1.1 现代移动通信系统的发展历程

现代移动通信的历史可以追溯到19世纪，英国伟大的科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦总结和发展了前人对电磁现象的研究成果，从理论上证明了电磁波在空间中是以近似于光的速度传播的，而光的本质也是电磁波，从而建立了电磁理论、发现电磁波并建立了电磁场理论，为后续移动通信采用电磁波传输提供了理论依据。19世纪末意大利科学家马可尼首次通过无线电磁波成功完成了信息传输及接收，从而开启了人类社会对移动通信技术的研究。到了20世纪，随着集成电路技术与计算机技术的飞速发展，以及移动通信技术理论的研究不断深入，移动通信技术逐渐从实验室走向大众社会，实现了民用，并取得了伟大的成功，极大地推动了人类社会的进步与发展。

现代移动通信系统进入普通大众领域始于美国贝尔实验室首次研制出来的第一代蜂窝模拟移动通信系统网络。第一代移动通信系统网络我们习惯上简称其为1G。而移动通信网络得到大规模普及则是从第二代数字蜂窝移动通信系统开始的，第二代移动通信系统的普及使得移动通信系统产业得到了突飞猛进的发展，第二代移动通信系统网络简称为2G。第三代移动通信系统采用扩频通信技术，其在第二代移动通信系统的基础上大幅提升了数据业务，为移动互联网的普及奠定了基础，这一代移动通信系统网络简称为3G。第四代移动通信系统采用OFDM宽带技术，使得移动宽带数据业务得到了普及，成就了移动互联网产业，我们称之为4G。当前国际移动通信标准组织正在制定的第五代移动通信系统（简称为5G）标准是为应对万物互联时代的到来，进一步扩展移动通信的应用领域。图1-1所示为现代移动通信系统的演进过程，从1G到2G，直到5G，随时间的演进过程可以看出，现代通信系统每10年左右就会完成新一代通信系统的创新，以应对不断增长和扩展的移动市场对移动通信技术的需求。

图1-1 移动通信系统的演进

1．第一代蜂窝模拟移动通信系统

随着20世纪70年代中期美国贝尔实验室研制的蜂窝模拟移动通信网络的成功应用，欧洲及日本也相继跟进分别研制出了各自的蜂窝模拟移动通信网络系统并大规模商用，从而极大地推动了移动通信网络的发展。这个时期的系统都采用纯模拟无线电技术，统称为第一代移动通信系统。第一代移动通信系统具有代表性的有美国的AMPS（Advanced Mobile Phone System）系统、英国的TACS系统、瑞典等北欧四国的NMT系统、日本的NAMTS系统等。这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网络成为实用系统，并在世界各地迅速发展。移动通信大发展的原因，除了用户需求迅猛增加这一主要推动力之外，还有几方面技术进步为其提供了条件。第一，微电子技术在这一时期得到长足发展，使得通信设备的小型化、微型化有了可能性，各种轻便电台被不断推出。第二，提出并形成了移动通信新体制。随着用户数量增加，大区制所能提供的容量很快饱和，这就要求必须探索新体制。在这方面最重要的突破是贝尔试验室在20世纪70年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即所谓小区制，由于实现了频率再用，大大提高了系统容量。可以说，蜂窝网的概念真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。第三，随着大规模集成电路的发展，微处理器技术日趋成熟，同时计算机技术也迅猛发展，从而为大型通信网的管理与控制提供了技术手段。

