1.1　移动通信系统技术演进

1.1.1　第一代移动通信系统

第一代移动通信技术（1G）是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话标准，制定于20世纪80年代。美国的先进移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS）、英国的全接入通信系统（Totak Access Communication System，TACS）以及日本的JTAGS、法国的Radiocom 2000和意大利的RTMI是其中的代表。1G主要采用的是模拟技术和频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）技术。由于受到传输带宽的限制，1G不支持移动通信的长途漫游，只支持区域性的移动通信。1G有多种制式，我国主要采用的是TACS制式。1G也有很多不足，例如，容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和自动漫游等。

1G主要用于提供模拟语音业务。

美国摩托罗拉公司的工程师马丁·库珀于1976年首先将无线电应用于移动电话。同年，国际无线电大会批准了800MHz/900MHz频段用于移动电话的频率分配方案。在此之后一直到20世纪80年代中期，许多国家都开始建设基于FDMA和模拟调制技术的1G。

1978年年底，美国贝尔试验室成功研制了全球第一个移动蜂窝电话系统——AMPS。5年后，这套系统在芝加哥正式投入商用并迅速在全美推广，获得了巨大成功。

同一时期，欧洲各国也不甘示弱：瑞典等北欧四国在1980年成功研制了NMT-450移动通信网并投入使用；联邦德国在1984年完成了C网络（C-Netz）；英国则于1985年开发出频段在900MHz的TACS。

中国的1G于1987年11月18日在广东第六届全运会上开通并正式商用，采用的是英国TACS制式。从中国电信集团有限公司（以下简称“中国电信”）1987年11月开始运营模拟移动电话业务到2001年12月底中国移动通信集团公司（以下简称“中国移动”）关闭模拟移动通信网，1G系统在中国的应用长达14年，用户数最高曾达到660万。如今，1G时代像砖头一样的手持终端——“大哥大”已经成为很多人的回忆。

由于采用的是模拟技术，1G的容量有限。此外，安全性和抗干扰性也存在较大的问题。由于1G先天不足，它无法真正大规模地普及和应用，价格非常昂贵，成为当时的一种奢侈品和财富的象征。与此同时，不同国家各自为政也使1G的技术标准各不相同，即只有“国家标准”，没有“国际标准”，国际漫游成为一个突出的问题。这些缺点都随着第二代移动通信系统的到来得到了很大的改善。

1.1.2　第二代移动通信系统

第二代移动通信系统（2G）是以数字技术为主体的移动通信网络。在中国，2G标准是以全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication，GSM）为主，以IS-95码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）为辅。

20世纪80年代以来，世界各国加速开发数字移动通信技术，其中采用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）方式的代表性制式有欧洲GSM/DCS1800、美国ADC、日本PDC等数字移动通信系统。

1982年，欧洲邮电管理委员会（Confederation of European Posts and Telecommun ications，CEPT）成立了一个新的标准化组织移动通信特别小组（Group Special Mobile，GSM），其目的是制订欧洲900MHz数字TDMA蜂窝移动通信系统（GSM系统）的技术规范，从而使欧洲的移动电话用户能在欧洲地区自动漫游。1988年，欧洲电信标准协会（European Telecommunication Standards Institute，ETSI）成立。1990年，GSM第一期规范确定，系统试运行。英国政府发放许可证建立个人通信网（Personal Communication Network，PCN），将GSM标准推广应用到1800MHz频段，改为DCS1800，频宽为2×75MHz。1991年，GSM系统在欧洲开通运行；DCS1800规范确定，可以工作于微蜂窝，与现有系统重叠或部分重叠覆盖。1992年，北美ADC（IS-54）投入使用，日本PDC投入使用；FCC批准了CDMA（IS-95）系统标准，并继续进行现场实验；GSM被重新命名为全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）。1993年，GSM已经覆盖欧洲、澳大利亚等地区，67个国家已成为GSM成员。1994年，CDMA系统开始商用。1995年，DCS1800开始推广应用。

当今世界市场的第二代数字无线标准，如GSM、D-AMPS、PDC、IS-95CDMA等均是窄带通信系统。现存的移动通信网络主要以第二代的GSM和CDMA为主，采用GSM GPRS、CDMA的IS-95B技术，数据提供能力可达115.2kbit/s，GSM采用增强型数据速率（Enhanced Data Rate for GSM Evolution，EDGE）技术，速率可达384kbit/s。

2G系统主要采用的是数字的TDMA技术和CDMA技术，主要业务是语音，主要特性是提供数字化的语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，语音质量、保密性能大幅提高，可进行省内、省际自动漫游。

2G系统替代1G系统完成模拟技术向数字技术的转变，但由于2G系统采用不同的制式、移动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内漫游，因而无法进行全球漫游。由于2G系统的带宽是有限的，这限制了数据业务的应用，而且无法实现高速率的业务，例如，移动的多媒体业务。

1.1.3　第三代移动通信系统

1995年问世的第一代数字制式手机只能进行语音通话；1996到1997年出现的GSM、TDMA等数字制式手机就增加了接收数据的功能，例如，接收电子邮件或网页；第三代移动通信技术（3G）与前两代的主要区别是提升了传输声音和数据的速率，它能够在全球范围内更好地实现无缝漫游，并且处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。

