1.2 移动通信的发展

早在1897年，意大利电气工程师伽利尔摩·马可尼在陆地和一条拖船之间用无线电进行了消息传输，他开创了移动通信的先河。自20世纪70年代末以来，移动通信经历了第一代模拟蜂窝网电话系统、第二代数字蜂窝网电话系统（10kbit/s～200kbit/s语言和低速数据业务）、第三代移动通信系统（300kbit/s～50Mbit/s移动多媒体业务）、第四代移动通信系统（100Mbit/s～1Gbit/s移动带宽业务）。目前，第五代移动通信系统（多样化关键能力指标，从移动互联网到物联网）的规模部署已经迎来关键时期。移动通信技术的发展与演进如图1-1所示。

图1-1 移动通信技术的发展与演进

1.2.1 5G之前的移动通信技术

1.第一代移动通信技术（1G）

1946年，美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）批准了首个商用车载电话业务，由美国电话电报公司（American Telephone & Telegraph，AT&T）运营。1947年，AT&T还引入了无线频率复用的蜂窝概念，这一概念成为所有后继移动通信技术的基础。20世纪50年代和60年代，这一概念由几个垄断的电话行政部门和有线运营商负责运维，使用的设备笨重且耗电，只能为数量极其有限的用户提供车载服务。

最初关注移动通信的主要是运营商，后来利益相关方才参与进来，移动通信技术得到了国际社会的关注，拥有了大量的用户以及应用。1G始于20世纪80年代初，出现在北欧国家的北欧移动电话（Nordic Mobile Telephone，NMT）系统、美国的高级移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS）系统、欧洲的全接入通信系统（Total Access Communication System，TACS）系统以及日本的全接入通信系统（Japan Total Access Communication System，J-TACS）制式中。这些设备笨重，主要靠车载，语音质量通常不稳定，用户间的“串话”成为常见的难题。在NMT系统引入“漫游”概念后，“主”运营商领域外的移动用户也能享受服务，这为移动终端提供了更大的市场，吸引了越来越多的企业进入移动通信行业。

2.第二代移动通信技术（2G）

模拟的第一代蜂窝系统支持普通的老式电话服务（Plain Old Telephone Service，POTS），即带有一些相关配套服务的语音。随着20世纪80年代数字通信的到来，开发基于数字技术的第二代移动通信标准和系统的机遇开始显露。随着数字技术的到来，增加系统容量、提供更稳定的服务质量、开发更具吸引力的移动设备成为可能。

在欧洲，从20世纪80年代中期开始，欧洲邮政和远程通信会议（Conference of European Post and Telecommunication，CEPT）的电信管理部门启动了全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）项目，旨在开发一个泛欧洲的移动通信系统，并在新的欧洲电信标准协会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）中继续运作。GSM标准基于时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA），在同一时间段内推出US-TDMA标准以及个人数字蜂窝（Personal Digital Cellular，PDC）标准。稍晚一些时候，一个被称为IS-95的码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）标准于1993年在美国完成开发。

这些标准提供的目标业务都是诸如语音之类的“低带宽”业务，从这个意义上说，所有这些标准都是“窄带”的。随着2G的出现，通过移动通信网络提供数据服务也成为可能。2G网络提供的数据业务主要为短信息服务（Short Message Service，SMS）以及支持E-mail（电子邮件）和其他数据应用的电路交换数据业务，最初采用较低的峰值数据速率（仅9.6kbit/s）。演进后的2G通过将多个时隙分给一个用户并采用改进的编码方案，可达到更高的数据速率。

20世纪90年代后期，蜂窝系统承载分组数据成为现实，GSM引入了通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS），其他蜂窝技术如PDC标准也于同期引入了分组数据。这些技术通常被称作2.5G。无线数据业务iMode在日本获得了成功，其中包括一个由业务提供、计费等构成的完整的“生态系统”，清楚地表明了无线系统中的分组数据应用的潜力，尽管当时所支持的数据速率相对较低。

3.第三代移动通信技术（3G）

随着3G和通用陆地无线接入（Universal Terrestrial Radio Access，UTRA）更高带宽无线接口的出现，那些只在2G和2.5G中崭露头角的新的分组数据业务有了充分展示的机会。3GPP基本掌控着3G无线接入的发展。然而，3G的起步阶段始于20世纪90年代初，比3GPP成立得更早。

