1.1 現代移動通信系統的發(fā)展歷程

現代移動通信的歷史可以追溯到19世紀，英國偉大的科學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋總結和發(fā)展了前人對電磁現象的研究成果，從理論上證明了電磁波在空間中是以近似于光的速度傳播的，而光的本質也是電磁波，從而建立了電磁理論、發(fā)現電磁波并建立了電磁場理論，為后續(xù)移動通信采用電磁波傳輸提供了理論依據。19世紀末意大利科學家馬可尼首次通過無線電磁波成功完成了信息傳輸及接收，從而開啟了人類社會對移動通信技術的研究。到了20世紀，隨著集成電路技術與計算機技術的飛速發(fā)展，以及移動通信技術理論的研究不斷深入，移動通信技術逐漸從實驗室走向大眾社會，實現了民用，并取得了偉大的成功，極大地推動了人類社會的進步與發(fā)展。

現代移動通信系統進入普通大眾領域始于美國貝爾實驗室首次研制出來的第一代蜂窩模擬移動通信系統網絡。第一代移動通信系統網絡我們習慣上簡稱其為1G。而移動通信網絡得到大規(guī)模普及則是從第二代數字蜂窩移動通信系統開始的，第二代移動通信系統的普及使得移動通信系統產業(yè)得到了突飛猛進的發(fā)展，第二代移動通信系統網絡簡稱為2G。第三代移動通信系統采用擴頻通信技術，其在第二代移動通信系統的基礎上大幅提升了數據業(yè)務，為移動互聯網的普及奠定了基礎，這一代移動通信系統網絡簡稱為3G。第四代移動通信系統采用OFDM寬帶技術，使得移動寬帶數據業(yè)務得到了普及，成就了移動互聯網產業(yè)，我們稱之為4G。當前國際移動通信標準組織正在制定的第五代移動通信系統（簡稱為5G）標準是為應對萬物互聯時代的到來，進一步擴展移動通信的應用領域。圖1-1所示為現代移動通信系統的演進過程，從1G到2G，直到5G，隨時間的演進過程可以看出，現代通信系統每10年左右就會完成新一代通信系統的創(chuàng)新，以應對不斷增長和擴展的移動市場對移動通信技術的需求。

圖1-1 移動通信系統的演進

1．第一代蜂窩模擬移動通信系統

隨著20世紀70年代中期美國貝爾實驗室研制的蜂窩模擬移動通信網絡的成功應用，歐洲及日本也相繼跟進分別研制出了各自的蜂窩模擬移動通信網絡系統并大規(guī)模商用，從而極大地推動了移動通信網絡的發(fā)展。這個時期的系統都采用純模擬無線電技術，統稱為第一代移動通信系統。第一代移動通信系統具有代表性的有美國的AMPS（Advanced Mobile Phone System）系統、英國的TACS系統、瑞典等北歐四國的NMT系統、日本的NAMTS系統等。這一階段的特點是蜂窩狀移動通信網絡成為實用系統，并在世界各地迅速發(fā)展。移動通信大發(fā)展的原因，除了用戶需求迅猛增加這一主要推動力之外，還有幾方面技術進步為其提供了條件。第一，微電子技術在這一時期得到長足發(fā)展，使得通信設備的小型化、微型化有了可能性，各種輕便電臺被不斷推出。第二，提出并形成了移動通信新體制。隨著用戶數量增加，大區(qū)制所能提供的容量很快飽和，這就要求必須探索新體制。在這方面最重要的突破是貝爾試驗室在20世紀70年代提出的蜂窩網的概念。蜂窩網，即所謂小區(qū)制，由于實現了頻率再用，大大提高了系統容量。可以說，蜂窩網的概念真正解決了公用移動通信系統要求容量大與頻率資源有限的矛盾。第三，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，微處理器技術日趨成熟，同時計算機技術也迅猛發(fā)展，從而為大型通信網的管理與控制提供了技術手段。

