5G与卫星通信融合

5G与卫星通信融合目录TOC\h\h第一章5G技术概述\h第一节5G基础知识\h第二节5G关键技术\h第三节5G网络架构\h第四节5G商用部署\h第二章卫星通信技术概述\h第一节卫星通信基础知识\h第二节卫星通信关键技术\h第三节卫星通信系统架构\h第四节典型卫星通信系统\h第三章5G与卫星通信融合的意义、难点和途径\h第一节5G与卫星通信融合的意义\h第二节5G与卫星通信融合的难点\h第三节5G与卫星通信融合的途径\h第四章5G与卫星通信融合的相关技术\h第一节多普勒频移下的多载波传输技术\h第二节短突发传输技术\h第三节波束覆盖级切换技术\h第四节星地融合的频率管理技术\h第五节核心网技术\h第五章5G与卫星通信融合的服务类型\h第一节连续接入服务\h第二节泛在接入服务\h第三节可扩展接入服务\h第六章5G与卫星通信融合技术具体应用\h第一节赋能智慧城市\h第二节增强移动通信\h第三节助力军事指挥\h第四节协助远洋航海\h第五节促进智慧教育\h第六节推动物联网发展\h第七节提升智慧物流第一章5G技术概述移动通信自诞生以来，历经数十年的发展，已从最初的1G模拟通信迭代为今天的5G高速数据和物联网通信，赋予了人类新的生产和生活方式。每一代移动通信系统都意味着新的技术突破，创造出新的网络架构，而商用部署则会带来新的产业革命。5G采用了超密集组网、大规模MIMO（Multiple-InputMultiple-Output，多入多出）传输、新型信道编码调制、高效新型多址接入、同时同频全双工、毫米波通信、D2D（Device-to-Device）通信等创造性技术，创新了网络架构，不仅流量密度高、容量大、时延低，而且移动性、能效、用户体验速率、频谱效率、峰值速率等也超过了前几代移动通信系统。5G的卓越性能使其成为世界各国争相占领的一个重要科技领域。2018年以来，世界主要国家先后开始5G商用部署，人类开始进入万物互联的新时代。引人注目的是，中国、韩国等亚洲国家在5G时代走在了世界前列，改变了以往欧美国家在移动通信技术领域拥有绝对主导权的局面。我国移动通信技术厚积薄发，在5G时代“领跑”了世界，实现了历史性跨越。今天，以5G为代表的“新基建”正在引发中国社会一系列的深刻变革。第一节5G基础知识关于第五代移动通信技术（5thGenerationMobileCommunicationTechnology），不同的国家、组织以不同的方式阐述了其概念。一、5G概念\h［1］中国信息通信研究院认为，“综合5G关键能力与核心技术，5G可由标志性能力指标和一组关键技术来共同定义（见图1-1），其中，标志性能力指标为Gbps用户体验速率，一组关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。”\h［1］图1-15G概念国际电信联盟（ITU）使用8项关键技术指标定义了5G，如表1-1所示。表1-15G的关键技术指标5G带来的最大变化是极高的传输速率、极低的端到端时延和前所未有的设备连接。这些变化源于关键技术的支持：大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构。5G拥有三大应用场景：增强移动宽带（enhancedMobileBroadband，eMBB）、超高可靠低时延通信（UltraReliableandLowLatencyCommunication，URLLC）和海量机器类通信（massiveMachineTypeCommunication，mMTC）。移动互联网流量爆炸式增长催生了eMBB，它为移动用户提供了更极致的应用体验；URLLC时延低、可靠性高的特点使其适用于工业控制、远程医疗、自动驾驶等行业；mMTC主要面向以传感器和数据采集为目标的应用需求，如智慧城市建设、家居智能化、环境数据采集等。国际电信联盟为这三个应用场景分别制定了R15、R16和R17三个5G标准。R15是基础标准，R15非独立组网（NonStandalone，NSA）在2018年发布，R15独立组网（Standalone，SA）晚一年发布，主要满足eMBB和URLLC的应用需求。完整标准R16在2020年发布，关注垂直行业应用和系统的整体提升。增强标准R17直到2022年才发布，采用一系列新技术，以满足新业务的需求。二、5G的发展历史移动通信历经了1G、2G、3G、4G、5G的发展过程。目前，移动通信在大规模应用5G的同时，向6G迈进。移动通信系统的发展阶段如图1-2所示。\h［2］图1-2移动通信系统的发展阶段1G，即第一代移动通信，采用了模拟语音通信技术，实现了移动语音通信，掀开了人类通信历史新的一页——个人移动通信时代。1G采用了模拟调频技术，它的出现是革命性的，但是其缺陷十分明显。一是系统容量小，频谱利用率偏低，交换技术十分落后，无法接入大量用户，因此1G仅供少数人使用；二是保密性差，易于被截取；三是相互独立的网络标准不能实现漫游，北欧建设的NMT（NordicMobileTelephones，北欧移动电话）、德国建设的C-Netz（C网络）、英国建设的TACS（TotalAccessCommunicationSystem，全接入通信系统）、北美建设的AMPS（AdvancedMobilePhoneSystem，高级移动电话系统）等，相互之间都不能互联互通实现漫游，网络建设成本也随之上升。2G，即第二代移动通信，是数字语音通信，于1982年开始研发，至今仍在使用。相较于1G，2G取得了巨大进步。一是除少数国家外，实现了全球漫游；二是首次引入了混合多址方式——时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA），从模拟技术迈向了数字技术，通信容量显著扩大，可供大多数人使用，为通信普及做出了重大贡献。全球移动通信系统（GSM）是迄今为止覆盖面积最广、使用时间最长、运行最稳定的通信网络，至今仍然在大规模使用。2G也有其局限性，首要问题是不能满足移动宽带的流量需求。虽然2G也能够提供数据业务，但是采用的是GPRS（通用分组无线业务）技术、EDGE（增强型数据速率GSM演进）技术和CDMA（码分多路访问）技术。后两项技术源于GSM，虽然至今仍然在预警、监控等领域使用，但是其传输速率早已无法满足人们的使用需求。3G，即第三代移动通信，有TD-SCDMA（时分同步码分多路访问）、WCDMA（宽带码分多路访问）和CDMA2000（码分多路访问2000）三大技术标准。它提升了网络传输速率，使人类社会迈进了移动互联时代。网络传输速率提升具体表现在：3G不仅拥有图像、音乐、视频等多种媒体形式处理能力，而且使网页浏览、电话会议、电子商务等网络服务成为现实。3G网络早在1999年就已经出现，但是早期建设3G网络的国家并不多，随着2007年智能手机的快速发展，3G网络也开始大规模部署，我国也在这个时期步入了3G时代。4G，即第四代移动通信，它的诞生推动着人类社会更进一步，步入了数据通信时代。3G刚刚部署完成，4G就到来了。4G技术标准——LTE（长期演进）技术在2008年被提出后，仅过了一年就开始部署全球第一个LTE商用网络，发展速度之快，远超前几代移动通信系统。最初，4G网络不支持语音通信，原因就在于4G是由分组数据业务催生的，直到后来采用了VoLTE（长期演进语音承载）技术，语音通信问题才得到了解决。相比于3G，4G具有高速率、低时延和大容量的特点，在统一标准方面也进行了进一步优化，有FDD-LTE（分频长期演进）和TD-LTE（分时长期演进）两种制式标准。此外，4G还支持大规模机器类通信和机器对机器通信，从而拓展了移动宽带的使用范围。5G是4G的延续和增强，速率更高，稳定性和可靠性也更高，让人类进入了万物互联时代。5G的组网方式有NSA（非独立组网）和SA（独立组网）两种，提供两种关键技术：网络切片技术和网络虚拟化技术。