第一章　5G发展概述

第一节　移动通信技术的发展

通信是人类与生俱来的基本需求，千百年来，人们一直在用语言、图符、钟鼓、烟火、文字等传递信息，通信方式的变化一直深刻地影响着人类的生活。中国在殷商时代就有“烽火遥见，鼓可遥传”的通信方式。在古代非洲，击鼓传信是最早且最方便的信息传递方式。古代非洲人制作的圆木大鼓可传声至三四千米远，再通过鼓声接力和专门的击鼓方式，可在很短的时间内把消息准确地传到50km以外的另一个部落。不论是古人的飞鸽传书、烽火狼烟，还是驿马邮递，人类一直在探索可以将信息传递得更远、更快的方法。

回顾历史，没有人会否认信息的重要性，罗斯柴尔德家族用快马传递英法战争战况的故事告诉我们，在很多时候，信息的传递速度和信息本身一样重要。在古代，受限于技术本身，人们能想到的最快的信息传递方式是通过鸽子、马，甚至是由人来完成。众所周知，马拉松这项运动是为了纪念那位快速奔跑了42km最终将自己累死的希腊传令兵，在这位传令兵的壮举被载入史册的同时，我们也看到人们在通信方面曾经走过多么艰苦的历程！

那时候的人们恐怕无法想象当今信息时代人们的生活，在他们看来，信息的传递速度受限于飞行和奔跑的速度，通信传递速度的“天花板”一直无法突破——直到电信号的出现。随着电信号的出现，通信技术给人类社会带来了翻天覆地的变化。从某种意义上来说，电信号作为信息的传递媒介取代了飞行和奔跑，这意味着古代通信方式的终结，并掀开了现代通信方式的新篇章，尤其是移动通信领域不断出现的里程碑将通信技术推向更高的山峰。因此，我们有必要回顾一下移动通信的发展历史。

一、第一代移动通信

第一代移动通信简称为1G，属于模拟通信，它开启了通信的移动时代。20世纪60年代美国贝尔实验室等研究机构提出移动蜂窝系统的概念和理论，也就是第一代移动通信的理论雏形。随后北美、欧洲和日本几乎同时启动了1G的研究和产业化，并于20世纪80年代陆续投入商用。第一代移动通信系统主要采用模拟技术，如图1-1所示。这一时期的特点是模拟化，即利用正弦波的幅度、频率、相位的变化，或者利用脉冲的幅度、宽度或位置变化来模拟原始信号，以达到通信的目的，这个过程被称为模拟通信。模拟信号在日常生活中很常见，如语音信号、干扰信号、噪声、电视摄像管产生的图像电流信号等，它们的共同特点是幅度随时间连续变化。模拟通信系统就是产生模拟信号，并通过电信号将其进行传输，最后在接收端把它恢复为原来消息信号总和。模拟通信系统如图1-2所示，信源产生预传输的语音，将非电的语音信号输入变换器（如送话器、光电管），然后调制器将语音调制成连续的电信号，常见的调制方式为正弦波调制，如图1-3所示，虚线为原始语音信号波形，实线为正弦波调制后的信号波形。调制后的电信号在某种介质中传输，在这个过程中信号会受到不同程度的噪声干扰。在接收端的解调器会根据关键的调制器参数对电信号进行解调，还原该语音信号，并被信宿获得。

第一代移动通信系统作为移动通信技术的初始阶段，经历了以下一些重要的历史事件。

1971年12月，美国运营商美国电话电报公司向美国联邦通信委员会提交了蜂窝移动服务提案。1978年，美国贝尔实验室成功研制出全球首个移动蜂窝电话系统——高级移动电话业务（AMPS）。1979年，日本电报电话公司在日本东京开通了全球第一个商用蜂窝网络。1980年，瑞典等北欧4国成功研制出北欧移动电话系统NMT-450并投入使用。1982年，AMPS被美国联邦通信委员会批准，分配了824～894MHz频谱，美国正式商业运营1G系统。1984年，联邦德国启用了基于C网络（CNetz）的1G移动通信系统。1985年，英国开发出频段在900MHz的全接入通信系统（TACS）并投入商用。1987年，中国开启移动通信时代，采用TACS标准。

