《5G通信技术》课件

通信技术概述5G通信技术作为新一代移动通信技术，正在全球范围内快速发展它不仅是通5G信技术的重大突破，更是推动数字经济和智能社会变革的关键引擎本课程将系统介绍技术的发展背景、核心架构、关键技术及其应用场景，帮5G助学习者全面了解通信的技术体系和创新特点通过学习，您将把握时代5G5G的技术趋势和产业机遇让我们一起探索这个改变世界的通信革命，了解它如何重塑我们的生活方式和社会形态课程目标掌握通信基础知识深入理解核心技术5G全面了解通信技术的基本概深度剖析大规模、毫米5G MIMO念、架构体系和关键性能指标，波通信、网络切片等关键技5G建立系统的知识框架术的原理和应用把握产业发展趋势了解产业生态、应用场景和未来演进方向，增强技术前瞻性和创新意5G识目录第一章5G技术发展背景移动通信技术演进、5G产生的必要性第二章5G关键性能指标eMBB、URLLC、mMTC三大应用场景第三章5G关键技术大规模MIMO、毫米波通信、网络切片等技术剖析第四章5G网络架构接入网、核心网、传输网架构设计第五章5G空口技术帧结构、波形、编码、调制等技术详解第一章技术发展背景5G移动通信技术演进1从到的发展历程及技术特点1G4G产生的必要性5G2社会需求、技术驱动与产业升级发展现状5G3全球部署情况及实际应用案例移动通信技术的每一代演进都带来了革命性的变化，从最初的模拟语音通信到如今的高速数据传输第一章将探讨移动通信技术的历史发展轨迹，分析产生的社会和技术背景，帮助我们理解为什么需要以及它将如何改变我们的生活和工作方式5G5G移动通信技术演进1G（模拟时代）2G（数字化）世纪年代，提供模拟语音服务世纪年代，数字语音和短信208020904G（高速数据）3G（移动互联网）年代，高清视频和移动宽带年代初，数据业务和视频通话20102000移动通信技术的演进历程展现了从简单语音到多媒体数据的跨越时代实现了移动通话，带来了数字化和短信服务，开启了移动互联网时1G2G3G代，则使高清视频和丰富的移动应用成为可能4G每一代移动通信技术都实现了数量级的性能提升，从最初的几到如今的数百，通信速率提高了数千倍这一演进过程推动了移动互联网Kbps Mbps的繁荣和智能手机的普及，深刻改变了人们的生活方式产生的必要性5G社会需求万物互联时代的连接需求技术驱动通信技术的自然演进产业升级数字化转型的基础设施随着移动互联网的深入发展，传统网络面临容量瓶颈和应用限制日益增长的视频流量、云服务和大数据应用对网络提出了更高要求4G与此同时，物联网、智能制造、自动驾驶等新兴领域对网络的低延迟、高可靠性和大连接能力提出了前所未有的需求不仅是通信技术的自然演进，更是支撑数字经济和产业升级的关键基础设施它将使能垂直行业的数字化转型，创造新的商业模式和产5G业生态，推动社会进入万物互联的智能新时代第二章关键性能指标5G增强型移动宽带（eMBB）提供极高的数据传输速率超可靠低延迟通信（URLLC）保证毫秒级延迟和极高可靠性大规模机器类通信（mMTC）支持超大规模设备连接通信技术设计了三大核心应用场景，针对不同的业务需求提供差异化的网络能力5G这种场景化的设计思路使能够同时满足高带宽、低延迟和大连接的多样化需求，有5G效支撑各种创新应用的发展这一章节将详细探讨的关键性能指标，包括峰值数据速率、用户体验数据速率、频5G谱效率、移动性、延迟和连接密度等，了解如何在这些方面实现质的飞跃，为未来5G通信带来革命性变化增强型移动宽带（）eMBB定义特点关键技术•峰值速率可达10-20Gbps•大规模MIMO技术•用户体验速率100-200Mbps•毫米波通信•频谱效率比4G提升3-5倍•载波聚合•支持高速移动场景（500km/h）•高阶调制编码应用场景•高清/超高清视频•VR/AR沉浸式体验•云游戏/云办公•大型体育场馆高密度覆盖增强型移动宽带（eMBB）是5G最先落地的应用场景，它极大提升了移动通信的数据传输能力，使高清视频流、虚拟现实和增强现实等带宽密集型应用能够在移动环境下流畅运行这不仅提升了用户体验，还开创了新型数字娱乐和工作方式超可靠低延迟通信（）URLLC定义与特点应用案例超可靠低延迟通信（）是三大应用场景之一，旨在提供技术在多个垂直行业具有广阔的应用前景在工业互联网URLLC5G URLLC极低的通信延迟（毫秒量级）和极高的可靠性（以领域，它支持工厂自动化和精确控制；在智能电网中，实现电力

