第1章 移動通信技術的發展和挑戰

1.1 移動通信技術的發展進程

先介紹幾個概念。有線通信是指將電線或者光纜作為通信介質的通信形式。無線通信是指節點間不經由線纜進行信號傳輸的通信形式。按傳輸設施類型，無線通信可分為無線移動通信和無線局域網（Wireless Local Area Network，WLAN）通信。無線移動通信需要公共基礎通信設施，使用分組無線電、蜂窩網絡和衛星站等來傳輸信號。WLAN通信則采用所有權歸屬于某家庭或單位的發射設備和接收設備來傳輸信號。

無線通信與有線通信相輔相成，共同推動通信技術的發展，二者關聯如圖1-1所示。

異步轉移模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）是一種數據傳輸技術，在采用此技術進行數據通信時，首先將傳輸數據分為固定長度的數據，然后建立虛電路（虛信道和虛通道），實現高速信息交換，主要用于有線通信。ATM技術適用于局域網和廣域網。IP是一種網絡層協議。IP技術可以用于保證不同網絡的互通。IP網絡是基于傳輸控制協議/互聯網協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）的分組網。E1是指歐洲的30路脈沖編碼調制（Pulse Code Modulation，PCM）標準，速率為2.048 Mbit/s，采用E1標準的線路簡稱2M線。快速以太網（Fast Ethernet，FE）是通常所說的百兆網，即100 Mbit/s網絡。IP化指話音、數據等各種業務均承載在IP網絡上進行傳輸。軟件定義帶寬是指通過軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）技術實現帶寬的靈活配置。

第二代移動通信技術（2nd Generation Mobile Communication Technology，2G）、第三代移動通信技術（3rd Generation Mobile Communication Technology，3G）等是無線移動通信技術，簡稱移動通信技術。

1968年，在消費電子展上，摩托羅拉公司推出了第一代商用移動電話的原型，之后美國貝爾實驗室發明了高級移動電話系統（Advanced Mobile Phone System，AMPS），接著提出了改進技術，即全接入網通信系統（Total Access Communication System，TACS），之后全球相繼研發蜂窩式移動通信網并實現應用。早期的移動通信技術稱為1G，屬于模擬通信方式，采用頻分多址（Frequency-Division Multiple Access，FDMA）方式、30 kHz帶寬，以及頻移鍵控（Frequency-Shift Keying，FSK）、調頻（Frequency Modulation，FM）的調制方式，實現語音應用。這是通信歷史上的重大突破，從此移動通信開始飛速發展。

2G采用數字信號傳輸，它采用時分多址（Time-Division Multiple Access，TDMA）和碼分多址（Code-Division Multiple Access，CDMA）、200 kHz帶寬，以及高斯最小頻移鍵控（Gaussian Minimum frequency-Shift Keying，GMSK）調制方式，實現語音、短信和少量數據業務的應用。2G主要提供話音和低速數據的傳輸業務，它包括全球移動通信系統（Global System for Mobile communications，GSM）等。相對于1G，2G頻譜利用率得到提高。2G支持多種業務服務，可以與綜合業務數字網（Integrated Services Digital Network，ISDN）等兼容，其標準體制較為完善、技術相對成熟。但2G較1G的不足在于相對于模擬系統，其容量增加不多，無法和模擬系統兼容，而且2G在有效性與可靠性方面存在不足，對數據的加密程度較弱，對通信信息的保密能力不強，信息容易被攻擊者監聽。2G中的GSM發源于歐洲，支持64 kbit/s的數據傳輸速率，可與ISDN互連。采用GSM標準的有GSM900和DCS1800等系統。以DCS1800為例，它指的是使用1800 MHz頻帶的數字蜂窩系統（Digital Cellular System），采用頻分雙工（Frequency-Division Duplex，FDD）方式，每載頻支持8個信道，信號帶寬為200 kHz。

