下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
先介绍几个概念。有线通信是指将电线或者光缆作为通信介质的通信形式。无线通信是指节点间不经由线缆进行信号传输的通信形式。按传输设施类型，无线通信可分为无线移动通信和无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）通信。无线移动通信需要公共基础通信设施，使用分组无线电、蜂窝网络和卫星站等来传输信号。WLAN通信则采用所有权归属于某家庭或单位的发射设备和接收设备来传输信号。
无线通信与有线通信相辅相成，共同推动通信技术的发展，二者关联如图1-1所示。
图1-1 无线通信与有线通信相辅相成
异步转移模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）是一种数据传输技术，在采用此技术进行数据通信时，首先将传输数据分为固定长度的数据，然后建立虚电路（虚信道和虚通道），实现高速信息交换，主要用于有线通信。ATM技术适用于局域网和广域网。IP是一种网络层协议。IP技术可以用于保证不同网络的互通。IP网络是基于传输控制协议/互联网协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）的分组网。E1是指欧洲的30路脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）标准，速率为2.048 Mbit/s，采用E1标准的线路简称2M线。快速以太网（Fast Ethernet，FE）是通常所说的百兆网，即100 Mbit/s网络。IP化指话音、数据等各种业务均承载在IP网络上进行传输。软件定义带宽是指通过软件定义网络（Software Defined Network，SDN）技术实现带宽的灵活配置。
第二代移动通信技术（2nd Generation Mobile Communication Technology，2G）、第三代移动通信技术（3rd Generation Mobile Communication Technology，3G）等是无线移动通信技术，简称移动通信技术。
1968年，在消费电子展上，摩托罗拉公司推出了第一代商用移动电话的原型，之后美国贝尔实验室发明了高级移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS），接着提出了改进技术，即全接入网通信系统（Total Access Communication System，TACS），之后全球相继研发蜂窝式移动通信网并实现应用。早期的移动通信技术称为1G，属于模拟通信方式，采用频分多址（Frequency-Division Multiple Access，FDMA）方式、30 kHz带宽，以及频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK）、调频（Frequency Modulation，FM）的调制方式，实现语音应用。这是通信历史上的重大突破，从此移动通信开始飞速发展。
2G采用数字信号传输，它采用时分多址（Time-Division Multiple Access，TDMA）和码分多址（Code-Division Multiple Access，CDMA）、200 kHz带宽，以及高斯最小频移键控（Gaussian Minimum frequency-Shift Keying，GMSK）调制方式，实现语音、短信和少量数据业务的应用。2G主要提供话音和低速数据的传输业务，它包括全球移动通信系统（Global System for Mobile communications，GSM）等。相对于1G，2G频谱利用率得到提高。2G支持多种业务服务，可以与综合业务数字网（Integrated Services Digital Network，ISDN）等兼容，其标准体制较为完善、技术相对成熟。但2G较1G的不足在于相对于模拟系统，其容量增加不多，无法和模拟系统兼容，而且2G在有效性与可靠性方面存在不足，对数据的加密程度较弱，对通信信息的保密能力不强，信息容易被攻击者监听。2G中的GSM发源于欧洲，支持64 kbit/s的数据传输速率，可与ISDN互连。采用GSM标准的有GSM900和DCS1800等系统。以DCS1800为例，它指的是使用1800 MHz频带的数字蜂窝系统（Digital Cellular System），采用频分双工（Frequency-Division Duplex，FDD）方式，每载频支持8个信道，信号带宽为200 kHz。
