1.1 移动通信发展概述

纵观移动通信的发展历程，每一代移动通信系统都具有不同的标志性核心关键技术和能力指标。其中，频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）是1G系统的关键技术，仅能提供模拟语音业务；时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）是2G系统的关键技术，既可以提供数字语音业务，又能提供低速数据业务；码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）技术应用于3G系统，可提供用户峰值速率达2Mbit/s至每秒数十兆比特的多媒体数据业务；正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）是4G的核心技术，与3G相比，4G的用户峰值速率大大提高，可达100Mbit/s甚至1Gbit/s，支持移动宽带数据业务。

相比前四代移动通信系统，5G系统的关键能力更加丰富，包括用户体验速率、连接数密度、端到端时延、用户峰值速率和移动性等在内的性能指标都将成为5G系统的关键性能指标。相比之前只强调用户峰值速率，5G系统中的用户体验速率得到了更高的关注，被业界普遍认为是5G系统最重要的性能指标。用户体验速率与用户感受密切相关，反映了用户所能获得的真正的数据速率水平。而5G应用的主要场景要求5G用户的体验速率达到每秒吉比特级别。面对不同场景对性能要求的极度差异化，5G很难像过去那样基于单一技术形成针对所有场景的解决方案。当今无线技术创新也体现出了多元化的发展趋势，除新型多址技术外，5G的主要技术方向还包括大规模天线阵列、全频谱接入、超密集组网、新型网络架构等。这些技术都将在5G时代所面临的多元化应用场景中发挥关键作用。

1. 1G（模拟移动通信）

1G系统主要基于FDMA和模拟调制技术，用于提供模拟语音业务。美国贝尔实验室于1978年研制出了先进移动电话系统（Advanced Mobile Phone System，AMPS），这是全球首个移动蜂窝电话系统。随后世界各国纷纷建成各自商用的移动通信系统，但均基于不同的技术标准，包括瑞典等北欧四国的NMT-450、德国的C-Netz、英国的全接入通信系统（Total Access Communications System，TACS）等。其中，美国的AMPS制式和英国的TACS制式是当时世界上最有影响力的1G系统。当时中国在移动通信技术研究方面缺乏积累，只能选择已有主流制式开展网络建设。1987年，中国确定以TACS制式作为我国模拟蜂窝移动电话的标准。同年11月18日，珠江三角洲移动电话网首期工程在广州正式开通并投入使用，是全国首个正式投入社会商用的蜂窝式移动电话网。

1G系统解决了通话的可移动性问题，但仍然存在很多不足之处，包括容量有限、制式过多、互不兼容、安全性和抗干扰能力较差、不能提供数据业务和不能自动漫游等等。这些不足使得1G系统无法大规模普及，从而导致当时的移动终端价格和通信资费均十分昂贵。美国摩托罗拉公司推出的手持终端“大哥大”已经成为很多人回忆中1G系统的代言人。

2. 2G（数字移动通信）

20世纪90年代，移动通信系统完成了由模拟技术向数字技术的转变，主要提供语音及短信业务。同1G系统相比，2G系统的频谱效率、系统容量、语音质量均有了大幅提高，安全性和开放性问题也得到了解决。2G系统的技术标准主要包括全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）和CDMA两种制式，GSM和CDMA向3G系统过渡的2.5代通信技术分别是通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）和cdma2000 1x。

GSM是由欧洲电信标准组织（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）制定的数字移动通信标准，它的空中接口基于TDMA技术，主要采用900MHz、1800MHz和1900MHz等频段。GSM的商业运营始于1991年的芬兰，自投入商用以来，GSM已经被全球200多个国家和地区广泛采用。该标准的开放性和通用性，使得移动通信运营商的漫游服务成为可能，用户终于可以在全球范围内使用自己的移动电话。另外，GSM手机增加了用户身份识别模块（Subscriber Identification Module，SIM）卡，GSM网络通过SIM卡识别用户身份并提供相关服务。GPRS通过引入分组交换技术实现了较高的数据传输速率、永远在线和按数据流量计费。

