移动通信的未来与发展

1、前言在20世纪的最后 20年内，现代移动通信技术走过了第一代 ( 模拟系统 ) 和第二代 ( 窄带数字系统 ) 两个阶段。在新千年之交的时期，也完成了第三代移动通信 ( 正式名称为 IMT-2000) 标准的制定工作，为现今 3G的正式商用打下了基础。 从 20 世纪 90年代起，移动通信就以极高速度发展。 1999年，在通信设备市场中，移动通信产品所占份额已超过通信产品的 50%。而且，此比例还在逐渐增加。手持机的逐渐普及并带来对通信个人化的强烈需求， 互联网的高速发展又带来了移动数据通信的机遇。 回顾近十年的发展， 可以说，移动通信技术的发展开辟了一个巨大的市场，而市场的急需又推动了移动通

2、信技术进步和国际标准的制定。 第三代移动通信发展之际，世界已开始关注第四代移动通信。正文第一部分移动通信的发展历程1.1第一代移动通信技术第一代移动通信系统 （如 AMPS 和TACS等）是采用 FDMA 制式的模拟蜂窝系统。由于受到传输带宽的限制， 不能进行移动通信的长途漫游， 只能是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是 TACS。第一代移动通信有很多不足之处， 比如容量有限、 制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游等。1.2第二代移动通信技术第二代移动通信系统 ( 如采用 TDMA 制式的欧洲 GSM/DCS1800,

3、 北美 IS-54和采用 CDMA 制式的美国 IS-95等 ) 则是数字蜂窝系统。主要采用的是数字的时分多址 (TDMA) 技术和码分多址 (CDMA) 技术。主要业务是语音，其主特性是提供数字化的话音业务及低速数据业务。 它克服了模拟移动通信系统的弱点， 话音质量、保密性能得到大的提高， 并可进行省内、 省际自动漫游。 第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成模拟技术向数字技术的转变， 但由于第二代采用不同的制式，移动通信标准不统一， 用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游， 因而无法进行全球漫游， 由于第二代数字移动通信系统带宽有限， 限制了数据业务的应用，也无法实现高速率的业务如移动的

4、多媒体业务。1.3第三代移动通信技术第三代移动通信系统简称 3G系统 , 它最早是国际电联 (ITU- R)于1985年提出的 , 当时命名为未来公众陆地移动通信系统 (FPLMTS) 。由于当时预期该系统在2000年使用 , 并工作在 2000MHZ 频段 , 故于 1996年正式改名为 IMT-2000 。第三代移动通信系统大致目标是全球化、 综合化和个人化。 全球化就是提供全球海陆空三维的无缝隙覆盖 , 支持全球漫游业务 ; 综合化就是提供多种话音和非话音业务 , 特别是多媒体业务 ; 个人化就是有足够的系统容量、强大的多种用户管理能力、高保密性能和服务质量。 与从前以模拟技术为代表的第

5、一代和目前还在使用的第二代移动通信技术相比， 3G将有更宽的带宽，其传输速度最低为 384K，最高为 2M ，带宽可达 5MHz 以上。不仅能传输话音，还能传输数据，从而提供快捷、方便的无线应用，如无线接入Internet。能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务是第三代移动通信的另个主要特点。第三代移动通信网络能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高无线频率利用效率。 提供包括卫星在内的全球覆盖并实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接。满足多媒体业务的要求，从而为用户提供更经济、内容更丰富的无线通信服务。第二部分现今 3G的移动通信2.1第三代移动通信系统的结构第三代系统的

6、主要目标是将包括卫星在内的所有网络融合为可以替代众多网络功能的统一系统， 它能够提供宽带业务并实现全球无缝覆盖。为了保护运营公司在现有网络设施上的投资， 第二代系统向第三代系统的演进遵循平滑过渡的原则，现有的GSM、D-AMPS 、IS-136 等第二代系统均将演变成为第三代系统的核心网络，从而形成一个核心网家族，核心网家族的不同成员之间通过NNI接口联结起来，成为一个整体，从而实现全球漫游。在核心网络家族的外围，形成一个庞大的无线接入家族，现有的几乎所有的无线接入技术以及WCDMA 等第三代无线接入技术均将成为其成员。2.2第三代移动通信系统的特点(1) IMT-2000 中的业务与固定网络

