1.1 从1G到5G——移动通信系统演进

移动通信是整个通信业领域中发展最快的，它在过去几十年中获得了非常快速的增长。目前，根据GSMA的统计，全世界已有超过50亿的移动用户和超过90亿的移动设备（如图1-1所示），在许多国家和地区，手机和各种移动终端已成为人们生活和工作中不可缺少的工具。

最早期的无线电语音通信可以追溯到1914年，采用的是模拟调制方式，当时的无线电通信多为专用的，主要用途为军队、警察、公共安全、紧急通信等。到1946年，美国的AT&T公司在25个城市实现了公共无线电话系统。当时的无线通信系统只是简单采用了以一台无线通信发射机覆盖整个城市的方法，频谱资源没有得到很好的利用，系统的容量也很低。截止到1976年左右，纽约市的整个无线电话只有12个信道，可同时支持543个用户。

为了解决容量问题，AT&T贝尔实验室在20世纪六十年代发明了蜂窝组网的概念，其核心思想是频谱资源的空间复用，即通过控制每个小区的发射功率，同样的频率资源可以被空间上保持一定距离的不同用户使用。蜂窝网小区通信的基本原理如图1-2所示。

在接下来的几十年中，蜂窝网无线通信系统获得了快速发展，并大体上以每十年为一个周期进行更新换代，从1G发展到现在的5G。每一代的更新都在技术、容量、应用和用户体验上较上一代有很大的提升。蜂窝系统的演进时间表如图1-3所示。

1.1.1 1G（1979—）

第一代无线通信系统（1G）出现在20世纪70年代末80年代初，以美国的AMPS（Advanced Mobile Phone Service）、北欧的NMT（Nordic Mobile Telephone）和欧洲的TACS（Total Access Communication System）为主要代表。1G系统的第一次商业应用是1979年在日本由NTT实现的，美国则一直到1983年才开始正式部署AMPS。

在我国，第一代移动系统的代表是自1987年起从欧洲引进的TACS系统，引进后在我国获得快速发展，最多时拥有多达600万的用户量，当年生活中常见的大哥大即出自于此（见图1-4）。

1G采用的是模拟通信制式，采用频率调制（FM）和频分多址（FDMA）的多路复用技术。如在美国，FCC共为AMPS分配了50MHz的频谱（其中，上下行各自占据25MHz带宽），AMPS系统的每一个信道采用的都是30kHz的调频对语音信号进行调制。

1G系统存在很多问题，如：

（1）标准多且不统一。除了AMPS、NMT、TACS外，加拿大、德国等国也有各自的系统，这些系统虽然原理接近，但是相互之间难以通用。

（2）安全问题。1G系统在空中传播的模拟信号是不加密的，任何人都可以通过模拟接收机轻易截获别人的通话。

（3）频谱效率低。政府分配的频谱资源本身就不多，加上模拟制式本身的限制，无线通信在当时成了高消费。

（4）服务质量差。模拟制式方式本身造成信号不稳定，相互间干扰严重，加上没有纠错的功能，严重影响了客户的通话质量。

（5）相互间不可漫游，商务使用和旅行都非常不方便。

正是由于第一代系统的不足，许多国家在第一代系统商用的同时就投入了第二代系统的研究。

1.1.2 2G（1991—）

第二代移动通信系统（2G）最先于1991年在芬兰由Radionlinja首次商用。2G系统以欧洲的GSM（Global System for Mobile Communication）、美国的D-AMPS（Digital AMPS）、日本的PDC（Personal Digital Cellular）以及此后不久出现的IS-95 CDMA系统（又被称为cdmaOne）等为主要代表。2G系统由于采用了先进的数字通信技术，相比1G系统大大提高了系统容量和语音通话质量，同时也降低了设备成本和功耗。

欧洲开发的GSM是2G中最成功的系统。GSM系统结合了TDMA、慢跳频（Slow Frequency Hopping）、GMSK（Gaussian Minimum Shift Keying）调制等新的通信技术来传送语音信号，系统容量达到了第一代模拟系统的3～5倍。该系统首先获得欧洲各国的支持和部署，后来在世界各地获得了巨大的成功。直至今日，第二代的GSM系统仍然在世界各地许多运营商的网络中提供语音和低速数据服务，图1-5所示为一款诺基亚的第二代GSM手机。

