科普：1G到6G的最全移动通信发展史

一些历史

在19世纪下半叶，有线电报和电话改变了通信的性质。几年之内，信息传递的速度从人类的速度变为光的速度。然后，在20世纪，第二次革命发生了，无线电将这些通信从电线的限制中解放出来。

无线电波具有几乎神奇的性质，具有各种不同的用途。它们穿过大气层或宇宙，连接起本来无法以其他方式连接的点。虽然无线电信号可能看起来是以线性方式从一点移动到另一点，但实际上它是球形扩散的。它穿过许多固体，并通过反射和衍射的机制填补了障碍物后面的空间，以便所携带的信息在覆盖范围的“任何地方”都可用。因此，数百万人可以以非常低的成本访问和共享相同的新闻和娱乐节目。

在19世纪60年代中期，苏格兰数学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwel）提出了一对方程，如今已经成为大名鼎鼎的麦克斯韦方程组，其解预测了以光速传播的电磁波。实验室验证这一预测花费了20年的时间，而第一个“移动”应用则又过了20年的时间。1899年9月，古列尔莫·马可尼（Guglielmo Marconi）通过从纽约港的一艘船到新泽西州海兰兹的双灯塔进行的历史性无线电电报传输开启了实用移动无线电通信时代。他的第一次传输涵盖了杜威将军从马尼拉返回的消息，不久之后，还提供了美洲杯赛的报道。这是通过使用与天线耦合的火花发生器产生的高能量、宽带脉冲无线电噪声实现的。信号通过类似天线连接的一个引人入胜的设备——“共振器”来接收，共振器是一个金属颗粒在无线电信号的作用下被迫相互结合的管子。共振器在这种状态下的电阻降低，使得无线电信号能够被检测到，之后机械“敲击器”将颗粒恢复到原始状态。每个电报符号由这些由火花产生的信号的快速序列表示，这些信号被检测为可听到的音调。

5G大规模天线技术及空口技术

天线理论及5G天线介绍

6G新天线技术

在接下来的一年时间里，马可尼添加了滤波器，以创建可分离的信道，从而允许在同一区域进行多个同时传输。在三年内，他成功地让无线电传输跨越大西洋，并且无线电电报很快就被广泛应用于许多远洋船只（尤其是在1912年泰坦尼克号沉没时使用）。模拟（语音）传输早在1905年就开始使用，但早期的工作主要是由军事应用驱动的，直到1919年才开始了一项实验性的船对岸无线电话服务。1929年开始了大西洋船上乘客的商业无线电电话服务。到那时，无线电已经足够小巧和坚固，可以安装在汽车中，底特律警察部门于1928年开始运行第一个“陆地移动”无线电系统。到1934年，有194个市政警察系统和58个州警察无线电台，为超过5000辆配备无线电的警车提供服务。移动无线电时代已经开始。

可供实际系统利用的频谱一直非常有限，移动通信服务与军事和广播服务竞争以获取可用的信道。因此，直到大约五十年后的蜂窝革命开始之前，大多数移动无线电信道都被用于紧急和公共服务。尽管存在这些困难，早期的移动电话服务于1947年开始，使用了35 MHz的几个信道。不久后，又分配了150 MHz和450 MHz的额外信道。改进的滤波和频率稳定性使得这些信道能够变窄，最终为移动电话创造了超过40个信道。为了创造竞争，美国联邦通信委员会（FCC）将这些信道平均分配给当地电话公司和一组名为无线电公共载波器（RCCs）的新实体，允许每个地理区域存在两家竞争运营商。

早期的移动电话系统类似于广播系统，使用强大的发射器从高塔或屋顶覆盖20-30英里的距离。重新使用任何信道进行不同呼叫需要超过50英里的间隔。纽约的信道在费城重新使用，因此每个城市及其周边地区仅限于大约40个同时呼叫。对服务的需求很大，导致信道严重过载和长时间等待服务的名单。实际上，有重要需求的人（例如医生）会得到优先处理，而普通人可能会面临令人沮丧的现实，即他在名单上的位置实际上会随着时间的推移而变得更糟。

