第1章 5G 前蜂窩移動曆史
前言：超密集網絡UDN的核心特點
蜂窩移動網絡經曆了 1G、2G、3G、4G、5G 五大階段或時代，伴随着 ICT 技術和移動市場業務應用的不斷快速變化，蜂窩移動系統的形态和架構也經曆了相應的變化，或演進或變革，或漸變或劇烈。
深入了解 5G 前蜂窩移動曆史，有助于了解當下 5G 蜂窩網絡的核心特點和未來發展趨勢。
| 1.1 5G前蜂窩移動系統和業務概述 |
蜂窩移動通信學術界，早在 21 世紀初，就已開始了對未來更先進的 蜂窩移動技術的研究，它裡面其實已包含了，今日正在被工業界大力推向 5G 系統标準化的大量技術雛形，如大規模多天線輸入輸出技術（Massive MIMO、3D MIMO）、高頻波束賦形技術（HF Beamforming）、非正交多址 技術（Non-orthogonal Access）、高頻超大帶寬傳輸技術（HF Wider Band Transceiving）、新空口波形技術（F-OFDM、FB-OFDM 和 UF-OFDM）、 新編碼調制技術（Turbo Code 2.0、LDPC、Polar、256QAM 等）、全雙工 技術（Simutaneous Tx/Rx、Super Duplex）、無線接入網雲化技術（RAN Clouding）、端到端網絡切片技術（NW Slicing）、移動邊緣計算技術（Mobile Edge Computing）、終端 3D 定位技術、人工智能大資料應用化技術等。過去 多年，由于受到商業模式、業務應用、各種客觀工程條件和開發實作成本等方 面因素的制約，上述當中的蜂窩移動系統先進技術，在 5G 之前的時代，并不 能以較低的工程成本和穩定度實作，或者即使技術層面實作了，但由于相應的 蜂窩業務市場還不夠成熟，商業層面無法推廣應用，是以無法擷取到相應的市 場價值回報。是以大部分移動通信先進技術，隻能“靜靜默默地”躺在論文和 專利庫之中，等待時機成熟之時，被重新發現并利用，以發揮出其工程和市場 價值。可以這麼說，蜂窩移動早期既廣闊又深厚的技術理論儲備，早已為後續 移動通信産業的蓬勃發展，提供了充足的理論積澱和基礎。一切似幹柴待烈火，蓄勢待發而已。
相比之下，移動通信工業界國内外的一些組織，如 EU 歐盟的 METIS 項目、 中國 IMT-2020、南韓 5G Forum 等，還有 NGMN、GSMA，2013 年前後， 先後開展了 5G 蜂窩移動系統的前期預研和技術規劃，力圖基于過去幾代蜂窩 移動系統的标準化和工程化經驗教訓，緊密結合未來新興蜂窩業務市場和技術 等諸多客觀條件因素，充分挖掘和利用過去移動通信學術界的大量先進理論技 術的積累，聚合業界的廣泛力量，設計開發出更先進、更強大、更靈活、性價 比更高的 5G 蜂窩移動系統。是以在詳細介紹 5G 系統和 UDN 技術之前，筆者 先簡單地梳理一下，5G 之前的蜂窩移動系統的一些特點，如：代表性關鍵技術、 主要業務應用、使用者市場狀況。5G 之前，蜂窩移動系統的發展，大概經曆了 1G → 2G → 3G → 4G 幾大階段，而每個大階段内其實還有一些小階段，比如： 4G LTE 早期、LTE 中期、LTE 後期。每個大階段的曆時長短不同，但平均約 10 年左右的時間。目前，除了 1G 系統基本從蜂窩移動市場消失了，2G 及其之 後的幾代系統都還在廣泛地部署使用中。