蜂窝技术标准的国际化也为3G的发展创造了条件。虽然GSM是一个泛欧洲项目，但当许多非欧洲国家开始部署GSM标准后，GSM迅速引发了世界范围的关注。由于产品市场变得更大，全球标准带来了规模经济效益，这使围绕3G蜂窝技术的国际合作与前几代技术相比更为紧密。

3G的相关工作于20世纪80年代由国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）开展，先是命名为未来公共陆地移动电信系统（Future Public Land Mobile Telecommucation，FPLMTS），后改为国际移动电话系统—2000（International Mobile Telecom System-2000，IMT-2000）。世界无线电管理大会（World Administrative Radio Conference-92，WARC-92）在全球范围内为IMT-2000确定了230MHz的频谱。这230MHz之中，2×60MHz被指定为成对频谱，用于频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）系统，35MHz被分配为非成对频谱，用于时分双工（Time Division Duplex，TDD），这两类均用于陆地通信。同时，也预留了部分频谱用于卫星通信业务。就这样，IMT-2000开始了规范的细化阶段。

20世纪90年代，与2G的广泛部署和演进并行，人们在全球范围内的3G研究活动中付出了大量的努力。在欧洲，一些欧盟参与资助的项目提出了一个包括宽带CDMA组件的多路接入概念，它在1996年被提交到ETSI。在同一时期，日本无线工业及商贸联合会（Association of Radio Industries and Businesses，ARIB）正在着手定义基于宽带CDMA的3G无线通信技术。而在美国，T1.P1委员会提出了称为WIMS的宽带CDMA概念。与此同时，韩国也开始了宽带CDMA的研究工作。

1996年，ETSI在启动3G的标准化活动时，存在由欧洲研究项目（FRAMES）和日本ARIB标准化机构提交的多个WCDMA概念。1998年年初，来自欧洲和日本的宽带 CDMA建议被合并，形成了在欧洲开展有关通用移动电信服务（UMTS）工作的共赢概念的一部分。WCDMA的标准化继续在几个标准组织中并行开展，直到1998年年底，由来自世界各地的标准制定组织成立了3GPP，这就解决了试图保持在多个地区并行开发统一规范的问题。目前，3GPP的组织伙伴包括ARIB（日本）、CCSA（中国）、ETSI（欧洲）、ATIS（美国）、TTA（韩国）和TTC（日本）。

此时所有标准化机构正准备投入3GPP规范细化工作，而3G的相关工作已经在ITU-R的国际竞技场内持续多时。这项工作既为3GPP的标准化工作扩大了影响，同时也为3GPP提供了更为广阔的国际框架。

4.第四代移动通信技术（4G）

从核心技术来看，3G通常采用CDMA技术，而业界对4G核心技术的界定则主要是指采用OFDM（正交频分复用）调制技术的OFDMA技术，可见3G和4G最大的区别在于采用的核心技术完全不同。从核心技术的角度来看，LTE、WiMAX（802.16e）及其后续演进技术LTE-Advanced和802.16m等均可以视为4G。不过从标准的角度来看，ITU对IMT-2000（3G）系列标准和IMT-Advanced（4G）系列标准的区分并不以采用何种核心技术来区分，而是以能否满足一定的参数要求来区分。ITU在IMT-2000 标准中要求，3G必须满足传输速率在移动状态时为144kbit/s，步行状态时为384kbit/s，室内为2Mbit/s，而ITU在IMT-Advanced标准中则要求4G在使用100MHz信道带宽时，频谱利用率应达到10bit/s/ Hz，理论传输速率应达到1000Mbit/s。

2008年2月，ITU-R WP5D正式发出了征集IMT-Advanced候选技术的通函。经过两年时间的准备，ITU-R WP5D在其第6次会议上（2009年10月）共征集到6种候选技术方案，分别来自两个国际标准化组织和3个国家。这6种技术方案可以分成两类：基于3GPP的技术方案和基于IEEE的技术方案。

