1.1 5G网络概述
从1G到4G，现有几代移动通信系统着眼于提供更快、更好的语音和数据传输服务使人与人之间互联。移动通信已经深深地改变了人们的生活，但人们对更高性能移动通信的追求从未停止。为了应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景，第五代移动通信（5G）系统应运而生。
从不同的信息交互对象角度，5G应用将涵盖三大类场景，如图1.1所示。（1）增强移动宽带（eMBB，enhanced Mobile Broad Band）：面向增强的移动互联网应用场景，5G提供更高体验速率和更大带宽的接入能力，支持解析度更高、体验更鲜活的多媒体内容；（2）海量机器类通信（mMTC，massive MachineType Communications）：面向物联网设备互联场景，5G提供更高连接密度时优化的信令控制能力，支持大规模、低成本、低能耗物联网设备的高效接入和管理；（3）超可靠低时延（uRLLC，ultra-Reliable Low-Latency Communications）：面向车联网、应急通信、工业互联网等垂直行业应用场景，5G提供低时延和高可靠的信息交互能力，支持互联实体间高度实时、高度精密和高度安全的业务协作。
图1.1 5G应用三大类场景
为了适应业务场景的差异化要求，在关键能力指标方面，除了传统的峰值速率、移动性、时延和频谱效率之外，国际电信联盟（ITU，International Telecommunication Union）还提出了用户体验速率、连接数密度、流量密度和能量效率4个新增关键能力指标，具体如图1.2所示。5G用户体验速率高至100Mbit/s，能够支持移动虚拟现实等业务；5G峰值速率可达10～20Gbit/s，流量密度可达10Mbit/s·m-2，能够支持未来千倍流量增长；5G连接数密度可达每平方千米100万个，支持海量物联网设备接入；5G传输时延降至毫秒量级，满足车联网和远程工业控制的严格要求；5G能够提供500km/h的移动速度（如高铁环境）下顺畅的用户体验；最后，为了保证对频谱和能源的有效利用，对于4G而言，5G的频谱效率提高了3～5倍，能效提升了100倍。
图1.2 5G八大关键能力与4G的对比
“4G改变生活，5G改变社会”。5G网络的部署将会掀起新一轮移动通信建设高潮，通信行业成为直接受益者，同时也会带动ICT（Information and Communication Technology）行业和其他行业（如工业制造、物联网、医疗、能源等）的快速发展。2G、3G、4G主要满足人与人之间的通信需求，5G将会实现人与人、人与机器、机器与机器之间的通信需求，使移动通信从个人通信向行业应用方向发展。5G网络不仅能给我们带来更好的带宽体验，还背负着一个重要的使命——使能垂直行业，以超高带宽、超低时延以及超大规模连接改变垂直行业核心业务的运营方式和作业模式，全面提升传统垂直行业的运营效率和决策智能化水平。
初期的5G网络与4G网络相比最大的性能提升是显著增加的带宽和超低的端到端时延。目前，比较明确的能够从这两方面特性中受益的新兴用例主要有如下几个。
（1）增强现实（AR，Augmented Reality）、混合现实（MR，Mixed Reality）和虚拟现实（VR，Virtual Reality）。
（2）移动多媒体：360°、4K/8K分辨率的演出或体育赛事直播。
（3）远程教育服务。
1．增强现实、混合现实和虚拟现实
AR、MR和VR设备被认为是即将到来的最大技术革命之一。根据ABI Research的预测，2021年全球AR智能眼镜设备将达到4800万台、VR设备将超过2亿台。
AR、MR和VR这3种现实模式各自有其独特的用例和机遇。虽然4G网络能够支撑这些现实技术的基本功能，但是一旦开启大规模商用，必将在短时间内耗尽4G LTE基础设施资源，并使用户体验变得难以接受。5G eMBB具备支撑AR、MR和VR大规模商用的能力，将会为这些技术带来新的发展机遇。
智能手机从诞生至今，其性能一直在不断提高，未来也必将发展成能够与VR/AR头盔配合使用的终端设备。例如，谷歌的Tango技术使用一种视觉定位服务（VPS，Visual Positioning Service）实现室内导航，但是目前这种服务很大程度上依赖本地Wi-Fi网络来确定其自身位置以及映射空间。5G技术能够实现更一致的信号覆盖，这将帮助VPS组合相机、蜂窝位置和GPS的信息进行更精准的空间映射和定位。
目前，VR设备的分辨率一般为1200×1080@90fps（每只眼睛）。为了提高保真度和沉浸感，业界正在积极开发4K甚至8K@90～120fps（每只眼睛）的下一代设备。设备的不断升级产生的是对无线数据传输速率的更高需求，考虑不同的数据压缩策略，下一代VR设备的视频数据带宽需求将会提高几十倍。
