曹元生 高帆

摘 要：蜂窩移動通信網(wǎng)絡經(jīng)過近30年的發(fā)展，已經(jīng)對人們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了質(zhì)的變化，尤其是接下來將要實施應用的第五代蜂窩移動通信網(wǎng)絡。本文對1G、2G、3G、4G和5G的技術原理、優(yōu)缺點和特點進行介紹，并對蜂窩移動通信網(wǎng)絡的發(fā)展進行了展望。

引言：蜂窩移動通信網(wǎng)絡從20世紀80年代發(fā)展至今，已經(jīng)走過了30多個年頭，每10年就會產(chǎn)生標志性的一代技術革新。隨著科學技術的迅猛發(fā)展及用戶對于多業(yè)務和高速率移動網(wǎng)絡的強烈需求，從最初的第一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（1G），到第二代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（2G），然后到后來的第三代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（3G），再到現(xiàn)在的第四代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（4G），移動通信在技術方面的突破令人為之驚嘆。我國在20年前開始引進蜂窩移動通信技術，在近20年時間內(nèi)，我國的移動通信技術經(jīng)歷了由小到大、由弱到強，由“被別人牽著鼻子走”到引領第五代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（5G）技術標準的制定。在不久的將來，第五代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（5G）技術必然會得到全面的推廣，人們的生產(chǎn)和生活肯定會發(fā)生質(zhì)的飛越。

一、蜂窩移動通信網(wǎng)絡概述

1、第一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（1G）

第一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（1G）是在20世紀80年代初提出的，它完成于20世紀90年代初，如NMT和AMPS，其中NMT于1981年投入運營。[1]第一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（1G）采用模擬信號傳輸模式，即將電磁波進行頻率調(diào)制后，將語音信號轉(zhuǎn)換到載波電磁波上，載有信息的電磁波發(fā)布到空間后，由接收設備接收，并從載波電磁波上還原語音信息，完成一次通話，傳輸速率約2.4kbit/s。lG主要基于蜂窩結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，直接使用模擬語音調(diào)制技術，但當時各個國家的1G通信標準并不一致，使得第一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡并不能實現(xiàn)“全球漫游”，這大大阻礙了1G的發(fā)展。同時，由于1G采用模擬信號傳輸，所以第一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡的主要缺點有：頻譜利用率低；業(yè)務種類少，不能提供數(shù)據(jù)業(yè)務；保密性差，易被竊聽和盜號；系統(tǒng)容量小；設備成本高，體積、重量大等。

2、第二代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（2G）

第二代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（2G）起源于上世紀90年代初期，其是在第一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（1G）的技術基礎上發(fā)展來的，并開始采用數(shù)字信號傳輸模式。2G主要有兩種技術體制：一種是基于TDMA（Time Division Multiple Access，時分多址）技術，典型代表是歐洲的GSM（Global System for Mobile Communication，全球移動通信系統(tǒng)）系統(tǒng)；另外一種是基于CDMA（Code Division Multiple Access，碼分多址）技術，典型代表是美國的IS-95系統(tǒng)。GSM的優(yōu)勢在于覆蓋范圍廣，在全球許多國家之間有漫游協(xié)議，用戶能夠漫游到許多國家。[2]第二代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（2G）與第一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（1G）相比有如下優(yōu)點：由于2G采用數(shù)字信號傳輸模式，其具有第一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（1G）無可比擬的抗干擾能力，因而2G通信質(zhì)量高、話音效果好、狀態(tài)穩(wěn)定。系統(tǒng)容量增大了3-5倍，由于2G系統(tǒng)對載噪比（載波功率與噪聲功率的比值）的要求大大降低了9dB，另一個原因是半速率語音編碼的實現(xiàn)，使信息速率降低，從而占用帶寬減小。雖然2G通信有以上優(yōu)點，但也存在一些不足：（1）系統(tǒng)容量有限。雖然2G技術的系統(tǒng)容量比1G技術的系統(tǒng)容量增加了3-5倍，但不能從根本上解決當時用戶數(shù)量急增與頻率資源有限之間的矛盾。（2）編碼質(zhì)量不夠高。2G技術的編碼速度為13 kb/s（即使是實現(xiàn)了半速率6.5kb/s），這種通話質(zhì)量很難達到有線電話的質(zhì)量水平。（3）終端接入速率有限。雖然2G系統(tǒng)的業(yè)務綜合能力有所提高，能提供數(shù)據(jù)和話音的雙重業(yè)務，但終端接入速率有限（最高僅為9.6 kb/s）。（4）切換功能較差。2G系統(tǒng)軟切換功能較差，因而容易掉話，影響服務質(zhì)量。后來出現(xiàn)了基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術GPRS和CDMA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)增強版2.5G。

