移动通信的技术演进 参考论文
编者按：智能移动终端的应用一直受到无线通信带宽的限制，直到4G的到来，这一状况才得到彻底改观。与2G和3G相比，4G网络的速度得到了飞一般的提升，在4G网络下，人们不再担心网速会影响到应用体验，相反，却开始担心如此高速的带宽会不会造成数据流量账单的惊人开销。
2013年12月4日，工信部正式向移动运营商发放TD-LTE制式4G业务经营许可牌照，中国移动、中国电信和中国联通均获得了TD-LTE牌照。2015年2月27日，工信部再次向移动运营商发布LTE-FDD制式4G牌照，中国联通、中国电信获得此牌照，国内移动通信网络全面向4G过渡。网络制式的改变，也促使硬件产品向4G靠拢，短短几年，手机用户基本上全面进入4G时代。此次，主持人和嘉宾将分两期与大家探讨4G和移动通信相关的技术话题。
4G是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像且图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G的静态传输速率达到1Gbps，在高速移动状态下也可以达到100Mbps，这个速度已经不亚于百兆的有线局域网了。
为了了解4G技术的发展历程，我们需要回顾一下移动通信的发展简史。
● 追根溯源——移动通信的起源
移动通信的最早实验，可能要追溯到1897年，意大利人马可尼在相距18海里的固定站与拖船之间进行了一项无线电通信实验，实现了在英吉利海峡行驶的船只之间保持持续的通信。这一成功可以看作是移动通信诞生的标志，从此拉开了移动通信辉煌发展的序幕。
但是受到微电子技术和调制编码技术发展的限制，移动通信在早期并没有能够形成气候。直到1978年，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状移动通信系统，移动通信才进入第一个发展阶段。
第一代移动通信系统（1G）就是蜂窝状网络系统，采用蜂窝结构组网，基于模拟传输，使用模拟语音调制技术，速率约2.4Kbps。小区制的蜂窝网实现了频率复用，大大提高了系统容量。典型代表是美国的AMPS（Advanced Mobile Phone System，先进移动电话系统）和后来英国的改进型系统TACS（Total Access Communications System，全球接入通信系统）、日本的HAMTS（汽车移动电话系统）、加拿大的MTS（Mobile Telephone System，移动电话系统），以及北欧的NMT（Nordic Mobile Telephone，北欧移动电话）和日本的NTT（Nippon Telegraph & Telephone，日本电报电话公司）等。1987年11月，国内第一个模拟蜂窝移动电话系统在广东省建成并投入商用。
1G系统是双工的基于频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）的模拟系统，在商业上取得了巨大的成功，但是也暴露出很多缺陷，如业务量小、质量差、速度低、无漫游、安全性差、设备成本高、体积量大等。传说中的“大哥大”就是这一时期的产品（如图1）。
在这一时期，还有种通信产品——BP机（Beeper），也就是寻呼机（如下页图2）。寻呼机又叫传呼机、Call机，是无线寻呼系统中的被叫用户接收机，由超外差接收机、解码器、控制和显示等部分组成。寻呼机从基站发射的寻呼信号和干扰中选择出所需接收的有用信号，恢复成原来寻呼本机的基带信号，并产生音响（或振动）和显示数字（或字母、汉字）消息。
寻呼机有人工汇接和自动汇接两种方式，对应的寻呼台称为人工寻呼台和自动寻呼台。人工寻呼台需要人工操作把信息编码经过发射机发出信号，自动寻呼台则能根据来电的线路号自动查出寻呼人的电话号码并同时发送出去。从终端显示上，寻呼机又分为数字寻呼机和中文寻呼机，后者能直接显示汉字。
1983年，上海开通国内第一家寻呼台，BP机进入中国。BP机只能接收无线电信号，不能发送信号，所以是单方向的移动通信工具，这也决定它只是一种过渡产品。十几年后，BP机逐渐退出市场。
● 循序渐进——移动通信的演进
为了解决1G模拟系统中存在的根本性技术缺陷，以GSM为代表的数字移动通信技术发展起来，这就是第二代移动通信系统（2G）。
与1G模拟的频分多址技术不同，2G采用的是数字的时分多址（TDMA）技术和码分多址（CDMA）技术，当时主要有欧洲的GSM和美国的CDMA 兩种体制。
