當(dāng)代通信：從 1G 到 5G

我們把 20 世紀(jì) 80 年代至今稱為當(dāng)代通信。1973 年，美國摩托羅拉工程師馬丁 · 庫帕發(fā)明了世界上第一部商業(yè)化手機；1986 年，第一代移動通信技術(shù)（1G）在美國芝加哥誕生，高速發(fā)展的當(dāng)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(shù)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(jì) 70 年代就提出了蜂窩網(wǎng)的概念，但直到 20 世紀(jì) 80年代，基于“蜂窩”概念的模擬移動通信系統(tǒng)才實現(xiàn)大規(guī)模商用，這被認(rèn)為是真正意義上的第一代（1G，The First Generation）移動通信系統(tǒng)。

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

第一代蜂窩移動通信網(wǎng)是模擬系統(tǒng)，雖然模擬蜂窩網(wǎng)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(shè)備復(fù)雜、費用較高、業(yè)務(wù)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(shù)字移動通信—2G

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

第二代（2G，The 2nd Generation）移動通信系統(tǒng)主要采用數(shù)字的時分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）技術(shù)和碼分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）技術(shù)。以語音通信為主，主要提供數(shù)字化的語音業(yè)務(wù)及低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，又被稱為窄帶數(shù)字通信系統(tǒng)。

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

2G 完成了從模擬通信向數(shù)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(jù)”的狀況，不同的國家和地區(qū)采取不同的制式，移動通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，所以用戶只能在同一制式覆蓋的范圍內(nèi)漫游，不能實現(xiàn)全球漫游。并且，2G 帶寬仍然有限，大大限制了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用，從而無法實現(xiàn)移動多媒體等高速率的業(yè)務(wù)。

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(tǒng)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(fā)圖片，聽音樂，看視頻？隨著移動多媒體的發(fā)展，人們對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(biāo)的第三代移動通信系統(tǒng)呼之欲出，漸漸走上歷史舞臺。移動通信發(fā)展路線如圖1 所示。

圖 1移動通信發(fā)展路線

第三代（3G，The 3rd Generation）移動通信系統(tǒng)是在第二代移動通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進一步演進的。3G 以寬帶 CDMA 技術(shù)為主，并能同時提供更高質(zhì)量的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，較為徹底地解決了第一代和第二代移動通信系統(tǒng)的主要弊端，目標(biāo)是提供包括語音、數(shù)據(jù)、視頻等豐富內(nèi)容的移動多媒體業(yè)務(wù)。

4．更極致的網(wǎng)絡(luò)體驗——4G

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

Long Term Evaluation-Advanced）系統(tǒng)。如果說 3G 滿足了人們對于多媒體數(shù)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(wǎng)絡(luò)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(tǒng)（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(tǒng)引入了正交頻分復(fù)用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）和多輸入多輸出（MIMO，Multi-Input & Multi-Output）等關(guān)鍵技術(shù)，顯著地提高了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳輸速率。下行和上行峰值速率分別可達(dá)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(tǒng)容量和覆蓋也都顯著提升。此外，LTE 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加扁平化、簡單化，極大限度地減少了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，從而減小了系統(tǒng)時延和網(wǎng)絡(luò)部署、維護成本。LTE 系統(tǒng)還具有很高的兼容性，支持與其他3GPP 系統(tǒng)互操作。LTE 當(dāng)前的目標(biāo)是借助新技術(shù)和新的調(diào)制方法，盡可能提升無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力和數(shù)據(jù)傳輸速率，如新的數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)等。

根據(jù)雙工方式的不同，LTE 系統(tǒng)分為 FDD-LTE 和 TDD-LTE，二者技術(shù)的主要區(qū)別在 于空口的物理層上（例如，幀結(jié)構(gòu)、時分設(shè)計、同步等）。FDD 空口上下行采用成對的、不同的頻段接收、發(fā)送數(shù)據(jù)，而 TDD 系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)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(huán)境下可借助服務(wù)質(zhì)量（QoS）技術(shù)實現(xiàn)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(yuǎn)期目標(biāo)是簡化和重新設(shè)計網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，使其成為 IP 化網(wǎng)絡(luò)（見圖 2）。全 IP 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（核心分組網(wǎng)演進）將替代原先的 GPRS 核心分組網(wǎng)，可向 UMTS 和 cdma2000 提供語音數(shù)據(jù)的無縫切換，簡化的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可為運營商節(jié)約網(wǎng)路運營開支。

圖 2 LTE 整體結(jié)構(gòu)

