1.3 移动通信的发展概况

1.3.1 移动通信的发展简史

移动通信从1898年M.G.马可尼所完成的无线通信试验开始就产生了。而现代移动通信技术的发展是从20世纪20年代开始的，其代表——蜂窝移动通信大致经历了7个阶段。

第1阶段从20世纪20年代至40年代，为早期发展阶段。在这期间，首先在短波几个频段（2MHz）上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。这个阶段可以认为是现代移动通信的起步阶段，特点是专用系统，工作频率较低。

第2阶段从20世纪40年代中期至60年代初期。在此期间，公用移动通信业务开始问世。1946年，根据美国联邦通信委员会（FCC）的计划，贝尔电话实验室在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。这个系统的频率范围是35～40MHz，采用FM调制。随后，德国（1950年）、法国（1956年）、英国（1959年）等相继研制了公用移动电话系统。美国贝尔实验室解决了人工交换系统的接续问题。这一阶段的特点是从专用移动通信网向公用移动通信网过渡，接续方式为人工，网络的容量较小。

第3阶段从20世纪60年代中期至70年代中期。在此期间，美国推出了改进型移动电话系统（IMTS），采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。德国也推出了具有相同技术水平的B网。可以说，这一阶段是移动通信系统的改进与完善阶段，其特点是采用大区制、中小容量，实现了自动选频与自动接续。

第4阶段从20世纪70年代中期至80年代中期。这是移动通信蓬勃发展的时期。1978年底，美国贝尔实验室成功研制出先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝移动通信网，大大提高了系统容量。1979年，日本推出800MHz汽车电话系统（HAMTS），在东京、大阪、神户等地投入商用。1985年，英国开发出全接入通信系统（TACS），首先在伦敦投入使用，以后覆盖了全国。同时，加拿大推出移动电话系统（MTS）。瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT-450移动通信网，并投入使用。这一阶段的特点是蜂窝移动通信网实用化，并在世界各地迅速发展，形成了所谓的第一代移动通信系统。移动通信大发展的原因，除了用户需求迅猛增加这一主要推动力之外，还有其他几方面技术的发展所提供的条件。首先，微电子技术在这一时期得到长足发展，这使通信设备的小型化、微型化有了可能，各种轻便电台被不断地推出。其次，出现了移动通信新体制。随着用户数量的增加，大区制所能提供的容量很快饱和，这就必须探索新体制。在这方面最重要的突破是贝尔实验室在20世纪70年代提出的蜂窝网概念。蜂窝网即所谓的小区制，由于实现了频率复用，系统容量得到明显提高。可以说，蜂窝网技术有效解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。最后，随着微处理器技术的日趋成熟，以及计算机技术的迅猛发展，大型通信网的管理与控制有了强有力的技术手段。

第5阶段从20世纪80年代中期开始。以AMPS和TACS为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率低，移动通信设备复杂，费用较高，业务种类受到限制，以及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户需求。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝系统，即第二代移动通信系统。数字无线传输的频谱利用率高，可大大提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数据等多种业务，并与ISDN兼容。第二代移动通信以GSM和窄带CDMA（N-CDMA）两大移动通信系统为代表。事实上，在20世纪70年代末期，当模拟蜂窝系统还处于开发阶段时，一些发达国家就着手研究数字蜂窝系统。到20世纪80年代中期，为了打破国界，实现漫游通话，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网（GSM）体系。GSM系统于1991年7月开始投入商用，并很快在世界范围内获得了广泛认可，成为具有现代网络特征的通用数字蜂窝系统。由于美国的第一代模拟蜂窝系统尚能满足当时的市场需求，所以美国数字蜂窝系统的实现晚于欧洲。为了扩大容量，实现与模拟系统的兼容，1991年，美国推出了美国第一套数字蜂窝系统（UCDC，又称D-AMPS），UCDC标准是美国电子工业协会（EIA）的数字蜂窝暂行标准，即IS-54，它提供的容量是AMPS的3倍。1995年美国电信工业协会（TIA）正式颁布了窄带CDMA（N-CDMA）标准，即IS-95A标准。IS-95A系统是美国第二套数字蜂窝系统。随着IS-95A的进一步发展，TIA于1998年制定了新的标准IS-95B。另外，还有1993年日本推出的采用TDMA多址方式的太平洋数字蜂窝（PDC）系统。

第6阶段从20世纪90年代中期开始到21世纪初。伴随着对第三代移动通信（3G）的大量研究，1996年底国际电联（International Telecommunication Union, ITU）确定了第三代移动通信系统的基本框架。2001年，多个国家相继开通了3G商用网，标志着第三代移动通信时代的到来。欧洲的电信业巨头们则称其为UMTS（通用移动通信系统）。3G系统能够将语音通信和多媒体通信相结合，其增值服务包括图像、音乐、网页浏览、视频会议以及其他一些信息服务，其主流标准有北美和韩国的cdma2000、欧洲国家和日本的WCDMA、中国的TD-SCDMA。3G系统与现有的2G系统不同，3G系统采用CDMA技术和分组交换技术，而不是2G系统通常采用的TDMA技术和电路交换技术。与现在的2G系统相比，3G将支持更多的用户，实现更高的传输速率（如室内低速移动场景下数据速率达2Mbit/s）。近年来，3G系统已经在许多国家大规模商业应用，与此同时，IEEE组织推出的宽带无线接入技术也从固定向移动化发展，形成了与移动通信技术竞争的局面。为应对“宽带接入移动化”的挑战，同时为了满足新型业务需求，2004年底第三代合作伙伴项目（3^rdGeneration Partnership Project，3GPP）组织启动了长期演进（Long Term Evolution, LTE）的标准化工作。

