1.1　移動通信系統的發展

移動通信系統經歷了數次代際更迭，從模擬時代、數字時代、數據時代、移動寬帶時代，步入了多場景融合發展的5G 時代，滲透到了社會各個領域，成為移動互聯網、產業互聯網發展的重要驅動力量。

移動通信系統怎樣才算得上是一個Generation，要從普通物理學說起。電磁波按照頻率的分布形成一個電磁波譜，而頻率與波長的乘積是一個常數（光速）。頻率越高，波長就越短，反之亦然。在什么樣的頻率下，采用什么樣的技術來利用這個頻率的電磁波進行無線通信，就構成了不同的Generation（簡寫為G），如圖1-1所示。

1.1.1　1G

1G 即第一代移動通信系統，采用蜂窩結構組網，使用模擬通信傳輸技術，并通過頻分多址（FDMA）調制方式增加系統容量。1978年，1G 時代的典型移動通信系統誕生于美國芝加哥，即美國的AMPS（Advanced Mobile Phone System）。隨后各國和地區分別發展了自己的移動通信系統，包括英國的TACS（Total Access Communication System）、日本的汽車移動電話系統（HAMTS）、北歐的NMT（Nordic Mobile Telephone）系統和加拿大的MTS（Mobile Telephone System）。中國的移動通信系統在1987年亞運會時，由廣東省引入并開始使用。

雖然第一代移動通信系統取得了巨大的商業成功，但是其傳輸帶寬受到限制，因此存在眾多性能方面的不足，例如，無法支持長途漫游，無法上網和短信，只具備電話以及區域性的移動通信功能，同時存在聲音質量低、收聽不穩定、安全能力保密能力低等缺陷。

1.1.2　2G

為擺脫1G 模擬調制的技術缺陷，第二代移動通信系統即2G 應運而生。第二代移動通信系統使用時分多址、碼分多址的數字化通信方式代替1G 時代的模擬調制方式，主要在通信質量、安全保密性、通信系統容量方面產生了重大突破。2G 時代的主要移動通信系統有兩個，即歐洲主導的GSM（Global System for Mobile Communications）系統和美國主導的CDMA（Code Division Multiple Access，碼分多址）系統。

2G 的主要特征是數字化，可以提供語音業務及10kbps 以下的低速數據業務，并且可以實現自動漫游功能，提高了區域移動性。GSM 系統采用時分多址（TDMA）調制方式和頻分雙工（FDD）方式，標準體制及技術發展較為完善，在全球范圍內使用較廣。CDMA 系統采用碼分多址（CDMA）調制方式及數據加密技術。相較于GSM 系統，其通信容量得到了大大提高，達到10倍以上，同時在安全性上也得到了提高，CDMA 技術主要在美國和日本的移動通信系統中使用。GSM 系統和CDMA 系統在我國均得到應用，在1995年建設使用了GSM 系統，2002年正式開通了CDMA 網絡。

2G 雖然在一定程度上克服了1G 時代的通信質量問題，但受限于通信帶寬，無法適應更高速的數據業務的發展，同時由于采用兩種制式發展，導致標準不統一，無法適應全球漫游業務。

1.1.3　3G

第三代移動通信系統即3G 是開啟移動通信編年史的關鍵，其支持高速數據傳輸，可實現語音和數據的實時傳輸。在高速移動環境下，數據傳輸速率達到144kbps；在中低速移動環境下，數據傳輸速率達到384kbps；在靜止環境下，數據傳輸速率達到2Mbps。同時可支持全球范圍內無縫漫游。3G 時代制定了統一的國際技術標準，命名為IMT-2020。3G 技術的主流制式包括三種：CDMA2000、WCDMA（Wideband CDMA）和TD-SCDMA（Time Division-Synchronous CDMA）。在3G 系統中，CDMA 成為主流的多址接入技術，具備眾多優點，如抗多徑衰落性較強、系統容量大、軟切換等。

