1.2 移动通信网络发展规律洞察

本节将从移动通信网络的商业驱动、技术驱动和架构演进的角度总结其发展规律，为未来移动通信网络发展做好准备。

1.2.1 移动通信网络商业驱动

个人和企业的需求驱动运营商不断提升自己的网络性能，提供高质量的通信服务和多样化的业务类型；同时，同行业竞争推动运营商不断降低网络的运营成本，深入挖掘网络资源的潜在价值，以实现更优的成本效益比。

1. 业务经营维度

从1G的模拟语音、2G的数字语音，到3G的文本和图像、4G的视频多媒体，再到5G的扩展现实（XR）及未来的沉浸式XR、全息通信等，业务种类逐渐多样化，传输数据从单一的视觉、听觉维度向包含触觉、嗅觉等在内的多维度多媒体融合演进。运营商通过丰富业务类型，使每个用户平均贡献的通信业务收入增加，从而实现收入增长。

移动通信网络发展的规律1：商业利益会驱动运营商不断丰富连接所承载的媒体数据维度和业务类型，增加经营的厚度。

2. 商业模式维度

随着移动通信网络的普通消费用户渗透比趋于饱和，在丰富业务类型、进入行业市场增加经营厚度的同时，运营商以通话时长、短信数量和数据流量为基础的管道经营模式逐渐见顶，并开始探索和尝试新的商业模式，比如从追求全网统一的网络质量到提供个性化、差异化的用户体验和服务质量保障。

移动通信网络发展的规律2：商业利益会激发运营商尝试新的商业模式，提高经营的深度。

3. 用户发展维度

从早期少量的“大哥大”用户到人手一机再到万物互联，从提高人的连接比例扩展到物的无限连接，吸引更多用户/终端连接入网，实现收入增长是最基本的商业驱动。过去几十年，接入网络终端数量的年复合增长率约为80%。

移动通信网络发展的规律3：商业利益会驱动运营商快速增加连接的数量和种类，从而拓展经营的宽度。

4. 成本效益维度

全球上千万个基站，使得运营商在电费和运维费上的负担日益加重。同时，业务需求在时间和空间上存在潮汐效应，导致设备的资源利用率低，造成资产的闲置或浪费。因此，集中化、协作化、云化无线电接入网（C-RAN）等思路应运而生，通过集中部署基站设施，有效降低机房、供电、空调、传输等成本。此外，借助云化、池化和共享技术，进一步提高了资产利用率。

移动通信网络发展的规律4：商业利益迫使运营商不断寻找压缩成本和提高效益的方法，在降低能耗和运维成本的同时，提高资产利用率，提升经营效能。

1.2.2 移动通信网络技术驱动

商业驱动需要坚实的网络基础和强大的技术支撑。

从网络基础来看，无论是单个基站的算力，还是整体基站的数量都实现了指数级的跃迁。

单个基站的算力：从2G基站的200kHz频谱单天线单一语音业务，到5G基站的100MHz频谱64天线多种复合业务；从2G到5G，用户数量增长了上百倍，端到端的时延从秒级降低到毫秒级……多个因素叠加起来使单个基站的算力呈指数级增长。

整体基站的数量：从早期的单一制式网络到2G、3G两种网络共存，再到3种甚至4种制式网络共存，频谱从低频到叠加中频再到叠加高频，我国移动通信基站的数量从2G、3G时代的近300万个发展到4G时代的841万个，再到2023年含5G基站已建成1162万个。

移动通信网络发展的规律5：单个基站的算力呈指数级增长。

移动通信网络发展的规律6：基站数量随频谱增加不断增加。

从技术支撑来看，移动网络和产品的发展需要基站具有强大的信号处理、数据计算能力和灵活调度资源的能力，同时做到小型化，这离不开基础科学、通信技术、硬件和软件工程技术的支撑。而这些技术的快速发展有力地驱动了移动网络和产品的进步，激发了消费者、行业用户的需求和新的商业模式，进一步对相关科学技术提出了更高的要求。

通信技术方面：频谱是稀缺资源，提升频谱效率是无线通信面向连接时代最重要的驱动力。从FDMA到TDMA、CDMA再到4G/5G的OFDMA，极大地提升了频谱效率，并向NOMA演进；从单天线到64天线/128天线（即“大规模天线”），从SU-MIMO到MU-MIMO演进；从卷积码到Turbo码再到低密度奇偶校验（LDPC）码和Polar码，为了提升接收机的性能从Viterbi算法到Rake接收机再到最小均方差（MMSE）、串行干扰消除（SIC）等接收机，相应的信号处理算法复杂度大大增加，但同时处理时间要求越来越短。为了在极短时间内完成复杂信号和数据的处理，需要有强大的硬件技术支撑。

硬件技术方面：关键核心器件从1G时代的模拟器件演变到2G以后的数字器件，从以中央处理器（CPU）、数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）为主流的非专用嵌入式数字器件，到含厂家定制加速器件的单片系统（SoC），再到为了适应不同算力类型的业务和智能化引入的GPU、AI芯片等扩展算力。关键技术节点包括2G时代将DSP应用于基站，3G、4G时代将专用集成电路（ASIC）加速和SoC应用于基站，5G时代将GPU和AI芯片引入基站。每个时代的关键器件在架构上经历了从单核到多核、从同构到异构、从存算分离到存算一体的变化。单站算力跨越到10万亿次浮点运算每秒（TFLOPS）的级别。

