第1章 移动通信应用发展概述

| 1.1 移动通信技术发展历程 |

通信的发展一直伴随着人类社会的发展过程。随着社会经济的发展，人类的活动范围不断扩大，迫切需要进行远距离信息传递和沟通，“烽火台”就是人类早期进行远距离通信的工具之一。伴随着科学技术的不断发展，通信技术也从简单到复杂、从低级到高级、从有线到无线、从模拟到数字、从语音到数据、从窄带到宽带逐步发展。

1831年，法拉第提出电磁感应定律，促使人类进入电气化社会。1864年，麦克斯韦建立电磁场理论体系，为无线电通信奠定了基础。1888年，赫兹用实验验证了麦克斯韦电磁场理论，证实了电磁波的存在。1895年，马可尼发明了无线电报，开启了无线通信应用时代。1906年，弗莱明发明了电子管，使无线电通信设备进入到电子时代。1912年，无线电台开始进入发展快车道。1947年，贝尔实验室的威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴顿（John Bardeen）和沃特·布拉顿（Walter Brattain）发明了晶体管，使得无线电通信设备的功耗进一步减少、体积进一步缩小，可以安装在汽车、轮船、飞机上。1958年，美国德州仪器公司的工程师杰克·基尔比（Jack Kilby）和仙童公司的罗伯特·诺依斯（Robert Noyce）发明了集成电路，使得无线电台变得可以随身携带。1980年左右，第一代模拟移动电话面世。图1-1展示了近代移动通信发展历程。

图1-1 近代移动通信发展历程

每一次技术革新都将推动人类社会发展的步伐。信息沟通交流和快速传播提高了人类的工作效率，促进了社会生产能力的大幅提升，知识传播的速度和广度加速了人类智力的提升和进化，使人类变得更加聪明、更加智慧。而聪明、智慧的人类又研发出更加先进、智能的信息通信技术（Information and Communications Technology，ICT），推动全球经济、文化、旅游、娱乐等快速发展，助力人类构建繁荣昌盛、环境友好的地球家园。人类是ICT发展的主导者和享受者，先进的ICT为人类美好的生活提供了坚实的基础。ICT的发展和人类社会的发展相互交融、密不可分，尤其是无线电通信技术的发展和成熟，极大地提高了社会生产力，改变了人类的生活方式。移动通信开启了人类信息通信的新时代，也就是人们常说的“1G改变人们的沟通方式，2G拉近人与人之间的距离，3G引领移动互联网时代，4G改变生活，而5G将改变社会”。

1.1.1 1G改变人们的沟通方式

自1876年美国人亚历山大·格拉汉姆·贝尔（A.G.Bell）发明有线电话以来，人与人之间的沟通距离因此而缩短，但电话通信始终被一根电线所束缚。1895年俄国物理学家A.C.波波夫和意大利物理学家G.马可尼分别成功地进行了无线电通信试验，从此开启了无线电通信的发展历程。无线电波可以通过反射、折射、绕射和散射进行传播，不依赖任何介质进行通信，使得人与人之间可以在任何时间、任何地点进行无缝隙的信息沟通和交流。

无线电波被广泛用于电报、电视、广播、无线电台、雷达导航等领域。随着汽车的广泛使用，人类的活动范围不断扩大，行进中的汽车以及行至远处人们的信息通信因此受到限制，当生命受到威胁或者有人处于危险和紧急状况时，无法将该信息及时传递出去，为此人类研发了无线电台，通过无线电台之间的语音通信，可以及时了解和掌握远方的汽车和人的安全状况，一旦出现危急情况，可以得到及时救治。无线电台是移动电话的前身，初期无线电台采用单工通信方式（即一方说话另一方听，双方不能同时通话），而且无法和有线电话之间进行互通，主要用于指挥调度和应急通信领域。为了解决无线电台和有线电话之间的互通问题，研究人员开发了有线无线接驳器，可以实现单工电台和固定电话之间的双向单工通信，只是使用起来不太方便。

