移动通信概述论文

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2010 年 5 月 20 日

移动通信技术发展历程与趋势

伍明铭

（华南理工大学电子与信息学院，广东广州 510641）

摘要： 本文介绍移动通信技术的发展历程，重点讨论了 1G 到 4G 各代移动通信技术的主要性能指标 和关键技术，展望移动通信技术的发展趋势. 关键词： 移动通信；GSM 技术；CDMA；MIMO-OFDM 中图分类号： TN92 文献标识码： A 文章编号： 0372-2112 History and Trend of Mobile Communication Technology WU Ming-ming

(School of Electronic and Information Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong 510641,China)

Abstract:

This article describes the development process of mobile communication technology, focused on

the generation of 1G to 4G mobile communication technology ,the key performance indicators and key technology .At last,it looks forward to the development trend of mobile communication technology. Key words: mobile communication; GSM technology; CDMA; MIMO-OFDM

1 引言 2

移动通信技术发展概述

随着科学技术发展，通信技术也得到 迅猛的发展和应用， 在推动社会经济的同时 改变了人们的生活方式.移动通信特别是蜂 窝小区的发展， 使用户实现完全的个人移动 性、可靠的传输手段和接续方式，逐渐演变 成社会进步必不可少的工具. 近年来，移动通信业务的迅猛增加使 移动通信技术受到来自容量和带宽两方面 的巨大挑战， 频谱资源匮乏的矛盾十分突出. 同时，移动计算、高速互联网和图像等多样 化需求要求移动通信网能够综合语音、 数据 等不同业务进行动态带宽分配， 并有提供宽 带无线信道的能力. 目前在中国，移动通信技术经历了第 一代模拟移动通信技术以及第二代数字的、 以语音为主的窄带移动通信技术后， 第三代 以高速互联网业务和多媒体业务为目的的 宽带移动通信技术已经投入商用，同时， LTE、UWB(超宽带无线通信)、WiMax 等下一 代移动通信技术正在大力的研究和试验中.

移动通信诞生于 20 世纪初， 20 世纪 在 40 年代以前， 初步进行一些传播性测试并在 短波的几个频段上进行通信应用，如 20 年 代初的 2MHz 频段的警车无线调度系统.其工 作于单工或半双工方式.40 年代至 60 年代 后期，发展了一些具有拨号、半双工功能的 移动通信系统， 但这些停留在专用系统的水 平上.这些系统基于噪声受限原理，采用与 无线广播和广播电视相同的方式.这种系统 实现较容易，但同频系统必须距离足够远， 使同频干扰电平远低于接收机的接收门限. 而且整个系统没有频率复用， 支持的同时工 作的用户数量有限，因此，系统存在容量受 限、系统功能薄弱、频率利用率低和质量差 [1] 等局限性 . 1971 年贝尔实验室论证了蜂窝系统的 可行性后， 各国对蜂窝移动通信系统进行了 深入研究， 从而进入蜂窝移动通信系统的发 展阶段. (1) 第 一 代 — — 模 拟 移 动 通 信 系

统 (1G).于 20 世纪 80 年代初提出，完成于 20

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世纪 90 年代初，如 NMT 和 AMPS.1G 基于模 拟传输，特点是业务量小、质量差、安全性 差、没有加密和速度低.1G 主要基于蜂窝结 [2] 构组网，不同国家采用不同的工作系统 . 其具有代表性的终端设备就是“大哥大”. (2) 第 二 代 — — 数 字 移 动 通 信 系 统 (2G).从 1G 到 2G 是数字技术的革命.2G 移动 通信系统是从 20 世纪 90 年代初期到目前广 泛使用的数字移动通信系统， 它具有多种不 同的系统标准，如 GSM,IS-95CDMA,PDC 和 IS-136TDMA 等，GSM（全球移动系统）移动 通信系统由欧洲于 80 年代中后期率先提出， 是目前使用最普遍的一种标准，它使用 900MHz 和 1800MHz 两个频带， 采用用户识别 模块（SIM）技术鉴别用户，传输时使用时 分多址（TDMA）和码分多址（CDMA×1）技 术增加网络中信息的传输量， 但它不能实现 全球无缝漫游. (3) 第 2.5 代移动通信系统(2.5G)是 2G 向 3G 发展过程的中间过渡， 它是 2G 的扩 展和增强版，通用无线分组业务（GPRS）可 以看做在 2G 和 3G 之间移动通信技术发展的 过渡阶段， 能够使移动设备发送和接收电子 邮件及图片信息.其常用速度为 115kbit/s， 通过使用增强数据率的 GSM(EDGE)最大速率 可达 384 kbit/s， 而典型的 GSM 数据传输率 [3] 为 9.6 kbit/s . (4) 第三代——多媒体移动通信系统 （3G） ，也称 IMT 2000，开始于 20 世纪 90 年代末.3G 统一不同的移动技术标准，使用 高的频带和 CDMA 技术传输数据来支持多媒 体业务，它工作在 2000MHz 频段，主要特点 是无缝全球漫游、高速率、高频谱利用率、 高服务质量、低成本和高保密性等，其最基 本特征是智能信号处理技术， 智能信号处理 单元将成为基本功能模块， 支持语音和多媒 体数据通信， 可以提供前三代产品不能提供 的各种宽带信息业务，如高速数据、慢速图 像与电视图像等.3G 的三种国际标准分别 是 ： WCDMA(Wideband CDMA ， 欧 洲 标 准),CDMA2000(也称 CDMA Multi—Carrier， 美 国 标 准 ) 和 TD-SCDMA （ Time Division Synchronous Code Division Multiple Access，中国标准）.

