1.2 移动通信系统发展历史

固定电话采用基带数字信号传递语音，使用铜线作为传输介质，建立了完备的码号管理和电路交换机制。固定电话的物理线路由运营商专门部署、普遍受法律保护，因此网络侧无须对用户进行认证，话路信号也未加密；同时，由于固定电话线路固定的特点，不需要考虑移动性。移动电话与固定电话系统的主要差别体现在传输介质、终端移动性管理（Mobility Management，MM）等方面。

网络到用户终端的通信信道采用电磁波作为通信介质，信息在开放的空间中传播，因此，必须对接入网络的设备进行合法性验证和有效性识别。由于移动终端（手机）是用户携带的设备，因此，对用户的标识必须与终端关联并在登录网络时向网络提供，以便验证用户身份的合法性。

移动通信网络本身是固定的，但用户的移动范围是随意的，为保证用户在任何位置都可以获得不间断的服务，移动通信网络中引入了移动性管理机制。

移动性管理的思想是对移动终端位置信息、安全性以及业务连续性方面的管理，使终端与网络维持最佳连接状态，保障网络服务的有效提供。用户在通话和待机状态下的移动会导致用户从一个基站的信号覆盖范围转移到另外一个基站的信号覆盖范围，移动通信网络中使用无缝切换技术保障切换过程中业务的连续性，在切换过程中上下文管理是主要问题。

1978年，美国贝尔实验室基于蜂窝小区和频率复用技术开发出了人类历史上第一代蜂窝移动通信系统。在通信和计算机技术的推动下，移动通信技术基本上按照每10年一代的演进速度发展，如今全球已经进入第五代（5G）移动通信时代。各代移动通信系统的技术特点见表1-1^[5]。根据GSMA（GSM Association，全球移动通信系统协会）统计，截至2019年年底，全球已经有52亿户移动用户，占全球人口总数的67%^[6]。

中国第一个手机用户出现于1987年11月，截至2019年年底，我国移动电话用户总数已超过16亿户^[7]。30年间中国通信行业发生了天翻地覆的变化，无论是网络规模、用户数量、网络质量，还是产业整合能力、技术研发实力都取得了举世瞩目的成绩。从七国八制的程控交换网、舶来品“大哥大”起步，到建成全球最大的GSM（Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统）网络、自主知识产权的TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access）“三分天下占有其一”，到今天TD-LTE（Time-Division Long-Term Evolution）成为国际主流，并在5G标准和产业方面拥有强大的国际话语权。在通信人不懈努力、锐意开拓下，我国移动通信标准化和产业发展经历了“1G空白、2G跟随、3G突破、4G同步”，并开创了“5G引领”的新局面。

1.2.1 1G模拟蜂窝移动通信系统：从固定电话到移动电话

1G模拟蜂窝移动通信存在多种制式：以英国为主的欧洲制式TACS、美国制式AMPS、北欧和东欧制式NMT、日本制式JTAGS、西德制式C-Netz等，这些制式都缺乏全球范围的标准化，也无法支持互联互通和漫游。中国的1G系统于1987年11月18日正式商用，采用TACS制式。TACS在空中传递的信令仅进行了简单编码，未进行任何加密处理，对其接续信令进行分析后，可截收手机识别码；识别码一旦被截获，将可以非法“复制手机”^[8]。因此，1G在安全性上存在先天不足。

1G移动通信系统为用户提供了在位置移动状态下的持续通话服务，但并没有实现不同网络之间的互通和互操作，因此不支持跨运营商、跨地域漫游；由于采用的是模拟技术，1G系统的容量十分有限，安全性和抗干扰也存在较大的问题；同时，用户群体和产业规模尚未形成，因此1G未大规模普及。

1.2.2 2G数字蜂窝移动通信系统：支持全球漫游和窄带上网

真正面向公众的大规模移动通信服务始于2G。2G通信系统引入了数字通信技术，利用计算机技术加强了信息处理和传递能力。标准的互通和互操作接口、全球通用的频段促进了2G网络的大规模组网和支持全球漫游。

第二代移动通信系统存在CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）和TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）两种制式。其中，中国最早引入的GSM系统属于TDMA制式。