19世纪80年代人类研发出了第一代移动通信（1G）系统，手机的出现解决了无线电台的单工通信问题。1G系统采用模拟窄带调制技术，模拟是指直接用模拟的语音信号调制高频载波，窄带是指一个射频信道的无线频谱带宽一般不大于30kHz，调制方式通常使用调频（Frequency Modulation，FM）。为了满足多用户同时通信的需求，采用频分多址（Frequecy Division Multiple Access，FDMA）技术。1G系统主要有3种通信制式：美国800MHz频段的先进移动电话系统（Advance Mobile Phone System，AMPS），瑞典、丹麦等北欧四国450/900MHz频段的北欧移动电话（Nordic Mobile Telephone，NMT）系统，英国900MHz频段的全接入通信系统（Total Access Communication System，TACS），除此之外还有法国的Radiocom2000和德国的C-450。1987年11月，国内第一个900MHz TACS模拟移动电话系统在广州商用。

1G系统的用户终端有手持机和车载台两种形态，手持机又称为“手机”“手提电话”“大哥大”，车载台也称为车载电话。移动电话的出现使得人类的语音通信彻底摆脱了有线的束缚，即使是在汽车、火车、步行等场景下，也可以进行连续的语音通信，这给人们的工作、生活、信息传输带来了极大的便利。只要在移动网络覆盖的区域，人们即可以享受到任何时间、任何地点无缝隙的语音通信服务。初期移动电话价格昂贵，通常只有私人老板、公司高级管理者等少数人才能拥有，“大哥大”当时是身份、地位的象征。

第一代模拟移动通信网络采用大区制，一个地区的移动网络由许多基站组成，基站组成的网络和蜂窝结构类似，因而又称为蜂窝移动通信网络。基站根据天线的不同分为全向基站和定向基站两种，每个基站的天线架设高度都在50m以上，基站单载波的发射功率可达100W，手持机的发射功率为3W（车载台为10W），单个基站的覆盖半径可达10km以上。为了解决广域网络覆盖问题，需要建设多个基站，由于基站使用的无线通信频率有限，因此每间隔一定距离需要重用相同的频率，室外基站一般称为宏蜂窝基站，简称宏站。第一代模拟蜂窝移动通信的出现给人们的沟通带来了极大的便利，它解决了人们移动状态下的通信有无问题，但第一代模拟蜂窝移动通信技术有以下缺点。

一是手机价格很高。当时人们购买一部摩托罗拉9900手机需要3万多元人民币，且通信呼出、呼入双向计费，单价1元/分钟，普通人群根本无力购买和消费。

二是安全性差。系统鉴别用户是否具有接入权限主要是通过用户移动标志号码（Mobile Identification Number，MIN）和电子序列号码（Electronic Serial Number，ESN）。MIN和ESN在空中通过无线电波采用明码传输，没有加密，不法分子只要使用接收机锚定基站的控制信道频点，利用解调器即可以截取这两个号码，将这两个号码复制到另一部手机上，这样这部手机就可以和合法手机一样进行通信而不用支付任何费用，因而给合法用户和运营企业带来损失，由此产生纠纷问题。

三是保密性差。用户的通信内容没有经过加密，使用一台调频解调功能的接收机锁定基站的话音业务信道频点，就可以监听该信道用户的通话过程，因此用户通信保密性很差。

四是容量小。模拟通信系统采用FDMA技术，一对频点同时只能有一个用户进行通话。TACS的20MHz频谱分为A、B两段（各10MHz），一对频点占用25kHz带宽，共800对频点（AMPS系统的A、B两段各10MHz频谱，一对频点占用30kHz带宽，共666对频点），每个扇区控制信道占用一对频点。理论上，TACS的一个三扇区基站最大配置48对频点（信道），最多可供45个用户同时通信（去除3对控制信道频点），因此业务忙时经常无法打通电话。

