每一代移动通信网络技术的发展,都有不同的技术特点。进入 20 世纪以来,移动通信经历着飞速发展:第一代移动通信系统(The 1st Generation Mobile Communication System,1G)基于模拟通信技术,实现了人与人之间的移动通话;第二代移动通信系统(The 2nd Generation Mobile Communication System, 2G)使用了数字通信技术,满足了人们对短信、数字语音和手机上网的需求;第三代移动通信系统(The 3rd Generation Mobile Communication System,3G)在 2G 的基础上,以多媒体通信为特征,实现了移动互联网;第四代移动通信系统(The 4th Generation Mobile Communication System,4G)在3G的基础上,结合了无线局域网络(Wireless Local Area Network,WLAN)的功能,推动了移动视频业务的发展,可以完成图像以及视频的传输;第五代移动通信系统(The 5th Generation Mobile Communication System,5G)的商用为各行各业赋能相关通信能力,借助高频谱、低能耗的技术优势,开启了万物互联的全新时代。而未来的第六代移动通信系统(The 6th Generation Mobile Communication System,6G)将是人机物三元融合的智能网络,借助大数据、人工智能、云计算等实现万物智联。
2G网络于1991年在芬兰正式商用,但直至1995年才逐渐被世界各国引入并真正普及。最初的2G网络只有电路域,仅能够为用户提供基本的语音及短信业务。2G的基本技术包括两种:一种以全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications,GSM)为代表,由时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)发展而来;另一种是基于码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)模式。通常来说,2G 网络指的是基于 GSM 的网络,其主要由以下4个部分构成。
①移动台(Mobile Station,MS),主要负责无线信号的收发及处理。
②基站子系统(Base Station Subsystem,BSS),由基站收发信台(Base Transceiver Station,BTS)和基站控制器(Base Station Controller,BSC)构成,负责无线资源的管理及配置。
③网络与交换子系统(Network and Switching Subsystem,NSS),负责用户具体业务处理、移动性管理及用户数据库管理,以及保证用户的安全性及提供接入外部网络的接口。
④操作管理系统(Operation Management System,OMS),主要负责网络的建设、状态报告及故障诊断。
在GSM中,2G网络管理包含网络资源和活动的规划、监视、组织、控制与计费,主要功能包括性能管理、配置管理和故障管理 [1] 。
①性能管理提供对通信设备的网络单元、网络或性能的有效性评价,一般通过一组性能指标来判断网络是否满足吞吐量需求、是否过载等。性能管理必须实现服务质量监视、业务管理、网络控制和性能监测功能。
②配置管理使网络管理实现对网络单元(Network Element,NE)的按序标识与控制,并完成从网络单元收集数据及向网络单元提供数据的过程。
③故障管理完成对网络环境的异常检测,相关故障管理参数主要有故障类型、级别、原因及时间等。
随着通信技术的快速发展,由于难以满足用户逐渐增长的业务需求,2G网络逐渐淡出人们的生活,国内外的各个运营商也逐渐停止与2G网络相关的服务。
为降低布网资源消耗,3G 网络采用与 2G 网络相同的网络架构,即基于GSM/通用分组无线服务(General Packet Radio Service,GPRS)的核心网(Center Network,CN),主要区别在于声音和数据传输速率的提升。3G网络将无线通信与国际互联网等多媒体通信方式结合,支持高速数据传输,能够同时传送声音(通话)及数据信息(如电子邮件、即时通信等),提供网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。