1.1.3.1　第三代移动通信的基本特征

第三代移动通信有以下基本特征：

（1）在全球范围内设计，与固定通信网络业务及用户互连，无线接口的类型尽可能少且具有高度兼容性；

（2）具有与固定通信网络相比拟的高语音质量和高安全性；

（3）具有在本地采用2Mbit/s高速率接入和在广域网采用384kbit/s接入速率的数据率分段使用功能；

（4）具有2GHz左右的高效频谱利用率，并且能最大限度地利用有限带宽；

（5）移动终端可连接固定通信网络和卫星通信网络，可移动使用和固定使用，也可与卫星业务共存和互连；

（6）能够处理包括国际互联网和视频会议、高数据率通信和非对称数据传输的分组和电路交换业务；

（7）既支持分层小区结构，也支持用户向不同地点通信时浏览国际互联网的多种同步连接；

（8）语音只占移动通信业务的一部分，大部分业务是非语音数据和视频信息；

（9）一个共用的基础设施可支持同一个地方的多个公共的和专用的电信运营公司；

（10）手机体积小、重量轻，具有真正的全球漫游能力；

（11）具有根据数据量、服务质量和使用时间为收费参数，而不是以距离为收费参数的新收费机制。

1.1.3.2　宽带CDMA、窄带CDMA以及GSM的主要区别

IMT-2000的主要技术方案是宽带CDMA，并同时兼顾在2G系统中应用广泛的GSM与窄带CDMA系统的兼容问题。那么，支撑3G系统的宽带CDMA与在2G系统中运行的窄带CDMA和GSM在技术与性能方面有什么区别呢？

第一，更大的通信容量和覆盖范围。宽带CDMA可以使用更宽的信道，是窄带CDMA的4倍，可以提供更大的容量。更大的带宽可以改善频率分集的效果，从而降低衰减问题，还可为更多的用户提供更好的统计平均效果。在宽带CDMA的上行链路中使用相干解调，可提供2dB~3dB的解调增益，从而有效地改善覆盖范围。由于宽带CDMA的信道更宽，衰减效应较小，因此可改善功率控制精度。其上下行链路中的快速功率控制还可抵消衰减，降低平均功率水平，从而提高容量。

第二，具有可变的高速数据率。宽带CDMA同时支持无线接口的高低数据传输速率，其全移动的384kbit/s数据率和本地通的2Mbit/s数据率不仅可以支持普通语音，还可支持多媒体数据，满足具有不同通信需求的各类用户。通过使用可变正交扩频码，能实现发射功率的自适应，使高速数据率可变。在应用中，用户会发现宽带CDMA要比窄带CDMA和GSM具有更好的应用性能。

第三，可同时提供高速电路交换和分组交换业务。虽然在窄带CDMA与GSM的移动通信业务中，只有也只需要与语音相关的电路和交换，但分组交换所提供的与主机应用始终“联机”而不占用专用信道的特性，可以实现只根据用户所传输数据的多少来付费，而不是像2G那样，只根据用户连续占用时间的长短来付费的新收费机制。另外，宽带CDMA还有一种优化分组模式，对于不太频繁的分组数据可提供快速分组传播，在专用信道上也支持大型或比较频繁的分组。同时，分组数据业务对于建立远程局域网和无线国际互联网接入的经济高效应用也是非常重要的。当然，高速的电话交换业务仍然非常适应像视频会议这样的实时应用。

第四，宽带CDMA支持多种同步业务。每个宽带CDMA终端均可同时使用多种业务，因而可以使每个用户在连接到局域网的同时还能接收语音呼叫，即当用户被长时间数据呼叫占据时也不会出现像2G系统那样常见的忙音现象。

第五，宽带CDMA技术还支持其他系统的改进功能。3G系统中的宽带CDMA还将引进其他可改进系统的相关功能，以达到进一步提高系统容量的目的。具体内容主要是支持自适应天线（Adaptive Antenna Array，AAA），该天线可利用天线方向图对每个移动电话进行优化，可提供更加有效的频谱和更高的容量。AAA要求下行链路中的每个连接都有导频符号，而宽带CDMA系统中的每个小区中都使用一个公共导频广播。

无线基站再也不需要全球定位系统来同步。由于宽带CDMA拥有一个内部系统来同步无线电基站，所以它不像GSM移动通信系统那样在建立和维护基站时需要全球定位系统（Global Positioning System，GPS）来同步。因为无线基站的安装依赖GPS卫星覆盖，在购物中心、地铁等地区的实施会比较困难。

支持分层小区结构（Hierarchical Cell Structure，HCS），宽带CDMA的载波可引进一种被称为“移动辅助异频越区切换（Mobile Auxiliary Inter-Frequency Handover，MAIFHO）”的新切换机制，使其能够支持分层小区结构。这样，移动台可以扫描多个码分多址载波，使移动通信系统可在热点地区部署微小区。