五是不支持国际漫游。1G系统设计之初没有考虑用户移动到其他国家的通信问题，即1G手机无法实现国际漫游，因而不能满足高端商务人士的需求。

1.1.2 2G拉近人与人之间的距离

为了解决第一代移动通信制式价格高（系统和终端的价格均非常高）、安全性和保密性差、容量小、不支持国际漫游等问题，美国和欧洲先后开启了第二代数字移动通信（2G）系统的研发。2G系统主要采用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）和码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）两种技术。之所以称之为“数字移动通信”，是因为对语音进行采样量化，将其编码为数字信号，再用数字信号对载波进行调制。采用TDMA技术的有欧洲的GSM制式移动通信网络和北美的D-AMPS，GSM系统将一对200kHz带宽的信道分为上下行8个时隙，可以容许8个用户同时进行通信；D-AMPS将一对30kHz带宽的信道分为上下行3个时隙，容量相比模拟AMPS增加了3倍。

1.GSM移动通信系统

1982年欧洲邮电管理委员会（Confederation of European Posts and Telecommunications，CEPT）成立了一个移动通信特别小组（Group Special Mobile，GSM），其目的是制定一个欧洲范围内通用的900MHz TDMA数字蜂窝移动通信系统的技术规范。1986年，泛欧11个国家为GSM提供了8个试验系统和大量的技术成果。1988年，欧洲电信标准组织（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）成立。泛欧18个国家于1991年在丹麦哥本哈根签署了谅解备忘录（Memorandum of Understanding，MOU），在ETSI的组织下，集欧洲各国的通信业技术力量共同制定了完善的GSM规范。1992年GSM被修正为全球移动通信系统（Globe System for Mobile Communications），简称“全球通”。至1995年，全球共有69个国家118个单位参加了MOU，由于GSM是多个国家共同制定的技术规范，因此规范制定之初就考虑了国际漫游问题。为了应对日益增长的蜂窝通信系统的无线容量需求，GSM标准将无线频谱扩展到了1800MHz频段（在北美地区为1900MHz频段，因为北美地区的1800MHz频段另有用途）。

面对移动通信用户密度迅速增长的状况，利用宏站解决热点区域的容量极不经济，因此引入了微蜂窝基站，一般将发射功率小和信道配置较少的基站称为微蜂窝基站，有时将利用宏站信源覆盖的室内分布系统也称为微蜂窝。为了解决用户通信盲区，开始在地下室、地铁、隧道、电梯、大型商场等场所大规模建设室内分布系统。

2.CDMA移动通信系统

美国主要考虑1G系统和2G系统之间的数模兼容问题，在数字化进程上主要分为两条技术路线。一条路线是TDMA的D-AMPS制式，即在现有的30kHz一个信道的基础上，上下行各分为3个时隙，D-AMPS可以与AMPS共机柜，即数模信道板安装在同一机柜内，从而实现模拟到数字的平滑过渡，降低移动通信系统的投资。1991年D-AMPS被美国无线通信和互联网协会（Cellular Telecommunications Industry Association，CTIA）批准为数字移动蜂窝标准，但CTIA认为，D-AMPS未能满足大容量、高保密性、高服务质量、低成本的要求。

另一条路线是CDMA制式，1992年美国高通（Qualcomm）公司提出了CDMA移动通信制式和标准，即将原来41个30kHz的AMPS信道组成一个1.23MHz的宽带载波，从A频段的最高频点323往下到283共41个频点合并为第一个CDMA载波，信道号为283，直到1995年形成了完善的CDMA技术规范，1996年投入商用。第一个CDMA系统称为IS-95。

CDMA系统具有许多技术上的优势，如抗多径衰落、软切换、软容量，系统容量比GSM系统更大，采用语音激活技术、RAKE接收机等，占据了一定的市场份额。

3.2G系统的特点

相比1G系统，2G系统安全性和保密性好、系统容量大、组网灵活，支持短消息业务、电路域低速率数据业务，手机体积更小、价格更低、重量更轻，携带更加方便。在1G系统运行期间，当时还有寻呼业务也出现了爆炸性增长，其普及率远超“大哥大”，移动电话用户一般也随身携带寻呼机（也称为BP机）。寻呼机是一个小孩手掌大小的机器，可以接收并显示简单的数字、字符信息，后续又推出了可显示少量中文信息的寻呼机。2G系统推出短信（彩信）服务后，手机可以替代寻呼机，使用手机的用户无须再携带寻呼机。由于2G系统具有终端价格优势（单向收费），因此移动电话的普及率迅速提升，许多工薪白领阶层有能力消费，也就是2G拉近了人与人之间的距离。

