任務(wù)2 移動通信系統(tǒng)的發(fā)展

移動通信系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從第1代到第4代的歷程，如圖1-5所示。

1.2.1 第1代移動通信系統(tǒng)（1G）

第1代移動通信技術(shù)（1G）是指采用蜂窩技術(shù)組網(wǎng)，僅支持模擬語音通信的移動電話標(biāo)準(zhǔn)，其制定于20世紀(jì)80年代，主要采用的是模擬技術(shù)和頻分多址（Frequency Division Multiple Access,FDMA）技術(shù)。以美國的高級移動電話系統(tǒng)（Advanced Mobile Phone System,AMPS），英國的全接入移動通信系統(tǒng)（Total Access Communications System, TACS），以及 Nordic 國家、東歐及俄羅斯的北歐移動電話（Nordic Mobile Telephone, NMT）為代表。當(dāng)然其他國家分別也有各自的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但這些標(biāo)準(zhǔn)彼此不能兼容，無法互通；同時由于受到傳輸帶寬的限制，不能支持移動通信的長途漫游，只能是一種區(qū)域性的移動通信系統(tǒng)。

第1代移動通信系統(tǒng)的主要特點如下。

（1）頻率復(fù)用的蜂窩小區(qū)組網(wǎng)方式和越區(qū)切換，有利于解決大容量需求與有限頻譜資源的矛盾。

（2）模擬系統(tǒng)：模擬語音信號直接調(diào)頻。

（3）FM傳輸。

（4）多信道共用和FDMA接入方式。

主要缺點如下。

（1）無法與固定電信網(wǎng)絡(luò)迅速向數(shù)字化推進相適應(yīng)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)很難開展。

（2）各系統(tǒng)間沒有公共接口，彼此不兼容。

（3）頻率利用率低，無法適應(yīng)大容量的要求。

（4）保密性差，易于被竊聽。

（5）價格昂貴。

1.2.2 第2代移動通信系統(tǒng)（2G）

由于第 1 代模擬移動通信系統(tǒng)存在著許多的不足和缺陷，如：頻譜效率低、網(wǎng)絡(luò)容量有限、業(yè)務(wù)種類單一、保密性差等，已使其無法滿足人們的需求。因此，人們開始探索更新的移動通信技術(shù)。進入20世紀(jì)80年代后期，大規(guī)模集成電路、微型計算機、微處理器和數(shù)字信號處理技術(shù)的大量應(yīng)用，為開發(fā)數(shù)字移動通信系統(tǒng)提供了技術(shù)保障，從此，移動通信技術(shù)進入了其發(fā)展的第 2個時期 —2G 時代。圖 1-6 所示為第 2代移動通信系統(tǒng)所采用的主要技術(shù)。

第2代移動通信系統(tǒng)是引入數(shù)字無線電技術(shù)組成的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)，它主要采用窄帶碼分多址技術(shù)制式（Code Division Multiple Access,CDMA）和時分多址技術(shù)制式（Time Division Multiple Access,TDMA）。采用 CDMA 制式的為美國的 IS-95 CDMA，而采用 TDMA 制式的主要有歐洲的全球移動通信系統(tǒng)（Global System of Mobile communication,GSM）、美國的數(shù)字高級移動電話系統(tǒng)（Digital-Advanced Mobile Phone System,D-AMPS）和日本的個人數(shù)字蜂窩系統(tǒng)（Personal Digital Cellular,PDC）3種。移動電話已由模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字發(fā)展，最具代表性的是 GSM 和CDMA制式的數(shù)字移動電話正在世界范圍內(nèi)高速發(fā)展，這兩大系統(tǒng)在目前世界移動通信市場占據(jù)著主要的份額。

GSM 是由歐洲提出的第2代移動通信標(biāo)準(zhǔn)，與其他以前標(biāo)準(zhǔn)最大的不同是其信令和語音信道都是數(shù)字式的。CDMA移動通信技術(shù)是由美國提出的第2代移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，其最早是被軍用通信所采用，直接擴頻和抗干擾性是其突出的特點。

由于第2代通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)仍然以電路交換為基礎(chǔ)，因此，語音業(yè)務(wù)仍然是其主要承載的業(yè)務(wù)，隨著各種增值業(yè)務(wù)的不斷增長，第2代移動通信系統(tǒng)也可以傳輸?shù)退俚臄?shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