CDMA技术是抗干扰能力更强的一种2G网络制式，主要采用800MHz和1900MHz频段，并于1995年首次得到商用。CDMA技术的标准化经历了多个阶段：cdmaOne系列标准中最先发布的标准是IS-95，而IS-95A则是第一个真正得到世界级广泛应用的CDMA标准；美国高通公司于1998年2月宣布在CDMA基础平台上应用IS-95B标准，支持64kbit/s的数据业务，可显著提高CDMA用户的数据流量并提升系统性能。CDMA技术主要应用于日、韩、北美和中国。cdma2000 1x在IS-95的基础上升级了无线接口，在性能大幅增强的同时完全兼容IS-95系统，为2G向3G的过渡提供了一个平滑的选择。

2G阶段，中国在移动通信技术及产品方面逐步积累，虽然仍不成熟，但在网络制式选择方面已呈多样化状态。不同于1G系统的单一制式，中国的三大电信运营商在2G时代选择不同的网络制式开展移动网络建设：中国移动和中国联通采用GSM技术，中国电信则采用CDMA技术。

与1G系统相比，2G系统在保密性、频谱利用率、业务种类等方面均有很大程度的提升，标准化程度也高于1G系统，因而移动通信系统得以快速发展，并替代固定通信方式跃居到了通信主导地位。

3. 3G（宽带移动通信）

随着通信技术的不断进步，移动通信也进入了高速传输的3G时代。3G系统是融合了互联网多媒体通信的移动通信系统，不仅能提供语音业务，还可提供信息速率达每秒兆比特级别的数据业务。2000年5月，宽带码分多址（Wideband CDMA，WCDMA）、多载波CDMA（Multi-Carrier CDMA，cdma2000）、时分同步CDMA（Time Division Synchronous CDMA，TD-SCDMA）被国际电信联盟（International Telecommunications Union，ITU）确定为三大主流无线接口标准，并写入了《2000年国际移动通信计划》（IMT-2000）中。

WCDMA由GSM技术发展而来，因此以GSM系统为主的欧洲厂商是其主要倡导者。cdma2000是由美国高通公司主导提出的以窄带CDMA（CDMA IS-95）技术为基础的宽带CDMA技术。与以往不同，3G系统标准制式的主导者不再仅限于欧洲和美国，中国带着全新的3G标准—TD-SCDMA，正式进入了移动通信领域国际标准的制定行列。自此，中国在移动通信领域的技术研究实现了首次突破，真正在国际舞台上占据了举足轻重的地位。

日本是全球范围内3G网络最早实现商用的国家，2001年10月由NTT DoCoMo公司正式提供基于WCDMA制式的3G网络服务。继GSM之后，WCDMA成为全球商用规模最大的3G网络制式，全球市场占有率超过70%。cdma2000作为后起之秀，也占据了全球约20%的市场。TD-SCDMA的应用范围较小，主要在中国部署。中国的3G网络建设启动较晚，直到2009年才正式发放3G牌照。国内的三大电信运营商分别采用3种不同的网络制式：中国电信采用cdma2000技术，中国联通采用WCDMA技术，中国移动采用TD-SCDMA技术。

3G系统的工作频段较高，具有速度快、效率高、信号稳定、成本低廉和安全性好等特征。与2G网络相比，3G网络在用户接入、服务质量（Quality of Service，QoS）和安全保障机制方面均有显著提升。通过采用软件升级、硬件改造以及功能拓展等方式，3G技术体制提供了强有力的对用户网络和业务的控制能力，并可通过更多的服务手段为用户提供更丰富的服务内容。3G网络支持更加多样化的多媒体业务，手机上网、办公、导航、视频、音乐、购物、网游等新应用逐步得到了普及。