199.999%上）这种通信模式突破了传统移动网络的性能极限，为关键任系统的实时监控和快速响应；在智能交通系统中，为车联网和自务应用提供了可靠保障动驾驶提供可靠通信保障的实现依赖于网络架构的革命性创新，包括边缘计算、在医疗健康领域，支持远程手术和实时健康监测；在金融URLLC5G URLLC网络切片、灵活的帧结构和新型调度机制等技术，共同构建了一交易系统中，确保交易指令的实时传递；在公共安全领域，为应个响应迅速、稳定可靠的通信环境急通信提供可靠保障这些应用都对网络的延迟和可靠性有极高要求大规模机器类通信（）mMTC核心特性关键技术典型应用每平方公里支持万设备连接，低功非正交多址接入（）、窄带物联智慧城市中的大规模传感器网络、智能100NOMA耗设计使终端电池寿命可达年，具备网（）增强版、简化协议栈设计、农业监测系统、智能电表和水表、资产10NB-IoT广覆盖能力和简化网络接入流程高效休眠机制和能量收集技术追踪、环境监测和智能停车管理大规模机器类通信（）专为物联网海量连接设计，能够满足密集部署、低成本、低功耗的通信需求与传统人与人通信不同，以连接mMTC mMTC效率和系统容量为优化目标，通过创新的网络架构和接入技术，实现对海量设备的高效管理将推动智慧城市、智能制造和智慧农业等领域的创新应用，为万物互联时代奠定坚实的通信基础预计到年，全球物联网连接数将超mMTC2025过亿，其中大部分将依靠技术实现2505G mMTC性能指标概览5G20Gbps100Mbps峰值数据速率用户体验数据速率相比4G提升20倍在高密度区域保持稳定3×频谱效率相比4G提升3倍5G技术在性能指标上实现了全方位的提升，特别是在数据传输速率方面的突破尤为显著峰值数据速率达到20Gbps，比4G提升了近20倍，这意味着一部高清电影可以在几秒钟内完成下载更重要的是，5G保证了在高密度区域的用户体验速率不低于100Mbps，确保了在拥挤环境下的稳定体验频谱效率是衡量无线通信系统性能的关键指标，5G在这方面比4G提升了约3倍，意味着在相同带宽条件下，5G能够承载更多的数据流量，更有效地利用宝贵的频谱资源这些性能提升为新一代移动应用创造了可能性性能指标概览（续）5G第三章关键技术5G大规模MIMO毫米波通信网络切片利用多天线阵列提高容量和开发高频段获取更大带宽逻辑网络虚拟化满足多样化覆盖需求边缘计算将计算能力下沉到网络边缘5G通信系统整合了一系列突破性技术创新，共同构建了高速率、低延迟、大连接的新一代移动网络这些关键技术涵盖了无线接入、网络架构、计算模式等多个层面，每项技术都针对特定的性能目标进行了优化设计本章将深入剖析这些5G关键技术的工作原理、技术特点和应用价值，帮助读者理解5G如何通过技术创新实现性能的质的飞跃我们将逐一探讨每项技术的核心要素和实现方式，揭示5G技术体系的内在逻辑和创新亮点大规模技术MIMO基本原理关键优势大规模（，多入多出）技大规模技术带来了多方面的性能提升首先，它使系统容量MIMO Multiple-Input Multiple-Output MIMO术是网络的核心创新之一，它在基站端部署大量天线单元（通和频谱效率提高倍，显著增加单位面积的网络承载能力其5G3-10常为个），同时服务多个用户终端通过空间复用和波束次，通过波束赋形实现了信号能量的定向增强，改善了边缘用户64-256赋形技术，大规模可以显著提升系统容量和频谱效率的覆盖质量，提高了整体网络覆盖能力MIMO此外，大规模还提供了更高的抗干扰能力和链路可靠性，通MIMO该技术利用空间维度进行信号处理，通过精确控制多个天线的发过多天线分集增强了对衰落和噪声的抵抗能力这项技术对网5G射相位和幅度，形成定向波束，将信号能量集中投射到特定用户，络特别是在高密度城区和热点区域的部署至关重要，是实现大5G同时抑制对其他用户的干扰这种空间分离使得多个用户可以容量、高速率的关键支撑在相同的时频资源上同时通信毫米波通信频段特点关键技术•24-100GHz高频段•波束赋形技术•大带宽资源（数百MHz至数GHz）•自适应波束跟踪•传播损耗大•天线阵列设计•穿透能力弱•毫米波芯片集成•易受雨、雾等天气影响•先进信号处理算法应用场景•固定无线接入•密集热点覆盖•室内高容量网络•大容量回传链路•高精度定位服务毫米波通信是5G技术开辟的重要新疆域，它利用传统移动通信未使用的高频段资源，提供了前所未有的大带宽，使数十Gbps的数据率成为可能这一技术突破了传统频谱资源的限制，为超高速数据传输提供了物理基础然而，毫米波的应用也面临传播损耗大、覆盖范围小等物理限制，需要通过高增益天线阵列、波束赋形和密集小基站部署等技术手段加以克服目前，毫米波主要用于特定场景的高带宽覆盖，与Sub-6GHz频段形成互补新型多址接入基本概念非正交多址接入（NOMA）是5G引入的创新多址技术，允许多个用户在同一时频资源上通信，通过功率域或码域区分不同用户信号工作原理在功率域NOMA中，基站为不同用户分配不同的发射功率，接收端通过连续干扰消除（SIC）技术分离叠加信号技术优势与传统OFDMA相比，NOMA能提升50%以上的频谱效率，增加

