第一章

通信發展史x1.1概述

通信技術與計算機技術的飛速發展是人類進入信息社會的重要標志。通信就是人與人溝通的方法。無論是電話還是網絡，解決的最基本的問題都是人與人的信息交互。遠古時期，人們利用烽火傳遞戰事情況，利用快馬與驛站傳送文件；到了現代，人們通過電視收看節目，利用傳真機傳送文件，使用移動電話進行通話等，都屬于通信的范疇。1831年，法拉第（MichaelFaraday）通過實驗發現了電磁感應現象：閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感應線運動時，導體中會產生電流，由此總結出法拉第電磁感應定律。電磁感應現象的發現奠定了電磁學的發展基礎。圖1-1法拉第x1.1概述1947年，貝爾實驗室提出了蜂窩移動通信的概念，這是無線通信發展的重大突破。應用蜂窩概念可以設計任意大用戶容量的無線通信系統，從而解決無線通信技術向公眾應用推廣問題。1973年，摩托羅拉公司的庫帕發明了第一部無線電話機，首次實現了民用移動通信，這標志著無線通信向民用推廣。20世紀80年代以來，通信技術始終是發展最快的技術領域之一。現代通信技術不斷采用最新技術優化通信的各種實現方式，讓人的交流變得更便捷、有效，突破時空限制。1978年，貝爾實驗室試驗成功第一個蜂窩移動通信系統。1983年，采用蜂窩技術的先進移動電話系統（AdvancedMobilePhoneSystem，AMPS）在美國芝加哥正式投入商用。此后建立的公眾移動通信網絡都以蜂窩概念為基礎。

x1.1概述從第三代蜂窩系統開始，移動通信業務開始以面向數據和多媒體業務為主，語音業務占用的帶寬比例已經很小。目前，蜂窩系統已經發展到第四代（4G），TD-LTE（TimeDivisionLongTermEvolution，時分長期演進）就屬于第四代蜂窩系統技術，4G已經推廣商用，第五代（5G）蜂窩技術已在部署中，部分地區已在應用。4G的下載數據速率可以達到100Mb/s，上傳速率可以達到50Mb/s，理論上5G的下載率可以到10Gb/s，比4G快100倍。5G時代是萬物互聯的時代，5G主要面向移動互聯網和物聯網應用。5G網絡廣域覆蓋、高密度、大容量、大帶寬，因此網絡規模大，對網絡設備需求量大，這就要求網絡設備低成本、低功耗、易維護，以最大限度地降低網絡總成本。典型的蜂窩系統如圖1-10所示。圖1-10典型蜂窩系統x1.1概述近年來，社會加速邁向數字化、網絡化、智能化，作為新基建“領頭羊”的5G，在助推各行各業數字化轉型中發揮了強大賦能作用。我國非常重視5G的發展，同時也深刻認識到5G的戰略意義，政府出臺了一系列的政策、規劃文件。“十四五”規劃綱要明確提出，加快5G網絡規模化部署，用戶普及率提高到56%。自2019年5G正式商用以來，在黨和國家的大力支持下，在全行業的協同努力下，5G網成績斐然。《中國互聯網發展報告（2021）》指出，截至2020年底，我國5G網絡用戶數超過1.6億，約占全球5G總用戶數的89%，網民規模達9.89億，互聯網普及率達到70.4%。在中國國際信息通信展覽會期間舉辦的第五屆5G創新發展高峰論壇上，工業和信息化部給出了一組驚人的數據：截至2021年8月，我國累計開通的5G基站超100萬個，覆蓋全國所有地級以上城市。x1.1概述移動通信的每一代演進都超越并解決了上一代通信系統的一些問題，除了社會經濟發展的需求驅動外，通信理論與技術、元器件的發展在這中間則起到了使能者的關鍵作用。1G建立了首個可用于通話的模擬制式的蜂窩網通信系統。2G實現了從模擬向數字通信的革命性轉變，提高了通信的容量、質量和安全性。3G實現了向數據傳輸的邁進。4G提供了移動寬帶業務，使得通信進入了移動互聯網的時代，并促進了電子商務的發展。到了5G時代，移動通信將在大幅提升以人為中心的移動互聯網業務使用體驗的同時，全面支持以物為中心的物聯網業務，實現一個萬物互聯智能化的社會。展望未來，有一種觀點認為，移動通信發展至今已非常成熟，如果5G網絡能合理地設計部署，我們將不再需要6G、7G、8G……，而只需要一些小的改動即可滿足未來社會的需要，因此，未來幾十年我們所面對的很可能是5.1G、5.2G……。或者至少無線通信的演進速度會大大地降低，沒有必要繼續以十年一代的速度更新迭代。無線通信的發展每十年更新一代，即所的“使用一代，研究一代，儲備一代”。歐洲、中國、美國、日本、韓國等一些國家和地區的研究機構已經開始布局6G技術的研究。x1.1概述在我國，航天科技集團和航天科工集團分別啟動了“鴻雁”和“虹云”低軌衛星通信星座計劃。這些低軌道衛星通信計劃將可能成為現有蜂窩移動通信系統的有力競爭對手。2019年3月，世界第一屆6G峰會（6GWirelessSummit）在芬蘭召開。Oulu大學的6G旗艦項目根據來自諾基亞、愛立信、中國電信、三星、NTT等幾十家公司的專家的預測，發布了一份6G白皮書《6G無線智能無處不在的關鍵驅動與研究挑戰》。白皮書認為，聯合國的人類發展遠景才是未來無線技術發展所應追求的目標。以此為基礎，白皮書把6G定義為UbiquitousWirelessIntelligence，即無所不在的無線智能。5G和6G可能使用頻段的特性如表所示:頻段0.3~3GHz3~30GHz30~300GHz0.3~3THz3~30THz波長10~100cm1~10cm1~10mm100~1000μm10~100μm主要衰減