GSM最初是指“泛欧移动通信组织”（Group Special Mobile），它于1983年开发出了第一个数字蜂窝网络标准，其缩写也是GSM（Global Standard for Mobile Communications，全球移动通信系统）。GSM基于时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）方式，标准体制较为完善，技术相对成熟，绝大多数国家使用的是这一标准。在美国和日本，CDMA是主要的2G移动通信技术。国内于1995年开通了GSM数字电话网，2002年开通了CDMA网络并投入商用。这就造成了2G时代我们使用的手机有GSM手机和CDMA手机之别。
第二代移动通信的最大特点是数字化，主要业务是语音，包括数字化话音业务及低速数据业务。它克服了模拟移动通信系统的弱点，提高了频谱利用率、话音质量和保密性能，并可进行省内、省际自动漫游。但由于2G有两种不同的制式，标准不统一，无法进行全球漫游。另外，2G的通信带宽有限，限制了数据业务的应用，无法实现高速传输的多媒体业务。
为了解决低速率问题，又出现了2.5G的移动通信系统，如GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务），作为GSM的演进版本。同期的GSM演进版本还有2.75G的EDGE（Enhanced Data rate for GSM Evolution，演进的增强数据速率）技术，让使用900MHz、1800MHz、1900MHz频段的网络提供第三代移动通信网络的部分功能。
GPRS和EDGE的数据传送速率可达到115/384Kbps，从而使GSM功能初步具备了支持多媒体业务的能力，可以发送图片、彩信、收发电子邮件等。
1985年，国际电信联盟（ITU）提出了第三代移动通信的目标——移动宽带多媒体通信。1996年，3G标准IMT-2000（International Mobile Telecommunication-2000）诞生，表明该系统工作在2000MHz频段，最高业务速率可达2000Kbps，预期在2000年左右得到商用。
1999年，在ITU第18次会议上最终通过了IMT-2000无线接口技术规范建议，基本确立了第三代移动通信的三种主流标准，即欧洲和日本提出的宽带码分多址（WCDMA），美国提出的多载波码分复用扩频调制（CDMA2000），中国提出的时分同步码分多址接入（TD-SCDMA）。这样一来，CDMA技术就成为第三代移动通信的核心技术。只不过，WCDMA和 CDMA2000采用的是频分双工FDD方式，TD-SCDMA采用的是时分双工TDD方式。
在2G时代，还有一种特殊的通信终端——小灵通（如图3），1998年进入中国。小灵通即无线市话（Personal Handy-phone System，PHS），是一种个人手持式无线电话系统，工作在1900-1920MHz频段，采用微蜂窝技术，将用户终端（即无线市话手机）以无线方式接入本地电话网，使传统意义上的固定电话不再固定在某个位置，可在无线網络覆盖范围内自由移动使用，随时随地接听、拨打本地和国内、国际电话，是市话的有效延伸和补充。
为了确保TD-SCDMA频率的正常使用，避免对TD-SCDMA使用产生有害干扰，2009年，中国政府主管部门明确要求1900-1920MHz频段无线接入系统在2011年底前完成清频退网工作，其所用频率无条件收回。于是小灵通于2011年底宣告终结，彻底退出历史舞台。
2G系统通常采用TDMA和电路交换技术，而3G系统主要采用CDMA和分组交换技术。第三代移动通信的最大特点是移动终端智能化，这时候的手机产品已全面走向智能手机。
技术的发展还远没有结束，移动通信的技术演进还在继续。实际上，后面我们常常看到的缩写“LTE”就是“长期演进”（Long Term Evolution）的意思。这一思想由3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）和3GPP2（3rd Generation Partnership Project2，第三代合作伙伴计划2）提出并启动，作为3G技术长期演进的路线，以促使3G技术不断演进、完善和创新，进一步向B3G（超3G）、4G、B4G（超4G）及5G演进（如图4）。
● 化蛹成蝶——走进4G时代
移动通信发展到现在，完全可以用“迅猛”一词来形容。不知不觉中，家庭固话已全部被手机取代，功能机也绝大部分被智能取代，2G、3G也即将被4G取代。
2003年，ITU对4G的关键性指标进行定义，确定了4G的传输速率为1Gbps。2005年，在ITU-R WP8F第17次会议上，ITU给B3G（超3G）技术一个正式的名称——IMT-Advanced。2007年，ITU给4G分配了新的频谱资源。