4. 4G改变生活

4G技术集3G技术与无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）于一体，进一步提高了信息传输速率，高质量图像、音频和视频的快速传输成为现实，下载速率可达每秒几十甚至上百兆比特。

4G整体标准由第三代移动通信伙伴项目（the 3rd Generation Partnership Project，3GPP）牵头，并于2009年3月发布了首个长期演进（Long Term Evolution，LTE）R8标准，确定LTE标准包括时分双工LTE（Time Division Long Term Evolution，TD-LTE）和频分双工LTE（Long Term Evolution Frequency Division Duplexing，LTE FDD）两种制式。从严格意义上来说，即使被宣传为4G无线标准，但LTE其实仅是3.9G，尚未完全达到4G标准，没有被3GPP认可为ITU所描述的下一代无线通信标准IMT-Advanced，只有升级版的LTE-Advanced才满足ITU对4G的要求。

TD-LTE和LTE FDD分别由TD-SCDMA和WCDMA演进而来，TD-LTE标准仍由中国牵头制定。4G时代，中国在移动通信国际标准制定中的主导地位进一步得到了巩固。日本NTT DoCoMo于2010年12月基于LTE FDD推出了4G服务，欧洲主要国家也在2010年实现了4G正式商用，美国运营商Verizon以及AT＆T的4G商用时间是2011年年初。受限于TD-LTE的标准进度，4G网络在国内的商用时间较晚，2013年才向三大电信运营商发放TD-LTE牌照，而LTE FDD牌照则更晚发放，于2015年向中国移动和中国联通发放。

4G系统的智能性更高、流量成本更低，促进了智能终端和应用市场的繁荣发展，网络直播、视频会议、电子商务、移动支付等4G应用进一步普及并逐步渗透到人们生活的每个角落，智能手机已经成为人们日常生活的重要组成部分。

5. 5G改变社会

与前四代移动通信系统主要面向人与人之间的通信不同，5G将全面进入“万物互联”的时代。5G面对的是具有极端差异化性能需求的多样化业务场景，其服务对象在传统的人与人通信基础上拓展为人与物、物与物的通信。

在2015年10月26～30日于瑞士日内瓦召开的2015年无线电通信全会（RA-15）上，国际电联无线电通信部门（International Telecommunications Union-Radio，ITU-R）正式确定了5G的官方名称是“IMT-2020”。IMT-2020（5G）推进组认为，可以用“标志性能力指标”和“一组关键技术”共同定义5G的概念。其中，“Gbit/s级用户体验速率”是5G系统的标志性能力指标，而一组关键技术则由大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构等技术组成，如图1-2所示。

ITU根据5G业务性能需求和信息交互对象，明确了三大业务场景：增强型移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、海量机器类通信（massive Machine Type Communications ，mMTC）和超高可靠低时延通信（ultra Reliable Low Latency Communications，uRLLC）。

从技术特征、标准演进以及产业发展的角度来看，5G包括两条技术路线，即新空口和4G演进空口。新空口路线是指无须考虑与4G框架兼容性的全新空口设计，通过采用基于创新技术的新设计方案满足4G演进路线中无法满足的物联网、高频段等新场景业务需求。4G演进空口路线是指在考虑4G框架兼容性的同时引入增强型的新技术，提升现有系统性能，仅在一定程度上满足5G新业务场景和新业务需求。

与4G相同，5G的标准化工作也由3GPP引领和主导，它是事实上的5G标准制定者，负责制定5G标准相关的技术规范以满足市场需求和IMT-2020的全部需求。3GPP负责制定5G相关的技术规范并作为提案提交给ITU，5G提案通过第三方的评估后才会被ITU正式发布成为国际标准。国家级和地区级的标准化组织则会结合实际国情，按需采纳国际标准之后再发布各自的国家/地区标准，以确保标准在全球范围内的兼容性。与此同时，5G相关研究工作也在各标准化组织中进行。3GPP与各标准化组织间已建立起了联络机制，并根据推进计划和时间需求，共同推动5G的标准化工作。