1G 被稱為模拟移動通信時代，世界範圍内，分屬于衆多通信裝置廠家的各 種無線接入技術制式林立，各具特色和優劣，沒有全球性，甚至地區性的蜂窩 移動系統的統一标準，網絡裝置市場極度地分裂，終端市場手機的機型也非常 有限，使用者使用移動通信的成本也非常高。最形象的代言物就是“大哥大”手 提電話。1G 時代，相對有區域代表性的标準如 AMPS，它采用了模拟調制解調 技術和 FDMA 頻分多址方式，蜂窩系統容量很低。1G 時代主要服務于語音類 業務，使用者能輕松地接打電話，聽清彼此的對話，通話不掉線，那就是高品質 網絡的性能标準。
2G 開啟了數字移動通信時代，随着數字內建電路 / 計算機技術等的初步發 展，很多模拟電路系統逐漸被數字電路系統所取代，如 2G 采用的 GMSK 數字 調制，2G 蜂窩系統架構和協定棧設計也愈發完備、成熟和精煉，且網元節點的 實體實作內建度不斷提高。由于通信裝置市場有着互聯互通的天然需求，在市 場推動下，逐漸形成了一些地區性或地域性标準，如：歐洲的 GSM/GPRS（采 取時分多址方式）、美國的 IS-95 CDMA（采取窄帶 CDMA 碼分多址方式）。雖 然從全球層面看，網絡裝置市場仍然存在區域性分割，但終端市場的手機機型 卻逐漸豐富，出現了高、中、低端的差異，使用者移動通信的成本也逐漸降低。 2G 時代主要服務于語音類和中低速率的資料業務，如：短信、傳真、電子郵件 等，2G 為之後的全球移動市場邁向統一化奠定了良好基礎，因為人們已能充分 感受到：移動通信方式所帶來的便利和高效，逐漸擺脫了傳統的固網固話方式。
3G 被稱為寬帶移動通信時代，随着高內建電路 / 計算機 / 網際網路等技術的進一步迅猛發展，3G 蜂窩系統架構協定和實體內建度，繼續不斷地提升和優 化，更多的網際網路資料業務應用極大地刺激了無線寬帶傳輸的需求，移動通信 的主要内容從之前的語音逐漸向資料遷移。至此，全球移動通信裝置廠家的強 弱市場格局逐漸形成，更逐漸形成了多個準全球性的蜂窩移動标準，如：歐洲 的 UMTS/HSPA、美國的 cdma2000 和中國的 TD-SCDMA，它們都是寬帶 碼分多址方式，都采用了逼近香農容量極限的 Turbo 信道編碼。3G 蜂窩裝置 的市場格局逐漸趨向集中收斂和多足鼎立，終端市場的手機機型也已經非常之 多，且手機內建了大量的非通信功能，如：拍照、音樂、電子遊戲、定位導航等， 使用者無線資料傳輸的成本被進一步降低，手機俨然已成為生活、工作中的重要 物件。3G 時代主要服務于語音類和中高速率的寬帶類資料業務，如：高清語音、 視訊電話、多媒體網頁浏覽互動、檔案傳輸等。3G 推動着移動網際網路開始走向 大衆化，保證了部分前衛人群對移動網際網路豐富多彩業務的體驗和開發，逐漸 擺脫了傳統的桌面網際網路方式。
4G 被稱為超寬帶移動通信時代，它以 OFDM 正交頻分多址技術，外加“絕 配技術搭檔”MIMO 為核心基礎（MIMO 配合 CDMA 技術的實作成本較高， 效果不佳，但卻很适合搭檔 OFDM 技術）和全 IP 網路（語音可以用 VoIP）， 蜂窩通信裝置節點和單站的容量與資料處理能力都得到進一步增長，主流通信 裝置廠家的技術和市場優勢地位，繼續擴大鞏固，更多元、豐富且瘋狂增長的 網際網路資料新業務應用，繼續極大地刺激着移動裝置市場的前行，營運商們被 迫加速更新其蜂窩網絡的容量、覆寫和性能以應對。