1985年，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）提出了3G标准，它以CDMA为核心技术，以移动宽带多媒体通信为目标，工作频带为2000 MHz，最高业务速率可达2000 kbit/s。CDMA从技术上主要分为CDMA2000、宽带码分多址（Wideband CDMA，WCDMA）和时分同步码分多址（Time-Division Synchronous CDMA，TD-SCDMA）技术。CDMA2000采用直接序列扩频CDMA和FDD方式，在EV-DO Rev A版本中，可以在1.25 MHz的频带内提供高达3.1 Mbit/s的下行数据传输速率。WCDMA也采用直接序列扩频CDMA和FDD方式，以R99/R4为基础版本，在扩展版本R5、R6中，可以5 MHz的频带提供高达21 Mbit/s的用户数据传输速率。TD-SCDMA采用时分双工（Time-Division Duplex，TDD）与FDMA、TDMA、CDMA、空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）相结合的技术，以R4为基础版本，可以1.6 MHz的频带提供高达384 kbit/s的用户数据传输速率。3G采用CDMA、TDMA、FDMA等方式，最大支持5 MHz频带，支持更高阶的、包含16种符号的正交调幅（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）方式，采用自适应调制编码（Adaptive Modulation and Coding，AMC）、混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）等技术，可以传输较多的数据业务。3G传输速率高，支持多媒体业务，对于如室内、室外等不同的通信环境，传输速率能够实现按需分配。在有效性与可靠性方面，3G的加密保护和抗干扰能力表现优异，与2G相比有了显著的提升。
长期演进技术（Long Term Evolution，LTE）是3G到第四代移动通信技术（4th Generation Mobile Communication Technology，4G）的过渡。2012年1月，ITU确立了LTE、LTE-Advanced、WiMAX及Wireless MAN-Advanced（IEEE 802.16m）这4种4G（IMT-Advanced）标准。4G采用正交频分复用（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，OFDM）结合多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）的多址方式，最大支持20 MHz带宽，支持更高阶的64QAM的方式，采用载波聚合（Carrier Aggregation，CA）、三维MIMO（3D MIMO）、包含256种符号的QAM（256QAM）等技术，进行更多数据业务的传输，取消了电路交换（Circuit Switching，CS）域应用。LTE通信方式灵活多变，采用软件无线电技术，通过软件应用和更新，即可实现多种终端通信。
随着数字化、全球化趋势越发明显，对移动通信的需求也不断提高，移动通信需要更高的通信速率和可靠的通信能力，因此出现了第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology，5G），5G新空口（New Radio，NR）采用滤波正交频分复用（Filtered-Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，F-OFDM），最大支持400 MHz带宽，支持更高阶的256QAM的方式，使用自包含帧、大规模多输入多输出无线阵列（Massive MIMO）等技术，支持大规模机器类通信（massive Machine Type Communication，mMTC，也称大连接物联网）、增强型移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超可靠低时延通信（Ultra-Reliable and Low-Latency Communication，URLLC）三大场景应用。5G带来更好的用户体验、更高的网络平均传输速率和更低的传输时延，并且使用更高频段的频谱。