1.5-2倍的用户连接数，显著改善小区边缘用户体验应用价值NOMA技术特别适用于物联网场景中的大规模接入，以及需要提高频谱利用率的高负载区域非正交多址接入（NOMA）技术打破了传统正交多址的设计理念，通过允许受控干扰的方式，实现了频谱资源的更高效利用这种创新接入技术是5G网络支持海量连接和提升系统容量的重要手段之一全频谱接入技术全频谱接入是的重要技术理念，旨在统一管理和灵活利用从低频到高频、从授权到非授权的各类频谱资源这种技术使能够根据不5G5G同场景需求，动态选择最合适的频段进行通信，实现频谱资源的高效利用全频谱接入涵盖（覆盖）、（容量）和以上（超高速）三类频段，同时支持授权、共享授权和非授权频谱的5G Sub-1GHz1-6GHz6GHz灵活接入通过统一的空口设计和智能的频谱管理，实现了多频段的无缝协作，为不同业务提供最优的频谱资源配置5G网络切片技术概念定义关键技术应用场景在统一物理基础设施上创建多个逻辑独立的端到端SDN/NFV、资源隔离、端到端编排垂直行业定制网络服务网络网络切片是5G网络架构的革命性创新，它使单一物理网络可以被切分成多个虚拟网络，每个切片具有独立的网络功能和资源保障，可以针对特定业务需求进行优化配置这种技术使运营商能够为不同行业和应用提供定制化的网络服务，如为自动驾驶提供超低延迟切片，为物联网提供大连接切片，为视频直播提供高带宽切片网络切片实现了物理资源的高效共享和逻辑功能的灵活定制，大幅提升了网络的利用率和多样化服务能力它是5G支持垂直行业多样化需求的关键使能技术，为5G商业模式创新提供了技术基础边缘计算MEC架构性能优势在靠近用户的网络边缘部署计算和存储资源，形显著降低端到端延迟，减轻核心网流量负担，提成分布式计算平台升用户体验开放能力安全增强为第三方应用提供标准化接口，支持创新应本地数据处理减少数据传输风险，提供更高的隐API用开发私保护移动边缘计算（）是网络的重要组成部分，它将云计算能力下沉到网络边缘，尽可能靠近数据源和用户这种架构变革解决了传统云计算中MEC5G的长距离传输延迟问题，为时延敏感型应用如车联网、和工业控制提供了至关重要的技术支持AR/VR与网络深度融合，共同构建了高效、低延迟、智能化的新型信息基础设施它不仅是实现场景的关键支撑，也为运营商开拓新业务MEC5G URLLC提供了平台，是网络向智能化演进的重要方向5G第四章网络架构5G接入网（RAN）无线信号的接入与处理传输网连接接入网与核心网的桥梁核心网业务处理与网络控制中心网络架构采用了全新的设计理念，实现了控制面与用户面分离、接入网功能重构和服务化核心网架构这种创新设计使网络具备了更高5G的灵活性、可扩展性和智能化水平，能够适应多样化业务需求和复杂部署场景本章将详细介绍网络的总体架构，分析接入网、核心网和传输网的关键组成部分及其功能特点，揭示网络的技术创新点和演进路径5G5G通过深入理解网络架构，我们可以更好地把握技术的整体框架和内在逻辑5G5G网络总体架构5G接入网核心网传输网5G5G5G基于新空口（）技术，采用功能采用服务化架构（），将网络功能模块提供高带宽、低延迟、高精度时间同步的传NR CU-DU SBA分离架构，支持集中化分布式部署，提供化，通过标准化接口互相调用核心网实现输通道，连接接入网和核心网传输网采用/灵活高效的无线接入能力接入网负责无线了控制面与用户面分离（），增强了光融合技术，支持灵活的网络拓扑和流CUPS IP/资源管理、移动性管理和用户数据的无线传网络灵活性和扩展性，支持网络切片和边缘量调度，满足多样化业务需求5G输计算接入网（）架构5G RANgNB概述CU（集中单元）基站，提供空口接入高层协议处理与控制5G NR2AAU（有源天线单元）DU（分布单元）射频处理与天线阵列实时信号处理与调度接入网采用了功能分离的灵活架构，将传统基站功能重构为三部分负责非实时的高层协议处理（、），负责实时的物理层和5G CUPDCP RRCDU层处理，集成了有源天线阵列和射频单元这种分层架构支持多种部署方式，适应不同场景需求MAC AAU与之间通过中传接口（）连接，与之间通过前传接口（）连接这种分层设计使基站功能可以灵活重组，实现集中化CU DUF1DU AAUCPRI/eCPRI处理和协作优化，提升网络性能和资源利用率同时，接口的标准化也促进了设备的开放性和多厂商互操作核心网架构5G服务化架构（）网络功能（）SBA NF核心网采用了革命性的服务化架构（核心网由一系列功能模块化的网络功能组成，每个网络功能负5G ServiceBased5G，），这是一种基于领域微服务理念的网络责特定的任务关键网络功能包括接入管理功能（）负责Architecture SBAIT AMF设计模式在架构中，每个网络功能（）都作为独立服务移动性管理和接入控制；会话管理功能（）负责会话建立和SBA NFSMF存在，通过标准化接口相互通信管理；用户面功能（）负责数据转发和处理API UPF与传统网络中的点对点接口不同，采用总线式通信模式，此外还有策略控制功能（）、统一数据管理（）、网络SBAPCF UDM任何网络功能都可以注册、发现和调用其他网络功能提供的服务切片选择功能（）等这些功能模块可以独立部署、扩展和NSSF这种架构带来了前所未有的灵活性和可扩展性，使网络功能的升更新，支持云原生实现，促进了核心网向软件化、虚拟化方向演级和扩展变得更加简单进核心网关键网元5GAMF（接入和移动性管理SMF（会话管理功能）功能）负责会话的建立、修改SMF PDUAMF是终端与核心网的接入点，和释放，分配IP地址，控制策略执负责移动性管理、接入认证和安全行和管理它与协同工作，QoS UPF上下文管理它处理注册、连接和管理用户的数据传输路径，确保服移动性事件，维护用户连接状态，务质量要求得到满足支持多接入类型UPF（用户面功能）是用户数据平面的锚点，负责数据包路由转发、执行、流量测量和策UPF QoS略规则执行它支持灵活部署，可以根据业务需求部署在边缘位置或中心位置核心网网元采用了功能分离的设计理念，将控制面和用户面完全分离，提高了网络5G的灵活性和可扩展性专注于控制面功能，处理所有与接入和移动性相关的事务；AMF负责会话管理的控制面功能；而则专门处理用户数据的转发SMF UPF核心网关键网元（续）5GPCF（策略控制功能）UDM（统一数据管理）AUSF（认证服务功能）提供统一的策略框架，制定网集中管理用户数据和身份，处执行用户身份认证，支持增强络行为规则，控制QoS、计费理用户认证和订阅信息的安全机制和网络资源使用NSSF（网络切片选择功能）管理网络切片实例，为用户选择合适的切片5G核心网采用模块化设计，各网元通过标准化接口相互协作PCF提供了统一的策略管理框架，控制网络行为与服务质量；UDM集中管理用户数据，简化了数据管理流程；AUSF增强了安全认证能力；NSSF则是网络切片技术的关键使能者这种功能分解的架构设计使得网络功能可以根据业务需求灵活扩展，支持云原生部署，提高了资源利用效率和服务创新能力5G核心网的这些网元共同构建了一个开放、灵活、高效的新一代移动核心网络传输网要求5G第五章空口技术5G帧结构与波形信道编码与调制•灵活子载波间隔•LDPC和Polar码•CP-OFDM和DFT-s-OFDM波形•高阶调制（至256QAM）•微型时隙设计•π/2-BPSK调制•自包含式子帧•自适应调制编码多天线与波束管理•SU/MU-MIMO技术•波束成形与跟踪•CSI测量与反馈•参考信号设计5G空口（又称新空口，NR）采用了全新的设计理念，以支持多样化的应用场景和频段需求它不再像4G那样采用固定参数的一刀切方案，而是构建了一套可伸缩、可定制的灵活框架，能够适应从低频到毫米波、从宽带业务到低延迟应用的各种需求本章将深入探讨5G空口的关键技术创新，包括帧结构设计、调制编码方案、多天线技术和波束管理等方面通过学习这些技术，我们可以理解5G如何在物理层实现性能的大幅提升，为多样化的应用场景提供强大的无线连接能力帧结构5G NR灵活帧结构设计时隙与子载波间隔采用了高度灵活的帧结构设计，突破了中固定参数中时隙长度与子载波间隔成反比对应时隙，5G NR4G LTENR15kHz SCS1ms的限制帧结构基于无线帧，每帧包含个子帧，每个对应时隙，以此类推这种设计使高频段通信能够NR10ms1030kHz

