1.1　移动通信系统的发展

移动通信系统经历了数次代际更迭，从模拟时代、数字时代、数据时代、移动宽带时代，步入了多场景融合发展的5G 时代，渗透到了社会各个领域，成为移动互联网、产业互联网发展的重要驱动力量。

移动通信系统怎样才算得上是一个Generation，要从普通物理学说起。电磁波按照频率的分布形成一个电磁波谱，而频率与波长的乘积是一个常数（光速）。频率越高，波长就越短，反之亦然。在什么样的频率下，采用什么样的技术来利用这个频率的电磁波进行无线通信，就构成了不同的Generation（简写为G），如图1-1所示。

1.1.1　1G

1G 即第一代移动通信系统，采用蜂窝结构组网，使用模拟通信传输技术，并通过频分多址（FDMA）调制方式增加系统容量。1978年，1G 时代的典型移动通信系统诞生于美国芝加哥，即美国的AMPS（Advanced Mobile Phone System）。随后各国和地区分别发展了自己的移动通信系统，包括英国的TACS（Total Access Communication System）、日本的汽车移动电话系统（HAMTS）、北欧的NMT（Nordic Mobile Telephone）系统和加拿大的MTS（Mobile Telephone System）。中国的移动通信系统在1987年亚运会时，由广东省引入并开始使用。

虽然第一代移动通信系统取得了巨大的商业成功，但是其传输带宽受到限制，因此存在众多性能方面的不足，例如，无法支持长途漫游，无法上网和短信，只具备电话以及区域性的移动通信功能，同时存在声音质量低、收听不稳定、安全能力保密能力低等缺陷。

1.1.2　2G

为摆脱1G 模拟调制的技术缺陷，第二代移动通信系统即2G 应运而生。第二代移动通信系统使用时分多址、码分多址的数字化通信方式代替1G 时代的模拟调制方式，主要在通信质量、安全保密性、通信系统容量方面产生了重大突破。2G 时代的主要移动通信系统有两个，即欧洲主导的GSM（Global System for Mobile Communications）系统和美国主导的CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）系统。

2G 的主要特征是数字化，可以提供语音业务及10kbps 以下的低速数据业务，并且可以实现自动漫游功能，提高了区域移动性。GSM 系统采用时分多址（TDMA）调制方式和频分双工（FDD）方式，标准体制及技术发展较为完善，在全球范围内使用较广。CDMA 系统采用码分多址（CDMA）调制方式及数据加密技术。相较于GSM 系统，其通信容量得到了大大提高，达到10倍以上，同时在安全性上也得到了提高，CDMA 技术主要在美国和日本的移动通信系统中使用。GSM 系统和CDMA 系统在我国均得到应用，在1995年建设使用了GSM 系统，2002年正式开通了CDMA 网络。

2G 虽然在一定程度上克服了1G 时代的通信质量问题，但受限于通信带宽，无法适应更高速的数据业务的发展，同时由于采用两种制式发展，导致标准不统一，无法适应全球漫游业务。

1.1.3　3G

第三代移动通信系统即3G 是开启移动通信编年史的关键，其支持高速数据传输，可实现语音和数据的实时传输。在高速移动环境下，数据传输速率达到144kbps；在中低速移动环境下，数据传输速率达到384kbps；在静止环境下，数据传输速率达到2Mbps。同时可支持全球范围内无缝漫游。3G 时代制定了统一的国际技术标准，命名为IMT-2020。3G 技术的主流制式包括三种：CDMA2000、WCDMA（Wideband CDMA）和TD-SCDMA（Time Division-Synchronous CDMA）。在3G 系统中，CDMA 成为主流的多址接入技术，具备众多优点，如抗多径衰落性较强、系统容量大、软切换等。

CMDA2000是北美基于IS-95CDMA 系统提出的，使用2110～2170MHz 频段，采用直接序列扩频码分多址和频分双工（FDD）方式；WCDMA 技术是欧洲和日本提出的，使用1900～2025MHz 频段，同样采用直接序列扩频码分多址和频分双工（FDD）方式；TD-SCDMA 则是中国提出的具备自己知识产权的第三代移动通信系统，使用2110～2170MHz 频段，采用时分双工（TDD）与FDMA、TDMA、CDMA 相结合的方式。

3G 时代标志着移动多媒体时代的到来，3G 技术已经能够支持图像、音频、视频等多媒体形式的数据的传输。人们可以在手机上直接浏览网页、视频通话、收看直播、收发邮件。3G 技术提高了2G 时代的语音通话安全性，同时采用更宽的频带，大大提高了数据传输的稳定性与速率，适应了移动互联网时代对网络和数据高速传输的需求。

1.1.4　4G

第四代移动通信系统即4G 是专为满足移动多媒体业务而设计的，其以正交频分复用（OFDM）技术和多输入多输出（MIMO）技术、智能天线技术、基于IP 的核心网技术等为核心，主要应用于移动宽带业务，追求增强通信网络容量以及更加高速的网络传输速率。与3G 技术相比，在网络速度、系统容量及安全稳定性方面，4G 技术均得到较大提高。4G 技术存在两种制式，包括TD-LTE 和FDD-LTE。这两种制式的主要区别在时分与频分双工方式上。

TD-LTE 采用时分双工（TDD）技术，以TD-SCDMA 技术为基础演进发展而来。值得说明的是，TD-LTE 是中国主导制定的一项国际通信标准。时分双工通信使用同一个载波频率，在接收和发送数据时工作在同一载波的不同时隙中，能够充分利用有限的频谱资源。FDD-LTE 采用频分双工（FDD）技术，上下行链路工作在不同的载波频率上，但是工作在同一个时隙中。从频谱资源利用率的角度讲，TD-LTE 相较FDD-LTE 更节省频谱资源，但是在速度方面弱于FDD-LTE。

从第一代移动通信系统到第四代移动通信系统，每一代都有标志性的关键技术及关键性能指标。1G 时代采用频分多址及蜂窝系统覆盖小区技术，实现了移动系统从无到有的突破；2G 时代采用GSM、CDMA 等数字化技术，改善了1G 时代模拟通信频谱利用率低下、系统容量小的问题，并开始支持数据业务；3G 时代的无线通信能力使得无线系统与互联网连接起来，适应传输图像、音频、视频等多媒体数据所需流量大幅上升的需求，以及网页、视频会议等应用需求，提供的主要制式包括CDMA2000、WCDMA 和TD-SCDMA；4G 时代采用正交频分复用技术及MIMO 技术，能够适应各种移动宽带业务的需求，用户体验速率可达100Mbps。主要技术进步总结如下：

·网络IP 化；

·CDMA 转向OFDMA（正交频分多址）；

·带宽由5Mbps 提升至20Mbps；

·软切换转为快速硬切换；

·语音数据化（VoLTE）；

·频谱效益更高（1.5～2倍），采用多通道MIMO 传输、多天线发射与接收，正交振幅调制（QAM）由16升至64，能够有效进行干扰协调和消除。

随着增强现实与虚拟现实（AR/VR）、4K/8K 超高清视频、云游戏等大带宽应用的增多，各种智能终端的普及，物联网设备的大规模部署，移动流量及终端设备的激增，4G移动通信系统已经难以满足应用对更大带宽、更广连接、更低时延的需求。再加上4G 投放市场已经有10年的时间，技术的不断改进、成功与失败的经验也为移动通信向第五代即5G 的发展打下了基础。