支持多用户检测，因为多用户检测可以消除小区中的干扰并且提高容量。

TD-SCDMA（Time-Division Synchronous Code Division Multiple Access）是由我国原信息产业部（现工业和信息化部）电信科学技术研究院提出并与德国西门子股份公司联合开发的。其主要技术特点是采用同步码分多址技术、智能天线技术和软件无线技术。它采用时分双工（Time Division Duplex，TDD）模式，载波带宽为1.6MHz。TDD是一种优越的双工模式，因为在第三代移动通信系统中，需要大约400MHz的频谱资源，在3GHz以下是很难实现的。而TDD则能使用各种频率资源，不需要成对的频率，能节省紧张的频率资源，而且设备成本相对比低，比频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）系统的成本低20%~50%。特别是对上下行不对称、不同传输速率的数据业务来说，TDD更能显示出其优越性。也许这是它能成为三种标准之一的重要原因。另外，TD-SCDMA独特的智能天线技术能大幅提高系统的容量，特别是能增加50%的CDMA系统容量，而且降低了基站的发射功率，减少了干扰。TD-SCDMA软件无线技术能利用软件修改硬件，在设计、测试方面非常方便，不同系统间的兼容性也易于实现。当然，TD-SCDMA也存在一些缺陷，它在技术的成熟性方面比另外两种技术要欠缺一些。另外，它在抗衰落和终端用户的移动速度方面也有一定的缺陷。

宽带码分多址（Wide band Code Division Multiple Access，WCDMA）是一种3G蜂窝网络。WCDMA使用的部分协议与2G的GSM标准一致。具体而言，WCDMA是一种利用码分多址复用技术的宽带扩频的3G移动通信系统。

WCDMA源于欧洲和日本几种技术的融合。WCDMA采用直扩模式，载波带宽为5MHz，数据传送速率可达2Mbit/s（室内）和384kbit/s（移动空间）。它采用直扩FDD双工模式，与GSM网络有良好的兼容性和互操作性。作为一项新技术，它在技术成熟性方面虽然不及CDMA2000，但其优势在于GSM的广泛采用能为其升级带来便利，因此也倍受各大厂商的青睐。WCDMA采用最新的异步传输模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）微信元传输协议，允许在一条线路上传送更多的语音呼叫，呼叫数由30个提高到300个，即使在人口密集的地区，线路也不容易堵塞。

另外，WCDMA还采用自适应天线和微小区技术，大幅提高了系统的容量。

CDMA2000是由美国高通（Qualcomm）公司提出的。它采用多载波方式，载波带宽为1.25MHz。CDMA2000共分为两个阶段：第一阶段提供144kbit/s的数据传送速率，第二阶段提供2Mbit/s的数据传送速率。CDMA 2000和WCDMA一样支持移动多媒体服务，是CDMA发展3G的最终目标。CDMA 2000和WCDMA在原理上没有本质的区别，都起源于CDMA（IS-95）系统。但CDMA2000做到了完全兼容CDMA（IS-95）系统，为技术的延续带来了明显的好处：成熟性和可靠性比较有保障，同时也使CDMA 2000成为2G向3G平稳过渡的一种技术。但是CDMA 2000的多载传输方式与WCDMA的直扩模式相比，对频率资源有极大的浪费，而且它所处的频段与IMT-2000规定的频段也产生了矛盾。

1.1.3.3　第三代移动通信系统增加的新业务

第三代移动通信系统增加的新业务如下所述。

（1）高速电路交换数据（High-Speed Circuit-Switched Data，HSCSD）业务是GSM向3G演进的一种软件解决方案，它把单个业务信道的数据速率从9.6kbit/s提高到14.4kbit/s，并把4条信道复用在一个时隙中，从而使数据经营者能够提供高达57.6kbit/s的传输速率。

（2）通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）是由诺基亚开发的基于IP解决方案的可使GSM运营商迈向多媒体无线业务、从而向3G演进的另一项新技术，可提供高达115kbit/s的数据传输速率。

（3）增强型数据速率（EDGE）业务是由GSM和TDMA厂商合作开发的基于未来移动通信系统的应用平台，它能为未来移动通信系统IMT-2000提供高达384kbit/s的移动速率业务。

在3G通信标准IMT-2000中，对频谱和业务的基本要求被提出，也就是有名的2GHz频段、384kbit/s广域网、2Mbit/s本地网数据传输速率业务等。显然，要实现3G系统中的基本要求，首先必须解决频谱、核心网络和无线接入三大技术难题。

第一，必须确定全球统一的频谱段。IMT-2000标准确定在2GHz左右的频段，而美国联邦通信委员会却在1994年就把PCS定位在1.9GHz并已拍卖，使3G建立统一频谱出现了裂痕。

第二，必须建立统一的核心网络系统。3G标准是在2G核心网络的基础上逐步将电路交换演变成高速电路交换与分组交换相结合的核心网络。当时世界上存在两大移动通信系统核心网络，即GSM-MAP和ANSI-41，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）决定将两大网络都定为第三代核心网络。因此，要实现全球漫游，就必须通过信令转换器把它们连接起来，形成逻辑上的统一核心网络系统。

第三，必须考虑多频谱的无线接入方案。ITU称之为无线传输技术（Radio Transmission Technology，RTT）的无线接入方案，可以分为两大类：一类是建立在现有频段上把现有无线接入技术革新演变成能为3G提供业务的RTT，这里最重要的是考虑反向兼容要求，其中工作频段在900MHz/1800MHz/1900MHz的GSM、北美的D-AMPS和窄带CDMA（IS-95）都在考虑向第三代过渡的反向兼容性；另一类是直接在新的频段上工作，即在IMT-2000制订的2GHz频段上为3G开发出新的无线传输技术，即宽带CDMA技术。

