5G就要来了?解密“移动通信技术”的发展变迁

发布于 2015-06-20  45 次阅读


现如今,我们的生活几乎离不开移动网络,我们期待移动网络可以 越来越快、越来越顺畅。在2015 IMT-2020(5G)峰会上,IMT-2020(5G)推进组正式发布了《5G网络技术架构白皮书》,可达 10Gb/s的下载速度的5G网络,你期待吗?移动通信技术究竟经历了 几个时代,每个时代的表现如何?

先来回答一个问题:什么是通信?

在古代,人类通过驿站、飞鸽传书、烽火报警等方式进行信息传 递,这就是最开始的通信,在现代科学水平的飞速发展中,相继出 现了无线电、固定电话、移动电话、甚至视频电话等各种通信方 式。可以说,通信技术拉近了人与人之间的距离,提高了经济的效 率,深刻地改变了人类的生活方式和社会面貌。

通信的种类分为传输媒质为导线、电缆、光缆、波导、纳米材料等 形式的有线通信与传输媒质看不见、摸不着(如电磁波)的无线通 信。光纤等有线通信如今已经较为成熟,我们这次不做过多谈论, 主要来了解的是无线通讯的发展变迁。

1G:模拟讯号传输 “大哥大”横行的时代

1986年,第一套行动通讯系统在美国芝加哥诞生,采用模拟讯号传 输,模拟式是代表在无线传输采用模拟式的FM调制,将介于300Hz 到3400Hz的语音转换到高频的载波频率MHz上。此外,1G只能应用 在一般语音传输上,且语音品质低、讯号不稳定、涵盖范围也不够 全面。

1G主要系统为AMPS,另外还有NMT及TACS,该制式在加拿大、南 美、澳洲以及亚太地区广泛采用,而国内在80年代初期移动通信产 业还属于一片空白,直到1987年的广东第六届全运会上,蜂窝移动 通信系统正式启动。

在第1代移动通信系统在国内刚刚建立的时候,我们很多人手中拿的 还是大块头的摩托罗拉8000X,俗称大哥大。那个年代虽然没有现在 的移动、联通和电信,却有着A网和B网之分,而在这两个网背后就 是主宰模拟时代的爱立信和摩托罗拉。

当时,不仅大哥大售价非常高,而且手机网络资费的价格也让普通 老百姓望而却步,当时的入网费高达6000元,每分钟通话的资费也 要0.5元。

由于模拟通信系统有着很多缺陷,经常出现串号、盗号等现象,给 运营商和用户带来了不少烦恼。

1G时期,我国的移动电话公众网由美国摩托罗拉移动通信系统和瑞 典爱立信移动通信系统构成。经过划分,摩托罗拉设备使用A频段, 因而称之为A系统;爱立信设备使用B频段,故称之为B系统。移动通 信的A、B两个系统,就是人们常说的A网和B网,二者的区别和划分 就在于使用频段的不同。

2G:数字调制传输 昔日的王者诺基亚的时代

到了1995年,新的通讯技术成熟,国内也在中华电信的引导下,正 式挥别1G,进入了2G的通讯时代。从1G跨入2G,从模拟调制进入 到数字调制。相比于第1代移动通信,第2代移动通信具备高度的保 密性,系统的容量也在增加,同时从这一代开始手机也可以上网 了。2G声音的品质较佳,比1G多了数据传输的服务,数据传输速度 为每秒9.6——14.4Kbit,最早的文字简讯也从此开始。

GSM在1990年由欧洲发展出来,因此又称为泛欧式行动通讯系统, 另外还有TDMA、CDMA、PDC与iDEN。第一款支持WAP的GSM手 机是诺基亚7110,它的出现标志着手机上网时代的开始,而那个时 代GSM的网速仅有9.6KB/s。

2G时代是移动通信标准争夺的开始,由于1G时代各国的通信模式系 统互不兼容,也造成了厂商各自发展其系统的专用设备,无法大量 生产,一定程度上抑制了电信产业的发展。

由于占尽先机同时获得广大厂商的支持,2G时代,GSM开始脱颖而 出成为最广泛采用的移动通信制式。早在1989年,欧洲就以GSM为 通信系统的统一标准并正式商业化,同时在欧洲起家的诺基亚和爱 立信开始攻占美国和日本市场,仅仅10年功夫,诺基亚就推倒摩托 罗拉成为全球最大的移动电话商。

认识一下2G时代的主流网络制式:

