1G、2G、3G、4G、5G 移動通信技術發展簡史

2019年11月30日18:55:05 科技 1356

移動通信系統從第一代移動通信系統(1G)開始逐漸發展,目前已經發展到第四代移動通信系統(4G),第五代移動通信系統(5G)也已經開始標準化,預計2020年商用。

G指的是Generation,也就是「代」的意思,例如 5G,表示第5代。

1G就是第一代移動通信系統的意思,2G、3G、4G、5G就分別指第二、三、四、五代移動通信系統,而這也確實是人為劃代。

1G~5G等的定義,主要是從速率,業務類型,傳輸時延,還有各種切換成功率角度給出具體實現的技術不同。

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1G

第一代移動通信系統是模擬蜂窩移動通信,移動性和蜂窩組網的特性就是從第一代移動通信開始的,但是1G是模擬通信,抗干擾性能差,同時簡單的使用FDMA技術使得頻率復用度和系統容量都不高。1G主要就是兩種制式,分別是來自美洲的AMPS和來自歐洲的TACS(中國當時跟隨歐洲使用TACS),那是屬於大哥大的時代。

代表:摩托羅拉8000X,即俗稱「大哥大」,支持語音、簡訊等基礎功能;

缺點:串號、盜號

2G

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第二代移動通信技術加入更多的多址技術,包括TDMA和CDMA,同時2G是數字通信,抗干擾能力大大增強。第二代移動通信技術對接下來的3G和4G奠定了基礎,比如分組域的引入,和對空中介面的兼容性改造,使得手機不再只有語音、簡訊這樣單一的業務,還可以更有效率的連入互聯網(電路域也可以提供internet業務,只是相對來說分組域更適合internet業務)。2G主要的制式也是兩個,分別是來自歐洲ETSI組織的GSM(GPRS/EDGE)和來自美洲以高通公司為主力的TIA組織的CDMA IS95/CDMA2000 1x。

代表:諾基亞7110,支持WAP,支持互聯網接入;

缺點:傳輸速率低,網路不穩定,維護成本高;

3G

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前兩代移動通信系統中,並沒有一個國際組織做出明確的定義說什麼是1G,什麼是2G,而是靠各個國家和地區的通信標準化組織自己制定協議。但是到了3G,ITU(國際電信聯盟)提出了IMT-2000,要求符合IMT-2000要求的才能被接納為3G技術,具體IMT-2000的需求可以自行百度谷歌維基或參考相關書籍。ITU向全世界徵集IMT-2000標準的時候,許多國家和地區的通信標準化組織都提出了自己的技術,比如歐洲的ETSI和日本的ARIB/TTC提出了關鍵參數和技術大致相同的WCDMA技術,隨後成立3GPP組織,對WCDMA進行了標準化,所謂的標準化就是技術PK和口水仗後,形成一份統一的協議,保證彼此介面的兼容。美國以高通公司為首的TIA組織也提出了CDMA-2000,隨後糾集利益同盟成立了3GPP2組織,也對CDMA2000進行了標準化。中國當時的CWTS(現為CCSA)也提出了TD-SCDMA,隨後加入到3GPP組織中,與來自ETSI的UTRA TDD進行了融合,完成了標準化。所以3G主流的制式主要就是WCDMA、CDMA2000 EVDO、TD-SCDMA這三個,後來IEEE組織的Wimax也獲准加入IMT-2000家族,也成了3G標準,即第三代移動通信技術。

3G相對於2G來說主要是採用了CDMA技術(暫時無視掉Wimax),擴展了頻譜,增加了頻譜利用率,提升了速率,更加利於internet業務,同時3G的演進技術將多種多址方式進行了結合(FDD-HSPA、TD-SCDMA都是多種多址技術結合的產物),使用了更高階的調製技術和編碼技術,還採用了包括多載波捆綁、MIMO等新技術,使得速率進一步提升,部分功能也從RNC之類的上級機器下移到基站中來完成,提高了響應速度,降低了時延。同時3GPP組織在演進3G技術的同時也不斷為未來做準備,包括核心網電路域的軟交換、分組域和傳輸網的IP化等等。

代表:蘋果、聯想、華碩各自推出平板電腦;