因素自由空間自由空間，即高頻段對于穿越物體的損耗大自由空間/分子

吸收O2和H2O自由空間/分子

吸收H2O自由空間/分子

吸收H2O支持傳輸

距離10km1000m100m<10m<1m系統帶寬100MHz400MHz（或800MHz）高達30GHz高達300GHz>100GHzx1.2通信大事記1、電報的出現：1837年，英國的庫克和惠斯通設計制造了第一臺電纜電報，經不斷改進，傳輸速度得到不斷提高。這種電報很快被用于鐵路通信。2、電話的發明：貝爾（AlexanderGrahamBell）是公認的電話之父，以他的名字命名的貝爾實驗室更是因為一直引領通信的潮流而享譽世界。3、無線電報的產生：馬可尼（GuglielmoMarconi）是意大利的電氣工程師和發明家。在博洛尼亞大學學習期間，他用電磁波進行約2公里距離的無線電通信實驗，獲得成功。4、蜂窩式移動電話的誕生：20世紀70年代初，貝爾實驗室提出蜂窩系統覆蓋小區的概念和相關的理論后，該理論立即得到迅速發展，很快進入實用階段。5、集成電路：1958年，基爾比（JackKilby）發明了集成電路，這一發明奠定了現代微電子技術的基礎。如果沒有這項發明，就不會有計算機的存在，信息化時代也只能淪為空談。6、首顆通信衛星：1958年12月18日，美國成功發射了世界上第一顆通信衛星“斯科爾號”，全稱為“軌道中繼設備信號通信衛星”。7、5G網絡應用：5G網絡不僅是移動通信技術，也是多種無線接入技術演進集成后的解決方案總稱。它將掀起整個行業的巨大變革，推動人類社會全面進入數字化時代。x1.3通信行業中的標準與法規