第一代移动通信系统的容量小，为了提升系统容量，采用了一种被称为频分多址（FDMA）的技术。FDMA把总带宽分隔成多个正交的频道，每个用户占用一个频道，就如同把高速公路分为几条车道一样，每辆车只能在分配的一条高速道上行驶。在TACS或AMPS制式中，为每个无线小区分配一组N对（上行和下行）频率信道，这N对频率信道可供该无线小区中的所有用户共同使用，但同一时间只有N个用户可以使用。1G带来巨大成功的同时，也受制于自身存在的一些弊端。由于1G采用模拟信号传输，所以其容量非常有限，一般只能传输语音信号，且存在语音品质低、信号不稳定、覆盖范围不够全面、安全性差和易受干扰等问题。而且，各国的通信标准并不一致，这导致第一代移动通信并不能全球漫游，大大阻碍了1G的发展，此时2G呼之欲出。

二、第二代移动通信

第二代移动通信简称为2G，属于数字通信，美国科学家香农赋予了通信数字之美。为解决第一代移动通信模拟系统的缺陷，一种新技术应运而生，即数字通信技术。这代表着以数字通信为核心的第二代移动通信时代的到来。所谓数字通信，就是用简单的“1”和“0”来表示复杂的信息。古代的烽火通信其实就是一种简单的数字通信：烽火台亮和灭的两种状态就是“1”和“0”，这两种状态可以用来表示是否有敌情。还有沿用至今的莫尔斯码，通过点、划的不同组合表示不同字符，构成要传递的信息，这里的点、划也可以视作“1”和“0”的变形。数字信号是在模拟信号的基础之上进行采样、量化、编码得到的。模拟信号数字化实现了信号从连续到离散的转变，主要体现在时间维度和信号幅值两个层面。图1-4就是模拟信号数字化的示意图。首先，通过采样技术，信号在时间维度上不再是连续的。利用脉冲信号按照固定的时间间隔抽取信号值作为该点的采样值，如图1-4实心点所示。在这一过程中，采样率（即采样间隔的倒数）是一个关键指标。显然，采样率越高，采样间隔越小，信号的质量就越高。采样后的信号通过量化使信号在幅度上离散化。数字信号通过数码表示每一个数值，根据不同的量化精度可以用不同位数的二进制数来表示一个采样点的数值，体现为不同的编码技术。图1-4中模拟信号数字化采用的是三位二进制，这意味着最多只能用8个数值来表示所有采样点的值，因此需要采用合理的量化方式，以使误差尽可能小，这样在接收端通过译码才可以准确地还原原始信号。

通信技术发展到数字通信时代就不得不提到香农，这位美国科学家为世界的通信技术发展作出了巨大的贡献，他被称为数字通信时代的奠基人。他最大的贡献就是提出了信息论和信息熵的概念，将千百年来定义模糊的信息进行了量化，使其成为一种可以度量的值，并进一步给出了信道能够传输的信息量上限，在通信领域具有划时代的意义。香农给出了如下的信道容量表达式。

C=Blog2（1+S/N）

其中，S是信号的统计平均功率，B是信通带宽，N表示噪声的平均功率。由此可见，信道能够传送的最大信息量与信道带宽以及信噪比相关。信道容量成为衡量一个通信技术是否最优的参考值。随着信道容量的提出，数字通信技术不断接近信息传输的极限，越来越充分地利用着信道资源。2G以欧洲提出的全球移动通信系统（GSM）和美国提出的码分多址（CDMA）最具代表性，但CDMA起步晚于GSM，刚一问世便已失去半壁江山。不同于全球广泛部署的GSM，CDMA在全球的部署主要集中在美国、韩国和中国。相较于模拟通信，数字通信在一定程度上弥补了模拟通信时代的技术缺陷。首先，数字信号具有抗干扰能力强、无噪声积累的特点，通过合适的调制方式和信道编码以及对应的判决机制可以有效减少噪声对信号的干扰。其次，数字信号的加密手段更为容易和灵活，可以更加有效地确保信号传输的安全性。随着硬件技术的不断发展和数字电路的不断改进、优化，这一时代的终端设备体积大大减小，成本也进一步降低。