给3G带来天翻地覆变化的当然是3G中所采用的多种高新技术。这些高新技术是3G的精髓，也是制订3G标准的基础，了解这些技术就了解了3G。下面我们就专门介绍几种应用于3G的技术。

TD-SCDMA技术。TD-SCDMA是中国唯一提交的关于3G的技术，它使用了2G和3G通信中的所有接入技术，包括TDMA、CDMA和空分复用接入（Space Division Multiple Access，SDMA），其中最关键的创新部分是SDMA。SDMA可以在时域/频域之外用来增加容量和改善性能，SDMA的关键技术就是利用多天线估计空间参数，对下行链路的信号进行空间合成。另外，将CDMA与SDMA技术结合起来也起到了相互补充的作用，尤其是当几个移动用户靠得很近并使SDMA无法分出时，CDMA就可以很轻松地起到分离作用了，而SDMA本身又可以使CDMA用户间的相互干扰降至最小。SDMA技术的另一个重要作用是可以大致估算出每个用户的距离和方位，可应用于3G用户的定位，并能为越区切换提供参考信息。总之，TD-SCDMA具有价格便宜、容量较高、性能优良等优点。

智能天线技术。智能天线技术是中国标准TD-SDMA中的重要技术之一，是基于自适应天线原理的一种适用于3G的新技术。它结合了自适应天线技术的优点，利用天线阵列波束的汇成和指向产生多个独立的波束，可以自适应地调整其方向图以跟踪信号的变化，同时可以对干扰方向调零以减少甚至抵消干扰信号，增加系统的容量和频谱效率。智能天线的特点是能够以较低的代价换得天线覆盖范围、系统容量、业务质量、抗阻塞、抗掉话等性能的提高。智能天线在干扰和噪声环境下，通过其自身的反馈控制系统改变辐射单元的辐射方向图、频率响应及其他参数，使接收机输出端有最大的信噪比。

WAP技术。无线应用协议（Wireless Application Protocol，WAP）已经成为数字移动电话和其他无线终端上无线信息和电话服务的世界标准。WAP可提供相关服务和信息，提供其他用户连接时的安全、迅速、灵敏和在线的交互方式。WAP驻留在互联网上的TCP/IP环境和蜂窝传输环境之间，但是独立于其所使用的传输机制，可用于通过移动电话或其他无线终端来访问和显示多种形式的无线信息。

WAP规范既利用了现有技术标准中适用于无线通信环境的部分，又在此基础上进行了新的扩展。由于WAP技术位于GSM网络和互联网之间，一端连接现有的GSM网络，一端连接互联网。因此，只要用户具有支持WAP的媒体电话就可以进入互联网，实现一体化的信息传送。而厂商使用该协议则可以开发出无线接口独立、设备独立和完全可以交互操作的手持设备互联网接入方案，从而使厂商的WAP方案能最大限度地利用用户对Web服务器、Web开发工具、Web编程和Web应用的既有投资，保护用户现有的利益，同时也解决无线环境所带来的新问题。目前，全球各大移动电话制造商都能提供支持WAP的无线设备。

快速无线IP技术。快速无线互联网技术将是未来移动通信发展的重点，宽频带多媒体业务是最终用户的基本要求。根据ITM-2000的基本要求，3G可以提供较高的传输速率（2Mbit/s，移动144kbit/s）。现代的移动设备（手机、笔记本电脑、iPad等）越来越多，剩下的好像就是网络是否可以移动，无线IP技术与3G技术的结合是否会实现这个愿望。由于无线IP主机在通信期间需要在网络上移动，其IP地址就有可能经常变化，传统的有线IP技术将导致通信中断，但3G技术因为利用了蜂窝移动电话的呼叫原理，完全可以使移动节点采用并保持固定不变的IP地址，一次登录即可实现在任意位置上或在移动中保持与IP主机的单一链路层连接，完成移动中的数据通信。

软件无线电技术。在不同工作频率、不同调制方式、不同多址方式等多种标准共存的3G中，软件无线电技术是最有希望解决这些问题的技术之一。软件无线电技术可以使模拟信号的数字化过程尽可能地接近天线，即将AD转换器尽量靠近射频前端，利用数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）的强大处理能力和软件的灵活性完成信道分离、调制解调、信道编码、译码等工作，从而为2G向3G的平滑过渡提供一个良好的无缝解决方案。

3G需要很多的关键技术，软件无线电技术基于同一硬件平台，通过加载不同的软件就可以获得不同的业务特性，这对于系统升级、网络平滑过渡、多频多模的运行情况来讲相对简单容易、成本低廉，因此对于3G的多模式、多频段、多速率、多业务、多环境的特殊要求特别重要，所以在未来移动通信中有着广泛的应用意义，不仅可以改变传统观念，还将为移动通信的软件化、智能化、通用化、个人化和兼容性带来深远影响。