最早的移动电话系统是“手动”的，即双向呼叫通过移动操作员进行（这个过程在海上无线电系统上仍然很常见）。20世纪60年代引入了自动系统，并取得了重大进展。在空闲信道上放置“空闲音”（idle tone），以便扫描接收器可以识别并停留在该信道上。移动电话可以在空闲信道上解码自己拨号的号码，并发送拨号数字进行外拨呼叫。结合起来，这些功能产生了一种近似于当时传统电话服务的移动电话服务（除了由于过度拥挤，很少有空闲信道可用）。在它们存在的几十年中，这些手动和自动系统创造了移动电话服务作为一个拥挤但“精英”服务的形象，并且通常对公众不可用。

早在1947年，几乎与圣路易斯安装的第一个150 MHz系统同时，贝尔系统（AT&T）就提出了一个“宽带城市移动系统”的构想，并请求在100至450 MHz之间的某个区域分配40 MHz的频谱来实现该系统。当时，贝尔实验室已经提出了一个大地理区域可以通过许多小覆盖区域提供服务的想法，主要是为了允许使用低功率无线电。然而，美国联邦通信委员会（FCC）拒绝了这个请求，称该频段内的频率不可用。1949年，FCC考虑将频段从470至890 MHz分配出去，但选择将该频段保留给新提出的UHF电视频段，以提供广泛的教育和娱乐机会。1958年，贝尔系统再次请求分配移动电话频谱，这次是在764-840 MHz范围内，而FCC再次拒绝采取行动。然而，到了那个时候，蜂窝系统的基本要素已经在讨论中——使用小型蜂窝和信道的重复利用，这将大幅增加每个信道上的同时呼叫数量。

蜂窝网络简介

蜂窝手机技术的历史始于1947年12月11日，贝尔实验室工程师道格拉斯·H·林（Douglas H. Ring）撰写了一份内部备忘录，建议AT&T开发蜂窝电话系统。

蜂窝网络或移动网络是一种电信网络，其中与终端节点之间的链路是无线连接的，并且网络分布在称为小区的陆地区域，每个小区由至少一个固定位置的收发器（通常为三个蜂窝站点或基站收发器站）提供服务)。这些基站为小区提供网络覆盖，可用于传输语音、数据和其他类型的内容。小区通常使用与相邻小区不同的频率集，以避免干扰并在每个小区内提供有保证的服务质量。

当连接在一起时，这些小区可在广泛的地理区域内提供无线电覆盖。这使得许多便携式收发器（例如，配备移动宽带调制解调器、寻呼机等的移动电话、平板电脑和笔记本电脑）能够通过基站相互通信，并与网络中任何地方的固定收发器和电话进行通信，即使某些收发器在传输过程中通过多个小区。

蜂窝网络提供了许多理想的功能：

比单个大型发射机容量更大，因为只要它们位于不同的小区中，相同的频率就可以用于多个链路移动设备比单个发射器或卫星使用更少的功率，因为手机信号塔更近覆盖区域比单个地面发射机更大，因为可以无限期地添加额外的蜂窝塔，并且不受地平线的限制能够利用无法远距离传播的更*高频率信号（因此具有更大的可用带宽/更快的数据速率）通过数据压缩和多路复用，多个视频（包括数字视频）和音频通道可以通过单个宽带载波上的更高频率信号传输。

主要的电信提供商已经在地球上大部分有人居住的土地上部署了语音和数据蜂窝网络。这允许移动电话和移动计算设备连接到公共交换电话网络和公共互联网接入。专用蜂窝网络可用于研究或大型组织和车队，例如派遣当地公共安全机构或出租车公司。