2008年ITU开始公开征集4G标准，有三种方案成为4G的标准备选方案，分别是3GPP的LTE（长期演进）、3GPP2的UMB（超移动宽带）以及IEEE的移动WiMAX（宽带无线技术）。LTE、UMB和移动WiMAX都采用OFDM（正交频分复用）和MIMO（多路输入输出）技术以提供更高的频谱利用率，但最被业界看好的是LTE。
2012年1月，LTE-Advanced和802.16m技术规范通过了ITU-R 的审议，正式被确立为IMT-Advanced（也称4G）国际标准。LTE包括TD-LTE（时分双工）和LTE-FDD（频分双工）两种制式，其中我国引领TD-LTE的发展，主导制定的TD-LTE-Advanced同时成为IMT-Advanced的国际标准。
2013年12月，工信部正式发放TD-LTE的4G牌照，中国4G时代徐徐开启。不过，中国联通和中国电信更希望获得LTE-FDD牌照，因为它们的网络升级到LTE-FDD更方便，而要升级到TD-LTE则比较麻烦。所以获得TD-LTE牌照后联通和电信并没有大的动作，而主导TD-LTE制式的中国移动则趁机发力，全面铺开4G网络建设（如图5）。
2014年，工信部正式向中国电信、中国联通两大运营商颁发TD-LTE/FDDLTE混合组网试商用经营许可，两家分别获许在多个城市展开试点。
2015年，工信部正式向运营商发布LTE-FDD制式4G牌照，中国联通、中国电信终于获得期待已久的此牌照。至此，中国移动拥有TD-LTE制式4G牌照，中国联通和中国电信拥有TD-LTE和LTE-FDD制式4G牌照，国内4G网络建设和运行如火如荼。
● 五光十色——移动4G应用
4G普及的结果，就是网速提升和资费下降，各种各样的应用难免会进行屏幕争夺大战。
1.可视电话和视频通话
4G的高速率为多媒体数据的实时传输提供了可能，可视电话也就成为4G应用的特色功能和时尚体验。利用4G运营商提供的高速网络，我们还可以在其他软件中实现视频通话，如QQ、微信等即时通讯软件都已支持视频通话甚至多方视频通话，实现更直接的沟通。
2.高清视频
4G网络带宽的提升，也使得高清视频的传输得以顺利进行。视频客户端提供的720P、1080P分辨率的高清视频对手机来说不再是摆设。在手机高速处理器和流媒体编码技术的支持下，4G网络下在手机上观看4K视频也不无可能。目前优酷、爱奇艺、乐视、搜狐都已在移动客户端上推出了超清视频，以满足用户对视频效果的进一步要求。
3.手机直播
个人网络直播的流行，在4G诞生后已开始向手机直播转移。一部智能手机加上4G网络，就可以隨时随地进行现场直播，既可以通过自己的视角对新闻事件进行记录和评论，也可以在摄像头下充分展示自我的演讲和表演才能。
4.手机监控
较高的4G带宽既然可以实时传输视频流，那么通过手机来实时查看网络摄像头和监控探头也就不在话下。只要是支持网络的数字监控，能在PC上查看的，也能在手机上查看了。这真是一机在手，随时监控。
5.远程协作
PC上的远程控制给我们带来了极大的便利，特别是在远程指导时，手把手的操作指导胜过千言万语。现在，这种远程协作方式也完全可以移植到手机上了。在高速网络的支持下，手机上的远程操作可以让我们通过手机上的相关应用来远程控制电脑，或者在电脑或手机上远程控制手机。这种方式还能作为多屏互动或者屏幕投射的一种来运用，从而给我们带来更多新的体验。
6.3D手游
以前受限于处理器处理能力和网络带宽而只能在PC上进行的3D游戏，如今也大量出现在手机上。内容丰富的多种形式的手游吸引了各个年龄阶段的玩家，成为手机应用的又一特色。
7.高速热点
利用4G终端设备分享无线连接热点，可以让多人充分利用4G的带宽。除了手机，还有专用的4G路由器也能实现这一功能。
8.云端应用
无论是云端数据共享和同步还是云端游戏和应用，这种大数据量的传输和交互，都可以在手机上实现了，只因为有你——4G。
9.3D导航
位置服务一直是智能手机的标配，3D导航无非是增加了数据的传输量。用数据网络来辅助GPS进行定位和导航已成为通用做法。
10.智能家居
手机作为智能家居的控制中心，在3G时代就已经实现。经过4G的网速提速之后，智能家居的应用就更得心应手了。
此外，在4G高速网络的支持下，各种新的应用也层出不穷，如物联网、自动驾驶等，未来还会出现更多新颖的应用。实际上，它们也许与4G无关，但一定跟网络有关。
● 分久必合——移动运营商格局