网络切片技术为用户提供个性化服务，网络虚拟化技术不仅能帮助运营商节约成本，还能给快速升级部署提供保障。5G无论是在提升速率和网络切片方面，还是在开放性支持虚拟化部署方面，都充分考虑了稳定、可靠和安全等因素，推动了移动通信领域发生革命性变革，深刻地改变了人们的通信方式和社交方式，进而推动了整个社会的变化。5G提供了一个应用平台，推动了物联网发展，开启了万物互联时代。正如上文所提到的，5G有三大应用场景：增强移动宽带（eMBB）、超高可靠低时延通信（URLLC）和海量机器类通信（mMTC），如图1-3所示。eMBB能够实现超高的传输速率，保证广覆盖条件下的移动性。在5G发展初期，eMBB是面向消费市场（云游戏、云办公、超高清视频等）的核心应用场景。在URLLC场景下，连接时延可以降低至1ms，在时速为500km的移动条件下，仍然能够保证高可靠性连接（99.999%），因此能够满足智能工厂、自动驾驶、移动医疗等行业领域提出的特殊需求。mMTC的传输速率低、对时延不敏感、终端成本低，在5G强大连接能力的支持下，能够推动垂直行业（智能家居、智慧城市、智能交通等）的深度融合，实现对生活各方面的覆盖，真正让人类社会进入万物互联的新时代。\h［2］图1-35G的三大应用场景三、5G的现状\h［3］5G发展已经驶入了快车道，加快了全球应用落地。5G网络已经覆盖了全球人口的近三分之一，截至2022年10月底，提供5G服务的电信运营商已经达到了233家，提供了43张5G独立组网网络，使全球88个国家/地区受益。从覆盖人口来看，5G网络已经覆盖了全球人口总数的27.6%，其中欧洲、美洲、亚洲和大洋洲的41个国家/地区的5G网络人口覆盖率超过了50%。据中国信息通信研究院的统计，工业互联网和文体活动领域是5G行业应用最为集中的领域，占全球已经开展或部署的644项行业应用的一半以上。从应用覆盖行业范围、场景应用落地等来看，世界主要国家5G行业应用多处在起步阶段，虽然拥有众多的示范项目，但是可大规模复制的成熟应用仍然相对较少。我国5G发展无论是在网络覆盖方面，还是在用户发展方面，在同时段内均快于4G。我国已建成的5G独立组网网络，是世界上已建成的43张5G独立组网网络中技术上最领先的、规模上最庞大的。它的覆盖范围包括全国所有地级市、县城城区和96%的乡镇地区。在个人应用方面，截至2022年9月底，我国5G移动用户数量达到5.1亿户，全球领先。5G网络速率提升，对直播、社交、游戏、线上会议和学习等应用提供较好的改善效果，推动流量消费快速增长。互联网企业也开始探索超高清视频、扩展现实（XR）在日常生活中的全新应用模式，进一步提升用户体验。在行业应用方面，我国行业应用项目数量全球最多，应用领域全球最广。5G应用已经深度融入工业、矿山、医疗、港口等行业，且正在快速发展。5G应用在文旅、物流、教育等行业的解决方案正在加快推出，技术验证也已经在金融、水利等行业积极推进。5G应用快速发展的背后是行业领域对5G的高度认可，80%行业主体认为5G应用将提质降本增效，实现安全可靠的生产。2019—2020年是我国5G商用发展的一个关键时期。2018年年底，“新基建”概念被首次提出，“加快5G商用步伐”也被确定为国家2019年的一项工作任务。截至2019年年底，全国共建成5G基站超13万个。根据工业和信息化部2022年12月26日发布的数据，全国5G网络建设稳步推进，截至2022年11月末，全国5G基站总数达到了228.7万个，比2021年年底增加86.2万个，占移动基站总数的21.1%。四、5G的未来目前，在5G大规模部署的背景下，5.5G和6G也已经全面萌芽。5G技术持续演进，5.5G时代加快到来。2020年年底，华为提出要与行业一起定义5.5G，对于消费者而言，2025年前后，5.5G网络速率将进一步提高：下行峰值速率——10Gbps，上行峰值速率——1Gbps。2021年4月，5G演进的名称被3GPP（第三代合作伙伴计划）正式确定为5G-Advanced，即5.5G。同年8月，中国移动发布的《5G-Advanced网络技术演进白皮书（2021）——面向万物智联新时代》成为首个5G-Advanced网络架构演进和技术发展白皮书。它所阐述的5G-Advanced网络技术发展理念和关键技术涵盖了融合、使能和智慧。同年12月，面向5G国际标准增强版本R18的网络系统架构方面的28项课题在3GPP第94次全会上立项，5.5G标准化正式开始。5.5G相对于5G的改进体现在以下4个方面。（1）家庭接入宽带从1Gbps提升到10Gbps，提升了家庭宽带用户体验。（2）网络能力向工业级提升，时延进一步下降至微秒级，网络可用性从99.99%优化至99.9999%，为电网高频调度提供更高的可靠性。（3）从光通信提升到光感知，实现对振动、应力和温度的感知，并且精准度达到米级。（4）利用光技术的低能耗特性将网络效能提升10倍。6G将迈向太赫兹通信，提供更大的容量和更低的时延，支持1μs甚至是亚微秒的延迟通信。6G的传输能力将比5G提升100倍，拓展功能范围，打造一个集地面、卫星、海洋通信为一体的全连接通信世界，沙漠、无人区、海洋等目前无法覆盖的盲区将有可能在6G时代实现信号覆盖。6G通信支持5种应用场景，即eMBB-Plus（增强移动宽带Plus）、安全的超高可靠低时延通信（SURLLC）、大通信（BigCom）、三维集成通信（3DInternet）、非常规的数据通信（UCDC），如图1-4所示。\h［2］图1-46G应用场景第二节5G关键技术科技的进步引领产业的变革。移动通信技术由4G向5G的转变，不仅使人们生活面貌发生变化，也正在创造一场产业革命。相较于4G，5G呈现出三大特点。第一，联网设备总数增大。从理论上看，在联网设备的数量方面，5G网络约为4G网络的100倍，实现了联网设备数量的几何倍数增长。第二，传输速率提升。从理论上看，5G网络不仅在传输速率方面实现了相对于4G网络的10倍提升，而且解决了丢包率高、信息失真等问题。第三，功耗降低。大规模物联网的应用提高了设备功耗，降低了用户体验。而5G有效地降低了功耗，并在普及物联网的同时保证了用户体验和降低了成本。5G网络的这些优势离不开5G关键技术在背后的支撑。一、网络切片网络切片把用户的个性化业务需求变成了现实。在虚拟化技术的支持下，网络切片把物理网络“切割”为数个专用虚拟网络，后者定制剪裁网络功能，编排管理相应的网络资源，灵活使用不同的网络应用场景，最终实现满足用户个性化业务需求的目的。网络切片使5G网络实现了对传统网络的突破，通过灵活组合网络资源，能够实现按需定制差异化服务。可以说，网络切片连接了业务场景、网络功能和基础设施平台，提供了不同业务场景所匹配的网络功能。一个网络切片要经历创建、管理和撤销三个阶段，网络切片创建过程如图1-5所示。\h［4］图1-5网络切片创建过程网络切片创建、管理和撤销的完整步骤如下。第一步，业务需求方向网络运营商提出场景需求。第二步，网络运营商收到场景需求，从模板库中调用网络切片模板后，导入服务引擎，并解析模板。第三步，服务引擎向资源平面发出网络资源申请，申请通过后，在申请到的资源上完成虚拟网络功能，以及接口的实例化与服务编排，将切片转入运行状态。第四步，业务下线，撤销和回收资源。研究网络切片的主要是3GPP和ETSI（欧洲电信标准组织）NFV（网络功能虚拟化）产业组，这两家机构有各自的研究重点。3GPP致力于网络切片对网络功能的影响，而ETSINFV产业组的研究工作则主要集中在虚拟网络资源生命周期管理方面。当前，通用硬件性能和虚拟化平台稳定性制约着网络切片技术的发展。二、5G网络架构的关键技术5G完成了技术方面的新突破，在超密集部署、虚拟化，以及控制与转发分离的SDN（软件定义网络）架构、内容分发网络、绿色通信等更灵活、更智能的网络架构和组网技术的支持下，其业务支撑能力得到了进一步提升。\h［4］网络虚拟化技术带来了三个优势：一是最大限度地优化网络资源配置；二是开发最佳网络管理系统；三是为运营商降低运营成本。