(5) 第四代——宽带接入和分布网络 系统（4G）.它包括宽带无线固定接入，宽 带无线局域网（WLAN） ，移动宽带系统和互 操作的广播网络.可以在不同的固定、无线 平台和跨越不同的频带网络中提供无线服 务， 可以在任何地方宽带接入互联网包括卫 星通信和平流层通信，能够提供定时定位、 数据采集、远程控制等综合功能.此外，4G 基于宽带 IP， 以无缝接入融合方式， 完全利 [4] 用分组交换方式传输 ，集 3G 网络技术和 无线 LAN 系统为一体， 是多种无线技术的综 合系统.目前国际主要 4G 国际标准候选技术 为 LTE-Advanced （ Long Term Evolution Advanced ） 和 802.16m 两 种 ， 其 中 TD-LTE-Advanced （LTE-Advanced TDD 制式） 是中国提出的具有自主知识产权的新一代 移动通信技术， 成功入围国际电信联盟的 4G 候选标准. 3 3.1

移动通信技术性能及关键技术

第一代移动过通信系统(1G) 第一代模拟蜂窝网移动通信系统采用 频率再用技术， 实现小区制大容量公用移动 [5] 电话系统 ，多址方式为频分多址(FDMA)， 双工方式为频分双工(FDD)，其代表性系统 是美国的 AMPS、英国的 TACS 和北欧的 NMT-450，工作频段有 450MHz、800MHz 和 900MHz，其中，NMT-450 为 450MHz，AMPS 为 800MHz， TACS 等为 900MHz.它们的频道间 隔多数为 25kHz，AMPS 的频道间隔为 30 kHz.1G 直接使用模拟语音调制技术， 传输速 率约为 2.4kbit/s.由于受到传输带宽限制， 它不能进行移动通信的长途漫游， 只是一种 区域性的移动通信系统. 蜂窝移动通信的问世， 将陆地公众移动 通信网推向了发展的

高潮 但模拟系统存在 以下弊端：(1)频带利用率低，使有限的频 率资源与无限的用户容量之间的矛盾难以 解决；(2)无法承担非话业务和数字通信业 务 ， 难 以 与 ISDN(Integrated Services Digital Network, 综合业务数字网)直接连 接；(3)存在保密性差、成本高等不可避免 的缺点.随着业务的发展，模拟技术已不能 [1] 满足发展的需要了 . 2/6

