本文章是一篇关于移动通信的科普，包括通信技术的发展，从1G到5G，发生了哪些改变。我自己的了解也是比较浅层的，希望感兴趣的伙伴可以一起讨论。
首先，什么是通信？通信是指信息之间的传递方式，古代通过驿站、飞鸽传书、烽火传军情这些方式进行，现代就是咱们的固定电话、手机、互联网。
移动通信技术，就是咱们日常说的1G，2G，到现在第5代发展的5G，概念上是指沟通移动用户与固定点用户之间或移动用户之间的通信方式，可以说移动通信技术，深刻的改变了人们的生活方式。
什么是移动通信？
如图可以看到一个移动通信系统的基本组成。发送端：手机发送信号到基站，基站把信号传至核心网处理。接收端：信号发送至基站，基站接收到信号再回传至手机。这里有两个概念，接入网和核心网。
接入网，是指用户接入的网络，像宽带、固话、基站等的接入线缆组成的网络都叫接入网，像北京一个城市可能有几百万台基站；
核心网，是指信息处理中心，基站把信号传到核心网处理。一般一个核心网能处理几千或几万个基站的数据。核心网的硬块一般就是大型服务器，很贵，一定要放在机房里，好好保护着。
日常人们面对面交流，依靠的是声波，那移动通信是依靠什么传播呢？
移动通信基础『电磁波』
波是什么？这个我们在高中物理学过，波是物质运动的方式，在波的运动中会有能量的传输。比如常见的沿着弦或弹簧传播的声波、水波等，而电磁场振动的传递则构成电磁波，我们无线上网的一些列操作都离不开电磁波。早在1887年，就证实了电磁波的存在。到1895年，马可尼发明无线电报机，人类正式进入无线通信时代。
这里是一个通用公式：c=λv。电磁波的速度c是恒定的光速，真空中的传播速度约为每秒30万公里，是个相对固定的值。频率v和波长λ成反比关系。波长越小，频率越高。随着频率的增加，每秒发出的波是更多的，携带的信息也就更多，能量也是越高的，但穿透性会更差。比如可见光，一张纸就可以挡住，
那我们希望在什么频率进行通信呢？如果每秒3个波，携带的信息很少，等你一句话说完，就可以过年了，我们肯定是希望同样的时间携带更多的信息。如图，电磁波（无线电波）主要是集中在波长1cm-100m。下面是一个详细的电磁波频谱和波段的划分。广播、电视主要使用的频段为『中频』和『高频』，移动通信使用的频段范围从『高频』到『超高频』，对于更高的频段，主要用于卫星通信、雷达。
对于非通信专业的同学来说，普遍有3个疑问，下面我们来一一解答。
1.为什么通信需要这么宽的频段？大家能不能在同一频率上进行通信？
这个其实比较好理解，像人说话的频率通常在20——3400HZ，如果同时有好几个人和你说话，分辨起来就很非常困难。如果一个人和一只蝙蝠同时向你喊，就不存在干扰的问题，因为蝙蝠发射的是20KHZ的超声波，跟人发声的频段相差非常多。
2.频谱为什么是一种稀缺资源？由于电磁波在同一频段的干扰，造成了频段资源的有限性，总共就这么多频段，要供给全球这么多人同时通信，是远远不够的。
在中国，频谱资源的价值并不是很容易识别出来，因为它是通过行政命令的方式分配的。行政命令背后各运营商的博弈不像商业上的博弈一样透明和容易量化，而像欧洲或者其他一些地区的频谱资源是政府拿出来拍卖的，那么从拍卖价高低我们一眼即知频谱资源的价值。以德国电信为例，为了获得3G的10MHz频段竟然花了77亿美元，每1MHz频段价值7.7亿美元
3、既然通信频率越高越好，我们为什么不能在更高的频率，比如300吉赫兹的『至高频』进行通信?
