任务2 移动通信系统的发展

移动通信系统的发展经历了从第1代到第4代的历程，如图1-5所示。

1.2.1 第1代移动通信系统（1G）

第1代移动通信技术（1G）是指采用蜂窝技术组网，仅支持模拟语音通信的移动电话标准，其制定于20世纪80年代，主要采用的是模拟技术和频分多址（Frequency Division Multiple Access,FDMA）技术。以美国的高级移动电话系统（Advanced Mobile Phone System,AMPS），英国的全接入移动通信系统（Total Access Communications System, TACS），以及 Nordic 国家、东欧及俄罗斯的北欧移动电话（Nordic Mobile Telephone, NMT）为代表。当然其他国家分别也有各自的技术标准，但这些标准彼此不能兼容，无法互通；同时由于受到传输带宽的限制，不能支持移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。

第1代移动通信系统的主要特点如下。

（1）频率复用的蜂窝小区组网方式和越区切换，有利于解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾。

（2）模拟系统：模拟语音信号直接调频。

（3）FM传输。

（4）多信道共用和FDMA接入方式。

主要缺点如下。

（1）无法与固定电信网络迅速向数字化推进相适应，数据业务很难开展。

（2）各系统间没有公共接口，彼此不兼容。

（3）频率利用率低，无法适应大容量的要求。

（4）保密性差，易于被窃听。

（5）价格昂贵。

1.2.2 第2代移动通信系统（2G）

由于第 1 代模拟移动通信系统存在着许多的不足和缺陷，如：频谱效率低、网络容量有限、业务种类单一、保密性差等，已使其无法满足人们的需求。因此，人们开始探索更新的移动通信技术。进入20世纪80年代后期，大规模集成电路、微型计算机、微处理器和数字信号处理技术的大量应用，为开发数字移动通信系统提供了技术保障，从此，移动通信技术进入了其发展的第 2个时期 —2G 时代。图 1-6 所示为第 2代移动通信系统所采用的主要技术。

第2代移动通信系统是引入数字无线电技术组成的数字蜂窝移动通信系统，它主要采用窄带码分多址技术制式（Code Division Multiple Access,CDMA）和时分多址技术制式（Time Division Multiple Access,TDMA）。采用 CDMA 制式的为美国的 IS-95 CDMA，而采用 TDMA 制式的主要有欧洲的全球移动通信系统（Global System of Mobile communication,GSM）、美国的数字高级移动电话系统（Digital-Advanced Mobile Phone System,D-AMPS）和日本的个人数字蜂窝系统（Personal Digital Cellular,PDC）3种。移动电话已由模拟转向数字发展，最具代表性的是 GSM 和CDMA制式的数字移动电话正在世界范围内高速发展，这两大系统在目前世界移动通信市场占据着主要的份额。

GSM 是由欧洲提出的第2代移动通信标准，与其他以前标准最大的不同是其信令和语音信道都是数字式的。CDMA移动通信技术是由美国提出的第2代移动通信系统标准，其最早是被军用通信所采用，直接扩频和抗干扰性是其突出的特点。

由于第2代通信系统的核心网仍然以电路交换为基础，因此，语音业务仍然是其主要承载的业务，随着各种增值业务的不断增长，第2代移动通信系统也可以传输低速的数据业务。

引入数字无线电技术组成的数字蜂窝移动通信系统，提供更高的网络容量，改善了话音质量和保密性，并为用户提供无缝的国际漫游。

1.GSM

GSM 是指利用工作在900/1800MHz 频段的 GSM 移动通信网络提供的语音和数据业务。GSM 移动通信系统的无线接口采用 TDMA 技术，核心网移动性管理协议采用 MAP 协议。900/1800MHz GSM第2代数字蜂窝移动通信业务的经营者必须自己组建GSM移动通信网络，所提供的移动通信业务类型可以是一部分或全部。提供1次移动通信业务经过的网络可以是同一个运营商的网络，也可以由不同运营商的网络共同完成。提供移动网国际通信业务，必须经过国家批准设立的国际通信出入口。