0.5ms子帧为创新之处在于引入了数值学（）概采用更短的时隙，减少处理延迟，支持低延迟业务同时，还1msNumerology NR念，支持多种子载波间隔（）、、、引入了微型时隙（）概念，允许传输在符号级别开始，SCS15kHz30kHz60kHz mini-slot和提供更高的调度灵活性120kHz240kHz不同的子载波间隔适用于不同的频段和应用场景低频段（如还支持自包含式子帧设计，即在单个子帧内完成下行控制、数NR）主要使用保证覆盖；中频段（如）据传输和上行确认的全过程，这对降低通信延迟至关重要这种700MHz15kHz SCS

3.5GHz一般采用平衡覆盖和容量；毫米波频段（如）灵活的帧结构是能够支持多样化业务需求的基础，从超高速率30kHz SCS28GHz5G则使用更大的（如）来抵消相位噪声影响到超低延迟，一套框架满足各种场景SCS120kHz波形5G NRCP-OFDM（循环前缀正交频分复用）5G NR下行主要采用CP-OFDM波形，具有良好的正交性和抗多径能力，支持高阶MIMO和波束赋形DFT-s-OFDM（离散傅里叶变换扩展的OFDM）上行链路可选用DFT-s-OFDM波形，继承自LTE SC-FDMA，具有较低的功率波动，适合终端省电波形设计目标5G波形设计平衡了频谱效率、实现复杂度、覆盖性能和功耗等多方面因素灵活参数配置支持可变子载波间隔和循环前缀长度，适应不同频段和场景需求5G NR波形选择采用了实用主义路线，没有完全抛弃4G的成熟技术，而是在OFDM基础上进行改进和扩展CP-OFDM作为主要波形，保持了良好的正交性，简化了接收机设计，有利于实现先进的MIMO和波束成形技术同时，通过灵活配置参数，适应从低频到毫米波的广泛频谱范围信道编码5G NRLDPC码Polar码•用于数据信道（PDSCH/PUSCH）•用于控制信道（PBCH/PDCCH/PUCCH）•卓越的纠错能力，接近香农限•理论上可达香农限•支持高吞吐量并行编解码•优秀的短码性能•灵活的码率匹配，适应不同信道条件•编码复杂度低，解码性能良好•适用于大数据块传输•适用于小数据块的可靠传输设计创新•基础图设计（LDPC）•CRC辅助列表解码（Polar）•码率匹配与比特交织•HARQ重传与软合并•多码长支持5G NR采用了双通道编码方案，为不同类型的信道选择最适合的编码技术LDPC（低密度奇偶校验码）由于其优秀的纠错能力和高吞吐量特性，被选用于数据信道编码；而Polar码（极化码）凭借其在短码块上的出色性能，被用于控制信道编码这两种先进编码技术的应用使5G空口在编码增益方面大幅超越4G LTE，提高了传输可靠性和频谱效率特别是在高噪声环境或弱信号条件下，先进的信道编码为可靠通信提供了坚实保障调制方式5G NR5G NR支持多种调制方案，从基本的BPSK到高阶的256QAM，提供了灵活的传输效率选择在理想信道条件下，高阶调制如256QAM可以大幅提升频谱效率；而在信道条件恶劣时，系统会自动降级到更稳健的低阶调制方案，确保通信可靠性NR引入了π/2-BPSK调制，这是一种经过优化的BPSK变体，通过将相邻符号旋转π/2（90度），改善了信号的峰均比特性，提高了功率放大器效率，特别适合毫米波频段的上行传输5G采用自适应调制编码机制，根据信道质量动态选择最佳的调制编码方案，平衡吞吐量和可靠性多天线技术5G NR（单用户）（多用户）SU-MIMO MIMO MU-MIMO MIMO技术允许基站与单个用户之间建立多个并行数据流，显允许基站同时与多个用户通信，共享相同的时频资源，SU-MIMO MU-MIMO著提升数据传输速率支持高达层的传输，理但使用不同的空间资源，大幅提升小区容量支持大规模5G NR8SU-MIMO5G NR论上可使单用户峰值速率提升倍这种技术特别适用于高速率业，理论上可同时服务数十个用户，使系统容量成倍增8MU-MIMO务如视频流和虚拟现实应用长8K引入了先进的技术，如传输前编码矩阵指示实现高效的关键在于精确的信道状态信息（）获取NR SU-MIMOMU-MIMO CSI（）、基于端口的预编码和混合自动重传请求（）的和波束赋形设计了复杂的参考信号（）和反馈机TPMI HARQNR CSICSI-RS增强，提高了系统的适应性和可靠性在信号良好的中制，使基站能够获得足够精确的信道信息同时，引入了基于传SU-MIMO心区域尤为有效，可以最大化单用户的吞吐量输层的干扰消除技术，最小化用户间干扰，提高系统性能MU-是提升系统频谱效率的关键技术MIMO波束管理波束成形波束扫描通过相控阵天线定向发送信号寻找最佳通信方向波束跟踪波束切换持续优化波束方向与质量动态调整波束以适应移动波束管理是5G特别是毫米波通信的核心技术，它通过智能控制天线阵列的相位和幅度，形成高度定向的信号波束，克服毫米波传播损耗大的缺点NR定义了完整的波束管理流程，包括波束扫描、波束决策、波束跟踪和波束失败恢复等在初始接入阶段，基站通过同步信号块（SSB）扫描多个方向，终端测量信号质量并报告最佳波束建立连接后，通过CSI-RS进行精细波束管理，并根据终端移动情况动态调整波束这套精细的波束管理机制确保了毫米波通信的稳定性和可靠性，是5G高频通信的关键使能技术第六章组网方案5G非独立组网（NSA）依托现有网络，快速部署服务4G5G独立组网（SA）纯网络架构，释放全部潜力5G5G混合组网同时支持和，平滑演进NSA SA网络部署采用了渐进式策略，提供了多种组网方案以满足不同运营商的需求初期5G以非独立组网（）为主，利用现有基础设施快速部署服务；随后逐步向独NSA4G5G立组网（）过渡，充分发挥的全部技术优势SA5G本章将详细介绍的各种组网方案，分析它们的技术特点、适用场景以及优缺点，帮5G助理解网络从部署初期到成熟阶段的演进路径通过了解不同组网方案，我们可以5G更好地把握网络建设的策略和技术选择5G非独立组网（）NSANSA定义优势分析•依赖4G EPC核心网•快速部署，降低初期投资•LTE作为控制面锚点•利用成熟的4G覆盖•5G NR提供用户面容量•无需部署5G核心网•3GPP Option3/3a/3x方案•平滑升级现有网络局限性•无法支持网络切片•无法实现超低延迟•控制面依赖4G覆盖•架构复杂性增加非独立组网（NSA）是5G初期部署的主要方式，它充分利用了现有4G网络基础设施，实现了快速部署5G服务的目标在NSA架构中，终端同时连接到4G LTE和5G NR基站，其中4G网络负责控制面信令和基本覆盖，而5G网络主要提供额外的数据传输容量NSA方案中最常用的是Option3x，其特点是上行数据可以灵活选择通过LTE或NR传输，根据信号质量自动选择最佳路径虽然NSA无法支持5G的全部特性，但它显著降低了运营商的初期投资风险，加速了5G商用进程，是向完全5G网络过渡的重要阶段独立组网（）SASA定义完全独立的5G网络，包括5G NR接入网和5G核心网（5GC），不依赖任何4G网络组件技术特点采用服务化架构（SBA）核心网，实现控制面与用户面分离，支持网络切片和边缘计算优势分析完整支持5G所有技术特性，包括超低延迟、网络切片、大规模物联网和边缘计算部署挑战需要全新建设5G核心网，初期覆盖有限，对云基础设施和运维能力要求高独立组网（SA）代表了5G的完整形态，它摒弃了对4G网络的依赖，构建了一个纯5G的端到端解决方案SA架构采用全新设计的5G核心网，具备服务化、云原生、软件定义等特性，为网络带来了前所未有的灵活性和可扩展性SA是实现5G全部价值的关键，它不仅支持增强型移动宽带（eMBB），还能充分发挥超可靠低延迟通信（URLLC）和大规模机器类通信（mMTC）的潜力通过网络切片技术，SA可以在统一的物理基础设施上为不同垂直行业提供定制化的网络服务，开创了移动网络的新时代到的演进NSA SA初期NSA部署（Option3x）以eMBB为主，依托4G EPC核心网过渡阶段（Option2+3x并存）引入5GC核心网，SA与NSA并行成熟期（Option2为主）以SA为主导，NSA作为辅助终极阶段（纯SA网络）全面支持5G全部特性和场景从NSA到SA的演进是5G网络发展的自然路径，大多数运营商选择先部署NSA网络快速提供5G服务，然后逐步向SA过渡以释放5G的全部潜力这种演进涉及网络架构、设备升级和业务迁移等多个层面的变化，需要精心规划和执行关键的技术挑战包括终端双模支持、NSA和SA网络的协同运行、用户无感知切换、4G与5G覆盖协调以及核心网能力平滑演进运营商通常采用区域试点先行、逐步扩大覆盖的方式推进SA部署，最终实现网络的全面升级随着SA部署比例提高，创新业务如网络切片、边缘计算和物联网应用将得到更广泛的支持第七章频谱规划5G低频段（）中频段（）高频段（毫米波）Sub-1GHz1-6GHz具有优越的覆盖特性，信号传播距离远，穿平衡了覆盖和容量需求，是部署的主力以上的毫米波频段具有极大的带宽5G24GHz透能力强，适合广域覆盖和室内深度覆盖频段尤其是频段，成为全球发资源，能够提供数的超高速率但其

