下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
1968年AT&T贝尔实验室提出蜂窝小区的概念，开启了人类进入移动通信的时代。蜂窝小区的思想源于自然界的蜂巢，多个正六边形的小区构成一片连续的区域，小区之间能够复用频率，缓解了频谱资源的限制，并且实现了无缝隙的覆盖（至少从几何意义上讲）。在之后的50多年里，移动通信的发展一直保持着较为迅猛的速度，在各项关键性能指标上，如峰值速率、频谱效率、用户体验速率、系统容量、连接终端数等都有跨越式的增加，已经历了五代的演进，如表1-1所示。
表1-1 前几代移动通信空口技术演进
第一代移动通信空口采用的是频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA），仅支持语音服务。每个终端的无线资源按固定频率划分，采用模拟幅度调制（Amplitude Modulation，AM），对发射功率的控制较松，所以系统的频谱效率十分低下。以北美的制式为例，每条通道单独要占30 kHz带宽，通话容量受限。另外，模拟器件不容易集成，终端的硬件成本高，体积大，只有少数的高端客户拥有。
第二代移动通信空口以时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）为主，主要业务是语音通信，TDMA中商业上最成功的制式是欧盟主导制定的全球移动通信系统（Global System of Mobile communications，GSM）标准。GSM将频谱资源划分成若干个200 kHz频带，每个频带中的不同终端按照时隙轮流得到服务。为有效控制小区间干扰，保证小区边缘的通话性能，GSM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。在信号处理方面，模拟语音信号经过信源压缩变成数字信号，然后采用数字调制、纠错编码。通过采取信源压缩、编码保护，以及功率控制，GSM的传输效率和系统容量比第一代移动通信有了较大的提高。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一种制式：高通（Qualcomm）的IS-95，主要在北美部署。IS-95是第一个使用码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）的直接频谱扩展（Direct Spread Spectrum）的商用标准，可以被看作第三代移动通信的前奏。
第三代移动通信的空口广泛采用码分多址，扩展码之间的抗干扰能力使得相邻小区可以完全复用频率，从而大大提高整个系统的容量。第三代移动通信有两大标准：cdma2000/EV-DO
和UMTS/HSPA
。cdma2000/EV-DO主要在北美、韩国和中国等国家和地区部署，载波频带宽度为1.25 MHz，相应的国际标准组织是第三代合作伙伴计划2（3rd Generation Partnership Project 2，3GPP2）。UMTS/HSPA的国际标准组织是第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP），在世界范围内得到了更广泛的部署，其载波带宽为5 MHz，所以又称宽带码分多址（Wideband CDMA，WCDMA）。在2004年前后，为支持更高速率的数据业务，CDMA和UMTS各自演进成为演化数据优化（Evolution Data Optimized，EV-DO）和高速分组接入（High Speed Packet Access，HSPA），它们都采用较短的时隙，融入了时分复用 技术。另外，第三代移动通信还有一套部署范围相对局限的标准——时分同步码分多址（Time Division Synchronous Code Division Multiple Access，TD-SCDMA），属于3GPP标准的一部分。TD-SCDMA在中国得到大规模的部署。
3G的码分多址系统使用了软频率复用和快速功率控制，并将Turbo码首次用于主流的移动通信协议，这些都大大提高了系统的容量。Turbo码于1993年提出，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，并激发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（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA），4G的带宽至少是20 MHz，远大于3G的带宽。大带宽在时域上对应更密的采样，在传播信道上的体现是更显著的多径衰落。如果仍采用CDMA，将会产生严重的多径干扰，尤其当扩展因子不高时（传输速率与扩展因子成反比，高速率传输的扩展因子不能很高）。尽管这种干扰可以通过先进接收机来抑制，但大大增加了系统的复杂度。而正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）将频带划分成多个正交的子载波（Subcarrier），每个子载波的信道相对平坦，接收机的复杂度可以大幅度降低，这也极大地促进了多天线多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）技术在大带宽系统中的广泛应用，无须配备复杂的MIMO接收机，这些都对系统容量的提升起到了重要作用。
第四代移动通信在发展之初有三大标准并行：超移动带宽（Ultra Mobile Broadband，UMB）、全球微波接入互操作性（World Interoperability for Microwave Access，WiMAX）和长期演进（Long Term Evolution，LTE）。UMB最初在IEEE 802.20中研究制定，主导公司包括高通（Qualcomm）、朗讯科技（Lucent Technologies）、北电（Nortel）和三星（Samsung），之后转入3GPP2，并于2007年年底完成第一版协议。但由于美国、日本等国一些主流运营商对此缺乏兴趣，UMB在标准和商用方面的推动于2008年后趋于停止。WiMAX是由IEEE 802.16制定的，2007年完成了第一版标准，当时得到美国Sprint等运营商的大力支持。但后来由于Sprint经营状况恶化，以及过于松散的商业生态和不够健全的商业模式，WiMAX逐渐淡出第四代移动通信。
LTE的首个版本3GPP Release 8（Rel-8）于2008年完成。随着对UMB投入的停止和WiMAX标准被边缘化，LTE逐渐成为全球统一的4G移动通信标准。接着，3GPP开始LTE-Advanced的标准化，即Release 10（Rel-10），该版本的性能指标可以完全满足国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）对IMT-Advanced（4G）的要求。
除了OFDM和多天线这两大标志性技术，LTE/LTE-Advanced还引入了一系列新的空口技术，例如，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（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）等，这些技术使得4G移动通信系统的频谱效率、峰值速率、网络吞吐量、覆盖等有较明显的提升。网络拓扑也不仅是相同配置的宏站构成的同构网，还有宏站与低功率节点所组成的异构网。在信道编码方面，LTE沿用3G的Turbo码作为数据信道的纠错码，在结构上进行了优化，进一步降低了译码复杂度并提高了性能。控制信道采用咬尾卷积码，开销进一步降低。
第五代移动通信在发展之初就是由3GPP来唯一制定标准的，这为全球统一的5G标准打下了基础，5G的空口在3GPP也称新空口（New Radio，NR），多址方式与4G类似，主要是正交频分多址（OFDMA）。尽管起初3GPP对非正交多址（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）进行过研究，但最终未能形成标准。相比前4代移动通信，5G的应用十分多样化，关键性能指标不再只是峰值速率和平均小区频谱效率等，还包含用户体验速率、连接数、低时延、高可靠等。5G的应用场景大致可以分为三大类：增强移动宽带（enhanced Mobile BroadBand，eMBB）、超可靠低时延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC）、海量物联网通信（massive Machine Type Communication，mMTC）。为支持更大的带宽（如400 MHz），更好地服务eMBB，5G空口所用的频段拓展到毫米波，如30 GHz。5G由于采用了大规模天线（Massive MIMO）技术，使得其小区频谱效率相比4G LTE提高了3倍。5G空口支持更为灵活的信道结构、子载波间隔和子帧长度，从而适应不同的传输速率、传输时延和可靠性要求。5G空口在信道编码方面有较大的突破，其物理业务信道采用译码并行性好的低密度奇偶校验（Low Density Parity Check，LDPC）码，代替了Turbo码；其物理控制信道采用性能更加优异的极化（Polar）码，代替了2G以来广泛使用的卷积码。
5G不仅涵盖地面网络，还可以与卫星网络相结合，实现更广泛的立体覆盖。5G所用的频段除了运营商关心的授权频段（Licensed Band），还支持免授权频段（Unlicensed Band），并能够独立组网。为了更好地支持垂直行业，应用5G空口对车联网（Vehicle to everything，V2X）和定位（Positioning）进行了标准化，并在终端节能方面引入了许多先进技术。