5G无线技术基础自学系列移动通信网络的演进

　　素材来源：《5G无线网络规划与优化》
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　　随着移动用户数量的不断增加，以及人们对移动通信业务需求的不断提升，移动通信系统已经历了五代变革，本节主要对移动通信网络演进过程进行介绍。1.2.1 第一代移动通信系统
　　第一代(1t Generation，1G) 移动通信技术诞生于20世纪40年代。其最初是美国底特律警察使用的车载无线电系统，主要采用了大区制模拟技术。1978年年底，美国贝尔实验室成功研制了先进移动电话系统(Advanced Mobile Phone System， AMPS) ， 建成了蜂窝状移动通信网， 这是第一种真正意义上的具有即时通信能力的大容量蜂窝状移动通信系统。1983年， AMPS首次在芝加哥投入商用并迅速得到推广。到1985年， AMPS已扩展到了美国的47个地区。
　　与此同时，其他国家也相继开发出各自的蜂窝状移动通信网。英国在1985年开发了全接入通信系统(Total Access Communications System， TACS) ， 频段为900MHz。加拿大推出了450MHz的移动电话系统(Mobile Telephone System， MTS) 。瑞典等北欧国家于1980年开发了北欧移动电话(Nordic Mobile Telephone， NMT) 移动通信网， 频段为450MHz。中国的1G系统于1987年11月18日在广东第六届全运会上开通并正式商用， 采用的是TACS制式。从1987年11月中国电信开始运营模拟移动电话业务开始，到2001年12月底中国移动关闭模拟移动通信网，1G系统在中国的应用长达14年，用户数最高时达到了660万。如今，1G时代那像砖头一样的手持终端——＂大哥大＂已经成为很多人的回忆。
　　由于1G系统是基于模拟通信技术传输的，因此存在频谱利用率低、系统安全保密性差、数据承载业务难以开展、设备成本高、体积大、费用高等局限，其关键的问题在于系统容量低，已不能满足日益增长的移动用户的需求。为了解决这些缺陷， 第二代(2nd Generation， 2G) 移动通信系统应运而生。
　　1.2.2 第二代移动通信系统
　　20世纪80年代中期， 欧洲首先推出了全球移动通信系统(Global System for Mobile communications，GSM) 数字通信网系统。随后， 美国、日本也制定了各自的数字通信体系。数字通信系统具有频谱效率高、容量大、业务种类多、保密性好、话音质量好、网络管理能力强等优点，因此得到了迅猛发展。
　　第二代(2nd Generation， 2G) 移动通信系统包括GSM、IS-95码分多址(Code Division Multiple Access， CDMA) 、先进数字移动电话系统(Digital Advanced Mobile Phone System， DAMPS) 、个人数字蜂窝系统(Personal Digital Cellular System， PDCS) 。特别是其中的GSM， 因其体制开放、技术成熟、应用广泛，已成为陆地公用移动通信的主要系统。
　　使用900MHz频带的GSM称为GSM 900， 使用1800MHz频带的称为DCS 1800， 它是依据全球数字蜂窝通信的时分多址(Time Division Multiple Access， TDMA) 标准而设计的。GSM支持低速数据业务，可与综合业务数字网(Integrated Services Digital Network， ISDN) 互连。GSM采用了频分双工(Frequency Division Duplex， FDD) 方式、TDMA方式， 每载频支持8信道， 载频带宽为200kHZ。随着通用分组无线系统(General Packet Radio System， GPRS) 、增强型数据速率GSM演进(Enhanced Data Rate for GSM Evolution，EDGE）技术的引入， GSM网络功能得到不断增强， 初步具备了支持多媒体业务的能力， 可以实现图片发送、电子邮件收发等功能。
　　IS-95 CDMA是北美地区的数字蜂窝标准，使用800MHz频带或1.9GHz频带。IS-95 CDMA采用了码分多址方式。CDMA One是IS-95 CDMA的品牌名称。CDMA2000无线通信标准也是以IS-95 CDMA为基础演变的。IS-95又分为IS-95A和IS-95B两个阶段。
　　DAMPS也称IS-54/IS-136(北美地区的数字蜂窝标准) ， 使用800MHz频带， 是两种北美地区的数字蜂窝标准中推出较早的一种， 使用了TDMA方式。
　　PDC是由日本提出的标准， 即后来中国的个人手持电话系统(Personal Handyphone System， PHS) ，俗称＂小灵通＂。因技术落后和后续移动通信发展需要，＂小灵通＂网络已经关闭。
　　我国的2G系统主要采用了GSM体制， 例如， 中国移动和中国联通均部署了GSM网络。2001年， 中国联通开始在中国部署IS-95 CDMA网络(简称C网) 。2008年5月， 中国电信收购了中国联通的C网，并将C网规划为中国电信未来的主要发展方向。