優點:CDMA系統以其頻率規劃簡單、系統容量大、頻率復用係數高、抗多徑能力強、通信質量好、軟容量、軟切換等特點顯示出巨大的發展潛力。

4G

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第四代移動通信技術也是由ITU提出了需求,也就是IMT-Advanced家族,具體需求可自行百度維基谷歌。4G的標準的制定主要是兩個組織,一個是3GPP組織,代表了絕大多數傳統的運營商、通信設備製造商等等,LTE/LTE-Advanced出自其手。一個是IEEE組織,主要是IT界對通信界的一次挑戰,推出了Wimax的後續,也就是WierlessMAN-Advanced。在3G時代呼風喚雨的高通公司和以其為首的3GPP2組織在4G時代也放棄了自家的UMB技術,轉而投向LTE。LTE能得到高通公司和3GPP2組織的支持,可以說是對競爭對手Wimax的一次重大打擊,但是由於高通公司的加入,LTE的利益分配註定也少不了高通,是好是壞看官們自己評判吧。

由於目前4G中以LTE的應用最廣泛,所以LTE來說說4G相對於3G的改變。首先是網路架構的大變化,LTE拋棄了2G、3G一直沿用的基站-基站控制器(2G)/無線資源管理器(3G)-核心網這樣的網路結構,而改成基站直連核心網,整個網路更加扁平化,降低時延,提升用戶感受。核心網方面拋棄了電路域,核心網邁向全IP化,統一由IMS承載原先的業務。空中介面的關鍵技術也拋棄3G的CDMA而改成OFDM,其在大帶寬上比CDMA更加具備可行性和適應性,大規模使用MIMO技術提升了頻率復用度,跨載波聚合能獲得更大的頻譜帶寬從而提升速率,這些技術都是LTE-Advanced能躋身4G標準的重要因素(4G要求靜止狀態下1Gb/s下行和500Mb/s上行)。4G由於大頻譜帶寬的需求以及各國各地區頻譜資源的稀缺,所以會看到更多的頻段被使用,相比之下3G則主要在800/850/900/1700/1900/2100等頻段。目前LTE以佔據絕對優勢的地位成為4G主流,Wimax家族可以說被完全壓制,所以4G也很有希望能結束多年以來多個同代制式相爭的混亂局面,由LTE實現大致的一個統一。

代表:Android、蘋果iOS、Windows移動設備普及;

缺點:覆蓋範圍有限,數據傳輸有延遲;

5G

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第五代移動通信技術目前尚未正式商用,不過5G概念已被炒的如火如荼。5G技術標準徵集可望於2017底陸續確定,2019年到2020年可看到全球營運商將陸續推出5G商業服務試營,包括:物聯網、車聯網、智慧醫療、VR/AR、工業4.0等關鍵應用,將驅動新產業生態鏈。

國際電信聯盟IMT-2020也是負責監督5G技術標準制定,日前闡述了5G新技術的優勢所在。該機構表示,即將推出的通用規範將支持每平方公里100萬個互聯網設備、1毫秒延遲以及數據包從一點到另一個點的時間量、更高的能效和頻譜效率,以及高達下行20Gb/s的峰值數據下載速度。以自動駕駛汽車為例,車輛間能以0.001秒的速度交換數據。

代表:拭目以待;

缺點:科技發展無止境,5G也肯定有其不足之處,有待各位去發掘;

簡要對比5代移動通信的具體區別:

網路信號技術制式速率(bps)典型頻率(MHz)覆蓋半徑1G模擬語音FDMAAMPS、TACS2.4k800/90010-50公里2G數字語音TDMA、CDMAGSM、CDMA64k900/18005-10公里3G數字語音與數據WCDMA、SCDMA

WCDMA、CDMA2000、

TD-SCDMA

2M

1940-1955

2130-2145

2-5公里4G數字語音視頻圖像OFDM、IMT-AdvancedTD-LTE、FDD-LTE、WiMax1G

2300-2320

1755-1765、1850-1860

1-3公里5G數字語音高清視頻IMT-2020 7.5G3300-3600、4800-5000100-300米

隨著移動通信技術的發展,低頻的使用接近飽和,移動通信的載波頻率變得越來越高,這也意味著蜂窩系統的小區半徑越來越小(因為頻率越高,電磁波的衰減越大)。

當然,小區半徑不僅僅是由載波頻點決定的,還跟其他很多因素有關,比如自然環境、用戶密度、人為干擾等。

移動通信技術標準演進


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5G標準化將分兩個階段完成

第一階段是希望2017年底能完成5G標準化的中期里程碑(非獨立模式的標準),3GPP計劃在2017年12月前能把非獨立(Non-Standalone)的標準凍結。

第二階段,3GPP希望在2018年年中左右實現第二個里程碑,即完成獨立(Standalone)模式的標準化。

據《南華早報》於2017年6月報導,Jefferies證券分析師指出,中國三大電信商(中國移動、中國聯通、中國電信)預估在7年內於5G 基礎建設上投入1800億美元,遠高於2013-2020年它們在4G網路1170億美元的投入。中興和華為科技等設備製造商將成為主要的受益者。

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