1.1.2 5G技术的发展史

5G既然是第五代移动通信技术，那么其和之前的第一代至第四代相比，有什么不一样呢？我们首先聊一聊这个话题。通信技术的发展始终追求更快、更高、更强，像奥林匹克精神一样不畏艰险、不断进取、勇攀高峰。从最初的1G时代只能打电话，到现在的5G时代更大的通信带宽、更快的上网速度、更低的通信延迟、更多的互联设备，人类在追求卓越的路上越来越快地奔跑。

1G时代发源于20世纪60年代美国大名鼎鼎的贝尔实验室和AT&T（美国电话电报公司），这两家公司不仅提出了移动通信的概念和基础理论，还成功研制了世界上第一个移动蜂窝网络电话系统AMPS。那么，什么是蜂窝网络呢？

蜂窝网络（Cellular Network）也叫移动网络（Mobile Network），它是一种移动通信的结构，由于各个基站信号的覆盖范围呈六边形，所以空间拓扑形状很像蜜蜂的蜂窝，因此而得名。更加详细的介绍，大家可以参考其他相关资料。这里介绍一种比较权威的说法，供大家参考。蜂窝网络之所以能够在通信技术中被采用，重要的原因在于数学。人们经过数学的缜密计算，以相同半径的圆形覆盖平面，当圆心处于正六边形网格的各正六边形中心，也就是当圆心处于正三角形网格的格点时，所用圆的数量最少。虽然使用最少数量的结点可以覆盖最大面积的图形，但要求结点在一个如同晶格般有平移特性的网格上，仍然是有待求解的未知问题。在通信领域中，使用圆形来表述实践要求通常是合理的。出于节约设备构建成本的考虑，正三角形网格或者称为正六边形网格是最好的选择，这样形成的网络覆盖在一起形状非常像蜂窝，因此被称为蜂窝网络，如图1.1所示。

伴随着蜂窝网络技术的出现，世界上最早的民用手机也出现了，那就是1983年摩托罗拉公司推出的DynaTAC8000X（见图1.2），也就是大家在影视剧中看到的大哥大，是那个时代身份的象征。当时，谁能有一部大哥大，走路都闪耀着荣光。这部手机是由天才工程师马丁·库伯带领的研究小组从1973年开始研发，经过10年的努力才最终成型的。

这部手机使用模拟信号进行通信，只能打电话，不能发送短信和上网。它的通信速度理论值只有2.4kbps，重量将近1kg，能保障通话时长约半个小时，售价接近4000美元，这在当时可以称得上是奢侈品。以当时的购买力来看，一部DynaTAC8000X的价格已经可以购买一辆小汽车了。

这部手机划时代的意义在于，第一次将贝尔实验室在1947年提出的移动电话理念变成现实，并将20世纪70年代提出的蜂窝网络技术概念在人们生活中应用，摩托罗拉公司也因此开启了世界移动通信领域长达20年的辉煌历程。但是通信技术的革新速度往往超越了人们的想象，40年前行业的领跑者，如今已经辉煌不在。2014年1月30日，我国联想集团以29亿美元收购了摩托罗拉公司的手机业务，摩托罗拉智能手机在市场中的份额已经远远落后于三星、华为、苹果等。可见，在信息时代，真是江山代有才人出，各领风骚“数十年”。

蜂窝网络技术是移动通信的基础，手机大哥大是移动通信的硬件终端，然而仅有这两项重要技术还远远不够。第一代移动通信技术的核心是频分复用技术（Frequency Division Multiple Access，FDMA）。它在通信频率上做文章，对频率进行细分产生信道。如果说第一代移动通信技术还比较原始，比如语音通过没有加密的电波传输且不能发送短信，基本上通过像收音机一样的设备就可以收听语音信号，那么第二代移动通信技术在那个年代就显得非常先进了。它的先进性体现在语音经过数字转化成为数字信号，需要复杂一些的数字调制解调才能传输，而且能够与互联网连接上网。虽然传输速度比较慢，但这从本质上实现了从模拟信号到数字信号传输的跨越，成为真正意义上的跨时代通信技术。

第二代移动通信技术的核心是TDMA和CDMA，这些都是更加细致的时间分配和编码操作技术，直到现在我们所接收的语音信号相当一部分还是通过第二代移动通信技术处理的。第三代移动通信技术的核心虽然依然是CDMA，但在此基础上衍生出了W-CDMA、CDMA-2000和TD-SCDMA三个细化标准。其相比于第二代移动通信技术，大数据量的声音、文本、图片、视频的传输速度得到了提升，并能够实现更好的无缝漫游，而且能提供网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。3G在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps、384kbps和144kbps的传输速度。第四代移动通信技术的核心是OFDM、MIMO、SDR、智能天线。其相比于前几代最明显的优势在于：传输速度提升显著，传输速度能够达到下行150Mbps，平均速度也有将近100Mbps。对比于前几代，这些可以说是质的飞跃。

第五代移动通信技术相比于前几代移动通信技术，采用更加先进的NOMA（Non-Orthogonal Multiple Access）技术，使得通信过程受到的干扰更小，高速运行情况下传输效率更高，并且传输容量大，能够让多个用户共享高速传输通道。5G的传输速度理论上能够达到80Gbps，平均速度也有20Gbps，相比于4G，提升了数百倍。如果大家能亲自体验一下，直观感受就是快到网页秒打开、高清电影秒下载，一点都不卡顿。

为了方便大家对比，我们汇总了各代移动通信技术的通信速度，如表1.1所示。从这个列表中，我们可以清晰地看到，5G技术在速度上已经远远超越了前几代，且涉及的核心技术更多样、更复杂。通信技术正朝着更快、更高、更强的方向发展，体现在更快的上下行速度、更高的频带、更强的技术和服务能力上，通信技术的演进发展情况如图1.3所示。