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自从马可尼（Guglielmo Marconi）首次证明无线电能够为在英吉利海峡上航行的船只提供持续的通信以来，与移动中的人们进行通信的能力有了显著的发展。从那时起，无线通信方法在世界范围内引起了研究的热潮。特别是在过去的十年中，在数字和射频电路制造、新的大规模电路集成以及使便携式无线电设备更小、更便宜和更可靠的微型化技术（miniaturization technologies）的推动下，移动通信产业更是飞速发展。

Evolution of Mobile Radio Communications

First Generation

无线通信正处于其历史上最快的增长期，但从历史上看，移动通信领域的增长是缓慢的，直到贝尔实验室在 20 世纪六七十年代提出了蜂窝移动通信的概念，移动通信才真正走向广泛的商用，为广大普通大众所使用。蜂窝移动通信系统从技术上解决了 频率资源有限，用户容量受限，无线电波传输时的干扰等问题。

20 世纪 70 年代末的蜂窝移动通信采用的空接入方式为频分多址接入方式，即所谓的 FDMA 方式。 其传输的无线信号为模拟量，因此人们称此时的移动通信系统为模拟通信系统 , 也称为第一代移动通信系统 (1G)。

1987 年，第一台移动电话进入中国市场，其型号为摩托罗拉 3200，也就是大哥大，而当时一台大哥大的价格超过两万块，要知道当时人均可支配收入也不过一千来块钱。

Second Generation

然而随着移动通信市场的大大发展 , 对移动通信技术提出了更高的要求。由于模拟系统本身的缺陷, 如频谱效率低、网络容量有限、保密性差等，已使得模拟系统无法满足人们的需求。 为此，20 世纪 90 年代初期开发出了基于数字通信的移动通信系统, 即所谓的数字蜂窝移动通信系统 , 也称为第二代移动通信系统(2G)。第二代移动通信系统已经开始采用时分多址（TDMA）以及码分多址（CDMA）的接入方式。

CDMA 区分地址时在频率、时间和空间上是重叠的 , 它使用相互准正交的地址码来完成对用户的识别。 这种技术带来的好处有：低的发射功率，保密性，软切换，大容量，话音激活技术, 频率再用及扇区化，低的信噪比或载干比需求等。 这些特性在满足用户需求方面具有独特的优势，因而得到迅速发展。

Third Generation

虽然 2G 在短短的十几年就成为了世界范围的、 最大的移动通信网，但直到第三代移动通信的出现，才基本达到了人们对快速传输数据业务的需求。手机不再只能被用作通话，上网、发邮件以及各种多媒体业务开始蓬勃发展。

与 1G 和 2G 相比，3G 手机主要是将无线通信和国际互联网等通信技术全面结合，以此形成一种全新的移动通信系统。这种移动技术可以处理图像、音乐等媒体形式，除此之外，也包含了电话会议等一些商务功能。为了实现这些目标，对无线传输技术提出了以下要求：

• 室内环境需提供至少 2 Mbps 的数据传输速度
• 室外步行环境提供至少 384 kbps 的数据传输速度
• 室外行车环境提供至少 144 kbps 的数据传输速度

3G 主要有三大主流技术，包括欧洲与日本主导的 WCDMA，北美主导的 CDMA-2000 以及中国独自制定的 TD-SCDMA 标准。

Fourth Generation

4G 无线蜂窝标准由国际电信联盟（ITU）制定，4G 将 WLAN 技术和 3G 通信技术进行了很好的结合，使图像的传输速度更快，让传输图像的质量和图像看起来更加清晰。每一代的无线蜂窝技术都引入了更高的带宽速度和网络容量。

4G 的传输和接收能力由 MIMO 和 OFDM 技术驱动。与 3G 相比，MIMO 和 OFDM 都能实现更多的容量和带宽。

4G 也是一个基于全IP网络的语音和数据标准，与 3G 不同，3G 只将 IP 用于数据，而用电路交换网络（circuit-switched network）实现语音。作为一个全 IP 网络，4G 对移动网络供应商来说更容易运营和优化。