（1）3GPP的技术方案：LTE Release10&beyond（LTE-Advanced）

该方案包括FDD和TDD两种模式。由于3GPP不是ITU的成员，该技术方案由3GPP所属的37个成员单位联合提交，包括中国三大运营商和4个厂商。3GPP 所属标准化组织（中国、美国、欧洲、韩国和日本）以文稿的形式表态支持该技术方案。最终该技术方案由中国、3GPP和日本分别向ITU提交。

（2）IEEE 的技术方案：802.16m

该方案同样包括FDD和TDD两种模式。BT、KDDI、Sprint、诺基亚、阿尔卡特朗讯等51家企业、日本标准化组织和韩国政府以文稿的形式表态支持该技术方案，中国企业没有参加。最终该技术方案由IEEE、韩国和日本分别向ITU提交。经过14个外部评估组织对各候选技术方案全面评估，最终得出两种候选技术方案完全满足IMT-Advanced技术需求，在2010年10月的ITU-R WPSD会议上，LTE-Advanced技术和802.16m技术被确定为最终的IMT-Advanced 阶段国际无线通信标准。中国主导发展的TD-LTEAdvanced技术通过所有国际评估组织的评估，被确定为IMT-Advanced国际无线通信标准之一。

以阵营划分，GSM、TD-SCDMA和LTE属于3GPP；CDMA和CDMA2000 1x&EV-DO属于 3GPP2；WiMAX 802.16和WiMAX 802.16m属于IEEE。

以技术阶段划分，GSM、CDMA和CDMA2000 1x属于2G；WCDMA、CDMA2000 1x EV-DO和TD-SCDMA属于3G；TD-LTE和LTE FDD 可以认为是3.9G或准4G；TD-LTEAdvanced和LTE FDD Advanced属于4G。

以双工方式划分，GSM、CDMA、CDMA2000 1x&EV-DO、WCDMA、LTE FDD和LTE FDD Advanced属于频分双工（FDD）；TD-SCDMA、TD-LTE和TD-LTE-Advanced属于时分双工（TDD）；WiMAX则有TDD和FDD两种双工方式。

以核心技术划分，GSM的核心技术是时分多址 TDMA；CDMA、CDMA20001x&EVDO、WCDMA和TD-SCDMA采用CDMA；TD-LTE、LTE FDD、TD-LTE-Advanced、LTE FDD Advanced、WiMAX 802.16e和WiMAX 802.16m均采用了OFDMA。

1.2.2 5G愿景及驱动力

1.5G总体愿景

移动通信已经深刻地改变了人们的生活，但人们对更高性能移动通信的追求从未停止，原有的4G逐渐难以满足人们社会生活中的多种发展需求。为了应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景，5G系统应运而生。5G将渗透到未来社会的各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态系统。5G将使信息突破时空限制，提供极佳的交互体验，为用户带来身临其境的信息盛宴。5G将拉近万物的距离，通过无缝融合的方式，便捷地实现人与万物的智能互联。5G总体愿景如图1-2所示。

图1-2 5G总体愿景

2.5G的主要驱动力

移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力，将为5G提供广阔的应用前景。

移动互联网颠覆了传统的移动通信业务模式，为用户提供了前所未有的使用体验，深刻影响着人们工作生活的方方面面。面向未来，移动互联网将推动人类社会信息交互方式进一步升级，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清（3D）视频、移动云等更加身临其境的极致业务体验。移动互联网的进一步发展将带来未来移动流量超千倍增长，推动移动通信技术和产业的新一轮变革。

物联网扩展了移动通信的服务范围，从人与人通信延伸到物与物、人与物智能互联，使移动通信技术渗透到更加广阔的行业和领域。面向未来业务发展，移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等将会推动物联网应用爆发式增长，数以千亿的设备将接入网络，实现真正的“万物互联”，并缔造出规模空前的新兴产业，为移动通信带来无限生机。同时，海量的设备连接和多样化的物联网业务也会给移动通信带来全新的技术挑战。

面向未来，移动数据流量将出现爆发式增长。2010—2020年，全球移动数据流量预计增长将超过200倍，2010—2030年，这一数据预计增长将近2万倍；中国的移动数据流量增速高于全球平均水平，2010—2020年，这一数据预计增长300倍以上，2010—2030年，这一数据预计增长将超4万倍。发达城市及热点地区的移动数据流量增速更快，2010—2020年，上海市热点区域的增长率可达600倍，北京市热点区域的增长率可达1000倍。