实际上从1G到4G发展，使用的电波频率确实是越来越高的。频率越高，能使用的频率资源越丰富。频率资源越丰富，能实现的传输速率就越高。到了5G，甚至可以达到28吉赫兹。
为什么从1G开始，就用更高的频段? 原因很简单——不是不想用，是用不起。电磁波的频率越高，波长越短，越趋近于直线传播（代表绕射能力越差），衰减越快，比如卫星通信和GPS导航（波长1cm左右），如果有遮挡物，就没信号了吧。卫星那口大锅，必须校准瞄着卫星的方向，否则哪怕稍微歪一点，都会影响信号质量。如果移动通信使用了高频段，那么最大的问题就是传输距离和覆盖能力的大幅减弱。因此5G相比于4G就需要更多的基站。基站数量意味着钱，成本！
从1G到5G
从上面的介绍也可以看出，这么多年通信的速度提升，主要在于提升频谱的利用率。如果我只有这么多频谱，又有这么多的通信场景，如何让更多的人同时传递更多的信息，也是这些年通信领域技术在不断探索的。下面我们就一起回顾一下从1G到5G的发展变化吧！
1G
1G实现了模拟语音通信，大哥大没有屏幕只能打电话，只能打电话。解释一下什么是模拟通信？人们面对面沟通，传递的声波是连续波，连续信号，模拟通信指的是传递的信号都是对信息的本身模拟，因此模拟通信传递的仍然是连续波。
1G在2001年在中国彻底消失，在中国应用长达14年，主要应用的技术包括模拟调制技术和FDMA技术。
模拟调制技术，是指在传送端，声波通过转化器转换为适合在通信信道上传输的信号，在接收端，再转换为声波，听到声音。
FDMA频分多址技术，所谓频分，就是把一段频谱切成N块，每块分给一个用户去通话。相当于一条大路，划分成多个车道，你开车可以占用一条车道跑。假如这条大陆只能划分20个车道，那么就只能同时允许20个用户通话，利用率是非常低的。
2G
2G实现了语音通信数字化，功能机有了小屏幕可以发短信了。但是网速依旧是很慢，且不稳定。2G则不再像1G一样，使用的是数字通信，什么是数字通信技术？
数字通信技术是将连续信号抽样得到离散信号，数字信号的码流只有高低两个电平0和1，非常容易进行区分。数字信号相较于联系的模拟信号，优点在于保密性和抗干扰能力，对于噪声的处理。
数字信号在编码时，可以插入很多冗余的信息（比如伪随机码）来提高信道传输的可靠性，减少传输的出错，而模拟通信技术由于不具备信道编码技术，在差错控制方面和数字技术差距较大。同时，数字信号是可以再生的，在长距离通信的时候会减少噪声的叠加。相比于模拟通话，通话时话音清晰、干扰小
2G技术除了采用FDMA技术外，还使用了TDMA技术。
TDMA时分多址技术，是指把一个载波在不同的时间上进行切片，分为8个时隙给8个用户用，由于占用的时间不同，所以相互之间不会干扰。相当于一条大路，不划分车道，但大家只能轮流分时间片开，比如10:00张三开车，10:10李四开车。
显然，在资源有限的情况下，采用时分多址要比频分多址能容纳更多的用户。大家可能听过的GSM，全球移动通讯系统，就是基于TDMA时分复用和FDMA频分复用技术发展出来的。
此外，在2G时代，CDMA技术也发展起来。
CDMA码分多址技术，是指靠不同的地址码来区分的地址。每个配有不同的地址码，接收时只有确知其配给地址码的接收机，才能解调出相应的基带信号，而其他接收机因地址码不同，无法解调出信号。这样的话，网内所有用户就可以使用同一载波、同时发送或接收信号。相当于一条大路，不划分车道，但跑一辆超级大的车，所有人都在这辆公交车上，每个人各自上车下车使用即可。
当年高通公司是如何介绍CDMA技术的呢？
如果举办一场聚会，聚会上的交流基于FDMA技术，每个一对一的谈话都将在独立的房间内举行，这个房间就代表了分配给你的频段。你和你的朋友在房间内谈话，彼此可以互相清晰地听见对方谈话，既然房间里只有你们两人，那么声音大一点也无所谓。假如一个大厦只有20个房间，那么一次就只能有20场会谈，假如有几百人来赴宴，其他人就要意兴阑珊地离开了。
如果聚会上的交流使用TDMA技术，每个一对一的谈话只能进行固定时间（比如30分钟），30分钟结束，你就需要从房间中撤出来，让下一对需要交流的客人进行谈话。
如果聚会使用的是CDMA技术，那大家都在大厅里，没有小房间了，大厅里可以容纳很多很多人，但是，你和张三说中国话，alice和bob说英文，cici和coco说意大利语，虽然大家都叽叽喳喳的说着话，但是你还是可以很清楚的听明白张三说的什么，因为你只能听懂中国话，听不懂英文和意大利语，就把其他语言当成噪音直接过滤掉了。这就是CDMA技术的奥妙。
3G