主要业务类型如下。

（1）端到端的双向话音业务。

（2）移动消息业务，利用 GSM 网络和消息平台提供的移动台发起、移动台接收的消息业务。

（3）移动承载业务及其上移动数据业务。

（4）移动补充业务，如主叫号码显示、呼叫前转业务等。

（5）经过GSM网络与智能网共同提供的移动智能网业务，如预付费业务等。

（6）国内漫游和国际漫游业务。

2.CDMA

800MHz CDMA第2代数字蜂窝移动通信（简称CDMA移动通信）业务是指利用工作在800MHz频段上的CDMA移动通信网络提供的话音和数据业务。CDMA移动通信的无线接口采用窄带码分多址 CDMA 技术，核心网移动性管理协议采用 IS-41协议。800MHz CDMA 第2代数字蜂窝移动通信业务的经营者必须自己组建CDMA 移动通信网络，所提供的移动通信业务类型可以是一部分或全部。提供1次移动通信业务经过的网络，可以是同一个运营商的网络，也可以由不同运营商的网络共同完成。

主要业务类型如下。

（1）端到端的双向话音业务。

（2）移动消息业务，利用 CDMA 网络和消息平台提供的移动台发起、移动台接收的消息业务。

（3）移动承载业务及其上移动数据业务。

（4）移动补充业务，如主叫号码显示、呼叫前转业务等。

（5）经过CDMA网络与智能网共同提供的移动智能网业务，如预付费业务等。

（6）国内漫游和国际漫游业务。

第2代数字移动通信有下述特征。

有效利用频谱：数字方式比模拟方式能更有效地利用有限的频谱资源。随着更好的语音信号压缩算法的推出，每信道所需的传输带宽越来越窄。

高保密性：模拟系统使用调频技术，很难进行加密，而数字调制是在信息本身编码后再进行调制，故容易引入数字加密技术；可灵活地进行信息变换及存储。

1.2.3 第3代移动通信系统（3G）

尽管基于话音业务的移动通信网已经足以满足人们对于话音移动通信的需求，但是随着社会经济的发展，人们对数据通信业务的需求日益增高，已不再满足于以话音业务为主的移动通信网所提供的服务。第3代移动通信系统（3G）是在第2代移动通信技术基础上进一步演进的，以宽带 CDMA 技术为主，并能同时提供话音和数据业务。图1-7所示为第3代移动通信系统所采用的主要技术。

3G与2G的主要区别是在传输语音和数据的速率上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第2代系统的良好兼容性。目前国内支持国际电联确定的3个无线接口标准，分别是中国电信运营的 cdma2000（Code Division Multiple Access 2000），中国联通运营的WCDMA（Wideband Code Division Multiple Access）和中国移动运营的TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access）。

TD-SCDMA 由我国信息产业部电信科学技术研究院提出，采用不需配对频谱的时分双工（Time Division Duplexing,TDD）工作方式，以及FDMA/TDMA/CDMA相结合的多址接入方式，载波带宽为1.6MHz，对支持上下行不对称业务有优势。TD-SCDMA 系统还采用了智能天线、同步CDMA、自适应功率控制、联合检测及接力切换等技术，使其具有频谱利用率高，抗干扰能力强，系统容量大等特点。

WCDMA 源于欧洲，同时与日本几种技术相融合，是1个宽带直扩码分多址（DSCDMA）系统。其核心网是基于演进的 GSM/GPRS 网络技术，载波带宽为5MHz，可支持384kbit/s～2Mbit/s不等的数据传输速率。在同一传输信道中，WCDMA可以同时提供电路交换和分组交换的服务，提高了无线资源的使用效率。WCDMA 支持同步/异步基站运行模式、采用上下行快速功率控制、下行发射分集等技术。

cdma2000由高通公司为主导提出，是在 IS-95基础上的进一步发展。分2个阶段：cdma2000 1xEV-DO（Data Optimized）和cdma2000 1xEV-DV（Data and Voice）。cdma2000的空中接口保持了许多 IS-95空中接口设计的特征，为了支持高速数据业务，还提出了许多新技术：前向发射分集，前向快速功率控制，增加了快速寻呼信道、上行导频信道等。