在美国，2G则分化为两个系统。第一个系统是基于IS-54的D-AMPS（Digital AMPS），采用的是TDMA/FDMA和FSK调制技术。该系统将每一个30kHz的AMPS频道又以TDMA的方式分为3个子信道，提供了相当于AMPS模拟系统3倍的容量，D-AMPS可以兼容美国原有的AMPS系统。第二个系统则是由高通公司（Qualcomm）主导推动的IS-95 CDMA系统，该系统最早于1995年在中国香港由Hutchinson实现商用，CDMA采用了技术上更加先进的直接序列CDMA技术（Direct-Sequence CDMA），另一种CDMA系统为在军事上应用较多的跳频（Frequency-Hopping CDMA）。CDMA技术在频率利用率、软切换、抗干扰、过滤背景噪声等方面相对于TDMA系统都具有非常大的优势，并且可以提供10多倍于AMPS的系统容量。但由于CDMA在2G中的起步较晚，获得的产业链支持相对较少。除此之外，高通的专利收费模式也受到业界争议，因此其在2G时代获得的部署范围不如GSM。但是CDMA作为一种优秀的通信技术在后来的3G时代成为主选技术并大放异彩。

2G系统在最先推出时主要提供语音服务，后来逐步演变增强为也可支持如E-mail、互联网浏览、SMS等有限的数据服务。基于GSM的GPRS（General Packet Radio Service）数据业务通过整合时隙为用户提供14.4～64kbit/s传输速率服务，EDGE（Enhanced Data Services for GSM Evolution）则采用了更高阶的调制技术提供更高速率的数据服务。

在我国，中国移动和中国联通在2G时代部署了GSM系统，中国电信则部署了IS-95 CDMA系统。

2G系统基本解决了1G系统存在的诸多不足，如信号质量、漫游、安全性等问题，同时提供了更高的容量和最基本的数据通信服务。从1997年起，随着用户数的高速增长，系统容量的不足以及数据业务的速率较低等问题日益显现，国际上对于3G标准的制定也就进入了实质性阶段。

1.1.3 3G（1999—）

第三代移动通信系统（3G）的主要代表是欧洲的WCDMA、美国的cdma2000和中国主导推动的基于时分双工的TD-SCDMA。这几种标准都是基于CDMA技术，但是在技术和实现上又各有不同的特点。3G的第一次商用是由日本的NTT于2001年实现的，采用的是WCDMA技术。

3G系统除了支持语音和短信业务外，还可以更广泛地提供诸如移动互联网、视频电话、移动电视等数据业务。

和2G所广泛采用的TDMA相比，3G采用的CDMA技术具有以下主要特点。

（1）频谱效率高。CDMA的频谱效率大约是TDMA系统的3倍。

（2）基站覆盖距离远。在接收端通过采用RAKE接收机可以有效地利用无线信道多径效应，CDMA的链路增益超过GSM 3～6dB。

（3）同频复用。频率资源可以在不同小区反复使用，大大简化了网络规划。

（4）跨越小区时采用软切换。用户感知好，不易发生切换失败。

WCDMA和cdma2000都采用了频分双工（FDD，Frequency Division Duplex），上下行采用不同的频段进行传送，而TD-SCDMA则采用了时分双工（TDD，Time Division Duplex）的方式，上下行采用相同的频段进行传送，TDD方式在充分利用频谱（尤其是单块的频谱资源）和非对称上下行流量时具有一定优势，但同时也增加了系统的复杂度。

欧洲的WCDMA系统和原有的GSM有一定的兼容性，由于有GSM庞大的用户群以及成熟的产业链做支持，因此在3G时代拥有最大的市场。随着智能手机的发展，移动流量需求上升，WCDMA后续又演进出3.5GHz的HSPA（High Speed Packet Access），而cdma2000则演进出1×EV-DO（Evolution，Data Only）支持高速数据服务。

