1.2 从1G到5G

《贺新郎·读史》

人猿相揖别。

只几个石头磨过，

小儿时节。

铜铁炉中翻火焰，

为问何时猜得？

不过几千寒热。

——毛泽东

移动通信技术的演进规律和人类社会演进变化节奏类似，先是漫长的岁月走了关键的几步，后是短短的时间内突飞猛进。

老子有言：有无相生，高下相倾。有移动通信之前就有无线通信。无线电报是无线通信早期最主要的应用，1903年开始，美国有人利用无线电报给英国的《泰晤士报》发送新闻，可以实现当天消息、当天见报。

无线通信在第一次世界大战中得到了进一步的应用。不过那个时候的无线通信设备相当笨重，还需要与发电设备搭配使用，此外还需要配有几十米高的天线。大家可以想到，这样的设备在战争中使用，很不方便，通信设备很容易成为敌方的攻打目标。

到第二次世界大战的时候，无线通信设备的体积减小了很多，在一个通信车上就能够搭载完成。军用雷达、无线电台、无线电话等无线通信方式在军队中都已经非常普遍了，通信兵种已经是部队中的标配了。此外军用飞机、舰船坦克、装甲车也依赖无线通信。

战后，无线通信在民用领域得到广泛应用，如无线电广播、无线对讲机等。但此时的无线通信不能应用在远距离个人与个人之间的通信场景，也不支持移动条件下的连续通信业务，所以不能称之为真正意义上的移动通信。

1.2.1 无线移动化——1G

蜂窝组网，如图1-15所示，标志着从“无线”到“移动”的突变。蜂窝组网的关键技术是频率复用（如图1-16所示）和移动切换（如图1-17所示）。这样就可以支持个人和个人之间移动状态下不间断的语音通信。

这时的移动通信系统属于模拟通信系统，最早由美国贝尔实验室发明，由美国的AT&T和摩托罗拉完成组网实践。

后来，人们把无线通信转变而来的第一代移动通信称为1G。但在当时，这些系统有自己的名称，主要有美国的AMPS（Advanced Mobile Phone System，高级移动电话系统）、英国的TACS（Total Access Communications System，全入网通信系统）技术，如表1-3所示。在移动通信领域，美国的摩托罗拉公司主导了1G网络的建设。

这个时期，我国的移动通信网由美国摩托罗拉和瑞典爱立信组建。摩托罗拉设备组成的网络叫作A网络，爱立信设备组成的网络叫作B网。1G系统于1987年广东全运会上正式启用，于1999年正式关闭。

1G通信系统比较明显的缺点是串号、盗号。

1.2.2 移动数字化——2G

20世纪七八十年代，美国推出了信息高速公路计划。在这个计划实施的过程中，美国主导定义了互联网的架构、PC的架构，与此同时，互联网和PC领域的芯片、操作系统、交换器、路由器、浏览器等都由美国公司主导，因此产生了全世界最著名互联网和PC领域的大公司IBM、Intel、微软、Google、Cisco、Juniper。

科技是政治、经济、文化的基础，照此发展下去在计算机和通信领域是美国人的天下。

欧洲人发现由美国人主导互联网及移动通信领域话语权的不利局面，于是成立了GSMA组织，制定了GSM（Global System for Mobile communication，全球移动通信系统）统一标准，推动了移动通信制式由模拟调制到数字调制的发展，如图1-18所示。数字化是第二代移动通信2G的主要特征，它是将计算机及互联网的数字化思路应用到了移动通信网络上。模拟信号，一个时刻的值有很多可能，被误判的可能性大；而数字信号，每个时刻的值要么是0，要么是1，抗干扰能力比模拟信号强，被错误接收的概率大幅降低。

早在1989年，欧洲推动GSM正式商业化，在欧洲起家的诺基亚和爱立信开始攻占全球市场。2G时代，是诺基亚崛起的时代，仅仅10年功夫诺基亚就成为全球最大的移动电话商。

在2G时代，我国建成了世界上规模最大的两张GSM网，即中国移动GSM网络和中国联通GSM网络。一大批欧洲企业受益，如爱立信、诺基亚、西门子、阿尔卡特、飞利浦、萨基姆等。摩托罗拉通信设备的市场开始衰落。

