移动通信的发展史

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1.1.3 移动通信的发展史

通信的最终目标是实现随时随地实时的与任何人或物进行通信。在无线电技术没有普及前古人使用旗语或狼烟等传递各类信息，算是比较早期的实时远距离通信。在人类进入电气化化时代以前，各朝代建立的驿站通信是当时最成熟的通信系统。将文字写在纸上然后通过驿站传输的方式将消息进行远距离传递，相比狼烟传递等原始方式通信的稳定性及可靠性都得到很大的提升，但是不能做到实时通信的缺点也十分明显。人类最早的电气化实时通信是通过电报的方式传递基本信息，后来出现了固定电话。由于电报需要编解码过程，具有一定的滞后性，电话就逐渐取代了电报。电话可以通过铜线或者光缆直接传递信息，但是固定电话的使用受到场景使用的限制，并不能实现移动中进行通信。1973年日本使用AMPS技术建立了一个真正意义上的商用移动通信网络，人类从此开始了移动通信时代。
1987年我国使用TACS技术在广东省建成第一代模拟移动电话。1G时代实现了语音传输，当时的手机比较笨重，功能也仅限于语音通话。第一代的移动通信主要用的技术是模拟通信。其技术原理是将声音转化成电波，通过电波传输，再将电波还原成声音。模拟通信存在通信品质差、保密性差、易受干扰等缺陷。在商用过程中出现容量小、手机盗号猖獗，无法进一步满足人们对价格、质量、异地和跨国漫游等要求。1999年我国模拟通信网全部关闭，进入下一代数字通信网络。
第二代移动通信网络与第一代模拟通信网络相比，出现了一项关键的差异，它先将声音抽样转变成数字编码，再通过二进制数据进行数字化传输，如图1.10所示。对端收到二进制数据后再用调制解调器解开编码，把数字编码转变成声音。


图1.10  声音的数字编码流程
第二代移动通信网络具有稳定、抗干扰、容错性强等特点，同时实现了来电显示、短信、上网等功能。从第二代移动通信开始，标准化的竞争就开始变得很激烈。标准化之间的竞争厮杀是国家之间战略软实力的激励角逐，一旦抢占先机变可以收取巨额专利费，长期占有主动权在产业中占有主导地位。我国在当时的2G通信标准引入的问题上首先否定了PHS，也就是当时的小灵通。因为该技术成本较高，通话品质及兼容能力也不好。后期从美国引入的CDMA技术及欧洲引入的GSM技术均称为中国一代经典的移动通信网络。此时开始流行手机QQ、WAP网页，互联网数字时代的浪潮开始。第二代移动通信网络的速率无法满足人们对上网带宽的需求，开始进入第三代移动通信网络。
在第二代移动通信系统时代掌握通信标准的团体赚得盆满钵满，1998年12月欧洲各大厂商联合日本等采用GSM标准的国家成立3GPP，开发制定第三代移动通信WCDMA技术标准，抢占更大的市场。美国的高通见状赶紧联合韩国人联合组成3GPP2，制定CDMA2000技术。与此同时，在2G时代吃尽没有专利苦头处处受制于人的中国也踏出了尝试的第一步。1998年在香山召开关于确定中国第三代移动通信技术的会议，来自高校和各研究院所的研究人员对当时我国的TD-SCDMA技术进行了激烈讨论。TD-SCDMA技术是由大唐电信结合德国西门子的技术推出的第三代通信技术标准。面对当时的各种质疑和争议，中国当时决定发展自己的通信标准，避免受到国外技术的垄断。1998年6月30日中国将自己研发的TD-SCDMA技术标注向国际电信联盟提交。2000年5月，国际电信联盟宣布中国的TD-SCDMA、欧洲的WCDMA和美国的CDMA2000一起成为第三代移动通信标准。与此同时互联网进入爆发期，智能手机市场逐渐兴起。
第四代移动通信网络的出现出乎人们意料，LTE网络的诞生源自于20世纪半导体数字集成电路的飞速发展。贝尔实验室于60年代发明了正交频分复用技术（OFDM），但当时的半导体数字处理技术比较落后，没有成熟的硬件条件普及这个OFDM技术。在20世纪末，数字信号处理硬件和集成数字电路的飞速发展，OFDM技术开始得到重视。OFDM基本原理是将多个独立的信号流通过正交的方式合并成一个独立的传输信号发送，如图1.11所示。