在我国，中国移动在3G时代主要部署了TD-SCDMA系统，中国联通和中国电信则分别部署了WCDMA和cdma2000系统。

3G系统虽然相对2G系统拥有诸多技术优势，但是由于在推广初期预期过高，3G运营牌照拍卖的费用十分高昂，造成运营商反而没钱投入网络建设和部署。此外，原来预想的市场对于无线数据服务的巨大需求和杀手级的应用也没有出现，用户应用仍然主要局限于E-mail之类的文本型应用，这些应用并不需要太大的数据流量，因此3G初期建设的网络没有得到充分的利用。3G系统在推广的初期并没达到预期效果。

这种情况一直持续到2007年，美国苹果公司推出第一款iPhone（见图1-6），自此引发智能手机的革命，引爆了用户对于无线数据业务的巨大需求，情况才得到改观，3G网络建设和扩容才得以进入快车道。但是与此同时，一种更新的技术标准也出现了，那就是基于OFDM技术的4G LTE系统。

1.1.4 4G（2009—）

最先出现的第四代移动通信系统（4G）有两个。一个是在美国最先出现的全球互联微波接入（WiMAX，Worldwide Interoperability for Microwave Access），该系统由英特尔公司推动，是从无线局域网Wi-Fi演进而来的，采用了和IEEE 802.11a/g相同的OFDM技术。WiMAX采用了2005年完成的IEEE 802.16e以及后续演进的IEEE 802.16m标准，后来由于各种原因（如对终端移动性的支持较差、产业链不完整以及来自LTE的竞争等）而逐步没落。另一个就是目前广泛部署的LTE，该系统和WiMAX有相似之处，同样采用了20MHz的系统带宽（LTE后续通过载波聚合可以达到5×20MHz）。

世界上第一个商用的LTE网络是2009年5月由爱立信和TeliaSoNera在瑞典的斯德哥尔摩启动部署。4G系统在提供语音通信的同时也提供高速数据服务。

根据双工（Duplex）方式的不同，LTE系统又分为FDD-LTE和TD-LTE。其最大的区别在于上下行通道分离的双工方式，FDD上下行采用频分方式，TDD则采用时分的方式。除此外，FDD-LTE和TD-LTE采用了基本一致的技术和标准。国际上多数运营商部署了FDD-LTE系统，TD-LTE则主要部署于中国移动以及全球少数的运营商的网络中。

从3G到4G是一个从低速数据向高速数据传输的演进过程。4G系统除了提供传统的语音和基本的数据服务外，还提供了移动宽带服务，支持的应用范围涵盖了移动互联网、游戏、HDTV、视频会议、云服务等。

1.1.5 5G（2019—）

LTE系统虽然技术上非常先进，但是人类社会仍然有不少需求是它无法支持的。此外，LTE启动也已过去多年了。这些都促使人们从2012年左右开始讨论新的一代无线系统—第五代移动通信系统（5G）的愿景。

2015年6月，ITU（国际电信联盟）正式确定了5G名称、场景和时间表；WRC15会议则讨论归纳了可能的频谱资源；3GPP也于2015年年底启动了5G的标准化工作，并在2018年完成了第一个正式版本的独立组网5G标准（3GPP R15）。

5G是面向2020年后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统，5G系统所带来的最大的改变就是要实现人与物、物与物之间的通信，要实现的是万物互联，推动社会发展。图1-7为ITU-R定义的5G关键能力示意。

5G系统的应用场景大体上可以分为3类（见图1-8），而这3类应用场景又带来新的技术要求。

（1）增强移动宽带（eMBB，Enhanced Mobile Broadband）场景：eMBB可以看成是4G移动宽带业务的演进。主要目标为随时随地（包括小区边缘和高速移动等恶劣环境）为用户提供100Mbit/s以上的用户体验速率；在局部热点区域提供超过1Gbit/s的用户体验速率、数十Gbit/s的峰值速率以及数十Tbit/（s·km2）的流量密度。eMBB不仅可以提供LTE现有的语音和数据服务，还可以实现诸如移动高清、VR/AR等应用，提升用户体验。在技术上，为了实现这个目标就需要引入新的空口和各种新的技术，如大规模天线（Massive MIMO）、超密度组网（UDN）等技术，并且需要增加带宽和频率范围等。