随着世界经济的发展和人与人之间联系的日益增长，电路域数据业务存在速率低（9.6kbit/s）、线路利用率低和价格高等劣势。公用电话交换网（Public Switched Telephone Network，PSTN）开始引入X.25分组数据交换以及因特网协议（Internet Protocol，IP），为了保持和PSTN的数据业务同步，2G系统开始推出通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS），如在GSM系统中引入分组控制单元（Packet Control Unit，PCU）板卡、GPRS服务支持节点（Serving GPRS Support Node，SGSN）、GPRS网关支持节点（Gateway GPRS Support Node，GGSN）用于支持数据业务传输，在业界也称为2.5G，后续进一步捆绑8个分组数据业务信道（Packet Data Traffic Channel，PDTCH）的增强型数据速率GSM演进（Enhanced Data rate for GSM Evolution，EDGE）也称为2.75G系统，可以支持171.2kbit/s的较高速数据业务。CDMA（IS-95）中推出了cdma2000 1x无线分组数据业务，支持153.6kbit/s的较高速数据业务。

随着数据流量业务的兴起，移动多媒体音视频服务横空出世，彩信、手机报、壁纸和铃声的在线下载也成了热门服务。人类再一次利用科技改变了信息的传递方式，除了语音通话，短信成为人与人沟通的重要桥梁。海量的信息传递，也让移动互联网展露出了雏形，然而在这个时代，无论是GPRS、EDGE还是CDMA 1x，其资费还是相当昂贵的。每个月看小说需要花费10～20MB的流量，这在当时算是不小的开销。几十kbit/s的下载速度还无法支撑视频之类的多媒体应用，再加上当时的功能手机性能偏弱，2G网络虽然引入了支持数据业务的网元，但其应用场景主要是以文字为主。2G及后2G时代可以进行电子邮件的收发，以及以文本为主的因特网浏览，人与人之间的距离更近了。

1.1.3 3G引领移动互联网时代

2G系统在全球取得了巨大的成功，随着互联网的飞速发展，用户的高速增长与有限的系统容量和有限的业务之间的矛盾渐趋明显，亟待研究下一代移动通信技术。1992年，国际电信联盟（International Telecomunications Union，ITU）属下世界无线电行政大会（World Administrative Radio Conference，WARC）提出了国际移动通信系统-2000（Inernational Mobile Telecom System-2000，IMT-2000）的设想，旨在建立一个单一的、通用的、全球性的空中接口，为此ITU给第三代移动通信（3G）系统分配的频率在2GHz附近。ITU对IMT-2000的无线传输技术（Radio Transmission Technology，RTT）提出了以下要求：

① 室内环境，速率至少为2Mbit/s；

② 室外步行环境，速率至少为384kbit/s；

③ 室外车载运动中，速率至少为144kbit/s；

④ 传输速率能够按需分配；

⑤ 上、下行链路适应传输不对称业务的需要。

1999年11月在芬兰召开的ITU第18次会议上，正式确定了IMT-2000的3种主流标准，包括欧洲提出的宽带码分多址（Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA）标准、中国提出的时分同步码分多址（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，TD-SCDMA）标准和美国提出的cdma2000标准。严格来说，cdma2000并不属于3G，但业界一般将cdma2000 1x EV-DO（Evolution Data Only）归为3G。其中，WCDMA和TD-SCDMA可以后向兼容GSM。cdma2000 1x EV-DO后向兼容cdma2000。