为了提升第二代移动通信系统的容量，GSM还采用了时分多址（TDMA）方案。TDMA把无线电频率分成不同的时隙并分配给不同的用户。与FDMA技术相比，TDMA技术具有通信质量高、保密性好、系统容量大等优点，但是它必须精确定时和同步以确保移动终端与基站之间的正常通信，技术上比较复杂。

第二代移动通信同样也有许多值得大家记忆的历史事件。1982年，北欧国家向欧洲邮电联盟提交了一份建议书，要求制订公共欧洲电信业务规范，便于用户在欧洲使用。在这次大会上成立了一个移动特别小组（Groupe Spécial Mobile，GSM），以制订有关的标准和建议书。后来，这个小组牵头制定的技术标准被称为全球移动通信系统（global system for mobile communication，GSM），下文提到的GSM通常指的是全球移动通信系统。

1986年，经过欧洲各大公司对无线系统的研究，选定了主要的无线传输技术。同年，欧洲邮电管理委员会（Confederation of European Posts and Telecommunications，CEPT）决定将900MHz频段用于GSM。1987年2月，GSM标准的基本参数达成一致。1987年5月，GSM标准就数字系统采用窄带TDMA等方案达成一致意见。同年9月7日，来自13个欧洲国家的运营者和管理者在哥本哈根签署了谅解备忘录（MoU），相互达成履行规范的协议，成立了MoU组织，致力于GSM标准的发展。同年，GSM标准初稿完成。1991年在欧洲开通了第一个演示系统，首个基于GSM标准的通话由芬兰运营商Radiolinja打出。同年，MoU组织为该系统设计和注册了市场商标，将GSM更名为全球移动通信系统，从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。同年，GSM完成了1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，名为1800MHz数字蜂窝系统（DCS 1800）。1992年1月，第一个GSM运营网络在芬兰开始运营，运营商是Oy Radiolinja Ab。首个国际漫游协议由芬兰电信和英国沃达丰签署。到1992年12月，有7个国家的13个GSM网络运营。大多数欧洲GSM运营商开始商用业务，首条短信发送成功。1996年，中国和俄罗斯的GSM网络开始运营。

在2G时代，语音业务和短信业务已经变得成熟，短信使人们的沟通交流更加方便、更加高效，一经推出便受到了用户的喜爱。与此同时，2G时代更加小巧精致的手机取代了红极一时的“大哥大”，这些手机不仅便于携带，而且功能丰富，加入了音频播放、拍照功能，再到后来的游戏功能，手机已经不仅仅是一个通信工具，它进一步丰富了人们的生活。

三、第三代移动通信

第三代移动通信简称为3G，属于移动互联，它开启移动互联网新阶段。3G除了支持传统的语音和短信外，还可以支持数据传送，实现无线通信与互联网等多媒体通信相结合，其数据传输速率一般为每秒数百千比特。3G主要有CDMA2000、宽带码分多址（WCDMA）、TD-SCDMA三种标准。业界将CDMA技术作为3G的主流技术，GSM设备采用的是TDMA，而CDMA使用码分扩频技术，网络容量可提高到GSM的三倍以上。

CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽扩展，再经载波调制发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，对接收的带宽信号进行相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号（即解扩），以实现信息通信。扩频技术的优势在于抗干扰能力强、隐蔽性好。

在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调、恢复成原始信息输出。

CDMA通信系统中，不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同，而是用各自不同的编码序列来区分的，或者说，是靠信号的不同波形来区分的。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。接收器可以在多个CDMA信号中选出其中使用预定码型的信号。其他使用不同码型的信号因和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。它们的存在类似于在信道中引入了噪声和干扰，通常被称为多址干扰。

第三代移动通信包括如下重要历史事件。1999年3月，国际电信联盟无线电通信部门TG8/1第16次会议在巴西召开，此次会议确定了3G的大格局。国际移动电话系统-2000（IMT-2000）地面无线接口被分为两大组，即CDMA与TDMA。