（2）海量机器类通信（mMTC，Massive Machine Type Communication）场景：主要面向智慧城市、环境监测、智慧家庭、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景。其主要特点是小数据包、低功耗、大量连接数。这一场景不仅要求网络具有支持超过每平方公里百万连接的连接密度，而且还要保证终端设备的低成本和低功耗。在技术上，为此就需要设计针对此类物联网业务特性的新的空中接口，引入新的多址接入和波形设计，并优化信令和业务流程。

（3）超高可靠低时延通信（URLLC，Ultra Reliable Low Latency Communication）场景：这一类业务主要包括车联网、工业物联网、远程医疗等应用场景，这类应用要求1ms量级的时延和高达99.999%的可靠性。在技术上，需要设计新的空口、缩短子帧长度、支持新的调度算法和采用更先进的编解码机制以进一步降低传输时延和提高可靠性。

当然，对以上3类应用场景的划分是为了简化需求进行的人为划分。实际中出现的应用场景也有可能会介于上述三大类场景之间，这些也都是5G系统需要支持的。

总的来讲，5G的关键技术主要包括新的空中接口技术和网络架构重构两个方面。前者是指新的波形设计/多址技术/信道编解码等物理层技术、新的信令控制流程、新的频段和全频谱接入、大规模天线（Massive MIMO）技术等；后者则是指网络将基于网络功能虚拟化（NFV）/软件定义网络（SDN）向软件化、云化转型，用IT方式重构，实现网络切片，提供多样化的服务，以支持低时延和大连接的需要。

5G“三超”（超高速、超低时延、超大连接）的关键能力和万物互联的应用场景将开启人类信息社会的新一轮变革，对社会各领域的渗透与影响也将前所未有。

截至2018年12月，全球有近200家运营商启动了5G测试、试验以及部署的计划。多数5G试验的应用场景与AR/VR、固定无线接入、高清视频传输和物联网应用有关。很多国家也已明确5G频谱拍卖/分配时间或发布了5G推进政策和计划。

在我国，早在2013年年初，工业和信息化部、国家发展和改革委员会与科技部就联合成立了IMT-2020（5G）推进组，还启动了5G国家重大专项和“863”计划的5G研发项目。工业和信息化部从2015年9月起组织启动了5G的技术试验，试验包含关键技术验证、技术方案验证和系统验证3个阶段，由运营商、设备商及科研机构共同参与。2019年6月6日，工业和信息化部向中国移动、中国电信、中国联通、中国广电发放了5G商用牌照，这标志着我国已进入5G时代。

综前所述，移动通信的每一代演进都超越并解决了上一代系统的一些问题，除了社会经济发展的需求驱动，通信理论、技术、元器件的发展起到了使能者的关键作用。1G建立了首个可用于通话的模拟制式的蜂窝网通信系统；2G实现了从模拟向数字通信的革命性转变、提高了通信容量和安全性；3G实现了向数据传输的迈进；4G时代提供了移动宽带业务；以后的5G时代，移动通信将在大幅提升以人为中心的移动互联网业务使用体验的同时，全面支持以物为中心的物联网业务，实现一个万物互联的理想社会。

展望未来，有一种观点认为，移动通信发展至今已非常成熟，如果5G网络能合理地设计部署，我们将不再需要6G、7G、8G……系统，只需要一些小的改动即可满足未来社会的需要。另一方面，中国、欧洲、美国、日本、韩国等已开始布局6G技术研究，但是6G相关的技术观点也很多，有的认为使用大于275GHz的太赫兹频段实现进一步增强型移动宽带是6G的关键，有的认为应该把卫星通信也有效整合起来，以实现人类通信更大的自由度，也有的在研究把人工智能引入移动通信系统。不管怎样，目前，定义的5G网络具有很强的灵活性，还没有特别多的应用场景需要改变整个5G架构。因此，走好当下的5G之路才是最关键的。