3G最终没有实现国际标准的统一，用户在全球同制式的范围内可以漫游通信，但是一种制式进入另一制式的移动通信系统时需要更换手机，或者使用双模手机实现国际漫游通信，这给用户带来了诸多不便。3G初期网络速度不尽如人意，为此WCDMA先后推出了高速下行链路分组接入（High Speed Downlink Packet Access，HSDPA）、高速上行链路分组接入（High Speed Uplink Packet Access，HSUPA）、载波捆绑技术，以及cdma2000后续演进版本cdma2000 1x EV-DO Release 0、Release A、Release B。

相比1G系统和2G系统，3G系统是将无线移动通信系统与Internet相结合的新一代移动通信系统，它能够处理图像、音乐、视频等多种媒体形式，提供网页浏览、视频会议、电子商务等各种信息服务，又被称作多媒体移动通信系统。3G刚推出时业务发展并不理想，主要是因为，在2G时代，为了携带方便，手机向小型化方向发展，且手机的主要功能是打电话、发短信以及处理少量的数据业务，手机体积小，电池容量配置也小，终端显示屏幕小，难以满足网页浏览和观看视频的需求，屏幕耗电增加造成终端待机时间短，客户接受程度不高。但随着苹果智能触摸屏手机的出现，一切全改变了，手机又向大型化方向发展，大屏幕可以方便用户浏览网页、播放视频、收发电子邮件等，且可以配置大容量电池解决待机问题。人们只需拥有一部智能触摸屏的3G手机，就可以随时随地浏览网页，获取各种信息资源，享受无线快速上网的乐趣。过去人们依赖电脑处理的互联网业务逐步转移到手机端，开启了移动互联网新时代。

1.1.4 4G改变生活

随着智能手机的普及以及屏幕大屏化、功能电脑化、控制触屏化，高清视频、移动支付、在线手游等高流量业务的发展，激发了人类许多潜在的需求。3G网络下只能浏览文本型网页以及含有图片的网页，而且视频卡顿严重，这些已经不能满足人们对移动高速上网的需求，人们希望智能手机可以像电脑一样实现高速上网、观看在线视频、移动办公、移动购物、移动在线支付等功能，为此人类进入了4G时代。

4G是真正的移动互联网时代，大家可以从日常办理各种公私业务中感受到4G带来的便利性。无论何时、无论何地，你都可以实现无缝隙自由通信、收发电子邮件、移动订餐、移动支付，生活节奏和办事效率整体都大大提升，这就是“4G改变生活”。4G网络承载的业务已经深入到生活的方方面面。在移动互联网时代，沟通交流不再只是单纯的语音，还有视频和图像。消费者不仅可以随时上网比选购物，而且还可以全面参与生产，使产品在普适性的基础上突出了可定制性。而且随着O2O概念的兴起，消费者不仅可以去实体店购物，还可以通过PC、手机、PAD等先在线上渠道预约，再线下进行体验式购物。消费者有了越来越多的购物渠道以及支付模式可选择，基本上可以实现随时随地、随心所欲的购物需求。这一切都得益于移动互联网技术的快速发展。当然，这其中包括多样化的终端硬件设备、免费应用软件App的大范围普及、无线网络的全面覆盖，以及移动支付技术的安全成熟可靠。

目前，以百度、阿里巴巴、腾讯、京东等为代表的互联网大佬，多数都是聚焦于消费互联网行业，涵盖衣、食、住、行、娱、购、游等服务，这也是之所以把4G定位为改变生活的主要原因。实际上，无论是国内还是国外，目前移动互联网的应用都是以服务普通用户为主，也就是通信、媒体、科技（Telecommunication Media Technology，TMT）行业人士用专业名词所称呼的个体消费者（C端客户）。

1.1.5 5G改变社会

4G技术广泛应用以后，移动网络与智能终端深度融合使得人们的生活、工作发生了很大的改变。但是人们对高性能的移动通信技术的追求从未停息，为了迎合未来社会的发展需求，尤其是海量机器设备互联、爆炸性移动数据流量增长以及不断涌现的创新业务应用拓展，第五代移动通信（5G）技术应运而生。