2．第二代數字蜂窩移動通信系統

從20世紀80年代中期開始，由于第一代純模擬系統性能及容量限制已經無法滿足日益增長的移動用戶通信需求，終端的體積過大且通話性能很差。同時，由于第一代移動通信系統標準各個國家都不兼容，因此手機用戶無法在使用其他標準網絡的國家漫游，這給人們的生活帶來了極大的不便?；谝陨显颍瑲W洲國家制定了全歐洲統一標準的蜂窩移動通信系統標準，以解決歐洲各國在1G系統中采用多種不同系統造成的互不兼容、無法漫游等問題。第二代移動通信系統的標準之一GSM標準就是在這樣的背景下應運而生的。GSM網絡系統得到了全世界大部分國家支持并成功應用部署。GSM誕生幾年后美國高通公司基于第二代移動通信系統采用的擴頻通信理論制定了一套CDMA-IS95系統標準，并在美國、韓國及我國等多個國家得到了應用。GSM與CDMA-IS95系統是第二代移動通信系統的代表，都采用了數字蜂窩（Digital Cellular）技術，即采用數字調制技術的蜂窩系統，可以極大地提高系統的容量和性能。隨著第二代系統在世界范圍內的廣泛應用，移動通信發(fā)展到了一個新的高度，成為帶動國家經濟發(fā)展的新動力。

3．第三代數字蜂窩移動通信系統

第二代移動通信系統主要為支持語音和低速率數據業(yè)務設計，但隨著移動用戶對通信業(yè)務范圍和業(yè)務數量要求的不斷提高，已有的第二代移動通信系統逐漸無法滿足移動用戶對快速增長的移動寬帶業(yè)務的需求。隨之第三代移動通信系統標準以移動寬帶為目標開始制定并部署。第三代移動通信系統標準采用的核心技術為碼分多址（CDMA）技術，該技術是在擴頻通信技術的基礎上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的移動通信技術。CDMA技術的原理是基于擴頻技術，即將需傳送的具有一定信號帶寬的信息數據，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調制，使原數據信號的帶寬被擴展，再經載波調制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼，對接收的帶寬信號做相關處理，把寬帶信號轉換成原信息數據的窄帶信號，即解擴，以實現信息通信。歐洲主導的UMTS、美國主導的CDMA2000、中國主導的TD-SCDMA成為第三代移動通信系統標準。在3G系統發(fā)展初期，一種新的基站架構誕生了，基站從以前的基帶子系統與射頻子系統集中在一起演變成了基帶集中放置的基帶資源池（BBU）加射頻拉遠單元RRU兩個獨立的設備。BBU與RRU之間采用光纖連接，進行基帶數據和控制告警信息傳輸、接收。這種新架構的出現使得網絡性能及建網難度大幅降低，極大地推動了第二代和第三代移動通信系統網絡的發(fā)展。在此階段RRU也從剛出現時只支持單制式演進為支持多制式的混模射頻單元，并有一定向后兼容的能力，為運營商網絡平滑升級提供了便利并帶來成本優(yōu)勢。

4．第四代數字蜂窩移動通信系統

隨著2G及3G移動通信系統的廣泛應用，更多的移動互聯網業(yè)務開始興起，人們開始習慣使用移動設備上網，基于互聯網的服務也開始向移動設備上轉移。由于2G及3G系統單位頻率上的數據速率（頻譜效率）較低且頻譜資源有限，使得移動系統容量受限，移動互聯網成為終端用戶的體驗瓶頸。大容量寬帶移動互聯網需求不僅要通過向第四代數字蜂窩移動通信技術演進來滿足用戶需求，同時還需要更多的頻譜資源來擴展容量。第四代數字蜂窩移動通信技術被命名為LTE，它以OFDM技術和MIMO技術為核心，相對于3G系統，其頻譜效率得到了大幅提升，系統的峰值數據速率也隨著LTE標準的不斷演進得到了極大提升。這一代系統被簡稱為4G。3G系統由于制式眾多且互不兼容，各制式之間的網絡同樣無法進行互通互聯，同時為通信設備及終端設備設計也帶來更大的成本支出。4G統一到了LTE制式上，并按復用方式分為TDD及FDD兩種制式。隨著4G的廣泛應用，移動互聯網業(yè)務得到了飛速發(fā)展，影響到了人類社會的方方面面，深刻改變了人們的生活習慣。在這個階段，RRU也出現了各種各樣的形態(tài)來應對移動用戶對移動網絡系統容量的爆發(fā)式需求，比如集成度更高的多天線RRU和超寬帶RRU，在降低建網成本的同時提升網絡容量；用于熱點覆蓋或盲點覆蓋的小型Small Cell RRU滿足了室內或室外立體覆蓋需求；天線一體化的AAU可以靈活利用現有的市政設施進行靈活布網；基于Massive MIMO技術的AAU大幅提升了LTE系統的容量及頻譜效率，為熱點區(qū)域覆蓋提供了新的解決方案。