引入數(shù)字無線電技術(shù)組成的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)，提供更高的網(wǎng)絡(luò)容量，改善了話音質(zhì)量和保密性，并為用戶提供無縫的國際漫游。

1.GSM

GSM 是指利用工作在900/1800MHz 頻段的 GSM 移動通信網(wǎng)絡(luò)提供的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GSM 移動通信系統(tǒng)的無線接口采用 TDMA 技術(shù)，核心網(wǎng)移動性管理協(xié)議采用 MAP 協(xié)議。900/1800MHz GSM第2代數(shù)字蜂窩移動通信業(yè)務(wù)的經(jīng)營者必須自己組建GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)，所提供的移動通信業(yè)務(wù)類型可以是一部分或全部。提供1次移動通信業(yè)務(wù)經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)可以是同一個運營商的網(wǎng)絡(luò)，也可以由不同運營商的網(wǎng)絡(luò)共同完成。提供移動網(wǎng)國際通信業(yè)務(wù)，必須經(jīng)過國家批準(zhǔn)設(shè)立的國際通信出入口。

主要業(yè)務(wù)類型如下。

（1）端到端的雙向話音業(yè)務(wù)。

（2）移動消息業(yè)務(wù)，利用 GSM 網(wǎng)絡(luò)和消息平臺提供的移動臺發(fā)起、移動臺接收的消息業(yè)務(wù)。

（3）移動承載業(yè)務(wù)及其上移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

（4）移動補充業(yè)務(wù)，如主叫號碼顯示、呼叫前轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)等。

（5）經(jīng)過GSM網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)共同提供的移動智能網(wǎng)業(yè)務(wù)，如預(yù)付費業(yè)務(wù)等。

（6）國內(nèi)漫游和國際漫游業(yè)務(wù)。

2.CDMA

800MHz CDMA第2代數(shù)字蜂窩移動通信（簡稱CDMA移動通信）業(yè)務(wù)是指利用工作在800MHz頻段上的CDMA移動通信網(wǎng)絡(luò)提供的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。CDMA移動通信的無線接口采用窄帶碼分多址 CDMA 技術(shù)，核心網(wǎng)移動性管理協(xié)議采用 IS-41協(xié)議。800MHz CDMA 第2代數(shù)字蜂窩移動通信業(yè)務(wù)的經(jīng)營者必須自己組建CDMA 移動通信網(wǎng)絡(luò)，所提供的移動通信業(yè)務(wù)類型可以是一部分或全部。提供1次移動通信業(yè)務(wù)經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)，可以是同一個運營商的網(wǎng)絡(luò)，也可以由不同運營商的網(wǎng)絡(luò)共同完成。

主要業(yè)務(wù)類型如下。

（1）端到端的雙向話音業(yè)務(wù)。

（2）移動消息業(yè)務(wù)，利用 CDMA 網(wǎng)絡(luò)和消息平臺提供的移動臺發(fā)起、移動臺接收的消息業(yè)務(wù)。

（3）移動承載業(yè)務(wù)及其上移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

（4）移動補充業(yè)務(wù)，如主叫號碼顯示、呼叫前轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)等。

（5）經(jīng)過CDMA網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)共同提供的移動智能網(wǎng)業(yè)務(wù)，如預(yù)付費業(yè)務(wù)等。

（6）國內(nèi)漫游和國際漫游業(yè)務(wù)。

第2代數(shù)字移動通信有下述特征。

有效利用頻譜：數(shù)字方式比模擬方式能更有效地利用有限的頻譜資源。隨著更好的語音信號壓縮算法的推出，每信道所需的傳輸帶寬越來越窄。

高保密性：模擬系統(tǒng)使用調(diào)頻技術(shù)，很難進行加密，而數(shù)字調(diào)制是在信息本身編碼后再進行調(diào)制，故容易引入數(shù)字加密技術(shù)；可靈活地進行信息變換及存儲。