我国GSM网络按使用的频段可分为GSM900和GSM1800，如表1-4所示。

2G系统的代表制式有GSM（Global System for Mobile Communication，全球移动通信系统）、窄带CDMA。

除了完成模拟数字化进程，相对于1G来说，GSM在频分多址的基础上增加了时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）的复用方式，如图1-19所示。

TDMA：是把时间分割成周期性的帧（Frame），每一个帧再分割成若干个时隙。基站给多个移动终端发送的信号（下行方向）都是按一定的规律安排在预定的时隙中，基站也可以在各时隙中接收到多个移动终端的信号（上行方向）。当然，TDMA系统对定时和同步的要求比较苛刻。

CDMA系统在频分多址的基础上增加了码分多址（Code Division Multiple Access）的复用方式，如图1-20所示。

CDMA是在数字扩频通信技术上发展起来的一种无线通信技术。所谓扩频技术，就是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被扩展（扩频），再经载波调制后发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号做相关处理，把宽带信号还原成窄带信号（解扩），然后提取出原始的信息数据。整个扩频解扩过程如图1-21所示。

大家可能想不到的是CDMA技术的最早发明者是美国影视女演员海蒂·拉玛（1914年11月9日—2000年1月19日），她是电影史上第一个全裸出镜的女星，同时也是跳频技术的专利拥有者，是真正的跨界之王，如图1-22所示。CDMA技术早期应用于美国军方，后来逐渐转向民用通信系统。

因此，相较于1G系统来说，2G具备较高的容量，同时具备高度的保密性。2G的声音品质较佳，比1G多了数据传输的服务，数据传输速度为9.6～14.4kbit/s，最早的文字简讯传送也从此开始。

第一款支持WAP（Wireless Application Protocol，无线应用协议）的GSM手机是诺基亚7110，如图1-23所示，它的出现标志着手机上网时代的开始，而那个时代GSM的网速仅有9.6kbit/s。

随着用户的需求不断发展，2G通信系统暴露出比较明显的缺点，具体有：网络速率低，支持业务单一、维护成本逐年升高。

1.2.3 数字宽带化——3G

从香农公式可以得知，为了解决数据传输速率过低的问题，数字系统宽带化是增加数据传输速率的重要方向。

人们注意到，在3G之前，移动各种制式主要是遵循一个区域性的标准，或者某个国家范围内的标准，不存在一个全球统一的标准。1998年12月，3GPP组织成立了，组织标志如图1-24所示，网址为www.3gpp.org，负责推进全球3G标准化的工作。现在这个组织已经完成了多个版本的5G标准，也着手开始研究6G标准，但组织的名称还是3GPP。

3GPP组织首先制定的全球3G标准是UMTS（Universal Mobile Telecommunication System，通用移动通信系统），它由一系列技术规范和接口协议构成，以WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access，宽带码分多址）技术构建无线接入网络，核心网在原有的GSM移动交换网络的基础上平滑演进。后来UMTS还把TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步码分多址）技术纳入了自己的怀抱。

考虑到北美CDMA制式的演进和发展，以及高通公司在CDMA上专利情况，cdma2000也被确定为3G制式之一。

因此，3G制式主要有WCDMA（欧）、cdma2000（美、韩）、TD-SCDMA（中国）三种，如表1-5所示。我国于2009年的1月7日颁发了3张3G牌照，分别是中国移动的TD-SCDMA、中国联通的WCDMA和中国电信的cdma2000。

这三个3G制式共同的技术基础是宽带CDMA，就是窄带原始信号通过宽带扩频序列进行扩频，从而把形成的宽频信号发送出去，这时候即使有用信号淹没在宽频噪声中，接收端也可以完成解扩解调，如图1-25所示。3G制式的共同特点是频率规划简单、频率复用系数高、系统容量大、抗多径衰落能力强、通信质量好、保密性强。