Celluar network, 具有四个频率 （F1-F4） 的频率重用

蜂窝基站天线

1G到6G

1G

第一代移动通信系统是模拟蜂窝系统，它采用频分多址(FrequencyDivision Multiple Access,FDMA)技术，典型特征见表1-1。第一代移动通信系统打破了传统的大区制无线电广播和无线电台的技术理念，基于蜂窝结构的频率复用组网方案，提升了频谱利用的效率，基本保证了移动场景下话音业务的连续性，为移动通信的快速普及和应用奠定了基础。典型的第一代通信系统有北美的高级移动电话系统(AdvancedMobile Phone System,AMPS)、英国的全接入通信系统(TotalAccess Communication System,TACS)等。第一代通信系统在20世纪80年代初实现了蜂窝网的商业化，并于90年代末退出历史舞台，是移动通信发展史上重要的里程碑。模拟蜂窝系统的缺点是容量小、业务种类单一(话音业务)、传输质量不高、保密性差、制式不统一，且设备难以小型化。

表1-1 第一代模拟蜂窝移动通信系统的典型特征

2G

第二代移动通信系统是窄带数字蜂窝系统，它采用时分多址(TimeDivision Multiple Access,TDMA)或码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)技术，其典型特征见表1-2。典型的系统有欧洲的GSM(采用TDMA技术，20世纪90年代初期商用)系统、北美的IS-95(采用CDMA技术，20世纪90年代中期商用)系统等。第二代移动通信系统在容量和性能上都比第一代系统有了很大的提高，不仅可以提供话音业务，还可以提供低速数据业务。第二代移动通信系统使移动通信得到了广泛的应用和普及，取得了商业上的巨大成功。第二代移动通信系统的技术和性能还在不断地演进和提高，形成了全球移动通信系统( Global System for Mobile Communications，GSM)的演进版本通用分组无线服务(General Packet Radio Service,GPRS)和增强型数据速率GSM演进(EDGE)，以及CDMA的演进版本CDMA1x，以提供更高速率的电路和分组数据业务。从1990年商用到2014年，全球范围内通过第二代移动通信系统接入的用户数超过40亿户。

表1-2 第二代窄带数字蜂窝移动通信系统的典型特征

但是，由于第二代移动通信系统的主要技术存在固有局限，系统容量和所能提供的通信业务服务难以满足个人通信应用高速增长的需求。市场需求和技术进步，使得移动通信系统向第三代系统发展。

3G

第三代移动通信系统开启了由以话音业务为主向以数据业务为主的移动通信发展时代的转变。第三代移动通信标准的讨论始于20世纪90年代，国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)在2000年5月召开的全球无线电大会(WRC-2000)上正式批准了第三代移动通信系统(International Mobile Telecommunication 2000,IMT-2000)的无线接口技术规范建议(IMT-RSCP)，此规范建议了5种技术标准。其中，有两种是TDMA技术:SC-TDMA(美国的UMC-136)和MC-TDMA(欧洲的EP-DECT)；另外3种是CDMA技术:MC-CDMA(即cdma2000),DS-CDMA(即WCDMA)和CDMATDD(包括TD-SCDMA和UTRA TDD)。2007年，IEEE基于OFDM技术提出的WiMAX标准成为另一种新的第三代移动通信标准。

3种CDMA技术分别受到两个国际标准化组织3GPP(3rd Generation Partnership Project)和3GPP2的支持:3GPP负责DS-CDMA和CDMATDD的标准化工作，分别称为3GPP FDD(Frequency Division Duplex，频分双工)和3GPPTDD(Time Division Duplex,时分双工)；3GPP2负责MC-CDMA，即cdma2000的标准化工作。由此形成了全球公认的第三代移动通信的3个国际标准及其商用系统，即WCDMA、TD-SCDMA和cdma2000。在中国，这3个标准的系统分别由中国移动(TD-SCDMA)、中电信(cdma2000)和中国联通(WCDMA)建设和运营。IEEE支持的基于OFDM技术的WiMAX,在以往宽带接入技术的基础上发展起来，并在部分新兴运营商中得到了一定的部署和应用。

