浅析蜂窝移动通信网络技术的发展

曹元生 高帆

摘 要：蜂窝移动通信网络经过近30年的发展，已经对人们的生产和生活产生了质的变化，尤其是接下来将要实施应用的第五代蜂窝移动通信网络。本文对1G、2G、3G、4G和5G的技术原理、优缺点和特点进行介绍，并对蜂窝移动通信网络的发展进行了展望。

引言：蜂窝移动通信网络从20世纪80年代发展至今，已经走过了30多个年头，每10年就会产生标志性的一代技术革新。随着科学技术的迅猛发展及用户对于多业务和高速率移动网络的强烈需求，从最初的第一代蜂窝移动通信网络（1G），到第二代蜂窝移动通信网络（2G），然后到后来的第三代蜂窝移动通信网络（3G），再到现在的第四代蜂窝移动通信网络（4G），移动通信在技术方面的突破令人为之惊叹。我国在20年前开始引进蜂窝移动通信技术，在近20年时间内，我国的移动通信技术经历了由小到大、由弱到强，由“被别人牵着鼻子走”到引领第五代蜂窝移动通信网络（5G）技术标准的制定。在不久的将来，第五代蜂窝移动通信网络（5G）技术必然会得到全面的推广，人们的生产和生活肯定会发生质的飞越。

一、蜂窝移动通信网络概述

1、第一代蜂窝移动通信网络（1G）

第一代蜂窝移动通信网络（1G）是在20世纪80年代初提出的，它完成于20世纪90年代初，如NMT和AMPS，其中NMT于1981年投入运营。[1]第一代蜂窝移动通信网络（1G）采用模拟信号传输模式，即将电磁波进行频率调制后，将语音信号转换到载波电磁波上，载有信息的电磁波发布到空间后，由接收设备接收，并从载波电磁波上还原语音信息，完成一次通话，传输速率约2.4kbit/s。lG主要基于蜂窝结构组网，直接使用模拟语音调制技术，但当时各个国家的1G通信标准并不一致，使得第一代蜂窝移动通信网络并不能实现“全球漫游”，这大大阻碍了1G的发展。同时，由于1G采用模拟信号传输，所以第一代蜂窝移动通信网络的主要缺点有：频谱利用率低；业务种类少，不能提供数据业务；保密性差，易被窃听和盗号；系统容量小；设备成本高，体积、重量大等。

2、第二代蜂窝移动通信网络（2G）

第二代蜂窝移动通信网络（2G）起源于上世纪90年代初期，其是在第一代蜂窝移动通信网络（1G）的技术基础上发展来的，并开始采用数字信号传输模式。2G主要有两种技术体制：一种是基于TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）技术，典型代表是欧洲的GSM（Global System for Mobile Communication，全球移动通信系统）系统；另外一种是基于CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）技术，典型代表是美国的IS-95系统。GSM的优势在于覆盖范围广，在全球许多国家之间有漫游协议，用户能够漫游到许多国家。[2]第二代蜂窝移动通信网络（2G）与第一代蜂窝移动通信网络（1G）相比有如下优点：由于2G采用数字信号传输模式，其具有第一代蜂窝移动通信网络（1G）无可比拟的抗干扰能力，因而2G通信质量高、话音效果好、状态稳定。系统容量增大了3-5倍，由于2G系统对载噪比（载波功率与噪声功率的比值）的要求大大降低了9dB，另一个原因是半速率语音编码的实现，使信息速率降低，从而占用带宽减小。虽然2G通信有以上优点，但也存在一些不足：（1）系统容量有限。虽然2G技术的系统容量比1G技术的系统容量增加了3-5倍，但不能从根本上解决当时用户数量急增与频率资源有限之间的矛盾。（2）编码质量不够高。2G技术的编码速度为13 kb/s（即使是实现了半速率6.5kb/s），这种通话质量很难达到有线电话的质量水平。（3）终端接入速率有限。虽然2G系统的业务综合能力有所提高，能提供数据和话音的双重业务，但终端接入速率有限（最高仅为9.6 kb/s）。（4）切换功能较差。2G系统软切换功能较差，因而容易掉话，影响服务质量。后来出现了基于GSM系统的无线分组交换技术GPRS和CDMA系统的数据增强版2.5G。