7、的业务兼容。(2) 机体积很小，具有全球漫游能力。(3) 用的频谱为885MHz 2025MHz，2110MHz 2200MHz( 共 230MHz)1980 MHz 2010 MHz， 2170 MHz2200 MHz( 限于卫星使用 ) 。(4) 终端可以连接地面网和卫星网，可移动使用也可固定使用。(5) 线接口的类型少，而且具有高度的兼容性。2.3IMT-2000 的技术要求和提供的业务IMT-2000 的要求(1) 高速传输以支持多媒体业务。 室内环境至少 2Mbit/s . 室外步行环境至少384kbit/s. 室外车辆运动中至少144kbit/s.(2) 传输速率能够按需分配。(3

8、) 上下行连路能适应不对称需求。IMT-2000 提供的业务(1) 话音业务 : 上下行链路的信息速率都 16kbit/s , 属电路交换 , 对称型业务。(2) 简单消息 : 是对应于短信息 SMS 的业务 , 它的数据速率为 14kbit/s, 属于分组交换。(3) 交换数据 : 属于电路交换业务 , 上下行数据速率都是 64kbit/s.(4) 非对称的多媒体业务: 包括中速多媒体业务, 其下行数据速率为384kbit/s 、上行为 64kbit/s.(5)高速多媒体业务 : 其下行数据速率为2000kbit/s , 上行为 128kbit/s.(6) 交互式多媒体业务 : 该业务为电路

9、交换 , 是一种对称的多媒体业务 , 应用于高保真音响 , 可视会议 , 双向图像传输等。2.4第三代移动通信的主流制式在标准征集的过程中， 世界各国的电信制造商都积极准备， 投入了大量的人力和物力进行开发和研究，我国也积极探索提出第三代移动通信系统标准提案。经过一段时间的筛选， 一些国家提出的标准先后出局， 剩下了几个影响比较大的标准草案，包括由欧洲和日本支持的 WCDMA 标准，美国支持的 CDMA2000 标准，以及由我国大唐集团提出的 TD-SCDMA 标准等。在技术上 , 由于各个标准草案都是理论上的系统 , 没有哪个系统占有绝对的优势，而在政治上，各个国家和地区竞争互不相让， 各公

10、司之间的竞争到了白热化的阶段。 我国提出的标准 TD-SCDMA 在这一过程中经受住了严峻的考验。 一方面，我国 TD- SCDMA 在技术上有着巨大的优势：第一， TD- SCDMA 有最高的频谱利用率。因为我国标准是一种时分双工 (TDD) 的移动通信系统，只用一段频率就可完成通信的收信和发信，而 WCDMA 和 CDMA2000 采用的都是频分双工 ( FDD) 的移动通信系统，需要两段不同的频率才能完成通信的收信和发信。第二， TDSCDMA 采用了世界领先的智能天线技术。 基站天线可以自动追踪用户手机的方向， 使通信效率更高，干扰更少，设备成本更低。第三，我国政府和运营商给予我国提出

11、的 3G 标准以巨大的支持，同时，大唐集团也采取了广泛的联合策略，使这一起步较晚的标准得到了广泛的支持。 经过艰苦的努力， 2000 年 5 月 5 日，TD- SCDMA 被 ITU 正式批准为国际标准，与欧洲和日本提出的 WCDMA 以及由美国提出的 CDMA2000 标准同列三大标准的行列。之后， TD-SCDMA 又被 3GPP( 第三代合作伙伴 ) 组织正式接纳，成为全球第三代移动通信网络建设的选择方案之一。在全球，经国际电联 ( ITU) 确认的三大 3G 主流标准分别为： 由 GSM 延伸而至的 WCDMA; 由 CDMA 演变发展的 CDMA2000; 中国大陆大唐电信和德国西