3.5GHz5G Gbps这些频段主要用于提供基础覆盖，确保用户展的黄金频段，具有相对充足的带宽资覆盖范围有限，主要用于热点区域的容量增在广大区域内都能获得服务，特别适合源和合理的传播特性，适合城市和郊区的大强和固定无线接入毫米波是实现极致5G5G农村地区和深度室内场景规模商用部署速率的关键，但部署挑战较大频段概览5G中国频谱规划5G频段带宽分配情况应用定位

2.6GHz2515-160MHz中国移动100MHz，城市覆盖、容量层2675MHz中国广电60MHz

3.5GHz3400-200MHz中国电信100MHz，主力覆盖频段3600MHz中国联通100MHz

4.9GHz4800-200MHz中国移动200MHz容量增强、行业应用5000MHz毫米波

24.75-2750MHz试验阶段，尚未正式热点高容量、固定接

27.5GHz商用分配入中国采取了独特的5G频谱规划策略，优先分配了中频段资源，为每家运营商提供了充足的连续频谱中国移动获得了

2.6GHz和

4.9GHz两个频段，中国电信和中国联通各获得了

3.5GHz频段的100MHz带宽，中国广电则获得了

2.6GHz频段的部分资源这种分配方式确保了各运营商都拥有足够带宽发展5G业务，同时通过不同频段的协同，形成了相互补充的网络覆盖格局目前，中国毫米波频段尚处于试验阶段，未来将主要用于特定场景的超高速率服务和垂直行业应用总体而言，中国的频谱规划为5G网络的大规模部署奠定了坚实基础全球主要国家频谱规划5G美国欧洲领先开放毫米波频段，包括24GHz、统一规划

3.4-

3.8GHz作为主要5G频段，28GHz、37GHz、39GHz和47GHz，各国已完成拍卖700MHz用于广域覆盖，合计近5GHz带宽中频段相对受限，主26GHz作为高容量毫米波频段欧盟制要使用

2.5GHz、

3.5GHz（CBRS）和定了5G频谱路线图，推动成员国协调发

3.7-

4.2GHz（C-Band），采用频谱拍展，强调跨境协调与干扰管理卖和共享使用机制日韩日本分配了

3.7-

4.2GHz和

27.5-

29.5GHz频段，韩国则分配了

3.4-

3.7GHz和

26.5-

29.5GHz频段这两个国家是全球5G商用最早的市场，特别是韩国在5G部署和商用方面处于领先地位全球5G频谱分配呈现出区域差异化特点美国率先开发毫米波频段，推动了高频技术的创新；欧洲则注重统一协调，以