CMDA2000是北美基于IS-95CDMA 系統提出的，使用2110～2170MHz 頻段，采用直接序列擴頻碼分多址和頻分雙工（FDD）方式；WCDMA 技術是歐洲和日本提出的，使用1900～2025MHz 頻段，同樣采用直接序列擴頻碼分多址和頻分雙工（FDD）方式；TD-SCDMA 則是中國提出的具備自己知識產權的第三代移動通信系統，使用2110～2170MHz 頻段，采用時分雙工（TDD）與FDMA、TDMA、CDMA 相結合的方式。

3G 時代標志著移動多媒體時代的到來，3G 技術已經能夠支持圖像、音頻、視頻等多媒體形式的數據的傳輸。人們可以在手機上直接瀏覽網頁、視頻通話、收看直播、收發郵件。3G 技術提高了2G 時代的語音通話安全性，同時采用更寬的頻帶，大大提高了數據傳輸的穩定性與速率，適應了移動互聯網時代對網絡和數據高速傳輸的需求。

1.1.4　4G

第四代移動通信系統即4G 是專為滿足移動多媒體業務而設計的，其以正交頻分復用（OFDM）技術和多輸入多輸出（MIMO）技術、智能天線技術、基于IP 的核心網技術等為核心，主要應用于移動寬帶業務，追求增強通信網絡容量以及更加高速的網絡傳輸速率。與3G 技術相比，在網絡速度、系統容量及安全穩定性方面，4G 技術均得到較大提高。4G 技術存在兩種制式，包括TD-LTE 和FDD-LTE。這兩種制式的主要區別在時分與頻分雙工方式上。

TD-LTE 采用時分雙工（TDD）技術，以TD-SCDMA 技術為基礎演進發展而來。值得說明的是，TD-LTE 是中國主導制定的一項國際通信標準。時分雙工通信使用同一個載波頻率，在接收和發送數據時工作在同一載波的不同時隙中，能夠充分利用有限的頻譜資源。FDD-LTE 采用頻分雙工（FDD）技術，上下行鏈路工作在不同的載波頻率上，但是工作在同一個時隙中。從頻譜資源利用率的角度講，TD-LTE 相較FDD-LTE 更節省頻譜資源，但是在速度方面弱于FDD-LTE。

從第一代移動通信系統到第四代移動通信系統，每一代都有標志性的關鍵技術及關鍵性能指標。1G 時代采用頻分多址及蜂窩系統覆蓋小區技術，實現了移動系統從無到有的突破；2G 時代采用GSM、CDMA 等數字化技術，改善了1G 時代模擬通信頻譜利用率低下、系統容量小的問題，并開始支持數據業務；3G 時代的無線通信能力使得無線系統與互聯網連接起來，適應傳輸圖像、音頻、視頻等多媒體數據所需流量大幅上升的需求，以及網頁、視頻會議等應用需求，提供的主要制式包括CDMA2000、WCDMA 和TD-SCDMA；4G 時代采用正交頻分復用技術及MIMO 技術，能夠適應各種移動寬帶業務的需求，用戶體驗速率可達100Mbps。主要技術進步總結如下：

·網絡IP 化；

·CDMA 轉向OFDMA（正交頻分多址）；

·帶寬由5Mbps 提升至20Mbps；

·軟切換轉為快速硬切換；

·語音數據化（VoLTE）；

·頻譜效益更高（1.5～2倍），采用多通道MIMO 傳輸、多天線發射與接收，正交振幅調制（QAM）由16升至64，能夠有效進行干擾協調和消除。

隨著增強現實與虛擬現實（AR/VR）、4K/8K 超高清視頻、云游戲等大帶寬應用的增多，各種智能終端的普及，物聯網設備的大規模部署，移動流量及終端設備的激增，4G移動通信系統已經難以滿足應用對更大帶寬、更廣連接、更低時延的需求。再加上4G 投放市場已經有10年的時間，技術的不斷改進、成功與失敗的經驗也為移動通信向第五代即5G 的發展打下了基礎。