1.3 移动通信的发展概况

1.3.1 移动通信的发展简史

移动通信从1898年M.G.马可尼所完成的无线通信试验开始就产生了。而现代移动通信技术的发展是从20世纪20年代开始的，其代表——蜂窝移动通信大致经历了如下阶段。

第1阶段从20世纪20年代至40年代，为早期发展阶段。在这期间，首先在短波几个频段（2MHz）上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。这个阶段可以认为是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统，工作频率较低。

第2阶段从20世纪40年代中期至60年代初期。在此期间，公用移动通信业务开始问世。1946年，根据美国联邦通信委员会（FCC）的计划，贝尔电话实验室在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。这个系统的频率范围是35～40MHz，采用FM调制。随后，德国（1950年）、法国（1956年）、英国（1959年）等相继研制了公用移动电话系统。美国贝尔实验室解决了人工交换系统的接续问题。这一阶段的特点是从专用移动通信网向公用移动通信网过渡，接续方式为人工，网络的容量较小。

第3阶段从20世纪60年代中期至70年代中期。在此期间，美国推出了改进型移动电话系统（IMTS），采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。德国也推出了具有相同技术水平的B网。可以说，这一阶段是移动通信系统的改进与完善阶段，其特点是采用大区制、中小容量，实现了自动选频与自动接续。

第4阶段从20世纪70年代中期至80年代中期。这是移动通信蓬勃发展的时期。1978年底，美国贝尔实验室成功研制出先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝移动通信网，大大提高了系统容量。1979年，日本推出800MHz汽车电话系统（HAMTS），在东京、大阪、神户等地投入商用。1985年，英国开发出全接入通信系统（TACS），首先在伦敦投入使用，以后覆盖了全国。同时，加拿大推出移动电话系统（MTS）。瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT-450移动通信网，并投入使用。这一阶段的特点是蜂窝移动通信网实用化，并在世界各地迅速发展，这是一个真正推动移动通信广泛商用化的时期，也正是从此开始，移动通信系统按“代”表述，始称“第一代”。移动通信大发展的原因，除了用户需求迅猛增加这一主要推动力之外，还有其他几方面技术的发展所提供的条件。首先，微电子技术在这一时期得到长足发展，这使通信设备的小型化、微型化有了可能，各种轻便电台被不断地推出。其次，出现了移动通信新体制。随着用户数量的增加，大区制所能提供的容量很快饱和，这就必须探索新体制。在这方面最重要的突破是贝尔实验室在20世纪70年代提出的蜂窝网概念。蜂窝网即所谓的小区制，由于实现了频率复用，系统容量得到明显提高。可以说，蜂窝网技术有效解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。最后，随着微处理器技术的日趋成熟，以及计算机技术的迅猛发展，大型通信网的管理与控制有了强有力的技术手段。

第5阶段从20世纪80年代中期开始。以AMPS和TACS为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率低，移动通信设备复杂，费用较高，业务种类受到限制，以及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户需求。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝系统，即第二代移动通信系统。数字无线传输的频谱利用率高，可大大提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数据等多种业务，并与ISDN兼容。第二代移动通信以GSM和窄带CDMA（N-CDMA）两大移动通信系统为代表。事实上，在20世纪70年代末期，当模拟蜂窝系统还处于开发阶段时，一些发达国家就着手研究数字蜂窝系统。到20世纪80年代中期，为了打破国界，实现漫游通话，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网（GSM）体系。GSM系统于1991年7月开始投入商用，并很快在世界范围内获得了广泛认可，成为具有现代网络特征的通用数字蜂窝系统。由于美国的第一代模拟蜂窝系统尚能满足当时的市场需求，所以美国数字蜂窝系统的实现晚于欧洲。为了扩大容量，实现与模拟系统的兼容，1991年，美国推出了美国第一套数字蜂窝系统（UCDC，又称D-AMPS），UCDC标准是美国电子工业协会（EIA）的数字蜂窝暂行标准，即IS-54，它提供的容量是AMPS的3倍。1995年美国电信工业协会（TIA）正式颁布了窄带CDMA（N-CDMA）标准，即IS-95A标准。IS-95A系统是美国第二套数字蜂窝系统。随着IS-95A的进一步发展，TIA于1998年制定了新的标准IS-95B。另外，还有1993年日本推出的采用TDMA多址方式的太平洋数字蜂窝（PDC）系统。