未来全球移动通信网络连接的设备总量将达到千亿规模。2020年年底，全球移动终端（不含物联网设备）数量将超过100亿。其中，中国将超过20亿。全球物联网设备的连接数也将快速增长，到2030年，全球物联网设备连接数将接近1000亿，其中，中国超过200亿。在各类终端中，智能手机对流量的贡献最大，物联网终端数量虽大但流量占比较低。

1.2.3 5G的目标及能力定义

1.5G的目标

5G将以可持续发展的方式，满足未来超千倍的移动数据增长需求，为用户提供光纤般的接入速率，“零”时延的使用体验，千亿设备的连接能力，超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性等多场景的一致服务，业务及用户感知的智能优化，同时将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，并最终实现“信息随心至，万物触手及”的5G愿景。

2.5G关键能力

5G需要具备比4G更高的性能，性能需求和效率需求共同定义了5G的关键能力，犹如一株绽放的鲜花。5G关键能力如图1-3所示。红花绿叶，相辅相成，图1-3中的花瓣代表了5G的六大性能指标，体现了5G满足未来多样化业务与场景需求的能力，其中，花瓣顶点代表了相应指标的最大值；绿叶代表了3个效率指标，是实现5G可持续发展的基本保障。

3.5G业务需求

移动互联网主要面向以人为主的通信，注重提供更好的用户体验。面向未来，超高清、3D和浸入式视频的流行将会驱动数据速率大幅提升，例如，8K（3D）视频经过百倍压缩之后传输速率仍然需要大约1Gbit/s。增强现实、云桌面、在线游戏等业务不仅对上/下行数据传输速率提出了挑战，同时也对时延提出了“无感知”的苛刻要求。未来大量的个人和办公数据将会存储在云端，海量实时的数据交互需要可媲美光纤的传输速率，并且会在热点区域对移动通信网络造成流量压力。社交网络等互联网向用户提供各种应用服务（Over-The-Top，OTT）（原意为“过顶传球”）业务将会成为未来的主导应用之一，小数据包频发将造成信令资源的大量消耗。未来人们对各种应用场景下的通信体验要求越来越高，用户希望能在体育场、露天集会、演唱会、车站等超密集场景，高铁、车载、地铁等高速移动环境下获得一致的业务体验。

图1-3 5G关键能力

物联网主要面向物与物、人与物的通信，不仅涉及普通的个人用户，而且涵盖了大量不同类型的行业用户。物联网的业务类型丰富多样，业务特征差异巨大。对于智能家居、智能电网、环境监测、智能农业、智能抄表等业务，需要网络支持海量设备连接和大量小数据包频发；视频监控和移动医疗等业务对传输速率提出了很高的要求；车联网和工业控制等业务则要求毫秒级的时延和接近100%的可靠性。另外，大量物联网设备会部署在山区、森林、水域等偏远地区以及室内角落、地下室、隧道等信号难以到达的区域，因此要求进一步增强移动通信网络的覆盖能力。为了渗透到更多的物联网业务中，5G应该具备更强的灵活性和可扩展性，以适应海量的设备连接和多样化的用户需求。

无论是对于移动互联网还是物联网，用户在不断追求高质量业务体验的同时也在期望成本下降。同时，5G需要提供更高和更多层次的安全机制，不仅能够满足互联网金融、安防监控、安全驾驶、移动医疗等极高的安全要求，也能为大量低成本的物联网业务提供安全的解决方案。此外，5G应该支持更低功耗，以实现更加绿色环保的移动通信网络，并大幅提升终端电池，尤其对于一些物联网设备的续航时间更应关注。

在实际应用中，同一应用场景的不同使用群体（例如，无人机的消费级应用和工业级应用）、不同应用系统［例如，车联网（Vehicles to Internet，V2I）］和车对网（Vehicles to Network，V2N）等对5G的需求是不同的。目前，业内已发布了多份5G应用和应用场景的白皮书。5G典型应用场景的关键通信需求及其与5G场景的相关性见表1-1。

表1-1 5G典型应用场景的关键通信需求及其与5G场景的相关性

数据来源：《华为5G时代十大应用场景白皮书》《中国信息通信研究院相关5G白皮书》。