在网络虚拟化技术的支持下，硬件平台统一，系统的管理、维护、扩容和升级更加便利。在这样的条件下，运营商不仅可以更好地兼容多种标准，而且可以解决网络中不同地区、不同业务“潮汐效应”带来的问题。因此，5G网络的使用效率更高。目前的网络虚拟化技术主要采取网络覆盖虚拟化、数据中心服务器虚拟化两条路线。●网络覆盖虚拟化：此时RRU（远端射频单元）不再固定地属于哪个BBU（室内基带处理单元），用户也不再关心使用的是哪种接入技术（2G、3G、LTE、Wi-Fi等），即小区虚拟化。●数据中心服务器虚拟化：后台服务器组成专用虚拟物联网、虚拟OTT（互联网公司越过运营商，发展基于开放互联网的各种视频及数据服务业务）网、虚拟运营商等。当前技术条件下，提供的虚拟化主流解决方案有三个：第一个方案是SDN；第二个方案是NFV；第三个方案是云计算。SDN细分为三层：转发层、控制层和应用层。控制层与转发层相互分离，但可以编程，如图1-6所示。\h［4］图1-6SDN网络架构示意图转发层涵盖所有的网络设备。SDN网络架构与传统网络架构的区别在于，网络交换设备的网络控制功能被转交给了控制层。SDN控制器（图1-6中的SDN控制软件）的南向接口把网络基础设施与控制层连接起来。控制层的多个控制器负责实现整个网络的所有控制功能。网络管理和应用开发人员使用应用层的应用编程接口（API）完成路由管理、接入控制、带宽分配等，避免了手工操作导致的配置错误。虽然处于试运行阶段的SDN网络架构协议还没有进一步放开，但是运营商已经在核心技术实验应用中实现了初步商业化。\h［4］NFV改变了网元功能形态。这样原本封闭设备中的网络功能就被统一承载在虚拟化平台之上，使冲破电信设备的“黑盒子”模式成为可能。虚拟化的网络资源即插即用，根据需求在移动网络的任何一个位置部署或者卸载。这种方式所带来的更高的网络灵活性和可扩展性能够满足移动网络不同区域、不同时间、不同场景的差异性需求。工业化标准的服务器、存储和交换设备替代了专用硬件设备，降低了成本。组网运维成本随着设备成本的降低而变得更低。因此，低成本和高网络灵活性构成了NFV的两大核心优势。NFV和SDN高度互补，彼此独立。它们的结合可以获得更好的效果，为未来网络创新提供巨大推动力。此外，它们也都充分利用了标准化硬件设备。云计算技术已经在互联网领域使用成熟。欧美国家在云计算的发展模式中选取了按需计费。云计算不仅提升了资源传输效率，而且优化了资源配置。这是因为云计算通过虚拟化的资源配置实现了远程访问的个性化定制。由于互联网技术的发展，5G网络架构提供了一个更加开放且兼容互联网发展的平台，克服了传统网络架构的一个弊端——运营商平台彼此独立，实现了平台之间的资源共享，提升了资源传输与整合的效率，解决了资源配置浪费的问题，降低了成本。SDN、NFV和云计算堪比5G网络架构的点、线、面。SDN快速整合信息，NFV实现管控分离，云计算优化整合资源，按需调配网络资源。点、线、面的协调配合能够有效提升网络传输质量，妥善应对客户需求多样化背景下网络架构面临的挑战。内容分发网络旨在解决互联网访问质量问题。内容分发网络解决了互联网拥挤、用户访问网站响应速度慢等问题。问题的解决得益于缓存服务器。首先，缓存服务器的部署要选择用户访问相对集中的地区或网络。其次，汇总网络流量和各节点的连接、负载状况，以及缓存服务器到用户的距离和响应时间等，并进行分析。最后，根据分析结果，在就近原则的指导下把用户需求重新导向服务节点，取得所需的内容。在物联网飞速发展和高清视频普及的背景下，移动数据业务需求持续增长，内容分发网络必将是5G网络的首选。绿色通信的目的是高效利用频谱资源、降低功率、减少污染物、节约能源。频谱资源本就紧张、稀缺，而频段划分又带来了极大的浪费。因此，动态检测闲置频谱资源，进行灵活使用，不断研究抗干扰技术，能够实现频谱资源利用率的提升。此外，基站耗电量在蜂窝网络设备中占的比例较大，因此降低基站的能耗对移动网络节能具有重大意义。由于移动网络的“潮汐效应”，如果为满足最大负荷而设置相同的功率，就会造成严重的资源浪费。在这样的情况下，根据用户终端和网络上报的参数配置，动态调整发射功率和迁移用户，能够最大限度地降低能耗。三、超密集组网\h［4］超密集组网是一种通过增加更密集的无线网络基础设施（如基站等）来进行无线网络组网的方式。大容量场景对峰值速率、流量密度和用户体验速率提出了很高的要求。这必然使高频段5G网络的基站间距进一步缩小。各种频谱资源的利用、灵活多样的无线接入技术和多种类型的基站将构成宏微异构的超密集组网架构。大容量场景是超密集组网的典型应用场景，如办公区、住宅密集区、商业中心、校园、体育馆、交通枢纽等。基站的超密集组网带来了许多问题：系统成本与能耗有所增加；系统干扰增大；移动信令负荷加剧等。组网基站类型的差异为超密集组网部署提供了一种分类方法，这种分类方法就是把超密集组网分为宏基站+微基站组网模式和微基站+微基站组网模式。四、大规模MIMO技术大规模MIMO技术是5G移动通信网络的一项重要技术，能够有效提高频谱效率。大规模MIMO技术也被称为大型天线，这是因为它在4G技术的基础上增加了8根天线。增加的这8根天线能够使用成百上千根服务天线，实现基站的多个用户在同一时间进行即时通信。在这8根天线的支持下，信号能量传输和接收被整合在较小的空间中，在调度大量用户终端的情形下，就能提高吞吐量和能源效率。大规模MIMO技术在实践中表现出了部件成本低、功耗低的特点。这进一步降低了延迟，解决了许多问题，获得了广泛应用。但是大规模MIMO技术存在如何深度融合大量低成本低精度部件、如何合理调配终端内新加入的资源、如何开发额外天线和提供服务、如何降低内部功耗等现实问题。这些现实问题制约着大规模MIMO技术的发展。五、新型信道编码调制技术信道编码调制技术对于数字通信系统而言是一项必不可少的技术。5G的三大应用场景对移动网络性能参数优化提出了不同的需求。eMBB对峰值速率、灵活性、编/解码复杂度、时延和HARQ（混合自动重传请求）等功能有较高的要求。URLLC不仅要求高可靠、低时延传输，还要求误块率达到10-6～10-5数量级。mMTC要求用户终端电池支持15年寿命。然而，依靠传统的编码方案并不能满足三大应用场景提出的新需求。在这种情况下，LDPC编码方案被确定为eMBB场景下数据信道的编码方案。LDPC编码步骤如下。第一步，为来自MAC层的传输块（TransportBlock，TB）添加循环冗余校验比特（TB-CRC），该步骤在物理层完成。第二步，进行码块分段，如果出现被分割为多个编码块（CodeBlock，CB）的情况，那么每个CB都要添加基于CB的循环冗余校验比特（CB-CRC）。第三步，进行码块LDPC编码，并且要根据冗余版本信息进行速率匹配。\h［4］第四步，进行码块内比特交织与码块级联操作。LDPC编码流程如图1-7所示。\h［4］图1-7LDPC编码流程Polar编码方案被确定为eMBB场景下控制信道和物理广播信道的编码方案。该编码方案由土耳其毕尔肯大学教授ErdalArikan于2008年提出。理论上，该方案是可以达到香农极限的，其优势在于编码的编译性能更强，码率配置更灵活，但是译码复杂，对信道环境敏感。Polar编码流程如图1-8所示。\h［4］图1-8Polar编码流程六、新型多址接入技术\h［4］新型多址接入技术允许通过在功率和码域中复用用户来使频谱超载，导致非正交接入，同时服务的用户的数量不再被正交资源的数量限定。新型多址接入技术存在三个候选方案，这三个方案分别是非正交多址、稀疏码多址和交织分多址。非正交多址的基本原理在于，在功率域实现多个用户在相同资源上的复用，SIC（串行干扰消除）接收机负责在接收端剥离出多路复用的用户。\h［4］稀疏码多址就是非正交码和功率域复用方案。在该方案下，下行或上行链路中的数据流或用户被复用在相同的时间/频率资源上。