1.3G的基本特征

（1）具有全球范围设计的、与固定网络业务及用户互连，以及无线接口的类型尽可能少和高度兼容性的特点。

（2）具有与固定通信网络相比拟的高话音质量和高安全性。

（3）具有在本地采用2Mbit/s 高速率接入和在广域网采用384kbit/s 接入速率的数据率分段使用功能。

（4）具有在2GHz左右的高效频谱利用率，且能最大程度地利用有限带宽。

（5）移动终端可连接地面网和卫星网，既可移动和固定使用，又可与卫星业务共存和互连。

（6）能够处理包括国际互联网和视频会议、高数据率通信和非对称数据传输的分组和电路交换业务。

2.3G标准及演进

3G 系统的3大主流标准分别是 WCDMA（宽带 CDMA）,cdma2000和 TD-SCDMA （时分双工同步CDMA）。这3种标准的基础技术参数比较见表1-2所示。

从表1-2中可以看出，WCDMA 和 cdma2000属于频分双工方式（FDD,Frequency Division Duplex），而 TD-SCDMA 属于时分双工方式（TDD,Time Division Duplex）。WCDMA 和 cdma2000是上下行独享相应的带宽，上下行之间需要频率间隔以避免干扰；TD-SCDMA是上下行采用同一频谱，上下行之间需要时间间隔以避免干扰。

2007年10月，联合国国际电信联盟（ITU）已批准WiMAX 无线宽带接入技术成为移动设备的全球标准。WiMAX继WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA后全球第4个3G标准。

WiMAX全称为World Interoperability for Microwave Access，即全球微波接入互操作性。WiMAX 的另一个名字是 IEEE 802.16。它是由 IEEE（美国电气和电子工程师协会）制定的协议标准。它是1项无线城域网（WMAN）技术，是针对微波和毫米波频段提出的1种新的空中接口标准。它用于将802.11a 无线接入热点连接到互联网，也可连接公司与家庭等环境至有线骨干线路。它可作为线缆和DSL的无线扩展技术，从而实现无线宽带接入。

WiMAX 是一项新兴的无线通信技术，能提供面向互联网的高速连接，据称该技术能提供覆盖30英里范围的高速互联网连接。它也是1种功能强大的无线技术，将是固定电话运营商还击移动通讯的有力武器。长期以来，移动通信一直在蚕食固定电话业务。英特尔已经花费数亿美元推广Wi-Fi无线技术，并将WiMAX视为1种能对偏远地区和发展中国家提供互联网连接的新方式。另外还得到了全球最大的手机制造商诺基亚的支持。使用这种技术，用户可以在50公里以内的范围以非常非常快的速度进行数据通信。尽管与当前的技术相比，3G网络的速度已经有了大幅提高，但是相对于WiMAX来说，3G就是小巫见大巫了， 3G网络的速度较WiMAX低30倍，3G发射塔的覆盖面积比WiMAX要小10倍。

1.2.4 第4代移动通信系统（4G）

尽管目前3G 的各种标准和规范早已冻结并获得通过，但3G 系统仍存在很多不足，如采用电路交换，而不是纯 IP 方式；由于采用 CDMA 技术，3G 难以达到很高的通信速率，无法满足用户对高速率多媒体业务的需求；多种标准难以实现全球漫游等。正是由于3G 的局限性推动了人们对下一代移动通信系统—4G的研究和期待。

2012年1月18日，LTE-Advanced和Wireless MAN-Advanced（802.16m）技术规范通过了 ITU-R 的审议，正式被确立为 IMT-Advanced（也称 4G）国际标准。我国主导制定的TD-LTE-Advanced同时成为IMT-Advanced国际标准。图1-8所示为第4代移动通信系统主要技术。

