十年三代技术，为什么移动通信发展这么快？

2009年1月7日，我国决定发放三张3G牌照。2014年，我国又发放了4G牌照。2019年将发放5G牌照。为什么十年间就从3G迅速跨越到5G通信技术？这其中的内在动力是什么呢？

先看看移动通信的百年发展历程是怎样的？

自从19世纪末马可尼发现无线电波远距传输信息的作用后，人类才能摆脱有线固定通信电线的束缚，1899年11月美国“圣保罗”号邮船在向东行驶时，收到了从150公里外的怀特岛发来的无线电报，莫尔斯电码的嘀嘀嗒嗒声象婴儿呱呱落地的第一声啼声，向世人宣告一个新生事物——“移动通信”诞生了。

1900年1月23日在波罗的海霍格兰岛附近的一群遇难渔民，通过无线电呼叫而得救，移动通信第一次在海上证明了它对人类的价值。

紧接着1901年英国蒸汽机车装载了第一部陆地移动电台。

1903年底莱特驾驶自己的飞行器，开创了航空新领域，飞机更需要通信来保证飞行，于是移动通信这个二十世纪的同龄人便相继在海、陆、空起步了。

在1947年，贝尔实验室的科学家利用超短波只能视距传播的制约，逆向思维提出了蜂窝通信的概念，解决了频率复用、覆盖扩展两个问题，为广大百姓应用奠定了技术基础。

又过了30年贝尔实验室才于1978年研制出先进移动电话系统(Advanced Mobile Phone Service，AMPS)，1G得以面市。

到1985年美、日、英、法、北欧相继生产了基于蜂窝通信概念的8种大同小异的FDMA模拟移动电话1G系统，各个国家的实践表明将无线电从为小数人服务扩展到为广大公众服务是可行的。

移动通信近30年间从1G到4G所历经的4代构成：

1G：第一代的AMPS、TACS、NMT等8种标准都是基于频分多址(FDMA)技术，主要解决了公众模拟话音通信。

2G：第二代的DAMPS、GSM、JDC等3种标准基于时分多址(TDMA)技术，主要解决了公众数字话音通信与低速数据通信。随后又出现CDMA第4种标准。

3G：第三代的WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA等3种主流标准也就基于码分多址(CDMA)技术，主要解决公众高速数据通信。临末了又挤进了WiMAX第4种标准。

4G：第四代的LTE-FDD和TD-LTE及WiMAX等3种标准;都是基于正交频分多址(OFDMA)技术，由于WiMAX无人采用实际只有2种。

当初没有谁料到1996年后互联网会发展如此迅猛，因此，欧美标准根本就没有考虑适应互联网的要求，这样3G便处于一种高不成低不就的尴尬状态。而且WCDMA和cdma2000都存在不适应互联网非对称业务的致命弱点，以致到2005年日本、欧洲运营商都发展缓慢、经营困难、甚至巨额亏损，欧美的3G商用一再延期。

这就迫使WCDMA标准不得不修改升级，于是产生了3.5G的高速下行分组数据接入HSPA标准，这才获得发展。

中国TD-SCDMA严格说是为移动互联网需求而诞生。TD-SCDMA标准是采用时分双工TDD，以S开头的智能天线(smart antenna)、软件无线电(softradio) 和上行链路同步(synchronisation)3项关键专利技术综合开发成的CDMA移动通信系统。

通过实践证实TD-S具有适于移动互联网需求的下列技术优势：

第一，采用TDD技术，它利用了语音通信的特点，当一方讲话时对方都是在听，因此只用一个下行的路，上行的路是空闲的;还有互联网非对称业务的特点，从网上下载的远远多于发给网上的，因此也是下行路忙，上行路闲;只要一个频段，按需分配上行或下行的时间。所以TD有它节约频谱的天然优势，符合移动互联网发展方向。

第二，采用智能天线，可降低发射功率，减少多址干扰，提高系统容量;采用接力切换，可克服软切换大量占用资源的缺点;采用TDD，不要双工器，可简化射频电路，系统设备和手机成本较低。

第三采用软件无线电，更易实现多制式基站和多模终端，系统易于升级换代，通过TD/GSM双模终端可适应二网一体化的要求。

TD-S不但能够大范围覆盖、高速移动和高速数据，适于独立组网，而且具有频谱效率高、适合非对称业务、性价比高、适于2G网络过渡和技术升级等突出优势。从而在公众移动通信领域迈入移动互联网探寻了一条新路。从而TDD体制为后续4G/5G的TD-LTE奠定了技术基础与产业基础。

智能天线使用光纤拉远技术解决了9根天线阵与27条馈送电缆的工程困扰，为后续4G/5G采用MIMO(Multi-In Multi-Out 多输入-多输出)天线技术创造了条件。

软件无线电为后续5G的SDN(Software Defined Network软件定义网络)、NFV(Network Function Virtual网络功能虚拟化)技术开了先河。

3G虽以满足多媒体数据业务需求为主，但是由于其容量和承载能力所限，对高清电视这样的视频流媒体业务还是显得力不从心，因此移动互联网业务的发展迫切需要网络向大容量、高带宽演进。