2．第二代数字蜂窝移动通信系统

从20世纪80年代中期开始，由于第一代纯模拟系统性能及容量限制已经无法满足日益增长的移动用户通信需求，终端的体积过大且通话性能很差。同时，由于第一代移动通信系统标准各个国家都不兼容，因此手机用户无法在使用其他标准网络的国家漫游，这给人们的生活带来了极大的不便。基于以上原因，欧洲国家制定了全欧洲统一标准的蜂窝移动通信系统标准，以解决欧洲各国在1G系统中采用多种不同系统造成的互不兼容、无法漫游等问题。第二代移动通信系统的标准之一GSM标准就是在这样的背景下应运而生的。GSM网络系统得到了全世界大部分国家支持并成功应用部署。GSM诞生几年后美国高通公司基于第二代移动通信系统采用的扩频通信理论制定了一套CDMA-IS95系统标准，并在美国、韩国及我国等多个国家得到了应用。GSM与CDMA-IS95系统是第二代移动通信系统的代表，都采用了数字蜂窝（Digital Cellular）技术，即采用数字调制技术的蜂窝系统，可以极大地提高系统的容量和性能。随着第二代系统在世界范围内的广泛应用，移动通信发展到了一个新的高度，成为带动国家经济发展的新动力。

3．第三代数字蜂窝移动通信系统

第二代移动通信系统主要为支持语音和低速率数据业务设计，但随着移动用户对通信业务范围和业务数量要求的不断提高，已有的第二代移动通信系统逐渐无法满足移动用户对快速增长的移动宽带业务的需求。随之第三代移动通信系统标准以移动宽带为目标开始制定并部署。第三代移动通信系统标准采用的核心技术为码分多址（CDMA）技术，该技术是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种崭新而成熟的移动通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，对接收的带宽信号做相关处理，把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号，即解扩，以实现信息通信。欧洲主导的UMTS、美国主导的CDMA2000、中国主导的TD-SCDMA成为第三代移动通信系统标准。在3G系统发展初期，一种新的基站架构诞生了，基站从以前的基带子系统与射频子系统集中在一起演变成了基带集中放置的基带资源池（BBU）加射频拉远单元RRU两个独立的设备。BBU与RRU之间采用光纤连接，进行基带数据和控制告警信息传输、接收。这种新架构的出现使得网络性能及建网难度大幅降低，极大地推动了第二代和第三代移动通信系统网络的发展。在此阶段RRU也从刚出现时只支持单制式演进为支持多制式的混模射频单元，并有一定向后兼容的能力，为运营商网络平滑升级提供了便利并带来成本优势。

4．第四代数字蜂窝移动通信系统

随着2G及3G移动通信系统的广泛应用，更多的移动互联网业务开始兴起，人们开始习惯使用移动设备上网，基于互联网的服务也开始向移动设备上转移。由于2G及3G系统单位频率上的数据速率（频谱效率）较低且频谱资源有限，使得移动系统容量受限，移动互联网成为终端用户的体验瓶颈。大容量宽带移动互联网需求不仅要通过向第四代数字蜂窝移动通信技术演进来满足用户需求，同时还需要更多的频谱资源来扩展容量。第四代数字蜂窝移动通信技术被命名为LTE，它以OFDM技术和MIMO技术为核心，相对于3G系统，其频谱效率得到了大幅提升，系统的峰值数据速率也随着LTE标准的不断演进得到了极大提升。这一代系统被简称为4G。3G系统由于制式众多且互不兼容，各制式之间的网络同样无法进行互通互联，同时为通信设备及终端设备设计也带来更大的成本支出。4G统一到了LTE制式上，并按复用方式分为TDD及FDD两种制式。随着4G的广泛应用，移动互联网业务得到了飞速发展，影响到了人类社会的方方面面，深刻改变了人们的生活习惯。在这个阶段，RRU也出现了各种各样的形态来应对移动用户对移动网络系统容量的爆发式需求，比如集成度更高的多天线RRU和超宽带RRU，在降低建网成本的同时提升网络容量；用于热点覆盖或盲点覆盖的小型Small Cell RRU满足了室内或室外立体覆盖需求；天线一体化的AAU可以灵活利用现有的市政设施进行灵活布网；基于Massive MIMO技术的AAU大幅提升了LTE系统的容量及频谱效率，为热点区域覆盖提供了新的解决方案。