淺析蜂窩移動通信網絡技術的發展

曹元生 高帆

摘 要：蜂窩移動通信網絡經過近30年的發展，已經對人們的生產和生活產生了質的變化，尤其是接下來將要實施應用的第五代蜂窩移動通信網絡。本文對1G、2G、3G、4G和5G的技術原理、優缺點和特點進行介紹，并對蜂窩移動通信網絡的發展進行了展望。

引言：蜂窩移動通信網絡從20世紀80年代發展至今，已經走過了30多個年頭，每10年就會產生標志性的一代技術革新。隨著科學技術的迅猛發展及用戶對于多業務和高速率移動網絡的強烈需求，從最初的第一代蜂窩移動通信網絡（1G），到第二代蜂窩移動通信網絡（2G），然后到后來的第三代蜂窩移動通信網絡（3G），再到現在的第四代蜂窩移動通信網絡（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，我國的移動通信技術經歷了由小到大、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絡（5G）技術必然會得到全面的推廣，人們的生產和生活肯定會發生質的飛越。

一、蜂窩移動通信網絡概述

1、第一代蜂窩移動通信網絡（1G）

第一代蜂窩移動通信網絡（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絡（1G）采用模擬信號傳輸模式，即將電磁波進行頻率調制后，將語音信號轉換到載波電磁波上，載有信息的電磁波發布到空間后，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主要基于蜂窩結構組網，直接使用模擬語音調制技術，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絡并不能實現“全球漫游”，這大大阻礙了1G的發展。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絡的主要缺點有：頻譜利用率低；業務種類少，不能提供數據業務；保密性差，易被竊聽和盜號；系統容量小；設備成本高，體積、重量大等。

2、第二代蜂窩移動通信網絡（2G）

第二代蜂窩移動通信網絡（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絡（1G）的技術基礎上發展來的，并開始采用數字信號傳輸模式。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）系統；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。GSM的優勢在于覆蓋范圍廣，在全球許多國家之間有漫游協議，用戶能夠漫游到許多國家。[2]第二代蜂窩移動通信網絡（2G）與第一代蜂窩移動通信網絡（1G）相比有如下優點：由于2G采用數字信號傳輸模式，其具有第一代蜂窩移動通信網絡（1G）無可比擬的抗干擾能力，因而2G通信質量高、話音效果好、狀態穩定。系統容量增大了3-5倍，由于2G系統對載噪比（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，使信息速率降低，從而占用帶寬減小。雖然2G通信有以上優點，但也存在一些不足：（1）系統容量有限。雖然2G技術的系統容量比1G技術的系統容量增加了3-5倍，但不能從根本上解決當時用戶數量急增與頻率資源有限之間的矛盾。（2）編碼質量不夠高。2G技術的編碼速度為13 kb/s（即使是實現了半速率6.5kb/s），這種通話質量很難達到有線電話的質量水平。（3）終端接入速率有限。雖然2G系統的業務綜合能力有所提高，能提供數據和話音的雙重業務，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系統軟切換功能較差，因而容易掉話，影響服務質量。后來出現了基于GSM系統的無線分組交換技術GPRS和CDMA系統的數據增強版2.5G。

3、第三代蜂窩移動通信網絡（3G）

第三代蜂窩移動通信網絡（3G）是指支持高速數據傳輸的移動寬帶多媒體通信技術，支持語音、分組數據和多媒體數據通信。3G網絡擁有更大的系統容量和更好的通信質量，能夠更好的實現全球無縫漫游，并提供1G和2G產品不能提供的各種寬帶信息業務，如高速數據、電視圖像等。在2G的基礎上，3G網絡運用新的頻譜獲得更高的數據傳輸率，三種環境下能提供的傳輸速率分別為：行車或者快速移動環境下最高144kbit/s，室外或步行環境下最高384kbit/s，室內環境下為2Mbit/s。實現第三代蜂窩移動通信網絡（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、高服務質量、低成本和高保密性等。

4、第四代蜂窩移動通信網絡（4G）

第四代蜂窩移動通信網絡（4G）是寬帶數據移動互聯網通信系統，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 具有超高數據傳輸速度，下載速度達到100Mbps，上傳的速度可以到 20Mbps。由于其采用了全IP網路架構、承載與控制分離，所以其可提供無處不在的服務、異構網絡協同和更高質量的多媒體業務。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。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絡（5G）

盡管第五代蜂窩移動通信網絡（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（基站更節能，終端更省電）。5G的關鍵技術有：大規模天線陣列、超密集組網、全頻譜接入、新型多址技術及新型網路架構。移動通信技術的發展，以及大數據和物聯網概念的提出，5G 通信技術應需求開始研發，第五代蜂窩移動通信網絡是面向業務應用和用戶體驗的智能網絡。國際電聯（ITU）將5G應用場景劃分為移動互聯網和物聯網兩大類，5G不是簡單的4G 技術的升級，而是順勢發展起來，在現有平臺上提出的新技術轉型，今后將有大量的基于移動寬帶、物聯網和任務關鍵性物聯網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絡，當網絡速度不再是用戶聯網的阻礙之后，對于網絡的可移動性、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 網絡必須靈活方便且具有多功能性。

二、蜂窩移動通信網絡技術的展望

從上世紀八十年代的第一代蜂窩移動通信網絡（1G）誕生到成熟應用的第四代蜂窩移動通信網絡（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到數字信號的傳輸，由低俗的傳輸速率到高速的傳輸速率，由窄寬到寬帶，由科技技術為驅動動力逐漸轉換為由人們的急切需求為驅動力的蜂窩移動通信網絡的逐漸演進。隨著不久的將來更高速的第五代蜂窩移動通信網絡（5G）的推廣應用，人們在云業務、虛擬現實、高清視頻和物聯網等方面的成就更會取得長足的進度。未來人們的交流、生產、生活和通信方式將發生翻天覆地的變化。

結束語：綜上所述，經過歷代蜂窩移動通信網絡技術快速發展，移動通信技術極大地方便了人們的生產和生活，使移動辦公成為了可能。未來蜂窩移動通信網絡必將沿著更高速率、更大帶寬、更強能力、更多業務功能的方向發展，通過技術演進和創新，滿足將來各種數據和業務的快速發展需求。

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.移動通信技術發展與展望[J].現代傳輸，2017，（6）：39-42.

[3] 劉新芳.淺析移動通信技術發展歷程以及發展趨勢[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）