蜂窩移動通信

網絡通信飛速發展 整體的措施呈現多元化，具有較高而且比較開放的優勢，而且在很大程度上可以滿足互聯網時代人們生活和生產的條件。當前社會中各個行業的發展都比較迅速，移動通信的需求也在不斷髮展和擴大，作用也越來大。 ^[1] 

但單個基站的力量其實是非常渺小的。看似一個個複雜的龐然大物，也就只能覆蓋方圓幾百米的範圍。在密集城區，一個1800MHz頻段的4G基站，覆蓋半徑也就是300米左右。因此，一個個孤立的基站單打獨鬥是沒法提供良好服務的，需要讓眾多的基站聯合起來，遵守相同的規則，互通有無，協同工作才能滿足移動通信需求。這大量的基站聯合起來，再加上其他的一些傳輸，控制節點，就組成了一張“網”。業界一般把這張網叫做“蜂窩移動通信網”。 ^[2] 

移動通信的發展歷史可以追溯到19 世紀。1864 年麥克斯韋從理論上證明了電磁波的存在；1876 年赫茲用實驗證實了電磁波的存在；1900 年馬可尼等人利用電磁波進行遠距離無線電通信取得了成功，從此世界進入了無線電通信的新時代。現代意義上的移動通信開始於20 世紀20 年代初期。1928 年，美國Purdue 大學學生髮明瞭工作於2MHz 的超外差式無線電接收機，並很快在底特律的警察局投入使用，這是世界上第一種可以有效工作的移動通信系統；20 世紀30 年代初，第一部調幅制式的雙向移動通信系統在美國新澤西的警察局投入使用；20 世紀30 年代末，第一部調頻制式的移動通信系統誕生，試驗表明調頻制式的移動通信系統比調幅制式的移動通信系統更加有效。

在20 世紀40 年代，調頻制式的移動通信系統逐漸佔據主流地位，這個時期主要完成通信實驗和電磁波傳輸的實驗工作，在短波波段上實現了小容量專用移動通信系統。這種移動通信系統的工作頻率較低、話音質量差、自動化程度低，難以與公眾網絡互通。在第二次世界大戰期間，軍事上的需求促使技術快速進步，同時導致移動通信的巨大發展。戰後，軍事移動通信技術逐漸被應用於民用領域，到20 世紀50 年代，美國和歐洲部分國家相繼成功研製了公用移動電話系統，在技術上實現了移動電話系統與公眾電話網絡的互通，並得到了廣泛的使用。遺憾的是這種公用移動電話系統仍然採用人工接入方式，系統容量小。

從20 世紀60 年代中期至70 年代中期，美國推出了改進型移動電話系統，它使用150MHz和450MHz 頻段，採用大區制、中小容量，實現了無線頻道自動選擇及自動接入公用電話網。

20 世紀70 年代中期，隨着民用移動通信用户數量的增加，業務範圍的擴大，有限的頻譜供給與可用頻道數要求遞增之間的矛盾日益尖鋭。為了更有效地利用有限的頻譜資源，美國貝爾實驗室提出了在移動通信發展史上具有里程碑意義的小區制、蜂窩組網的理論，它為移動通信系統在全球的廣泛應用開闢了道路。

1978 年，美國貝爾實驗室開發了先進移動電話業務（AMPS）系統，這是第一種真正意義上的具有隨時隨地通信能力的大容量的蜂窩移動通信系統。AMPS 採用頻率複用技術，可以保證移動終端在整個服務覆蓋區域內自動接入公用電話網，具有更大的容量和更好的語音質量，很好地解決了公用移動通信系統所面臨的大容量要求與頻譜資源限制的矛盾。20 世紀70 年代末，美國開始大規模部署AMPS 系統。AMPS 以優異的網絡性能和服務質量獲得了廣大用户的好評。AMPS 在美國的迅速發展促進了在全球範圍內對蜂窩移動通信技術的研究。到20 世紀80 年代中期，歐洲和日本也紛紛建立了自己的蜂窩移動通信網絡，主要包括英國的ETACS 系統、北歐的NMT-450 系統、日本的NTT/JTACS/NTACS 系統等。這些系統都是模擬製式的頻分雙工（Frequency Division Duplex，FDD）系統，亦被稱為第一代蜂窩移動通信系統或1G 系統。