目前在国内移动通信市场上，基本上是三分天下，中国移动、中国联通、中国电信，各自发展自己的业务。进入4G之后，它们的4G网络和制式又各不相同。这也是由于多年来移动运营商的合并和重组造成的结果。
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1949年11月，邮电部成立，统一管理全国邮政和电信事业。1969年邮电部被拆分为邮政总局和电信总局，1973年又恢复为邮电部。
1994年7月，电子部联合铁道部、电力部以及广电部成立了中国联合通信有限公司，开展GSM网络运营，但主要还是经营寻呼业务。
1998年，邮电部被拆分为邮政局和信息产业部，邮政与电信分家。
2000年4月，移动业务从电信业务中分离出来，成立中国移动，随后中国电信亦成立。
2000年12月，铁通公司成立，中国电信取消初装费。
2001年，中国联通开始在中国部署CDMA网络（简称C网）。
2002年12月，中国卫通成立。
2002年5月16日，中国电信和中国网通南北分家。
2008年5月，中国电信收购中国联通CDMA网，并将C网规划为未来主要发展方向。中国联通与中国网通合并，中国卫通的基础电信业务并入中国电信，铁通并入中国移动。重组完成后发放3G牌照，中国电信业三足鼎立格局正式形成。
在2G时代，国内移动通信市场格局为移动（GSM）、联通（GSM）、电信（CDMA）三分天下，但移动一家独大；在3G时代，CDMA是核心技术，工信部决定由中国移动来推动TD-SCDMA发展，但这样的好事对中国移动来说却有些尴尬，多种原因造成它并没有很好地推动3G，并造成实际上缩小了联通、电信与自己的差距。而中国联通和中国电信凭借相对成熟的WCDMA网络和CDMA2000网络在3G领域追上了中国移动。尤其是对于中国电信来说，其原有的CDMA网络只需简单升级即可支持3G，于是中国电信趁机抛出了铺天盖地的天翼手机，在3G时代独领风骚。
然而在4G牌照发放时，国家政策却绝对有利于中国移动的发展。工信部首先发放了TD-LTE的4G牌照，这正是中国移动主导的制式，而在一年后才发放LTE-FDD的4G牌照。因为TD-LTE采用时分技术，可以节省宝贵的频谱资源，数据拥堵的缺陷在建设初期也不会出现；而LTE-FDD采用频分技术，会消耗大量的频谱资源。
这个策略应该是没有问题的，在中国联通和中国电信苦等LTE-FDD牌照的一年里，中国移动则在4G领域突飞猛进，一路高歌，收复了在3G时代的失地，更加稳固了其龙头老大的地位。
● 梦幻之旅——展望5G通信
如果说4G（第四代移动通信）是以数据传输速率见长的话，那么5G（第五代移动通信）的先进则表现在它的万物互联上。
NGMN组织（Next Generation Mobile Networks）这样描述5G：5G是一个端到端的生态系统，它将打造一个全移动和全连接的社会。它主要包括三个方面：生态、客户和商业模式。
2/3/4G时代主要局限于接入网和随之演进的核心网，更多聚焦于技术，而5G放眼的是系统构架，不仅会实现从未有过的软硬件分离，还将引入云化和虚拟化技术（如下页图6）。
2016年11月，在乌镇举办的第三届世界互联网大会上，美国高通公司带来了可以实现“万物互联”的5G技术原型。高通研发的LTE Advanced Pro技术不仅能大幅增强移动宽带的性能和效率，还能扩展LTE使其符合当今和未来不断增长的连接需求，包括非授权频段、终端到终端通信、物联网等，不仅引入了支持发展互联汽车、智能城市、智能家庭和可穿戴设备的新技术，还推出了为移动网络和技术带来更多商机的新型服务。参考论文
2017年2月9日，国际通信标准组织3GPP宣布了“5G”的官方Logo（如图7）。3GPP向ITU承諾，2020年要提交5G技术文档，确保2020年前5G标准正式批准生效。华为计划在2018年与合作伙伴建设5G试验网，2019年完成5G互操作测试，并于2020年率先实现5G商用。
2017年6月8日，国际移动通信标准组织3GPP正式确认，将采用中国移动牵头联合26家公司提出的SBA架构（Service-Based Architecture，基于服务的网络架构）为5G网络统一的基础架构。
5G网络的传输速率将会是4G的100倍，峰值速率10Gbps-20Gbps，毫秒级的端到端延迟，视频传输将会变得更加逼真。依托于5G的高速大流量，虚拟现实将会有长足的发展。虚拟会议、移动办公，都只是5G网络应用场景的冰山一角，5G超高速无处不在的网络的更大意义在于万物联网，以及无处不在的数据收集和处理。
5G时代，信号无处不在，连接也无处不在，在传感器的配合下，利用5G网络实现数据交互，势必会出现新的商业模式和新的生态系统，我们且静待这一天的到来。