3、第三代蜂窝移动通信网络（3G）

第三代蜂窝移动通信网络（3G）是指支持高速数据传输的移动宽带多媒体通信技术，支持语音、分组数据和多媒体数据通信。3G网络拥有更大的系统容量和更好的通信质量，能够更好的实现全球无缝漫游，并提供1G和2G产品不能提供的各种宽带信息业务，如高速数据、电视图像等。在2G的基础上，3G网络运用新的频谱获得更高的数据传输率，三种环境下能提供的传输速率分别为：行车或者快速移动环境下最高144kbit/s，室外或步行环境下最高384kbit/s，室内环境下为2Mbit/s。实现第三代蜂窝移动通信网络（3G）的主要技术有三种，即欧洲的WCDMA、美国的CDMA2000和我国的TD-SCDMA。3G技术的主要特点为：无缝全球漫游、高速率、高频谱利用率、高服务质量、低成本和高保密性等。

4、第四代蜂窝移动通信网络（4G）

第四代蜂窝移动通信网络（4G）是宽带数据移动互联网通信系统，是2G和3G的技术的长期演进（Long Term Evolution）。相比之前的技术而言，4G 具有超高数据传输速度，下载速度达到100Mbps，上传的速度可以到 20Mbps。由于其采用了全IP网路架构、承载与控制分离，所以其可提供无处不在的服务、异构网络协同和更高质量的多媒体业务。4G采用的关键技术有：正交频分复用（OFDM）、多输入输出（MIMO）、智能天线、软件无线电（SDR）和基于IP的核心网。4G主要有TD-LTE或LTE-TDD（时分双工）和LTE-FDD（频分双工）两种制式，二者关键技术一样，主要區别在于无线接入部分的空中接口标准不同。

5、第五代蜂窝移动通信网络（5G）

尽管第五代蜂窝移动通信网络（5G）相关的技术标准还没有完全定型，但是5G的基本特征已经明确：高速率（峰值速率大于每秒20Gbit，相当于4G的20倍），低时延（网络时延从4G的50ms缩减到1ms），海量设备连接（满足1000亿量级的连接），低功耗（基站更节能，终端更省电）。5G的关键技术有：大规模天线阵列、超密集组网、全频谱接入、新型多址技术及新型网路架构。移动通信技术的发展，以及大数据和物联网概念的提出，5G 通信技术应需求开始研发，第五代蜂窝移动通信网络是面向业务应用和用户体验的智能网络。国际电联（ITU）将5G应用场景划分为移动互联网和物联网两大类，5G不是简单的4G 技术的升级，而是顺势发展起来，在现有平台上提出的新技术转型，今后将有大量的基于移动宽带、物联网和任务关键性物联网等应用方向和不同领域的具备不同特点和需求的设备接入网络，当网络速度不再是用户联网的阻碍之后，对于网络的可移动性、可靠性、安全性、时延，甚至是计费方式的需求都将有所差异化。[3]所以，5G 网络必须灵活方便且具有多功能性。

二、蜂窝移动通信网络技术的展望

从上世纪八十年代的第一代蜂窝移动通信网络（1G）诞生到成熟应用的第四代蜂窝移动通信网络（4G），我们见证了蜂窝移动通信技术的突飞猛进，逐渐由模拟信号的传输到数字信号的传输，由低俗的传输速率到高速的传输速率，由窄宽到宽带，由科技技术为驱动动力逐渐转换为由人们的急切需求为驱动力的蜂窝移动通信网络的逐渐演进。随着不久的将来更高速的第五代蜂窝移动通信网络（5G）的推广应用，人们在云业务、虚拟现实、高清视频和物联网等方面的成就更会取得长足的进度。未来人们的交流、生产、生活和通信方式将发生翻天覆地的变化。

结束语：综上所述，经过历代蜂窝移动通信网络技术快速发展，移动通信技术极大地方便了人们的生产和生活，使移动办公成为了可能。未来蜂窝移动通信网络必将沿着更高速率、更大带宽、更强能力、更多业务功能的方向发展，通过技术演进和创新，满足将来各种数据和业务的快速发展需求。

参考文献

[1] 彭小平.浅析移动通信技术的演进[J].通信技术，2007，（6）：16-17，35.

[2] 赵子源.移动通信技术发展与展望[J].现代传输，2017，（6）：39-42.

[3] 刘新芳.浅析移动通信技术发展历程以及发展趋势[J].科技视界，2017，（33）：97，125..

（作者单位：1.廊坊市雅泰建筑设计有限公司；2.廊坊市雅泰建筑设计有限公司）