12、门子合作开发的全新标准TD- SCDMA.2.5第三代移动通信的关键技术WCDMAWCDMA 是一种由 3GPP具体制定的，基于 GSM MAP 的核心网。为无线接口的第三代移动通信系统。 WCDMA ( 宽带码分多址 ) 是一个 ITU( 国际电信联盟 )标准，它是从码分多址 ( CDMA ) 演变来的，在官方上被认为是 IMT-2000 的直接扩展，与现在市场上通常提供的技术相比， 它能够为移动和手提无线设备提供更高的数据速率。CDMA2000 即为 CDMA2000 1× EV ，是一种 3G 移动通信标准。分两个阶段： CDMA2000 ×1 EV-DO(Data

13、Only) ，采用话音分离的信道传输数据，和 CDMA2000 ×1 EV-DV(Date and Voice) ，即数据信道于话音信道合一。CDMA2000也称为 CDMA Multi-Carrier，由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、 Lucent 和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。这套系统是从窄频CDMA ONE数字标准衍生出来的，可以从原有的CDMA ONE结构直接升级到3G，建设成本低廉。但目前使用CDMA的地区只有日、韩和北美，所以CDMA2000的支持者不如W-CDMA多。不过CDMA2000的研发技术却是目前各标准中进度最快的，许多3G手

14、机已经率先面世。CDMA2000是一个3G移动通讯标准, 国际电信联盟ITU的IMT-2000标准认可的无线电接口，也是2G CDMA标准 ( IS-95 , 标志CDMA1X ) 的延伸。根本的信令标准是IS-2000.CDMA2000与另一个主要的3G标准W-CDMA不兼容。TD SCDMA(1)TD-SCDMA TimeDivision-SynchronousCode DivisionMultipleAccess( 时分同步的码分多址技术) 。(2)TD-SCDMA作为中国提出的第三代移动通信标准( 简称3G) ，自1998 年正式向 ITU ( 国际电联 ) 提交以来，已经历经十来年的

15、时间， 完成了标准的专家组评估、 ITU 认可并发布、与3GPP( 第三代伙伴项目 ) 体系的融合、新技术特性的引入等一系列的国际标准化工作，从而使TD SCDMA 标准成为第一个由中国提出的，以我国知识产权为主的、 被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准。这是我国电信史上重要的里程碑。(3) 中国 TD 与美、欧切换技术的优缺点优点 频谱利用率高 , TD 一个载频1.6M, WCDMA 一个载频 10M. 对功控要求低, TD:0200MZ,WCDMA:1500MZ. 采用了智能天线和联合测试引入了所谓的空中分级。避免了呼吸效应TD 不同业务对覆盖区域的大小影响较小,易于网络规划。缺点

16、: 同步要求高， TD 需要 GPS 同步，同步的准确程度影响整个系统是否正常工作。 码资源受限TD只有 16 个码 , 远远少于业务需求所需要的码数量。 干扰问题上下行、 本小区、 邻小区都可能存在干扰。120KM/H ，WCDMA ： 500Km/h.TD-SCDMA 、 WCDMA和 CDMA2000的区别移动速度慢， TD ：TD-SCDMA(time-division synchronous code division multiple access):TD-SCDMA是由我国信息产业部电信科学技术研究院提出，与德国西门子公司联合开发。主要技术特点: 同步码分多址技术，智能天线技术和

17、软件无线技术。它采用TDD双工模式，载波带宽为是一种优越的双工模式，因为在第三代移动通信中，需要大约400mhz的频谱资源，在3ghz以下是很难实现的。而TDD 则能使用各种频率资源，不需要成对的频率，能节省未来紧张的频率资源，而且设备成本相对比较低，比FDD系统低20%-50%，特别对上下行不对称，不同传输速率的数据业务来说TDD更能显示出其优越性。也许这也是它能成为三种标准之一的重要原因。另外，TD-SCDMA独特的智能天线技术，能大大提高系统的容量，特别对CDMA系统的容量能增加50%，而且降低了基站的发射功率，减少了干扰。TD-SCDMA软件无线技术能利用软件修改硬件，在设计、测试方面

18、非常方便，不同系统间的兼容性也易与实现。当然TD-SCDMA也存在一些缺陷，它在技术的成熟性方面比另外两种技术要欠缺一等。因此，信息产业部也广纳合作伙伴一起完善它。另外它在抗衰落和终端用户的移动速度方面也有一定缺陷。WCDMA(wideband code division multiple access)：WCDMA源于欧洲和日本几种技术的融合。WCDMA采用直扩(MC)模式，载波带宽为5mhz，数据传送可达到每秒2mbit（室内）及384kbps（移动空间）。它采用MC FDD双工模式，与GSM 网络有良好的兼容性和互操作性。作为一项新技术，它在技术成熟性方面不及CDMA2000，但其优势在