3.5GHz为核心频段；亚太地区尤其是中国、日本和韩国，采取了平衡发展策略，同时规划中频段和毫米波频段各国频谱分配策略反映了其国情和市场特点美国幅员辽阔且有强大的技术实力，更注重创新；欧洲国家密集且需跨境协作，强调协调统一；亚洲国家人口密度大，追求高效率部署这些区域特点也影响了全球5G技术标准和产业发展方向第八章安全技术5G安全架构创新加密与完整性保护•统一认证框架•NEA/NIA加密算法套件•安全锚功能（SEAF）•增强的加密密钥长度•安全上下文管理•空口信令和数据保护•增强的密钥层次结构•网络域安全机制新型安全能力•网络切片安全隔离•服务化架构安全•边缘计算安全•隐私增强技术5G网络面临着比以往更为复杂的安全挑战，包括网络虚拟化带来的新风险、垂直行业接入的安全需求以及物联网大规模连接的安全管理为应对这些挑战，5G标准从架构设计上强化了安全机制，采用了更加灵活和强大的安全框架本章将深入探讨5G安全架构的创新设计，分析其加密算法和认证机制，并介绍网络切片安全等新型安全能力通过了解5G安全技术，我们可以认识到5G网络如何在开放灵活的同时，确保通信的机密性、完整性和可用性，为各类应用提供坚实的安全保障安全架构5G统一认证框架安全锚功能（）SEAF引入了统一认证框架（），支持多种认证机制的融合，安全锚功能（）是安全架构中的核心组件，负责管理本5G AUSFSEAF5G适应不同场景和设备类型的安全需求这一框架支持基于卡的地安全上下文并协调认证过程与和配合，共同SIM SEAFAUSF UDM传统认证、基于证书的认证以及面向物联网的轻量级认证等完成终端认证和密钥生成它在接入网和核心网之间建立安全桥EAP多种方式，实现了认证机制的多样化和统一管理梁，确保端到端的安全通信认证流程采用挑战响应机制，通过密钥派生和双向验证确保通维护本地安全上下文，包括加密密钥、完整性保护密钥和安-SEAF信双方的身份真实性与相比，增强了认证过程中的加密保全能力参数等当终端在接入网中移动时，负责安全上下文4G5G SEAF护，防止中间人攻击和重放攻击，提升了整体安全强度同时，的传输和管理，确保安全性的连续性这种设计增强了网络的5G认证过程支持终端与网络的相互认证，防止伪基站攻击整体安全性，同时提高了接入认证的效率和灵活性，支持不同网络切片的差异化安全策略加密算法5G网络采用了一系列先进的加密和完整性保护算法，以确保数据传输的安全性核心算法包括加密算法（）和完整性算法5G NRNEA NR（）系列基于流密码，基于模式，基于算法；对应的完整性算法分别是、和NIA NEA1SNOW3G NEA2AES-CTR NEA3ZUC NIA1NIA2，它们使用相同的基础算法但采用消息认证码（）模式NIA3MAC相比，加密算法采用了更长的密钥长度和更复杂的密钥派生机制，形成了层次化的密钥结构从根密钥开始，通过多次派生生成用4G5G于不同安全目的的会话密钥还增强了对控制面信令的保护，强制要求对信令进行完整性保护，防止信令篡改攻击这些安全增强5G RRC措施大幅提升了网络抵御各类网络攻击的能力5G网络切片安全切片隔离切片专用安全策略切片接入控制确保不同切片之间的资源和数根据切片业务特性和安全需求，严格管理终端对切片的访问权据隔离，防止切片间的安全威配置差异化的安全机制和策略限，基于订阅信息和安全策略胁传播进行认证授权切片安全监控持续监控切片的安全状态，及时发现和响应安全事件网络切片是5G的核心特性，也带来了独特的安全挑战切片安全的基础是有效的隔离机制，包括计算资源隔离、网络功能隔离和数据隔离5G网络通过虚拟化技术和容器化部署，实现了不同切片的物理和逻辑隔离，确保一个切片的安全问题不会影响其他切片5G支持为不同切片配置专用的安全策略，例如金融行业切片可以采用更强的加密算法和更严格的认证机制，而普通移动宽带切片则可以采用标准安全配置切片安全管理还包括切片生命周期安全、跨域切片安全协同和动态安全策略调整等机制，为垂直行业提供了可定制的安全保障第九章应用场景5G1000x数据速率提升比4G提升数十至数百倍1ms超低延迟支持实时控制应用万100连接密度每平方公里设备连接数年10电池寿命物联网设备低功耗支持5G技术的卓越性能为各行各业带来了前所未有的数字化转型机遇通过提供超高速率、超低延迟和海量连接能力，5G使众多创新应用从概念变为现实，重塑了产业形态和人们的生活方式不同于以往主要服务于个人通信的移动网络，5G更多地面向垂直行业应用，成为产业数字化的使能者本章将探讨5G在智慧城市、工业互联网、车联网、远程医疗和虚拟现实等领域的典型应用场景，分析5G如何赋能这些行业创新，推动数字经济发展通过了解这些应用案例，我们将更好地理解5G的商业价值和社会意义智慧城市智能交通智慧能源实时交通监控与调度智能电网与能源管理环境管理公共安全智能垃圾处理与环境监测高清视频监控与预警5G为智慧城市建设提供了强大的通信基础设施，通过连接海量传感器和智能设备，实现城市运行的全面感知、精准分析和智能控制在智能交通领域，5G支持车路协同和智能信号控制，显著提升交通效率；在智慧能源方面，5G实现了电网的实时监控和动态调节，促进可再生能源的高效利用在公共安全领域，5G高带宽特性支持了高清视频监控和智能警务，提升了城市管理的精细化水平；在环境管理方面，5G连接的传感器网络能够实时监测空气质量、水质和噪声等环境指标，辅助城市环境治理5G智慧城市应用正在全球范围内快速落地，使城市变得更加宜居、高效和可持续工业互联网智能制造柔性生产与精准控制工业检测高精度质量监控设备维护预测性维护与远程诊断智慧物流生产物流一体化管理5G在工业互联网领域展现出巨大潜力，其高可靠低延迟特性使得工业控制网络能够实现无线化，突破了传统有线网络的物理限制，为工厂布局带来了前所未有的灵活性在智能制造领域，5G支持实时数据采集和工业设备精准控制，实现了生产线的柔性化和定制化生产；工业质检环节中，5G高带宽支持高清机器视觉，提升了缺陷检测的准确率在设备维护领域，5G网络连接的大量传感器可收集设备运行数据，通过边缘计算和人工智能分析，实现设备故障的预测性维护，大幅降低设备停机时间；智慧物流方面，5G支持AGV（自动导引车）和仓储机器人的高效协同，实现物料流转的自动化和智能化5G正成为新一轮工业革命的关键使能技术，加速工业