　　2G系统的主要业务是话音，其主要特性是提供数字化的话音业务及低速数据业务。它克服了模拟移动通信系统的弱点，话音质量、保密性能得到较大的提高，并可进行省内、省际自动漫游。由于2G系统采用了不同的制式，移动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，因而无法进行全球漫游。此外，2G系统带宽有限，因而限制了数据业务的应用，无法实现高速率的数据业务，如移动多媒体业务。
　　尽管2G系统技术在发展中不断得到完善，但是随着人们对于移动数据业务需求的不断提高，希望能够在移动的情况下得到类似于固定宽带上网时所得到的速率，因此，需要有新一代的移动通信技术来提供高速的空中承载，以提供丰富多彩的高速数据业务，如电影点播、文件下载、视频电话、在线游戏等。1.2.3 第三代移动通信系统
　　第三代(3rd Generation， 3G) 移动通信系统又被国际电信联盟(International Telecommunication Union， ITU) 称为IMT-2000， 指在2000年左右开始商用并工作在2000MHz频段上的国际移动通信系统。IMT-2000的标准化工作开始于1985年。3G标准规范具体由第三代移动通信合作伙伴项目(3rd Generation Partnership Project， 3GPP) 和第三代移动通信合作伙伴项目二(3rd Generation Partnership Project 2，3GPP2) 分别负责。
　　3G系统最初有3种主流标准， 即欧洲各国和日本提出的宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access， WCDMA) ， 美国提出的码分多址接入2000(Code Division Multiple Access 2000，CDMA2000) ， 以及中国提出的时分同步码分多址接入(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access， TD-SCDMA) 。其中， 3GPP从R99开始进行3G WCDMA/TD-SCDMA标准制定，后续版本进行了特性增强和增补， 3GPP2提出了从CDMA IS 95(2G) --CDMA20001x--CDMA20003x (3G)的演进策略。
　　3G系统采用了CDMA技术和分组交换技术， 而不是2G系统通常采用的TDMA技术和电路交换技术。在业务和性能方面，3G系统不仅能传输话音，还能传输数据，提供了高质量的多媒体业务，如可变速率数据、移动视频和高清晰图像等，实现了多种信息一体化，从而能够提供快捷、方便的无线应用。
　　尽管3G系统具有低成本、优质服务质量、高保密性及良好的安全性能等优点，但是仍有不足：第一，3G标准共有WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大分支， 3种制式之间存在相互兼容的问题； 第二，3G的频谱利用率比较低，不能充分地利用宝贵的频谱资源；第三，3G支持的速率不够高。这些不足远远不能适应未来移动通信发展的需要，因此需要寻求一种能适应未来移动通信需求的新技术。
　　另外， 全球微波接入互操作性(Worldwide Interoperability for Microwave Access， WiMAX) 又称为802.16无线城域网(核心标准是802.16d和802.16e)，是一种为企业和家庭用户提供＂最后一英里＂服务的宽带无线连接方案。此技术与需要授权或免授权的微波设备相结合之后，由于成本较低，从而扩大了宽带无线市场，改善了企业与服务供应商的认知度。2007年10月19日，在国际电信联盟在日内瓦举行的无线通信全体会议上， 经过多数国家投票通过， WiMAX正式被批准成为继WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA之后的第四个全球3G标准。1.2.4 第四代移动通信系统
　　2000年确定了3G国际标准之后， ITU就启动了第四代(4Generation，4G）移动通信系统的相关工作。2008年，ITU开始公开征集4G标准， 有3种方案成为4G标准的备选方案， 分别是3GPP的长期演进(Long Term Evolution， LTE) 、3GPP2的超移动宽带(Ultra Mobile Broadband，UMB) 以及电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE) 的WiMAX(IEEE 802.16m，也被称为Wireless MAN-Advanced或者WiMAX2) ， 其中最被产业界看好的是LTE。LTE、UMB和移动WiMAX虽然各有差别， 但是它们也有相同之处， 即3个系统都采用了正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM) 和多入多出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术， 以提供更高的频谱利用率。其中， 3GPP的R8开始进行LTE标准化的制定， 后续在特性上进行增强和增补。
