1.1 移动通信网络发展简史

1.1.1 2G：从模拟到数字的变革

1. 时代背景

20世纪80年代到90年代是一个充满变革和创新的时代，经济全球化的趋势开始显现，促进了贸易、投资、金融和技术领域的融合和发展。随着资本在全球范围内新一轮的扩张，世界各国的经济合作进一步加深，世界各地的联系愈发紧密。在上述背景下，人与人的交流和联系需要更加紧密、及时、无处不在。快速、便捷、清晰的语音通话成为这个时代对通信网络的重要诉求。

2. 商业驱动

第一代移动通信系统在覆盖、容量和语音质量上不能满足这些需求。首先，没有统一的移动通信标准，各个国家（地区）各自为营，难以接续使用或者互联互通。其次，1G采用频分多址（FDMA）技术，用户之间及不同基站之间需要采用不同的频率资源提供服务，无法满足经济快速发展和全球化用户快速增长的需求。最后，模拟信号系统易受干扰影响，且干扰带来的信号失真和噪声会随传输距离增加而叠加，影响语音体验。这些因素结合相关进步的技术促进了新一代移动通信网络的出现和发展。

3. 技术驱动

移动通信网络采用蜂窝技术后，手机端的发射功率降低，加上数字电路技术的采用使得手机小型化、轻量化，从需要车载到可以手持，使用更加方便，用户的购买意愿增强，移动用户数增加。时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）技术的出现，使得不同用户可以采用不同的时间片段或不同的码片提高资源利用率，相较于FDMA，系统的用户容量大大提升。全球化的无线通信技术标准首次出现，使得更大范围内的用户实现互联互通、无缝移动。

4. 2G网络的发展

1987年，全球移动通信系统（GSM）的技术规范出现，它是首个具有区域乃至全球属性的移动通信网络技术标准。GSM采用的TDMA和数字信号处理技术为容量问题和语音质量问题提供了良好的解决方案。1991年年底，GSM在芬兰首次部署。直至今天，GSM为全球几十亿用户提供基础语音服务。几十年里，GSM标准也经历了通用分组无线服务（GPRS）和增强型数据速率GSM演进技术（EDGE）两次演进，实现了从语音服务到新兴数据服务的支持，为向3G平稳过渡奠定了基础。除GSM标准外，CDMA技术在北美也被标准化，成为2G标准的一种，服务于全球很多国家和地区。

1.1.2 3G：高速移动互联的萌芽

1. 时代背景

从20世纪90年代到21世纪初，中国加入世界贸易组织（WTO），发展中国家成为新兴经济体，全球经济迅速增长，各种文化之间的交流和融合日益频繁。在快速、便捷、清晰的语音通话基础上，随时随地可以享受互联网络的便利成为这个时代对通信网络的进一步诉求。

2. 商业驱动

随着计算机和数字技术的快速发展，多媒体技术进入数字化阶段。数字音频、视频的处理和存储变得更加容易，激光唱片（CD）、数字通用光盘（DVD）和数字电视等的出现使得多媒体内容的交付和传输更加方便，数码相机取代了传统相机，人们对提升交流体验的诉求拉动了网络业务从单一语音向文本、图像、音频、视频方向发展。2G标准虽然衍生出GPRS和EDGE两个新的版本，但171～384kbit/s的峰值速率既难以承载图片，又不能承载音视频。随着互联网的兴起，多媒体技术进入网络化阶段。流媒体技术的出现使得音频和视频可以实时传输和播放，互联网上出现了大量的多媒体内容和平台。

3. 技术驱动

1989年，英国科学家蒂姆·伯纳斯·李发明了万维网，这是一种基于超文本的信息系统。万维网的出现使得互联网更加易用和普及，促进了全球范围内的信息共享和交流。1998年12月，第三代合作伙伴计划（3GPP）作为全球范围的移动通信标准化组织正式成立，目标是制定3G的技术规范和技术报告，实现人与人之间真正的全球漫游和无处不在的信息传递交换。