至此，應該算形成了真正 意義上的全球性蜂窩标準：LTE FDD、LTE TDD。蜂窩網絡裝置市場的格局 已基本穩定，優勝劣汰後隻剩下了幾家網絡裝置廠家和移動晶片巨頭，終端市 場的手機機型也已浩如煙海，多似繁星。由于更高的無線傳輸譜效和帶寬，用 戶無線資料傳輸的成本更被降低到曆史新境界，如：已出現不限流量 Flatrate 的包月套餐，10 元能購買 10GB 的流量。4G 時代主要服務于語音類和各種速 率等級及 QoS 要求的資料類業務，如：超高清語音、高清視訊電話、移動支付、 線上視訊、大型網絡遊戲、巨量檔案傳輸和共享等。4G 蜂窩系統進一步促進 了移動網際網路在群眾生活、工作、娛樂中的滲透、普及、移動休閑、移動辦公、移動商務，已俨然成為很多人的一種新生活、工作方式，手機已成為生活工作中必不可少的物件。
5G 被稱為萬物互聯準無極移動通信時代，除了蜂窩通信網絡裝置和終端的 能力與性能方面，繼續大踏步地前進之外，5G 蜂窩網絡服務的對象更是遠遠超 越了人自身，而延伸到了自然界的各種物體：動植物、各類機器儀表、車船飛 機等，還有未來富于人工智能的超級機器人，進而形成了人對人、人對物、物對物之間的三大通信類别。蜂窩移動營運商、網絡裝置商、終端晶片商們，除 了繼續推進着 5G 網絡容量、覆寫和性能的高速發展，還在積極醞釀着新的蜂 窩移動營運商業模式和盈利方式，以及對垂直類行業的跨界滲透、切入。本段 開頭 5G 之所謂“準無極”而不是“全無極”，是因為 5G 蜂窩移動系統還主要 以陸基為主，服務于陸地、近海、低空的終端；但還不能服務于遠海深海、高 空深空的終端，不能無極地做到“移動通信上天入海”5G 蜂窩移動系統也暫時 不能和衛星類通訊系統相融合或彼此深入互操作。基于上述 1G → 2G → 3G → 4G → 5G 的發展曆程，讀者不難推斷和體會到：5G 對今日和未來人類社會的 方方面面都會産生深刻的影響，它不僅僅會讓人類之間的資訊交流更快、更自 由、更便宜，更可能會改變每個通信個體在世間的價值和地位，繼續改變、重 塑着人類工作、生活、娛樂的方式，整合、重構、優化着全球諸多垂直行業、 産業等。對于這些内容，筆者在後面将分章節穿插式地再介紹。總而言之，5G 對于未來的任何人和物、對于任何行業領域，都是無法逃脫，且必須積極面對 的事物。5G 确實是推進人類社會無數方面進行再創造、再發展、再颠覆的強大 使能器 Enabler。
今日全球已普及應用的 4G LTE 系統，奠定了一個特殊的蜂窩移動通信時 代，它對今日和未來的 5G 系統發展，在技術和市場兩大方面，起到承前啟後、 至關重要的作用和意義。特别是最具有 4G 代表意義的 LTE-A 蜂窩系統，它 自誕生之日起，本身就是面向未來長期的演進，是以它在架構功能和性能方面， 即使在5G時代，也具有極強的前向演進性和市場生命力。随着智能終端技術（如 智能手機、平闆電腦、AR/VR 裝置、無人駕駛車等裝置）的高速發展和市場應 用的迅猛推進，以及來自各門類 OTT 類網際網路企業的林林總總的業務應用洪 水式地泛濫增長，廣大蜂窩移動使用者已逐漸擺脫了傳統語音和營運商自己定制 開發的資料類業務應用，而積極轉向 OTT 網際網路企業開發的、各種更有誘惑 力和實用性的新興資料業務應用。