1998年，原信息产业部电信科学技术研究院(大唐电信科技产业集团)在原邮电部的领导和支持下，代表我国向ITU提出了第三代移动通信TD-SCDMA(Time Division Duplex-Synchronous CDMA)标准建议。1999年11月,在芬兰赫尔辛基举行的国际电信联盟无线电通信部门(ITU-R)会议上，TD-SCDMA标准提案被写入第三代移动通信无线接口技术规范的建议中。2000年5月，世界无线电行政大会正式批准接纳TD-SCDMA为第三代移动通信国际标准之一。这是我国第一次在国际上完整地提出自己的电信技术标准建议，是我国电信技术的重大突破。1999-2001年，3GPP组织开展了大量的技术融合和具体的规范制定工作。通过近两年国内外企业和机构的紧密合作，2001年3月,TD-SCDMA成为3GPP R4的一个组成部分，形成了完整的TD-SCDMA第三代移动通信国际标准。

以CDMA为最主要技术特征的第三代移动通信系统实现了更大的系统带宽，面向以分组交换为主的业务，更加广泛的话音、短信、多媒体和数据业务，初期设计目标为高速移动环境下支持144kbit/s，低速移动环境下支持2Mbit/s；后续版本中，陆续推出了高速下行分组接入(HighSpeed Downlink Packet Access，HSDPA)、高速上行分组接入(High Speed Uplink Packet Access，HSUPA)以及增强型高速分组接入(HighSpeed Packet Access+，HSPA+)特性，数据通信能力进一步提升。第三代数字蜂窝移动通信系统的典型特征见表1-3。

表1-3 第三代数字蜂窝移动通信系统的典型特征

4G

虽然第三代移动通信系统能够较好地支持数据业务的开展，但随着社会和经济的发展，人们对更高数据率的通信的需求越来越迫切。由于基于CDMA技术的第三代移动通信系统在支持更大带宽和多天线信号处理上存在复杂度较高等缺点，第四代移动通信系统标准化制定被提上议程。

3GPP于2005年3月正式启动了空口技术的长期演进(Long Term Evolution，LTE)项目,并于2008年12月发布了LTE第一个商用版本R8系列规范，截至2014年年底,共发布了R9、R10、R11和R124个增强型规范,并将持续进行后续版本演进。虽然业界通常将LTE称为第四代移动通信标准，但严格意义上，LTE的R10以后的版本(也称为LTE-Advanced )才是真正满足ITU对第四代移动通信标准性能指标要求的规范。LTE-Advanced在LTE早期版本的基础上进一步增加了系统带宽(到100MHz)，并通过多天线、中继等技术提升频谱效率和覆盖，增强系统性能。

LTE 系统的目标是以OFDM和MIMO为主要技术基础，开发出满足更低传输时延、提供更高用户传输速率、增加容量和覆盖、减少运营费用、优化网络架构、采用更大载波带宽，并优化分组数据域传输的移动通信标准。LTE/LTE-Advanced标准分为FDD和 TDD两种模式，其中TDD模式作为TD-SCDMA系统的后续演进技术与标准，其核心技术由中国厂商所主导，也被称为TD-LTE/LTE-Advanced。

ITU针对4G移动通信系统提出了比之前的几代通信系统更高的要求。

超高速率，低速移动环境下支持1Gbit/s，高移动环境下支持100Mbit/s的速率;超大带宽，最大支持100MHz系统带宽;

超大容量，系统支持话音业务(VoIP)容量达到50用户/(MHz·小区)，对应40MHz系统需要支持2000个用户;

无缝覆盖能力，需要支持室内、密集城区、普通城区、郊区等场景的无缝覆盖，最高移动速率达 350km/h;