4.0的实现车联网车车通信（）车路通信（）自动驾驶V2V V2I支持车辆之间的直接通信，实现碰撞预使车辆能与交通基础设施（如信号灯、的高带宽和低延迟特性为自动驾驶提供5G5G5G警、协同换道和编队行驶等功能通过车车路侧单元）通信，获取实时交通信息、道路了关键支持，使车辆能够接收高精度地图、通信，交通参与者可以共享位置、速度和意状况和信号配时这种通信模式支持绿波通远程遥控指令和复杂交通场景的云端决策辅图信息，大幅提升道路安全性和交通效率，行、拥堵避免和动态路径规划等应用，优化助还支持自动驾驶车辆与周围环境的5G尤其是在复杂交通环境下的协同决策能力交通流量和降低能源消耗全面感知和交互，提升了驾驶安全性和舒适度远程医疗远程诊断远程手术技术使高清医疗影像和实时生命体征数据能够快速传输，让专的超低延迟特性为远程手术提供了技术可能性外科医生通过5G5G家远程诊断成为现实农村或偏远地区的患者不必长途奔波，即控制终端操作远程手术机器人，实现精准的手术操作与传统远可获得专业医生的诊断意见同时，与可穿戴设备结合，实现程手术相比，网络将延迟控制在毫秒级别，使医生的操作指令5G5G慢性病患者的持续监测，医生能够实时获取患者状态，及时调整能够实时传达，确保手术的安全性和有效性治疗方案远程手术的实现使优质医疗资源得以突破地域限制，高级别医院还支持移动医疗单元，如救护车内的高清视频会诊，使患者在的专家可以为偏远地区患者提供手术服务，甚至在特殊情况下5G运送途中就能得到专家指导的初步治疗，争取黄金救治时间这（如灾难现场或战场）实施紧急救治目前，多家医院已成功开些应用极大地提升了医疗资源分配效率和服务可及性，尤其对基展了基于网络的远程手术示范，证明了这一技术的可行性5G层医疗体系意义重大增强现实虚拟现实/高清沉浸体验云渲染与边缘计算5G提供的高带宽（100Mbps）支持复杂图形计算转移到云端或边缘服务4K/8K VR内容传输，低延迟器，终端设备更轻便，电池续航更长，（20ms）避免眩晕感，实现流畅沉用户体验更佳浸体验多人协同应用5G支持多用户实时交互的AR/VR应用，如远程协作设计、虚拟展会和多人游戏等5G网络为AR/VR技术提供了突破性的发展平台，解决了过去高带宽、低延迟和移动性的关键限制在AR领域，5G支持实时环境识别和信息叠加，提升了工业维修、物流拣货和导航等场景的工作效率；在VR领域，5G使云VR成为可能，复杂的渲染工作可以在云端完成，大幅降低了终端设备成本和能耗5G时代的AR/VR应用已经从娱乐扩展到教育、医疗、旅游和零售等多个领域在教育中，学生可以通过VR进行沉浸式学习；在医疗中，AR辅助手术提高了精准度；在零售领域，AR虚拟试衣和家居布置改变了消费体验5G网络的普及将进一步加速AR/VR技术的商业化进程，创造全新的交互方式和商业模式第十章产业生态5G网络运营层平台服务层电信运营商与虚拟运营商云服务、边缘计算与解决方案提供商基础设施层应用服务层芯片、设备、终端制造商垂直行业应用与内容服务商15G产业生态比以往任何一代移动通信技术都更加复杂和多元化，涉及从芯片到应用的全产业链与过去主要服务于消费者通信需求的移动网络不同，5G更多地面向垂直行业赋能，因此产业参与者也更加多样化，包括传统电信企业、IT厂商、互联网公司和各行业解决方案提供商本章将梳理5G产业链的各个环节，分析主要参与者的角色和价值，探讨5G产业发展趋势和商业模式创新通过了解5G产业生态的全貌，我们可以更好地把握5G发展的商业机遇和挑战，理解技术创新与产业应用的协同演进关系产业链概览5G上游芯片与器件基带芯片、射频器件、光器件和天线阵列等核心元器件，是5G性能的物理基础中游网络设备基站、核心网、传输设备等网络基础设施，构成5G网络的骨干系统中下游终端设备智能手机、CPE、模组和各类垂直终端，是用户接入5G网络的入口下游运营服务网络运营、内容服务、行业解决方案，创造5G的直接商业价值5G产业链呈现出高度复杂和紧密协同的特点在上游芯片领域，高通、华为海思等企业提供先进的5G基带芯片和SoC解决方案，而射频前端和天线阵列则由Skyworks、村田等专业厂商供应中游设备制造环节，华为、爱立信、诺基亚等传统电信设备商占据主导地位，同时也有三星、中兴等强劲竞争者在终端领域，苹果、三星、小米等智能手机厂商快速推出5G终端产品，同时各类垂直终端如工业网关、车载单元也蓬勃发展下游运营服务最为多元，除传统电信运营商外，云服务商、互联网企业和垂直行业解决方案提供商也积极参与，共同构建丰富的5G应用生态终端发展5G与垂直行业融合5G5G与垂直行业的深度融合是这一代移动通信技术的显著特点，也是其创造商业价值的主要途径通过网络切片、边缘计算和专网部署等方式，5G能够为不同行业提供定制化的网络服务，满足各自特定的性能需求在工业制造领域，5G专网支持柔性生产线和无人工厂建设；在能源行业，5G赋能智能电网和分布式能源管理；在医疗健康领域，5G实现远程医疗和智能医院应用5G与垂直行业融合催生了新型商业模式，如网络即服务（NaaS）、基于SLA的定制网络和按流量/时长/QoS计费等电信运营商也从单纯的连接提供者转变为行业解决方案集成商，与设备商、软件商和系统集成商共同构建行业解决方案生态随着融合的深入，5G正在成为各行业数字化转型的关键支撑技术，创造巨大的社会和经济价值第十一章标准化进程5GR15（2018年6月）首个5G标准版本，定义基本架构和eMBB场景R16（2020年7月）增强URLLC和工业物联网支持，引入边缘计算R17（2022年3月）增强mMTC和垂直行业支持，优化网络能效4R18（2023年-2024年）5G-Advanced首个版本，引入AI增强和新型应用5G标准化工作主要在3GPP（第三代合作伙伴计划）框架下进行，采用分阶段演进的策略R15作为首个5G标准，重点定义了基本的网络架构和空口技术，主要针对eMBB场景；R16进一步增强了URLLC能力，支持工业互联网和车联网应用，同时引入了边缘计算和网络自动化技术R17扩展了5G在垂直行业的应用能力，增强了对NB-IoT/eMTC的支持，并优化了网络能效和覆盖性能即将到来的R18被视为5G-Advanced的首个版本，将引入AI/ML增强、极致的上行能力和更丰富的行业特性整个5G标准化过程体现了全球产业界的通力合作，确保了技术演进的连续性和生态系统的健康发展标准化时间表3GPP进展未来演进方向R15-R17（年月冻结）是第一个标准版本，主要完成随着（预计年初完成）的启动，标准进入了3GPP R15201865G R1820245G5G-了基本框架的定义，包括新空口（）、核心网和阶段，这是向过渡的中间环节将重点关5G NR5G eMBBAdvanced5G6G R18场景的规范采用了分阶段完成策略，先冻结非独立组网注网络智能化，通过引入人工智能和机器学习技术提升网络性能R15（），后完成独立组网（）规范，使运营商能够快速部署和自优化能力同时，进一步增强上行性能、提升定位精度和扩NSA SA初期网络展频谱利用也是的重要内容5G R18（年月冻结）显著增强了能力，特别是在、在之后，将继续推进和，预计在这些版本中会R16202075G URLLCR183GPP R19R20通信和工业物联网方面它引入了时间敏感网络（）集引入更多面向垂直行业的定制化功能，以及为过渡而设计的创V2X TSN6G成、边缘计算和网络自动化等关键技术，使能够更好地服务垂新技术总体而言，标准演进路线图清晰，保持了技术的连续5G5G直行业（年月冻结）进一步扩展了应用领域，包性，同时为未来创新预留了空间，这种稳健的标准化策略是产R17202235G5G括非地面网络（）、定位增强和更高频段的支持业成功的重要因素NTN技术展望5G-Advanced性能提升网络智能化•极致上行能力（100Mbps+）•原生AI网络架构•毫米波覆盖增强•自优化资源调度•超高精度定位（厘米级）•智能干扰协调•网络能效提升（100%）•预测性网络维护•超大规模MIMO优化•场景自适应优化新型应用支持•沉浸式XR体验•数字孪生协同•感知通信融合•非地面网络集成•分布式计算网络5G-Advanced代表了5G技术演进的下一阶段，它在继承5G基本框架的同时，引入了一系列前瞻性技术创新在性能方面，5G-Advanced将特别强化上行能力，解决当前5G上下行不对称的问题，满足工业物联网和视频上传等上行密集型应用的需求同时，通过波束管理优化和多点协作技术，提升毫米波覆盖能力，使高频段应用更加实用化网络智能化是5G-Advanced的核心特征，它将AI/ML技术深度融入网络架构的各个层面，从射频优化到资源调度，从网络切片管理到业务质量保障，全面提升网络的智能化水平此外，5G-Advanced还将原生支持XR（扩展现实）、全息通信等沉浸式应用，引入感知通信融合（ISAC）技术，并加强与非地面网络的集成，拓展5G在更广领域的应用潜力愿景与关键技术6G极致性能峰值速率1Tbps，端到端延迟