从2G时代开始，产业界注意到标准化的重要性，因此，1982年起ETSI（European Telecommunications Standards Insititute）组织并开展了GSM的标准化工作，CDMA最早的技术标准IS-95A则由ANSI于1995年发布。正是得益于业界的广泛参与，运营商之间互联互通互操作、漫游的通话问题逐步得到解决，2G系统的国际漫游得以实现。

GSM是最成功的一个2G技术标准，主要归功于其架构的开放性、系统的标准性。正是由于具有开放性和标准性，主流设备厂商都将最好的产品和技术投入GSM研发上。也是由于开放的架构和标准的接口与协议，引入补充业务（如来电显示、呼叫等待、呼叫转移、多方通话）和增值业务更加方便。

在提供基本语音通话业务的基础上，2G网络逐渐引进了短信业务（Short Messaging Service，SMS）、非结构化补充服务数据（Unstructured Supplementary Service Data，USSD）等消息业务，大大丰富了业务体验和信息交互手段。短消息业务使用信令通道承载，可提供用户到用户之间的点对点文本短消息、用户与应用之间的文本短消息。同时，2G网络还敏锐地把握了互联网业务的商机，对2G网络架构进行最小化改造，使用在电路交换（Circuit Switched，CS）域网络上叠加分组交换（Packet Switched，PS）域网络的理念引入数据上网功能，提供GPRS（General Packet Radio Service）业务，开启了移动办公、移动互联网业务的探索。但2G系统在编码效率、频谱利用率等方面存在固有的限制，即使是EDGE（Enhanced Data Rate for GSM Evolution）网络也只能达到384 kbit/s的理论传输速率，所以，2G仅验证了面向公众提供移动上网服务的可行性。

GPRS/EDGE的共同特点是：为降低网络负担和终端电量消耗，终端侧仅在需要上网时激活PS连接、获得IP地址，在待机静默状态下释放IP地址并关闭连接，不具备服务器端向未激活终端发送内容的网络能力。许多实时性双向交互应用（如即时消息、VoIP通话、电子邮件等）需要借助Push机制激活终端的PS连接。在PS域引入后，WAP（Wireless Application Protocol）上网、多媒体消息服务（Multimedia Messaging Service，MMS）、Push E-mail等业务得到了较大发展。

一方面，在2G网络中，移动终端侧增加了可插拔的SIM（Subscriber Identity Module，用户识别模块），支持了机卡分离，便利了用户随时随地更换终端；另一方面，SIM卡作为认证模块，通过与HLR的配合实现接入认证，增强了网络对用户接入的身份认证能力，提升了GSM系统的安全性。

1.2.3 3G：核心网IP化演进，移动互联网大发展，物联网诞生

为了提高移动通信网络的数据传输能力，ITU提出了IMT-2000（International Mobile Telecom System-2000）计划，正式提出3G移动通信系统。2000年5月，ITU正式公布3G无线空口标准，我国提交的TD-SCDMA与欧洲WCDMA和美国cdma2000成为3G时代的三大主流技术。在ITU IMT-2000的基础上，3GPP承担了WCDMA、TD-SCDMA的技术标准制定工作，3GPP2承担了cdma2000的技术标准制定工作。这里需要说明的是，ITU是联合国的下属机构，掌管全球通信技术，从3G时代开始，ITU和3GPP在每代通信系统的标准化上保持了良好的分工协作和联络关系。具体说来，ITU负责前期工作和政策性工作，包括：为每代通信分配无线频谱，确定制式，定义应用场景、指导原则和基本需求，这些将作为3GPP/3GPP2技术层面标准化工作的输入；3GPP/3GPP2负责具体技术细节标准的制定。3GPP2与3GPP在3G时代工作性质类似，但其主要目标是为cdma2000制式制定标准；随着cdma2000停止演进，3GPP2的使命已经完成，于2016年12月退出了历史舞台。

在架构层面，3G是2G的平滑演进，主要变化是引入更高效的无线空口和软交换技术。

在实现层面，3G系统有如下变化。

3GPP Release 4中的CS域基于软交换理念实现了转发和控制分离的架构；承载技术逐渐从TDM（Time Division Multiplexing，时分复用）转向IP（InternetProtocol）化，除个别需要与2G系统互操作的网元和接口外，在信令面、媒体面全面进行了IP化改造，这为电信网的IP化、以至后续的IT（Information Technology）化改造奠定了良好的技术基础。