交织分多址的目的是，实现异步通信中码分多址系统性能的提高。交织分多址是依据交织器区分用户的多址技术，具有较强的抗多址干扰的能力，并且可以复用时域、频域和码域的资源，频谱利用率较高，在5G系统设计中具有重要作用。七、同时同频全双工技术4G的双工技术，也被称为半双工，因为4G的双工分为时分双工和频分双工，在时域或频域分别划定特定的时隙或频段，以实现上/下行通信。它也有一个不足——资源利用率不高。5G采用的同时同频全双工技术在理论上能够把时域或频域的利用率提高1倍。同时同频全双工技术的核心是干扰的一致，也就是说，接收端要采取合理措施抑制自己发射的同时同频信号的自干扰。目前，这个问题的解决方法有三种：第一种是空间域自干扰抑制方法；第二种是射频域自干扰抑制方法；第三种是数字域自干扰抑制方法。空间域自干扰抑制方法有很多，主要包括定向天线法、交叉极化法、天线隔离法、天线凋零法。射频域自干扰抑制方法要求先重建自干扰信号的反相信号，然后在接收通道中将反相信号与接收到的混合信号叠加，最后抑制自干扰信号。数字域自干扰抑制方法借助发送端基带数字信号，过滤消除接收端基带数字信号中的自干扰。这三种方法通常结合使用，因为单独使用任意一种干扰抑制方法，抑制效果均不佳。八、毫米波通信毫米波是电磁波的一种，波长为1～10mm。得益于它特殊的波长范围——微波与远红外波相重叠的波长范围，所以兼有二者的特点。毫米波通信指使用毫米波作为载体进行通信。从分类方面来看，毫米波通信可以划分为毫米波波导通信和毫米波无线电通信。毫米波通信具有多重优势。（1）带宽极宽、通信容量大。毫米波通信的4个“大气窗口”，即衰减最小的38GHz、94GHz、140GHz和230GHz4个频段，有效带宽分别达到了16GHz、23GHz、26GHz和70GHz。因此，毫米波通信的可用带宽要优于微波通信。在频率复用技术的支持下，毫米波通信的容量将进一步扩大。因此，毫米波通信十分适合高速宽带视频信息传输等综合业务。（2）安全性强。毫米波的特点决定毫米波通信是一种安全的通信方式。毫米波在大气中衰减大，使点对点通信距离短。但好处就是，增加了窃听和干扰的难度，增强了安全性。（3）传输质量高。毫米波通信频段高，几乎没有什么干扰源，电磁频谱十分纯净。因此，毫米波通信的信道可靠性极高，使误码率持续保持在10-12～10-10范围内，传输质量基本达到了光缆的水平。（4）保证全天候通信。与大气激光通信、红外线通信相比，毫米波通信在传输容量、质量和安全性方面没有表现出明显的差距。此外，毫米波的穿透力更加强大，能够保证降雨、沙尘和烟雾等不利条件下的持续可靠通信，赋予毫米波通信优异的全天候通信能力。九、D2D通信\h［4］D2D通信通常是指两个地理位置相对较近的终端，在没有接入点或基站的情况下，借助蜂窝网络资源，建立直接链路，进行数据传输的技术。实质上，D2D通信是一种设备间通信，主要用来提高用户使用质量和用户体验。发展到今天，D2D通信已经从最初的通过基站协调来建立通信，发展为不必经过基站就可以建立通信。目前有关机构正在研究以D2D设备作为中继，使不在基站覆盖范围内的设备也能够接入蜂窝网络。每条D2D通信链路所占用的资源都等同于一条蜂窝通信链路所占用的资源。将D2D通信应用在移动通信中后，资源利用率和网络容量将得到提高。D2D通信在蜂窝网络中的应用模型如图1-9所示，BS代表小区中心基站，UEi代表小区内用户。其中，用户UE1与基站通信，而另外两个相邻的用户UE2和UE3在基站的协调下，建立了通信，这就是一条D2D通信链路。\h［4］图1-9D2D通信在蜂窝网络中的应用模型在实际应用中，基站无法掌握小区内用户之间通信链路的信道信息，因此没有根据用户之间的信道信息直接进行资源调度的可能性。在没有资源调度的条件下，D2D通信用户可能被分配到的信道资源是不确定的，极可能被分配到与正在通信的蜂窝用户相互正交的信道，也有可能被分配到与正在通信的蜂窝用户相同的信道。这两种信道资源并非完全相同，区别在于后者会对蜂窝链路中的接收端造成干扰，而前者则不会。因此，在通信负载较小的网络中，D2D通信能被分配到多余的正交资源，所提供的网络总体性能也更好。通信业务对频率带宽提出的要求越来越高，给本就有限的蜂窝网络资源带来越来越大的压力。D2D通信在蜂窝网络中的应用，能够实现非正交资源共享，提高网络的资源利用率，从而解决蜂窝网络资源紧张的问题。D2D通信可以按照不同的方式进行分类。按照蜂窝网络覆盖范围大小划分：无蜂窝网络覆盖、部分蜂窝网络覆盖、完全蜂窝网络覆盖。按照接收端和发送端位置关系划分：发送端和接收端均处于室内；发送端和接收端均处于室外；发送端处于室内（外），接收端处于室外（内）。3GPP提出了一种中继模式的D2D通信。这种中继模式的目的是，改善小区边缘用户的通信质量，扩大网络的覆盖范围。具体方法是，中继模式的D2D通信借助单跳或者多跳的方式，连接无网络覆盖或者处在小区边缘的用户与信号质量好的用户，这样小区外用户就被纳入了网络，边缘用户的信号也得到了加强。第三节5G网络架构移动通信系统的整体网络架构在不断演进，从1G到2G，网络从简单的端局交换机模式演进为基站—基站控制器—移动交换机。3G网络架构在2G的基础上起步，分组域基本继承了2G的模式，电路域采用了控制承载分离、控制集中化、承载分布化的形态。4G网络架构放弃了传统电路域，只考虑了分组域的演进，采用了EPS（演进分组系统），EPS整体网络架构如图1-10所示。\h［5］图1-10EPS整体网络架构图1-10中，UTRAN为通用电信无线接入网；GERAN为全球移动通信系统边缘无线接入网；SGSN为GSM/GPRS/EDGE网络核心网的网元；HSS为归属用户服务器，负责管理用户的签约数据及移动用户的位置信息；MME为移动性管理实体，用于处理信令；UE为用户终端；LTE-Uu为长期演进技术的空中接口（实现终端与演进的通用电信无线接入网之间的通信）；E-UTRAN为演进的通用电信无线接入网；S1-U为基站（eNodeB，是E-UTRAN核心）与服务网关（SGW）之间的通信接口，-U表示用户数据部分；SGW为服务网关，用于处理业务流；PGW为分组数据网网关；PCRF为策略和计费规则功能；IMS为IP多媒体子系统；PSS为主同步信号；S1-MME为承担基站与核心网之间控制信令的接口；S3为SGSN与MME之间的接口，用于实现在3GPP网间进行交互，采用GTP-C协议，下层为UDP（用户数据报协议）；S4为SGSN与SGW之间的接口，提供GPRS网与SGW之间的相关控制和移动性管理功能；S5为SGW与PGW之间的接口，可以分为控制面和用户面；S6a为HSS与MME之间的接口，用于完成用户接入认证、插入用户签约数据、对用户接入PDN（公用数据网）进行授权，以及与非SGPP系统互联时对用户的移动性管理消息的认证等功能；S10为MME之间的控制面接口，完成MME再分布和MME之间信息的传输；S11为MME与SGW之间的接口，用于传输承载控制与会话控制等信息；S12为UTRAN与SGW之间的用户面接口；Gx为PCRF与PCEF之间的接口，PCEF在PGW中，提供QoS准则和计费标准的传输功能；SGi为PGW与分组数据网络之间的接口，包括IMS核心网、外部公共或私人数据网，类似于Gi接口；Rx为PCRF与AF（应用功能）之间的接口，AF位于业务平台。如图1-10所示，4G网络架构中，核心网控制面没有与数据实现完全分离。4G网络架构的控制功能相对集中，带来的主要局限性如下。（1）数据功能集中在PGW，性能要求更高，容易限制网络吞吐量。（2）所有数据流都必须通过PGW，网络内部新内容应用服务的部署困难。（3）控制面与数据面的扩容必须同步，控制设备更新周期被缩短，设备成本增加。（4）用户的业务特征识别困难，难以进行精细灵活的数据流路由控制。（5）SGW、PGW过度集中了控制功能，造成PGW设备极为复杂、可扩展性弱。（6）运营商无法进行网络设备的功能整合，灵活性差。