19、于GSM的广泛采用能为其升级带来方便。因此，近段时间也倍受各大厂商的青睐。WCDMA采用最新的异步传输模式（ATM ）微信元传输协议，能够允许在一条线路上传送更多的语音呼叫，呼叫数由现在的30 个提高到300 个，在人口密集的地区线路将不在容易堵塞。另外， WCDMA还采用了自适应天线和微小区技术，大大地提高了系统的容量。CDMA2000(codedivisionmultipleaccess2000):CDMA2000是由美国高通 （ qualcomm ）公 司提 出 。 它 采 用 多载 波（ DS ） 方 式 ， 载 波带 宽为 1.25mhz . CDMA2000 共分为两个阶段 : 第

20、一阶段将提供每秒 144kbit/s 的数据传送率，而当数据速度加快到每秒 2mbit/s 传送时，便是第二阶段。到时，和 WCDMA 一样支持移动多媒体服务，是 CDMA 发展 3G 的最终目标。 CDMA2000 和 WCDMA 在原理上没有本质的区别， 都起源于 CDMA（ IS-95 ）系统技术。但 CDMA2000 做到了对 CDMA （ IS-95 ）系统的完全兼容，为技术的延续性带来了明显的好处: 成熟性和可靠性比较有保障，同时也使 CDMA2000 成为从第二代向第三代移动通信过渡最平滑的选择。但是 CDMA2000 的多载传输方式比起 WCDMA 的直扩模式相比，对频率资源有

21、极大的浪费，而且它所处的频段与IMT-2000规定的频段也产生了矛盾。TD-SCDMA 、 WCDMA 和 CDMA2000 三种主流通信系统标准的主要技术性能比较如图 2-1WCDMATD-SCDMACDMA2000载频间隔 /MHz51.61.25码片速率 /(Mc/s)3 841.281.2288帧长 /ms1010（分为两个子20帧）基站同步不需要需要需要，典型方法是GPS功率控制快速功控：上、下0200HZ反向： 800HZ行 1500Hz前向：慢速、快速功控下行发射分级支持支持支持频率间切换支持，可用压缩模支持，可用空闲时支持式进行测量隙进行测量检测方式相干解调联合检测相干解调信道

22、估计公共导频DwPCH、 UpPCH、中前向、反向导频间码编码方式卷积码卷积码卷积码Turbo 码Turbo 码Turbo 码图 2-1三种主流通信系统标准的主要技术性能比较第三部分未来移动通信技术（4G）3.1技术发展移动通信从产生到现在的时间并不长，第一代移动通信到第三代移动通信，前后只用了20 多年的时间，其发展速度远远超出了人们的预料。随着计算机软件跟微电子技术的发展，在其基础上，移动通信设备在质量上、使用方便和信号传输的质量上有了较以前很大的提高。随着第三代移动通信开始商用，大家不免会思考以后的通信会如何发展，即猜想着会不会诞生第四代移动通信技术。这是必然会产生的。现如今，从事通信类

23、开发与研究的专业人员已经开始了超三代或第四代的移动通信的研究与开发。大致思路有 2 种：一是对现有的 3G 标准的增强，二是研制全新的标准， 即 IMT-2000 的未来发展跟超 IMT-2000 的系统。IMT-2000地面无线接口的能力在 30Mb/s-50Mb/s ，而超 IMT-2000 系统可能基于新的无线接口技术，新的无线接入系统在高速移动环境下可提供高达100Mb/s左右的峰值速率，在低移动性的环境下可提供高达1Gb/S 左右的峰值速率。随着社会的发展，商业经济的快速多变化，人与人的及时沟通，人们的娱乐休闲已然成为通信研究的目标。通过手机进行视屏会议、下载电影、运行大型复杂的软件