多载波码分多址（Multi Carrier-Code Division Multiple Access，MC-CDMA）技术。MC-CDMA是3G中使用的一种新技术。MC-CDMA技术早在1993年的PIMRC（Personal,Indoor and Mobile Radio Communications）会议上就被提出来了。目前，MC-CDMA作为一种有着良好应用前景的技术，已经吸引了许多公司对此进行深入研究。MC-CDMA技术的研究内容大致有两类：一类是用给定扩频码来扩展原始数据，再用每个码片来调制不同的载波；另一类是用扩频码来扩展已经进行了串并变换后的数据流，再用每个数据流来调制不同的载波。

多用户检测技术。在CDMA系统中，码间不正交会引起多址干扰（Multiple Access Interference，MAI），而MAI将会限制系统的容量。为了消除MAI的影响，人们提出了利用其他用户的已知信息去消除多址干扰的多用户检测技术。多用户检测技术分为线性多用户检测和相减去干扰检测。在线性多用户检测中，对传统的解相器软输出的信号进行一种线性的映射（变换），以期产生新的一组有希望提供更好性能的输出；在相减去干扰检测中，可产生对干扰的预测并使之减小。目前，CDMA系统中的多用户检测技术还存在一定的局限，主要表现在：多用户检测只是消除了小区内的干扰，但无法消除小区间的干扰；算法相当复杂，不易在实际系统中实现。多用户检测技术的局限是暂时的，随着数字信号处理技术和微电子技术的发展，降低复杂性的多用户检测技术必将在3G中得到广泛的应用。

1.1.4　第四代移动通信系统

第四代的移动通信技术（4G）使图像的传输速率更快，图像的质量更清晰。4G以之前的2G、3G为基础，在其中添加了一些新型技术，使无线通信的信号更加稳定，还提高数据的传输速率，而且兼容性也更平滑，通信质量也更高。而且4G使用的技术也比2G、3G先进，使信息通信的速率更快。

4G的创新使其与3G相比具有更大的竞争优势：首先，4G在图片、视频传输上能够实现原图、原视频高清传输，其传输质量与电脑画质不相上下；其次，利用4G下载软件、文件、图片、音视频，其速率最高可达到几十兆比特每秒，这是3G无法实现的，同时这也是4G的一个显著优势。

1.1.4.1　4G关键技术

1.正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术

频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）具有一点抗干扰性，编码采用的是单极性不归零码：当发送端发送的编码为“1”的时候，表示处于高频；当发送端发送的编码为“0”的时候，表示处于低频；当发送端发送的编码是“1011010”时，编码形成的波形会表现出周期性浮动。利用OFDM技术传输的信号会有一定的重叠部分，技术人员会依据处理器对其进行分析，根据频率的细微差别划分不同的信息类别，从而保证数字信号的稳定传输。

2.多输入多输出（Multi Input Multi Output，MIMO）技术

MIMO利用的是映射技术，发送设备会将信息发送到无线载波天线上，天线在接收信息后会迅速对其进行编译，并将编译之后的数据编成数字信号，分别发送到不同的映射区，再利用分集和复用模式对接收到的数据信号进行融合，获得分级增益。

3.智能天线技术

智能天线技术是将时分复用与波分复用技术有效融合起来的技术。在4G中，智能天线可以对传输的信号实现全方位覆盖，每个天线的覆盖角度是120°。为了保证全面覆盖，发送基站都会至少安装3根天线。另外，智能天线技术可以调节发射信号，获得增益效果，增大信号的发射功率。需要注意的是，这里的增益调控与天线的辐射角度没有关联，只是在原来的基础上增大了传输功率而已。

4.软件定义无线电（Software Defination Radio，SDR）技术

SDR技术是无线通信技术常用的技术之一，其技术思想是将宽带模拟数字变换器或数字模拟变换器充分靠近射频天线，编写特定的程序代码完成频段选择，抽样传送信息后进行量化分析，可实现信道调制方式的差异化选择，并完成不同的保密结构、控制终端的选择。

1.1.4.2　4G网络构架

1.EPON网络构架

EPON组网结构一共由3个部分组成，在用户和电信运营商之间分别有终端设备、交换设备和局端设备。在传输线路中一共有64个传输帧，而每个传输帧又包括24字节，也就是192比特数据，这个传输结构最大的传输距离可以达到20千米。而EPON传输线路又分为上下两层：上层线路应用时分复用方式进行传输，交换设备会在不同的传输时间将不同的信息传输到终端设备，以避免各种信息发生混淆；而下层线路则采用广播传输的方式实时传输，终端设备甄别不同的信息，选择实时需要的信息接收。

2.TD-LTE网络构架

TD-LTE主要是从3个层面对网络信息进行布点规划：核心层为了提高传输数据的速率，减少用户端到基站的传输时间；业务层为了完成数据的处理和交换，在4G通信业务中需要传输的数据信息非常多，业务层可以有效提升原来的传输速率，减少接收数据的时延；传输层主要是用来引用无源光网络，在光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）和光网络单元（Optical Network Unit，ONU）之间实现分光。其中ONU在上行端口应采用双无源光网络（Passive Optical Network，PON）传输模式，在局端设备附近形成一个保护网，避免数据流失。