5G业务种类更加丰富，对网络能力的要求更加多样化，不仅要求新的无线接入技术，而且要求全新的网络架构，提供足够的灵活性和可扩展性，以适应业务的发展。一、欧洲的5G网络架构欧洲的5G网络架构源于欧盟第七框架计划下的构建2020年信息社会的无线移动通信领域关键技术（MobileandWirelessCommunicationsEnablersfortheTwenty-TwentyInformationSociety，METIS）项目。该项目发布了一份5G架构报告，该报告从功能架构、逻辑编排和控制架构、拓扑和功能部署架构方面阐述了5G网络架构。（一）功能架构METIS项目的5G系统包括中心管理实体（CentralManagementEntity，CME）、无线节点管理（RadioNodeManagement，RNM）、空中接口（AirInterface，AI）和可靠业务构件4个高层构件，从宏观的角度构建了系统功能，如图1-11所示。\h［5］图1-11METIS5G系统高层构件中心管理实体包含网络的主要功能，既可以位于中心站点，也可以根据用例或业务进行分布式部署。无线节点管理包括提供无线功能的构件，这些功能放在中间网络层（有特定任务的专用无线节点），分布受接口需求的影响。空中接口主要位于较低的网络层，如终端、天线站点或CloudRAN（云无线接入网）站点。可靠业务构件代表一个无线接入网中心实体，与其他高层构件都有接口，用于做可靠性检查，以及提供超可靠连接。中心管理实体、无线节点管理和空中接口还分别包括多个子功能构件，如图1-12所示。\h［5］图1-12METIS5G系统完整构件图1-12中，UDN为超密集组网，URC为主动结果码，RAT为无线电接入技术，RRM为无线资源管理，MMC为多媒体卡，M2M为机器到机器通信，MN为主基站或锚点站。（二）逻辑编排和控制架构逻辑编排和控制架构采用了SDN、NFV及其扩展的未来机构技术趋势，如图1-13所示。\h［5］图1-13METIS5G系统逻辑编排和控制架构业务流管理的任务是，通过网络基础结构分析服务并总结目标业务数据流的要求，随后与5G编排器和5G-SDN控制器通信，两者负责在最终功能部署中实现所需功能。这种架构使依据需求定制虚拟网络成为可能，虚拟网络使用共享资源池且允许控制面与用户面的有效业务自适应解耦，优化整个业务传送链上的路由和移动性管理。5G编排器的灵活部署和构建可以实现网络功能，任务是绘制数据面和控制面到部署架构中物理资源间的逻辑拓扑，为每个服务绘制相应的逻辑拓扑。METIS5G系统逻辑编排和控制架构同时控制NFV与非NFV（运行在依靠硬件加速器的非虚拟化平台上的网络功能），覆盖了无线、核心和业务层等所有5G网络功能，增加了特定的拓展功能。无线网络实体（RNE）与核心网络实体（CNE）是逻辑编排和控制架构中的逻辑节点，能够借助不同的软件和硬件（虚拟化和非虚拟化的）平台实现。不同RNE之间的通信存在灵活的协议和空中接口。灵活的协议是指一些协议的功能可以根据目标业务在有关用例场景下的需求进行配置或替换。此外，协议还允许进行灵活的设计，支持空中接口针对不同5G用例场景的可配置性。（三）拓扑和功能部署架构影响功能部署的重要功能需求包括接口和处理时延、时间同步、接口的带宽要求、处理业务的拓展。重要的网络拓扑包括可用的传输网（光纤、无线回传网络等）、不同站点的位置及这些站点的设备。由于5G网络应满足不同的功能需求、不同的网络拓扑和特殊应用需求，因此策划新网络服务时，功能结构应能够立即支持灵活的功能部署。与无线接口相关的网络功能分为同步和异步网络功能。同步，即无线网络功能的处理与无线接口时间同步。同步无线网络可以分为两个部分：一是同步无线控制层功能，包括调度、链路自适应、功率控制和干扰协调等；二是同步无线用户层功能，包括重传/混合自动重传、编码/调制、分段/串接无线帧等。异步，即无线网络功能的处理与无线接口时间异步。异步无线网络同样也可以分为两个部分：一是异步无线控制层功能，包括蜂窝间切换、无线接入技术选择等；二是异步无线用户层功能，包括加密、用户层聚合等。核心网络功能也由两个部分组成：一是核心网络控制层功能，包括认证、环境管理和IP地址分配等；二是核心网络用户层功能，包括数据分组过滤、IP地址锚定等。METIS包括多种部署组合。（1）典型的LTE，无线网络功能分布在eNB（演进节点），核心位于中心站点，优势是支持回程传输，但是不支持多蜂窝共同处理。（2）云无线接入网，无线网络功能分布在媒介网络层，核心位于中心站点，优势是拥有紧密的协调功能，具有更高的灵活性，不足在于需要高带宽，以及对于前传链路（接入天线站点）的时延需要考虑规模如何适应无线带宽和天线数量的增加。（3）分布式用户层核心网络功能，即接入、媒介网络层，优势是支持极低的时延，并且可以处理路由本地流量。（4）集中化异步无线控制层和用户层，优势是只需要简单的无线节点。云无线接入网的整个基带处理都是集中化的，与之相比，集中化异步无线控制层和用户层的优势在于更低的传输速率和时延需求。（5）分配所有的无线电和核心网络功能，优势是支持一个完整网络的独立部署，而不需要核心节点，还可以在一定程度上增强网络弹性。不足在于协作相关的特性依赖于节点间的接口来实现。二、日本的5G架构2014年10月8日，日本ARIB（无线工业及商贸联合会）发布了5G白皮书，即MobileCommunicationsSystemsfor2020andBeyond。该白皮书阐述了一种5G概念架构，如图1-14所示。\h［5］图1-14ARIB5G概念架构ARIB提出的5G概念架构是一种基于SDN的三层5G网络概念架构。第一层包含应用与服务，各种类型的服务都可以传输至个人用户、企业用户和移动通信基础网络运营商。第二层是网络控制平台，面向第一层的各类移动通信应用，执行面向应用系统的网络控制功能，同时为下一层的移动通信网提供相关服务。由于网络控制编程在软件定义的基础上是可配置的，因此网络控制平台具有自动化、动态化、灵活化、智能化和可扩展的网络操作优势。第三层是移动通信网，主要为移动通信核心网和无线接入网提供端到端数据传输支持。该白皮书还给出了一个5G网络架构设计实例，如图1-15所示。如5G概念架构所述，第一层代表应用与服务域，包括网络运维支持（流量管理支持、网络管理支持、签约支持等）、可靠数据提供（物联网、内容分发、应急通信等）和多媒体业务的多种应用。第二层代表一个由多个网络控制软件模块组成的网络控制平台，包括接入控制、回传控制、路由控制、传输网控制和核心网传输控制等模块。平台向第三层的用户面模块发送控制指令，同时向第一层的应用与服务域发送与网络相关的管理指令。\h［5］图1-15ARIB5G网络概念模型示意图第三层代表移动通信网基础设施，通过从物理层到传输层范围内的数据处理实现端到端的数据传输。无线接入网（RAN）和核心网（CN）控制面的一系列协议对用户面的数据处理进行控制。如图1-15所示，在ARIB提出的5G网络概念模型中移动通信网包括用户终端（用户和设备）、无线接入网、回传网、传输网和核心网。其中，用户终端、无线接入网和回传网与接入技术相关，SGW、PGW/SGSN（服务GPRS支持节点）等虚拟化的EPC（演进分组核心网）和IMS（IP多媒体子系统）网元可以作为核心网虚拟网元。三、韩国的5G架构2015年3月，韩国5GForum公布了白皮书5GVision，RequirementsandEnablingTechnologiesV.1.0，阐述了5G核心网架构，如图1-16所示。5GForum5G核心网架构的关键点如下。（1）核心网同时支持有线接入和无线接入。（2）控制面与数据面相分离，而且在虚拟环境下实现。（3）只有一级的扁平化、全分散网络架构。（4）5G网关间接口支持无缝移动。（5）同一个业务流的传输可以通过多个RAT实现。（6）位于基站的内容缓存和位于网关的内容/业务缓存可以支持低时延业务。