標題通信涉及收發雙方或多方的信息傳遞，在信息傳遞的過程中，要求各方都要遵循統一的規定，否則信息就無法互通。另一方面，不同的通信設備可能來自不同的廠商，為了使這些設備能在一個系統或網絡內協同工作，也需要不同廠家的設備能夠互通。因此，通信系統的設計與應用需要遵循一定的標準。一些比較重要的國際標準:全球移動通信系統（GlobalSystemforMobileCommunications），縮寫為GSM，是由歐洲電信標準組織ETSI制訂的一個數字移動通信標準。W-CDMA的全稱為WidebandCDMA，也稱為CDMADirectSpread，意為寬頻分碼多重存取，這是基于GSM網發展出來的3G技術規范，是歐洲提出的寬帶CDMA技術，它與日本提出的寬帶CDMA技術基本相同，目前正在進一步融合。CDMA2000是由窄帶CDMA（CDMAIS95）技術發展而來的寬帶CDMA技術，也稱為CDMAMulti-Carrier，由美國高通北美公司為主導提出，TD-SCDMA的全稱為TimeDivisionSynchronousCDMA，即時分同步CDMA。該標準是我國自行制定的3G標準，WiMAX的全名為微波存取全球互通（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess），是一種為企業和家庭用戶提供“最后一公里”的寬帶無線連接方案。LTE（LongTermEvolution，長期演進技術）原本是第三代移動通信向第四代過渡升級過程中的演進標準，包含LTEFDD（LongTermEvolution，Frequency-divisionduplex，長期演進頻分雙工）和LTETDD（LongTermEvolution，Time-DivisionDuplex，長期演進時分雙工，通常簡稱為TD-LTE）兩種模式。TD-LTE是一種新一代寬帶移動通信技術，是我國擁有自主知識產權的TD-SCDMA（TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMultipleAccess，時分同步碼分多址）的后續演進技術，在繼承了TDD（Time-DivisionDuplex，時分雙工）優點的同時又引入了多天線MIMO與頻分復用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交頻分復用）技術。FDD（Frequency-divisionduplex，頻分雙工）是LTE技術支持的兩種雙工模式之一，應用FDD模式的LTE即為FDD-LTE。5G-NR（5GNewRadio）是基于OFDM的全新空口設計的全球性5G標準，也是下一代蜂窩移動技術的基礎。x1.3通信行業中的標準與法規

標題隨著通信技術的發展，網絡基礎建設迎來新的發展機遇，網絡與信息技術與經濟社會發展深度融合，為我國數字經濟發展提供新途徑。沒有信息化就沒有現代化，沒有網絡安全保障，信息化進程只能淪為空談。網絡與信息安全事關國家、社會與個人，網絡空間成為國家安全的重要組成部分。“棱鏡門”事件引起世界各國政府的高度重視，紛紛采取各種技術手段、制定法律法規加強本國的網絡與信息安全。我國為保護公民個人、企業及國家利益與安全，從國家戰略高度進行頂層設計，出臺了一系列網絡與信息安全相關的法律法規：《中華人民共和國個人信息保護法》《中華人民共和國數據安全法》《中華人民共和國密碼法》《中華人民共和國網絡安全法》《中華人民共和國電子商務法》《中華人民共和國電子簽名法》《中華人民共和國保守國家秘密法》《中華人民共和國保守國家秘密法實施條例》《關鍵信息基礎設施安全保護條例》《中華人民共和國計算機信息系統安全保護條例》《計算機信息網絡國際互聯網安全保護管理辦法》《計算機軟件保護條例》x1.4我國通信行業現狀通信工程是我國信息科技發展中的重要領域，其包含：移動通信與個人通信、計算機通信網絡與安全技術、語音處理與人機交互、多媒體通信、寬帶通信、衛星通信以及寬帶通信網、圖像通信和圖像處理、網絡通信與光纖通信等。其中，發展最快的是移動通信、光纖通信與網絡通信，這些技術被應用到寬帶通信當中，走進人們的日常生活中，使每一個人都能夠享有移動電話，不分地域地共享網絡資源。我國通信工程有著廣闊的發