1.1.4.3　4G的优势

1.显著提升通信速率

相比3G，4G的最大优势就是显著提升了通信速率，让用户有了更佳的使用体验，同时这也推动了我国通信技术的发展。通信技术的发展是一个漫长的过程：1G只有语音系统；2G的通信速率只有10kbit/s；当发展到3G时，通信速率也没有一个质的飞跃，只有2Mbit/s。这都是阻碍我国通信事业发展的因素，但是4G的出现很明显在通信速率方面有了一个质的飞跃。

2.通信技术更加智能化

4G相较于之前的移动通信系统，已经在很大的程度上实现了智能化操作。这更符合我们当下的需求，我们日常生活中使用的手机就是4G智能化的一个很好的体现。智能化的4G可以根据人们在使用过程中的不同指令来做出更加准确无误的回应，对搜索出来的数据进行分析、处理、整理后再传输到用户的手机上。4G手机作为人们越来越离不开的一个通信工具，极大地方便了人们的生活。

3.提升兼容性

软件、硬件之间相互配合的程度就是平时我们所说的兼容性。如果软件、硬件之间的冲突减少，就会表现成兼容性的提高；如果冲突多，那么兼容性就会降低。4G的出现极大地提高了兼容性，减少了软件、硬件在工作过程中的冲突，让软件、硬件之间的配合更加默契，这也在很大的程度上避免了故障的发生。4G在很大的程度上提高兼容性的一个表现就是我们很少再会遇到之前经常出现的卡顿、闪退等多种故障，这让人们在使用通信设备的过程中更加顺畅。

1.1.5　第五代移动通信系统

第五代移动通信技术（5G）是最新一代蜂窝移动通信技术，即4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系统的延伸。5G的性能目标是高数据速率、低时延、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。5G第一阶段标准版本Release-15是为了适应早期的商业部署。5G第二阶段标准版本Release-16将于2020年完成，作为IMT-2020技术的候选提交给ITU。ITU IMT-2020规范要求传输速率高达20Gbit/s，可以实现宽信道带宽和大容量MIMO。

2019年10月31日，国内三大电信运营商公布5G商用套餐，并于2019年11月1日正式上线5G商用套餐。

1.1.5.1　发展背景

近年来，5G已经成为通信业和学术界探讨的热点。5G的发展主要有两个驱动力：一方面，以长期演进技术为代表的4G已全面商用，对下一代技术的讨论提上日程；另一方面，移动数据的需求呈爆炸式增长趋势，现有的移动通信系统难以满足未来的需求，急需研发新一代5G系统。

5G的发展也来自其对移动数据日益增长的需求。随着移动互联网的发展，越来越多的设备接入移动通信网络，新的服务和应用层出不穷。Comscore公司发布了《2019年全球移动状况报告》（2019 Global State of Mobile Report），表明世界各地的用户花在通信网络上的时间越来越多，而且大多数人更加习惯于使用手机上网。在目前接受调查的国家中，移动互联网渗透率最高的国家是印度和印度尼西亚，都高达91%。全球移动宽带用户数在2020年有望达到90亿，到2025年，预计移动通信网络的容量需要在当前的网络容量上增长1000倍。移动数据流量的暴涨将给移动通信网络带来严峻的挑战：首先，如果按照当前移动通信网络的发展，容量难以支持千倍流量的增长，网络能耗和比特成本难以承受；其次，流量增长必然带来对频谱的进一步需求，而移动通信频谱稀缺，可用频谱呈大跨度、碎片化分布，难以实现频谱的高效利用；此外，要提升网络容量，必须智能、高效地利用网络资源，例如，针对业务和用户的个性进行智能优化，但这方面的能力不足；最后，未来网络必然是一个多网并存的异构移动通信网络，要提升网络容量，必须高效管理各个网络、简化互操作、增强用户的体验。为了解决上述挑战，满足日益增长的移动流量需求，亟须发展5G。

1.1.5.2　基本概念

5G网络与早期的2G、3G和4G网络一样，也是数字蜂窝网络。在这种网络中，电信运营商覆盖的服务区域被划分为许多被称为蜂窝的小地理区域。表示语音和图像的模拟信号在手机中被数字化，由模数转换器转换并作为比特流传输。蜂窝中的所有5G无线设备通过无线电波与蜂窝中的本地天线阵列和低功率自动收发器（发射机和接收机）进行通信。收发器从公共频率池分配频道，这些频道在地理上分离的蜂窝中可以重复使用。本地天线通过高带宽光纤或无线回程连接与电话网络和互联网连接。与现有的手机一样，当用户从一个蜂窝穿越到另一个蜂窝时，他们的移动设备将自动“切换”到新蜂窝中的天线。

5G网络的主要优势在于，数据传输速率远远高于以前的蜂窝网络，最高可达20Gbit/s，比当前的有线互联网的传输速率要快，比先前的4G LTE蜂窝网络快100倍。5G网络的另一个优点是网络时延低于1ms，而4G的网络时延为30ms~70ms。由于数据传输更快，5G网络将不仅为手机提供服务，而且还将成为一般性的家庭和办公网络提供商，与有线网络提供商竞争。

1.1.5.3　网络特点

峰值速率需要达到Gbit/s的标准，以满足高清视频、虚拟现实等大数据量的传输。空中接口时延水平需要在1ms左右，满足自动驾驶、远程医疗等实时应用。超大网络容量提供千亿设备的连接能力，可满足物联网通信的需求。频谱效率要比LTE提升10倍以上。在连续广域覆盖和高移动性下，用户体验速率达到100Mbit/s，可大幅提高流量密度和连接数密度。系统协同化、智能化水平提升，表现为多用户、多点、多天线、多摄取的协同组网以及网络间灵活的自动调整。