1.2.3 第3代移動通信系統(tǒng)（3G）

盡管基于話音業(yè)務(wù)的移動通信網(wǎng)已經(jīng)足以滿足人們對于話音移動通信的需求，但是隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的需求日益增高，已不再滿足于以話音業(yè)務(wù)為主的移動通信網(wǎng)所提供的服務(wù)。第3代移動通信系統(tǒng)（3G）是在第2代移動通信技術(shù)基礎(chǔ)上進一步演進的，以寬帶 CDMA 技術(shù)為主，并能同時提供話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。圖1-7所示為第3代移動通信系統(tǒng)所采用的主要技術(shù)。

3G與2G的主要區(qū)別是在傳輸語音和數(shù)據(jù)的速率上的提升，它能夠在全球范圍內(nèi)更好地實現(xiàn)無線漫游，并處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁瀏覽、電話會議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)，同時也要考慮與已有第2代系統(tǒng)的良好兼容性。目前國內(nèi)支持國際電聯(lián)確定的3個無線接口標(biāo)準(zhǔn)，分別是中國電信運營的 cdma2000（Code Division Multiple Access 2000），中國聯(lián)通運營的WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access）和中國移動運營的TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access）。

TD-SCDMA 由我國信息產(chǎn)業(yè)部電信科學(xué)技術(shù)研究院提出，采用不需配對頻譜的時分雙工（Time Division Duplexing,TDD）工作方式，以及FDMA/TDMA/CDMA相結(jié)合的多址接入方式，載波帶寬為1.6MHz，對支持上下行不對稱業(yè)務(wù)有優(yōu)勢。TD-SCDMA 系統(tǒng)還采用了智能天線、同步CDMA、自適應(yīng)功率控制、聯(lián)合檢測及接力切換等技術(shù)，使其具有頻譜利用率高，抗干擾能力強，系統(tǒng)容量大等特點。

WCDMA 源于歐洲，同時與日本幾種技術(shù)相融合，是1個寬帶直擴碼分多址（DSCDMA）系統(tǒng)。其核心網(wǎng)是基于演進的 GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，載波帶寬為5MHz，可支持384kbit/s～2Mbit/s不等的數(shù)據(jù)傳輸速率。在同一傳輸信道中，WCDMA可以同時提供電路交換和分組交換的服務(wù)，提高了無線資源的使用效率。WCDMA 支持同步/異步基站運行模式、采用上下行快速功率控制、下行發(fā)射分集等技術(shù)。

cdma2000由高通公司為主導(dǎo)提出，是在 IS-95基礎(chǔ)上的進一步發(fā)展。分2個階段：cdma2000 1xEV-DO（Data Optimized）和cdma2000 1xEV-DV（Data and Voice）。cdma2000的空中接口保持了許多 IS-95空中接口設(shè)計的特征，為了支持高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，還提出了許多新技術(shù)：前向發(fā)射分集，前向快速功率控制，增加了快速尋呼信道、上行導(dǎo)頻信道等。

1.3G的基本特征

（1）具有全球范圍設(shè)計的、與固定網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)及用戶互連，以及無線接口的類型盡可能少和高度兼容性的特點。

（2）具有與固定通信網(wǎng)絡(luò)相比擬的高話音質(zhì)量和高安全性。

（3）具有在本地采用2Mbit/s 高速率接入和在廣域網(wǎng)采用384kbit/s 接入速率的數(shù)據(jù)率分段使用功能。

（4）具有在2GHz左右的高效頻譜利用率，且能最大程度地利用有限帶寬。

（5）移動終端可連接地面網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)，既可移動和固定使用，又可與衛(wèi)星業(yè)務(wù)共存和互連。

（6）能夠處理包括國際互聯(lián)網(wǎng)和視頻會議、高數(shù)據(jù)率通信和非對稱數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆纸M和電路交換業(yè)務(wù)。

2.3G標(biāo)準(zhǔn)及演進

3G 系統(tǒng)的3大主流標(biāo)準(zhǔn)分別是 WCDMA（寬帶 CDMA）,cdma2000和 TD-SCDMA （時分雙工同步CDMA）。這3種標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)比較見表1-2所示。

從表1-2中可以看出，WCDMA 和 cdma2000屬于頻分雙工方式（FDD,Frequency Division Duplex），而 TD-SCDMA 屬于時分雙工方式（TDD,Time Division Duplex）。WCDMA 和 cdma2000是上下行獨享相應(yīng)的帶寬，上下行之間需要頻率間隔以避免干擾；TD-SCDMA是上下行采用同一頻譜，上下行之間需要時間間隔以避免干擾。