第6阶段从20世纪90年代中期开始到21世纪初。伴随着对第三代移动通信（3G）的大量研究，1996年底国际电联（International Telecommunication Union，ITU）确定了第三代移动通信系统的基本框架。2001年，多个国家相继开通了3G商用网，标志着第三代移动通信时代的到来。欧洲的电信业巨头们则称其为UMTS（通用移动通信系统）。3G系统能够将语音通信和多媒体通信相结合，其增值服务包括图像、音乐、网页浏览、视频会议以及其他一些信息服务，其主流标准有北美和韩国的cdma2000、欧洲国家和日本的WCDMA、中国的TD-SCDMA。3G系统与现有的2G系统不同，3G系统采用CDMA技术和分组交换技术，而不是2G系统通常采用的TDMA技术和电路交换技术。与现在的2G系统相比，3G将支持更多的用户，实现更高的传输速率（如室内低速移动场景下数据速率达2Mbit/s）。近年来，3G系统已经在许多国家大规模商业应用，与此同时，IEEE组织推出的宽带无线接入技术也从固定向移动化发展，形成了与移动通信技术竞争的局面。为应对“宽带接入移动化”的挑战，同时为了满足新型业务需求，2004年底第三代合作伙伴项目（3rd Generation Partnership Project，3GPP）组织启动了长期演进（Long Term Evolution，LTE）的标准化工作。

第7阶段从21世纪前10年代中期开始。在推动3G系统产业化和规模商用化的同时，LTE项目持续演进。2005年10月，国际电联正式将B3G/4G（后三代/第四代）移动通信统一命名为IMT-Advanced（International Mobile Telecommunication-Advanced），即第四代移动通信。IMT-Advanced技术需要实现更高的数据速率和更大的系统容量，能够提供基于分组传输的先进移动业务，显著提升QoS的高质量多媒体应用能力，满足多种环境下用户和业务的需求，支持从低到高的移动性应用和很宽的数据速率，在低速移动、热点覆盖场景下数据速率达1Gbit/s以上，在高速移动和广域覆盖场景下达100Mbit/s。2008年3月，国际电联开始征集IMT-Advanced无线接入技术标准，3GPP和IEEE等国际标准化组织分别提出了LTE-A（LTE-Advanced的简写）和IEEE 802.16m，其中LTE-A包括FDD和TDD两部分；2012年1月20日，国际电联会议正式审议通过将LTE-A和IEEE 802.16m技术规范作为国际标准，我国主导的TD-LTE-A同时成为国际标准，也标志着我国在移动通信标准领域再次走到世界前列是我国通信历史上又一个里程碑式的重要成果。

第8阶段从21世纪10年代中期开始。4G的成功商用化明显促进了人与人通信，但在人与物、物与物的通信中，尤其是大规模、低时延、高可靠的需求场景中，显得力不从心。为此，人们开始研发5G移动通信系统，提出了“信息随心至，万物触手及”的5G愿景。2018年国际电联确定了5G标准的第一个版本（R15），2019年中国等国家给通信运营商发放了5G牌照，中国乃至世界进入5G商用元年，5G应用开始逐渐普及。表1-1列出了每一代蜂窝移动通信系统涉及的主要特色、代表性终端、技术需求和核心无线关键技术，从中可大致了解每一代蜂窝移动通信系统的特点。

表1-1 每一代蜂窝移动通信系统涉及的标志、技术需求和核心无线关键技术

在蜂窝移动通信蓬勃发展的同时，其他移动通信也迅速发展。无线寻呼系统的最早实验系统是1948年美国贝尔实验室开发的Bell Boy。世界上最普遍使用的寻呼标准是英国邮局编码标准咨询组开发的POCSAG，为英国、澳大利亚、新西兰和一些西欧国家所采用，也为我国公用寻呼系统所采用。POCSAG支持二进制的频移键控（FSK），其信号传输速率为512bit/s、1200bit/s和2400bit/s。为提高传输信号传输速率，后期人们又开发了FLEX和ERMES等标准。

有代表性的公用无绳电话系统是1987年英国推出的CT2。CT2使用微蜂窝覆盖，覆盖范围一般小于100m，不支持基站间的切换。它使用FSK和32kbit/s的自适应脉冲编码调制（ADPCM）来获得高质量语音。1989年欧洲推出了欧洲数字无绳电话（DECT）标准，用于支持办公和商务用户的语音和数据传输。1993年日本推出了PHS标准，用于支持室内和本地环路的应用。1994年美国推出了PACS系统，也用于支持室内和本地环路的应用。1998年中国浙江余杭推出了PHS中国化的“小灵通”系统。

在20世纪80年代初，一些幅员辽阔的国家开始探索把同步卫星用于陆地移动通信的可能性，提出在卫星上设置多波束天线，像蜂窝网中把小区分成区群那样，把波束分成波束群，实现频率复用，以提高系统的通信容量。1993年，美国休斯公司提出的Spaceway计划，其目的是研制一个双星移动通信系统，从而为北美地区提供语音、数据和图像服务。在利用同步卫星进行通信方面，国际海事卫星组织提出了在21世纪实现用手机进行卫星移动通信的规划，并把这个系统定名为IMARASAT-P。美国也提出了TRITIUM系统和CELSAT系统，还有日本MPT的COMETS等计划。

当前，世界各国在大力推进5G商用化工作的同时，已开始着手新一代移动通信技术的研究，力图通过新技术来解决移动互联网和物联网强劲发展所带来的问题，如，高逼真VR/AR和无线脑机交互等应用所需的极高数据速率，以及“上天入地下海”的空—天—海—地一体化网络覆盖等，力图实现“一念天地，万物随心”愿景。