1999年5月，国际运营者组织多伦多会议上30多家世界主要无线运营商以及10多家设备厂商针对频分双工（CDMA FDD）技术达成了融合协议。

国际电信联盟在2000年5月确定WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大主流无线接口标准，将其写入3G指导性文件《2000年国际移动通讯计划》。这标志着全球化的3G规范标准正式出现了。2000年12月，日本以招标的方式发放了3G牌照。2001年10月，日本移动通信运营商NTT DoCoMo成了世界上首家开通WCDMA服务的公司。三年后，3G逐渐走出发展初期的低谷。日本是世界上3G网络起步较早的国家之一。中国于2009年发放了3G牌照，其中中国联合网络通信集团有限公司使用的网络制式为WCDMA，中国移动通信集团有限公司使用的网络制式为TD-SCDMA，中国电信集团有限公司使用的网络制式为CDMA2000。

事实上，从2000年开始，通信产业就在呼唤3G，但直到2008年3G才开始真正普及，其最核心的原因是市场上没有杀手级的应用。真正促使3G暴发的还是移动通信设备的革新，即智能手机的引入。一提到智能手机，大家自然就想到了乔布斯。苹果公司在2007年推出了第一台苹果手机，开启了智能手机时代。这个全屏触摸、只有一个主按钮的手机出现在了人们的生活中，与之前小屏幕、有实体键盘的手机相比，它简直就是一个异类。苹果手机面世不久就受到了人们的追捧，笼络了大批粉丝，当时手机界的霸主诺基亚和摩托罗拉一夜之间跌下神坛。在3G时代，数据业务的传输速率有了大幅提升，越来越多的人开始使用手机上网，随时随地的网络连接方便了人们的生活，将整个世界更加紧密地联系在一起。与此同时，一大批互联网企业迅速兴起，电子商务成了当时具有代表性的名片。人们足不出户，拿着手机在网络上选择自己喜欢的商品，不出几日物流公司就会将货物送到家。受到3G发展的影响，人们的办公方式也发生了变化，随时随地收发邮件、查阅文件，远程异地办公成为现实，这也使办公效率得到了提升。游戏行业也成了通信技术发展的受益者，更加宽大的带宽、更稳定快速的游戏平台让游戏体验得到升级。虽然手机游戏依然无法和电脑游戏相比，但是方便携带、随时随地可以消磨时间的优点，依然让手机游戏获得了大众的喜爱。传统的语音通话和短信业务随着3G时代的发展逐渐被弱化。相比传统通话方式，网络语音更加方便、成本更低，而视频通话更是可以让天南海北的两个人通过电话看到对方的一颦一笑，这样的通话方式进一步拉近了人与人之间的距离。2G时代兴起的短信业务在3G时代逐渐被一些社交软件取代，与传统短信业务相比，即时通信软件信息接收更加便捷，内容也更加丰富，如今已经成为人们沟通交流的主要方式。

四、第四代移动通信

第四代移动通信简称为4G，属于移动宽带，4G改变了我们的生活。LTE网络制式是第三代移动通信合作计划（3GPP）基于2004年开发的通用移动电信系统（UMTS）技术标准的长期演进。LTE的下载速度峰值高达299.6Mbps，上传速度峰值高达75.4Mbps。LTE支持FDD和时分双工（TDD）通信。FDD和TDD的主要区别在于使用了不同的双工模式。FDD在单独的对称频率信道上接收和发送信号，并且保护频带用于分离接收和发送信道。FDD的缺点是它必须使用成对频率，依靠频率来区分上行链路和下行链路，并且其单向资源在时间上是连续的。尽管在支持对称服务时，FDD可以充分利用上行链路和下行链路频谱，但是在支持非对称服务时，其频谱利用率将大大降低。相反，TDD使用时间来分离接收和发送信道，它是在同一个通道中执行。LTE系统引入了诸如正交频分复用（OFDM）和多输入多输出（MIMO）等关键技术，显著提高了频谱效率和数据传输速率。OFDM技术是多载波调制的一种，主要体现在通信系统中，信道带宽要远大于传送一路信号所需的带宽，如果一个信道只供一个用户使用，那就是对信道资源的浪费。因此，为了充分利用信道资源，可以采用OFDM的方法。传统的FDMA技术为了避免干扰要在邻近的信道之间加入一个保护间隔，浪费了频谱资源，而OFDM技术利用子载波正交避免了相邻信道的干扰，在相同的信道宽度内可以容纳更多子载波，这就大大提高了频带利用率。OFDM可有效对抗频率选择性衰落和窄带干扰，提升了频带利用率，但其对相位噪声和载波频偏十分敏感，容易产生子载波间的干扰。