以上是5G区别于前几代移动通信系统的关键，是移动通信从以技术为中心逐步向以用户为中心转变的结果。

1.1.5.4　关键技术

1.超密集异构网络

5G网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向发展。随着各种智能终端的普及，2020年以后，移动数据流量将呈现爆炸式增长的态势。在未来的5G网络中，减小小区半径、增加低功率节点数量是保证未来5G网络支持1000倍流量增长的核心技术之一。因此，超密集异构网络将成为未来5G网络提高数据流量的关键技术。

未来无线网络将部署超过现有站点10倍以上的各种无线节点，在宏站覆盖区内，站点间的距离将保持在10m以内，并且支持在每平方千米范围内为25000个用户提供服务；同时也可能出现活跃用户数和站点数的比例达到1: 1，即用户与服务节点一一对应。密集部署的网络拉近了终端与节点间的距离，使网络的功率和频谱效率大幅提高，同时也扩大了网络的覆盖范围、扩展了系统容量，并且增强了业务在不同接入技术和各覆盖层次间的灵活性。虽然超密集异构网络架构在5G中有很大的发展前景，但是节点间距离的减小和越发密集的网络部署将使网络拓扑更加复杂，从而容易出现与现有移动通信系统不兼容的问题。在5G网络中，干扰是一个必须要解决的问题。网络中的干扰主要有同频干扰、共享频谱资源干扰、不同覆盖层次间的干扰等。现有通信系统的干扰协调算法只能解决单个干扰源的问题，而在5G网络中，相邻节点的传输损耗一般差别不大，这将导致多个干扰源的强度相近，进一步恶化网络的性能，使现有协调算法难以应对。

准确有效地感知相邻节点是实现大规模节点协作的前提条件。在超密集网络中，密集部署使小区边界数量剧增，加之形状的不规则，导致切换频繁、复杂。为了满足移动性需求，势必出现新的切换算法；另外，网络动态部署技术也是研究的重点。由于用户部署的大量节点的开启和关闭具有突发性和随机性，网络拓扑和干扰具有大范围动态变化的特性；而各小站中较少的服务用户数也容易导致业务的空间和时间分布出现剧烈的动态变化。

2.自组织网络

在传统的移动通信网络中，主要依靠人工方式完成网络部署及运维，既耗费了大量的人力资源，又增加了运行成本，而且网络优化也不理想。在未来的5G网络中，电信运营商将面临网络的部署、运营及维护的挑战，这主要是由于网络存在各种无线接入技术且网络节点覆盖能力各不相同所导致的，它们之间的关系错综复杂。因此，自组织网络（Self-Organizing Network，SON）的智能化将成为5G网络必不可少的一项关键技术。

SON技术解决的关键问题主要有以下两点：第一，网络部署阶段的子规划和自配置；第二，网络维护阶段的自优化和自愈合。自配置，即新增网络节点的配置可实现即插即用，具有低成本、安装简易等优点；自优化的目的是减少业务工作量，达到提升网络质量及性能的效果，其方法是通过UE和eNB测量，在本地eNB或网络管理方面自优化参数；自愈合指系统能自动检测问题、定位问题和排除故障，大幅减少维护成本并避免对网络质量和用户体验的影响；自规划的目的是动态进行网络规划并执行，同时满足系统的容量扩展、业务监测、优化结果等方面的需求。

3.内容分发网络

在5G网络中，面向大规模用户的音频、视频、图像等业务急剧增长，网络流量的爆炸式增长会极大地影响用户访问互联网的服务质量。如何有效地分发大流量的业务内容、降低用户获取信息的时延成为网络运营商和内容提供商面临的一大难题。仅仅依靠增加带宽并不能解决问题，它还受到传输中路由阻塞、时延和网站服务器的处理能力等因素所带来的影响，这些问题的出现与用户服务器之间的距离有密切的关系。内容分发网络（Content Distribution Network，CDN）会对未来5G网络的容量与用户访问具有重要的支撑作用。

CDN是在传统网络中添加新的层次，即智能虚拟网络。CDN系统综合考虑各节点的连接状态、负载情况、用户距离等信息，通过将相关内容分发至靠近用户的CDN代理服务器上使用户就近获取所需的信息，缓解网络拥塞状况，降低响应时间，提高响应速度。在用户侧与源Server之间构建多个CDN代理Server，可以降低时延、提高服务质量（Quality of Service，QoS）。当用户对所需内容发送请求时，如果源服务器之前接收到相同内容的请求，则该请求被域名系统（Domain Name System，DNS）重定向到离用户最近的CDN代理服务器上，由该代理服务器发送相应内容给用户。因此，源服务器只需将内容发给各个代理服务器，便于用户从就近的带宽充足的代理服务器上获取内容，降低网络时延并提高用户体验。随着云计算、移动互联网及动态网络内容技术的推进，CDN技术逐步趋向于专业化、定制化，在内容路由、管理、推送以及安全性方面都面临新的挑战。

