5G通信导论

 从麦克斯韦预言电磁波的存在，到无线通信在19世纪末的诞生，仅仅用了二十几年的时间。人类对无线电在通信、雷达、遥感等等诸多方面的潜在应用，可以用应接不暇来形容。无线电成为每个人生活中不同或缺的物品，完全得益于20世纪五十年代的集成电路的发明。随着20世纪70年代的第1代个人移动通信系统的诞生，平均每十年就会有一次大规模的移动通信技术升级，到如今已经进入了5G的时代。2019年是无可厚非的5G商用元年。5G网络以几万、几十万台基站的速度在世界上迅速覆盖了用户密集、应用深入的区域，围绕5G的技术实现成为各个国家竞争的热点，5G基带和射频芯片的不断研发革新，终于在2019年上半年启动了5G手机的面世。移动运营商的柜台里开始摆满5G手机。各种和5G相关的应用也不断挑战我们传统的生活、工作、娱乐方式。5G不仅改变了个人的通信方式，也从购物、消费、出行、教育、娱乐等几乎所有方面，带来了前所未有的改变。人们开始对5G满怀期待，憧憬5G时代的“不期而遇”，希望从5G技术革新中领略出乎意料的惊喜。
 除了技术自身的革新之外，5G好像是一个杠杆，撬动了国际政治经济的格局。传统的技术创新聚集地，在5G的浪潮到来之际，开始在全球转移。一个不争的事实，是国际上形成了围绕5G的技术研发、制造业、运营商的两大阵营，东方、西方之间的5G竞争从标准到核心专利，再到市场的划分与争夺，已经呈现从未出现的白热化迹象。5G的竞争既像是2008年经济危机以来的一次蓄谋已久的爆发，又像是出乎意料的各种弯道超车。传统的通信业强势企业在这场令人震撼的攀比中，不断亮出他们的杀手锏，舆论也乐此不疲地尾随，各种对5G的预测由不断地描绘出一幅令人向往的未来世界。在这样的一个节奏里，人们你追我赶、涌进了5G的大门…
 5G已经脱离了技术范畴的定义，她更像是一个代表了一个完整生态的新业态，她的出现就像是磁场，破坏了原有的政治经济的平衡。在5G商用中已经处于劣势的国家，开始仰仗商业、政治等手段，对5G的竞争中希求控制和干扰，开始不惜动用国家机器，对某一个企业进行打压，甚至以发动贸易战争的方式想把对手连根拔起。5G的发展也因此充满坎坷和未知。但这样的情形并非陌生，从20世纪50年代以来，多少次国家间技术革新所引发的政治危机，已经为5G的荆棘之路做了标注。在激流中，强者会愈发强大，远见和定力，博弈中的智慧，更能决定5G的命运，即使2019年以后伴随5G的可能是更难以预测的多事之秋，5G的步伐也只会越来越快。
 本书以5G作为切入点，详细回顾了无线通信在理论、技术、器件、系统等方面百年的发展历史，通过对传统的模拟通信与第二、三、四、五代数字无线通信系统的工作原理、关键技术的差异、性能限制因素的分析，帮读者了解这些技术对产业、社会、生活带来的改变与影响。此外，本书尝试跳出技术层面，从5G在智能化方面对社会、生活的多方面影响，5G技术在社会政治经济方面的延伸，来了解5G的“蝴蝶效应”和“杠杆功能”，分析5G对未来产业发展的多方面、多层次影响。与此同时，本书也帮助读者找寻5G与自身专业、兴趣爱好、未来职业规划的结合点，对如何利用5G技术，对自身专业、兴趣爱好进行模式、技术等不同层面的创新，进行深入思考，建立可行方案。
 本书可作为大学本科生有关无线通信、有关5G的通识课教材。对于具有一定通信技术背景知识的同学而言，本书通过大量的近期发生的5G相关事件，帮助他们了解技术对社会的影响；对于没有通信背景的同学而言，本书提供了一个为典型的创新的案例，赋予生涩的技术以魅力，从多个并行的线索中勾勒出必然和偶然之间的往复迭代。本书也可作为一本5G技术史，对近期发生的与5G有关事件作出梳理，让读者更加系统地了解5G的前世今生。

 本书以第五代移动通信（5G）作为切入点，一方面回顾无线通信在理论、技术、器件、系统等方面的发展史，描述第1代模拟、第二至第五代数字移动通信系统的工作原理、关键技术与性能指标上的异同，另一方面，针对5G对智能化社会、智慧生活的多方面影响，分析了5G技术革新的“蝴蝶效应”和对社会政经发展、国际关系演变的“杠杆功能”。本书帮助读者找寻5G与自身专业、兴趣爱好和未来职业规划的结合点，激发其对“5G智能网联”与各行各业的融合模式创新与实际落地的深入思考。
 本书涵盖内容广、案例分析丰富，可作为面向电子信息、电气工程、计算机、机械能 源、经济管理、传媒艺术、政治经济等类相关专业的大学生、研究生，有关无线通信、5G通识基础的导论课教材，也可以作为通信类本科、研究生专业课程的扩展阅读材料。结合本书配套的线上慕课、网上录播视频、以及课件共享资源，高校教师可在本校开设相关的本科、研究生通识课、学科交叉课，训练同学们的创新思维、提升交叉领域的创新能力。

