我們把 20 世紀 80 年代至今稱為當代通信。1973 年，美國摩托羅拉工程師馬丁 · 庫帕發明了世界上第一部商業化手機；1986 年，第一代移動通信技術（1G）在美國芝加哥誕生，高速發展的當代通信階段的序幕正式拉開。這也就是我們熟知的從 1G 到 5G 的技術快速更新迭代時期。

1．“大哥大”的時代—1G

我們知道，貝爾試驗室在 20 世紀 70 年代就提出了蜂窩網的概念，但直到 20 世紀 80年代，基于“蜂窩”概念的模擬移動通信系統才實現大規模商用，這被認為是真正意義上的第一代（1G，The First Generation）移動通信系統。

1G 由多個獨立開發的系統組成，典型代表有美國的高級移動電話系統（AMPS，Advanced Mobile Phone System）和后來應用于歐洲部分地區的全接入通信系統（TACS，Total Access Communication System）以及 Nordic 移動電話（NMT）等。這些系統的共同特點是采用了頻分多址（FDMA，Frequency Division Multiple Access）技術，并且模擬調制語音信號。

第一代蜂窩移動通信網是模擬系統，雖然模擬蜂窩網取得了很大成功，但也暴露出了很多問題。例如，頻譜利用率低、移動設備復雜、費用較高、業務種類受限制、通話易被竊聽等，其中最主要的問題是其容量已不能滿足日益增長的移動用戶需求。

2．邁入數字移動通信—2G

到 20 世紀 80 年代中期，新一代數字蜂窩移動通信系統問世，歐洲首先推出了泛歐數字移動通信網（GSM）的體系。隨后，美國和日本也制定了各自的數字移動通信體系。GSM 已于1991 年 7 月開始投入商用。數字無線傳輸的頻譜利用率高，可大大提高系統容量；并且，數字網能提供語音、短信、數據多種業務服務，與 ISDN 等兼容。通信至此正式邁入了數字時代。

第二代（2G，The 2nd Generation）移動通信系統主要采用數字的時分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）技術和碼分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）技術。以語音通信為主，主要提供數字化的語音業務及低速數據業務，又被稱為窄帶數字通信系統。

2G 克服了模擬移動通信系統的弱點，具有更高的頻譜利用率、更高的網絡容量、更好的語音質量和更強的保密性，并可進行省內、省際自動漫游。

2G 完成了從模擬通信向數字通信的歷史使命。但是由于 2G 初期的通信世界還是“群雄割據”的狀況，不同的國家和地區采取不同的制式，移動通信標準不統一，所以用戶只能在同一制式覆蓋的范圍內漫游，不能實現全球漫游。并且，2G 帶寬仍然有限，大大限制了數據業務的應用，從而無法實現移動多媒體等高速率的業務。

3．支持多媒體通信—3G

我們說，追求永不止步，而人們對于移動通信系統的需求也是如此。能語音通話了，還得能短信交流；能短信交流了，能不能發圖片，聽音樂，看視頻？隨著移動多媒體的發展，人們對于數據業務的使用率和依賴程度更高了，于是，以更高帶寬、支持移動多媒體通信為目標的第三代移動通信系統呼之欲出，漸漸走上歷史舞臺。移動通信發展路線如圖1 所示。

圖 1移動通信發展路線

第三代（3G，The 3rd Generation）移動通信系統是在第二代移動通信系統的基礎上進一步演進的。3G 以寬帶 CDMA 技術為主，并能同時提供更高質量的語音和數據業務，較為徹底地解決了第一代和第二代移動通信系統的主要弊端，目標是提供包括語音、數據、視頻等豐富內容的移動多媒體業務。