\h［5］图1-165G核心网架构注：数据平面、控制平面指的是5G网络采用的基于功能平面的框架设计。将传统的与网元绑定的网络功能进行抽离和重组，重新划分为3个功能平面：接入平面、控制平面和数据平面。也就是说，抽离的控制功能、数据功能分别被整合形成了控制平面、数据平面。控制面和数据面指的是传统网元所绑定的控制功能和数据功能。在该5G核心网架构中，核心网同时支持有线接入和无线接入，业务在有线接入网和无线接入网之间可以自由移动，有线业务和无线业务在性能方面的差异不再显著。HDTV（高清电视）、PC（个人计算机）和家庭Wi-FiApp等有线终端连接到5G网关，实现对有线终端和无线终端之间无缝切换的支持。无线接入网则可以直接连接宏基站或5G网关。宏基站、小基站和2型WLAN（无线局域网）都连接到5G网关，中继站则和1型WLAN连接到宏基站。1型WLAN和2型WLAN分别连接到宏基站和5G网关。控制面与数据面相分离，而且在虚拟环境下实现，为在不改动物理网络基础设施的条件下，实现更多更丰富的应用和业务提供了可能。在数据面，由宏基站或者5G网关控制无缝移动。在同一个宏基站下，中继站和1型WLAN之间的移动由宏基站控制。5G网关或者宏基站控制宏基站、小基站、2型WLAN、有线接入网之间的移动，而层一/层二转发由宏基站和小基站负责，层三转发由5G网关完成。同一个业务流可以通过多个RAT进行传输，而且支持端到端级、网关级和基站级的多流。5G核心网控制面在虚拟环境下予以实现。虚拟逻辑网关包含网关控制功能，控制多个网关数据面交换机。控制面之下涵盖两大功能模块：一是无线资源信息功能模块，用来在所有可能的无线接入网中选择最佳可用的无线接入网，包括监视多个RAT的无线资源情况、基于信道条件的宏基站-中继站拓扑等；二是用来跟踪用户终端位置并识别该位置上的最佳可用的无线接入网的地理位置信息模块。四、北美的5G架构无线电行业贸易协会4GAmericas公布的白皮书4GAmericas'Recommendationson5GRequirementsandSolutions中并没有关于5G网络架构的明确阐述，而是描绘了一种端到端5G生态系统架构，如图1-17所示。\h［5］图1-174GAmericas端到端5G生态系统架构示意图根据该架构，5G系统设计需要考虑的关键因素如下。（1）在设备方面，包括新调制解调技术、上下文感知组网技术、终端直通技术。（2）在无线接入网方面，包括高级干扰管理技术、大规模MIMO技术、安全技术、新调制解调技术、毫米波技术。（3）在核心网方面，包括网络功能虚拟化技术、安全技术、物联网技术、泛在存储和计算技术。（4）在应用服务方面，包括安全技术、上下文感知组网技术、物联网技术、终端直通技术。（5）在无线接入网和核心网边界，包括云无线接入网技术、灵活组网技术、物联网技术。（6）在核心网和应用服务边界，包括物联网技术、云计算技术。（7）在法律法规方面，包括频谱划分、合法监听、频谱共享、紧急服务、弹性。该白皮书提出了讨论5G系统时应遵守的原则：5G移动通信系统研发对美洲各国至关重要，其发展必须着眼整个生态系统，且在全球统一框架内进行协调，为技术进步、可行性研究、标准化和产品研发提供充足的时间。5G移动通信系统规划要考虑所有的主要技术驱动力，在正式商用部署之前，要尽可能收回4G投资。这些原则还建议不要陷入对5G移动通信系统定义的争论。五、中国的5G架构中国IMT-2020（5G）推进组涵盖了产学研力量，吸纳了国内主要运营商、设备制造商、高校和科研机构。2015年2月，中国IMT-2020（5G）推进组提出了5G网络概念架构，即“三朵云”概念架构，如图1-18所示。图1-18中，PDN为公用数据网，MANO为管理和网络编排，MEC为移动边缘计算，HEW为高效率无线标准，pico为一种微基站，macro为宏，Multihop为多跳。\h［6］图1-18“三朵云”5G网络总体逻辑架构所谓“三朵云”就是接入云、控制云和转发云三个逻辑域，分别负责接入融合、全局控制、汇聚转发职能。“三朵云”协同配合，构建了一个灵活部署的融合网络，满足了各种业务场景的需要。（一）控制云控制云通过管理模块完成所有的控制功能。这些管理模块涵盖无线资源管理模块、策略控制模块、路径管理模块、移动性管理模块、信息管理模块、传统网元适配模块等。上述模块负责移动通信的过程和业务控制、策略控制、会话管理、移动性管理、策略管理、信息管理等。此外，控制云还支持能力开放。（二）接入云接入云是一个网络，具有多拓扑形态、多层次类型、动态变化的特点。它可以进行集中式、分布式和分层式部署，以满足不同的业务场景需求。它所采用的无线接入技术实现了高速率接入和无缝切换，改善和提升了用户体验。接入云离不开新型无线接入技术、灵活资源协同管理、跨制式系统深度融合，以及无线网络虚拟化、边缘计算与无线能力开放的支持。新型无线接入技术包括大规模天线阵列、新型多址技术、全频谱接入等。灵活资源协同管理就是在集中控制模块的支持下，建立快速、灵活、高效的协同机制，兼容各种无线接入系统，最终实现移动网络资源的高效利用。（三）转发云5G网络采取了核心网控制面与数据面彻底分离的做法。因此，转发云完成了所有数据流的高速转发与处理。得益于对传统网络中业务使能网元链状部署的突破，转发云对业务使能网元与转发网元进行了网状部署。控制功能由控制云的路径管理模块实施。传统网络如果要改善业务链，就需要在网络中增加额外的业务链控制功能或者增强控制网元。5G网络与之不同，它能够从业务需求出发，采用软件定义业务流转发路径，灵活地选取转发网元与业务使能网元。此外，转发云能够有效降低业务/传播时延，提供极致的用户体验。一方面，转发云根据控制云下发的缓存策略进行热点内容的缓存。另一方面，转发云提高数据处理和转发效率，对时延要求严格的事件进行本地处理，避免转发云上报网络状态信息后，由控制云进行集中优化控制而带来的传播时延。第四节5G商用部署2018年，世界各国先后开始了5G商用部署。2022年6月，5GR17标准在3GPPRAN第96次会议上被冻结，5G标准的第二个演进版本正式完成，加速了全球5G商用部署。5G商用部署的一个特点是，亚太地区走在了世界前列。2018年12月1日，韩国三大电信运营商宣布了开启5G商用服务。亚太地区率先拉开了全球5G商用部署的序幕，全球加速迈向5G时代。截至2022年10月底，全球已有88个国家/地区的233家电信运营商宣称开始提供5G服务，建成了43张5G独立组网网络，全球27.6%的人口被5G网络覆盖，其中欧洲、美洲、亚洲和大洋洲的41个国家/地区的5G网络人口覆盖率已经超过了50%。截至2022年年底，5G网络覆盖的人口进一步增加，占全球总人口的三分之一。一、中国的5G部署2018年下半年，中国移动、中国联通和中国电信开始了5G商用试验，以更大规模的组网测试持续优化产品性能，积累了商用部署经验，打下了5G正式商用部署的基础。2019年6月，中国移动、中国联通、中国电信和中国广电获得5G商用牌照，我国的5G商用部署拉开了帷幕。中国移动在2019年新建了5万余个5G基站，覆盖的城市超过了50个，2020年扩大到了全国所有地级以上城市的城区。中国联通提出了“7+33+n”计划：在北京、上海、广州、深圳、南京、杭州和雄安7个城市（区域）实现城区连续覆盖，在福州、厦门等33个城市实现热点区域覆盖，在n个城市定制5G网中专网。中国广电于2022年6月27日宣布启动5G网络服务，20个省（区、市）成为首批试商用地区；2022年7月27日，新增9个省（区、市）；2022年9月27日，在西藏、青海两地启动5G网络服务，全国除香港、澳门、台湾以外的31个省（区、市）均开通了中国广电的5G网络服务，中国广电的5G商用体系打造完成。截至2023年4月，中国广电已经建设完成68万个700MHz基站，距离基本实现31个省（区、市）5G网络服务全覆盖所需要的100万个基站的目标更进一步。