要的低時延也超過了4G的設計極限，所以5G的出現恰逢其時。

技術進步是5G推廣的重要支撐力量，強大的市場需求則是技術最根本的拉動力量。根據愛立信公布的《2019年6月移動市場報告》，4G網絡已經覆蓋世界上大部分國家和地區。截至2019年第一季度，全球移動簽約用戶總數達到79億，其中LTE用戶37億，占所有移動簽約用戶的47%，而且LTE網絡的建設勢頭仍在繼續。截至2018年底，全球LTE人口覆蓋率約為75%，預計到2024年將達到90%左右；IoT（Internet of Things，物聯網）設備連接總數在2018年有108億，預計2024年將達到222億，這完全超過了當前LTE系統的負載能力。

為了應對這一情況，一種比較簡單的解決方法是增加4G基站數量，但是這樣做會帶來很多新問題：在4G的設計目標里，并沒有考慮能耗和二氧化碳排放量等問題。而且，因為4G的技術選型、調制方式設置和單載波頻帶寬等問題，4G網絡已經達到它設計之初的理論上限，網絡接入設備數量也已經非常接近上限。

雖然3GPP提出的LTE系統考慮到了物聯網設備，并設計了專門針對物聯網的通信協議，但是物聯網本身的關鍵性能指標并沒有在4G的設計目標中占據一席之地。

另外，遠程醫療、工業控制等領域對于網絡時延的要求越來越苛刻。4G標準可以達到的10毫秒極限，已經越來越顯得不合時宜，尤其對于遠程醫療這種精細操作來說，每一刻的時延都可能會造成一次嚴重的醫療事故。

在4G無法承受的壓力越來越大之時，5G來了！

為解決大量IoT設備的聯網問題，5G專門設計了mMTC（Massive Machine Type of Communication，海量機器類通信）場景，可以在1平方千米內同時接入100萬個設備。1平方千米相當于140個足球場的面積，也就是說，在1個足球場內可以放置7000多個同時接入5G網絡的設備。對于可預見的應用來說這個網絡接入設備數量足夠了。這個問題看似解決了，但在5G時代面向物的通信將隨著海量接入問題的解決撲面而來。因此，5G設計了uRLLC（Ultra Reliable & Low Latency Communication，超高可靠低時延通信）場景，用以滿足面向遠程醫療、工業設備、車輛等物體的通信需求。在這種場景下，傳輸的控制面時延只有1毫秒，超越了人的觸覺極限；同時，可以支持每小時500千米的高速移動環境下通信。

人們對5G充滿渴望，5G第一階段eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增強移動寬帶）場景標準的誕生也不負眾望，首先從大視頻領域開始助推數字經濟。

點燃了數字經濟的導火索

數字經濟是不可逆轉的發展趨勢，包括云計算、大數據、人工智能、物聯網在內的諸多技術極大地推動了數字經濟的發展，而5G最終點燃了數字經濟的導火索。5G，為各項技術提供了強力支撐，令數字經濟進入快車道，直接引爆數字經濟的大發展，同時也會對諸多產業進行重構，形成新的經濟形態。

ICT（Information and Communication Technology，信息和通信技術）向縱深發展，帶來了第四次工業革命，將人類社會帶入數字經濟時代。數字經濟的發展主要包括數字產業化和產業數字化兩個方面。

數字產業化

5G將大大促進ICT技術產業本身的創新演進升級。數字產業化包括ICT服務業（包含電信業、互聯網行業、軟件和信息技術服務業）和ICT制造業（電子信息制造業）。

因為市場的飽和以及新業務的匱乏，全球ICT制造業增速在2018年有減緩趨勢，絕大部分國家的ICT服務業在數字產業化中的占比超過ICT制造業，產業在尋求突破的空間。新材料、新工藝促進了OLED（Organic Light Emitting Display，有機發光顯示器）顯示屏的商用，大規模天線陣列等技術日益成熟，諸多制造業新興技術都將直接受益于5G的商用。雖然絕大部分國家的4G投資還沒有完全收回，但沒有人愿意錯過5G這個千載難逢的機遇，都爭先恐后地部署5G商用網絡。同時，5G周邊相關的互聯網產業、軟件信息技術服務業已經大量使用了云計算、大數據、人工智能等新技術，形成了龐大的ICT服務業產業規模。萬事俱備，只欠東風，如何將這些新技術快速傳遞到產業末端，將其推動作用進一步放大，是數字經濟時代面臨的緊迫問題。5G是最好的動力引擎！5G的三大應用場景可以滲透到各個行業，讓終端用戶享受到技術紅利！

產業數字化

產業數字化，是指傳統的第一、第二、第三產業應用數字技術，進而使得生產數量和生產效率有所提升。5G在數字世界的威力不僅僅體現在生活上，在產業界也將產生翻天覆地的革命性進展。在移動互聯網時代，電子商務重構了傳統銷售模式，讓代理商的作用逐漸減小，甚至消失。2019年11月11日，第11個“雙十一”購物狂歡節當天，全國網絡零售交易額突破4700億元，其中阿里巴巴天貓總成交額為2684億元。阿里巴巴CEO（首席執行官）張勇說：“雙十一不是為了數字而做，是作為改變社會的驅動器來做。”作為數字經濟主力的電子商務已經成為消費升級和高質量發展的重要力量。5G不但會使電子商務等產業如虎添翼，而且可通過高可靠、低時延的優勢技術特性，向更多產業滲透，促進多方產業的升級。