Fifth Generation

5G 无线技术旨在为更多的用户提供更高的峰值速度、超低延迟、更多的可靠性、更大的网络容量、更高的可用性以及更统一的用户体验。国际电信联盟定义了 5G 的三大类应用场景，即增强移动宽带（eMBB）、超高可靠低时延通信 (uRLLC) 和海量机器类通信 (mMTC)。增强移动宽带（eMBB）主要面向移动互联网流量爆炸式增长，为移动互联网用户提供更加极致的应用体验；超高可靠低时延通信 (uRLLC) 主要面向工业控制、远程医疗、自动驾驶等对时延和可靠性具有极高要求的垂直行业应用需求；海量机器类通信 (mMTC) 主要面向智慧城市、智能家居、环境监测等以传感和数据采集为目标的应用需求。

在 OFDMA 和 MIMO 基础技术上，5G 为支持三大应用场景，采用了灵活的全新系统设计。在频段方面，与 4G 支持中低频不同，考虑到中低频资源有限，5G 同时支持中低频和高频频段，其中中低频满足覆盖和容量需求，高频满足在热点区域提升容量的需求。

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Other Wireless Communication Systems

Wireless Local Area Networks (WLAN）

无线局域网（WLAN）是一组集中在一起的计算机或其他设备，基于无线电传输而不是有线连接形成的网络。像广播媒体一样，WLAN通过无线电波传输信息。数据是以数据包形式发送的。数据包包含带有标签和指令的层，与分配给端点的唯一 MAC 地址一起，实现路由。我们通常所说的 Wi-Fi 就是一种 WLAN，它创建于IEEE 802.11 标准。WLAN 还有许多相关的协议标准，我们这里列出几个：

Name	Data rates	Frequency
802.11	1 or 2 Mbps	2.4 GHz
802.11a	6 - 54 Mbps	5 GHz
802.11b	Up to 11 Mbps	2.4 GHz
802.11g	20+ Mbps	2.4 GHz

Satellite communication network

卫星通信是地球上（包括地面和低层大气中）的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星通信的特点是：通信范围大；只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信；不易受陆地灾害的影响（可靠性高）；只要设置地球站电路即可开通（开通电路迅速）；同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信（多址特点）；电路设置非常灵活，可随时分散过于集中的话务量；同一信道可用于不同方向或不同区间（多址联接）。

Wireless Sensor Networks

WSNs 在我们的日常生活中应用非常广泛，例如各种各样的温度传感器、压力传感器等等。这些日常生活中的应用，都需要有非常高效的通信协议的支持。WSNs 含有大量的传感器节点，这些节点必须提供可靠的信息来传递给观察者。而且传感器节点不只是简单的传递原始数据，它会根据自己的处理能力对数据进行一些运算、处理，然后只传输必要的数据。

如果对这部分感兴趣的朋友可以看这篇文章：《无线传感器网络（Wireless Sensor Networks）概述》 以及该文章专栏内的其它文章。

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Basic Concepts of Cellular System

图源：Campos Delgado, Daniel Ulises & Luna-Rivera, J.M. & Rojas, A.J. & Gutierrez, Carlos. (2015). Power Allocation in Mobile Cellular Communication Under Multiplicative Noise and Interference Uncertainty. IEEE Transactions on Control of Network Systems.

在蜂窝移动通信系统中，把信号覆盖区域分为一个个的小区 (cell)，它可以是六边形，正方形，圆形或其它的一些形状，通常是六角蜂窝状。这些分区中的每一个被分配了多个频率，具有相应的基站 (base station, BS)。在其它分区中，可使用重复的频率，但相邻的分区不能使用相同频率，这会引起同信道干扰。

从图中我们也可以看出，下行链路（downlink）是指信号从基站到移动台的物理信道，相反，上行链路（uplink）是指信号从移动台到基站的物理通道。

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References

《移动通信原理与系统》，啜钢，王文博，常永宇，北京邮电大学出版社。