3G的高带宽和较高的传输速率，催生了多样化的应用。可以这么说，3G是开启智能应用的关键。苹果、联想和华硕等公司就是在3G网络时代推出的平板电脑。

随着智能应用的不断发展，对数据业务速率的需求也不断增长。但是CDMA在进一步增大带宽的时候，扩频实现困难，器件复杂度增加。这就可以理解WCDMA为什么不能把带宽从5MHz增加到20MHz，或者做得再大一些。当4G、5G的信道带宽要支持20MHz，甚至100MHz的时候，CDMA显然无法胜任。

基于CDMA技术的移动制式不能支持数十兆带宽的扩展，也不能进行带宽资源的灵活调度，业务发展遇到了瓶颈。

1.2.4 网络全分组化——4G

对数据业务速率的追求永无止境，但CDMA的技术瓶颈已近在眼前。更高的速率需求意味着更大的带宽需求。

4G无线侧的技术集合称之为LTE。LTE（Long Term Evolution，长期演进）关注的核心是无线空口的大带宽设计问题。OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术）可以支持无线空口的大带宽设计，同时支持1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz各种带宽的灵活配置，如图1-26所示。这一点和以前的移动制式不一样。以前的移动制式，信道带宽只有一种，而LTE可以有多种，而且可以根据无线环境、业务需求动态配置。

LTE要实现高带宽、大容量、高效率数据包交换分组，需要全部实现IP分组化，取消电路（CS）域的承载，只保留分组（PS）域进行数据传输。全网分组化是4G迈出的重大一步。在此基础上，网络扁平化，取消RNC节点，也是4G的关键突破，如图1-27所示。

基于这些关键技术，LTE初期的峰值速率可达下行100Mbit/s、上行50Mbit/s；控制面时延小于100ms，用户面时延小于5ms。LTE能够支撑高质量视频和图像传输，质量可以达到高清晰度电视的水平。

4G制式主要有TDD-LTE和FDD-LTE，分别支持TDD（时分双工）和FDD（频分双工）两种双工模式。其实二者除双工模式之外，系统相似度达90%以上，如表1-6所示。

由于无线技术、使用频段的不同，以及其背后利益出发点的不同，FDD-LTE的标准化进展与产业链发展领先于TDD-LTE，成为使用国家及地区最广泛、终端种类最丰富的4G标准。

2013年12月，工信部在其官网上宣布向中国移动、中国电信、中国联通颁发LTE经营许可证。从这个时间开始，国内移动互联网的应用，如微信、支付宝等，规模开始飞速增长。

LTE极大地促进了人与人的沟通和生活，但是在人与物、物与物的连接中，尤其是在大规模、低时延、高可靠的需求场景中，有些力不从心。

1.2.5 三T融合化——5G

4G改变生活，5G改变社会。

那么5G时代的信息社会是什么样子呢？信息随心至、万物触手及，达到了庄子给大家描述的“万物与我为一”的境界。

互联网（Information Techonology，IT）、通信网（Communication Techonology，CT）和物联网（Internet of Things，IoT）起源于不同的技术，遵循不同的互通标准，成长于不同的应用场景。很长时间以来，各自发展。

随着业务需求的不断发展，移动网和互联网逐渐走到了一起，成为移动互联网；与此同时，将物联网融入现有移动网的呼声也与日俱增。移动互联网和物联网成为5G产生和发展的最主要的动力，如图1-28所示。

5G需要完成承接移动网、增强互联网、使能物联网的使命，实现CT、IT、IoT这“三T”的深度融合，如图1-29所示。可以这么说，从网络组成的角度上说，5G=CT+IT+IoT。

5G的应用不仅局限于通信行业，5G将渗透至社会各个领域。5G以用户为中心整合各行各业，突破时空限制，拉近万物距离，实现零时延交互体验，构建全方位的立体信息生态系统。

移动网、互联网、物联网的融合发展，带来了规模庞大的终端接入需求、数据流量需求，以及日新月异的应用体验提升需求，进而推动5G技术的不断迭代更新。因此，5G已不再是一个单一的无线接入技术，而是多种新型无线接入技术和现有无线接入技术（4G、5G）集成后的一种综合接入技术。