4．更極致的網絡體驗——4G

第四代（4G，The 4th Generation）移動通信技術主要指 LTE/LTEA（Long Term Evaluation/

Long Term Evaluation-Advanced）系統。如果說 3G 滿足了人們對于多媒體數字通信的基本需求，

那么 4G 就代表了人們對更極致的移動網絡體驗的追求。

長期演進（LTE，Long Term Evolution）是由 3GPP 組織制定的通用移動通信系統（UMTS，

Universal Mobile Telecommunications System），于 2004 年 12 月在 3GPP 多倫多會議上正式立項并啟動。

LTE 系統引入了正交頻分復用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）和多輸入多輸出（MIMO，Multi-Input & Multi-Output）等關鍵技術，顯著地提高了頻譜效率和數據傳輸速率。下行和上行峰值速率分別可達到 100Mbit/s、50Mbit/s。因為 LTE 支持多種帶寬分配（1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz 和 20MHz 等），并且支持全球主流2G/3G 頻段和一些新增頻段，所以頻譜分配更加靈活，系統容量和覆蓋也都顯著提升。此外，LTE 系統網絡架構更加扁平化、簡單化，極大限度地減少了網絡節點，降低了系統復雜度，從而減小了系統時延和網絡部署、維護成本。LTE 系統還具有很高的兼容性，支持與其他3GPP 系統互操作。LTE 當前的目標是借助新技術和新的調制方法，盡可能提升無線網絡的數據傳輸能力和數據傳輸速率，如新的數字信號處理（DSP）技術等。

根據雙工方式的不同，LTE 系統分為 FDD-LTE 和 TDD-LTE，二者技術的主要區別在 于空口的物理層上（例如，幀結構、時分設計、同步等）。FDD 空口上下行采用成對的、不同的頻段接收、發送數據，而 TDD 系統上下行使用相同的頻段在不同的時隙上傳輸， TDD 比 FDD 有著更高的頻譜利用率。

LTE 網絡有能力提供 300Mbit/s 的下行速率和 75Mbit/s 的上行速率，并且在 E-UTRA環境下可借助服務質量（QoS）技術實現低于 5ms 的時延。此外，LTE 還支持多播和廣播流，可提供高速移動中的通信需求。LTE 頻段擴展度也很好，1.4MHz 至 20MHz 的時分多址和碼分多址頻段都能支持。

LTE 的遠期目標是簡化和重新設計網絡體系結構，使其成為 IP 化網絡（見圖 2）。全 IP 基礎網絡結構（核心分組網演進）將替代原先的 GPRS 核心分組網，可向 UMTS 和 cdma2000 提供語音數據的無縫切換，簡化的基礎網絡結構可為運營商節約網路運營開支。

圖 2 LTE 整體結構

早在 4G 標準制定之前，ITU 給 4G 的定義是實現靜止狀態下能實現下行 1Gbit/s/ 上行500Mbit/s 的網絡速率。盡管被宣傳為 4G 無線標準，但 LTE 其實并未被 3GPP 認可為 ITU所描述的下一代無線通信標準，嚴格意義上還未達到 4G 標準。所以 LTE 一般被描述為 3.9G或者準 4G。只有升級版的 LTE Advanced 才真正符合 ITU 對 4G 的要求。LTE-Advanced（LTE-A） 從 2008 年 3 月 開 始，2008 年 5 月 確 定 需 求， 它 是 LTE 的演進而不是技術革命，它可以完全后向兼容 LTE。LTE-Advanced 滿足 ITU-R 的 IMT Advanced 技術征集的需求。

LTE-A 采用了載波聚合（CA，Carrier Aggregation）、上 / 下行多天線增強、多點協作傳輸、

中繼、異構網干擾協調增強等關鍵技術，能大大提高無線通信系統的峰值數據速率、峰值頻譜效率、小區平均頻譜效率以及小區邊界用戶性能，同時也能提高整個網絡的組網效率，這使得 LTE 和 LTE-A 系統成為現在乃至未來幾年內無線通信發展的主流。

