1.1 蜂窝移动通信的演进
1.1.1 从1G到4G
在过去几十年里，现代移动通信技术经过四代的发展，目前已经迈入了5G时代[1,2]。在此期间，授权频谱始终是蜂窝移动通信所使用的主要频谱类型，在保证系统容量、满足广域覆盖和提供可靠服务等方面发挥着不可替代的作用。非授权频谱作为授权频谱的有效补充在4G LTE时期被引入蜂窝移动通信技术中，通过提高容量、补盲补弱、增强数据连通性来发挥作用。
在本书的开篇，我们先简要回顾前四代移动通信技术的发展历史，以更好地展望5G和6G的未来趋势。图1-1展示了前四代移动通信技术的演进脉络。
图1-1 移动通信技术的演进（从1G到4G）
第一代移动通信技术（1G）起始于20世纪80年代，主要采用的是模拟调制技术与频分多址（FDMA）技术。1G主要制式包括北欧（欧洲北部地区）的移动电话系统（NMT）、美国的高级移动电话系统（AMPS）、英国的全球接入通信系统（TACS）和日本的全接入通信系统（JTACS）等。在各种1G系统中，美国AMPS制式的1G系统在全球的应用最为广泛。同时，也有几十个国家和地区采用了英国TACS制式的1G系统，譬如中国采用的就是英国TACS制式。这两个移动通信系统是世界上较具影响力的1G系统。
1G基于模拟传输技术，只支持语音业务，其特点是业务量小、质量差、安全性差、没有加密和速度慢。从上面五花八门的制式中我们不难看出，1G标准并不统一，并且工作频段不同，因此它不能在全球漫游。最能代表1G时代特征的是美国摩托罗拉公司在20世纪90年代推出并风靡全球的大哥大，即移动手提式电话。不过因为价格非常昂贵，它并没有得到大规模普及和应用。
第二代移动通信技术（2G）起源于20世纪90年代初期，主要采用数字的时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）技术。2G数字无线标准主要有欧洲的全球移动通信系统（GSM）、美国高通公司推出的IS-95 CDMA、日本提出的个人数字蜂窝（PDC）技术等。欧洲和中国主要采用GSM制式，美国和韩国主要采用CDMA，而PDC仅在日本应用。为了满足数据业务的发展需要，2G在演进后期还升级为2.5G，也就是基于GSM的通用分组无线服务（GPRS）和基于CDMA的IS-95B技术，大大提高了数据传送能力。
2G的主要业务是语音，还可支持短信、无线应用协议（WAP）上网等功能，其主要特性是提供数字化的话音业务及低速数据业务。由于带宽有限，它仍不能提供高速数据传输业务。2G抗干扰、抗衰落能力不强，系统容量不足。2G标准仍不统一，只能在同一制式覆盖区域内漫游，无法进行全球漫游。然而与1G相比，它克服了模拟移动通信系统的弱点，语音质量、保密性能得到很大提高，并可进行省内、省际自动漫游。2G完成了从模拟技术向数字技术的转变。自20世纪90年代以来，以数字技术为主体的2G系统（尤其是GSM制式）得到了极大程度的发展和普及。由于2G终端价格及通信费用大幅度下降，它能够被中低收入者所接受，因此在短短的10年内，全球用户数就超过了10亿。
第三代移动通信技术（3G）的概念最初由国际电信联盟（ITU）于1985年提出，后被更名为IMT-2000（国际移动通信2000）。1997年开始征集RTT（无线电波传输技术）候选技术，进入实质标准化制定阶段。经过系列评估和标准融合，ITU一共确定了全球三大3G标准，分别是宽带码分多址（WCDMA）、码分多址2000（cdma2000）、时分同步码分多址（TD-SCDMA）。WCDMA由欧洲和日本提出，其核心网基于演进的GSM/GPRS网络技术，空中接口采用直扩的宽带CDMA。WCDMA是3G最具竞争力的技术之一。cdma2000由北美提出，其核心网采用演进的IS-95 CDMA核心网，能与已有的IS-95 CDMA后向兼容。TD-SCDMA由中国主推，采用了智能天线和上行同步技术，适合高密度低速接入、小范围覆盖、不对称数据传输。在中国，中国移动采用TD-SCDMA制式，中国电信采用cdma2000制式，中国联通采用WCDMA制式。
3G能够支持语音和多媒体数据通信，它可以提供前两代通信技术不能提供的各种宽带信息业务，例如高速数据、图像、音乐和视频流等多种多媒体形式，也能提供包括网页浏览、电话会议和电子商务在内的服务。3G还可实现全球漫游，使得任何时间、任何地点、任何人之间的交流成为可能。
移动数据、移动计算及移动多媒体业务的进一步发展需要性能更佳的新一代移动通信技术。LTE（长期演进技术）是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，并采用OFDM（正交频分复用）作为接入技术和多址方案的基础。但从严格意义上来讲，尽管LTE被宣传为4G无线标准，但它只是3.9G，其实并未被3GPP认可为ITU所描述的下一代无线通信标准IMT-Advanced，因此实际上其还未达到4G的标准。只有升级版的LTE-Advanced才满足ITU对4G的要求。ITU在2012年无线电通信全会全体会议上，正式审议通过将LTE-Advanced和WirelessMAN-Advanced （IEEE 802.16m）技术规范确立为IMT-Advanced（即通常所说的4G）国际标准。WirelessMAN-Advanced是WiMAX （全球微波互联接入）的增强。相对于WirelessMAN-Advanced,LTE-Advanced是更成功、应用也更广泛的4G制式，它包括FDD（频分双工）和TDD（时分双工）两种模式，将FDD模式用于成对频谱，而将TDD模式用于非成对频谱。
LTE支持分组交换的结构，其主要性能指标包括支持1.25～20MHz的信道带宽，并且在20MHz的频谱带宽下能够提供上行50Mbit/s与下行100Mbit/s的峰值速率，相对于3G网络大大提高了小区的容量。同时大大降低网络时延：用户面时延（单向）低于5ms，控制面从睡眠状态到激活状态的迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间低于100ms。LTE-Advanced系统是在LTE系统设计基础上进行的平滑演进，使得LTE与LTE-Advanced能够相互兼容。LTE-Advanced通过引入载波聚合等技术增强了4G频谱的灵活性，进一步扩展了多天线传输方案，引入了对中继的支持，并且提供了对异构网络部署下小区协调方面的改进。LTE-Advanced可以支持下行1Gbit/s、上行500Mbit/s的峰值速率。可以说，LTE和LTE-Advanced是5G理论研究、技术开发和标准化的重要基础。
另外，也就是在4G LTE-Advanced时期，非授权频谱接入技术被3GPP引入蜂窝网络通信系统。3GPP在4G Rel-13授权辅助接入（LAA）研究项目[3]中首次引入了蜂窝网络非授权频谱接入的概念。自引入非授权频谱通信特性以来，3GPP在非授权频谱接入技术研究方面取得了重大进展，包括制定了包含Rel-13非授权频谱下行发送（LTE LAA）、Rel-14非授权频谱上行发送（LTE eLAA）和Rel-15非授权频谱自主上行发送（AUL）等多个特性的协议版本。