900/1800MHz GSM第二代數字蜂窩移動通信(簡稱GSM移動通信)業務是指利用工作在900/1800MHz頻段的GSM移動通信網絡提供的話音和數據業務。GSM移動通信系統的無線接口採用TDMA技術，核心網移動性管理協議採用MAP協議。

900/1800MHz GSM第二代數字蜂窩移動通信業務包括以下主要業務類型：

-端到端的雙向話音業務。

-移動消息業務，利用GSM網絡和消息平台提供的移動台發起、移動台接收的消息業務。

-移動承載業務及其上移動數據業務。

-移動補充業務，如主叫號碼顯示、呼叫前轉業務等。

-經過GSM網絡與智能網共同提供的移動智能網業務，如預付費業務等。

-國內漫遊和國際漫遊業務。

900/1800MHz GSM 第二代數字蜂窩移動通信業務的經營者必須自己組建GSM移動通信網絡，所提供的移動通信業務類型可以是一部分或全部。提供一次移動通信業務經過的網絡可以是同一個運營者的網絡，也可以由不同運營者的網絡共同完成。提供移動網國際通信業務，必須經過國家批准設立的國際通信出入口。

800MHz CDMA 第二代數字蜂窩移動通信(簡稱CDMA移動通信)業務是指利用工作在800MHz 頻段上的CDMA移動通信網絡提供的話音和數據業務。CDMA移動通信的無線接口採用窄帶碼分多址CDMA技術，核心網移動性管理協議採用IS-41協議。

800MHz CDMA第二代數字蜂窩移動通信業務包括以下主要業務類型：

-端到端的雙向話音業務。

-移動消息業務，利用CDMA網絡和消息平台提供的移動台發起、移動台接收的消息業務。

-移動承載業務及其上移動數據業務。

-移動補充業務，如主叫號碼顯示、呼叫前轉業務等。

-經過CDMA網絡與智能網共同提供的移動智能網業務，如預付費業務等。

-國內漫遊和國際漫遊業務。

800MHz CDMA 第二代數字蜂窩移動通信業務的經營者必須自己組建CDMA移動通信網絡，所提供的移動通信業務類型可以是一部分或全部。提供一次移動通信業務經過的網絡，可以是同一個運營者的網絡，也可以由不同運營者的網絡共同完成。

第三代數字蜂窩移動通信(簡稱3G移動通信)業務是指利用第三代移動通信網絡提供的話音、數據、視頻圖像等業務。

第三代數字蜂窩移動通信業務主要特徵是可提供移動寬帶多媒體業務，其中高速移動環境下支持144kb/s速率，步行和慢速移動環境下支持384kb/s速率，室內環境支持2Mb/s速率數據傳輸，並保證高可靠服務質量(QoS) 。第三代數字蜂窩移動通信業務包括第二代蜂窩移動通信可提供的所有的業務類型和移動多媒體業務。

第三代數字蜂窩移動通信業務的經營者必須自己組建3G移動通信網絡，所提供的移動通信業務類型可以是端到端業務的一部分或全部。提供一次移動通信業務經過的網絡，可以是同一個運營者網絡設施，也可以由不同運營者的網絡設施共同完成。提供國際通信業務必須經過國家批准並設立的國際通信出入口。

雖然3G系統解決了1G、2G系統的弊端，但其實際速度遠未達到預期值，隨後國際組織3GPP和3GPP2又開始了新一輪的3G演進計劃，在眾多候選標準中LTE脱穎而出，於2004年底, 3GPP組織啓動了“LTE計劃”, 該計劃實現了3G向4G的平滑過渡，所以LTE又被稱為準4G標準。該計劃的最終目標是：提供一個低時延、高吞吐量、大規模覆蓋的無線通信網絡。LTE有FDD和TDD兩種工作方式，其中LTE-TDD具有我國自主知識產權，2013年年底在我國實現了商用，其高速的帶寬能力為用户帶來了全新的體驗。全球已經部署了超過400萬個LTE基站，預計此數目還將隨着未來的發展不斷增長。 ^[3] 

蜂窩網絡經過多年的建設，已經成為移動通信的基礎，覆蓋範圍廣泛，通信安全可靠。根據高通公司預測，截至 2025年全球物聯網連接將超過 50億。從智能穿戴設備到智能水錶、電錶，從智能井蓋到車載終端，將涵蓋智慧城市、智慧交通、環境監測及醫療保健等各個方面。大量的智能終端會接入網絡，蜂窩網絡將成為物聯網的主要承載網絡。隨着物聯網接入方式的多樣化，及霧計算、邊緣計算和雲計算的發展，面向 5G 網絡的蜂窩物聯網的架構也逐漸清晰，架構圖如圖1所示。網絡架構中分離了傳輸層與邊緣資源層，解耦了應用層與服務管理層。