同时，数据业务流量的激增也为运营商带来建设和运营方面的巨大挑战，由于业务收入不能随着业务量线性增长，承载成本和业务收入之间的差距随着数据业务量的指数增长也将越来越大，因此运营商势必要寻求更为高速率、低成本的技术体制。

正交频分多址(OFDM)技术适合在多径传播和多普勒频移的无线信道中传输高速数据，因而被无线局域网(WLAN)、无线城域网(WMAN)采用，后又移植到移动通信领域WirelessMAN。随着WiMAX的挑战，促使高速蜂窝移动网加快向3G长期演进技术(LTE)发展，4G也就应运而生了。

2006年9月，LTE标准正式开始起草，制定了基于WCDMA的LTE-FDD与基于TD-SCDMA的LTE;它们和WiMAX的重要底层技术都是基于OFDM和MIMO;作为3G技术的长期演进，代表了移动通信产业发展的一个重要方向，受到多数传统移动通信运营商的高度重视，发展异常迅速。

TD-LTE技术顺应移动通信网络宽带化、IP化、智能化的发展趋势，具有如下显著特征：

(1)高速率，下行峰值速率至少100Mbps，上行至少50Mbps;

(2)高频谱效率，为HSPA的2-4倍;在带宽需求日益增加而频谱供应日益紧张的情况下，TDD方式的频谱效率较高;

(3)网络结构扁平化，整体架构基于分组交换;可灵活地支持非对称业务，更适应移动互联网的需求;

(4)系统部署灵活，能支持1.4MHz-20MHz的多种系统带宽，以及成对和非成对的频谱分配;

(5)降低无线网络时延，具有完善和严格的QoS机制，保证实时业务的服务质量;

(6)自组织网络，降低网络建设、优化、维护成本;

(7)强调向下兼容，支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作;

(8)可利用信道对称性易于实现MIMO等新技术来改进系统性能。

可见与3G相比，TD-LTE具有明显的技术优势，可很好解决业务带宽需求以及承载成本的问题，因而得以高速发展与LTE-FDD并驾齐驱，平分天下。

移动通信深刻改变了人们的生活，但已经规模应用的4G，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捉襟见肘，促使人们对更高性能移动通信的追求，第五代移动通信(5G)系统也就应运而生。

5G将渗透到未来社会的各个领域， 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将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、超高连接数密度和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，最终实现“信息随心至，万物触手及”的总体愿景。

为此5G需要追求比4G更高的性能：

(1)用户体验速率(bps)——真实网络环境下用户可获得的最低传输速率，支持100～1000Mbps，4G仅10 Mbps;

(2)连接数密度(/km2)——单位面积上支持的在线设备总和，每平方公里100万，4G仅10万;

(3)端到端时延(ms)——数据包从源节点开始传输到被目的节点正确接收的时间，1毫秒，4G达10毫秒;

(4)流量密度(Mbps/m2)——单位面积区域内的总流量，10 Mbps/m2，4G仅0.1 Mbps/m2;

(5)移动性(km/h)——满足性能要求下收发双方间的最大相对移动速度，每小时500km以上，4G仅350km;

(6)单用户峰值速率(bps)——单用户可获得的最高传输速率，20 Gbps，4G仅1Gbps。

其中，用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的三个性能指标。

从1G到4G系统，依次以FDMA→TDMA→CDMA→OFDMA等不同多址接入技术革新为换代标志，频谱效率与数据速率也依次提高，1G/2G是基于有线电信网技术亦即基于CT技术，导致了电信网的移动化。从2G数字化之后，提供了运用计算机技术与微电子技术的可行性，又恰逢互联网亦即基于IT技术的大发展，产生了互联网移动化的需求。从3G开始促使CT技术与IT技术融合，于是4G向移动互联网迈进。这4代都是解决人与人的连接通信问题。

现阶段，全球新一轮科技革命和产业变革正孕育兴起，如人工智能、大数据、云计算等等的兴起，跨行业、跨领域的融合创新不断深入，对移动通信技术也提出了更高的要求。已经不满足于人与人通信的移动互联网的4G，日益期望扩展物与物、人与物智能互联即物联网，使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域。

要预测一代移动通信的发展应从总体上按信息经济定律即麦特卡尔夫定律和摩尔定律来分析。从1G到5G的整个发展历程来看：

1G计8种标准，传输移动电话;2G计4种，传输数字电话与文字短信;3G计4种，传输电话与图片多媒体信息;4G计2种，传输平面多媒体动态信息;

经历50年的漫长时期，才形成一种全球统一的5G标准，可以传输立体多媒体动态信息，达到一机在手，通遍全球的理想，实现“信息随心至，万物触手及”的总体愿景。这就是5G的最大优势。说到底，技术创新是重要的内生动力，同时社会经济发展需要更是刚需。移动通信的大发展能深刻改变人类社会的方方面面，未来还会加速6G等的进程。未来将是物联世界，让我们相约2019年11月19-21日，相约2019（第三届）全球物联网大会—寻找思考者！

——————本文完——————

声明：本文系《洞悉——物联网发展1000问》系列文章第四十四篇，旨在希望通过系统性与行业专业视角就物联网产业当前发展现状与经济潜力予以分析和分享。IOT物联网，万物互联，互联万物。

作者：王正伟 中关村物联网产业联盟秘书长