国际电信联盟(International Telecommunications Union,ITU)确定了3G通信的三大无线接口标准,分别是宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access,WCDMA)、码分多路访问 2000(Code Division Multiple Access 2000, CDMA2000)和时分同步码分多路访问(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access,TD-SCDMA)。其中,TD-SCDMA标准由我国首次提出,我国基于无线传输技术开展的国际合作对3G网络发展做出了贡献。
与2G网络管理相比,3G网络管理增加了对网络的性能分析,提供了操作服务质量评估与报告等。3G网络管理最基本的功能包括:故障管理、配置管理、账务管理、性能管理和安全管理。由于能够提供比2G设备更大的带宽,3G网络管理具有更加丰富的业务管理能力。3G网络管理系统在充分借鉴2G网络管理系统经验的基础上,面向设备、网络管理以及业务和客户发展,建立了统一的网络和业务资源模型 [2] 。
相较于前两代移动通信网络技术取得的重大突破,3G对于通信技术的意义在于定义性质,让网络通信拥有传输速率的概念,属于过渡方案,仅能够完成基础运行。因此,在完成相关技术的研究之后,3G被具有更高传输速率的4G所替代。
4G移动通信网络技术,是现代电子技术与互联网快速发展的重要产物,是现代文明发展的内在需求。4G在3G的基础上融合了WLAN技术的优势 [3] ,实现了更加清晰的图像画面以及视频传输。4G网络下载速率可以达到过去拨号上网速率的数千倍。
4G网络不再支持电路域,之前的电路域业务由互联网协议(Internet Protocol, IP)多媒体子系统(Internet Protocol Multimedia Subsystem,IMS)服务代替。4G核心网的功能相较于传统GPRS网络显著增强,实现了端到端全IP组网,采用扁平化架构,减少了网络层级,能够支持IP宽带业务,为用户提供高速率、低时延的网络服务。4G网络支持不同的接入系统,支持用户在第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project,3GPP)和非3GPP网络间的漫游和切换。
在4G网络时代,为了实现相应的网络管控,3GPP组织提出了策略与计费控制(Policy and Charging Control,PCC)架构,该架构是在移动分组核心网上叠加的一套端到端策略控制架构。PCC实现了市场策略、网络能力、用户状态等多维度信息的结合,通过差异化服务质量保障、流量控制、差异化计费等技术手段,完成了移动网络资源有效、公平使用和数据流量的差异化、精细化经营,在有限的资源条件下提升了客户感知,提高了流量经营收益。
相较于之前的通信网络技术,4G网络具有传输速率高、网络频谱宽、多种通信业务相融合、频谱效率高、接口开放及兼容性强等特点。4G网络极大地便利了人们的生产生活,但随着技术的进一步发展,5G 网络已经正式实现商用,正逐步取代4G网络。
随着信息技术的高速发展,人们对网络体验质量提出了更高的要求,期望获得极致化、定制化的网络服务。5G 是基于 2G、3G、4G 移动通信网络技术的拓展和延伸,实现了各方面性能的提升。相较于2G~4G网络以服务人的通信需求为中心的核心概念,5G 网络的应用推广到三大场景,包含增强移动宽带(Enhanced Mobile Broadband,eMBB)、高可靠低时延通信(Ultra-Reliable and Low-Latency Communication,URLLC)和海量机器类通信(Massive Machine Type Communication, mMTC)。我国作为 5G 技术的领先研发者,实现了从标准参与者到标准制定者的转变。5G技术作为一门新兴通信技术,象征着世界通信技术领域的创新变革和重大飞跃。
相较于4G网络,5G网络是基于服务的网络架构,解耦核心网与接入网,分离用户面与控制面,利用网络切片提供个性化、多样化的网络服务。目前,5G正在逐步渗透到各行各业,助力实现万物互联、相互感知的新时代。从4G到5G,运营商业务从传统的语音和数据业务拓展到各行各业的多种业务,覆盖了智慧医疗、智能电网、智慧城市、车联网等多个垂直行业的业务场景。业务多样性对网络有着差异化的服务需求,如对网络资源需求的差异化。展望未来,6G网络将支持服务随心所想、网络随需而变、资源随愿共享,并演进为零接触、可交互、会学习、能进化的智能网络。传统的一刀切式的网络资源提供方式,已经越来越难以满足网络新业务的定制化、极致化需求。移动通信网络需要实质性的改变与发展,服务提供模式需要从传统的尽力而为转变为极致化和确定性体验的可保障网络。