0.1ms智能内生人工智能与通信深度融合网络一体化空天地海全域覆盖与协同安全隐私物理层安全与量子加密技术尽管5G商用仍处于发展初期，全球学术界和产业界已经开始探索下一代移动通信技术——6G与5G相比，6G不仅是性能的量级提升，更是通信范式的革命性变革6G的愿景是构建智能泛在的信息社会基础设施，实现从万物互联到万物智联的跨越，支持数字孪生、全息通信和沉浸式体验等创新应用太赫兹通信是6G的关键候选技术，它利用

0.1-10THz的超高频段资源，有望提供极大带宽和极高速率人工智能将成为6G的内生能力，贯穿网络设计、优化和运营的各个环节此外，集成感知与通信、量子通信、新型网络架构等技术也将在6G中发挥重要作用，共同构建更加智能、高效和安全的通信体系总结与展望5G发展成就面临挑战未来展望全球已建成超过300万个5G基站，覆盖人商业模式创新不足，垂直行业应用尚处起步通过5G-Advanced向6G演进，加速与垂口超过20亿，终端连接数突破10亿，成为阶段，网络建设与运维成本高，区域发展不直行业深度融合，推动网络智能化和绿色低历史上部署最快的移动通信技术平衡碳发展本课程系统介绍了5G通信技术的发展背景、关键性能指标、核心技术、网络架构、应用场景和产业生态等内容5G作为新一代移动通信技术，不仅大幅提升了通信性能，更重要的是开创了移动通信服务垂直行业的新时代，成为数字经济发展的关键基础设施展望未来，5G技术将继续演进，通过5G-Advanced阶段逐步过渡到6G在这一过程中，网络智能化、绿色低碳和行业应用深化将成为主要发展方向随着技术的成熟和生态的完善，5G将释放更大的经济和社会价值，推动数字经济和智能社会的快速发展作为通信领域的学习者和从业者，把握5G发展趋势，积极参与技术创新和应用探索，将迎来广阔的职业发展空间。