综上所述，移动通信系统的典型特征演进历程如图1-2所示，其中R99、R7、R8、R14、R15、R17指不同技术对应的第三代合作伙伴计划（3rdGeneration Partnership Project，3GPP）协议版本号。1G发展到2G，实现了从模拟电路到数字电路的变迁；2G发展到3G，实现了从语音通信到数据通信的飞跃；4G将互联网等技术用于移动通信，大大提高了带宽的使用率；4G发展到5G，实现了固定网络和移动网络的融合。移动通信技术从1G到5G，不断发展，多址方式越来越多，调制方式逐步演进，信道带宽不断增长，采用的技术“百花齐放”，主要应用丰富多彩，网络融合不断发展，第六代移动通信技术（6th Generation Mobile Communication Technology，6G）的到来更是让人充满期待。
图1-2 移动通信系统的典型特征演进历程
5G网络拥有传输速率快、时延低、容量大等优势。随着新业务类型和需求的发展，面向企业（to Business，2B）和面向用户（to Customer，2C）通信场景丰富多样，覆盖、业务、应用、生态等方面都对移动通信网络的带宽和容量提出了更高的需求，5G面临巨大挑战，如图1-3所示。
图1-3 5G面临的挑战
5G在满足个人用户信息消费、社会行业应用的广泛需求的前提下，实现了移动通信网络向产业型应用的升级，但5G的通信对象集中在以地面网络为代表的有限空间范围内，在信息交互方面存在空间范围受限的问题，例如在沙漠、无人区等无基站覆盖的区域形成通信盲区，又如传输带宽、连接数密度等性能指标难以满足某些垂直行业（如工业、交通、医疗等使用5G的行业，以及与通信行业存在交叉点的行业）应用的不足，再如大规模机器人的使用等需要更高的传输带宽、更高的连接数密度、更低的端到端时延等。
5G时代，电信运营商作为数字化服务商，在2B、2C方面提供了多元服务范式，例如企业对企业（Business to Business，B2B）、企业对用户（Business to Customer，B2C）等，如图1-4所示。
图1-4 电信运营商的多元服务范式
随着5G网络建设的全面开展，5G对社会和生产所带来的改变将越来越大，用户的需求不断丰富，将促进移动通信网络向前发展。
在2C方面，5G的商业模式从单一流量经营转向多维价值经营。5G的大流量为电信运营商提供了更大的商业价值，切片、高速率、低时延等则为电信运营商提供了综合性价值经营增长点。6G时代，丰富的业务应用将给消费者的体验带来巨大变化，例如自然逼真的视觉还原实现人、物及其周边环境的三维动态交互等业务需求融入日常应用，可以带来更具情境感知的体验。
在2B方面，5G的mMTC、eMBB、URLLC三大场景赋能垂直行业，新型业务场景不断出现，对网络提出了更高、更多的需求。例如，快递物流的大规模机器人、无人驾驶飞行器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV，简称无人机）的使用等需要更高的传输带宽、更高的连接数密度、更低的端到端时延、更高的可靠性和确定性，以及更智能化的网络特性。随着传感器技术和物联网（Internet of Things，IoT）应用的不断演进，每平方米连接的设备数量不断增加，现有网络技术难以满足更多连接设备接入网络的需求。另外，2B业务对数据安全性、服务可靠性普遍有较高的要求。这些需求使得移动通信网络与垂直行业的融合应用得以快速推进和持续发展。因此，在2B通信场景下，5G赋能千行百业，万物互联，将为电信运营商增收提供新的来源。
由此，移动通信网络不断演进，网络性能不断升级、优化、健壮，成就了更优秀的网络能力。
5G网络大力拓展了应用场景，网络成为人与人交流、人与物交互、物与物互联等的强大媒介。5G时代，2C模式在满足基本的移动通信和固网宽带业务需求以外，重视带宽和上网速率；2B模式则主要以物与机器为服务对象，企业用户对带宽、连接数量、时延等网络质量要求更高。网络即服务（Network as a Service，NaaS）指用户通过虚拟的网络层，使应用和服务摆脱底层硬件的束缚，从而获得快捷、廉价的网络服务。随着行业用户需求的丰富化、个性化，电信运营商2B业务正逐渐采用NaaS模式，且不断构建多元化合作生态，以最大化释放5G的网络能力。
