1.1.2 1G到5G的发展

1.移动通信技术1G到4G：一部科技史的变化

1G是世界上最早的模拟信号，其刚开始只能够实现蜂窝电话的语言传输，产生的标志是在1876年2月14日由亚历山大·格拉汉姆·贝尔发明并向美国国家专利局申请了专利技术的电话。1G的出现并不是为了商业民用，与大多技术一样，1G的出现是为了实现军事通信。例如，20世纪40年代出现的战地移动通信电话。而最早用于民用的是20世纪80年代出现的1G技术产品——大哥大，其是摩特罗拉公司旗下的产品。早期的1G时代并没有通信巨头，创世之初只有A网和B网，而由这二者所演进的后市的市场主宰就是我们现在所熟知的爱立信公司和摩特罗拉公司。它们在当时的1G市场中有着绝对的统治地位。虽然1G开启了通信的时代篇章，但是它留给人们的最大印象还是它的缺陷：保密性差、传输成本高、频谱使用的效率低等。1G采用的是0.3～3GHz的频率其是一种分米波。1G采用的是频率为0.3～3GHz的分米波，由于很多国家同时利用这一频段的频率进行通信，故使用者变多之后会导致传输速度变慢。而且通过无线电波进行信号传输的保密性能很差，信号容易遭到窃取，其安全性能极低。1G带宽比较窄，无线电波虽然能实现很远的传播，但也仅仅局限在一定区域大小内，无法实现长途的跨区域传输。1G技术的很多问题在其产品—大哥大上都有着缩影，如不方便携带、制作成本高、保密性能低等的问题，使得只有很少的一部分人才能拥有它。

1G只是开始通信篇章的标志，由于其性能上的偏差和技术的缺陷根本无法满足人们的通信需求，由此开启了2G的篇章。在当时所有国家都使用TDMA的时候，美国已经专注于开发CDMA技术了。因为TDMA只能靠压缩其带宽，CDMA相比于TDMA容量更大，频率的可利用率更高，也有更加强大的抗干扰能力。这就是为什么2G比1G有更好的保密性能和更高的容量。而在这场2G争夺战中，芬兰的诺基亚公司先下一城，抢下了巨大的市场蛋糕。诺基亚7110的发布，象征着手机上网时代的来临。其不仅开始进行简单的文字传输，还可以玩简单的手机小游戏、浏览一些初级的网页等。这样，诺基亚公司就占据了2G时代。1994年，中国联通建立了，但直到1995年，中国才算是真正进入2G时代，由此BB机进入人们的生活。

由于2G并没有完全解决通信中的某些问题，FDMA也开始逐渐暴露一些问题。于是各个通信公司开始寻求新的通信技术。由此开启了3G的篇章。3G技术需要使用新的频段，并在新的频段中制定了新的标准，以提高各项性能，于是CDMA的潜能再次被挖掘，它具有频率资源多且可利用率高、容量大、通信质量高等特点。3G是移动通信技术的一个分水岭，之前的1G和2G通信时代都无法进行长途的漫游通信，只能在一个区域中实现通信，是一种区域技术，而3G是国际标准。3G时代可以实现全国的漫游，有足够的通信容量可以实现更加高效的通信服务，通信的保密性能也更加完善。由于3G时代可以满足更加完善的通信需要，因此3G开启了移动通信的新纪元。3G时代由日本率先起步，其在2000年就颁发了3G的运营牌照。在3G时代，三星、苹果等智能手机开始进入人们的生活，甚至平板电脑也已有了一定的雏形。从3G时代开始，移动通信开始改变人们的日常生活。2008年由史蒂夫·乔布斯发布的第一部3G手机更是3G时代的里程碑事件，真正做到了在移动情况下发送文字、图片和彩信，也可以浏览互联网基本网页。

在2009年，中国也颁发了自己的3G牌照，于是国内的通信领域正式形成了中国移动通信集团公司（以下简称中国移动）、中国联合网络通信集团有限公司（以下简称中国联通）、中国电信集团有限公司（以下简称中国电信）三足鼎立的局面。也就是这个时候，在3G的国家地位中，中国开始崭露头角了，中国提出了著名的 TD-SCDMA标准，其有重要的意义。TD-SCDMA标准刚开始的时候并没有显示出很大的优势，因为那时候中国的3G业务发展并不迅猛，中国也没有处于3G通信的第一梯队。但是从3G时代开始，民众开始正式接触能消费起的通信设备，也是从3G时代开始，通信技术开始颠覆人们的传统生活，给日常生活带来极大的便捷。