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第二代移动通信系统(2G) 2G 是基于数字传输的， 采用的技术主要 有时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)两种 技术， 提供 9.6 至 28.8kbps 的传输速率.全 球主要采用 GSM 和 CDMA 两种制式，我国采 用主要是 GSM 这一标准. 和第一代模拟移动 蜂窝移动系统相比,第二代移动通信系统具 有保密性强, 频谱利用率高, 能提供丰富 的业务, 标准化程度高等特点, 可以进行 省内外漫游.主要提供数字化的语音业务级 低速数据化业务, 克服了模拟系统的弱点， 可以进行省内外漫游.但因为采用的制式不 同, 移动标准还不统一, 用户只能在同一 制式覆盖的范围内进行漫游, 还无法进行 全球漫游, 虽然第二代比第一代有更大的 带宽, 但带宽还是很有限, 限制了数据的 应用, 还无法实现高速率的业务, 如移动 的多媒体业务. 3.2.1 GSM 移动通信系统 GSM （ Global System for Mobile Communications，全球移动通讯系统）是欧 洲制定的数字蜂窝网标准， 它包括两个并行 的系统：GSM900 和 DCS1800，两个系统功能 [7] 相同，差别是频段不同 .GSM900 的上行频 带 890-915 MHz，下行频带 935-960 MHz， 双工间隔 45 MHz，工作带宽 25 MHz，载频 间 隔 200 KHz.DCS1800 的 上 行 频 带 1710-1785 MHz，下行频带 1805-1880 MHz， 双工间隔 95 MHz，工作带宽 75 MHz，载频 [8] 间隔 200 KHz .由于 DCS1800 的载频在 1800 MHz 高频， 电波传播衰耗较 900 MHz 快得多， 所以， DCS1800 的覆盖半径较 GSM900 要小得 多.因此，DCS1800 通常采用叠加网的形式， 用以补充业务密集区 GSM900 容量不足. GSM 在 FDMA（频分复用）的基础上采用 TDMA（时分复用）复用方式，每个载频上以 4.615ms 构成一帧， 每帧分为 8 个时隙.每个 时隙 156.25bits，构成一个物理信道.为了 保证可靠性， 业务和控制信道的信道编码均 采用了块编码和 1／2 速率的卷积编码，控 制 信 道 采 用 块 矩 形 交 织 (BlockrectangularInterleaver)；业务信 道 采 用 块 对 角 交 纵 (Block Diagonal Interlcavcr)， 话音编码速率为 13Kbps， 数

据业务速率最高为 9.6Kbps.为了在效率、 复 杂胜和抗干扰方面达到一个较好的平 衡 ． GSM 采 用 GMSK(Gaussian Mininlunl [9] Shift Keying)凋制 . 3.2.2 IS-95CDMA 移动通信系统 IS-95CDMA（IS-95A）系统是北美数字 蜂窝标准，也是 2G 的代表性系统之一. IS-95 的载波频带宽度为 1.25MHz，信道承 载能力有限， 仅能支持声码器语音和话带内 的数据传输， 称为窄带码分多址蜂窝通信系 统. IS-95 工作的上行频带为 869-894 MHz， 下行频带为 824-869 MHz.CDMA 蜂窝系统具 有“软切换”功能，它以扩频技术为基础， 因而具有扩频通信系统固有的优点， 如抗干 扰、抗多径衰落和保密性等. IS-95 采用 TDMA/FDMA 技术相结合，使 用 FDD 双工方式， 射频信道间隔为 1.25 MHz， 调制方式使用 QPSK.其声码器采用码激励线 性预测编码算法 （QCELP 算法） 基本速率是 ， 8kb/s.CDMA 和 TDMA 系统的重要差异在于无 线信道的构成及有关的无线接口和设备， CDMA 的全部用户共享一个无线信道， 用户信 号的区分靠所用码型的不同；TDMA 和 FDMA 系统则是每个用户占用一个信道. 功率控制是 CDMA 蜂窝系统提高通信容 [10] 量的关键技术， 也是其主要技术难题之一 . 功率控制是解决 CDMA 系统远近效应的的有 效措施， 需要在反向链路和正向链路上都进 行功率控制.功率控制的原则是：当信道的 传播条件突然改善时， 功率控制应作出快速 响应（例如几毫秒内） ，以防止信号突然增 强而对其他用户产生附加干扰；相反，当信 道

条件突然变坏时， 功率调整的速度可以慢 一些，也就是说，宁可单个用户的信号质量 短时间恶化， 也要防止许多用户的背景干扰 都增大.CDMA 系统具有全网统一的时间标 准，它利用全球定位系统（GPS）时标，各 基站配有 GPS 接收机. 3.3 第 2.5 代移动通信系统(2.5G) 2.5G 系 统 中 ， 对 应 于 GSM 的 是 GPRS/EDGE， 对应于 IS-95A 的是 CDMA2000 1 ×(IS-95B).GPRS 基于 GSM 可以把接入速率 提高到 115kb/s-171 kb/s，在 GPRS 之后的 EDGE 技 术 可 以 把 速 率 进 一 步 提 到 384 3/6

