1.1　移动通信网络发展及演进

通信是人类社会与生俱来的交流方式，其核心是在发送方和接收方之间完成信息的交换。事实上，人类在很早以前已经开始基于无线通信手段进行通信，例如烽火台就是利用火光和烟雾来传递信息。另外，人们通过“击鼓传信”的接力方式，也可以在短时间内把消息传递到较远的地方。无线电发明之后，人们将无线电作为传递信息的载体，这一创举给人类通信带来了革命性的变化。1897年，意大利人马可尼成功实现了横跨布里斯托尔海湾的无线电通信，标志着人类进入了无线电通信的新时代。

20世纪20年代是现代移动通信的起步阶段，初期采用较低工作频率，重点用于专用系统，即短波专用移动通信系统，如工作于2MHz频段的车载无线电系统。直到20世纪40年代中期到60年代中期，出现了公用汽车电话业务，又经历了人工接续公众移动通信、大区制移动通信系统（支持无线频道的自动选择和控制）两个发展阶段，实现了从专用移动网向公用移动网的过渡。

20世纪70年代中期至80年代中期，移动通信进入蓬勃发展时期，第一次实现了真正意义上的随时随地的通信。1976年，美国摩托罗拉公司的工程师马丁·库珀首先将无线电应用于移动电话。同年，世界无线电大会批准了800/900MHz频段用于移动电话的频率分配方案。1978年底，美国贝尔实验室成功研制出AMPS（高级移动电话系统），并引入小区制。小区制指的是每个小区建设一个无线基站，不同小区可以重复使用相同的频率，由若干相邻的小区组成网络，形成类似于六边形的蜂窝状网络，如图1-1所示。人们基于AMPS建成了蜂窝状移动通信网，从而大大提升了频谱利用率和系统容量，解决了公用移动通信系统容量与频率资源之间的矛盾。在此之后，一直到20世纪80年代中期，其他工业化国家也相继开始建设基于FDMA（频分多址）技术和模拟调制技术的移动通信系统，例如德国的C系统、英国的TACS（全接入通信系统）、北欧的NMT（北欧移动电话）等。至此，现代移动通信的序幕正式拉开。

图1-1　蜂窝状网络示意图

第一代移动通信系统（1G）是以AMPS和TACS为代表的蜂窝状移动通信网，主要基于模拟信号为移动用户提供语音业务。1G最终未能实现大规模普及，主要是因为其自身存在一些局限性。例如存在多种制式、未能采用统一标准、不能实现自动漫游、终端设备昂贵，并由于基于模拟技术，业务种类有限而且保密性差、容量有限等，不能满足移动用户迅速增长的需求。1987年，我国开通了第一代蜂窝状移动网络，并采用了TACS制式。当时的技术和产品主要依赖进口，我国1G网络于2001年关闭。

第二代移动通信系统（2G）采用数字蜂窝移动通信技术，除提供高质量语音业务外，还能支持短消息业务以及100kbit/s量级的低速数据业务。同时，2G频谱利用率高，大大提高了系统容量以及通信传输的保密性。20世纪80年代中期，欧洲推出了基于数字的时分多址（TDMA）技术的GSM（全球移动通信系统）技术体制。该技术体制基于欧洲共同体制定了统一标准，在全球200多个国家得到了广泛应用，并实现了国际漫游。北美推出了码分多址（CDMA）制式，采用码分多址技术，并在北美、亚洲等地得到广泛应用。1994年，我国开通了2G网络，采用GSM技术体制。2001年，中国联通开通CDMA网络。2G时代，我国移动通信设备主要靠进口，国产设备产业开始起步，逐渐形成电信、移动、联通三大运营商的格局。

第三代移动通信系统（3G）采用支持高速数据传输的数字蜂窝移动通信技术，除了提供语音、短消息通信服务，还支持高速移动宽带多媒体等数据业务，如可变速率数据、移动视频、高清晰图像、流媒体业务等。3G移动通信系统可提供无线接入Internet业务，同时提供比2G更大的容量、更高的通信质量，而且在全球范围内实现无缝漫游。

