1.1 蜂窩移動通信的演進

1.1.1 從1G到4G

在過去幾十年里，現代移動通信技術經過四代的發展，目前已經邁入了5G時代[1,2]。在此期間，授權頻譜始終是蜂窩移動通信所使用的主要頻譜類型，在保證系統容量、滿足廣域覆蓋和提供可靠服務等方面發揮著不可替代的作用。非授權頻譜作為授權頻譜的有效補充在4G LTE時期被引入蜂窩移動通信技術中，通過提高容量、補盲補弱、增強數據連通性來發揮作用。

在本書的開篇，我們先簡要回顧前四代移動通信技術的發展歷史，以更好地展望5G和6G的未來趨勢。圖1-1展示了前四代移動通信技術的演進脈絡。

第一代移動通信技術（1G）起始于20世紀80年代，主要采用的是模擬調制技術與頻分多址（FDMA）技術。1G主要制式包括北歐（歐洲北部地區）的移動電話系統（NMT）、美國的高級移動電話系統（AMPS）、英國的全球接入通信系統（TACS）和日本的全接入通信系統（JTACS）等。在各種1G系統中，美國AMPS制式的1G系統在全球的應用最為廣泛。同時，也有幾十個國家和地區采用了英國TACS制式的1G系統，譬如中國采用的就是英國TACS制式。這兩個移動通信系統是世界上較具影響力的1G系統。

1G基于模擬傳輸技術，只支持語音業務，其特點是業務量小、質量差、安全性差、沒有加密和速度慢。從上面五花八門的制式中我們不難看出，1G標準并不統一，并且工作頻段不同，因此它不能在全球漫游。最能代表1G時代特征的是美國摩托羅拉公司在20世紀90年代推出并風靡全球的大哥大，即移動手提式電話。不過因為價格非常昂貴，它并沒有得到大規模普及和應用。

第二代移動通信技術（2G）起源于20世紀90年代初期，主要采用數字的時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）技術。2G數字無線標準主要有歐洲的全球移動通信系統（GSM）、美國高通公司推出的IS-95 CDMA、日本提出的個人數字蜂窩（PDC）技術等。歐洲和中國主要采用GSM制式，美國和韓國主要采用CDMA，而PDC僅在日本應用。為了滿足數據業務的發展需要，2G在演進后期還升級為2.5G，也就是基于GSM的通用分組無線服務（GPRS）和基于CDMA的IS-95B技術，大大提高了數據傳送能力。

2G的主要業務是語音，還可支持短信、無線應用協議（WAP）上網等功能，其主要特性是提供數字化的話音業務及低速數據業務。由于帶寬有限，它仍不能提供高速數據傳輸業務。2G抗干擾、抗衰落能力不強，系統容量不足。2G標準仍不統一，只能在同一制式覆蓋區域內漫游，無法進行全球漫游。然而與1G相比，它克服了模擬移動通信系統的弱點，語音質量、保密性能得到很大提高，并可進行省內、省際自動漫游。2G完成了從模擬技術向數字技術的轉變。自20世紀90年代以來，以數字技術為主體的2G系統（尤其是GSM制式）得到了極大程度的發展和普及。由于2G終端價格及通信費用大幅度下降，它能夠被中低收入者所接受，因此在短短的10年內，全球用戶數就超過了10億。

第三代移動通信技術（3G）的概念最初由國際電信聯盟（ITU）于1985年提出，后被更名為IMT-2000（國際移動通信2000）。1997年開始征集RTT（無線電波傳輸技術）候選技術，進入實質標準化制定階段。經過系列評估和標準融合，ITU一共確定了全球三大3G標準，分別是寬帶碼分多址（WCDMA）、碼分多址2000（cdma2000）、時分同步碼分多址（TD-SCDMA）。WCDMA由歐洲和日本提出，其核心網基于演進的GSM/GPRS網絡技術，空中接口采用直擴的寬帶CDMA。WCDMA是3G最具競爭力的技術之一。cdma2000由北美提出，其核心網采用演進的IS-95 CDMA核心網，能與已有的IS-95 CDMA后向兼容。TD-SCDMA由中國主推，采用了智能天線和上行同步技術，適合高密度低速接入、小范圍覆蓋、不對稱數據傳輸。在中國，中國移動采用TD-SCDMA制式，中國電信采用cdma2000制式，中國聯通采用WCDMA制式。

3G能夠支持語音和多媒體數據通信，它可以提供前兩代通信技術不能提供的各種寬帶信息業務，例如高速數據、圖像、音樂和視頻流等多種多媒體形式，也能提供包括網頁瀏覽、電話會議和電子商務在內的服務。3G還可實現全球漫游，使得任何時間、任何地點、任何人之間的交流成為可能。

移動數據、移動計算及移動多媒體業務的進一步發展需要性能更佳的新一代移動通信技術。LTE（長期演進技術）是3G的演進，它改進并增強了3G的空中接入技術，并采用OFDM（正交頻分復用）作為接入技術和多址方案的基礎。但從嚴格意義上來講，盡管LTE被宣傳為4G無線標準，但它只是3.9G，其實并未被3GPP認可為ITU所描述的下一代無線通信標準IMT-Advanced，因此實際上其還未達到4G的標準。只有升級版的LTE-Advanced才滿足ITU對4G的要求。ITU在2012年無線電通信全會全體會議上，正式審議通過將LTE-Advanced和WirelessMAN-Advanced （IEEE 802.16m）技術規范確立為IMT-Advanced（即通常所說的4G）國際標準。WirelessMAN-Advanced是WiMAX （全球微波互聯接入）的增強。相對于WirelessMAN-Advanced,LTE-Advanced是更成功、應用也更廣泛的4G制式，它包括FDD（頻分雙工）和TDD（時分雙工）兩種模式，將FDD模式用于成對頻譜，而將TDD模式用于非成對頻譜。

LTE支持分組交換的結構，其主要性能指標包括支持1.25～20MHz的信道帶寬，并且在20MHz的頻譜帶寬下能夠提供上行50Mbit/s與下行100Mbit/s的峰值速率，相對于3G網絡大大提高了小區的容量。同時大大降低網絡時延：用戶面時延（單向）低于5ms，控制面從睡眠狀態到激活狀態的遷移時間低于50ms，從駐留狀態到激活狀態的遷移時間低于100ms。LTE-Advanced系統是在LTE系統設計基礎上進行的平滑演進，使得LTE與LTE-Advanced能夠相互兼容。LTE-Advanced通過引入載波聚合等技術增強了4G頻譜的靈活性，進一步擴展了多天線傳輸方案，引入了對中繼的支持，并且提供了對異構網絡部署下小區協調方面的改進。LTE-Advanced可以支持下行1Gbit/s、上行500Mbit/s的峰值速率。可以說，LTE和LTE-Advanced是5G理論研究、技術開發和標準化的重要基礎。

另外，也就是在4G LTE-Advanced時期，非授權頻譜接入技術被3GPP引入蜂窩網絡通信系統。3GPP在4G Rel-13授權輔助接入（LAA）研究項目[3]中首次引入了蜂窩網絡非授權頻譜接入的概念。自引入非授權頻譜通信特性以來，3GPP在非授權頻譜接入技術研究方面取得了重大進展，包括制定了包含Rel-13非授權頻譜下行發送（LTE LAA）、Rel-14非授權頻譜上行發送（LTE eLAA）和Rel-15非授權頻譜自主上行發送（AUL）等多個特性的協議版本。