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kb/s .GPRS 将信包交换模式引入到 GSM 网 络中， 提高了资源利用率， 能支持 INTERNET 的 IP 协议和 X.25 协议.GPRS 基本原理是使 多个用户共享某些固定的信道资源， 将每个 时 隙 的 传 输 速 率 从 9.6 kbit/s 提 高 到 14.4kbit/s. EDGE 也称 2.75G， 主要是在 GSM 系统中 采用了新的调制方法， 即最先进的多时隙操 作和 8PSK 调制技术，8PSK 可将现有 GSM 网 络采用的 GMSK 调制技术信号空间从 2 扩展 到 8，使每个符号包含信息为原来的八 倍.EDGE 不同于 GSM 的优势有：(1)8PSK 空 中接口模式，(2)增强型的 AMR 编码方式， (3)MCS1-9 九种信道编码方式， (4)链路自适 应，(5)递增冗余传递，(6)RLC 窗口大小自 动调整. IS-95B 同样采用分组交换方式， 可提供 的理论最大比特速率为 115kbit/s，实际只 能实现 64kbit/s. 3.4 第三代移动通信系统(3G) 3G 主要基于宽带 CDMA 技术，优点在于 频率规划简单，系统容量大，频率复用系数 高，抗多径能力强，通信质量好，软容量， 软切换.总体而言，3G 的具有四项关键技术 [12] ： (1)智能天线技术. 智能天线基于自适应天线原理， 利用天 线阵的波束赋形产生多个独立波束， 并自适 应地调整波束方向来跟踪每一个用户， 达到 提高信号干扰信噪比， 增加系统容量的目的. 在 3G 三个标准中，TD-SCDMA 使用了智能天 线. (2)软件无线电技术. 软件无线电的基本思路是研制一种基 本的可编程硬件平台， 在这个硬件平台上改 变软件即可形成不同标准的通信设施 （如终 端和基站） ，关键思想是尽可能在靠近天线 的部位进行宽带 A/D 和 D/A 变换， 再用高速 数字信号处理器(DSP)进行软件处理，以实 现尽可能多的无线通信功能. (3)高速下行分组交换数据传输技术. 3G 的上下行将会呈现很大的不对称性， 对 FDD 来说， 非常需要能有效支持不对称业 务的一种技术.3GPP 技术规范中的高速下行 [11]

分组接入(HSPA)技术可以实现 10.8M 的高速 下行数据，HSDPA 技术是一种对多用户提供 高速下行数据业务的技术， 特别适合于多媒 体、Internet 等大量下载信息的业务.在传 输较高速率的业务数据时， 通过在特定时隙 中使用较高调制方式(8PSK、16QAM、甚至 64QAM)来进行传输.大量研究表明，采用若 干新技术可使空中下行速率达到 40Mbit／s 以上.目前国际上对 HSDPA 技术的研究正在 进行中，它是 3GPP WGl 组的一个研究热点. (4)联合检测技术. 多用户检测面临的问题有远近效应、 异 步问题、多径效应等.在此基础上提出联合 检测，即多用户检测，同时使用均衡技术， 以消除符号间干扰和码问干扰.传统的均衡 技术需要用户发送训练序列， GSM 系统中， 在 大约有 20％的发送序列用于训练， 训练序列 的频繁发送，增加了大量的信道开销.在信 道的盲均衡中，用户不用发送训练序列，接 收端通常只知道输出信号及输入信号的一 些统计信息.另外联合接收、天线分集技术 和 Turbo 码技术结合起来， 可以得到更好的 接收性能.使用联合检测技术可以有效地克 服传播路径损耗、阴影效应和快衰落现象. [13,14,15,16] 三种 3G 国际标准性能参数比较 如表 1. 3.5 第四代移动通信系统(4G) 目前业界和学术界对于 4G 的看法基本 一致：4G 系统基于 IP、具有超过 2 Mb/s 的非对称数据传输能力、 在移动环境下速率 将达到 100 Mb/s、在静止环境下速率达到 1 Gb/s 以上的、能够支持下一代网络的各种 应用(如移动高清电视)、 并且

能在固定和移 动之间方便切换的技术. [17,18,19] 4G 的关键技术有 ： (1)O FDM(正交频分复用) OFDM 是 4G 的核 心 技术， 实 际 上是 MCM(Multi—carrier Modulation，多载波 调制)技术的一种，其主要思想是在频域内 将给定信道分成许多窄的正交子信道， 在每 个子信道上使用一个子载波进行调制， 并且 各子载波并行传输， 因此可以大大消除信道 和符号间的干扰.OFDM 具有很多独特的优 点：频谱利用率高，抗衰落能力强，适合高 4/6