1985年，國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）提出了3G標準，它以CDMA為核心技術，以移動寬帶多媒體通信為目標，工作頻帶為2000 MHz，最高業務速率可達2000 kbit/s。CDMA從技術上主要分為CDMA2000、寬帶碼分多址（Wideband CDMA，WCDMA）和時分同步碼分多址（Time-Division Synchronous CDMA，TD-SCDMA）技術。CDMA2000采用直接序列擴頻CDMA和FDD方式，在EV-DO Rev A版本中，可以在1.25 MHz的頻帶內提供高達3.1 Mbit/s的下行數據傳輸速率。WCDMA也采用直接序列擴頻CDMA和FDD方式，以R99/R4為基礎版本，在擴展版本R5、R6中，可以5 MHz的頻帶提供高達21 Mbit/s的用戶數據傳輸速率。TD-SCDMA采用時分雙工（Time-Division Duplex，TDD）與FDMA、TDMA、CDMA、空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）相結合的技術，以R4為基礎版本，可以1.6 MHz的頻帶提供高達384 kbit/s的用戶數據傳輸速率。3G采用CDMA、TDMA、FDMA等方式，最大支持5 MHz頻帶，支持更高階的、包含16種符號的正交調幅（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）方式，采用自適應調制編碼（Adaptive Modulation and Coding，AMC）、混合自動重傳請求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）等技術，可以傳輸較多的數據業務。3G傳輸速率高，支持多媒體業務，對于如室內、室外等不同的通信環境，傳輸速率能夠實現按需分配。在有效性與可靠性方面，3G的加密保護和抗干擾能力表現優異，與2G相比有了顯著的提升。

長期演進技術（Long Term Evolution，LTE）是3G到第四代移動通信技術（4th Generation Mobile Communication Technology，4G）的過渡。2012年1月，ITU確立了LTE、LTE-Advanced、WiMAX及Wireless MAN-Advanced（IEEE 802.16m）這4種4G（IMT-Advanced）標準。4G采用正交頻分復用（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，OFDM）結合多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）的多址方式，最大支持20 MHz帶寬，支持更高階的64QAM的方式，采用載波聚合（Carrier Aggregation，CA）、三維MIMO（3D MIMO）、包含256種符號的QAM（256QAM）等技術，進行更多數據業務的傳輸，取消了電路交換（Circuit Switching，CS）域應用。LTE通信方式靈活多變，采用軟件無線電技術，通過軟件應用和更新，即可實現多種終端通信。

隨著數字化、全球化趨勢越發明顯，對移動通信的需求也不斷提高，移動通信需要更高的通信速率和可靠的通信能力，因此出現了第五代移動通信技術（5th Generation Mobile Communication Technology，5G），5G新空口（New Radio，NR）采用濾波正交頻分復用（Filtered-Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，F-OFDM），最大支持400 MHz帶寬，支持更高階的256QAM的方式，使用自包含幀、大規模多輸入多輸出無線陣列（Massive MIMO）等技術，支持大規模機器類通信（massive Machine Type Communication，mMTC，也稱大連接物聯網）、增強型移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超可靠低時延通信（Ultra-Reliable and Low-Latency Communication，URLLC）三大場景應用。5G帶來更好的用戶體驗、更高的網絡平均傳輸速率和更低的傳輸時延，并且使用更高頻段的頻譜。

綜上所述，移動通信系統的典型特征演進歷程如圖1-2所示，其中R99、R7、R8、R14、R15、R17指不同技術對應的第三代合作伙伴計劃（3rdGeneration Partnership Project，3GPP）協議版本號。1G發展到2G，實現了從模擬電路到數字電路的變遷；2G發展到3G，實現了從語音通信到數據通信的飛躍；4G將互聯網等技術用于移動通信，大大提高了帶寬的使用率；4G發展到5G，實現了固定網絡和移動網絡的融合。移動通信技術從1G到5G，不斷發展，多址方式越來越多，調制方式逐步演進，信道帶寬不斷增長，采用的技術“百花齊放”，主要應用豐富多彩，網絡融合不斷發展，第六代移動通信技術（6th Generation Mobile Communication Technology，6G）的到來更是讓人充滿期待。