为了支撑这样的算力跨越，集成电路设计技术和制造工艺实现了以下改进。

① 制造工艺从1μm到7nm的进步，使得芯片能容纳更多的晶体管和功能单元，提高了电路的密度和性能。

② 集成电路从较低主频到更高主频的提升，使得电子设备能够以更快的速度进行处理和通信，提高了系统的响应速度和性能。

③ 芯片单位面积功耗从高到低的转变，通过优化架构设计和引入更高效的电源管理技术，集成电路能够在提供更高性能的同时，降低功耗和能耗。

④ 新的设计方法和设计工具逐步涌现，包括仿真、验证和自动化工具等，使得单个芯片上集成更多的功能成为可能，设计过程更快捷、更高效。

⑤ 主处理器以外的高速低能耗的总线、内存和存储技术必不可少，如双倍数据速率（DDR）已经发展了5代，速率从200MT/s提升到6400MT/s，并进一步向低功耗双倍数据速率（LPDDR）方向发展等。

移动通信网络发展的规律7：为支撑商业驱动，硬件技术持续向更高集成度、更低功耗、更高算力、更大传输带宽的异构硬件、标准互联方向演进。算力和传输带宽呈指数级增长，同时伴随单位面积功耗的显著下降。

软件技术方面：基站软件架构演进如图1-2所示。为满足从单模到多模共存、从通信协议栈到多种业务共存的需求，从早期的单制式单体型基站，到2G、3G后引入的软件定义的无线电（SDR）的单RAN基站，再到4G在室内基带处理单元（BBU）集中部署的基础上结合站间协同技术的C-RAN基站，最后到5G基于微服务+容器化等虚拟化、云化技术的IT化RAN基站，基站已经具备一定的资源抽象和管理能力，提供较细粒度的资源使用条件和逐渐标准化的接口，并向智能化和云化方向演进。

移动通信网络发展的规律8：为支撑商业驱动，软件技术逐渐提供了更为精细灵活的资源分配和管理能力，移动通信网络智能化和云化趋势已经显现。

从标准化维度来看，1G、2G、3G、4G、5G网络各维度情况见表1-1。除了3GPP定义的通信接口协议标准，基站硬件还采用了先进的电信计算架构（ATCA）和MicroTCA标准。这些标准来自在电信、航天、工业控制、医疗器械、智能交通、军事装备等领域应用广泛的新一代主流工业计算技术——CompactPCI标准，它们规定了机械结构、机架管理、配电、散热及连接器等方面的要求，为下一代融合通信及数据网络应用提供了一个基于模块化结构、性价比高、兼容性强、可扩展的硬件架构。同时，基站软件则逐步采用虚拟化和云原生技术。遵循开放统一的标准是实现广泛互联、培养丰富生态、支撑更大商业价值的前提。

移动通信网络发展的规律9：为支撑商业驱动，开放统一的通信协议和软硬件接口标准必不可少。

1.2.3 移动通信网络架构演进

为了匹配商业驱动的需求，移动通信网络的架构和产品形态在代际间发生了显著变化。移动通信网络架构演进如图1-3所示，2G网络起初主要采用一体式基站架构。基站的天线位于铁塔上，其余部分位于基站旁边的机房内，天线通过馈线与室内机房连接。一体式基站架构需要在每一个铁塔下面建立一个机房，建设成本和周期较长，也不方便网络架构的拓展。后来发展为将基站收发信台（BTS）分为BBU和射频拉远单元（RRU）的分布式基站架构。BBU位于室内机房，而RRU位于铁塔上，每个BBU可以连接多个RRU。BBU和RRU之间采用光纤连接，即BTS—基站控制器（BSC）—核心网的3级网络架构。

为了节约网络建设成本，3G网络架构基本与2G一致，同样采用3级网络架构，即NodeB—无线网络控制器（RNC）—核心网，NodeB分为BBU和RRU两部分。

4G时代到来时，基站架构发生了较大的变化。为了降低端到端时延，4G采用扁平化的网络架构，将原来的3级网络架构“扁平化”为2级：eNodeB—核心网。RNC的功能一部分分割在eNodeB中，一部分移至核心网。4G核心网只包含分组交换（PS）域。在4G阶段，中国移动提出的C-RAN架构被逐渐推广，它将BBU的功能进一步集中化、云化和虚拟化，每个BBU可以连接10～100个RRU，进一步缩短了网络的部署周期、降低了网络的部署成本。与传统的分布式基站不同，C-RAN尝试打破远端无线射频单元和基带处理单元之间的固定连接关系，远端无线射频单元不属于任何一个基带处理单元。每个远端无线射频单元处理发送或接收信号都是在一个虚拟的基站完成的，而这个虚拟基站的处理能力是由实时虚拟技术分配基带池中的部分处理器提供的。

为了进一步提高灵活性，5G网络又采用3级网络架构，即分布式单元（DU）—集中式单元（CU）—5G核心网（5GC）。DU和CU共同组成gNB，每个CU可以连接1个或多个DU。CU主要实现非实时的无线高层协议栈功能，DU主要负责处理实时性的层2处理和物理层处理。CU和DU可根据不同业务需求和网络条件进行灵活配置。CU可基于云化平台实现，支持功能按需灵活部署，以及边缘计算和边缘应用的共平台部署。

移动通信网络发展的规律10：为支撑商业驱动，网络架构的演变始终为缩短建设周期、降低建网和运维成本服务，便于灵活适配不同场景和业务需求。

1.2.4 商业驱动、技术驱动和网络架构演进的关系

商业利益的需要推动了产业发展、技术进步和网络架构演进，技术进步和网络架构演进托举了商业成功，并进一步成就了产业发展。商业驱动、技术驱动和网络架构演进的关系见表1-2，横向，支撑更多用户、多样化的业务使面向连接的单一模式走向计算和智能复合的模式；纵向，单基站算力、网络规模的增加，通信技术、硬件技术、软件技术和标准化的演进，为用户发展、业务发展、商业模式、成本效益提供了必要的托举。