5G将渗透到未来社会的各个领域，5G将拉近万物之间、人与物之间的距离，实现无缝的智能连接。改变个人的应用主要涉及文体、娱乐方面，垂直行业应用主要包括政务与公共事业、工业、农业、医疗、交通运输、金融、旅游、教育、电力等。

个人应用：提供4K/8K超高清视频、虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）等业务。以用户为中心构建全方位的信息生态系统。5G将突破时空对信息传输的限制，提供极佳的交互式体验，为用户带来身临其境的视觉、感觉盛宴。未来，无人超市将变得更加普及，借助人脸识别技术可以走进店内“拿完就走”，自动扣款。逛街拿出App扫一扫要买的东西，选好配送时间，即可自动送货上门。

政务与公共事业：包括智慧城市、远程抄表，智能灯杆、站牌、灯箱等都能形成互联，为无人物流车提供定位数据。

工业互联网：指全球的工业系统与高级计算、分析、感应技术以及互联网连接融合的结果。它通过智能机器间的连接最终实现人机连接，结合软件和大数据分析，重构全球工业，激发生产力，让世界更美好、更快速、更安全、更清洁且更经济。

智慧农业：实现对农业生产的精准感知、控制与决策管理，从广泛意义上来说，智慧农业还包括农业电子商务、食品溯源防伪、农业休闲旅游、农业信息服务等方面的内容。

智慧医疗：面向医院、医生的B2B模式和直接面向用户的B2C模式，前者以为专业人士提供医学知识为主，后者则是“自查+问诊”类远程医疗健康咨询应用。智慧医疗应用的问世，对大众来说，不仅能简化就医流程、降低医疗费用，更能增加被医生重视的感受；对医生来说，不仅能减少劳动时间，还能提高患者管理质量、提升诊治水平，在不断学习中得到患者的认可；对医院来说，能更直接了解患者需求，为患者服务，同时提高服务满意度，构建和谐的医患关系。

智慧交通：对交通管理、交通运输、公众出行等交通领域全方面以及交通建设管理全过程进行管控支撑，使交通系统在区域、城市甚至更大的时空范围内具备感知、互联、分析、预测、控制等能力，以充分保障交通安全、发挥交通基础设施效能、提升交通系统运行效率和管理水平，为通畅的公众出行和可持续的经济发展服务。

无人驾驶：是通过5G网络建立起车、路、人之间的互联，汽车车载传感系统能够感知路面环境，自行规划行车路线并控制车辆到达预定目标。随着5G网络基础设施的日益完善，无人驾驶将会离我们越来越近。

智慧旅游：“智慧”体现在旅游服务、旅游管理和旅游营销三大方面。智慧旅游主要包括导航、导游、导览和导购（简称“四导”）4个基本功能。

智慧教育：在教育领域（教育管理、教育教学和教育科研）全面深入地运用现代信息技术来促进教育改革与发展。其技术特点是数字化、网络化、智能化和多媒体化，基本特征是开放、共享、交互、协作、泛在。以教育信息化促进教育现代化，用信息技术改变传统模式。

智能家居：智慧家庭物联将彻底改变生活，未来将不仅仅是家居设备与手机连接，所有的家居设备之间都会通过网络相互连接起来，同步提供服务。比如，当主人的汽车停入车库后，热水器便开始通电加热；打开房门后，房间内的音响将继续播放耳机中的音乐，电脑开始同步白天的工作内容，以便在家中也能继续工作。

智慧金融：金融行业在业务流程、业务开拓和客户服务等方面得到了全面的智慧提升，实现了金融产品、风控、获客、服务的智慧化。金融主体之间的开放和合作，使得智慧金融表现出高效率、低风险的特点。具体而言，智慧金融具有透明性、便捷性、灵活性、即时性、高效性和安全性等特点。

通过上述描述，未来5G将彻底改变整个社会，人们的生活、工作将变得轻松自如。1G～5G的演进过程可以用图1-2展示出来。

图1-2 1G～5G的演进过程