一般来说，AR/MR/VR设备本身的能力是有限的，通常需要依赖智能手机和可穿戴设备，如三星的Gear VR和微软的Hololens，然而智能手机等终端的能力也受到电池、芯片等限制。一种5G的革命性用例可以将AR/MR/VR传感器的输入上传至云端，并将图形渲染处理从智能终端卸载到云端。在这种情况下，只需要一个更简单、低功耗的用户设备，该设备仅作为传感器的记录器、5G蜂窝发射器和视频解码器。显然这正将显著降低AR/MR/VR的使用成本，并实现基于云服务使用时间服务模式的更大的市场潜力。
为了实现下一代AR/MR/VR设备和6自由度（6DoF，6 Degree of Freedom）视频，预计需要200Mbit/s～1Gbit/s的流带宽，为避免眩晕则需要低于10ms的动作到手机延迟。
2．移动多媒体：360°、4K/8K分辨率的演出或体育赛事直播
大型的体育赛事和娱乐活动都是非常具有投资价值的。以体育赛事为例，每年定期举办的常规性比赛的观众数量可达数亿，如2017年美国超级碗有1.113亿人观看，F1赛事全球有4.25亿观众，其中潜在的巨大市场价值可见一斑，体育赛事也是展示最新技术的绝佳平台。2018年平昌冬季奥运会上，韩国启用预商用5G系统，提供了同步观赛、360°VR直播等5G体验（与ITU定义的5G体验尚有差距）。赛事举办方和运营商已经着眼于一系列赛事相关App的开发，将一进步推广5G在体育赛事中的应用。日本已经明确将在2020年东京奥运会上推出全球首个8K体育赛事现场直播，下一届奥运会也将成为首个拥有5G网络覆盖的体育赛事之一。
智能手机显示器正朝着更高分辨率的高动态范围图像（HDR，High-Dynamic Range）品质发展。随着越来越多的消费者拥有高端智能设备，超高清的视频流服务也会越来越丰富。NTT DoCoMo承诺在2020年东京奥运会上使用的5G网络能够向VR设备提供高速率的数据流，使用户拥有与运动员一起在体育场馆内的体验。
另外，当前的360°视频体验基于3自由度位置（3DoF），能够允许用户在固定位置环顾四周。未来的体验将扩展到6DoF，使用户能够四处走动。显然这类体验将在电子游戏领域大受欢迎。
4K流媒体对数据速率的需求为25～75Mbit/s，目前的4G LTE也可以满足。但是，8K流媒体的数据速率需求预计在100～500Mbit/s，具体取决于编码选择和多声道混音。而6DoF、360°视频带宽需求更大，预计为400～600Mbit/s，甚至更高，同时要求延迟不超过20ms，具体取决于分辨率、压缩、用户反馈性能预期（快/慢移动）和移动范围等因素。
3．远程教育服务
远程教育服务并不是一个新的概念，借助于个人电脑的远程教育服务已经发展许多年。随着无线网络和移动设备的发展，越来越多的年轻人可以利用移动设备享受各种不同等级的教育服务（如基础教育、再进修等）。远程教育服务对于偏远地区的学龄儿童来说尤为重要。这些学生上学困难、师资极度有限，远程教育能够在一定程度上缓解现有困难。
5G移动服务可以利用固定无线接入（FWA，Fixed Wireless Access）技术等向偏远农村地区提供快速连接和高速率传输服务，提供的高质量视频流将有利于教师表达完整的文本和图像信息，不会因为数据压缩或低分辨率丢失细节。同时远端的学生可以在根据需求进行局部放大时仍然能够清晰地阅读。
更进一步地，可以借助VR为学生提供原生的课堂风格沉浸式体验，让学生和教师自然有效地进行互动。
上述这些远程教育服务将需要100～200Mbit/s数据速率和低于20ms的端到端延迟，以确保实现舒适的、实时的交互。为了能够服务到偏远地区的学生，还需要全面、可靠的移动网络覆盖。
综上所述，目前，比较明确的5G用例及需求见表1.1。
表1.1 初期的5G用例及需求
未来，5G将渗透到社会的各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态系统；5G将使信息突破时空限制，提供极佳的交互体验，为用户带来身临其境的信息盛宴；5G将拉近万物的距离，通过无缝融合的方式，便捷地实现人与万物的智能互联；5G将为用户提供光纤般的接入速率，“零”时延的使用体验，千亿设备的连接能力，超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多场景的一致服务，业务及用户感知的智能优化。同时将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，最终实现“信息随心至，万物触手及”的整体愿景。