1996年，国际电信联盟（ITU）将3G命名为IMT-2000（国际移动通信-2000）。2000年5月，ITU正式批准通过了包含WCDMA（宽带码分多址）、TD-SCDMA（时分同步码分多址）、CDMA2000在内的3G国际标准。WCDMA基于GSM演进而来，具有先天的市场优势，占据全球80%以上的市场份额。CDMA2000由窄带CDMA技术发展而来，在日本、韩国、中国和北美得到了应用。TD-SCDMA由中国提出，采用时分双工模式，由中国移动建设和运营，实现了规模性商用。

与1G、2G相比，3G移动通信系统的目标是：在世界范围内确保设计的高度一致性；与固定网络中的各种业务相互兼容；能提供多种类型、高质量的移动多媒体业务；具有全球漫游能力；支持全球范围内使用的终端等。3G移动通信系统同时要求在高速移动环境中支持144kbit/s的数据传输速率，在步行慢速移动环境中支持384kbit/s的数据传输速率，以及在室内环境中支持2Mbit/s的数据传输速率。2009年1月，我国工业和信息化部（以下简称工信部）为中国移动、中国电信和中国联通发放3张3G牌照，标志着中国进入3G时代。

第四代移动通信系统（4G）支持语音业务、宽带数据业务，相比3G，可提供更高的业务性能指标，如峰值传输速率1Gbit/s、空口时延20ms等。4G采用了LTE（长期演进）/LTE-Advanced新一代宽带无线移动通信技术，基于OFDM（正交频分多址）和MIMO（多输入多输出）技术，在移动通信空中接口采用优化的分组数据传输。4G采用“扁平网络架构”设计理念，引入了“快速自适应分组调度”和“灵活可变的系统带宽”等新技术，实现了无线资源高效利用，具有远远优于3G的系统和业务性能。4G时代，移动互联网业务得到迅猛发展，在很大程度上改变了人们的生活。

为了满足人们对高速率数据业务、多媒体业务等的新需求，增强3G技术的竞争力，国际标准化组织3GPP（第三代合作伙伴计划）于2004年底启动了3G技术LTE技术标准的研制。2006年，TD-SCDMA标准与LTE国际主流标准融合并形成了TD-LTE标准，后来，包含FDD（频分双工）和TDD（时分双工）方式的LTE/LTE-Advanced技术逐步完善，形成了4G国际标准。

工信部牵头成立了TD-LTE工作组，组织产、学、研、用相关单位共同开展概念验证、研发技术实验以及规模实验，推动TD-LTE的研发和产业化。2013年12月，我国发放4G牌照，标志着中国进入4G时代。

第五代移动通信系统（5G）除支持4G的通信业务、移动互联网业务外，还可以支持虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、超高清视频等，发挥其网络超高速率、超低时延的优势，为用户带来更好的应用体验；另外，从穿戴设备、智能家居，到智慧城市的基础设施都可以接入5G网络，实现万物互联，从而满足各种移动互联网和物联网场景的多样化和极致业务需求。

5G在无线和网络方面都引入了新的技术。其中，在无线技术方面，为了支持三大应用场景，5G采用了灵活的系统设计、新波形等技术方案；为了支持高速率传输和更优覆盖，5G采用LDPC（低密度奇偶校验码）、Polar新型信道编码方案、性能更强的大规模天线技术等；为了体现低时延、高可靠的特性，5G采用短帧、快速反馈、多层/多点数据重传等技术。在网络技术方面，5G采用全新服务化网络架构，可以针对不同业务场景快速开发定制化的网络业务，实现网络切片和边缘计算等。

2018年底，美国和韩国运营商宣布了5G商用计划，在部分城市和地区部署5G网络，其中美国主要采用高频技术，提供5G固定无线接入服务，替代光纤入户；其他主要国家也陆续发布5G商用计划。据GSMA（全球移动通信系统协会）统计，目前全球已有70多家运营商宣布了5G商用计划，2019年有10多个国家正式进入5G商用时代，并为第一批5G智能手机提供移动服务；2020年底前有50多个国家推出5G商用业务，5G终端更加多样，5G业务更加丰富多彩。2019年6月，我国发放5G牌照，标志着我国正式进入5G时代。