在移动标准制定方面，3G时代，我国在TD-SCDMA标准的制定过程中顶住压力、崭露头角，实现了从旁观者到参与者的角色转变；4G时代，在LTE标准的制定上，我国和西方大国并驾齐驱、平分秋色；5G时代，我国在标准的质量和数量上已经处于绝对领先的地位。

2019年6月6日，工信部正式向中国移动、中国联通、中国电信、中国广电发放了5G的商用牌照，标志着我国正式进入5G商用元年。至此，我国成为继韩国、日本、美国、瑞士、英国等国家后，全球首批提供5G商用服务的国家之一。

5G网络的商用部署，必然会促进各行各业信息交流体系的重构，也会释放出更多的应用和行业需求，从而为6G、7G的研究提供了更高级别的要求和挑战。

1G到5G的发展历程关键点如图1-30所示。

1.2.6 速率发展历程

从1G到5G的发展历程，就是使用频段不断向高处发展，信道带宽不断增加（如图1-31所示）、峰值速率不断提升（如图1-32所示）的过程。

频段向高处发展的一个主要原因在于，低频段的资源有限；频率越高，允许分配的带宽范围越大，单位时间内所能传递的数据量就越大。

1G的AMPS系统，信道带宽是30kHz，最大支撑的速率是9.6kbit/s。2G时代，GSM、GPRS、EDGE信道带宽都是200kHz，峰值速率可分别到22.8kbit/s、171.2kbit/s和384kbit/s；cdma IS-95B的信道带宽为1.25MHz，峰值速率为115.2kbit/s。3G时代，WCDMA的带宽为5MHz，使用HSDPA技术，速率可达14.4Mbit/s。LTE的信道带宽为20MHz，下行单信道支持的峰值速率为100Mbit/s。5G时代，频率在6GHz以下(FR1)，信道带宽最大可到100MHz；使用的频率如果在6GHz以上(FR2)，信道带宽最大可到400MHz，5G的峰值速率目前可达20Gbit/s。

2G到5G数据业务频谱效率提升的趋势（1G不支持数据业务）如表1-7所示。TDD系统，上下行共用一个信道带宽，因此TD-SCDMA、LTE、5G在计算频谱利用率时带宽无须乘以2；而FDD上下行分别占用一个信道带宽，因此GPRS、EDGE、cdma2000 1x EV-DO，WCDMA在计算频谱利用率时，需考虑双倍的带宽占用。

2G的GPRS和EDGE支持极低速的数据业务，每Hz带宽支持的bit数不足1。3G中的EV-DO技术和HSDPA技术支持中低速数据业务，每Hz带宽支持的bit数大于1。4G的LTE技术，支持中高速数据业务，频谱利用率进一步提升，每Hz带宽支持的bit数达到5。到了5G，支持超高速数据业务，频谱利用率也成倍提升，每Hz带宽支持的bit数达到50。5G的频谱利用率，相对于其他制式，可以说是“一览众山小”，如图1-33所示。

1.2.7 业务支撑历程

1G主要解决语音业务移动通信的问题，当时的人们能够手拿大哥大进行语音聊天就已经显得高端大气上档次了。2G在支持数字语音业务的基础上，可支持短信业务和极低速的上网业务，在当时来说，人们用短信交流成为一种时尚，分享有意思的短信段子，就可以给人们带来无穷的快乐。

3G在2G的基础上，又进一步提高了语音通话的安全性，支持诸如中低速上网业务、图像、音乐等多媒体通信，智能终端在3G时代开始起步。

4G是移动互联网应用规模发展的网络基础，从网速、容量、稳定性上相比之前的移动制式有了跳跃性的提升，虽支撑了一些行业应用，但主要是支撑人与人之间的沟通和交流。5G改变社会，那么如何改变呢？从5G向各行各业的渗透开始。5G的大带宽、低时延、大连接的网络支撑能力可以极大地释放交通、工业、能源、农业、医疗、教育、文化、市政、娱乐、军事、虚拟现实等方向的需求，为各行各业的无界信息交互提供便利。