第四代移动通信包括如下关键历史发展事件。2000年，美国高通公司开始在正交频分多址（OFDMA）技术领域进行研究。

2004年，3GPP联合全球六大电信发展组织（日本无线电工业和企业协会、世界无线通信解决方案联盟、中国通信标准化协会、欧洲电信标准化协会、韩国电信技术协会、日本电信技术委员会）进行LTE的标准化工作，将LTE技术确认为全球的通用标准。2005年，移动运营商T-Mobile International、Telefonica、Telia-Sonera和英国沃达丰表示应该统一一个单一技术来支持演进通用陆地无线接入（E-UTRA），以此来支持不同频段的部署。2006年，美国高通公司开始了全球首个OFDM系统的商用测试。2008年，3GPP发布了LTE的第一个技术版本——3GPP Release 8，这项标准以单一规格技术支持TDD和FDD，实现了碎片最小化，刺激生态系统的发展。2009年，Telia-Sonera在瑞典和挪威开通首个LTE网络。同年，美国高通公司发布了全球首个多模3G/LTE集成芯片组解决方案，此方案同时支持LTE的TDD和FDD。2012年，中国移动通信集团有限公司在中国香港推出了LTE FDD/TDD的融合网络，2013年中国内地开始商用LTE。2013年LTE升级版（LTE-Advanced）出现，这是LTE的重要里程碑，对预期的1000倍移动数据增长有着重要的作用，它包含了多方面的增强，如载波聚合、更先进的天线技术。2016年，韩国移动通信运营商SK电信推出了全球首个LTE-Advanced的商用服务。

如果说3G时代将手机终端与互联网结合了起来，那么4G时代就将手机的互联网化进行了全面革新。4G时代的网速是3G时代的10倍，高质量的视频通话、文件图片传输等都畅通无阻。4G时代的高速率几乎可以满足人们对于互联网的所有需求，给人们的学习和生活带来更多的便利。

4G时代的另一大进步就是流量资费的下降，在3G时代，将近百元的资费只能购买不到1G的流量，所以很多人在没有无线网络（Wi-Fi）的条件下，对于网络游戏、视频下载、音乐下载等高流量软件望而却步。而且，靠3G时代的网速下载一部电影要花费很长的时间，人们在3G网络环境下更多是进行社交聊天、网页浏览等对网速要求相对较低、流量耗费较小的活动。在4G时代，花费不到百元的话费，用户就可以拥有几十GB的流量，随时随地玩游戏、看视频已经成为常态。同时，资费的降低加大了4G的普及，更多的人开始享受到4G给生活带来的便利。

在3G时代，受网速较慢、流量较贵的影响，手机游戏行业以开发单机游戏为主，而4G让手机在线游戏得到了蓬勃发展，人们更多的零散时间被手机游戏占据，这对游戏开发商来说无疑是一个巨大的商机。此外，受到4G影响的产业远不止手机游戏行业，更多依靠无线网络作为支撑的新产品不断涌现。

4G的茁壮成长也间接地改变了人们的出行方式，近些年共享自行车、共享汽车等走进了人们的生活，人们只要在手机应用程序（App）上就可以查看附近的公共交通工具，通过扫码就可以解锁使用。这样庞大的信息处理量要得益于4G的发展。4G同样改变了人们的支付方式，出门不用带钱包，只要一部手机就可以完成支付，既方便又快捷。像很多发达国家一样，纸币的使用量在中国正逐步减少。同样地，过年时孩子们心心念念的红包也从纸币变成了网上转账。

随着4G网络的普及，智能家居在近些年也得到了快速发展，3G无法满足人们的需求，4G时代让用户有了更好的体验，人们利用手机就可以远程控制家中的冰箱、空调、扫地机器人等电器，4G给人们的生活提供了更多的便利。