2007年10月，聯(lián)合國國際電信聯(lián)盟（ITU）已批準(zhǔn)WiMAX 無線寬帶接入技術(shù)成為移動設(shè)備的全球標(biāo)準(zhǔn)。WiMAX繼WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA后全球第4個3G標(biāo)準(zhǔn)。

WiMAX全稱為World Interoperability for Microwave Access，即全球微波接入互操作性。WiMAX 的另一個名字是 IEEE 802.16。它是由 IEEE（美國電氣和電子工程師協(xié)會）制定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。它是1項無線城域網(wǎng)（WMAN）技術(shù)，是針對微波和毫米波頻段提出的1種新的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。它用于將802.11a 無線接入熱點連接到互聯(lián)網(wǎng)，也可連接公司與家庭等環(huán)境至有線骨干線路。它可作為線纜和DSL的無線擴展技術(shù)，從而實現(xiàn)無線寬帶接入。

WiMAX 是一項新興的無線通信技術(shù)，能提供面向互聯(lián)網(wǎng)的高速連接，據(jù)稱該技術(shù)能提供覆蓋30英里范圍的高速互聯(lián)網(wǎng)連接。它也是1種功能強大的無線技術(shù)，將是固定電話運營商還擊移動通訊的有力武器。長期以來，移動通信一直在蠶食固定電話業(yè)務(wù)。英特爾已經(jīng)花費數(shù)億美元推廣Wi-Fi無線技術(shù)，并將WiMAX視為1種能對偏遠(yuǎn)地區(qū)和發(fā)展中國家提供互聯(lián)網(wǎng)連接的新方式。另外還得到了全球最大的手機制造商諾基亞的支持。使用這種技術(shù)，用戶可以在50公里以內(nèi)的范圍以非常非常快的速度進行數(shù)據(jù)通信。盡管與當(dāng)前的技術(shù)相比，3G網(wǎng)絡(luò)的速度已經(jīng)有了大幅提高，但是相對于WiMAX來說，3G就是小巫見大巫了， 3G網(wǎng)絡(luò)的速度較WiMAX低30倍，3G發(fā)射塔的覆蓋面積比WiMAX要小10倍。

1.2.4 第4代移動通信系統(tǒng)（4G）

盡管目前3G 的各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范早已凍結(jié)并獲得通過，但3G 系統(tǒng)仍存在很多不足，如采用電路交換，而不是純 IP 方式；由于采用 CDMA 技術(shù)，3G 難以達(dá)到很高的通信速率，無法滿足用戶對高速率多媒體業(yè)務(wù)的需求；多種標(biāo)準(zhǔn)難以實現(xiàn)全球漫游等。正是由于3G 的局限性推動了人們對下一代移動通信系統(tǒng)—4G的研究和期待。

2012年1月18日，LTE-Advanced和Wireless MAN-Advanced（802.16m）技術(shù)規(guī)范通過了 ITU-R 的審議，正式被確立為 IMT-Advanced（也稱 4G）國際標(biāo)準(zhǔn)。我國主導(dǎo)制定的TD-LTE-Advanced同時成為IMT-Advanced國際標(biāo)準(zhǔn)。圖1-8所示為第4代移動通信系統(tǒng)主要技術(shù)。

這里需要說明一點的是：我們所說的 LTE技術(shù)并不是人們普遍認(rèn)為的4G 技術(shù)，而是3G向4G技術(shù)發(fā)展過程中的一個過渡技術(shù)，它通常被稱為3.9G，或者叫“準(zhǔn)4G”。它通過采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用）和 MIMO（MultipleInput Multiple-Output，多輸入多輸出）作為無線網(wǎng)絡(luò)演進的標(biāo)準(zhǔn)，改進并且增強了3G 的空中接入技術(shù)。

LTE包括LTE-TDD（時分雙工）和LTE-FDD（頻分雙工）2種制式。其中LTE-TDD在國內(nèi)稱為TD-LTE，即TDD版本的LTE，我國引領(lǐng)TD-LTE的發(fā)展。而LTE-FDD則是FDD版本的LTE。