比如：大量移動使用者并不會使用營運商網絡 VoLTE 或者電路域語音業務，而更多地使用微信 /Skype 等 OTT 通信軟體提 供的 VoIP 業務，廣大移動使用者每月的資料流量消費，集中在網際網路企業開發 的各種蜂窩業務應用之上，如：電子商務、社交應用、移動搜尋導航、視訊門 戶、雲計算存儲等。在這種移動使用者通信消費偏好和習慣變遷的背景、趨勢下， 營運商們投入巨資建設、維護的蜂窩網絡，逐漸淪為底層的資料比特流傳輸管 道，即所謂“移動管道化”，營運商們僅僅能收獲到相對低廉的商業利潤，很難 再坐享着過去 2G/3G 時代高額的移動通信利潤。這背後大部分的行業價值和利 潤，無奈被 OTT 網際網路應用廠家們間接地奪走，造成所謂“網絡投入大，但 ARPU 無顯著提升，增量不增收”的窘況，或所謂網絡 CAPEX/OPEX 投入和收入利潤之間的“剪刀差”效應，如圖 1-1 所示。
是以當下，蜂窩移動營運商們在 4G、5G 蜂窩技術發展方面，都迫切地希 望取得下面三大目标和轉變。
（1）繼續不斷地降低蜂窩移動系統的 CAPEX/OPEX，即降低網絡裝置的 購買成本和營運維護成本。網絡裝置購買成本基本由蜂窩技術的先進性自身和 網絡裝置供應商（NW Vendor）所構成的大市場生态環境所決定的。更高效、 更先進的蜂窩移動技術的引入（特别是實體層關鍵技術、空中接口高層關鍵技 術和網絡高層關鍵技術）和更多方、豐富且勢力均衡、穩定（非壟斷的）的網 絡裝置供應商市場生态，就意味着網絡裝置購買成本的不斷降低和可持續性升 級演進。更高效、更靈活、更智能的蜂窩部署組網技術，則更利于降低蜂窩網 絡的組網營運和維護成本。是以長期以來，營運商陣營（Operator Camp），如 NGMN 各成員非常關注未來 5G 蜂窩網絡高低層關鍵技術的标準化情況，以及 網絡裝置供應商市場生态的建構、優化。在業内最有影響力的 3GPP 組織内， 營運商陣營總的原則目标就是：要不斷推動維護現有的網絡設施投資，不斷降 低未來新網絡裝置的購買和營運維護成本，擴大不同廠家之間網絡裝置節點的 互聯互通的可能性，以及不斷降低網絡裝置市場的技術準入門檻。
（2）更注重對自己“數字比特流管道”内流量的經營和資料挖掘利用。運 營商們力圖擺脫被“管道化”的命運，希望能從機關比特數字流量中，獲得更 多的行業利潤和價值。營運商天然容易擷取到大量移動使用者的個人資料，輔以 強大的網絡人工智能手段，挖掘利用好這些個人資料，一方面可使自身蜂窩網 絡的運維和利用能變得更合理、高效；另一方面還可以進一步提取出大資料增 值價值。例如，從蜂窩網絡管道中奔跑的衆多比特流中，提取出關鍵使用者資訊，挖掘出使用者的行為和消費特征，向第三方夥伴提供部分網絡能力開放和二次開 發機會等。在 2G/3G 時代，由于語音類業務在 QoS 和移動連續性方面的特殊 性要求，幾乎沒有其他任何 RAT 制式的無線系統能和蜂窩移動網絡相匹敵， 是以，那時營運商們基本能盡收語音類業務的全部市場價值和利潤。未來，運 營商們正力圖通過創造出諸如：大視訊、企業網切片、物聯網切片、超高可靠 無線鍊路等移動新業務，力圖創新出新的商業盈利模式，進一步提升移動用 戶的 ARPU 值，使自己能夠重新更好地掌控、支配自己“數字比特流管道”中 的資料流量，并從中獲得更多的營收利潤，重構有利于營運商自己的商業經營業态。