从1G到5G的业务支撑能力如图1-34所示。

1.2.8 终端演进历程

《终端演进》

终端发展年月长，

你方唱罢我登场。

Moto大哥叹兴亡，

Nokia小弟也思量。

智能手机金满箱，

软件应用也猖狂。

智慧连接百业旺，

自动车辆万物忙。

从1G到5G的发展历程，对于手机来说，就是体积从大变小、屏幕逐渐变大变宽（如图1-35所示）、重量逐渐减轻、厚度逐渐变薄（如图1-36所示）的过程。严格地说，手机只是终端的一种形式，或者说，是人与人沟通使用的终端。只不过在1G到4G的时期，终端的主要表现形式就是手机。

1973年，摩托罗拉公司为全世界带来了第一部模拟手机。大和重是这部手机最显著的特征。1987年摩托罗拉3200横空出世，并进入中国市场。但在当时，这个手机的市场价高达2万元人民币。大家要注意，这可是1987年！因此当时能用得起这种手机的人非富即贵。“大哥大”就是1G时代手机的统称。虽然拿在手上仿佛扛着一块大板砖，只能用来打语音电话，而且它不支持漫游，但丝毫不会影响人们借此来彰显自己与众不同的身份。

摩托罗拉还沉浸在1G模拟机的成功，时代已经悄然来到了2G时代，这是2G功能手机的时代。如果1G是摩托罗拉的时代，2G就是诺基亚发家的时代。诺基亚、爱立信在2G功能机的市场中，赶上了摩托罗拉，形成了三足鼎立的格局。

2G手机在功能上得到了延伸，外形上花样翻新。2G手机除了打电话，还能接发短信和进行Wap网页的浏览。此外，2G手机有拍照、音乐播放、游戏等功能。贪吃蛇手机游戏作为第一代手机游戏，影响了一代人。在外形上，2G手机开始支持彩屏，直板、翻盖、滑盖共存，越变越好看。

在2G时代，诺基亚手机独步天下，傲视群雄，找遍天下无敌手。但令诺基亚始料不及的是，3G时代来临了，智能手机时代到了。

3G时代手机最显著的特征就是删繁就简。“超大屏幕、超薄机身、设计时尚”成为3G时代手机最大的卖点。乔布斯用一颗“被吃过的苹果”迅速打开智能手机市场。苹果、三星代替诺基亚成为3G时代的霸主。3G时代的手机，可以支撑图片浏览，低质量的视频播放、简单的网络游戏，可以安装各种简单的APP应用。

4G时代，同样是智能手机的时代，所不同的是，我国国产手机厂家发力了。诺基亚逐渐淡出人们的视线。苹果、三星依然咄咄逼人，华为、小米等国产手机品牌在市场上的表现非常抢眼。4G时代的手机，支持在线视频直播、高速下载上传、各种APP的安装使用。

3G时代是智能手机产业链逐渐成熟的时代，是手机硬件厂家分享市场的时代。而4G时代则是智能手机软件厂家的时代，是各种手机应用软件厂家分享互联网流量红利的时代。

在1G、2G的时候，终端英文表示为MS（Mobile Station，移动台），3G、4G、5G终端可以表示为UE（User Equipment，用户设备）。CPE（Customer Premise Equipment，客户前置设备）是5G终端的一种重要形式，它可以作为网关设备，将5G信号和其他信号（蓝牙、WiFi、5G、4G等）进行转换，给一定局部区域的终端设备提供无线信号，如图1-37所示。

在5G时代，终端的外延有很大的扩展。可以说，“万物皆终端”，终端可以是一辆汽车，也可以是一件衣服，甚至是一个马桶。

总体来说，5G时代的终端可以分为三大类。

第一类，大带宽类的终端，比如大带宽手机，家庭影院、VR/AR/全息终端等。

第二类，低时延类的终端，比如自动驾驶汽车、无人机、工业自动化设备、远程手术机器等。

第三类，大连接类的终端，这类终端主要在采集和控制类的应用场景里使用，如智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等场景的终端。

5G时代的手机市场，谁说了算？苹果、爱立信、高通、三星等外国手机厂家摩拳擦掌，华为、中兴、小米等国产厂家不甘示弱。最终的市场格局如何，2030年的时候回头再总结。

从1G到5G，终端演进历程如图1-38所示。