3GPP关于5G的标准制定工作包括第一阶段、第二阶段和演进阶段3个时期。第一阶段发布了标准版本15（Release 15，R15），第二阶段对应R16，演进阶段对应R17。R15为5G的第一个版本，不仅包括新的5G系统的技术规范，还包括4G系统持续演进相关的技术规范；R16则为R15的增强版。

各个阶段又被细分为Stage1、Stage2和Stage3：Stage1是业务需求阶段，从业务使用者的角度对业务进行描述；Stage2是系统架构阶段，定义满足业务需求的系统架构；Stage3是具体的协议阶段，是实现物理实体与其关联的功能实体间的物理接口功能及协议。

2019年6月，在美国加州3GPP RAN#84会议室，3GPP公布了5G空口标准最新时间表（R15/R16/R17）及R17的工作方向。3GPP 5G标准的总体时间节点安排如图1-3所示。R15 Late Drop版本于2019年3月冻结，ASN.1版本于2019年6月冻结。R16已于2020年7月正式冻结，R17也已经正式启动。R15主要满足eMBB业务需求，并包含uRLLC的部分功能。R16是完整的5G标准，满足5G全业务需求。R16研究的主要内容包括：增强5G对uRLLC的支持能力，增强对垂直领域及局域网业务的支持能力，增强对垂直领域的信息物理控制应用的支持能力；支持增强车联网（Vehicle-to-Everything，V2X）业务的3GPP改进架构，支持卫星接入的5G架构；支持5G定位及位置业务等。R17预计将于2022年6月冻结，一方面会继续增强和完善现有架构和功能，另一方面也会新增一些功能，比如对多媒体广播组播业务（Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS）的支持、边缘计算、近距离通信增强等，以满足新场景下的新需求。

5G已成为各国在技术领域争相布局的焦点。根据全球移动通信系统协会（Global System for Mobile Association，GSMA）发布的数据，截至2020年12月中，全球已有135家运营商提供了5G商用网络，覆盖58个国家和地区，签约用户数已超过2亿。全球已有近三分之二的运营商提供固定无线接入（Fixed Wireless Access，FWA）网络解决方案。2020年，受新冠肺炎疫情影响，全球经济发展整体情况并不乐观，但5G商用进程逆势加速，成为引领数字经济的新亮点。韩国、美国、欧洲、日本、中国几个市场处于5G发展的领先地位，其他地区则面临更多挑战。预计到2025年，全球5G签约用户数将达到28亿户。下面简单介绍部署5G系统的主要国家的最新进展情况。

（1）韩国5G最新进展

韩国国民经济发达，并且移动通信市场较为成熟和稳定。韩国有三大运营商：SKT、KT、LG U+，其中SKT是韩国最大的移动运营商，在移动用户数和收入方面名列前茅。

韩国不仅是全球第一个首发5G商用的国家，而且5G网络的普及速度也非常之快。2019年7月，韩国的5G用户数已逼近200万户。据韩国科学与信息通信技术部（The Ministry of Science and ICT）称，2019年10月，韩国的5G用户数已达到350万户，作为韩国三大运营商之一的SKT宣布，其5G用户在推出后的140天内就超过了100万户，2019年年底约5100万总人口中已有约500万名5G用户，2020年5G用户已超过1000万户，渗透率超过20%；2021年达到了60%以上的渗透率，成为标准的业界先锋。

2019年10月，韩国的5G基站数已达9万个，比4月刚推出5G服务时增加了一倍左右，各大运营商提供的5G网络下载速率均已超过1Gbit/s。

5G被认为是韩国运营商重新思考其整体定价策略的机会，可重新平衡预付费和后付费、4G和5G服务等。韩国之所以能实现5G用户数的飞速增长，主要是因为韩国采用了低价套餐和巨额补贴策略，同时结合韩国特色的文娱产业，实现了5G应用的强势推广。韩国的5G套餐很有吸引力，一方面选择低门槛，并培养用户的大流量使用习惯，另一方面通过丰富的差异化服务来吸引用户选择更高价格的套餐，而非直接将5G建网成本转嫁给用户。在5G业务的推广上，韩国的三大运营商利用本国在文化、娱乐和体育上的特点，结合虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）等大流量使用的场景，针对VR、AR、云游戏、流媒体、直播推出丰富的5G内容和应用服务。韩国三大运营商的5G套餐价格及服务见表1-1。

