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电磁频谱资源作为独立于空间维度和时间维度的珍贵资源，在近100年实现了广泛的开发与应用。麦克斯韦在1864年推导出来的麦克斯韦方程组奠定了电磁场理论的基础，赫兹在1888年首次用实验证实了电磁波的存在，而马可尼在1901年进行的跨大西洋通信开启了通信方式的新纪元 [1-2] 。自此，无线电技术的发展日新月异，并衍生出通信、导航、遥感等多种应用。这些应用极大地改变了人们的交流与沟通方式，增强了人们认知与改造自然的能力，改变了整个社会的生产与生活方式。在建设信息化社会的进程中，无线电技术仍将为国民经济和社会发展提供重要助力 [3] 。
总的来说，电磁波有三大用途：一是作为传感器用于信号探测，比如雷达；二是作为信息载体用于传递数据，比如无线通信；三是作为能量载体用于传递能量，比如无线充电。在众多应用中，无线通信无疑是最耀眼的明珠之一。目前，无线通信已经衍生出许多专有的应用场景，比如移动通信、卫星通信等。不同的应用场景具有不同的需求和技术特征。比如，在卫星通信系统中，通信一方是在轨卫星，另一方是地面终端用户。尽管应用场景各不相同，但是它们都可简化为一个点对点通信模型。针对不同的应用场景，需要有针对性地设计发射端和接收端器件，并评估收发之间的无线信道的质量。
移动通信是无线通信的主要应用实现。移动通信典型应用场景如图1-1所示。移动通信系统包括基站、移动终端和无线信道这3部分。每个基站负责一定区域的信号覆盖，相邻基站之间通过频率复用实现服务无缝衔接。移动终端包括手机和平板计算机等便携设备，其中，手机的应用最广泛。当移动终端与基站进行通信时，两者之间就建立了电磁波的传播信道，即无线信道。这3部分的特点总结如下。
基站：位置不可移动，用于提供稳定的无线信号覆盖。根据覆盖距离的不同，可分为宏基站、微基站、直放站和室内分布系统等。由于基站位置固定，因此对成本和功耗的要求可适当放宽，侧重高性能的实现。一个基站通过时分复用、频分复用或码分复用等方式可同时服务多个终端用户。
移动终端：位置可任意移动，用于接入移动通信网络，强调机动性和便携性，对成本和功耗有严格限制，对尺寸和重量也有较强约束。在基站覆盖区域内，移动终端与单个基站建立稳定联系。在基站覆盖区域边缘，移动终端可同时接收多个基站发送的信号，一般通过软切换实现跨区服务切换。
无线信道：由于移动终端的位置可任意移动，移动通信系统的无线信道较复杂。电磁波的传播一般分为视线传播和非视线传播。视线传播信道较为简单，与自由空间中的电磁波传播信道类似，只需要考虑大气衰减。非视线传播信道包括反射路径、折射路径、衍射路径等，电磁波经过多条路径到达接收机时会产生信号的叠加或抵消。一般从时变、频率选择性等角度描述无线信道的特征。
图1-1 移动通信典型应用场景
由于信道传播环境一般是随时间变化、难以预估的，因此无线信道中的电磁波通常是无法调控的物理量。可重构智能超表面技术提供了一种主动改变信道的新型范式，在未来有较大潜力应用于6G，但如何充分挖掘其潜能仍有待进一步研究。在绝大部分情况下，能调控的物理量是基站侧和移动终端侧的电磁波。为了高效产生和接收电磁波，同时兼顾移动通信的特点，移动通信系统对基站和移动终端提出了不同的要求，具体的设备特性如表1-1所示。为了提高移动终端便携性，选择牺牲移动终端天线性能，而基站的空间较为充裕，可以选择提升基站天线性能来弥补移动终端天线性能下降所造成的损失，进而确保基站与移动终端之间可以建立稳定的无线信道。
表1-1 移动通信系统的设备特性
移动通信的使命是在全球范围内为人们提供良好的电磁信号覆盖。为了使全世界的移动终端用户都能无感接入移动通信网络，一个统一、通用的全球标准是不可缺少的。这个标准规定了信号的制式、工作频率、调制方式等参数。只要遵守了这个标准，不同品牌的终端都可接入同一个移动网络。这个工作目前由国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）负责组织和协调。
从20世纪80年代移动通信大规模商用开始至今，移动通信共经历了5代标准的演进。每代标准跨度约10年，相比上一代均有较大的性能提升。图1-2展示了移动通信标准的演进。
图1-2 移动通信标准的演进
注：AMPS为Advanced Mobile Phone System，高级移动电话系统；
TACS为Total Access Communication System，全接入通信系统；
GSM为Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统；
CDMA为Code-Division Multiple Access，码分多址；
WCDMA为Wideband CDMA，宽带码分多址；
TD-SCDMA为Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步码分多址；
TD-LTE为Time-Division Long Term Evolution，时分长期演进技术；
FDD-LTE为Frequency-Division Duplex Long Term Evolution，频分双工长期演进技术。
1G：这一代移动通信主要解决移动通信从无到有的问题，典型代表是模拟蜂窝移动通信系统。主要标准有美国的AMPS和欧洲的TACS，并未形成世界范围内的标准。其中的关键技术是贝尔实验室提出的蜂窝网，它通过将整个网络划分为一个个蜂窝子网络实现了频率复用，大大提高了系统容量。2008年，美国关闭了AMPS，这标志着1G彻底退出了世界舞台。
2G：针对1G暴露出的频谱利用率低、业务种类有限等问题，2G采用数字通信技术替代模拟通信技术，主要标准有欧洲推出的GSM和美国推出的基于CDMA的IS-95（Interim Standard 95，临时标准-95）。2G主要提供语音服务，兼具短信和彩信收发功能，并首次具备了低速数据传输能力，是世界上第一个实现全球互联的移动通信标准。即便经过了30多年的发展，2G目前仍然是许多国家的主要通信标准之一，表现出了持久的生命力。
3G：在实现了语音服务之后，新的需求是在线浏览图片和文字等数据传输速率更快的互联网服务。3G的主要标准包括欧洲提出的WCDMA、美国提出的CDMA2000和我国提出的TD-SCDMA。3G实现了移动通信和互联网的融合，具备无线上网功能以及更灵活的组网能力。然而，由于各个国家的标准不统一，且传输速率提升有限，无法满足多媒体的高速数据传输需求，3G在许多国家只是过渡性的标准，并未大规模推广。
4G：为了提供高速数据传输服务，结束多个同代制式相争的混乱局面，4G只有一个LTE（Long Term Evolution，长期演进技术）标准，用于统一制定各种接口。相比3G，4G在许多方面都有相当大的改进。4G的核心网从电路域全面转向了IP（Internet Protocol，互联网协议）域，管理更加扁平化，无线频谱利用率得到了极大提升，以满足高速数据传输需求。4G网络不仅可以传输图片，而且具备视频实时传输能力，是当今世界的主流移动通信网络，也是移动互联网快速发展的基石。
5G：为了满足高速率、低时延和海量连接等多样化需求，5G的发展方向和场景更加多元化，它不仅要实现人与人之间的高速数据传输，还要满足人与物、物与物之间的高效通信。目前，5G在全世界已实现大规模商用，未来，它将在物联网、车联网、智慧医疗、智慧工厂、虚拟现实等多个领域取得突破，是目前正在推广的标准。