GSM:全球移动通信系统Global System for Mobile Communication 就是众所周知的GSM,是当前应用最为广泛的移动电话标准。全球 超过200个国家和地区,超过10亿人使用GSM电话。GSM标准的无 处不在使得在移动电话运营商之间签署"漫游协定"后用户的国际漫游 变得很平常。

GSM 较之它以前的标准,最大的不同是它的信令和语音信道都是数 字式的,因此GSM被看作是第二代 (2G)移动电话系统。这说明数字 通讯从很早就已经构建到系统中,GSM是一个当前由3GPP开发的开 放标准。

TDMA:TDMA(Time Division Multiple Access) 时分多址是把时间分 割成周期性的帧(Frame),每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送 信号,在满足定时和同步的条件下,基站可以分别在各时隙中接收 到各移动终端的信号而不混扰。同时,基站发向多个移动终端的信 号都按顺序安排在预定的时隙中传输,各移动终端只要在指定的时 隙内接收,就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。

CDMA:码分多址(CDMA)是在数字技术的分支--扩频通信技术上发 展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于 扩频技术,即将需传送的具有一定信号带宽信息数据,用一个带宽 远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制,使原数据信号的带宽被 扩展,再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机 码,与接收的带宽信号作相关处理,把宽带信号换成原信息数据的 窄带信号即解扩,以实现信息通信。

3G:第3代行动通讯标准

第2代移动通信技术标准竞争结束后,通信厂商也在思考通信标准下 一步该往哪个方向发展,此时人们对移动网络的需求不断加大,因 此第3代移动通信网络必须在新的频谱上制定出新的标准,享用更高 的数据传输速率。

3G分为四种标准制式,分别是CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA,WiMAX。在3G的众多标准之中,CDMA这个字眼曝光率最高。CDMA是Code Division Multiple Access (码分多址)的缩写,是 第三代移动通信系统的技术基础。CDMA系统以其频率规划简单、系 统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容 量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。

中国于2009年的1月7日颁发了3张3G牌照,分别是中国移动的TD-SCDMA,中国联通的WCDMA和中国电信的WCDMA2000。

新一代移动通讯系统,同样是建构在数字数据传输上,3G最吸引人 的地方在于每秒可达384 Kbit的高速传输速度,在室内稳定环境下甚 至有每秒2 Mbit的水准,稳定的联机品质也利于长时间网络连结,有 了高频宽和稳定的传输,影像电话和大量数据的传送更为普遍,移 动通讯有更多样化的应用,因此3G被视为是开启移动通讯新纪元的 重要关键。

世界上主流的3G规格为WCDMA与CDMA2000系列,另外还有中国 大陆主推的TD-SCDMA。

在我国,相对成熟的WCDMA网络和CDMA2000网络让中国联通和中 国电信拥有很大的起跑优势,而中国移动的TD-SCDMA由于是自主 研发,因此在3G用户数量、终端数量、运营地区上都存在一定的劣 势。从现在来看,采用自主技术的中国移动在网络上吃了大亏,网 络速度上一直被电信和联通紧紧压制。

此外,美、加、澳、韩以及日本KDDI则是采用CDMA 2000系列,其 中又包括CDMA 2000 1X等。至2004年止,全球CDMA 2000 1X的用 户已经超过1亿,而WCDMA约有1200万的用户支持。

4G:无线蜂窝电话通讯协议 100Mbps的速度下载

4G网络是指第4代无线蜂窝电话通讯协议,是集3G与WLAN于一体并 能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上 下的技术产品。4G系统能够以100Mbps的速度下载,比拨号上网快 2000倍,上传的速度也能达到20Mbps。

4G包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式。严格意义上来讲,LTE只是 3.9G,尽管被宣传为4G无线标准,但它其实并未被3GPP认可为国际 电信联盟所描述的无线通讯标准IMT-Advanced,因此在严格意义上 其还未达到4G的标准。只有升级版的LTE Advanced才满足国际电信 联盟对4G的要求。

2013年12月,工信部在其官网上宣布向中国移动、中国电信、中国 联通颁发“LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务(TD-LTE)”经营许可, 也就是4G牌照。至此,移动互联网的网速达到了一个全新的高度。

对于用户而言,2G、3G、4G网络最大的区别在于传速速度不同, 4G网络作为最新一代通讯技术,在传输速度上有着非常大的提升, 理论上网速度是3G的50倍,实际体验也都在10倍左右,上网速度可 以媲美20M家庭宽带,因此4G网络可以具备非常流畅的速度,观看 高清电影、大数据传输速度都非常快,只是资费是一大问题。