4. 3G网络的发展

CDMA2000：1998年，第一个3G标准CDMA2000诞生。该标准介绍的是CDMA技术，该技术可以在同一频段上同时传输多个用户的信号，从而提高网络容量、扩大覆盖范围。2002年，CDMA2000正式开始商用，这标志着全球3G商用迈出了第一步。在之后的几年里，CDMA2000成为全球3G网络的主要标准之一。

宽带码分多址（WCDMA）：2000年，日本电信公司NTT DoCoMo推出第一个真正商用的3G网络WCDMA，它采用分组技术和高速数据传输技术，可以提供更快的数据传输速率和更好的网络性能。2006年，高速下行链路分组接入（HSDPA）技术被引入3G网络，它可以将数据传输速率提高到14Mbit/s，这是3G网络发展的一个重要里程碑。2008年，高速分组接入增强（HSPA+）技术和CDMA的仅数据演进（EV-DO）Rev.B技术推出，分别将3G网络的速率提升到21Mbit/s和14.7Mbit/s。这使得3G网络的速率更接近4G移动通信技术的速率，延长了3G网络的服务周期。

时分同步码分多路访问（TD-SCDMA）：它是由我国提出的采用时分双工方式和智能天线技术的移动通信系统，于2000年5月被国际电信联盟（ITU）批准为3G国际标准。2001年3月，TD-SCDMA标准被3GPP正式接纳。2009年1月，TD-SCDMA标准在我国成功实现商用。

1.1.3 4G：移动互联网络的飞跃

1. 时代背景

21世纪初，世界经济虽然遭遇美国互联网泡沫破灭和金融海啸两场危机的惊涛骇浪，但总体保持增长。甚至正是互联网泡沫时期在越洋光缆等互联网基础设施领域进行的投资，为危机过后全球化进一步发展奠定了坚实的基础。全球生产总值增加，国际贸易扩大，国际产业分工合作不断深化，世界经济总量飞速增长，全球化和区域化也在不断向纵深发展。由于科学技术，特别是通信技术的突飞猛进，自20世纪80年代开始的新一轮全球化趋势明显提速，以不可阻挡之势，将更多的人、更大的市场、更丰富的资源纳入全球经济体系。全人类创造的财富增多，各国间经济交往频繁，多数人的生活水平提高，移动互联网络和多媒体技术得到快速发展。提供大带宽、低时延的服务成为这个时代对通信网络的首要诉求。

2. 商业驱动

自从采用GSM和CDMA标准的2G网络在全球部署以来，伴随着经济发展、全球化的加深及手持终端的价格下降，移动网络用户数屡屡刷新纪录，全球手机用户统计如图1-1所示。2007年苹果公司推出第一款iPhone，引领了智能手机的革命。苹果公司通过整合手机、互联网和消费电子产品的功能，改变了人们的生活方式，吸引了大量用户。其他厂商也纷纷跟上，推出类似的智能手机，进一步推动了手机用户数的增长。移动网络技术的升级和普及也为用户提供了更好的使用体验，促进了业务数据量的增长。终端数量和业务数据量的快速增长对网络容量提出了更高要求。

3. 技术驱动

20世纪70年代，正交频分复用（OFDM）技术被贝尔实验室通过引入保护间隔进行改良后，使得受多径传播影响的传输信道的多个相互紧密重叠正交的子载波能保持更好的正交性，从而实现了频谱利用率远高于其他技术的并行的数据传输效率。多输入多输出（MIMO）系统从20世纪90年代末到21世纪初，思科和贝尔实验室分别建立了自己的原型系统并测试后，电气电子工程师学会（IEEE）和3GPP分别引入MIMO技术，使得单位频谱效率成倍提升，为用户容量的扩大奠定了又一基础。