尹学锋，工学博士，同济大学电子与信息工程学院副院长，教授，博士生导师, 1995年毕业于华中科技大学光电子工程系，2002、2006年于丹麦奥尔堡大学分别获得数字通信硕士学位和无线通信工学博士学位。主要研究兴趣包括电波传播信道特征、高精度参数估计算法、雷达信号处理与无线环境感知, 发表论文120余篇，英文著作一部，授权PCT国际专利8项，中国专利5项，国际信道标准两项。主要科研成果有：（1）、多种信道参数高精度估计算法，包括SAGE（空间迭代广义期望大化）算法，多层证据框架算法，功率谱提取算法，多径粒子滤波算法，和球面波提取算法，其中SAGE算法因其能够对每条传播路径的14个参数即时延、波离方向、波达方向、多普勒频移，以及极化矩阵进行估计，已成为建立SCM， SCME模型的标准算法；（2）、实测统计信道模型成为国际标准，即基于城市场景的Relay信道特征模型成为ITU信道模型标准，无人机空地信道模型成为3GPP标准模型；（3）、针对5G场景的信道特征研究，包括13-17GHz，28 GHz，60 GHz，71-73 GHz，70-77GHz室内外场景，动静态，全双工，空对地、卫星对地面，Massive MIMO，以及地物损耗、植被损耗场景；（4）、创新随机图论信道模拟理论，拥有自主知识产权的核心仿真技术，使图论成为可代替射线追踪的低复杂度、高准确度信道仿真工具。

序言 
第1章 5G的基本概念和应用 
1.1 1G到5G的不同 
1.2 5G基本性能 
1.3 5G能为我们带来哪些改变？ 
1.4 5G依赖的关键技术 
1.5 专家解读5G之路 
1.6 悲观论 
1.7 5G的发展预测 
1.8 小结 
1.9 习题 
第二章 通信的历史 
2.1 电磁理论的发展历史 
2.2 无线器件与设备的发展史 
2.3 移动互联网的发展史 
2.4 无线通信产业的历史与5G前瞻 
2.5 小结 
2.6 习题 
第三章 5G无线通信标准 
3.1 无线通信技术协议 
3.2 解读5G标准 
3.3 5G与WIFI的融合 
3.4 4G与5G的融合与过渡 
3.5 5G编码标准 
3.6 小结 
3.7 习题 
第四章 5G的芯片 
4.1 芯片入门 
4.2 5G终端基带芯片
4.3 5G基站芯片 
4.4 5G手机芯片 
4.5 国内外5G芯片差距 
4.6 小结 
4.7 习题 
第五章 5G专利 
5.1 专利的类别：核心专利的覆盖范围 
5.2 专利的分布 
5.3 专利的使用策略 
5.4 专利之战 
5.5 专利与贸易战 
5.6 各个公司的5G专利布局 
5.7 未来的改革方向 
5.8 小结 
5.9 习题 
第六章 5G移动网络与深度学习 
6.1 背景 
6.2 深度学习入门 
6.3 在移动网络中实现深度学习 
6.4 深度学习方法 
6.5 深度学习驱动的移动和无线网络 
6.6 未来研究视角 
6.7 总结 
6.8 习题 

本书的编者为尹学锋教授和颜卉博士，团队构成兼具学术与创新背景。尹学锋老师是同济大学电子与信息工程学院教授、博士生导师，同时也是学院负责教学与人才培养的副院长。他2009年加入同济大学电信学院以来，连续11年和华为进行有关4G、5G通信网络的研究合作，承担了近15项华为科研项目。与此同时，作为学院人才培养的负责人，他多年来对如何系统地将知识技术、科学研究，融合高校的思政培育，进行了深入思考和实践。颜卉博士任教于上海大学管理学院，在技术创新与商业、金融融合等方面有着多年的研究经验。两位编者的结合，使得该书呈现出三个不同于其他5G书籍的特点：（1）在技术层面对5G核心实现进行了深入浅出的讲解；（2）对5G对政经、商业、金融的颠覆性创新潜力进行了深刻的分析；（3）体现了技术与思政的融合，对培养学生的技术世界观、培养爱国敬业精神具有非常重要的作用。鉴于上述的特点，本书不仅非常适合作为高校通识课、思政课的教材和参考书，为如何从5G来进行意识形态、爱国爱家、敬业创新等核心价值观，提供了很多实例和分析，也可以作为一本通俗易懂的5G读本，对5G给个人日常工作学习以及社会带来的革新，进行深入的了解。