2023年6月，中国广电5G网络试运行和商用验证1周年，5G用户规模达到了1320万户，物联网用户规模达到了150万户。我国全力推进5G商用部署，5G的规模化应用正在稳步推动。截至2023年6月，工业和信息化部连续举办了5届“绽放杯”5G应用征集大赛，共收集了5万多个创新应用案例，挖掘出了工业、医疗、能源、教育等关键领域的一批5G典型应用。工业和信息化部还推动建立了29个特色鲜明、竞相发展的“双千兆”典型城市，推动了5G和千兆光网建设覆盖、应用普及和行业赋能。31个省（区、市）都已经出台了支持5G建设的政策文件，以市政建设同步规划、公共区域开放、电力保障、财政补贴等现实措施推动5G发展。云南省推出了支持5G基站运行企业参与电力市场化交易、取消电压等级和电量限制等现实措施。江苏省按行业、领域组织召开了全省5G融合应用现场会，总结和推广了各地5G融合应用项目建设经验和先进做法。我国5G商用部署处于全球领先行列。我国已经建成的5G独立组网网络在规模上是全球最大的，在技术上是最先进的。截至2022年10月底，全国投入使用的5G基站总数增长至225万个，超额完成了2022年年初设定的200万个的预期目标，比2021年新增了82.5万个，5G基站占移动基站总数的比重为20.9%，比2021年提升了6.6个百分点，占全球5G基站数量的70%以上。在全国地级以上城市全覆盖的基础上，5G网络完成了向全国所有县城城区和重点乡镇镇区的延伸覆盖，实现了“县县通”。以海南省为例，截至2022年3月，海南省建设5G基站近1.3万个，基站密度超过12个/万人，居全国第8位，5G信号已经覆盖了超过90%的乡镇镇区，而且已经实现了向超过1000个村庄的延伸覆盖。在“以建带用、以用促建”的发展理念指导下，海南省聚焦重点行业的5G应用融合创新，推动了一批特色5G应用项目落地。其中，“基于5G物联网的基层医疗卫生机构能力提升工程”已经覆盖了超过300个乡镇卫生院和1000多个行政村卫生室，实现了“互联网+医疗健康”向农村地区的延伸。截至2022年9月，全国5G基站密度达到15.7个/万人，是2021年同期的1.9倍，其中北京、上海、天津、浙江5G基站密度突破20个/万人。共建共享在我国5G商用部署中发挥重要作用。截至2022年8月，中国电信和中国联通已经共建共享5G基站87万个，累计节约资金超过2400亿元。中国移动和中国广电已经共建共享5G基站超过40万个。从用户规模来看，截至2022年年底，我国5G移动电话用户数量为5.24亿户，约占全国移动电话用户总数三分之一，更是占到了全球5G用户总数的60%，我国5G用户规模居全球首位。从增量来看，与2021年相比净增了1.69亿户。我国5G网络覆盖的广度和深度需要进一步提升。扩大规模依然是我国5G建设的重要任务。我国已建成的5G基站数量还不到4G基站的三分之一，还不能完全满足需求。5G覆盖还不够完善，80%的村庄直到2025年才能被5G网络覆盖，需要继续扩大覆盖人口数量。此外，截至2022年9月，我国5G基站密度为15.7个/万人，即使是5G基站密度全国领先的北京等省市也才达到20个/万人，距离工业和信息化部设定的“十四五”期间26个/万人的目标仍有较大差距。长远来看，我国5G部署前景广阔。《“十四五”信息通信行业发展规划》提出了新的建设目标，即建设完成全球规模最大的5G独立组网网络。这个网络将全面覆盖城市和乡镇，基本覆盖村庄，深度覆盖重点应用场景。未来，5G应用场景将持续拓展和丰富，进一步推广普及。“十四五”期间，制造业、采矿、港口、电力等重点行业领域的企业5G全连接工厂的建设提上日程。工业和信息化部计划建设完成1000个分类分级、特色鲜明的工厂，重点培育100个示范工厂，持续促进5G融合应用的纵深发展。二、美国的5G部署美国一直努力保持在科技领域的领先地位，在5G方面也不例外。2018年8月，美国联邦通信委员会公布了具有行业指导性的“5G快速计划”，该计划试图采取释放更多频段、加速基础设施建设和修改法律法规等举措来推动5G快速发展。2020年3月发布的《美国5G安全国家战略》强调，要加快美国5G部署。截至2021年1月，美国5G用户数量为500万～600万户。《华尔街日报》报道，截至2021年10月，美国建成5G基站10万个，占全球6.4%，位居世界第三。美国5G部署的特色是，率先在全球范围内实现了毫米波组网。美国是全球最早开始5G研究和最早进行5G商用部署的国家之一。美国两大运营商AT&T和Verizon早在2018年7月就宣布了在多个城市提供5G服务。截至2022年年底，Verizon公司已经实现了5G网络覆盖1.75亿人的既定目标，后续计划是在2024年年底5G网络人口覆盖数量达到2.5亿人。AT&T公司2022年第二季度业绩报告显示，5G用户数量超过7000万户，占总用户数量的比例超过34%。T-Mobile公司的5G用户规模发展态势较猛。该公司采用扩展范围（ExtendedRange）5G和超容量（UltraCapacity）5G两种5G网络模式。截至2022年第二季度，扩展范围5G已覆盖3.2亿人，占美国总人口的97%。超容量5G已覆盖2.35亿人。\h［7］虽然美国5G有先发优势，且仍然位居世界第一梯队，但是落在了东亚和西欧多国之后，排名相对靠后。2021年6月30日，美国无线通信和互联网协会（CTIA）委托电信分析公司AnalysisMason发布了5G商用部署排名。结果显示，虽然同处世界第一梯队，但是美国5G却落在了中国、韩国之后。在组网方式选择上，美国5G主要为非独立组网。截至2020年9月22日，美国AT&T公司已经在35个城市部署了5G+mmWave网络，它们采用的均为非独立组网。5G独立组网正在加紧开发和测试中。Verizon公司曾经计划于2020年年底部署5G独立组网，但是已经宣布延期。2021年3月底，AT&T公司和Verizon公司才宣布开始5G独立组网试点。2021年推出5G独立组网的只有TMobile公司。此外，美国5G网络速率低。2021年7月10日，SpeedCheck公布的5G下载速率显示，美国5G平均速率位列第16位，仅为43.34Mbps，而处于第一位的韩国高达449Mbps，是美国的10倍多。虽然目前美国5G部署相对落后，但是美国已经为5G未来的发展奠定了基础。预计2026年美国移动用户中5G用户的比例将上升到71%。美国5G用户数量预计将从2020年年底的1950万户到2026年年底增长至4.789亿户。三、韩国的5G部署韩国在5G部署方面处于世界领先行列。早在2012年，韩国就成立了5G论坛，在全国开启了5G技术研发。2013年，韩国公布了《未来移动通信产业发展战略》，计划在2015年实现Pre-5G技术，在2017年年底开始5G试验。2019年4月3日，韩国SKT、Kt和LGU+三家电信运营商启动了面向大众的5G网络服务。此后，韩国的5G部署比预期更快，成为首批实现5G全国覆盖的国家之一，5G网络人口覆盖率超过了90%。截至2022年8月，韩国5G用户数量达到了2453万户，占移动用户总数的32.7%。据预测，2023年年底，韩国5G用户数量将超过4G用户数量，占移动用户总数的比例也将超过50%，2027年韩国的5G用户数量将达到6190万户，占移动用户总数的比例达到77%。韩国已经在质检、医疗诊断、手术教学、救援、场内配送等场景实现了5G应用，不断推进5G应用在工业互联网、医疗救护、智慧交通、应急救援等领域的发展。韩国电信运营商还与其他企业合作，建设5G智能发电厂，研发为智能工厂服务的远程监测和故障检测等应用。四、日本的5G部署日本5G商用部署起步晚，整体相对落后。韩国早在2018年12月就启动了面向企业的5G商用服务，2019年4月3日启动了面向大众的5G商用服务，美国也在同一天启动了5G手机网络服务。中国在2019年11月开启5G服务。而日本起步比韩国晚了将近一年半，直至2020年3月才开始提供5G商用服务。