（2）美国5G最新进展

Verizon、AT＆T、T-Mobile和Sprint是美国原有的四大运营商。2019年10月经美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）正式批准，原第四大运营商Sprint以265亿美元被第三大无线运营商T-Mobile收购，二者合并后更名为New T-Mobile，共计拥有1.3亿用户，超越AT＆T成为美国的第二大运营商。各运营商的5G部署情况见表1-2。

美国第一家实现5G商用的运营商是Verizon，2019年Verizon在31个城市上线了毫米波5G系统，2020年上线城市数达到60个。2019年8月开始，Verizon陆续开展了独立组网（Standalone，SA）架构的端到端5G系统测试和5G核心网测试，并于2021年实现商用。在布局和推进5G网络建设中，除提高覆盖范围和传输速率之外，Verizon还围绕家庭Wi-Fi连接进行业务拓展。这项名为“5G Home”的服务最初在休斯敦、洛杉矶、萨克拉曼多、芝加哥和印第安纳波利斯5个城市上线，2020年第三季度重新启动，目前已覆盖8个城市。

AT＆T在2019年年底前也加快了5G网络部署，将毫米波5G系统的覆盖范围由12月中旬的23个城市扩大到了月底的35个，并将其低频5G覆盖范围从10个城市扩大到了19个。同时，AT＆T已于2020年7月将5G推广到美国全国范围，并在700MHz频谱部署了5G SA。

T-Mobile和Sprint合并之后采取了低、中、高频段进行三层建网，从而形成了全国性连续覆盖的高容量5G网络：T-Moblie主要负责600MHz低频段和毫米波高频段网络建设，Sprint主要负责2.5GHz中频段网络建设。截至2020年12月，T-Moblie拥有全美最大的5G网络，覆盖8300个城镇的2.7亿人口。New T-Mobile承诺三年内部署的5G服务将覆盖97%的美国人口，6年内实现99%的覆盖率。

综上可见，美国各大运营商分别采用不同的频谱和产品策略来进行5G部署：比如Verizon的毫米波网络向所有人开放；AT＆T网络上的个人用户目前只能接入低频5G，因为其毫米波业务仍为企业客户和选中的早期采用者所保留；而New T-Mobile是美国能够进行中频5G部署的主要运营商，同时其一直强调的是农村网络的覆盖率。但受限于频谱和资本等因素，美国5G在网络覆盖、性能和行业应用上总体处于起步阶段，2019年用户增长缓慢。2020年，随着运营商逐步实现全美覆盖，5G用户数有所上升，截至2020年7月中旬，美国5G用户数为408.2万。

（3）欧洲5G最新进展

由于自4G时代开始，欧洲运营商就面临着频谱资源匮乏、基站设备少、监管严格等问题，到了5G时代，这些历史问题依然给各大运营商带来很大的压力，使得他们在5G研究开发和商业化布局上进展缓慢，在全球的5G网络部署进程中处于追随者的地位。

2019年4月，瑞士电信成为首家开通5G业务的欧洲运营商。英国运营商EE紧随其后，于5月开通了5G业务；随后，沃达丰在英国、西班牙和意大利也开启了5G业务。据全球权威市场研究机构CCS Insight的分析师预测，到2025年英国将有50%的移动用户使用5G网络。