目前，跨领域新技术层出不穷，扩展了未来网络相关技术的范畴，多种技术的融合不断推动移动通信网络向前演进，催生了对未来网络发展的新期待。以交叉科学为例，交叉科学是多个学科的融合，在未来网络发展中，在通信技术以外，还需要人工智能、数学等学科融合，助力通信发展。以通信技术为例，目前基于通信技术的、以人工智能（Artificial Intelligence，AI）技术为核心的节能控制策略生成方法等，陆续在电信运营商网络能耗控制中应用，赋能人工智能等学科，带来行业与社会发展的变革。
网络侧，信息技术（Information Technology，IT）与通信技术（CT）不断融合，促进新技术应用于移动网络。高速互联技术等极大地增强了计算能力，其他如确定性网络等网络技术的普及和突破，将为移动网络的融合演进提供持续动力。同时，区块链（Blockchain）、数字孪生（Digital Twin，DT）等新技术的涌现，为移动网络带来更好的性能改善。
空口侧，极致速率连接的高频通信技术需要丰富的频谱资源，从而实现空天地海一体化网络（Air-Space-Ground-Ocean Integrated Network，ASGO-IN）通信，以及主动智能地调控无线传播信道资源等。
终端侧，新型材料、传感器及电池制造等技术不断成熟，推动终端向绿色安全、更大容量、更小形态等方向融合演进。随着全息成像类等技术的发展，新型全息类、扩展现实（Extended Reality，XR）类移动业务等的应用得以实现，并推动移动业务及移动网络不断演进。
多样化的通信场景对未来网络提出了更多的业务需求，通信带宽、通信子载波个数、通信资源块分配方案等都需要满足这些需求。未来网络演进需考虑图1-5所示的未来网络需求。
图1-5 未来网络需求
目前，全球居民收入存在明显差距，老龄化程度进一步加深，人口出生呈现区域不均的趋势。通信技术以直播带货等方式为契机，推进了人力资本提升和人力配置优化。当下，我国正全面推进乡村振兴，加快农业农村现代化，这也推动了区域发展的现代化进程。因此，未来网络应该覆盖全球、普惠全域，利用卫星通信、无人机通信、地面通信和海上通信等，实现空天地海一体化的全域网络覆盖。
对人与人、人与物、物与物的连接数量的需求不断增加，在多种应用场景下，需要未来网络承担更多连接设备的接入。
气候变化是跨越国界的全球性挑战。碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人，通过植树造林、节能减排等形式，抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量，达到相对“零排放”。碳达峰是指在某个时间点，二氧化碳的排放量不再增长，达到峰值，后继逐步回落。碳达峰与碳中和一起简称为“双碳”。2022年，在中共中央政治局第三十六次集体学习时，习近平总书记强调，要充分认识实现“双碳”目标的紧迫性和艰巨性，“推进产业优化升级”“推动互联网、大数据、人工智能、第五代移动通信（5G）等新兴技术与绿色低碳产业深度融合”。
算力，通俗来说是计算能力，具体来说是通过对信息数据进行处理，实现目标结果输出的计算能力。越来越多的连接数量需要强大的算力支撑，需要重新定义软件和硬件，重新设计全新的网络标准接口，实现全网的算力无所不在，为各类业务以及高度智能化系统提供所需的基础设施。例如，资源的分配、卸载、缓存等都会对系统性能有影响，需要算力的支撑。
随着大数据、物联网等的广泛应用，需要充分考虑隐私保护与系统性能之间的矛盾，探索大规模无线网络架构下的新型隐私保护方案。
由于应用场景增加、用户种类增多、服务需求增多、用户对网络质量要求提高，未来网络需要实现以数字化变革为基础的虚拟化、智能化、开放化，以满足新服务的新需求。
智能对象可利用算网一体技术实现智能响应，即智能原生。智能原生从赋予网络基础架构智能化，到产品、解决方案全面嵌入智能，再到助力用户智能迭代，从而助力行业进入全面智能时代。例如，通过建立智能模型等，进一步优化大规模网络中的无线机制，解决由大量信息交互引起的时延开销增大以及通信质量下降等问题，实现低时延、高吞吐量的通信；探索人工智能驱动的机器学习（Machine Learning，ML）等技术，可对解决各类关键问题提供帮助。
以元宇宙为代表的虚拟技术不断发展，立足现有知识，借助新技术，构建新模型，进行高性能计算，以探索虚拟世界，成为通信行业演进的方向之一。
本章描述了移动通信的发展历程。移动通信经历了从1G的语音、2G的语音和文本、3G的多媒体、4G的移动互联网到5G的场景连接的发展，从原来只能传输模拟声信号到如今成为信息时代各种形式信息传播的重要基石，通过不断演进，通信能力飞速提升。不断发展的、多样的通信场景对未来网络提出更高的需求，6G网络是发展方向，将带来社会、技术、业务等的发展、变革。