24、已不再是幻想。人们对于移动网络的需求，促使网络传输速率的不断改进。随着手机越来越接近于一部小型电脑，对网络的传输速率将会出现更高的需求。可见，更高传输速率的超IMT-2000 系统，即第四代移动通信技术必将成为日后研究的重点。3.2第四代移动通信的关键技术自适应编码调制技术第四代移动通信系统主要是以OFDM 为核心技术。 OFDM技术实际上是多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子

25、信道可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。OFDM 技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独特的优点：(1) 频谱利用率高， 频谱效率比串行系统高近一倍。 OFDM 信号的相邻子载波相互重叠，其频谱利用率可以接近Nyquist 极限。(2) 抗衰落能力强。 OFDM 把用户信息通过多个子载波传输， 这样在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，从而使OFDM对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力更强。(3) 适合高速数据传输。 OFDM 自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪

26、声背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，应采用效率高的调制方式；而当信道条件差的时候，则应采用抗干扰能力强的调制方式。再有， OFDM 加载算法的采用，使得系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。(4) 抗码间干扰 (ISI) 能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性干扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。 OFDM 由于采用了循环前缀，故对抗码间干扰的能力很强。多输入多输出技术智能天线采用空时多址（ SDMA ）的技

27、术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号进行区分，动态改变信号的覆盖区域，将主波束对准用户方向，旁瓣或零陷对准干扰信号方向，并能够自动跟踪用户和监测环境变化，为每个用户提供优质的上行链路和下行链路信号从而达到抑制干扰、准确提取有效信号的目的。这种技术具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束等功能，被认为是未来移动通信的关键技术。目前，智能天线的工作方式主要有全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。全自适应智能天线虽然从理论上讲可以达到最优，但相对而言各种算法均存在所需数据量、计算量大、信道模型简单、收敛速度较慢，在某些情况下甚至出现错误收敛等缺点，实际信道条件下，当干扰较多

28、、多径严重，特别是信道快速时变时，很难对某一用户进行实际跟踪。在基于预多波束的切换波束工作方式下，全空域被一些预先计算好的波束分割覆盖，各组权值对应的波束有不同的主瓣指向，相邻波束的主瓣间通常会有一些重叠，接收时的主要任务是挑选一个作为工作模式，与自适应方式相比它显然更容易实现，是未来智能天线技术发展的方向。软件无线电技术在 4G 系统中，若要实现“任何人在任何地点以任何形式接入网络”的理想通信方式，则至少需要保证移动终端能够适合各种类型的空中接口，能够在各类网络环境间无缝漫游，并可以在不同类型的业务之间进行转换。这就意味着在4G 系统中，软件将会变得非常复杂。为此，专家们提议引入软件无线电技

29、术，软件无线电是近几年随着微电子技术的进步而迅速发展起来的新技术，它以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支持。软件无线电概念一经提出，就受到各方的极大关注，这不仅是因为软件无线电概念新技术先进、发展潜力大，更为重要的是它潜在的市场价值也是极具吸引力的。软件无线电强调以开放性最简硬件为通用平台，尽可能地用可升级、可重配置的不同应用软件来实现各种无线电功能的设计新思路。其中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等各种功能用软件来完成，并使宽带A/D和 D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性

30、、开放性的新一代无线通信系统。在4G 众多关键技术中，软件无线电技术是通向未来4G 的桥梁。由于各种技术的交迭有利于减少开发风险，所以未来4G 技术需要适应不同种类的产品要求，而软件无线电技术则是适应产品多样性的基础，它不仅能减少开发风险，还更易于开发系列型产品。此外，它还减少了硅芯片的容量，从而降低了运算器件的价格，其开放的结构也会允许多方运营的介入。移动通信的发展进程可用下图来概括。如图3-1图 3-1移动通信的发展进程3.3未来的移动通信目前世界发达国家都正在积极进行4G技术规格的研究制定，以期在全球 4G 规格制定中享有发言权。4G 的各项运行标准将由国际电信联盟（ ITU ）电信标准局决定。新一代无线通信技术在美国及日本等发达国家已经进入密集的研发和市场化阶段。新的研究包括网络结构、用户切换和漫游等移动环境下的系统实现方案，从而实现用户的大范围移动，这种技术路线是当前国际上设计