第7阶段从21世纪前10年代中期开始。在推动3G系统产业化和规模商用化的同时，LTE项目持续演进。2005年10月，国际电联正式将B3G/4G（后三代/第四代）移动通信统一命名为IMT-Advanced（International Mobile Telecommunication-Advanced），即第四代移动通信。IMT-Advanced技术需要实现更高的数据速率和更大的系统容量，能够提供基于分组传输的先进移动业务，显著提升QoS的高质量多媒体应用能力，满足多种环境下用户和业务的需求，支持从低到高的移动性应用和很宽的数据速率，在低速移动、热点覆盖场景下数据速率达1Gbit/s以上，在高速移动和广域覆盖场景下达100Mbit/s。2008年3月，国际电联开始征集IMT-Advanced无线接入技术标准，3GPP和IEEE等国际标准化组织分别提出了LTEA（LTE-Advanced的简写）和IEEE 802.16m，其中LTE-A包括FDD和TDD两部分；2012年1月20日，国际电联会议正式审议通过将LTE-A和IEEE 802.16m技术规范作为国际标准，我国主导的TD-LTE-A同时成为国际标准，也标志着我国在移动通信标准领域再次走到世界前列是我国通信历史上又一个里程碑式的重要成果。图1-5给出了蜂窝移动通信发展的不同阶段、主要技术特点和业务能力。

在蜂窝移动通信蓬勃发展的同时，其他移动通信也迅速发展。无线寻呼系统的最早实验系统是1948年美国贝尔实验室开发的Bell Boy。世界上最普遍使用的寻呼标准是英国邮局编码标准咨询组开发的POCSAG，为英国、澳大利亚、新西兰和一些西欧国家所采用，也为我国公用寻呼系统所采用。POCSAG支持二进制的频移键控（FSK），其信号传输速率为512bit/s、1200bit/s和2400bit/s。为提高传输信号传输速率，后期人们又开发了FLEX和ERMES等标准。

有代表性的公用无绳电话系统是1987年英国推出的CT2。CT2使用微蜂窝覆盖，覆盖范围一般小于100m，不支持基站间的切换。它使用FSK和32kbit/s的自适应脉冲编码调制（ADPCM）来获得高质量语音。1989年欧洲推出了欧洲数字无绳电话（DECT）标准，用于支持办公和商务用户的语音和数据传输。1993年日本推出了PHS标准，用于支持室内和本地环路的应用。1994年美国推出了PACS系统，也用于支持室内和本地环路的应用。1998年中国浙江余杭推出了PHS中国化的“小灵通”系统。

在20世纪80年代初，一些幅员辽阔的国家开始探索把同步卫星用于陆地移动通信的可能性，提出在卫星上设置多波束天线，像蜂窝网中把小区分成区群那样，把波束分成波束群，实现频率复用，以提高系统的通信容量。1993年，美国休斯公司提出的Spaceway计划，其目的是研制一个双星移动通信系统，从而为北美地区提供语音、数据和图像服务。在利用同步卫星进行通信方面，国际海事卫星组织提出了在21世纪实现用手机进行卫星移动通信的规划，并把这个系统定名为IMARASAT-P。美国也提出了TRITIUM系统和CELSAT系统，还有日本MPT的COMETS等计划。

当前，世界各国在大力推动4G规模商用化工作的同时，已着手新一代移动通信技术的研究，力图通过新技术来解决移动通信后续发展所面临的问题，如持续不断增加的用户数和传输速率、频率资源紧缺、能源的巨大消耗、复杂的网络布置场景、机器通信终端的大量出现等。

1.3.2 我国移动通信的发展

我国移动通信电话业务的发展始于1981年，当时采用的是早期的150MHz系统，8个信道，能容纳的用户数只有20个。随后相继发展的有450MHz系统，如重庆市电信局首期建设的诺瓦特系统、河南省交通厅建成的MAT-A系统等。1987年，我国在上海首次开通了TACS制式的900MHz模拟蜂窝移动电话系统；同年11月，广东省也建成开通了珠江三角洲的900MHz模拟蜂窝移动电话系统。1994年9月，广东省首先建成了GSM数字移动通信网，初期容量为5万户，于同年10月试运行。1996年，我国研制出自己的数字蜂窝系统全套样机，完成了接入公众网的运行试验，并逐步实现了产业化开发。1996年12月，广州建起我国第一个CDMA试验网。1997年10月，广州、上海、西安、北京4个城市通过了CDMA试验网漫游测试，同年11月，北京试验点向社会开放。2005年6月，我国完成了WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA三大系统的网络测试，为商用化做好了准备。2009年1月，工业与信息化部正式向中国移动、中国联通和中国电信三大运营商发放3G牌照，标志着中国正式进入3G时代。2013年12月，工业和信息化部向三大运营商发放了4G牌照，4G商用化得以快速推进。