这里需要说明一点的是：我们所说的 LTE技术并不是人们普遍认为的4G 技术，而是3G向4G技术发展过程中的一个过渡技术，它通常被称为3.9G，或者叫“准4G”。它通过采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和 MIMO（MultipleInput Multiple-Output，多输入多输出）作为无线网络演进的标准，改进并且增强了3G 的空中接入技术。

LTE包括LTE-TDD（时分双工）和LTE-FDD（频分双工）2种制式。其中LTE-TDD在国内称为TD-LTE，即TDD版本的LTE，我国引领TD-LTE的发展。而LTE-FDD则是FDD版本的LTE。

第4代移动通信系统可称为宽带接入和分布式网络，其网络结构将是1个采用全 IP 的网络结构，包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统与交互式广播网络。第4代移动通信系统超越标准可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网（包括卫星通信和平流层通信），能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。

LTE-A 4G 网络采用许多关键技术来支撑，包括：正交频率复用（OFDM）技术，多载波调制技术，自适应调制和编码（Adaptive Modulation and Coding,AMC）技术，MIMO和智能天线技术，载波聚合，多点协同，中继，基于 IP 的核心网，软件无线电技术，以及网络优化和安全性等。另外，为了与传统的网络互联需要用网关建立网络的互联，所以 LTE-A将是一个复杂的多协议网络。

第4代移动通信系统具有如下特征。

（1）传输速率更快：下行峰值速率可以达到1Gbit/s 以上，上行峰值速率则可以达到500Mbit/s以上。

（2）频谱利用效率更高：4G 在开发和研制过程中使用和引入许多功能强大的突破性技术，无线频谱的利用比第2代和第3代系统有效得多，下行峰值频谱效率达到30bit/s/Hz及以上，上行峰值频谱效率可以达到15bit/s/Hz及以上。

（3）网络频谱更宽：每个4G 信道将会占用100MHz 或是更多的带宽，而3G 网络的带宽则在5～20MHz之间。

（4）容量更大：4G 将采用新的网络技术（如空分多址技术等）来极大地提高系统容量，以满足未来大信息量的需求。

（5）灵活性更强：4G 系统采用智能技术，可自适应地进行资源分配，采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信号的正常收发。另外，用户将使用各式各样的设备接入到4G系统。

（6）实现更高质量的多媒体通信：4G 网络的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等，大量信息透过宽频信道传送出去，让用户可以在任何时间、任何地点接入到系统中，因此4G也是一种实时的宽带的以及无缝覆盖的多媒体移动通信。

（7）兼容性更平滑：4G 系统应具备全球漫游，接口开放，能跟多种网络互联，终端多样化以及能从第二代平稳过渡等特点。

（8）通信费用更加便宜。

而4G的另一个技术标准——WiMAX 802.16m ，于2006年12月立项，正式启动IEEE 802.16m标准的制定工作。它是从3G WiMAX技术演进过来的。

为了满足IMT-Advanced所提出的4G技术要求，802.16m的速度将会大大超过其前身，能够提供高速移动、广域覆盖场景下传输速率达到100Mbit/s 的下行速率，低速移动、热点覆盖场景下传输速率达到1Gbit/s以上的下行速率。除了速率提升之外，802.16m单个接入点的平均覆盖范围也将增加至31平方公里，这将大大降低网络的建设成本。802.16m也将向后兼容802.16e 标准，这意味着目前现有的网络系统将会平滑升级至新标准，并不需要大量的更新成本。在移动性方面，802.16m 从低速条件下向高速移动的方向发展，且考虑了和其它多种接入技术的切换和互通关系，能够现实 IMT-Advanced 的要求，相比“准移动”的802.16e有很大的进步，真正迈入了移动的行列。

此外，相比之前版本，802.16m在功耗、时延、频谱利用率和QoS保障方面也有非常大改进。