3、第三代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（3G）

第三代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（3G）是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊苿訉拵Ф嗝襟w通信技術，支持語音、分組數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)通信。3G網(wǎng)絡擁有更大的系統(tǒng)容量和更好的通信質(zhì)量，能夠更好的實現(xiàn)全球無縫漫游，并提供1G和2G產(chǎn)品不能提供的各種寬帶信息業(yè)務，如高速數(shù)據(jù)、電視圖像等。在2G的基礎上，3G網(wǎng)絡運用新的頻譜獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸率，三種環(huán)境下能提供的傳輸速率分別為：行車或者快速移動環(huán)境下最高144kbit/s，室外或步行環(huán)境下最高384kbit/s，室內(nèi)環(huán)境下為2Mbit/s。實現(xiàn)第三代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（3G）的主要技術有三種，即歐洲的WCDMA、美國的CDMA2000和我國的TD-SCDMA。3G技術的主要特點為：無縫全球漫游、高速率、高頻譜利用率、高服務質(zhì)量、低成本和高保密性等。

4、第四代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（4G）

第四代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（4G）是寬帶數(shù)據(jù)移動互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)，是2G和3G的技術的長期演進（Long Term Evolution）。相比之前的技術而言，4G 具有超高數(shù)據(jù)傳輸速度，下載速度達到100Mbps，上傳的速度可以到 20Mbps。由于其采用了全IP網(wǎng)路架構(gòu)、承載與控制分離，所以其可提供無處不在的服務、異構(gòu)網(wǎng)絡協(xié)同和更高質(zhì)量的多媒體業(yè)務。4G采用的關鍵技術有：正交頻分復用（OFDM）、多輸入輸出（MIMO）、智能天線、軟件無線電（SDR）和基于IP的核心網(wǎng)。4G主要有TD-LTE或LTE-TDD（時分雙工）和LTE-FDD（頻分雙工）兩種制式，二者關鍵技術一樣，主要區(qū)別在于無線接入部分的空中接口標準不同。

5、第五代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（5G）

盡管第五代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（5G）相關的技術標準還沒有完全定型，但是5G的基本特征已經(jīng)明確：高速率（峰值速率大于每秒20Gbit，相當于4G的20倍），低時延（網(wǎng)絡時延從4G的50ms縮減到1ms），海量設備連接（滿足1000億量級的連接），低功耗（基站更節(jié)能，終端更省電）。5G的關鍵技術有：大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、全頻譜接入、新型多址技術及新型網(wǎng)路架構(gòu)。移動通信技術的發(fā)展，以及大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，5G 通信技術應需求開始研發(fā)，第五代蜂窩移動通信網(wǎng)絡是面向業(yè)務應用和用戶體驗的智能網(wǎng)絡。國際電聯(lián)（ITU）將5G應用場景劃分為移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)兩大類，5G不是簡單的4G 技術的升級，而是順勢發(fā)展起來，在現(xiàn)有平臺上提出的新技術轉(zhuǎn)型，今后將有大量的基于移動寬帶、物聯(lián)網(wǎng)和任務關鍵性物聯(lián)網(wǎng)等應用方向和不同領域的具備不同特點和需求的設備接入網(wǎng)絡，當網(wǎng)絡速度不再是用戶聯(lián)網(wǎng)的阻礙之后，對于網(wǎng)絡的可移動性、可靠性、安全性、時延，甚至是計費方式的需求都將有所差異化。[3]所以，5G 網(wǎng)絡必須靈活方便且具有多功能性。

二、蜂窩移動通信網(wǎng)絡技術的展望

從上世紀八十年代的第一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（1G）誕生到成熟應用的第四代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（4G），我們見證了蜂窩移動通信技術的突飛猛進，逐漸由模擬信號的傳輸?shù)綌?shù)字信號的傳輸，由低俗的傳輸速率到高速的傳輸速率，由窄寬到寬帶，由科技技術為驅(qū)動動力逐漸轉(zhuǎn)換為由人們的急切需求為驅(qū)動力的蜂窩移動通信網(wǎng)絡的逐漸演進。隨著不久的將來更高速的第五代蜂窩移動通信網(wǎng)絡（5G）的推廣應用，人們在云業(yè)務、虛擬現(xiàn)實、高清視頻和物聯(lián)網(wǎng)等方面的成就更會取得長足的進度。未來人們的交流、生產(chǎn)、生活和通信方式將發(fā)生翻天覆地的變化。

結(jié)束語：綜上所述，經(jīng)過歷代蜂窩移動通信網(wǎng)絡技術快速發(fā)展，移動通信技術極大地方便了人們的生產(chǎn)和生活，使移動辦公成為了可能。未來蜂窩移動通信網(wǎng)絡必將沿著更高速率、更大帶寬、更強能力、更多業(yè)務功能的方向發(fā)展，通過技術演進和創(chuàng)新，滿足將來各種數(shù)據(jù)和業(yè)務的快速發(fā)展需求。

參考文獻

[1] 彭小平.淺析移動通信技術的演進[J].通信技術，2007，（6）：16-17，35.

[2] 趙子源.移動通信技術發(fā)展與展望[J].現(xiàn)代傳輸，2017，（6）：39-42.

[3] 劉新芳.淺析移動通信技術發(fā)展歷程以及發(fā)展趨勢[J].科技視界，2017，（33）：97，125..

（作者單位：1.廊坊市雅泰建筑設計有限公司；2.廊坊市雅泰建筑設計有限公司）