超高频谱效率和一致用户体验，对室内、密集城区、普通城区、郊区等场景的平均频谱效率和边缘频谱效率提出了苛刻的指标要求，见表1-4。

表1-4 ITU 4G场景及频谱效率指标对应关系

ITU第四代移动通信标准化历程如下：2005年10月，在芬兰赫尔辛基举行的WP8F第17次会议上，ITU-RWP8F正式将System BeyondIMT-2000命名为IMT-Advanced；2008年2月，ITU-RWP5D完成了IMT-Advanced的需求定义，发出了征集IMT-Advanced候选技术提案的通函；2009年10月，WP5D完成了候选技术提案的征集提交，并开始了后续评估和标准融合开发工作，中国提交了3GPPLTE-Advanced技术的TDD部分，即 TD-LTE-Advanced技术;2010年10月，在中国重庆举办的ITU-RWP5D第九次会议上，3GPP 开发的LTE-Advanced(包括TD-LTE-Advanced和LTE-Advanced FDD)和 IEEE为主的OFDMA-WMAN-Advanced(WiMAX的演进版本)被正式采纳为全球4G核心标准；2012年1月，ITU正式发布了4G标准第一个版本。TD-LTE-Advanced成为继TD-SCDMA之后的又一个中国主导的移动通信国际标准。

LTE-Advanced 以传统的2G及3G系统为基础，具有更强的产业基础，在后续的商用化进程中很快体现出了强劲的竞争力，成为目前业界主流的4G标准。OFDMA-WMAN- Advanced由于缺乏主流运营商和产业链的支持，已经停止开发演进版本，已部署的网络系统将向TD-LTE-Advanced路线演进。2013年年底，我国同时向3家运营商正式发放了3张 TD-LTE 4G牌照，截止到2014年12月，全球LTE用户数超过2亿户，我国TD-LTE用户数超过了8000万户。第四代移动通信技术的特征总结见表1-5。

表1-5 第四代移动通信技术的典型特征

5G

5G（5th-Generation），即第五代移动电话行动通信标准，也称第五代移动通信技术，是4G之后的延伸。根据IMT-2020（5G）推进组，5G由标志性能力指标和一组关键技术来定义。其中，标志性能力指标指“Gbps用户体验速率”，一组关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络构架。5G具有高速率、宽带宽、高可靠、低时延等特征。随着无线移动通信系统带宽和能力的增加，面向个人和行业的移动应用快速发展，移动通信相关产业生态将逐渐发生变化，5G不仅仅是更高速率、更大带宽、更强能力的空中接口技术，而且是面向用户体验和业务应用的智能网络。

5G是移动通信发展的下一步。与前几代产品相比，它旨在提供更高的数据传输速率、更低的延迟和更高的可靠性，从而实现新的用例，并改变广泛的行业。与前几代相比，5G 网络可以支持更多的设备，还可以处理更多的数据密集型应用，例如虚拟现实和增强现实、自动驾驶汽车和 IoT（物联网）。借助 5G，我们在医疗保健、制造、运输和娱乐等各种垂直市场看到了新的创新和机遇。5G也是边缘计算和人工智能等技术的关键驱动力。随着世界各地的MSP（移动服务提供商）正在推出其5G网络，5G正在继续增长和发展，随着我们进入2020年代，看到它实现的新用例将令人兴奋。5G有许多独特的关键技术和功能，如下所示：

大规模物联网连接：物联网 （IoT） 将随着 5G 的兴起而蓬勃发展。新一代同时连接大量设备的能力将导致智能城市、智能家居和互联生态系统，这将改变我们与周围环境的互动方式。从智能家电到自动驾驶汽车，5G将成为万物互联世界的支柱。

关键任务应用：5G 的超可靠低延迟通信 （URLLC） 为远程手术、自动驾驶和工业自动化等关键任务应用开辟了可能性。这些应用需要实时响应能力和最高的可靠性，而 5G 提供了支持它们所需的稳健性。

从NTN国际标准看5G-A / 6G空天地一体化技术演进

从需求到实践: 6G超大规模天线的技术演进

天线基础知识与原理

增强的移动体验：随着增强现实 （AR） 和虚拟现实 （VR） 变得越来越普遍，5G 将推动沉浸式体验达到新的高度。高速数据和低延迟的结合将实现无缝的AR/VR应用，改变娱乐、教育和各个行业。

能源效率和可持续性：尽管 5G 的功能令人印象深刻，但与其前身相比，5G 的设计更加节能。这种能源优化对未来至关重要，因为它与对可持续性和减少技术对环境影响的日益关注相一致。