3G是多媒体通信时代，是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。它能够处理图像、音乐，相对于2G主要是网速的提升，速度可达几百KB每秒。通过3G，人们可以在手机上直接浏览电脑网页，收发邮件，进行视频通话，收看直播。
3G仍以CDMA技术为主，主要存在3种标准：美国高通主导的CDMA2000、欧洲GSM厂商主导的WCDMA和中国自研的TD-SCDMA标准
4G
4G时代，可以实现局域高速上网，大屏智能机可以看短视频，在线游戏。图像的传输速度更快，质量也更加清晰，上网速度更加迅速，可以十几M每秒
在选择4G手机时，经常看到网络的参数制式，写的支持TD-LTE（时分双工）或者FDD-LTE（频分双工），分别是什么含义呢？
了解双工，首先了解一下单工。单工，是指单向传输数据，比如收音机，只能接收信号，不能发送信号；半双工，是指既可以发送也可以接收信号，但不能同时进行，比如对讲机。一个人在说话的时候，另一个人不能说；双工，是两个设备之间可以同时发送和接收信号，比如手机通话。
在我们通话的时候，我们的手机会向基站发出数据，也会接收基站的数据。TD-LTE只需要一个频率发送数据，通过时间的控制绝对发送还是接收，就好像一个单行道，上班早高峰的时候只能进程，下班只能出城。而FDD-LTE需要两个对称的频率来接收和发送数据，好比需要两个车道，一个负责发送数据，一个负责接收数据。
当我们在看视频的时候，主要是接收数据，接收数据和发送数据是不对等的，这样FDD的接收车道就会受到挤压，TDD的利用率会更好；如果两个人在通话，接收和发送数据差不多，FDD会更有优势。但这只是原理是上的，实际使用手机大家不会感受到太多区别。在目前国际上来说，比较普遍的是FDD版本，因为TDD对于频率要求更高，对基站的覆盖要求也更高。
5G
5G并不是单一或是全新的无线接入技术，而是多种新型无线接入和现有无线技术优化集成后解决方案的总称。它的特点是超高速度、超大带宽、超高容量、超可靠性、低成本、随时随地可接入。
通信界普遍认为，5G是一个智能化、融合化、绿色节能的网络。对于普通用户来说，5G带来的最直观感受将是网速的极大提升。目前4G/LTE的峰值传输速率达到每秒100M，而5G的峰值速率将达到每秒10G。打个比方来讲，用LTE网络下载一部电影可能会用1分钟，而用5G下载一部高画质（HD）电影只需1秒钟，也就是一眨眼的工夫。
那5G的技术主要有哪些亮点呢？
5G主要从频谱效率、频谱扩展、网络致密化三个方面来提高未来网络系统性能
1.频谱扩展方面：通信技术的发展依赖大量可用的频谱资源，之前主要集中在300mhz-6Ghz，而5G目前最高可达到28ghz，有效解决频谱资源短缺的问题，提高传输速率；
2.频谱效率方面：大规模多天线技术（Ｍassive MIMO）
我们日常通信，都需要把电磁波发到空中，或把空中的电磁波收下来，都需要天线，别以为现在手机光溜溜的就不需要天线了。手机与手机是无法直接通信的，而是通过周边的基站与别的手机联系。于是，问题来了，5G使用的毫米波在空气中衰减非常严重，但又不能无限制提高发射功率，怎么办呢？只能在天线上做文章了。
Ｍassive MIMO，大白话就是增加天线的数量，不是增加一个两个，而是几百个。多根天线发送，多根天线接收。
在4G时代我们已经有 MIMO了，但是还是比较初级的，天线数量不多。到了5G，就是加强版的mimo，大规模的，天线阵列。高增益，抗干扰，提高频谱效率。
5G基站则具有几百个天线端口，也意味着更多的干扰。波束赋形技术，则将信号聚焦传输给指定的用户方向而不是同时传输给不同的方向的用户，从而减轻干扰问题。
3.网络致密化方面：
前面也讲到，到了5G，频段可以达到28Ghz，属于超高频的频段。高频率、波长短、衰减更快，意味着更多的基站，那么带来的网络建设方面的成本压力是非常大的，那么5G做了些什么呢？
像以往只有一个宏基站，离得近信号就好，离得远信号就差。到了5G时代，微基站会更多，可能随处可见。小小的一个，覆盖面更多，功率消耗也更小。微基站并不是新技术，但是通过密集部署小基站，可以提升热点地区的传输速率。
从短期看，5G建设的投入非常巨大，至2020年全国将建设开通完成55万个5G基站
从1G到4G，大家的感知主要是在智能手机的变化上，到了5G，主要应用领域将大大扩展，包括智能制造、无人汽车、智能家居、远程问诊等等。可能大家现在对于5G的感知是很弱的，但引用马克思政治经济学的一个观点：生产力决定生产关系。把这个理论套用到全球来看，人类生产力发展到今天，新的生产关系正在逐渐浮现，让我们一起期待！