（3）更注重對蜂窩移動網絡裝置的彈性擴充更新以及軟體定義和裝置 虛 拟 化（SDN，Software Defined Network/NFV，Network Function Virtulization）。過去 2G/3G 的網絡裝置，基本都是基于特定的硬體平台和功 能元組開發、內建出來的，裝置一旦過期和退網，就幾乎是一堆無用的“廢銅 爛鐵”，裝置所有内部資源全部廢棄，營運商意識到這是一筆很大的 CAPEX 投 資浪費。如果蜂窩移動網絡裝置内的各種功能子產品化、虛拟化、軟體定義化、 可編排化，進而減少它們對特定硬體平台和器件元組資源的依賴，這樣當這些 網絡裝置需要更新或擴容的時候，可通過相對更容易的軟體修改、去更新和功 能重編排、重安裝來實作。是以，老裝置内的大部分硬體資源（如 CPU、緩存、 記憶體、硬碟等）都可被重新利用，非定制化而更通用的硬體開發平台也能進一 步降低整機裝置的開發、測試成本。營運商們的這種訴求，有利于打破一些傳 統網絡裝置廠家對裝置市場的長期壟斷，推動降低網絡裝置複雜度的技術壁壘， 抑制高實體內建度裝置而導緻的高價格，降低新興裝置開發者的技術準入門檻， 建構出更開放共享和互聯互通的供應商市場環境。更多的 ICT 廠家，都能參與 裝置子產品群組件的開發、生産、測試之中，這樣營運商才能有更豐富的蜂窩設 備供應面選擇，才能更靈活、自主地去建構和營運自己定制的 5G 網絡。
與營運商陣營相對應的就是網絡裝置商 陣營（NW Vendor Camp）和晶片終端商陣 營，它們三者之間既有密切的合作關系，又 有殘酷的競争關系，如圖 1-2 所示。比如， 處于優勢市場地位的網絡和終端裝置廠家， 希望能進一步鞏固自身市場佔有率地位，是以 出于商業目的考慮，經常會千方百計地阻撓 或拖延，營運商陣營對諸如“接口開放”“功 能解耦”“裝置技術和實體內建度方面門檻降低”的建議。某些具有業内統治力的終端裝置廠家，更希望引入終端間的直 連通信方式，以盡量擺脫網絡裝置對其的控制限制或終端對網絡的依賴，此外， 終端裝置廠家還希望把無線接入技術廣泛用于網絡節點間的前後回程，以部分 替代有線承載網絡，但網絡裝置商卻不願讓晶片終端商擁有較多的控制權和自 主權等。在營運商、網絡裝置商、晶片終端商每個陣營的内部，由于各成員 之間存在資金實力、市場地位和技術駕馭能力等方面大小強弱的差異，是以 也存在陣營内部方方面面的競合沖突關系，是以具體來看，各廠家都有為自己 的利益考慮。從總體上來說，對于某個特定的問題，3GPP 制定的對應工程标 準化方案，通常都是上述各個陣營内外的各種競合複雜關系作用下、長期博弈 後的結果。
無論是 4G LTE 在 5G 時代的長期演進，還是今日新設計的 5G NR（New Radio），營運商們都緊緊圍繞着上述三大核心訴求和總原則目标，在網絡裝置 商陣營和終端晶片商陣營之間，進行着商業技術利益層面的長期博弈。今日和 未來 3GPP 組織内的 5G 标準化程序和相關結果，如 5G 系統所期望達到的新能 力、新功能、新特征和上述三大訴求本質地關聯着，都是三大陣營之間互相妥 協、商議博弈後的結果。在下面的各個章節中，筆者将會結合具體的關鍵技術 點執行個體，有條件地再進行介紹分析，期待讀者能更清晰地明白每個 5G 的新需求、 新功能、新特征等背後的本質訴求和因果關聯。