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移动通信的普及始于1968年AT&T贝尔实验室提出的蜂窝小区概念，即将一片广大区域分成若干个正六边形的小区，类比自然界中蜜蜂构筑的蜂巢。小区之间可以复用频谱资源，因此整个网络的容量不再受限于系统宽带；小区之间的紧密相邻可以保证用户在切换小区时没有覆盖间隙。从那时起到现在的几十年中，蜂窝通信相比其他无线通信领域，保持着较为迅猛的发展速度，其峰值速率、频谱效率、用户速率、系统容量、连接用户数等都呈现出数量级式增加趋势，其间经历了5代的更替，如表1-1所示。
表1-1 前几代移动通信系统的空口技术演进
第一代移动通信空口的多址技术是频分多址（FDMA），仅支持语音服务。每个用户的无线资源按固定频率划分，由于采用模拟幅度调制（Amplitude Modulation，AM），且对发射功率缺乏有效的控制，所以频谱效率很低。以北美的制式为例，每条通道单独要占30 kHz带宽，通话容量十分有限。模拟器件难以集成，终端的硬件成本高，体积大，普及度很低。
第二代移动通信空口的多址技术以时分多址（TDMA）为主，主要业务是语音通话，TDMA最广泛的制式是欧洲联盟（简称欧盟）主导制定的Global System of Mobile communications（GSM）标准。GSM系统将频谱资源划分成若干个200 kHz窄带，每个窄带中的多个用户按照时隙轮流接受服务。为减少小区间干扰，保证小区边缘的通话性能，GSM系统通常将相邻的7个或11个小区组成一簇，簇内各小区的频率不能复用。模拟语音信号经过信源压缩变成数字信号，采用数字调制、纠错编码及功率控制，大大提高传输效率和系统容量。GSM的信道编码主要采用分组码和卷积码，算法复杂度较低。在第二代移动通信的后期出现另外一种制式：高通公司的IS-95，主要在北美部署。IS-95是第一个使用码分复用（CDMA）的直接频率扩展的商用标准，可以被视为第三代移动通信的前奏。
第三代移动通信的空口广泛采用扩展码分多址，大大增强了信道的抗干扰能力。相邻小区可以完全复用频率，系统容量因此得到很大程度的提升。CDMA 2000/EV-DO和UMTS/HSPA是第三代移动通信的两大标准。CDMA 2000/EV-DO主要在北美、韩国、中国等国家或地区使用，载波带宽为1.25 MHz，其协议由国际标准组织3GPP2制定。UMTS/HSPA的协议由国际标准组织3GPP制定，在世界范围得到更广泛的使用。其载波带宽为5 MHz，所以又称Wideband CDMA（WCDMA）。为支持更高速率的数据业务，CDMA和UMTS各自演进成为Evolution Data Optimized（EV-DO）和High Speed Packet Access（HSPA）。它们都采用相对较短的时隙，融入了时分复用技术。第三代移动通信还有一套标准：TD-SCDMA（Time Division Synchronous CDMA），主要由中国公司和一些欧洲公司制定，属于3GPP标准的一部分。TD-SCDMA在中国大规模部署。
3G系统容量的提高在很大程度上得益于码分多址系统的软频率复用和快速功率控制，以及使用了Turbo码。1993年，Turbo码的提出使得单链路性能逼近香农极限容量。在短短几年间，Turbo码得到广泛应用，并掀起了对随机编码和迭代译码的研究热潮。
第四代移动通信的空口主要是正交频分多址（OFDMA），这个选择有一定的技术必然性。首先，4G系统的带宽至少是20 MHz，远大于3G系统的带宽。大带宽意味着时域上更密的采样和更明显的多径衰落。如果仍采用CDMA，将会产生严重的多径干扰。尽管这种干扰可以通过先进的接收机来抑制，但复杂度很高。相反地，OFDM将频带划分成多个正交的子载波，每个子载波的信道相对平坦，信号解调无需复杂的均衡器或干扰消除机制。OFDM接收机的低成本使得多天线接收机的复杂度大大降低，尤其对于大带宽系统。可以说，OFDM的引入极大地促进了多天线技术在第四代移动通信中的推广，对系统容量的提升起了重要作用。4G系统也部分使用时分复用，时隙长度比3G短，而且有一些控制信道和参考信号采用码分复用。