LTE-A 為了實現更快的網絡速率，除了提高網絡的頻譜利用率，還引入多載波聚合技術。所謂的多載波聚合，就是將多個頻段的網絡信號聚合起來，相當于公路從“單車道”擴展成了“多車道”，單位時間內通車數量隨著載波數的增加成倍增加，使得整體速率大幅增加。可以將 2 ～ 5 個 LTE 成員載波（CC ，Component Carrier）聚合在一起，實現最大 100MHz 的傳輸帶寬（見圖3）。目前全球范圍內不少運營商已經推出了雙載波乃至三載波 LTE 技術，理論峰值速率從原來的 150Mbit/s 大幅提升到 300Mbit/s 乃至 450Mbit/s。

圖 3載波聚合實現100MHz 帶寬

5．突破想象力的極限——5G

第五代（The 5th Generation）移動通信技術是最新一代蜂窩移動通信技術，也是繼 4G（LTE-A、WiMAX）、3G（UMTS、LTE）和 2G（GSM）系統之后的延伸。隨著移動互聯網的發展，越來越多的設備接入到移動網絡中，新的服務和應用層出不窮，人們對于移動數據傳輸需求的爆炸式增長，預計移動通信網絡的容量需要在當前的網絡容量上增長 1000 倍。

移動數據流量的暴漲將給現有移動網絡帶來全方位的沖擊和嚴峻的挑戰。第一，若按照當前移動通信網絡發展，網絡容量是難以支持千倍流量的增長的，就算能支持，網絡能耗和比特成本也難以承受。第二，流量增長會使得對頻譜的需求提升，但移動通信頻譜資源極度稀缺，可用頻譜呈大跨度和碎片化分布，頻譜資源利用率不高。第三，未來網絡將會是多網并存的異構移動網絡，要能做到高效管理各個網絡，簡化互操作，對不同的業務和用戶進行個性化優化，增強用戶體驗，2G 到 5G 的應用場景變化如圖 4所示。

圖 4 1G 到 5G 的應用場景變化

需要注意的是，雖然 5G 是萬人矚目、賦予重望的，但 5G 的登場并不意味著 4G 的謝幕，4G LTE 仍然是全球最為主流、最廣泛使用的通信技術。如貝爾實驗室所預測，5G 并不會完全替代 4G、Wi-Fi，而是將 4G、Wi-Fi 等網絡融入其中，為用戶帶來更為豐富的體驗，實現無縫切換。

5G 移動網絡與早期的 2G、3G 和 4G 移動網絡一樣，5G 網絡是數字蜂窩網絡，在這種網絡中，供應商覆蓋的服務區域被劃分為許多被稱為蜂窩的小地理區域。表示聲音和圖像的模擬信號在手機中被數字化，由模數轉換器轉換并作為比特流傳輸。蜂窩中的所有 5G無線設備通過無線電波與蜂窩中的本地天線陣列和低功率自動收發器（發射機和接收機）進行通信。收發器從公共頻率池分配頻道，這些頻道在地理上分離的蜂窩中可以重復使用。本地天線陣列通過高帶寬光纖或無線回程連接與電話網絡和互聯網連接。與現有的手機一樣，當用戶從一個蜂窩穿越到另一個蜂窩時，他們的移動設備將自動“切換”到新蜂窩中的天線。

根據 3GPP 的定義，5G 的三大應用場景為 eMBB、mMTC、URLLC。eMBB 即為增強移動寬帶，超高的傳輸數據速率（峰值可達 10Gbit/s）為超高清視頻、VR/AR 等大流量移動寬帶業務提供支持；mMTC 指海量機器類通信，物聯網連接起海量傳感器和終端，使我們真正能感受“云上”智能生活；URLLC 指超高可靠低時延通信，低至1ms 級別的時延，為 5G 在車聯網、工業控制、遠程醫療等特殊行業的應用提供了可能性。

----摘自《大話移動通信（第 2 版）》

來源: 《大話移動通信（第 2 版）》

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