感知層是信息的入口，通過各種傳感器和嵌入式控制器，將採集的各種參數通過各種通信方式，如ZigBee，藍牙，WiFi，LoRa等匯入感知層。感知層是整個架構的最前端，所有數據信息通過該層產生，是架構中的基礎架構。

傳輸層負責數據的傳輸，5G 終端、NB ⁃IOT 終端及eMTC 終端都被劃分在該層。傳輸層的另一重要組成部分就是 5G 物聯網網關，負責協議轉換並傳輸，把感知層各種通信方式（ZigBee，藍牙，WiFi，LoRa 等）轉換為 5G通信兼容數據格式。

邊緣計算層的主要功能是設備接入及數據處理。邊緣計算終端多采用嵌入式終端，通過邊緣計算可以有效分擔並降低核心網絡開銷，核心網絡只需處理邊緣計算後的數據，大大提高了網絡性能。該層還涉及安全、認證及身份識別等功能。

霧計算連接雲計算層，提供物聯網邊緣計算層與公有云及私有云的無縫連接，包括接口定義、權限管理、資源管理及功能定義等。

雲計算層包括公有云和私有云，是所有數據的匯入點，大量數據在雲數據中心存儲並計算，為上層應用提供服務。

架構的最高層為應用層，架構中所有層次的最終目的是為該層服務，通過大數據處理以支撐人工智能、決策支持及車輛網等應用。 ^[4] 

傳統上歐洲使用900MHz頻段而北美使用800MHz頻段。多數亞洲國家同時使用兩個頻段。歐洲900MHz分配頻率的主要模擬標準是全接入通信系統，雖然某些歐洲國家使用其它標準GSM是900MHz頻段的一種數字系統，已為歐洲採用為共同標準並在世界上許多其它國家使用，提供了非常有用的漫遊設備。此外，GSM標準已用於1800MHz(DCS 1800)。一些國家正建立獨立的1800 MHz網而另一些正試圖用此頻段增加其GSM容量。因為在兩個頻段上使用相同協議，越來越普遍使用GSM－900和GSM－1800這些術語而不用GSM和DCS1800。

常見的蜂窩移動通信系統按照功能的不同可以分為三類，它們分別是宏蜂窩、微蜂窩以及智能蜂窩，通常這三種蜂窩技術各有特點。

蜂窩移動通信系統中，在網絡運營初期，運營商的主要目標是建設大型的宏蜂窩小區，取得儘可能大的地域覆蓋率，宏蜂窩每小區的覆蓋半徑大多為1km～25km，基站天線儘可能做得很高。在實際的宏蜂窩小內，通常存在着兩種特殊的微小區域。一是“盲點”，由於電波在傳播過程中遇到障礙物而造成的陰影區域，該區域通信質量嚴重低劣；二是“熱點”，由於空間業務負荷的不均勻分佈而形成的業務繁忙區域，它支持宏蜂窩中的大部分業務。以上兩“點”問題的解決，往往依靠設置直放站、分裂小區等辦法。除了經濟方面的原因外，從原理上講，這兩種方法也不能無限制地使用，因為擴大了系統覆蓋，通信質量要下降；提高了通信質量，往往又要犧牲容量。隨着用户的增加，宏蜂窩小區進行小區分裂，變得越來越小。當小區小到一定程度時，建站成本就會急劇增加，小區半徑的縮小也會帶來嚴重的干擾，另一方面，盲區仍然存在，熱點地區的高話務量也無法得到很好的吸收，微蜂窩技術就是為了解決以上難題而產生的。