2017—2019年，日本在工业应用、建筑机械远程控制、智能农业和远程医疗等领域开始了5G试验，并在2019年橄榄球世界杯期间提供了5G服务。2019年4月，NTTDoCoMo、软银、KDDI/OkinawaCellular和乐天移动4家日本电信运营商获得5G商用牌照，2020年先后开始5G商用部署，日本步入5G时代。日本的5G网络建设的短板是覆盖尚不完善。截至2020年3月，日本最大的电信运营商NTTDoCoMo在全国仅建设了500个5G基站，覆盖了150个地区用于提供5G服务；KDDI/OkinawaCellular仅在日本15个县的部分地区提供5G商业服务。日本5G市场仍具有巨大潜力，电信运营商持续加强网络建设。据预测，2026年日本5G市场规模将增长至180亿日元。日本主要电信运营商都制订了规模庞大的5G建设计划。NTTDoCoMo计划投资超过70亿美元，建设13002个基站，实现对97%人口的覆盖。KDDI/OkinawaCellular计划投入超过40亿美元，建设42863个基站，实现对93%人口的覆盖。软银计划投入超过19亿美元，建设11210个基站，实现对64%人口的覆盖。乐天移动计划投入超过18亿美元，建设23735个基站，实现对56%人口的覆盖。截至2021年，日本5G用户规模为4130万户，约占总人口的35%，其中城市用户比例高达91.9%。据预测，2027年日本5G用户规模将增加至1.06亿户，2029年扩大到1.5亿户。五、东南亚的5G部署东南亚国家积极发展5G技术，抓紧商用部署。新加坡把5G视为未来该国数字经济的支柱，抓紧5G基础设施建设。马来西亚主要围绕旅游业进行5G网络建设，2020年年初宣布投入2.35亿美元，在旅游城市兰卡威集中建设35个5G应用场景，在其他地区建设37个5G应用场景。马来西亚的主要电信运营商也在积极升级和改造通信网络，准备实施大规模的5G部署。文莱认为，5G是可持续发展创新的一个重要组成部分，为此专门成立了工作组。2019年1月，越南军队电信集团获得5G试验牌照，5月开始在河内、胡志明两个城市启动5G部署，11月在河内正式提供5G网络服务。老挝在2019年10月开始5G试验部署，一年之后开始提供5G商用服务。菲律宾于2019年6月在首都马尼拉开始提供5G服务。柬埔寨于2020年3月在首都金边建成首个5G网络。南亚的印度也在迎头赶上，抓紧部署本国5G网络。2022年10月1日，印度开始启动5G服务。根据计划，第一阶段印度将在22个城市部署5G网络。印度第二大电信运营商巴蒂电信计划在2023年12月前为全国提供5G服务。但是当前印度4G建设尚未完善，5G基站数量不足10万个，5G部署面临重大挑战。第二章卫星通信技术概述人们生活中常见的电视节目的接收、语音广播等大多是用卫星进行通信的。地面上人烟稀少的地区、远离海岸线的海面、空中、地面蜂窝移动网络坍塌灾难发生时的地区、超过地面蜂窝移动网络承受能力的人口密集区域等要想进行通信，也需要用到卫星。人们社会生活、工业、军事等特殊通信需求的增长，极大地推动了卫星通信业务及通信模式的发展创新，使当前成为卫星通信历史上最具规模、最富有活力的时期。特别是近些年以Starlink、OneWeb为代表的低轨道大规模星座的建设，以及以ViaSat-3为代表的下一代高通量通信卫星系统的建设，极大地推动了卫星互联网的建设，逐渐向构建星地融合一体化信息网络发展。第一节卫星通信基础知识一、卫星通信基本概念卫星通信是指通过地面上的两个无线电通信站进行通信，其中卫星作为两个地面站之间的中继。卫星通信系统分为空中和地面两部分设施。从技术条件和实际使用效果来看，卫星通信有开通电路快、支持多设备接入、覆盖范围大、信号稳定等优点，同时有通信延时、容易受天气影响等缺点。（一）卫星通信的优点（1）由于卫星远离地球表面，具有一定的高度，所以单星的覆盖区域面积大，在覆盖范围内，所能支持的通信距离就很长。除两极外，可采用3颗合理排列的地球同步卫星来实现全球通信。卫星电话和电视广播是利用卫星进行远距离信息传递的典型应用。（2）卫星通信主要使用电磁频谱中的微波频段进行通信，微波信号在空间传播，干扰小，可靠性高，频谱宽，可支持大容量通信。（3）卫星通信灵活性好，支持多址接入。卫星通信系统的地面设施可以机动部署，既可以安装在人迹罕至、自然条件恶劣的固定区域，也可以安装在移动的升空平台、海上船舶、地面机动车辆上。只要是在同一卫星覆盖下的地球站，都可以相互通信，支持多址接入服务。（4）卫星通信系统是一种利用电磁波进行信息传递的无线通信系统，所以它不需要进行线路架设。因此，卫星通信的成本和所支持的信息传输距离没有正相关的关系。（二）卫星通信的缺点（1）地球两极存在通信盲区。地球同步卫星无法覆盖地球两极，导致地球两极存在通信盲区。（2）作为系统中继的人造卫星距离地球表面比较远（地球同步卫星与地球表面的最大距离为40000km），电磁波从地球站到卫星再返回地面（称为一个单跳）大约需要0.27s。（3）存在日凌中断、星蚀和雨衰现象。二、卫星通信发展历程（一）卫星发展起源静止卫星通信是源自英国科幻大师克拉克的设想。他在《无线电世界》杂志上对通过设置卫星外中继进行全球覆盖的问题进行了详细论述。这为后期卫星通信系统的发展打下了根基。卫星通信经过两个阶段的发展之后，印证了克拉克的设想的科学性。1.卫星通信的试验阶段苏联继美国进行一系列失败的无源卫星通信试验（以月球、无源气球、无源铜真偶极子等为中继的试验）后，在全球范围内领先发射首颗人造地球卫星，卫星通信进入有源卫星通信试验阶段。1958年，美国经过一番研究实验，实现首颗地球低轨道卫星的成功发射升空，可以实现将A站发出的电报电话等信息延时转发给B站。1960年，美国国防部发射一颗名为“信使”的低轨道卫星进行类似延时通信试验。两年后，美国国家航空航天局再次发射低轨道卫星和中继卫星，尝试对卫星频率、姿态、通信方式等进行遥测控制和跟踪，此后开始进行同步卫星通信试验。自1963年起，美国国家航空航天局先后发射三颗Syncom卫星，最后一颗Syncom卫星进入预定设计好的似圆形地球同步轨道。这颗卫星成功完成语音数据传输试验，并且向美国转播东京奥林匹克运动会，这是第一颗试验性的静止同步卫星。从此以后，卫星通信从试验阶段进入实用阶段。2.卫星通信的实用阶段在卫星通信技术发展的同时，承担卫星通信业务和管理的组织机构逐渐完备。1964年8月20日，为联合谋取商业利益，以美国、日本为首的多个西方国家成立了一个临时的组织，这就是INTELSAT（国际通信卫星组织）的前身。INTELSAT自成立当年，成功将一颗名为“晨鸟”的卫星射入静止同步轨道，并且具备承担国际通信业务的能力。自此，卫星通信开始规模化提供商业服务。（二）我国卫星通信业务发展1.固定业务我国在20世纪的七八十年代，通过无数科学先驱的努力，成功发射了第一颗试验性质的卫星。在我国首都、西北和东南地区，分别建成了多个公用网地球站，开通了上万条卫星线路（包括国际和国内）。近年来，我国的卫星通信专业网建设发展非常快，在各个关乎国计民生的交通、银行、电力、水利等大系统构建了专用卫星通信网，卫星通信地球站（包括小型地球站）已经超过了一万个。2.卫星电视广播业务我国最早成功发射的试验通信卫星是1984年的“东方红二号”。在1984年之后，我国开始普及电视，主要通过卫星传送电视信号。截至2022年年底，中国教育电视台、北京卫视、卡酷动画、BTV纪实（北京电视台纪实频道）、天津卫视、河北卫视、内蒙古卫视、内蒙古电视台蒙古语卫视频道、西藏卫视、西藏藏语频道等多种语言广播节目已经通过卫星传送。现阶段，大量调试安装完成的地面收转站和电视专收站开始采用新的数字技术，能够为用户提供更加优质的电视画面。3.卫星移动通信业务卫星移动通信主要为可移动的终端，它利用卫星作为通信中继，建立无间断接入服务的通信业务。它可以解决移动终端在卫星覆盖范围内的任何通信建立问题，不管是在海面上，还是在陆地偏远地区、空中等。我国的