经过三十几年的发展，我国已建成了覆盖全国的移动通信网，2006年年底全国移动电话用户数已超过4.5亿，而且已经连续几年以每年千万计的速度增长；2009年年底，全国移动电话用户数达到7.47亿；2012年2月，全国移动电话用户数突破10亿，其中3G用户数达1.44亿；2016年11月底，全国移动电话用户数达13.27亿，普及率达96%，其中4G用户突破7.34亿，占移动电话的比重超过了50%，呈现出2G、3G和4G三网共存，但4G占比快速增加的局面。移动通信业务从初期的单纯语音业务逐步发展成为包括短信业务、数据业务、预付费和VPN（虚拟专用网）等智能业务在内的多元化业务结构。

我国无线寻呼业务的发展晚于移动电话业务，最早开办于1984年，其发展速度和普及率曾经独领风骚。在无线寻呼业务的高峰期，全国用户数的年增长幅度曾达150%，1999年6月底在我国无线寻呼用户数达到7268万户，位居世界第一。但1998年后，随着蜂窝移动通信网短信业务的开通和普及，无线寻呼业务逐步萎缩。现在，不少无线寻呼网已关闭或合并。

公众无绳电话也曾在一些城市中得到发展，但真正的大发展始于1998年浙江余杭市在国内首先开通由无绳电话发展而来的“小灵通”系统。这种通信系统是基于无线接入的市话系统，因资费便宜、手机价格低等因素得到迅速发展，2005年8月全国小灵通用户数达到8200万户，但随后开始受到蜂窝移动电话资费下降的挑战，面临危机。2009年2月，工业与信息化部发文要求占用1900～1920MHz频段的小灵通三年内退出市场，曾经红火一时的小灵通已淡出市场。

移动通信系统还有其他一些应用形式，例如，800MHz集群系统从1990年5月开始由上海邮电部门率先引进而开始应用。

我国移动通信技术经历了“第一代移动通信空白、第二代移动通信跟随、第三代移动通信有所突破和第四代移动通信进入先进行列”的发展过程。目前，我国全面推进第五代移动通信（5G）研发，已率先提出了5G概念、技术路线，完成了5G的愿景与需求研究，并发布了5G无线和网络技术架构等白皮书，正在加速推进技术研发试验，力争成为5G的全球引领者。

1.3.3 移动通信的发展趋势

目前的移动通信发展速度令人震惊，已广泛应用于国民经济的各个部门和人们生活的各个领域中，诸如在线上网、社交网络、在线音乐、在线游戏、手机银行和手机视频等新型业务成为时尚，不断地推动着人们生活方式和生产方式的改变。据统计，2006年9月全球移动电话数已超过27亿，移动通信行业在全球达到第一个10亿用户经过了20年，而达到第二个10亿用户仅仅经历了3年时间。而从2005年年底至2006年年底短短一年的时间，全球新增移动通信用户数量就高达5亿。截至2015年底，全球移动终端数达到79亿，普及率超过了96%。移动通信发展的这种变化实质反映了人类对移动性、个性化和感知能力拓展的需求在急剧增加，迎合了当今人类社会快节奏生活的需要。

市场的强劲需求极大地推进了移动通信技术的发展，并提升了移动通信在未来通信中的地位。从技术角度看，移动通信将向宽带化、分组化、智能化、数据化的方向发展，具体体现在以下几个方面：

1）宽带化是通信技术发展的重要方面之一，随着光纤传输技术的进一步发展，有线网络的宽带化正在世界范围内全面展开，而移动通信技术为适应宽带数据业务的爆炸式增长趋势也正朝着无线接入宽带化的方向演进。

2）随着网络中数据业务量主导地位的形成，从传统的电路交换网络逐步转向以分组交换特别是以IP为基础的网络是发展的必然，数据化成为现实，移动通信提供的业务将从以传统的语音业务为主向提供数据服务的方向发展。

3）移动通信网络结构正在经历一场深刻的变革，分组化是演进方向，未来网络将是一个全IP的分组网络，同时在业务控制分离的基础上，网络呼叫控制与核心交换传输网将进一步分离，促使网络结构趋于分为业务应用层、控制层以及由网络和接入网组成的网络层。

4）为了适应通信业务多样化、网络融合化的发展要求，以及通信的主体将从人与人之间的通信扩展到人与物、物与物之间通信的趋势，移动通信终端智能化的要求越来越高。未来的终端不仅拥有一般的通话功能，其功能和形态将极大拓展，无疑将会深入休闲、娱乐、办公、旅游、支付、银行、医疗、健康、出行、智能家居控制等各个方面。