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2010 年 5 月 20 日 速数据传输，抗码间干扰能力强.缺点是对 频偏和相位噪声敏感，功率峰值和均值比 制式 继承基础 双工方式 信号带宽 码片速率 帧长 调制方式 解调方式 语音编码 基站运营模式 功率控制 编码方式 切换方式 WCDMA 中国联通 GSM FDD 5MHz 3.84Mchip/s 10ms 上行 BPSK 下行 QPSK 导频辅助相干解调 AMR 同步/异步 闭环功控 外环功控 卷积吗/Turbo 码 支持软切换 和更软切换

大， 负载算法和自适应调制技术增加系统复 杂度. CDMA2000 中国电信 窄带 CDMA FDD N*1.25 MHz N*1.22288 Mchip/s 20ms 上行 BPSK 下行 QPSK 导频辅助相干解调 8K/13K QCELP 或 8K EVRC 同步 闭环功控 外环功控 卷积吗/Turbo 码 支持软切换 和更软切换 TD-SCDMA 中国移动 GSM TDD 1.6 MHz 1.28 Mchip/s 10ms QPSK 8PSK 联合检测方式 AMR 网络同步或 GPS 闭环功控 外环功控 卷积吗/Turbo 码 支持接力切换 提高了切换效率 表 1 三种 3G 技术对比

(2) 多输入多输出(MIMO)技术 MIMO(Multiple—Input Multiple—Out —put)系统， 该技术属于智能天线技术的一 种，利用多天线来抑制信道衰落.可以利用 MIMO 信道成倍地提高无线信道容量， 在不增 加带宽和天线发送功率的情况下， 频谱利用 率可以成倍地提高.利用 MIMO 技术可以提高 信道的容量，同时也可以提高信道的可靠 性， 降低误码率.前者是利用 MIMO 信道提供 的空间复用增益，后者是利用 MIMO 信道提 供的空间分集增益.MIMO 系统有以下优点： 降低了码间干扰(ISI)，提高了空间分集增 益；提高了无线信道容量和频谱利用率. (3)基于 IPv6 的核心网 4G 移动通信系统的核心网是一个基于 全 IP 的网络，即基于 IP 的承载机制、网络 维护管理、网络资源控制、应用服务.目前 IPv4 的地址长度仅有 32bit， 地址资源即将 耗尽，而 IPv6 具有 128bit 的地址空间，能 解决 IP 地址资源不足的问题， 因此 IPv6 会 成为下一代网络的核心协议. 同 3G 网络相比，4G 系统具有根本性的 优点：采用 IP 协议的核心网可以实现不同 的网络间的无缝互联， 独立于各种具体的无 线接入方案，能提供端到端的 IP 业务，能 同已有的核心网和 PSTN 兼容.核心网具有 开放的结构， 能允许各种空中接口接入核心 网；同时，核心网能把业务、控制、传输等 分开.采用 IP 后， 所采用的无线接入方式和 协议与核心网络(CN) 协议、链路层是分离 独立的.IP 与多种无线接入协议相兼容， 因 此在设计核心网络时具有很大的灵活性， 不 需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协 议. 此外， 的关键技术还包括前几代系统 4G 所具有但经过改进的功率控制技术和多用 户检测技术，以及在 3G 基础上改进的软件 无线电技术和智能天线技术. 4

总结和展望

回顾 1G 到 3G 的发展， 移动通信系统在 每个十年内都会发生革命性的变化.在 2010 5/6

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2010 年 5 月 20 日 [7] 李建东,郭梯云,邬国扬.移动通信[M].第四版. 西安:西安电子科技大学出版社:228-233. [8] 3GPP.TS05.05 Digital cellular telecommunication

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年 2 月的世界移动通信大会上， 移动宽带化、 融合化、 智能化和绿色节能成为产业界的战 略方向. 移动宽带化的发展趋势使通信网 络正在发生根本性的变化， 通信的主体也将 由人与人扩展到人与物或物与物. 完稿之时正值 2010 年世界电信日，今 年电信日的主题是： 信息通信技术让城市生 活更美好.信息通信技术已渗透到城市管理 和人民生活各领域， 影响和改变着城市的发 展方式和生活方式.随着未来无线网络的变 化，移动通信网络正向着网络技术智能化， 网络融合，网络技术宽带化，承载 IP 化等 发展.

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