3GPP Release 5开始引入了IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）域，为控制集中化和标准化、多业务融合、多媒体业务引入打好了网络基础。

业务层面的变化体现在如下3个方面。

移动通信网络带宽的显著提升，促进了移动互联网业务的蓬勃发展，包括微博、手机QQ等得到了极大发展。这些新应用的发展，也促进了移动通信网络在技术与架构、业务承载能力、安全能力等方面的演进。

基于IMS开发了大量新业务，比如，实现固移业务融合的IMS语音类业务（包括：集中式用户交换机（CEN TREX）、IMS传真、状态呈现、群组管理与即时消息（PGM）、基于蜂窝网的按键通话（PoC）、多媒体视频会议等）。

除了传统的人与人的通信之外，运营商也不断探索人与物、物与物的联网通信的新业务领域——物联网（Internet of Things，IoT）。比如：SK Telecom推出了实时监测宠物的位置和活动量、节约饲料使用量的联网宠物照管产品——“T PET”；国内则在2007年实施了基于物联网的太湖水质监测与治理项目。

1.2.4 4G：CT全面向IT化转型，移动互联网大繁荣

随着智能手机技术和产业的成熟，移动互联网应用对网络带宽、质量（如时延、抖动、分组丢失率等）提出了更高的要求。4G（又称LTE（Long Term Evolution））移动通信系统的主要指标中，数据下行速率从2 Mbit/s提高到100 Mbit/s、上行速率提高到50 Mbit/s，终端的移动速率从步行速度提高到车辆行驶速度，支持高速数据以满足高分辨率多媒体服务的需要，提供完备的QoS（Quality of Service）机制。因此，4G网络从真正意义上提供了移动宽带互联网服务。

从网元实现平台角度看，2G、3G网元通常是由厂商使用专用硬件、专用操作系统在专有开发平台上实现。随着计算技术的发展，互联网和IT公司使用云计算技术理念构建了高性能、大规模、低成本的新系统，在业务发展和技术进步上都取得了显著的效果。这些成功案例为运营商提供了参考，因此，在LTE网络中的IT基础设施逐渐转向支持ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture）标准的开放化平台，软件方面普遍采用Linux操作系统内核、开源中间件。软硬件的通用化、标准化、开源化为电信网络向着IT化、云化转型做好了技术和产业准备。ETSI启动了网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）技术的研究和标准化工作，旨在从基础设施和平台层面实现电信网络向云化的演进。NFV实现了网元的虚拟化、支持弹性扩缩容，软件定义网络（Software Defined Networking，SDN）、IETF VxLAN/SFC（Service Function Chaining）、IEEE VLAN等技术实现了虚拟网元间灵活组网，达到了网络拓扑可软件定义、业务流可按需动态调度的效果。“SDN+NFV”构成了面向未来的电信网新架构。

相对于2G到3G的“演进”，3G到4G其实是“变革”。其网络结构变化如下：

核心网架构统一化，由于cdma2000不再向4G演进，全球4G技术标准将全面统一化，网络架构和协议也因此实现了统一；

核心网取消了CS域，PS域增强QoS机制，兼容接入固定宽带、统一认证和会话管理。

业务特征方面的变化体现在以下3个方面。

4G核心网中取消了CS域，但提供了原CS域业务（如语音、短信）的基于IMS的实现，包括VoLTE/ViLTE（Voice over LTE/Video over LTE）、SMS over IP等；在业务质量方面，VoLTE不仅提供了高清音视频通话，还降低了通话建立时延；考虑到IP网络固有的Best Effort属性，为了保证电信基本业务的QoS，4G网络中引入了PCC（Policy and Charging Control）机制。

4G网络还提供了“永远在线（Always Online）”功能：在2G/3G网络中，仅能从终端侧发起PDP（Packet Data Protocol）上下文激活，发起业务时通常需要几秒到十几秒的连接建立时延，而4G网络支持终端开机完成网络附着后即为终端分配IP地址，并在核心网中保留相关用户的会话状态，因此无线接入网重新发起会话所需的时间缩短到100 ms以下，达到了“永远在线”的效果。