第4代移動通信系統(tǒng)可稱為寬帶接入和分布式網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將是1個采用全 IP 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括寬帶無線固定接入、寬帶無線局域網(wǎng)、移動寬帶系統(tǒng)與交互式廣播網(wǎng)絡(luò)。第4代移動通信系統(tǒng)超越標(biāo)準(zhǔn)可以在不同的固定、無線平臺和跨越不同的頻帶的網(wǎng)絡(luò)中提供無線服務(wù)，可以在任何地方用寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)（包括衛(wèi)星通信和平流層通信），能夠提供定位定時、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等綜合功能。

LTE-A 4G 網(wǎng)絡(luò)采用許多關(guān)鍵技術(shù)來支撐，包括：正交頻率復(fù)用（OFDM）技術(shù)，多載波調(diào)制技術(shù)，自適應(yīng)調(diào)制和編碼（Adaptive Modulation and Coding,AMC）技術(shù)，MIMO和智能天線技術(shù)，載波聚合，多點協(xié)同，中繼，基于 IP 的核心網(wǎng)，軟件無線電技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和安全性等。另外，為了與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)需要用網(wǎng)關(guān)建立網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，所以 LTE-A將是一個復(fù)雜的多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)。

第4代移動通信系統(tǒng)具有如下特征。

（1）傳輸速率更快：下行峰值速率可以達(dá)到1Gbit/s 以上，上行峰值速率則可以達(dá)到500Mbit/s以上。

（2）頻譜利用效率更高：4G 在開發(fā)和研制過程中使用和引入許多功能強大的突破性技術(shù)，無線頻譜的利用比第2代和第3代系統(tǒng)有效得多，下行峰值頻譜效率達(dá)到30bit/s/Hz及以上，上行峰值頻譜效率可以達(dá)到15bit/s/Hz及以上。

（3）網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬：每個4G 信道將會占用100MHz 或是更多的帶寬，而3G 網(wǎng)絡(luò)的帶寬則在5～20MHz之間。

（4）容量更大：4G 將采用新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如空分多址技術(shù)等）來極大地提高系統(tǒng)容量，以滿足未來大信息量的需求。

（5）靈活性更強：4G 系統(tǒng)采用智能技術(shù)，可自適應(yīng)地進行資源分配，采用智能信號處理技術(shù)對信道條件不同的各種復(fù)雜環(huán)境進行信號的正常收發(fā)。另外，用戶將使用各式各樣的設(shè)備接入到4G系統(tǒng)。

（6）實現(xiàn)更高質(zhì)量的多媒體通信：4G 網(wǎng)絡(luò)的無線多媒體通信服務(wù)將包括語音、數(shù)據(jù)、影像等，大量信息透過寬頻信道傳送出去，讓用戶可以在任何時間、任何地點接入到系統(tǒng)中，因此4G也是一種實時的寬帶的以及無縫覆蓋的多媒體移動通信。

（7）兼容性更平滑：4G 系統(tǒng)應(yīng)具備全球漫游，接口開放，能跟多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，終端多樣化以及能從第二代平穩(wěn)過渡等特點。

（8）通信費用更加便宜。

而4G的另一個技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——WiMAX 802.16m ，于2006年12月立項，正式啟動IEEE 802.16m標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。它是從3G WiMAX技術(shù)演進過來的。

為了滿足IMT-Advanced所提出的4G技術(shù)要求，802.16m的速度將會大大超過其前身，能夠提供高速移動、廣域覆蓋場景下傳輸速率達(dá)到100Mbit/s 的下行速率，低速移動、熱點覆蓋場景下傳輸速率達(dá)到1Gbit/s以上的下行速率。除了速率提升之外，802.16m單個接入點的平均覆蓋范圍也將增加至31平方公里，這將大大降低網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本。802.16m也將向后兼容802.16e 標(biāo)準(zhǔn)，這意味著目前現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將會平滑升級至新標(biāo)準(zhǔn)，并不需要大量的更新成本。在移動性方面，802.16m 從低速條件下向高速移動的方向發(fā)展，且考慮了和其它多種接入技術(shù)的切換和互通關(guān)系，能夠現(xiàn)實 IMT-Advanced 的要求，相比“準(zhǔn)移動”的802.16e有很大的進步，真正邁入了移動的行列。

此外，相比之前版本，802.16m在功耗、時延、頻譜利用率和QoS保障方面也有非常大改進。