而在3G开始出现不久，甚至都还没有普及的时候，学术界就已经开始研究4G了。相比于3G，4G带来了更加巨大的进步。当时候3G通信给人们构造了一个很美好的移动通信的蓝图，但是由于技术的缺陷，无法真正满足人们在各方面的通信需求。为了更好地满足人们的通信需求，4G的速度更快、通信质量更高、更加智能且大大压缩了成本，更加贴近人们的通信需求。2011年，韩国开始部署4G网络。4G基站基本能满足人们日常通信需求，但是当时许多国家都采用高频网络，这就如同在一个车道上出现很多的车会造成交通堵塞一样，频率资源的利用率也会因此降低。

在2013年底，中国移动、中国联通、中国电信才拿到了4G牌照，中国开始步入4G时代。用户不断增长的通信需求及学术界对通信技术的不断开拓革新共同推动着整个通信体系向前发展。在通信的开篇中，第一代移动通信完成了“移动”与“通信”的结合，自此拉开了移动通信的大幕。在数字技术不断成熟的背景下，第二代移动通信系统实现了从模拟信号到数字信号的转换过程，并不断加深新的业务深度。而当第二代移动通信所提供的业务也无法满足人们日益增长的通信需求的时候，第三代移动通信系统采用全新的码分多址的接入方式，完美地实现了对多媒体业务的结合。从此，传输速度与支持带宽成为移动通信中重要的参考指标。而以多入多出和正交频分多址接入技术为核心的第四代移动通信系统不仅在频谱效率和支撑带宽能力上做出了进一步的提升，还一举成为移动互联网的基础支持。同时，在4G商业化取得重大成果的时候，第五代移动通信也在逐渐向垂直行业渗透。在基于大规模MIMO、毫米波传输、多连接等技术的基础上，5G技术可以实现峰值速率、用户体验数据速率、频谱效率、移动性管理、时延、连接密度、网络能效、区域业务容量性能等全方位的提升。纵观上述演进历程，满足用户的通信需求是每代系统演进的首要目标，而新的通信技术则是每代系统演进的驱动力。

2.5G的发展

3GPP在第15版中定义了第五代蜂窝技术，以满足ITU的IMT-2020性能要求，并支持与使用场景相关的各种服务，如eMBB、uRLLC和mMTC。5G是支持诸如超过10GHz的毫米波频带的高频带的第一代移动通信系统，并且使用几百MHz的频率实现每秒几千兆比特的超高速通信。5G的性能目标是超高速度、超低延时、广连接、低功耗等。5G还减少了基站压力，节约了更多的资源，降低了各类成本。在5G的演进过程中，既满足个人用户信息消费需求，同时也向社会各行业和领域广泛渗透，实现了移动通信由消费型向产业型的升级。

5G是经过4G、3G和2G技术之后获得的又一大重大成就。4G技术在传输视频上的缺点是网速慢等，5G的到来改善这一缺点，极大地满足了人们各方面传输大数据的需求。4G时延高，在人流拥挤的情况下，手机基本用不了。5G时延低，可以低至1ms，5G的超低时延提高了手机的使用质量。5G网络容量较大，足以容纳上千万、上亿万的设备，可以实现面对面传输，满足了物联网的通信要求。频谱采用高频，波段为毫米波，波长较短，具有移动性，极大地满足了用户各种需求。每一平方千米就有一百万个5G终端，比每一平方千米只有一万个4G终端多了一百倍。

到目前为止，1G到5G的设计都遵循网络侧和用户侧的松耦合准则。通过技术驱动，用户和网络的基本需求得到了一定的满足，如用户数据速率、时延、网络谱效、能效等。但是受技术驱动能力的限制，1G到5G的设计并未涉及更深层次的通信需求。在第六代移动通信系统中，网络与用户将被看作一个统一整体。用户的智能需求将被进一步挖掘和实现，并以此为基准进行技术规划与演进布局。5G的目标是满足大连接、高带宽和低时延场景下的通信需求。在5G演进后期，陆地、海洋和天空中都存在巨大数量的互联自动化设备，数以亿计的传感器将遍布自然环境和生物体内。基于AI的各类系统被部署于云平台、雾平台等边缘设备，并创造数量庞大的新应用。

5G目前已在全球实现了商业化，但是仍存在一些技术问题，不能满足一些期望的应用使用，因此有必要进行5G的演进以进一步进行技术增强。目前在已有的实验中发现，毫米波通信在 NLoS环境中在提高覆盖范围和上行链路性能方面还有待提高。例如，基站未覆盖的沙漠、无人区、海洋等区域内将形成通信盲区，预计5G时代仍将有80%以上的陆地区域和95%以上的海洋区域无移动网络信号。5G可通信范围集中在陆地地表高度10km以内的有限空间区域，难以实现空天地海一体化的目标。随着传感器技术和物联网应用的发展，在很多应用场景下将需要接入更多的物理设备，5G网络目前的接入设备数量还不能满足一些应用场景。6G的早期阶段将是5G进行扩展和深入，以AI、边缘计算和物联网为基础，实现智能应用与网络的深度融合，实现虚拟现实、虚拟用户、智能网络等功能。