欧洲国家使用的频谱主要集中在700MHz、3.4～3.8GHz和26GHz，主要国家的5G频谱分配情况见表1-3。

（4）日本5G最新进展

日本属于经济发达国家，但近年来经济增速已明显放缓。2019年4月，NTT DoCoMo、KDDI和软银这三大传统电信运营商及日本乐天移动公司从日本电信监管部门获得了5G无线电频谱资源，具体见表1-4。NTT DoCoMo是对5G研究最早、最深入的运营商之一，在5G进展上相对领先。NTT DoCoMo积极开展行业应用研究和技术创新，通过了上百项5G新服务试验，并且成功实现了首个“窗式基站”。

日本的5G网络建设采用Sub 6GHz和毫米波同时进行的策略。在网络架构上，初期四大运营商均采用基于非独立组网（Non-Standalone，NSA）的Option 3x，后续网络演进目标为SA Option 2。为节约建网成本，日本运营商正积极寻求5G基础设施共建共享的方案。

在美、中、日、韩的5G较量中，日本虽然在应用及技术创新方面都有相当的积累，但在规模建设方面处于相对落后的地位。面对国内经济增速放缓、移动市场增长乏力和5G部署所需的巨大投资压力，日本的5G发展以“2020东京奥运会”为契机实现5G规模商用，并计划在2023年年初实现60%的人口覆盖率，到2024年年底实现全国覆盖。

为了促进5G网络的发展，日本政府将5G建设作为国家战略推进，提出了“超智能社会Society 5.0”战略，并定位为“构成经济社会与国民生活根基的信息通信基础设施”，同时政府将采取减税措施对移动运营商进行支援。

（5）中国5G最新进展

5G时代到来之前，虽然中国从3G阶段开始主导TD-SCDMA标准制定工作，但整体的移动通信网络建设和商用进程仍处于相对落后的状态。然而，在全球的5G发展进程中，中国在技术研究、标准制定、网络建设等各个方面均实现了全面的领先，真正跻身于第一梯队的行列。中国公司首次掌握了通信技术及产业主导权，以华为为代表的中国企业成为5G标准制定及技术研究的重要力量，专利比例领先全球。在信道编码领域也实现了首次突破，华为主推的基于极化码（Polar Code）技术的信道编码成为5G系统eMBB场景方案落地的三大编码方式之一，与高通主推的低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code，LDPC）和法国主推的Turbo码齐名。2019年6月，我国正式下发5G牌照，各大运营商在2019年下半年逐步进入商用阶段，中国正式迈入5G商用元年。

2019年5G建设第一波热潮过后，中国的5G市场仍然保持持续快速发展的态势，目前已成为全球最活跃的5G市场。据GSMA预测，2025年中国的5G用户将达到7.86亿户，占全球5G用户总数的近45%，5G用户数与全球移动用户数占比将达到20%。

中国的5G频段分配见表1-5。其中，3.3GHz频段由中国电信、中国联通和中国广电共同使用，同时中国移动和中国广电已宣布共享2.6GHz频段，并将共同建设700MHz 5G网络，而中国电信则与中国联通开展5G网络共建共享合作。

工业和信息化部统计显示，截至2021年年底，我国累计建成并开通5G基站142.5万个，占全球60%以上，其中2021年全年新建5G基站超过65万个。基站的建设以SA组网为主，力求快速为消费者提供5G网络服务，三大运营商均已实现国内所有地级市城区、超过98%的县城城区和80%的乡镇镇区的网络覆盖。

中国还将继续组织开展R17标准的研究，积极推进5G标准化工作。在技术研发方面，中国将继续开展5G增强技术的研发试验，推动更广泛的芯片和系统互操作测试，并组织开展毫米波设备功能及性能测试。在网络建设方面，中国将继续稳步推进5G网络建设，促进电信企业加大投资并深化共建共享。在行业应用方面，将着力关注5G与重点行业的融合应用，同时建立并完善重点行业融合应用的标准体系。中国将立足5G，面向6G，推进6G相关前瞻性愿景需求探索和潜在关键技术的预研工作，确定6G总体发展思路。