如今4G信号覆盖已非常广泛,支持TD-LTE、FDD-LTE的手机、平板 产品越来越多。

可能很多朋友对TD-LTE和FDD-LTE不是很了解,我们来介绍一下:

LTE是基于OFDMA技术、由3GPP组织制定的全球通用标准,包括 FDD和TDD两种模式用于成对频谱和非成对频谱。

TD-LTE即Time Division Long Term Evolution(分时长期演进), 由3GPP组织涵盖的全球各大企业及运营商共同制定,LTE标准中的 FDD和TDD两个模式实质上是相同的,两个模式间只存在较小的差 异,相似度达90%。TDD即时分双工(Time Division Duplexing),是 移动通信技术使用的双工技术之一,与FDD频分双工相对应。

TD-LTE是TDD版本的LTE的技术,FDD-LTE的技术是FDD版本的LTE 技术。TD-SCDMA是CDMA(码分多址)技术,TD-LTE是 OFDM(正交频分复用)技术。两者从编解码、帧格式、空口、信 令,到网络架构,都不一样。

由于无线技术的差异、使用频段的不同以及各个厂家的利益等因 素,FDD-LTE的标准化与产业发展都领先于TD-LTE。FDD-LTE已成 为当前世界上采用的国家及地区最广泛的,终端种类最丰富的一种 4G标准。

5G:划分为移动互联网和物联网两大类 速度或达到10 Gbps

5G即第5代移动通信技术,也是4G之后的延伸,目前5G的需求及关 键技术指标(KPI)已基本确定,国际电联将5G应用场景划分为移动 互联网和物联网两大类,各个国家均认为5G除了支持移动互联网的 发展,还将解决机器海量无线通信需求,极大促进车联网、工业互 联网等领域的发展。

就目前规划来看,5G与4G、3G、2G有所不同,其并不是一个单一 的无线接入技术,也不是几个全新的无线接入技术,而是多种新型 无线接入技术和现有无线接入技术(4G后向演进技术)集成后的解 决方案总称。5G需求已扩大到物联网领域。

不得不说,高速率是5G的最大特点,4G的下一步发展最高可以达到 峰值1G的上网速率,而5G则可以最高达到10G。这也就意味着,在 5G网络环境下,一部超高清画质的电影1秒内就可以下载完成,与 4G网络相比,5G网络不仅传输速率更高,而且在传输中呈现出低时 延、高可靠、低功耗的特点,低功耗能更好地支持物联网应用。

关于5G的研究全球是从2012年开始,2013年4月19日,IMT-2020(5G)推进组第一次会议在北京召开,这是由工信部、发改 委、科技部为支持和推动5G共同成立的组织。科技部投入了约三亿 元,先期启动了国家863计划第五代移动通信系统重大研发项目,除 了国内的企业和研究机构,华为等公司也参与其中。

可以看到,是需求推动了移动技术的发展。因此虽然当前5G标准仍 遥遥无期,但考虑到未来车联网、物联网带来的庞大终端接入、数 据流量需求,以及种类繁多的应用体验提升需求等,关于5G的一 些“硬需求”已经提前得到了业界的广泛认可。无线通信技术通常每10 年更新一代,2000年3G开始成熟并商用,2010年4G开始成熟并商 用,现在研究5G,2020年成熟应该是符合规律的预期。

总结一下,80年代,语音业务是新兴需求,因此基于模拟蜂窝技术 的1G应运而生;

90年代,语音业务需求量与日俱增,数字技术取代模拟技术成为必 须,使得2G(GSM)进一步提高了语音通话的质量,提高了频谱利 用效率,同时降低了组网成本,满足了90年代新业务(语音和短 信)的需求。

21世纪,多媒体应用逐渐成为主流,“移动宽带”需求到来,以码分多 址(CDMA)为主要特征的3G的出现,支持了数据和多媒体业务;

而最近两年,移动互联网又全面兴起,“移动宽带”需求进一步提升, 以正交频分复用(OFDM)和多入多出(MIMO)为主要特征的4G成 为了支持宽带数据和移动互联网业务的关键。

从1987年的第1代移动网络到2015年的第4代移动网络,中国移动通 信走了28年,这短短的28年间我们见证了移动通信技术的突飞猛 进。在不久的将来,更高网速的5G也将诞生,相信那时候的移动通 信将进一步改变我们的生活,一起期待。

摘自:ZOL中关村在线