图1.11  OFDM基本原理
在第四代通信系统中国基于TD推出TD-LTE标准，欧洲则在原有的WCDMA标准上提出了LTE-FDD。LTE下行链路采用OFDMA技术，上行链路采用SC-FDMA并辅以MIMO（多收多发）技术，传输速率和频谱效率获得巨大成功。欧洲推出的LTE-FDD只能使用成对的频谱，而我国推出的TD-LTE标准可以用于非成对频谱，频谱利用率更加高效，因此在4G时代我国在通信标准的话语权逐渐增加。第四代通信系统的出现使得音频、视频、图像得以在移动中快速传输，满足移动互联网的带宽需求，比起过去的通信技术有着压倒性的优势，部署范围也快速扩张。技术推动需求的改变，上网速度的提升、网络覆盖能力的增强我国开始进入真正的移动互联网时代。超用户预期的高速数据传输速度给用户带来远超预期的使用体验。中国的三大电信运营商在4G时代加快了移动网络的建设，建设规模远远领先于其它国家，极剧扩张的网络带动手机产业迎来了大翻身。中国设计制造的只能手机开始大量出口外国，中国的移动互联网也成为世界上最活跃、最完善的移动互联网，通信标准话语权的掌握提升了国内各产业链在全球供应链中的位置。从电子商务、移动支付、共享服务的快速发展，最为基础的设施是高质量、覆盖广的通信网络，以及相对便宜的通信资费，这才是国内移动互联网业务爆发的基础。
每一次移动通信技术的升级，用户最直接的感受是业务种类的丰富和网络熟读的提升。在5G时代，网络的需要无处不在，不紧要满足人与人之间的沟通，还要满足人与物之间的沟通。5G它不是一项单一的技术，而是由一个全新的架构形成的一个综合技术体系。相比前面的通信体系，5G可以支撑超高清视频等大流量增强移动宽带业务（eMBB）、大规模物联网业务（mMTC）和无人驾驶、工业自动化等需要低时延、高可靠连接的业务（uRLLC）。2017年12月5G的第一个版本（Release15）正式冻结，5G开始开启大规模商用的序幕。
1.2 5G的业务需求

5G概念的兴起和各国广泛研究的背后是国家软实力的比拼和数字红利的争夺。5G既有外部新型业务的承载需求，也有来自各国国家战略高度的考量，可以说，5G是存在内在和外在的双重驱动力，是一场行业的自我革新。5G面向的业务形态已经发生了巨变，传统的语音、短信业务已经被互联网业务取代。5G网络可以完美支持增强移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）、超高可靠低时延通信（uRLLC）这三大应用场景如图1.12所示。


图1.12  5G三大应用场景
场景1：增强移动宽带（eMBB）
增强移动宽带（eMBB）运营商发展5G初期面对个人消费市场的核心业务。它是原来移动网络的升级，让用户享受到更极致的网速，是一种以人为中心的应用场景。eMBB即使在高速移动环境下仍然能搞保持良好的传输熟虑，用户在网络服务区域内随时随地的可以获得高速而且可靠的数据场景。5G网络将支持4K超高清视频的传输、虚拟现实（VR）、各类云应用将普及到大众平民身上。
场景2：海量机器类通信（mMTC）
海量机器类通信（mMTC）是5G新增的应用场景之一，它可以在一平方功率的范围内提供百万级别的数据链接。mMTC主要面对小数据量、低成本、低功耗、海量设备的使用场景，为智慧城市、环境监测、智慧物流等以传感和数据采集为目标的业务。mMTC可以为运营商新增营收场景，小到个人的智能硬件、生活出行，大到智能交通、农牧林业监测等应用都需要5G系统提供高密度的连接数。大量的物联网设备需要进行通信，比如车位、井盖、门锁、空调、冰箱、电灯等设备需要接入网络，相当多的设备只能使用电池进行供电，因此mMTC场景对设备通信能耗提出了较高的要求。eMTC提供的能力就是将通讯功耗降到极低水平，让大量物联网设备可以一个月甚至几年都不需要充电或更换电池从而更方便的进行部署。5G网络通过优化通信信令和提升频谱效能的方式保证此类设备只需要极低的能耗即可保持通信。
场景3：超高可靠低时延通信（uRLLC）
传统的通信中，对于可靠性的要求是比较低的，但是无人驾驶、工业机器人、只能生产线等场景对通信有着更高的要求。uRLLC具有可靠性和低时延的要求，主要面向车联网、工业控制、远程医疗等行业的特殊应用需求。uRLLC通信给未来的社会生活带来无穷的想象空间。未来的无人驾驶将成为现实，通过超高可靠低时延的通信实现车辆联网自动驾驶，3GPP中的TS22.185规范详细描写了车联网服务的要求和规范。
一般来说，5G技术将满足7个指标维度：峰值速率、时延、并发连接数、频谱效率、边缘吞吐率、Bit成本效率。不同应用场景下需要支持的性能要求如下图1.13所示。


图1.12 不同场景的性能需求