早在 4G 標(biāo)準(zhǔn)制定之前，ITU 給 4G 的定義是實現(xiàn)靜止?fàn)顟B(tài)下能實現(xiàn)下行 1Gbit/s/ 上行500Mbit/s 的網(wǎng)絡(luò)速率。盡管被宣傳為 4G 無線標(biāo)準(zhǔn)，但 LTE 其實并未被 3GPP 認(rèn)可為 ITU所描述的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格意義上還未達(dá)到 4G 標(biāo)準(zhǔn)。所以 LTE 一般被描述為 3.9G或者準(zhǔn) 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(shù)革命，它可以完全后向兼容 LTE。LTE-Advanced 滿足 ITU-R 的 IMT Advanced 技術(shù)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(xié)作傳輸、

中繼、異構(gòu)網(wǎng)干擾協(xié)調(diào)增強等關(guān)鍵技術(shù)，能大大提高無線通信系統(tǒng)的峰值數(shù)據(jù)速率、峰值頻譜效率、小區(qū)平均頻譜效率以及小區(qū)邊界用戶性能，同時也能提高整個網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)效率，這使得 LTE 和 LTE-A 系統(tǒng)成為現(xiàn)在乃至未來幾年內(nèi)無線通信發(fā)展的主流。

LTE-A 為了實現(xiàn)更快的網(wǎng)絡(luò)速率，除了提高網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率，還引入多載波聚合技術(shù)。所謂的多載波聚合，就是將多個頻段的網(wǎng)絡(luò)信號聚合起來，相當(dāng)于公路從“單車道”擴展成了“多車道”，單位時間內(nèi)通車數(shù)量隨著載波數(shù)的增加成倍增加，使得整體速率大幅增加?？梢詫?2 ～ 5 個 LTE 成員載波（CC ，Component Carrier）聚合在一起，實現(xiàn)最大 100MHz 的傳輸帶寬（見圖3）。目前全球范圍內(nèi)不少運營商已經(jīng)推出了雙載波乃至三載波 LTE 技術(shù)，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(xiàn)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(shù)是最新一代蜂窩移動通信技術(shù)，也是繼 4G（LTE-A、WiMAX）、3G（UMTS、LTE）和 2G（GSM）系統(tǒng)之后的延伸。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的設(shè)備接入到移動網(wǎng)絡(luò)中，新的服務(wù)和應(yīng)用層出不窮，人們對于移動數(shù)據(jù)傳輸需求的爆炸式增長，預(yù)計移動通信網(wǎng)絡(luò)的容量需要在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)容量上增長 1000 倍。

移動數(shù)據(jù)流量的暴漲將給現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)帶來全方位的沖擊和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。第一，若按照當(dāng)前移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)容量是難以支持千倍流量的增長的，就算能支持，網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)將會是多網(wǎng)并存的異構(gòu)移動網(wǎng)絡(luò)，要能做到高效管理各個網(wǎng)絡(luò)，簡化互操作，對不同的業(yè)務(wù)和用戶進行個性化優(yōu)化，增強用戶體驗，2G 到 5G 的應(yīng)用場景變化如圖 4所示。

圖 4 1G 到 5G 的應(yīng)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(shù)。如貝爾實驗室所預(yù)測，5G 并不會完全替代 4G、Wi-Fi，而是將 4G、Wi-Fi 等網(wǎng)絡(luò)融入其中，為用戶帶來更為豐富的體驗，實現(xiàn)無縫切換。

5G 移動網(wǎng)絡(luò)與早期的 2G、3G 和 4G 移動網(wǎng)絡(luò)一樣，5G 網(wǎng)絡(luò)是數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在這種網(wǎng)絡(luò)中，供應(yīng)商覆蓋的服務(wù)區(qū)域被劃分為許多被稱為蜂窩的小地理區(qū)域。表示聲音和圖像的模擬信號在手機中被數(shù)字化，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換并作為比特流傳輸。蜂窩中的所有 5G無線設(shè)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(fā)器（發(fā)射機和接收機）進行通信。收發(fā)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(fù)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(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)連接。與現(xiàn)有的手機一樣，當(dāng)用戶從一個蜂窩穿越到另一個蜂窩時，他們的移動設(shè)備將自動“切換”到新蜂窩中的天線。

根據(jù) 3GPP 的定義，5G 的三大應(yīng)用場景為 eMBB、mMTC、URLLC。eMBB 即為增強移動寬帶，超高的傳輸數(shù)據(jù)速率（峰值可達(dá) 10Gbit/s）為超高清視頻、VR/AR 等大流量移動寬帶業(yè)務(wù)提供支持；mMTC 指海量機器類通信，物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療等特殊行業(yè)的應(yīng)用提供了可能性。

----摘自《大話移動通信（第 2 版）》