淺析蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展

曹元生 高帆

摘 要：蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用的第五代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)。本文對1G、2G、3G、4G和5G的技術(shù)原理、優(yōu)缺點和特點進行介紹，并對蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展進行了展望。

引言：蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)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(biāo)志性的一代技術(shù)革新。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展及用戶對于多業(yè)務(wù)和高速率移動網(wǎng)絡(luò)的強烈需求，從最初的第一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)（1G），到第二代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)（2G），然后到后來的第三代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)（3G），再到現(xiàn)在的第四代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)（4G），移動通信在技術(shù)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(shù)，在近20年時間內(nèi)，我國的移動通信技術(shù)經(jīng)歷了由小到大、由弱到強，由“被別人牽著鼻子走”到引領(lǐng)第五代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)（5G）技術(shù)標(biāo)準的制定。在不久的將來，第五代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)（5G）技術(shù)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(luò)概述

1、第一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)（1G）

第一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)（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(luò)（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(shè)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(shù)，但當(dāng)時各個國家的1G通信標(biāo)準并不一致，使得第一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)的主要缺點有：頻譜利用率低；業(yè)務(wù)種類少，不能提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；保密性差，易被竊聽和盜號；系統(tǒng)容量小；設(shè)備成本高，體積、重量大等。

2、第二代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)（2G）

第二代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)（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(luò)（1G）的技術(shù)基礎(chǔ)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(shù)體制：一種是基于TDMA（Time Division Multiple Access，時分多址）技術(shù)，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(shù)，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(luò)（2G）與第一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)（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(luò)（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(shù)的系統(tǒng)容量比1G技術(shù)的系統(tǒng)容量增加了3-5倍，但不能從根本上解決當(dāng)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(shù)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(wù)綜合能力有所提高，能提供數(shù)據(jù)和話音的雙重業(yè)務(wù)，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(wù)質(zhì)量。后來出現(xiàn)了基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)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(luò)（3G）

第三代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)（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(shù)，支持語音、分組數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)通信。3G網(wǎng)絡(luò)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(wù)，如高速數(shù)據(jù)、電視圖像等。在2G的基礎(chǔ)上，3G網(wǎng)絡(luò)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(luò)（3G）的主要技術(shù)有三種，即歐洲的WCDMA、美國的CDMA2000和我國的TD-SCDMA。3G技術(shù)的主要特點為：無縫全球漫游、高速率、高頻譜利用率、高服務(wù)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(luò)（4G）

第四代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)（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(shù)的長期演進（Long Term Evolution）。相比之前的技術(shù)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(wù)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同和更高質(zhì)量的多媒體業(yè)務(wù)。4G采用的關(guān)鍵技術(shù)有：正交頻分復(fù)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(guān)鍵技術(shù)一樣，主要區(qū)別在于無線接入部分的空中接口標(biāo)準不同。

5、第五代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)（5G）

盡管第五代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)（5G）相關(guān)的技術(shù)標(biāo)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(dāng)于4G的20倍），低時延（網(wǎng)絡(luò)時延從4G的50ms縮減到1ms），海量設(shè)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(guān)鍵技術(shù)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(shù)及新型網(wǎng)路架構(gòu)。移動通信技術(shù)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(shù)應(yīng)需求開始研發(fā)，第五代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)是面向業(yè)務(wù)應(yīng)用和用戶體驗的智能網(wǎng)絡(luò)。國際電聯(lián)（ITU）將5G應(yīng)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(shù)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(shù)轉(zhuǎn)型，今后將有大量的基于移動寬帶、物聯(lián)網(wǎng)和任務(wù)關(guān)鍵性物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用方向和不同領(lǐng)域的具備不同特點和需求的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)速度不再是用戶聯(lián)網(wǎng)的阻礙之后，對于網(wǎng)絡(luò)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(luò)必須靈活方便且具有多功能性。

二、蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的展望

從上世紀八十年代的第一代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)（1G）誕生到成熟應(yīng)用的第四代蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)（4G），我們見證了蜂窩移動通信技術(shù)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(shù)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(luò)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(luò)（5G）的推廣應(yīng)用，人們在云業(yè)務(wù)、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(luò)技術(shù)快速發(fā)展，移動通信技術(shù)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(luò)必將沿著更高速率、更大帶寬、更強能力、更多業(yè)務(wù)功能的方向發(fā)展，通過技術(shù)演進和創(chuàng)新，滿足將來各種數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的快速發(fā)展需求。

參考文獻

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

[2] 趙子源.移動通信技術(shù)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(shù)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(shè)計有限公司；2.廊坊市雅泰建筑設(shè)計有限公司）