4G网络的规模化部署、大范围使用和更低的资费，促进了移动互联网产业和生态系统的繁荣。通过社交（如微博、微信、短视频等）、电子商务（如淘宝、京东等）、娱乐（如在线手机游戏、高清视频等）、生活和交通（如共享单车、O2O、自动驾驶）、工作和教育（如在线教育、远程办公、高清视频会议）、金融（如移动支付、互联网理财）、社会生产和治理（如物联网、视频监控、智能制造、智慧城市）等产品，4G网络实质上带动了多个行业的技术创新，提升了全社会的信息化水平。

1.2.5 5G：云化的新网络，赋能万物智联

5G网络不仅用于人与人之间的通信，还适用于人与物、物与物之间的通信，这极大扩展了移动网络的服务范围，丰富了通信行业的产业生态系统。5G还将肩负推动通信技术与各行业融合协作、促进数字经济发展、加速社会变革的历史使命。因此，5G系统的设计、研发驱动力来自两个方面：业务驱动和技术驱动。

1.2.5.1 业务驱动

随着移动互联网的发展，用户追求更卓越的业务体验，新的应用和终端不断涌现，以4K/8K超高清视频、视频直播和互动、视频监控、AR/VR（Augmented Reality/Virtual Reality）、云游戏为代表的高带宽、低时延业务逐渐普及。除了大众消费市场外，车联网与自动驾驶、现场总线与工业控制、远程医疗等生产行业对网络传输质量（如分组丢失率、误码率、可靠性）、时延和抖动、安全性（如机密性、完整性）等提出了更严格的要求。此外，随着物联网的发展，联网设备数量呈几何级增长，在特定区域内联网设备数量变多，需要网络能够支持高密度连接和高并发；部分新型的物联网设备（如视频监控设备、人脸识别设备）需要高带宽通信。

此外，垂直行业信息化水平的提高，对网络功能的定制化和安全性也提出了更高的要求，期望公众移动通信网络能够提供类似于物理专网的能力。

1.2.5.2 技术驱动

2015年发布的ITU-R M.2083-0建议书——IMT Vision-Framework and Overall Objectives of the Future Development of IMT for 2020 and Beyond中，提出了5G（IMT-2020）的关键技术特征及指标建议，如图1-1所示^[1]。随后，3GPP等国际标准化组织在其框架下紧锣密鼓地开展了5G标准化工作。2016年2月，3GPP Release 14启动了5G愿景、需求和技术方案研究工作。2018年6月，5G第一个完整标准体系完成，为5G设备和业务开发提供了技术保障，为运营商和产业合作伙伴带来了新的商业机会。

基于这些新需求，5G设计目标是提高数据速率、降低传输时延、提升传输质量、节省能源、降低成本、提高系统容量和实现大规模设备连接。

3GPP在Release 15中设计了两种5G网络架构：非独立（Non-Standalone，NSA）组网模式、独立（Standalone，SA）组网模式。5G NSA是对4G的改进，以支持5G接入以及4G/5G互操作；5G SA是网络架构的全新变革，它引入了服务化架构（Service Based Architecture，SBA），采用全新的核心网架构和协议，以微服务方式设计网络功能。为满足垂直行业对网络的高安全性和可定制化需求，5G引入了网络切片（Network Slicing）技术；为保证超低时延、业务处理和数据存储本地化，引入了多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing，MEC）技术。

虽然在4G网络中已经引入了NFV技术，但是由于4G网络本质上是基于传统电信网理念设计的，其架构、网元功能划分、协议定义、软件实现都不是按照云计算固有的理念（如模块松耦合高内聚、业务处理过程去状态化、功能服务化）设计的，要把电信网络迁移到云平台上面临很多困难，比如：会话状态的保持、有限状态机的维护、高可靠性设计、容灾和业务连续性等。同时，在当前架构下，云计算的很多成熟技术、开源项目成果都无法直接在电信云中使用。因此，需要一种采用云理念设计的新技术架构，设计和实现电信网的云化，一方面可降低电信网络云化的难度；另一方面能充分利用IT产业的成果积累。此外，基于IT化架构，更有利于引入机器学习、人工智能等新技术，为网络的自动化服务提供和自动化运维管理打好基础。

基于上述技术，5G将推动通信技术向各行业融合渗透，必将有力地促进世界数字经济发展，为社会带来新的变革，为全球经济社会发展注入源源不断的新动力。