4. 4G网络的发展

2008年年底，第一个4G长期演进技术（LTE）版本R8发布，全球移动通信网络多制式技术标准首次得以统一。2009年年初，全球首个LTE商用网络在挪威部署，峰值速率达到173Mbit/s，是3G峰值速率的几十倍，完全能够胜任音频、高清图像乃至高清视频的传输。移动通信网络又一次迈向了快速发展道路。如今4G已经成为移动通信网络的中坚力量，仅我国就已建成600万个4G基站，占世界4G基站总数的一半以上。这一时期的集成电路主流制造工艺从40nm下降到14nm，带有各种加速器的SoC芯片逐步成为基站处理的主流处理器，在使基站处理能力大大提升的同时，也使基站的功耗和成本降低。

1.1.4 5G：迈入万物互联的时代

1. 时代背景

进入21世纪，全球通信网络迎来了前所未有的机遇与挑战。从1G模拟通信到4G高速数据传输，人与人之间的通信已逐渐趋于成熟。然而，随着智能设备和物联网（IoT）的迅猛发展，人与物、物与物的通信需求日益增长。智能家居、自动驾驶、远程医疗和工业自动化等新兴应用场景，对网络低时延、高可靠性、大规模连接能力提出了更高要求。5G通信系统应运而生，它通过增强移动宽带（EMBB）、超高可靠低时延通信（URLLC）和大规模机器类通信（MMTC），满足了多样化和高标准的通信需求，标志着从传统的“人与人”通信时代迈向“万物互联”的新时代。

2. 商业驱动

随着移动互联网与物联网的快速发展，人们对高速率、低时延、大连接的需求不断增长，5G网络将满足这些需求，成为支撑未来数字社会的重要基础。从4G网络发展经验来看，借助新一代系统部署的机遇，通信企业可以抢占市场先机，通过提供创新服务和解决方案来改变市场格局。5G网络的发展将进一步提升通信行业的技术水平，促进新的商业模式和应用的诞生，从而引领全球商业机遇的发展。对于消费者而言，5G网络将带来更加丰富和便捷的通信服务体验。同时，行业市场也迫切需要引入高速无线网络进行数字化改造，5G网络的应用将有助于提高生产效率和管理效率，特别是在智能制造、远程医疗和智慧城市等领域。

3. 技术驱动

大规模MIMO技术、非正交多址技术、全双工技术、集成电路和新器件的成熟为5G网络的构建奠定了基础。大规模MIMO技术通过在基站上使用几十根甚至上百根天线，形成指向性强的窄波束，有利于提高增益、降低干扰，从而提高频谱效率。采用非正交多址技术，如非正交多址接入（NOMA）技术、多用户共享接入（MUSA）技术等，进一步扩大了系统容量。全双工技术通过多重干扰消除实现信息同时同频双向传输，有望成倍提升无线网络容量。这一时期的集成电路主流制造工艺从14nm下降到7nm、5nm，并进一步向3nm、2nm迈进，为更高集成度、更强算力、更低功耗的芯片提供了工程基础。随着基站侧业务的多样化，人们对低时延大带宽业务的需求日益增加，推动了边缘计算的发展，并进一步向基站、终端等网络末梢延伸。为了满足基站等移动网络设备对高算力的需求，图形处理单元（GPU）和AI芯片等专用芯片被逐步引入，以提供必要的算力支持。

4. 5G网络的发展

2017年12月21日，在3GPP无线电接入网（RAN）第78次全体会议上，5G NR首发版本正式冻结并发布。此后5G产业链逐步成熟，网络建设逐步扩展深入。截至2024年4月底，我国累计建成开通5G基站374.8万个，5G行业专网超3万个。据工业和信息化部统计，我国已建成全球规模最大、技术领先的5G网络。此外，5G还在行业应用领域得到了拓展，发展模式向创新驱动转变。《5G全连接工厂建设指南》指出，“十四五”时期，主要面向原材料、装备、消费品、电子等制造业各行业及采矿、港口、电力等重点行业领域，推动万家企业开展5G全连接工厂建设，建成1000个分类分级、特色鲜明的工厂，打造100个标杆工厂。2023年，5G在矿山、港口、钢铁等行业实现规模部署，全连接工厂的应用进程进一步加快。