　　LTE并不是真正意义上的4G技术，而是3G向4G技术发展过程中的一种过渡技术，也被称为3.9G的全球化标准， 它采用OFDM和MIMO等关键技术， 改进并且增强了传统无线空中接入技术。这些技术的运用， 使得LTE的峰值速率相比3G有了很大的提高。同时， LTE技术改善了小区边缘位置用户的性能，提高了小区容量值，降低了系统的延迟和网络成本。
　　2012年， LTE-Advanced被正式确立为IMT-Advanced(也称4G) 国际标准， 我国主导制定的TD-LTE-Advanced同时成为IMT-Advanced国际标准。LTE包括TD-LTE(时分双工) 和LTE FDD(频分双工) 两种制式， 我国引领了TD-LTE的发展。TD-LTE继承和拓展了TD-SCDMA在智能天线、系统设计等方面的关键技术和自主知识产权， 系统能力与LTE FDD相当。2015年10月， 3GPP在项目合作组主(Project Coordination Group， PCG) 第35次会议上正式确定将LTE新标准命名为LTE-Advanced Pro。这是4.5G在标准上的正式命名。这一新的品牌名称是继3GPP将LTE-Advanced作为LTE的增强标准后，对LTE系统演进的又一次定义。1.2.5 第五代移动通信系统
　　2015年10月26日至30日，在瑞士日内瓦召开的2015无线电通信全会上，国际电信联盟无线电通信部门(ITU-R) 正式批准了3项有利于推进未来5G研究进程的决议， 并正式确定了5G的法定名称是着＂IMT-2020＂。
　　为了满足未来不同业务应用对网络能力的要求， ITU定义了5G的八大能力目标， 如图1-2所示， 分别为峰值速率达到10Gb/s、用户体验速率达到100Mbit/s、频谱效率是IMT-A的3倍、移动性达到500km/h、空中接口(简称＂空口＂)时延达到1ms、连接数密度达到10e6万个设备/平方千米、网络功耗效率是IMT-A的100倍、区域流量能力达到10Mbit/s/m²。
　　5G的应用场景分为三大类：增强移动宽带(enhanced Mobile Broadband， eMBB) 、超高可靠低时延通信(ultra-Reliable and Low Latency Communication， uRLLC) 、海量机器类通信(massive Machine Type of Communication，mMTC），不同应用场景有着不同的关键能力要求。其中，峰值速率、时延、连接数密度是关键能力。eMBB场景下主要关注峰值速率和用户体验速率等， 其中， 5G的峰值速率相对LTE的100Mbit/s提升了100倍， 达到了10Gbit/s； uRLLC场景下主要关注时延和移动性， 其中， 5G的空中接口时延相对于LTE的50ms降低到了1ms； mMTC场景下主要关注连接数密度， 5G的每平方千米连接数相对于LTE的10e4个提升到了10e6个。不同应用场景对网络能力的诉求如图1-3所示。
　　2016年6月27日，3GPP在3GPP技术规范组(Technical Specifications Groups，TSG) 第72次全体会议上就5G标准的首个版本--R15的详细工作计划达成一致。该计划记录了各工作组的协调项目和检查重点，并明确R15的5G相关规范将于2018年6月确定。
　　在3GPP TSG RAN方面， 针对R15的5G新空中接口(New Radio， NR) 调查范围， 技术规范组一致同意对独立(Stand-alone， SA) 组网和非独立(Non-Stand-alone， NSA) 组网两种架构提供支持。其中， 5G NSA组网方式需要使用4G基站和4G核心网， 初期以4G作为控制面的锚点， 满足运营商利用现有LTE网络资源， 实现5G NR快速部署的需求。NSA组网作为过渡方案， 主要以提升热点区域带宽为主要目标， 没有独立信令面， 依托4G基站和核心网工作， 对应的标准进展较快。要实现5G的NSA组网，需要对现有4G网络进行升级，对现网性能和平稳运行有一定影响，需要运营商关注。R15还确定了目标用例和目标频带。目标用例为增强型移动宽带、超高可靠低时延通信以及海量机器类通信。目标频带分为低于6GHz和高于6GHz的范围。另外， TSG第72次全体会议在讨论时强调， 5G标准要在无线和协议两个方面的设计具有向上兼容性，且分阶段导入功能是实现各个用例的关键点。
　　2017年12月21日， 在国际电信标准组织3GPP RAN的第78次全体会议上， 5G NSA标准冻结， 这是全球第一个可商用部署的5G标准。5G标准NSA组网方案的完成是5G标准化进程的一个里程碑， 标志着5G标准和产业进程进入加速阶段，标准冻结对通信行业来说具有重要意义，这意味着核心标准就此确定，即便将来正式标准仍有微调，也不影响之前厂商的产品开发，5G商用进入倒计时。
　　2018年6月14日， 3GPP TSG第80次全体会议批准了5G SA标准冻结。此次SA标准的冻结， 不仅使5G NR具备了独立部署的能力， 还带来了全新的端到端新架构， 赋能企业级客户和垂直行业的智慧化发展，为运营商和产业合作伙伴带来了新的商业模式，开启了一个全连接的新时代。至此，5G已经完成第一阶段标准化工作， 进入了产业全面冲刺新阶段。3GPP关于5G协议标准的规划路线如图1-4所示。