表1-6 第五代数字移动通信系统的关键指标

3GPP 5G标准化进程：从 2016 年起，3GPP 启动了 R14 研究项，目标是在 2020 年实现 5G 的商业化部署。为此，3GPP 采取了按阶段定义规范的方式。第一阶段目标是R15，旨在完成规范 5G 的有限功能。第二阶段是 R16，旨在完成规范 IMT-2020 所定义的所有功能，将于 2019 年年底到 2020 年完成。3GPP 的 5G 标准化详细路线可以参考下图。基于 R15 和 R16 的实际商业部署大体上会比标准完成延迟一年左右的时间。3GPP 已经于 2017 年 12 月完成了 R15 标准的非独立组网（NSA，Non-StandAlone）部分的规范，于 2018 年 6 月完成了独立组网（SA，Standa Alone)部分的规范。R15 形成了 5G 标准的第一个正式版本。

自 2017 年 12 月 RAN#78 会议上发布第一版 R15 标准之后，每次 RAN 全会都会结合 RAN 分会和全会的会议讨论结果，对原有标准中的一些文字或者消息格式等进行一些更新和修改，并形成新的版本。截至 2018 年年底，R15规范陆续更新并形成了 2018/3、2018/6、2018/9 和 2018/12 版本。

3GPP 5G标准化路线

6G

过去30年里，在国际电信联盟无线通信部门（Radio Communication Division of the International Telecommunication Union，ITU-R）的组织与协调下，各国政府、各行业为发展国际移动通信（International Mobile Telecommunications，IMT）宽带系统做出了巨大努力，ITU-R也成功引领了IMT-2000（3G）、IMT-Advanced（4G）以及IMT-2020（5G）的发展。面向2030及未来，ITU-R将着力于发展IMT-2030（6G）——这是6G标准迈向统一全球的第一步。

经过一年多的讨论，ITU-R最终于2022年6月商定了6G的总体时间表，主要分为三个阶段1：

阶段1——2023年6月，在世界无线电通信大会（WRC-23）召开之前，完成愿景定义；

阶段2——2026年确定需求和评估方法；

阶段3——2030年输出规范。

下图总结了该时间表中每个阶段的具体任务。

在现阶段，ITU-R的主要目标是就IMT-2030（6G）的愿景达成全球共识，包括识别潜在用户应用趋势和新兴技术趋势、定义增强型/新型应用场景和相关能力、理解频谱方面的新需求等。

IMT-2030（6G）定义了六大场景。如下图所示，在IMT-2020（5G）“铁三角”的基础上，IMT-2030（6G）往外延伸，拓展出了一个六边形。在六边形最外围的圆圈上，列出了适用于所有场景的四大设计原则，即：可持续性、泛在智能、安全/隐私/弹性、连接未连接的用户。

9个增强功能：峰值数据速率、用户体验数据速率、频谱效率、区域流量容量、连接密度、移动性、时延、可靠性&安全以及隐私性&弹性

6个新增功能：覆盖、定位、感知相关、AI相关、可持续性和互操作性。

图中各个能力值的范围是IMT-2030经调查研究后给出的预估目标，后续的ITU-R建议书或报告会在这个范围内，为每种场景给出具体值（单个或多个）。

IMT-2030（6G）的新兴技术趋势包括：原生AI（AI空口设计和AI无线网络）、通信感知一体化、亚太赫兹传输、极致MIMO & 可重构智能表面（Reconfigurable Intelligent Surface，RIS）、基于分布式账本和量子技术的可信增强，以及地面网络与非地面网络互连等。

下表重点介绍M.2516报告中纳入的技术趋势。

总结

科技改变生活，移动通信的发展已经为人类生活带来了极大的便利性。如今的科技创新和融合必然会给未来的社会带来更大的改变，也对人类的生活质量带来更多的提升。由于通信系统十分庞大且涉及知识面十分宽广，所以学习来更要注重系统性和侧重点。单纯的发展历史仅仅是背景信息而已，具体到标准执行流程、各个版本的标准协议、具体的空口技术、物理层的具体实现都是复杂而精细的。