與宏蜂窩技術相比，微蜂窩技術具有覆蓋範圍小、傳輸功率低以及安裝方便靈活等，該小區的覆蓋半徑為30m～300m，基站天線低於屋頂高度，傳播主要沿着街道的視線進行，信號在樓頂的泄露小。微蜂窩可以作為宏蜂窩的補充和延伸，微蜂窩的應用主要有兩方面：一是提高覆蓋率，應用於一些宏蜂窩很難覆蓋到的盲點地區，如地鐵、地下室；二是提高容量，主要應用在高話務量地區，如繁華的商業街、購物中心、體育場等。微蜂窩在作為提高網絡容量的應用時一般與宏蜂窩構成多層網。宏蜂窩進行大面積的覆蓋，作為多層網的底層，微蜂窩則小面積連續覆蓋疊加在宏蜂窩上，構成多層網的上層，微蜂窩和宏蜂窩在系統配置上是不同的小區，有獨立的廣播信道。

智能蜂窩是指基站採用具有高分辨陣列信號處理能力的自適應天線系統，智能地監測移動台所處的位置，並 以一定的方式將確定的信號功率傳遞給移動台的蜂窩小區。對 於上 行鏈路而言，採用 自適應天線陣接收技術，可以極大地降低多址干擾，增加系統容量；對於下行鏈路而言，則可以將信號的有效區域控制在移動台附近半徑 為10-20波長 的範圍內，使同道干擾大小為減小。 智能蜂窩小區既可 以是macrocell，也可以是而microcell。利用智能蜂窩小區的概念進行組網設計，能夠顯著地提高系統容量，改善系統性能。 ^[5] 

移動通信下一個時代將屬於5G，在此之前，各國通信組織都為推進5G技術的研發積極準備着。2013年中旬，韓國三星公司成功開發出5G的核心技術，該技術可實現2km的遠程傳輸，以及1Gbps及以上的傳輸速率。2015年中旬，國際電信聯盟ITU將5G技術正式命名為IMT-2020，並公佈了5G標準化的時間安排。

2016年年初，我國工信部召開了“5G技術研發試驗”啓動會，標誌着我國5G技術進入到了發展的關鍵時刻。2017年年初，3GPP組織公佈了5G的官方標識，並制定了標識的使用規範和權限。

儘管5G技術還未完全成熟，但業界對移動通信未來的發展基本達成共識，由IMT-2020推進組負責發佈的5G願景與需求、網絡架構設計白皮書，明確了5G的8大關鍵能力指標和網絡架構，並對5G應用需求也有了明確定義，包括更寬的帶寬接入，更密集的連接需求和更快的移動性需求，除此之外，5G在時延及功耗上將進一步降低，可靠性能將進一步提高，理論上可以為用户提供比4G快幾十倍的網速，還能與物聯網終端實現大規模互連，實現任何物品之間的信息交換和通信，並滿足高速移動條件下的通信需求。

5G關鍵技術包括：大規模天線陣列、超密集網絡部署、全頻譜接入方式、新型的網絡架構和多址技術。5G的推進在很大程度上彌補了4G的不足，在最大力度保護既有設施的前提下，如何利用已有的4G網絡去承載5G，是當前面向5G承載網規劃的重中之重。

全球5G商用的大幕正在徐徐拉開，2019年被全球業界視為5G商用的元年。

中國信息通信研究院發佈的白皮書指出，預計在2020-2025年期間，我國5G發展將直接帶動經濟總產出10.6萬億元，直接創造經濟增加值3.3萬億元。國外的研究報告則預測，到2035年，5G在全球創造的產品和服務將高達12.3萬億美元產值。5G的到來，使移動通信技術突破僅僅服務人與人之間的信息連接，而成為一個面向萬物的統一連接架構和創新平台。5G將與超高清視頻、VR、AR、消費級雲計算、智能家居、智慧城市、車聯網、物聯網、智能製造等產生深度融合，為各行各業帶來新的增長機遇。 ^[6] 

2020年12月1日江西省移動物聯網高層峯會暨成果發佈會1日在北京舉行。中國工業和信息化部副部長劉烈宏在會上致辭時表示，中國移動物聯網發展取得了積極成效，網絡基礎設施能力全球領先。其中，移動物聯網連接數超過了10.8億。 ^[7] 

劉烈宏説，當前，移動物聯網作為基於蜂窩移動通信網絡的物聯網技術和應用，是4G、5G技術和產業的重要組成部分，在推動產業數字化、智慧化生活、數字化治理等方面發揮着越來越重要的作用。 ^[7] 

劉烈宏表示，中國移動物聯網發展取得了積極成效，窄帶物聯網NB-IoT基站數和5G基站數均超過了70萬個，覆蓋全國地級以上城市，用户規模全球最大，移動物聯網連接數超過了10.8億。 ^[7-8]