第四代移动通信的初期有三大标准：UMB、WiMAX和LTE。UMB是Ultra Mobile Broadband的简称，起始于IEEE 802.20，主导公司包括高通公司、朗讯公司、北电网络公司和三星公司，协议于2007年底基本完成3GPP2。但由于威瑞森（Verizon）通信公司等主流运营商对其缺乏兴趣，UMB后续的标准化和商用在2008年后就停止了。WiMAX是Wi-Fi向移动通信的拓展，2007年完成了第一版标准，得到斯普林特（Sprint）公司等运营商的支持。但由于斯普林特公司自身经营状况的恶化，再加上产业联盟过于松散，商业模式不够健全，WiMAX渐渐淡出主流标准。
LTE首个版本对应3GPP Release 8，于2008年完成。随着对UMB投入的停止和WiMAX标准的边缘化，LTE逐渐成为全球主流的4G移动通信标准。从2009年起，3GPP开始LTE-Advanced的标准化，对应Release 10，其性能指标完全达到国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）的IMT-Advanced（4G）的要求。
除了OFDM和多天线技术，LTE/LTE-Advanced还引入了一系列新的空口技术，如载波聚合、小区间干扰消除抑制、无线中继、下行控制信道增强、终端直通通信、非授权载波、窄带物联网（NB-IoT）等，使得4G移动通信系统的频谱效率、峰值速率、网络吞吐量、覆盖率等有较明显的提升。网络拓扑不仅是宏站构成的同构网，还包括宏站／低功率节点所组成的异构网。在信道编码方面，LTE基本沿用3G的Turbo码作为数据信道的前向纠错码，但在结构上进行了优化，这在一定程度上降低了译码复杂度且提高了性能。控制信道采用咬尾卷积码，降低了开销。
移动通信在第五代实现了全球统一的协议，其空口在3GPP中也称新空口（New Radio，NR），与4G系统类似，主要是正交频分多址（OFDMA）。尽管5G初期在3GPP对非正交多址（Non-Orthgonal Multiple Access，NOMA）进行过研究，但最终未能形成标准。与前4代不同的是，5G的应用十分多样化，关键性能指标不再局限于峰值速率和平均小区频谱效率。除此之外，用户体验速率、连接数、低延时、高可靠等都是重要的技术指标 [1] 。5G的应用场景大致可以归为三大类：增强的宽带移动（eMBB）、低时延高可靠（URLLC）、海量物联网（mMTC）。为支持更大的带宽（如400 MHz），从而更好地服务eMBB场景，5G NR所用的频段拓展到毫米波，如30 GHz。得益于大规模天线技术（Massive MIMO），5G系统的小区频谱效率相比4G LTE提高了3倍。5G NR的信道结构更为灵活，支持不同的子载波间隔和子帧长度，可以适应不同的传输速率、传输时延和可靠性要求。信道编码方面的演进是5G NR的一大特色，在物理业务信道，LDPC码因其高效并行的译码算法及在长码块情形下的优异性能，取代了在移动通信业已使用近20年的Turbo码；在物理控制信道（超过11 bit长度），极化码因其在短码条件下的优异性能，取代了在移动通信业使用了30多年的卷积码。
5G系统不仅涵盖地面网络，还能够与卫星网络相结合，共同实现更广域的立体覆盖。所用的频段除了运营商关心的授权频段，还支持免授权频段 [2] ，并能够独立组网。为更好地服务垂直行业，5G NR对车联网（V2X） [3] 和定位（positioning） [4] 进行了标准化，并在终端节能方面 [5] 引入许多先进技术。