4.D2D通信

在5G网络中，网络容量、频谱效率需要进一步提升，更丰富的通信模式以及更好的终端用户体验也是5G的演进方向。设备到设备（Device-to-Device，D2D）通信具有潜在的提升系统性能、增强用户体验、减轻基站压力、提高频谱利用率的前景。因此，D2D是未来5G网络中的关键技术之一。

D2D通信是一种基于蜂窝系统的近距离数据直接传输技术。D2D会话的数据直接在终端之间传输，不需要通过基站转发，而相关的控制信令，例如，会话的建立、维持、无线资源分配以及计费、鉴权、识别、移动性管理等仍由蜂窝网络负责。蜂窝网络引入D2D通信，可以减轻基站的负担，降低端到端的传输时延，提升频谱效率，降低终端的发射功率。当无线通信基础设施损坏或者在无线网络的覆盖盲区，终端可借助D2D实现端到端通信甚至接入蜂窝网络。在5G网络中，既可以在授权频段部署D2D通信，也可以在非授权频段部署D2D通信。

5.M2M通信

机器对机器（Machine to Machine，M2M）作为物联网最常见的应用形式，在智能电网、安全监测、城市信息化、环境监测等领域实现了商业化应用。3GPP已经针对M2M网络制订了一些标准，并已立项开始研究M2M关键技术。M2M的定义主要有广义和狭义两种：广义的M2M主要是指机器对机器、人与机器间以及移动网络和机器之间的通信，它涵盖了所有实现人、机器、系统之间通信的技术；从狭义上说，M2M仅仅指机器与机器之间的通信。智能化、交互式是M2M有别于其他应用的典型特征，这一特征下的机器也被赋予了更多的“智慧”。

6.信息中心网络

随着实时音频、高清视频等服务的日益激增，基于位置通信的传统TCP /IP网络无法满足数据流量分发的要求。网络呈现出以信息为中心的发展趋势。信息中心网络（Information Centric Network，ICN）的思想最早是在1979年由纳尔逊（Nelson）提出来的，后来被巴卡拉（Baccala）强化。作为一种新型网络体系结构，ICN的目标是取代现有的IP网络。

ICN所指的信息包括实时媒体流、网页服务、多媒体通信等，而信息中心网络就是这些片段信息的总集合。因此，ICN的主要概念是信息的分发、查找和传递，不再是维护目标主机的可连通性。不同于传统的以主机地址为中心的TCP/IP网络体系结构，ICN采用的是以信息为中心的网络通信模型，忽略IP地址的作用，甚至只是将其作为一种传输标识。全新的网络协议栈能够实现网络层解析信息名称、路由缓存信息数据、多播传递信息等功能，从而较好地解决计算机网络中存在的扩展性、实时性、动态性等问题。ICN的信息传递流程是一种基于发布订阅方式的信息传递流程：首先，内容提供方会向网络发布自己所拥有的内容，网络中的节点就会明白当收到请求时如何响应该请求；然后，当第一个订阅方向网络发送内容请求时，节点将请求转发到内容发布方，内容发布方将相应的内容发送给订阅方，带有缓存的节点会将经过的内容缓存。其他订阅方对相同内容发送请求时，邻近缓存的节点直接将相应的内容响应给订阅方。因此，ICN的通信过程就是请求内容的匹配过程。在传统IP网络中，采用的是“推”传输模式，即服务器在整个传输过程中占主导地位，忽略了用户的地位，从而导致用户端接收过多的垃圾信息。ICN则正好相反，采用的是“拉”传输模式，整个传输过程由用户的实时信息请求触发，网络通过信息缓存的方式快速响应用户的需求。此外，信息安全只与信息自身相关，而与存储容器无关。针对信息的这种特性，ICN采用有别于传统网络的安全机制。与传统的IP网络相比，ICN具有高效性、高安全性、支持客户端移动等优势。

1.1.5.5　应用领域

1.车联网与自动驾驶

车联网技术经历了利用有线通信的路侧单元（道路提示牌）以及2G、3G、4G网络承载车载信息服务的阶段，正在依托高速移动的通信技术逐步步入自动驾驶时代。根据中国、美国、日本等国家的汽车发展规划，基于传输速率更高、时延更低的5G网络，在2025年全面实现自动驾驶汽车的量产、市场规模达到10000亿美元成为可能。

2.远程医疗

2019年1月19日，中国一名外科医生利用5G实施了全球首例远程外科手术。这名医生在福建省利用5G网络，操控约48千米外的一个偏远地区的机械臂完成手术。在手术过程中，外科医生用5G网络切除了一只实验动物的肝脏。5G最直接的应用很可能是改善视频通话和游戏体验，而机器人手术很有可能给专业外科医生为世界各地有需要的人实施手术带来很大的希望。

5G将开辟许多新的应用领域，以前的移动数据传输标准对这些领域来说还不够快。5G网络的传输速率和较低的时延首次满足了远程呈现甚至远程手术的要求。

3.智能电网

由于电网的高安全性要求与全覆盖的广度特性，智能电网必须在海量连接以及广覆盖的测量处理体系中实现99.999%的高可靠性；超大数量末端设备的同时接入、小于20ms的超低时延以及终端深度覆盖、信号平稳等是其可安全工作的基本要求。