第1章 移动通信技术的发展和挑战

1.1 移动通信技术的发展进程

先介绍几个概念。有线通信是指将电线或者光缆作为通信介质的通信形式。无线通信是指节点间不经由线缆进行信号传输的通信形式。按传输设施类型，无线通信可分为无线移动通信和无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）通信。无线移动通信需要公共基础通信设施，使用分组无线电、蜂窝网络和卫星站等来传输信号。WLAN通信则采用所有权归属于某家庭或单位的发射设备和接收设备来传输信号。

无线通信与有线通信相辅相成，共同推动通信技术的发展，二者关联如图1-1所示。

异步转移模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）是一种数据传输技术，在采用此技术进行数据通信时，首先将传输数据分为固定长度的数据，然后建立虚电路（虚信道和虚通道），实现高速信息交换，主要用于有线通信。ATM技术适用于局域网和广域网。IP是一种网络层协议。IP技术可以用于保证不同网络的互通。IP网络是基于传输控制协议/互联网协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）的分组网。E1是指欧洲的30路脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）标准，速率为2.048 Mbit/s，采用E1标准的线路简称2M线。快速以太网（Fast Ethernet，FE）是通常所说的百兆网，即100 Mbit/s网络。IP化指话音、数据等各种业务均承载在IP网络上进行传输。软件定义带宽是指通过软件定义网络（Software Defined Network，SDN）技术实现带宽的灵活配置。

第二代移动通信技术（2nd Generation Mobile Communication Technology，2G）、第三代移动通信技术（3rd Generation Mobile Communication Technology，3G）等是无线移动通信技术，简称移动通信技术。

1968年，在消费电子展上，摩托罗拉公司推出了第一代商用移动电话的原型，之后美国贝尔实验室发明了高级移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS），接着提出了改进技术，即全接入网通信系统（Total Access Communication System，TACS），之后全球相继研发蜂窝式移动通信网并实现应用。早期的移动通信技术称为1G，属于模拟通信方式，采用频分多址（Frequency-Division Multiple Access，FDMA）方式、30 kHz带宽，以及频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK）、调频（Frequency Modulation，FM）的调制方式，实现语音应用。这是通信历史上的重大突破，从此移动通信开始飞速发展。

2G采用数字信号传输，它采用时分多址（Time-Division Multiple Access，TDMA）和码分多址（Code-Division Multiple Access，CDMA）、200 kHz带宽，以及高斯最小频移键控（Gaussian Minimum frequency-Shift Keying，GMSK）调制方式，实现语音、短信和少量数据业务的应用。2G主要提供话音和低速数据的传输业务，它包括全球移动通信系统（Global System for Mobile communications，GSM）等。相对于1G，2G频谱利用率得到提高。2G支持多种业务服务，可以与综合业务数字网（Integrated Services Digital Network，ISDN）等兼容，其标准体制较为完善、技术相对成熟。但2G较1G的不足在于相对于模拟系统，其容量增加不多，无法和模拟系统兼容，而且2G在有效性与可靠性方面存在不足，对数据的加密程度较弱，对通信信息的保密能力不强，信息容易被攻击者监听。2G中的GSM发源于欧洲，支持64 kbit/s的数据传输速率，可与ISDN互连。采用GSM标准的有GSM900和DCS1800等系统。以DCS1800为例，它指的是使用1800 MHz频带的数字蜂窝系统（Digital Cellular System），采用频分双工（Frequency-Division Duplex，FDD）方式，每载频支持8个信道，信号带宽为200 kHz。

1985年，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）提出了3G标准，它以CDMA为核心技术，以移动宽带多媒体通信为目标，工作频带为2000 MHz，最高业务速率可达2000 kbit/s。CDMA从技术上主要分为CDMA2000、宽带码分多址（Wideband CDMA，WCDMA）和时分同步码分多址（Time-Division Synchronous CDMA，TD-SCDMA）技术。CDMA2000采用直接序列扩频CDMA和FDD方式，在EV-DO Rev A版本中，可以在1.25 MHz的频带内提供高达3.1 Mbit/s的下行数据传输速率。WCDMA也采用直接序列扩频CDMA和FDD方式，以R99/R4为基础版本，在扩展版本R5、R6中，可以5 MHz的频带提供高达21 Mbit/s的用户数据传输速率。TD-SCDMA采用时分双工（Time-Division Duplex，TDD）与FDMA、TDMA、CDMA、空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）相结合的技术，以R4为基础版本，可以1.6 MHz的频带提供高达384 kbit/s的用户数据传输速率。3G采用CDMA、TDMA、FDMA等方式，最大支持5 MHz频带，支持更高阶的、包含16种符号的正交调幅（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）方式，采用自适应调制编码（Adaptive Modulation and Coding，AMC）、混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）等技术，可以传输较多的数据业务。3G传输速率高，支持多媒体业务，对于如室内、室外等不同的通信环境，传输速率能够实现按需分配。在有效性与可靠性方面，3G的加密保护和抗干扰能力表现优异，与2G相比有了显著的提升。

长期演进技术（Long Term Evolution，LTE）是3G到第四代移动通信技术（4th Generation Mobile Communication Technology，4G）的过渡。2012年1月，ITU确立了LTE、LTE-Advanced、WiMAX及Wireless MAN-Advanced（IEEE 802.16m）这4种4G（IMT-Advanced）标准。4G采用正交频分复用（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，OFDM）结合多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）的多址方式，最大支持20 MHz带宽，支持更高阶的64QAM的方式，采用载波聚合（Carrier Aggregation，CA）、三维MIMO（3D MIMO）、包含256种符号的QAM（256QAM）等技术，进行更多数据业务的传输，取消了电路交换（Circuit Switching，CS）域应用。LTE通信方式灵活多变，采用软件无线电技术，通过软件应用和更新，即可实现多种终端通信。

随着数字化、全球化趋势越发明显，对移动通信的需求也不断提高，移动通信需要更高的通信速率和可靠的通信能力，因此出现了第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology，5G），5G新空口（New Radio，NR）采用滤波正交频分复用（Filtered-Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，F-OFDM），最大支持400 MHz带宽，支持更高阶的256QAM的方式，使用自包含帧、大规模多输入多输出无线阵列（Massive MIMO）等技术，支持大规模机器类通信（massive Machine Type Communication，mMTC，也称大连接物联网）、增强型移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超可靠低时延通信（Ultra-Reliable and Low-Latency Communication，URLLC）三大场景应用。5G带来更好的用户体验、更高的网络平均传输速率和更低的传输时延，并且使用更高频段的频谱。

综上所述，移动通信系统的典型特征演进历程如图1-2所示，其中R99、R7、R8、R14、R15、R17指不同技术对应的第三代合作伙伴计划（3rdGeneration Partnership Project，3GPP）协议版本号。1G发展到2G，实现了从模拟电路到数字电路的变迁；2G发展到3G，实现了从语音通信到数据通信的飞跃；4G将互联网等技术用于移动通信，大大提高了带宽的使用率；4G发展到5G，实现了固定网络和移动网络的融合。移动通信技术从1G到5G，不断发展，多址方式越来越多，调制方式逐步演进，信道带宽不断增长，采用的技术“百花齐放”，主要应用丰富多彩，网络融合不断发展，第六代移动通信技术（6th Generation Mobile Communication Technology，6G）的到来更是让人充满期待。